diseÑo de una planta virtual de un intercambiador de …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DISEÑO DE UNA PLANTA VIRTUAL DE UN

INTERCAMBIADOR DE CALOR EN MATLAB, CON ENLACE AL SISTEMA DE CONTROL FREELANCE.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A

NATIVIDAD RODRÍGUEZ ERIK TOVAR LEÓN HÉCTOR

ASESORES: ING. RICARDO HURTADO RANGEL DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL

MÉXICO, D. F. DICIEMBRE 2013

ÍNDICE GENERAL

RELACIÓN DE FIGURAS ..................................................................................... 1

OBJETIVO GENERAL .......................................................................................... 1

OBJETIVOS PARTICULARES .............................................................................. 1

ANTECEDENTES .................................................................................................. 2

JUSTIFICACIÓN ................................................................................................... 3

CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO .......................................................................... 4

1.1 LABORATORIOS VIRTUALES........................................................................................... 4

1.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR ................................................................................... 7

1.2.1 Procesos de transferencia de calor ...................................................................................7

1.2.2 Mecanismos de transferencia de calor y Ley de enfriamiento de Newton .......................9

1.2.3 Conductividad Térmica (W/m °C) ...................................................................................10

1.2.4 Coeficiente Global de Transferencia de Calor (Kw/°C m2) ..............................................10

1.2.5 Área de Transferencia de Calor (m2) ...............................................................................10

1.3 GENERALIDADES DE LOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ......................... 10

1.4 TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR .................................................................. 15

1.5 CONCEPTO DE OPC...................................................................................................... 17

CAPÍTULO 2 MODELADO Y SIMULACIÓN EN MATLAB .................................. 22

2.1 INTRODUCCIÓN AL MODELAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR .................. 22

2.1.1 Control en lazo abierto ...................................................................................................24

2.1.2 Control retroalimentado ................................................................................................25

2.2 CARACTERÍSTICAS Y DESCRIPCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR MODELADO .. 27

2.2.1 Descripción del Proceso .................................................................................................27

2.2.2 Consideraciones de funcionamiento y diseño del intercambiador

de calor tipo serpentín. ..................................................................................................28

2.3 MODELO MATEMÁTICO DEL PROCESO....................................................................... 28

2.3.1 Balance de energía .........................................................................................................28

2.3.2 Balance de energía en el intercambiador .......................................................................29

2.3.3 Balance de energía en el serpentín ................................................................................29

2.3.4 Linealización y Transformada de Laplace .......................................................................29

2.3.5 Dinámica de la válvula de control ...................................................................................31

2.3.6 Dinámica del sensor transmisor .....................................................................................31

2.4 PARÁMETROS DEL MODELO ....................................................................................... 32

2.5 CONSTRUCCIÓN DE LA SIMULACIÓN DINÁMICA EN SIMULINK ................................. 32

CAPÍTULO 3 INTEGRACIÓN CON FREELANCE .............................................. 37

3.1 ASIGNACIÓN DE LA DIRECCIÓN IP DE LA ESTACIÓN DE INGENIERÍA .......................... 37

3.2 CREACIÓN DEL PROYECTO EN CONTROL BUILDER F................................................... 41

3.3 INSTAURACIÓN DE UNA ESTACIÓN DE PROCESO (D-PS) ............................................ 42

3.4 INSTAURACIÓN DEL SERVIDOR OPC ........................................................................... 52

3.5 ESTACIÓN DE OPERACIÓN........................................................................................... 54

3.6 DECLARACIÓN DE RECURSOS ...................................................................................... 55

3.6.1 Componentes de la estación de operación ....................................................................56

3.6.2 Declaración de la Gateway Station OPC .........................................................................57

3.7 ASIGNACIÓN DE RECURSOS ........................................................................................ 57

3.8 CONFIGURACIÓN DE IP´S E ID´S .................................................................................. 59

3.9 ENLACE ENTRE EL SOFTWARE CONTROL BUILDER F Y MATLAB SIMULINK ................ 60

CAPÍTULO 4 DESARROLLO DE HMI PARA MONITOREO ............................... 68

4.1 INTEGRACIÓN DE IMÁGENES TIPO BITMAP ................................................................ 68

4.2 INTEGRACIÓN DE DISPLAY .......................................................................................... 71

4.3 RESULTADOS DE LA INGENIERÍA DESARROLLADA ...................................................... 81

CONCLUSIONES ................................................................................................ 92

GLOSARIO DE TÉRMINOS ................................................................................ 93

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 96

APÉNDICES ........................................................................................................ 97

APÉNDICE “A” MANUAL DEL CONTROLADOR PID DE COTROL BUILDER F ...................... 97

APÉNDICE “B” MANUAL OPC TOOLBOX ......................................................................... 106

RELACIÓN DE FIGURAS

Figura 1.1 Flujo en un Intercambiador de Calor ............................................................... 11

Figura 1.2 Intercambiador de calor en contracorriente. .................................................. 12

Figura 1.3 Comportamiento del intercambiador de calor en contraflujo. ....................... 12

Figura 1.4 Intercambiador de calor de flujo paralelo. ...................................................... 13

Figura 1.5 Comportamiento del intercambiador de calor de flujo paralelo. ................... 13

Figura 1.6 Corrientes cruzadas en un intercambiador de calor ....................................... 14

Figura 1.7 Comportamiento de un intercambiador de flujo cruzado. ............................. 14

Figura 1.8 Clasificación de Intercambiadores de Calor .................................................... 15

Figura 1.9 Comparación antes y después del OPC. .......................................................... 18

Figura 2.1 Sistema en Lazo Abierto .................................................................................. 25

Figura 2.2 Control Retroalimentado ................................................................................. 26

Figura 2.3 Diagrama de proceso para el intercambiador de calor tipo serpentín. .......... 27

Figura 2.4 Diagrama en Simulink representativo del intercambiador de calor. ............... 33

Figura 2.5 Diagrama de bloques del proceso en Simulink con Bloques Scope. ............... 33

Figura 2.6 Implementación del cambio de flujo programado en Simulink ...................... 34

Figura 2.7 Bloque PID en Simulink. .................................................................................. 34

Figura 2.8 Sintonización del PID usando auto-tune. ......................................................... 35

Figura 2.9 Diagrama de bloques representativo del Intercambiador de Calor. ............... 35

Figura 2.10 Gráfica de la respuesta del sistema al correr la simulación .......................... 36

Figura 3.1 Asignación de IP a la estación de Ingeniería. ................................................... 37

Figura 3.2 Asignación de ID al programa Control Builder F .............................................. 38

Figura 3.3 Asignación de ID al programa DigiVis. ............................................................. 38

Figura 3.4 Asignación de ID al Servidor OPC. .................................................................... 39

Figura 3.5 Propiedades del Protocolo de Internet (TCP/IP). ............................................ 39

Figura 3.7 Contenido del archivo para asignación de IP estática. .................................... 40

Figura 3.8 Ventana generada por el archivo .bat de asignación de IP estática ................ 41

Figura 3.9 Creación de un nuevo proyecto. ...................................................................... 41

Figura 3.10 Inserción de niveles........................................................................................ 42

Figura 3.10 Creación de la estación de proceso ............................................................... 43

Figura 3.12 Adición del objeto “ConFiguration CONF”. .................................................... 43

Figura 3.13 Adición del objeto “Process station D-PS”. .................................................... 44

Figura 3.14 Adición del objeto “Task TASK”..................................................................... 44

Figura 3.15 Árbol de proyecto con el objeto “Tareas” agregado ..................................... 45

Figura 3.16 Agregando al objeto Program LIst ................................................................. 45

Figura 3.17 Agregando el subnivel de bloques funcionales FBD ...................................... 46

Figura 3.18 Árbol de proyecto con subnivel FBD .............................................................. 46

Figura 3.19 Agregando el bloque “Controlador”. ............................................................ 47

Figura 3.20 Parámetros general del controlador. ............................................................. 47

Figura 3.21 Sección uno de configuración en el controlador. .......................................... 48

Figura 3.22 Segunda sección de configuración en el controlador. ................................... 48

Figura 3.23 Tercer sección de configuración en el controlador. ...................................... 49

Figura 3.24 Segunda ventana de configuración en el controlador. .................................. 49

Figura 3.25 Configuración del modo de operación en el controlador.............................. 50

Figura 3.26 Agregando variables de escritura y lectura. .................................................. 50

Figura 3.27 Ventana de configuración de variables. ........................................................ 51

Figura 3.28 Diagrama de bloques funcionales con controlador y variables. .................... 51

Figura 3.29 Configurando el servidor OPC. ....................................................................... 52

Figura 3.30 Adición del objeto “OPC-Server (OPC-S)”. ..................................................... 52

Figura 3.31. Adición del objeto “Gateway Station D-GS”. ................................................ 53

Figura 3.32 Selección del tipo de “Gateway Station D-GS”. ............................................. 53

Figura 3.32 Árbol de proyecto con tres subniveles agregados. ........................................ 54

Figura 3.34 Incorporación de una estación de operación (D-OS). .................................... 55

Figura 3.35 Árbol de proyecto con estación de proceso (D-PS) y .................................... 55

estación de operación (D-OS). .......................................................................................... 55

Figura 3.36 Declaración del emulador como estación de proceso .................................. 56

Figura 3.37 Declaración de la estación de operación ....................................................... 56

Figura 3.38 Declaración de la estación de enlace ............................................................. 57

Figura 3.39 Asignación de la estación de proceso ............................................................ 57

Figura 3.40 Asignación de la estación de operación ......................................................... 58

Figura 3.41 Asignación de la puerta de enlace OPC. ........................................................ 58

Figura 3.42 Estructura de hardware completa. ................................................................ 59

Figura 3.43 Configuración de IP´s ..................................................................................... 59

Figura 3.44 Revisión de errores en el proyecto. ............................................................... 60

Figura 3.45 Simulación del proceso usando Simulink. ...................................................... 60

Figura 3.46 OPC Toolbox. .................................................................................................. 61

Figura 3.47 Bloque “OPC Configuration” .......................................................................... 61

Figura 3.48 Iniciando servidor OPC en Windows 7. .......................................................... 62

Figura 3.49 Reconocimiento del servidor de Control Buifer F. ......................................... 62

Figura 3.50 Nombre del servidor de Control Builder F. .................................................... 63

Figura 3.51 Configuración exitosa del servidor OPC en Simulink. .................................... 63

Figura 3.52 Configuración del Bloque Read ...................................................................... 64

Figura 3.53 Configuración de enlace para la variable “Salida”. ........................................ 64

Figura 3.54 Enlace exitoso de la variable “Salida” en Simulink. ....................................... 65

Figura 3.55 Adición del Bloque OPC Read a la simulación. .............................................. 65

Figura 3.56 Configuración de enlace para la variable “Entrada”. ..................................... 66

Figura 3.57 Enlace exitoso de la variable “Entrada” en Simulink. .................................... 66

Figura 3.58 Simulación del proceso de intercambio de calor con servidor OPC. ............. 67

Figura 4.1 Nivel FGR en árbol de proyecto. ...................................................................... 68

Figura 4.2 Imagen del intercambiador de calor para la HMI ............................................ 69

Figura 4.3 Botón Bitmap. .................................................................................................. 69

Figura 4.4 Importación de imagen a Control Builder F ..................................................... 70

Figura 4.5 Creación de etiquetas tipo texto ..................................................................... 70

Figura 4.6 Adición de la etiquetas de texto para el proyecto. .......................................... 71

Figura 4.7 Adición de un display alfanumérico. ................................................................ 71

Figura 4.8 Configuración de display para la temperatura de entrada.............................. 72

Figura 4.9 Integración de display para temperatura de la mezcla. .................................. 72

Figura 4.10 Acceso y creación a nuevas variables ............................................................ 73

Figura 4.11 Configuración de la variable “VVapor” .......................................................... 73

Figura 4.12 Activación de lectura y escritura de datos ..................................................... 74

Figura 4.13 Configuración de display para la variable “VVapor” ...................................... 74

Figura 4.14 Integración de display para temperatura del vapor. ..................................... 75

Figura 4.15 Adición del Bloque OPC Write para la variable “VVapor” ............................. 75

Figura 4.16 Enlazado de la variable VVapor a Simulink .................................................... 76

Figura 4.17 Creación de la variable “Flujo”....................................................................... 76

Figura 4.18 Configuración de la variable “Flujo” .............................................................. 77

Figura 4.19 Activación de lectura y escritura de datos. .................................................... 77

Figura 4.20 Configuración de display para la variable “Flujo” .......................................... 78

Figura 4.21 Integración de display para el cambio de flujo. ............................................. 78

Figura 4.22 Adición del Bloque OPC Write para la variable “Flujo” ................................. 79

Figura 4.23 Ligado de la variable “Flujo” en Simulink....................................................... 79

Figura 4.24 Diagrama de bloques en Simulink con comunicación vía OPC integrado a

la HMI. ............................................................................................................................... 80

Figura 4.25 Comprobación de errores de proyecto.......................................................... 81

Figura 4.26 Consejos emergentes desplegados................................................................ 81

Figura 4.27 Iniciando el modo de comisionamiento. ....................................................... 82

Figura 4.28 Iniciando Emulador ........................................................................................ 82

Figura 4.29 Emulando el Freelance con ID 30. ................................................................. 83

Figura 4.30 Carga del recurso EDP .................................................................................... 83

Figura 4.31 Estación de proceso en línea. ........................................................................ 84

Figura 4.32 Cargando OPCG .............................................................................................. 84

Figura 4.33 Cargando la estación de operación EDO........................................................ 85

Figura 4.34 Carga de proyecto exitosa. ............................................................................ 85

Figura 4.35 Diagrama de bloques con controlador vía OPC y controlador local en

simulink. ............................................................................................................................ 86

Figura 4.36 Accediendo a la HMI en digivis. ..................................................................... 87

Figura 4.37 Accediendo al manipulador del controlador. ................................................ 87

Figura 4.38 HMI en línea ................................................................................................... 88

Figura 4.39 Gráfica de resultados de la temperatura de vapor........................................ 89

Figura 4.40 Control del Freelance sobre la temperatura de salida en el intercambiador

de calor. ............................................................................................................................ 89

Figura 4.41 Control de Simulink sobre la temperatura de salida en el intercambiador de

calor. ................................................................................................................................. 90

Figura 4.42 Comparación de controladores. .................................................................... 91

DISEÑO DE UNA PLANTA VIRTUAL DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN MATLAB, CON ENLACE AL SISTEMA DE CONTROL FREELANCE.

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 1

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un emulador de un proceso de intercambio de calor en Matlab, que pueda interactuar con el sistema de control distribuido de Freelance, como parte de un laboratorio virtual.

OBJETIVOS PARTICULARES

-Desarrollar un sistema de comunicaciones entre el Freelance 800F ABB y el software MatLab. -Analizar el control de temperatura en un intercambiador de calor en Matlab y observar el comportamiento del proceso. -Mostrar las técnicas para el control en Matlab y la integración con el sistema Freelance 800F de ABB. -Modelar y desarrollar una interfaz gráfica que simule el comportamiento en tiempo real de la variable temperatura de un intercambiador de calor en el software Matlab para implementar un sistema de control a través del Freelance 800F de ABB sin la necesidad de tener proceso físico.



ANTECEDENTES

Poner en práctica los conocimientos adquiridos sobre procesos industriales es una

cuestión que a veces no resulta del todo viable debido a los altos costos generados

en la adquisición y operación de los equipos en donde se realizan, los laboratorios

virtuales son herramientas muy útiles en la didáctica de cualquier ciencia para

trabajo donde no se cuenta con equipos útiles a disposición.

Debido al avance de la tecnología, algunos años atrás surge una nueva forma de

poner en práctica lo visto en clase. Si bien es cierto, la industria utiliza procesos

complejos para llevar a cabo sus operaciones de producción, es posible crear

procesos virtuales donde se puede aprender virtualmente lo que físicamente quizás

no esté al alcance de los estudiantes.

Poder Implementar laboratorios donde a través de un programa de computadora se

pueda simular el funcionamiento de los factores más determinantes en un proceso

de producción es de gran importancia para la formación de ingenieros en control y

automatización. A través de las interfaces gráficas de los programas se puede

visualizar el comportamiento o funcionamiento de un mecanismo, de una parte de

un proceso; así que esto permite generar experiencia en un tiempo corto, y así se

pueda aprender más fácilmente los pros y los contras de nuestras decisiones,

asemejándose a las pruebas en la industria, que traería costos enormes. En los

laboratorios virtuales se usa el concepto de simulación. Dentro de estos laboratorios

hay presencia activa por parte del estudiante, a su vez, él tiene el control completo

del entorno y libertad de realizar lo que se desee.

En los últimos años, se ha masificado el uso del concepto para tener experiencias

simuladas y controladas haciendo uso de la tecnología. Esto permite que los

estudiantes desarrollen sus competencias en la operación y programación de los

modernos sistemas controlados, además hace que los estudiantes se familiaricen

de manera virtual con la industria y sus procesos.

Para un laboratorio virtual es necesario tener el software que nos permitirá obtener

experiencia lo más real posible, hace relativamente pocos años, no había forma de

enlazar un software con otro, es decir no podía haber intercambio de datos e

información debido a que manejaban diferentes protocolos de comunicación, de

manera que cada industria estaba obligada a utilizar una solo marca para tener una

buena comunicación entre sus equipos, hoy en día, una de las alternativas es usar

una forma estándar de comunicación conocida como OPC ( por sus siglas en inglés

OLE for Process Control), que es una estandarización de comunicación en el campo

del control y supervisión de procesos industriales.

http://es.wikipedia.org/wiki/Object_Linking_and_Embedding



JUSTIFICACIÓN

La enseñanza en la parte práctica siempre ha sido fundamental, especialmente en donde se requiere tener un conocimiento más que teórico, es decir, experimental. Las prácticas de laboratorio permiten a la persona manipular materiales, instrumentos e ideas, así como aplicar su propia investigación y originalidad. Cuando existe la dificultad de implementar un estudio de manera física, es entonces cuando se justifica la importancia de los laboratorios virtuales. Hoy en día, dichos laboratorios se usan para una amplia variedad de situaciones de ingeniería en las cuales es necesario observar los comportamientos de procesos industriales importantes que no permiten fallas por ningún motivo. En el mercado existe una gran variedad de intercambiadores de calor, estos dispositivos además de que tienen un costo elevado también son desarrollados para propósito industrial; además es necesario que aparte del equipo se tenga una infraestructura especial para poder funcionar. Cuando se maneja un proceso donde se pretenda regular la variable temperatura es necesario que se consiga trabajar con los menores errores posibles ya que representan perdidas incuantificables; el proyecto descrito en esta tesis permitirá brindar una visión más clara de los sistemas de control. El enfoque dado a la simulación es principalmente de tipo didáctico ya que en los laboratorios de control a nivel licenciatura es indispensable conocer el funcionamiento de los sistemas de control. En el ambiente laboral se hace cada vez más presente la competitividad entre ingenieros en control, la presente tesis parte de esta necesidad de competitividad por lo que se propone crear la simulación del control de un intercambiador de calor para probar su funcionamiento en el sistema Freelance 800F de ABB dentro de un laboratorio que no posee la infraestructura suficiente para poder contar con un proceso físico dentro del mismo. Se hará uso también de otro software, Matlab, que nos permitirá introducir el modelo del intercambiador para que después el sistema Freelance lea esa información de manera que se pueda visualizar el comportamiento del dispositivo de manera gráfica. Mediante el desarrollo de este proyecto se evitará el problema de tener pérdidas incuantificables ya que mediante el laboratorio virtual se podrá capacitar a toda persona interesada a controlar un proceso de intercambio de calor, de modo que cuando llegue al modo experimental dentro de la industria pueda saber funcionamientos, comportamientos y ayude a la mejora de toma de decisiones del ingeniero.



CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO

1.1 LABORATORIOS VIRTUALES

En computación el término “virtual” distingue algo que es conceptual de algo que

es físicamente real y se puede utilizar en gran variedad de situaciones. Los

laboratorios virtuales han sido definidos como herramientas muy útiles en la

didáctica de cualquier ciencia para trabajar temas que, por razones diversas, no

admiten la experimentación o implementación real.

En la industria, este concepto es utilizado desde hace poco más de treinta años

para la planificación y experimentación de procesos. En el medio académico, surge

a raíz de la necesidad de crear sistemas de apoyo al estudiante para sus prácticas

de laboratorio, con el objetivo de optimizar el tiempo que éste emplea en la

realización de dichas prácticas y la demanda de recursos de infraestructura.

Como parte del presente trabajo, se usará un laboratorio virtual como forma de suplir

la dificultad de adquisición del material físico necesario para el desarrollo real de la

investigación de procesos de intercambio de calor.

En los últimos años ha aumentado considerablemente el uso de las nuevas

tecnologías en el aprendizaje y desarrollo de prácticas, o bien, investigaciones,

como es el caso de este trabajo. El laboratorio virtual es un simulador interactivo de

un proceso real donde a través de la tecnología, se pueden realizar un sinfín de

actividades que podrían ser difíciles de desarrollar físicamente debido a que se

necesitaría tener una muy buena infraestructura para que los equipos operaran,

además de tener personal capacitado para darle mantenimiento a estos equipos, el

resultado de una simulación arroja datos muy cercanos a lo que se podría obtener

si estuviera el proceso real, pero también se pueden identificar pequeñas

deficiencias que a continuación se enlistan:

Ventajas

Se visualiza gráficamente el comportamiento de un proceso físico de forma

remota.

Fomenta la capacidad de análisis, observación y pensamiento crítico del

tema.

No supone gasto económico alguno por parte de los involucrados para

adquirir el material físico a utilizar.

Permite al programador analizar los resultados desde la PC y en cualquier

momento del día.

El programador puede controlar en todo momento las variables a controlar

durante un proceso.



Inconvenientes

Es necesario tener un cierto nivel de conocimiento del software a utilizar.

Un laboratorio virtual proporciona un entorno simulado. Se han desarrollado muchos

paquetes de software para la simulación de experimentos reales. Algunas ventajas

de estos simuladores conllevan:

• Explicaciones efectivas de los conceptos teóricos.

• Realización de experimentos paso a paso.

• Es un medio interactivo.

• Es flexible y con herramientas fáciles de usar.

• Es una alternativa de bajo costo.

• No existen restricciones físicas ni de tiempo.

Como se mencionó, para desarrollar un laboratorio virtual es necesario contar con

el software necesario que permita implementar las condiciones necesarias en donde

se lleve a cabo la simulación, y a su vez, la visualización del comportamiento del

proceso, o bien, parte del proceso.

Se tienen un sinfín de software que facilitan lo anterior, sin embargo entre los

software que nos permitirán llevar a cabo el presente trabajo se nombran a

continuación:

Matlab

Control Builder F de ABB.

Cada uno de ellos cuenta con su forma de programación y configuración que el

usuario debe conocer como parte fundamental de su uso, esto para los fines

descritos en el trabajo.

1.1.1 Simulación

Una vez conociendo el programa, el proceso a desarrollar y sabiendo manejar el

software, entonces se procede a llevar a cabo su simulación para su observación y

análisis.

Cada uno de los programas a utilizar (Matlab y Control Builder de ABB) tiene su

forma de simulación. Para que en Matlab se simule un proceso es necesario tener

como mínimo requisito la función de transferencia que define tal proceso y su

comportamiento, pero para haber obtenido dicha función, se tuvo que haber

comenzado por realizar un balance de energía o masa, para después efectuar los

procedimientos y cálculos siguientes al balance, ya que éstos nos llevarán a obtener



los resultados deseados. En el capítulo 2 se mostrará la función que describirá

nuestro proceso, y enseguida se simulará en el mismo software.

Para el caso del Control Builder F de ABB es necesario emular el comportamiento

del controlador con ayuda de cualquier servidor de Internet, bajo la dirección:

http://localhost:8888/, donde más adelante, en el capítulo 2 se describirá la forma

de hacerlo paso a paso.

Las técnicas de simulación de procesos se fundamentan en el desarrollo y la

obtención de uno o varios modelos matemáticos del sistema, que se trata de

simular. El modelo, o modelos matemáticos, están constituidos por una serie de

ecuaciones que representan los balances de materia, de energía y la función de

transferencia, o en dado caso, la ecuación de estado del sistema. Partiendo de ese

modelo, se podrá obtener información del sistema por métodos analíticos.

Una simulación se podría definir como un modelo matemático de ese proceso que

reproduce su comportamiento ya sea en condiciones estacionarias (simulación

estacionaria) o en condiciones no estacionarias (simulación dinámica). Tal

simulación (modelo matemático), es cargada y ejecutada en el programa simulador

para que este pueda realizar los cálculos de balances de materia y energía, si el

software lo permite, con el objeto de obtener los resultados de simulación. Dichos

resultados pueden permitir, desde el cálculo y diseño de un intercambiador de calor,

hasta el desarrollo de un plan de puesta en marcha de una compleja unidad de

proceso.

Con la ayuda de la simulación de procesos, se pueden optimizar las condiciones de operación de la planta, con el fin de obtener un determinado objetivo. Éste puede ser: la reducción de costos, la mejora de las calidades de los productos, la optimización energética, etc.

¿Cuándo simulamos?

Cuando es costoso, peligroso, consume mucho tiempo, o imposible de

construir y experimentar con prototipos.

Hay necesidad de estudiar el pasado, presente, o futuro del sistema en

tiempo real.

Las áreas de aplicación de la simulación son numerosas y entre ellas están:

• Diseño y análisis de sistemas de producción o de procesos. • Análisis de sistemas financieros o económicos. • Diseño de sistemas de comunicación y protocolos. • Entre otras.



1.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR

Para poder entender el proceso que se lleva a cabo dentro de un intercambiador de

calor de cualquier tipo es necesario conocer los conceptos generales que envuelven

su funcionamiento y así poder obtener el balance de energía que generara el

modelo matemático que lo represente.

1.2.1 Procesos de transferencia de calor

La termodinámica como ciencia estudia en la primera ley, la naturaleza y

transformación de la energía en sus diferentes formas: energía interna, entalpía,

trabajo y calor. En la segunda ley explica porque el calor no puede ser transformado

totalmente en trabajo.

La herramienta con la cual se aplican los conceptos de la primera ley de la

termodinámica a los procesos industriales se denomina balance de materia y

energía. Sin embargo ninguna de las dos explica cómo se transfiere el calor de un

cuerpo a otro. Dicha explicación es trabajada en los Procesos de Transferencia de

Calor.

Se define la Transferencia de Calor como “el estudio de las velocidades a las cuales

el calor se intercambia entre fuentes de calor y receptores”, mientras que los

Procesos de Transferencia de Calor están relacionados con las razones de

intercambio térmico que ocurren en los equipos.

Al tratar con procesos químicos y físicos se hace necesario el conocimiento de las

variables donde interactúa la energía en forma de calor, es decir se debe conocer

los cambios que se producen cuando ocurre este proceso; como ejemplo de algunas

variables se tiene flujo, nivel, temperatura, etc. así como también la dinámica de

estas variables que podemos definir como el cambio que hay en relación de la salida

con respecto a la entrada. Otro aspecto que se hace sumamente necesario es

entender las leyes de la termodinámica donde de forma breve se explicarán más

adelante, éstas nos ayudan a entender el comportamiento de la energía debido a

una transferencia de calor. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada

con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente

y recibidor.

Otra forma de estudiar la dinámica de un proceso es empíricamente, esto es,

realizar pruebas al proceso físicamente, analizando las salidas obtenidas para

diferentes entradas aplicadas. En la realidad, esta operación resulta impráctica y

costosa, por lo que generalmente se emplea una computadora con un software

de simulación que imita el proceso por medio de su modelo matemático y se le

realizan estas pruebas, el inconveniente está en que no es posible representar el



comportamiento exacto de un proceso por medio de un modelo matemático ya que

este es ideal y en el caso real existen factores que afectan su comportamiento,

entonces la exactitud con la que requiera expresar un proceso por medio de su

modelo matemático esta en directa relación con la complejidad de esta.

Se ha descrito a la transferencia de calor como el estudio de las velocidades a las

cuales el calor se intercambia entre fuentes de calor y recibidores, tratados

usualmente de manera independiente. Los procesos de transferencia de calor se

relacionan con las razones de intercambio térmico, tales como los que ocurren en

equipo de transferencia de calor, tanto en ingeniería mecánica como en los

procesos químicos. Este enfoque realza la importancia de las diferencias de

temperatura entre la fuente y el recibidor, lo que es, después de todo, el potencial

por el cual la transferencia de calor se lleva a efecto. Un problema típico de procesos

de transferencia de calor involucra las cantidades de calor que deben transferirse,

las razones a las cuales pueden transferirse debido a la naturaleza de los cuerpos,

la diferencia de potencial, la extensión y arreglo de las superficies que separan la

fuente y el recibidor, y la cantidad de energía mecánica que debe disiparse para

facilitar la transferencia de calor. Puesto que la transferencia de calor considera un

intercambio en un sistema, la pérdida de calor por un cuerpo deberá ser igual al

calor absorbido por otro dentro de los confines del mismo sistema.

Para poder entender el funcionamiento de estos procesos se hace necesario definir

dos conceptos importantes; temperatura que representa la cantidad de energía

térmica disponible, mientras que el flujo de calor representa el movimiento de la

energía térmica a partir de un lugar a otro.

En una escala pequeña, la energía térmica se relaciona con la energía cinética de

las moléculas. Cuanto mayor sea la temperatura de un material, mayor es la

agitación térmica de sus moléculas constituyentes (manifestado tanto en el

movimiento lineal y modos de vibración). Es natural que las regiones que contienen

una mayor energía cinética molecular pasen esta energía a las regiones con menos

energía cinética.

Varias propiedades de materiales sirven para modular el calor transferido entre dos

regiones con temperaturas diferentes. Los ejemplos incluyen la conductividad

térmica, calor específico, la densidad de materiales, velocidades de fluido,

viscosidades de fluidos, y mucho más, que no formará parte de nuestro enfoque de

estudio, sin embargo, no dejan de ser importantes. En conjunto, estas propiedades

sirven para hacer la solución de muchos problemas de transferencia de calor en un

proceso involucrado.



1.2.2 Mecanismos de transferencia de calor y Ley de enfriamiento de Newton

Para poder llevar a cabo un intercambio de calor entre dos sistemas existen tres

formas en las que se realiza, llamados Mecanismos de Transferencia de Calor. Aun

cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o

tres, las tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al

recibidor, son, conducción, convección y radiación.

La transferencia de calor está íntimamente ligado a la Ley de Enfriamiento de

Newton (Ec. 1.1), la cual puede enunciarse de la siguiente manera: “la temperatura

de un cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a la diferencia de las

temperaturas entre el medio externo y el cuerpo”.

𝑑𝑇

𝑑𝑡= −𝑘(𝑇 − 𝑇𝑜)

(1.1)

Donde:

𝑑𝑇

𝑑𝑡= Representa la rapidez del enfriamiento,

𝑇 = es la temperatura instantánea del cuerpo,

𝑘 = una constante que define el ritmo de enfriamiento,

𝑇𝑜 = es la temperatura ambiente, que es la temperatura que alcanza el cuerpo

luego de suficiente tiempo, que se supone siempre constante.

Resolviendo esta ecuación diferencial para un cuerpo que se enfría desde una

temperatura To hasta una temperatura T, obtenemos la temperatura del cuerpo en

función del tiempo:

𝑑𝑇

𝑑𝑡= −𝑘(𝑇 − 𝑇𝑜)

∫𝑑𝑇

𝑇−𝑇𝑜= −𝑘 ∫ 𝑑𝑡

𝑡

0

𝑇

𝑇𝑜

𝑙𝑛(𝑇 − 𝑇𝑜) = −𝑘𝑡 + 𝑙𝑛(𝑇𝑖𝑛𝑖 − 𝑇𝑜)

𝑇 = 𝑇𝑜 + (𝑇𝑖𝑛𝑖 − 𝑇𝑜)𝑒−𝑘𝑡

(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

La ley de enfriamiento de Newton enuncia que, cuando la diferencia de

temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el

calor transferido por unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por

conducción, convección y radiación, es aproximadamente proporcional a la



diferencia de temperaturas entre el cuerpo y dicho medio externo, siempre y cuando

este último mantenga constante su temperatura durante el proceso de enfriamiento.

1.2.3 Conductividad Térmica (W/m °C)

Propiedad de cada material para conducir calor. Se define como la cantidad de calor

que pasa a través de una unidad de superficie de una muestra del material de

extensión finita caras plano paralelas y espesor unidad cuando entre sus caras se

establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad.

1.2.4 Coeficiente Global de Transferencia de Calor (Kw/°C m2)

Se define como la cantidad de calor total transferido por unidad de superficie ante

una variación de un grado Celsius. Este valor es obtenido experimentalmente y varía

de acuerdo a las características del intercambiador.

1.2.5 Área de Transferencia de Calor (m2)

Se define como el área disponible para la transferencia de calor entre los dos fluidos.

Para el caso del intercambiador de calor el área efectiva es el área superficial total

exterior de los tubos. Se calcula hallando el área superficial de un tubo y

multiplicando el valor por el número de tubos y el número de pasos por la carcasa.

1.3 GENERALIDADES DE LOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE

CALOR

Los procesos de transferencia de calor se realizan en equipos conocidos como

intercambiadores de calor. Con carácter general, el intercambiador de calor es

cualquier dispositivo en el que se verifica un intercambio de calor entre dos fluidos

separados por una pared. Si se tiene en cuenta que cualquiera de los dos fluidos

puede ser un líquido, un gas, un vapor condensable o un líquido en ebullición, el

número de intercambiadores de calor es muy elevado.

El fluido caliente se denomina fuente y el frío se denomina receptor. La transferencia

de calor trata de la velocidad de intercambio entre la fuente y el receptor. Aunque

genéricamente se conocen como intercambiadores, los equipos utilizados para

transferencia de calor se definen por la función que llevan a cabo en el proceso,

clasificándose como:

• Intercambiador. Recupera calor por intercambio entre dos corrientes de proceso,

exceptuando vapor de agua y agua de refrigeración que son servicios auxiliares.



• Calentador. Se utiliza fundamentalmente para calentar corrientes de proceso,

generalmente con vapor de agua.

• Enfriador. Se utiliza fundamentalmente para enfriar corrientes de proceso,

generalmente con agua.

• Condensador. Es un enfriador cuyo uso fundamental es el de eliminar calor latente

de condensación. En muchas ocasiones se utiliza aire para condensar.

• Reboiler. Es un calentador que tiene como función principal la de aportar calor

latente en procesos de destilación. En ocasiones se calienta con fluidos de proceso.

• Evaporador. Se utiliza para concentrar alguna solución evaporando el agua. Si en

lugar de agua se vaporiza cualquier otro fluido su nombre es el de vaporizador.

En un intercambiador de calor dos corrientes a distintas temperaturas fluyen sin mezclarse para enfriar una de ellas o calentar la otra o ambas cosas a la vez. (Figura 1.1)

Figura 1.1 Flujo en un Intercambiador de Calor

Se presentan los tipos de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo

paralelo; contraflujo; flujo cruzado.

Los intercambiadores de calor cuentan con dos entradas por donde se alimenta el

fluido cálido y el fluido frío con sus dos respectivas salidas de cada fluido, al

interactuar se presenta una diferencia de temperaturas t1 , t2 = temperaturas de

entrada y salida del fluido frío; T1 , T2 = temperaturas de entrada y salida del fluido

cálido. Este tipo de intercambiador es llamado de “contracorrientes” o “contraflujo”

debido a la dirección en que los dos fluidos se encuentran (Figura 1.2).



Figura 1.2 Intercambiador de calor en contracorriente.

Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos ya que el

fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el

extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más

frío se aproximará a la temperatura del fluido de entrada (Fig. 1.3). Este tipo de

intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados. En

contraste con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el intercambiador de

contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el fluido frío y la más baja

temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia de calor en el

intercambiador.

Figura 1.3 Comportamiento del intercambiador de calor en contraflujo.

En cambio si ambas corrientes tienen el mismo sentido se trata de “corrientes

paralelas”, “equicorrientes” o “flujo paralelo” (Figura 1.4).



Figura 1.4 Intercambiador de calor de flujo paralelo.

En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y estos

presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se transfiere

del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la

temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye

su temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre

ellos (Figura 1.5). Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca

alcanza la temperatura del fluido más caliente.

Figura 1.5 Comportamiento del intercambiador de calor de flujo paralelo.

Otra situación que en la que se pueden encontrar la disposición de las corrientes es

en la que ambas se cruzan en ángulo recto. En ese caso se habla de “corrientes

cruzadas” o “flujo cruzado”. Esta disposición se da con mayor frecuencia en el

intercambio de calor de gases con líquidos. (Figura1.6)



Figura 1.6 Corrientes cruzadas en un intercambiador de calor

En la figura 1.7 se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno

de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos

pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos

formando un ángulo de 90◦.Los intercambiadores de flujo cruzado son comúnmente

usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto se tiene un

fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico. Un ejemplo típico de este

tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor, donde el vapor

exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del

condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste

se condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de

vapor de agua al utiliza este tipo de intercambiador de calor.

Figura 1.7 Comportamiento de un intercambiador de flujo cruzado.

En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de

flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación

de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor



real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta

muy complicado de analizar. La razón de incluir la combinación de varios tipos en

uno solo, es maximizar la eficacia del intercambiador dentro de las restricciones

propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos,

temperaturas y presiones de operación, que permiten establecer la complejidad del

intercambiador.

1.4 TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Debido a los diferentes requerimientos dentro de la industria se han desarrollados

diferentes tipos de intercambiadores de calor. Hoy en día en todos los procesos

dentro de las donde se requiere enfriar o calentar dos sustancias sin entrar en

contacto, es casi imposible no encontrar un intercambiador de calor debido a que la

operación de enfriamiento o calentamiento es inherente a todo proceso que maneje

energía en cualquiera de sus formas.

Esta gran demanda de equipos ha orillado que para ciertas aplicaciones puntuales

se hayan desarrollado intercambiadores muy especializados. Tratar todos los tipos

sería imposible por la cantidad y variedad en ellos que se puede encontrar.

En forma muy general, podemos clasificarlos según el tipo (Figura 1.8) de superficie

en:

Figura 1.8 Clasificación de Intercambiadores de Calor

Los Intercambiadores de Serpentín Sumergido

Está constituido por un tubo que está sumergido en un depósito donde se acumula

el fluido secundario. Por el interior del tubo circula el fluido primario o calor portador

al iniciar el flujo este cede el calor al fluido secundario.



Intercambiadores de Doble Tubo

Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos

concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor

diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo

de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del

flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo

los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la

configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en

sentidos opuestos.

Intercambiadores de coraza y haz de tubos

El intercambiador coraza o también llamado de carcasa y tubo, consiste en una

serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado coraza y

representan la alternativa a la necesidad de una gran transferencia de calor. Se

usan para servicios que requieren grandes superficies de intercambio,

generalmente asociadas a caudales mayores de los que puede manejar un

intercambiador de calor de doble tubo. La solución consiste en ubicar los tubos en

un haz, rodeados por un tubo de gran diámetro denominado coraza. De este modo

los puntos débiles donde se pueden producir fugas, en las uniones del extremo de

los tubos con la placa, están contenidos en la coraza. En cambio en un conjunto de

horquillas estos puntos están al aire libre.

Enfriadores de cascada

Los enfriadores en cascada consisten en una serie de tubos montados

horizontalmente, uno sobre otros. Se denominan a veces enfriadores de trombón,

enfriadores de goteo o de serpentín. El agua de enfriamiento de un depósito de

distribución se desliza sobre cada tubo y, a continuación, va a un dren. El fluido

caliente circula generalmente en flujo a contracorriente, del fondo a la parte superior

del grupo de tubos. Existen enfriadores en cascada de vidrio, grafito impermeable,

hierro colado y otros materiales.

Recipientes Encamisados

El encamisado o enchaquetado se utiliza con frecuencia para recipientes que

necesitan limpieza frecuente o para los recubrimientos de vidrio que son difíciles de

equipar con serpentines internos. La camisa elimina la necesidad de serpentín.

Intercambiadores de Placa

Los intercambiadores de placas consisten en delgadas planchas corrugadas, un

conjunto de placas preformadas con unos canales en disposición paralela por donde



circulan los fluidos. Entre las placas hay dos canales con un medio frío y otro

caliente. Éstos fluyen por cada lado de las placas y circulan a contracorriente. Estas

placas están montadas sobre un bastidor de acero y dos placas o columnas de

acero sujetadas por tornillos de apriete que compactan las placas. Cada placa

dispone de 4 bocas por donde circulan los fluidos en paralelo, mientras que un fluido

es conducido por las placas pares y el otro por las impares consiguiendo así el

necesario intercambio de calor entre ambos.

Los intercambiadores de calor de placas son ideales para aplicaciones en las que

los fluidos tienen una viscosidad relativamente baja y no contienen partículas.

Como bien se mencionó en el subtema 1.1.1, para poder visualizar el

comportamiento de un intercambiador es necesario comenzar a realizar su balance

de materia y energía, obtener su modelado matemático, para después llegar a una

función de transferencia que a su vez será introducida en el software para su

simulación, de manera que así podremos observar su comportamiento.

En el siguiente capítulo se describe el modelado que se va a utilizar para la

simulación del intercambiador, así que esto nos permitirá después visualizar y

controlar éste proceso en los programas a utilizar. Cabe recalcar que no solo se

puede simular equipos de transferencia de calor como lo es el intercambiador, sino

que se pueden observar cualquier tipo de procesos específico o general, se escogió

un intercambiador solo para comprobar que se puede controlar y visualizar el

proceso mediante un enlace entre los dos software, siendo éste enlace la parte

medular del presente trabajo.

1.5 CONCEPTO DE OPC

El OPC (OLE for Process Control) es un estándar de comunicación en el campo del

control y supervisión de procesos industriales, basado en una tecnología Microsoft,

que ofrece una interfaz común para comunicación que permite que componentes

de software individuales y de diferentes marcas interaccionen y compartan datos.

La comunicación OPC se realiza a través de una arquitectura cliente-servidor. El

servidor OPC es la fuente de datos (como un dispositivo hardware a nivel de planta)

y cualquier aplicación basada en OPC puede acceder a dicho servidor para

leer/escribir cualquier variable que ofrezca el servidor. Es una solución abierta y

flexible al clásico problema de los propietarios de los drivers. Prácticamente todos

los mayores fabricantes de sistemas de control, instrumentación y de procesos han

incluido OPC en sus productos.

OPC es la conectividad abierta a través de estándares abiertos. Llena una

necesidad de automatización en la industria. La especificación OPC es una

http://es.wikipedia.org/wiki/Object_Linking_and_Embedding

http://es.wikipedia.org/wiki/Cliente-servidor

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistemas_de_control

http://es.wikipedia.org/wiki/Instrumentaci%C3%B3n_industrial

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_de_fabricaci%C3%B3n



especificación técnica que define un conjunto de interfaces basadas en estándares

de tecnología Microsoft. La aplicación de la interfaz OPC estándar hace posible la

interoperabilidad entre aplicaciones de automatización/control,

sistemas/dispositivos de campo y aplicaciones de negocio/oficina.

Tradicionalmente, cada desarrollador de aplicaciones o software estaba obligado a

escribir una interfaz personalizada o servidor/controlador, para intercambiar datos

con dispositivos de campo del hardware. OPC elimina este requisito mediante la

definición de una interfaz común y de alto rendimiento que permite que este trabajo

se realice una vez, y luego reutilizar fácilmente por HMI, SCADA, control y

aplicaciones personalizadas.

Como se observa en la figura 1.9, anteriormente era complicado llevar a cabo una

comunicación entre diferentes proveedores de equipos, la industria debía estar

“casada” con una solo marca para que no tuviera problemas entre sus propios

equipos, hoy en día esto es diferente, bajo el estándar de OPC la comunicación

entre equipos de diferentes proveedores se hace realidad, siempre y cuando los

equipos funcionen bajo ese estándar.

Figura 1.9 Comparación antes y después del OPC.

Existe una fundación que reúne a los miembros que operan bajo el estándar OPC,

dicha fundación (OPC Foundation) se dedica a garantizar la interoperabilidad en la

automatización de la creación y el mantenimiento de especificaciones abiertas que

estandarizan la adquisición y control de datos de proceso, alarmas y registros de

eventos, datos históricos y datos de lotes a los sistemas empresariales de múltiples

proveedores y entre dispositivos de producción. Los dispositivos de producción

incluyen sensores, instrumentos, PLCs, RTUs, DCS, HMI, historiadores,

subsistemas de tendencias, subsistemas de alarmas y más utilizado en la industria

de procesos, la fabricación y en la adquisición y el transporte de petróleo, gas y

minerales.

OPC proporciona un enlace de comunicación entre los servidores OPC y el cliente

OPC. Ha sido diseñado para proporcionar una comunicación fiable de información



en una planta de proceso, tal como una refinería petroquímica, de una línea de

montaje de automóviles, o una fábrica de papel.

Un servidor OPC se identifica mediante un ID de servidor único. El ID de servidor

es único en el equipo en el que se encuentra el servidor. Una combinación del

nombre de host del equipo servidor y el ID de servidor del servidor OPC, proporciona

un identificador único para un servidor OPC en una red de computadoras.

En la actualidad hay cientos de servidores OPC y también de clientes entre los

cuales se encuentran:

o Siemens o Procter & Gamble o Rockwell Automation o Matlab o Matrikon OPC o ABB Automation o Emerson Process Management o Endress + Hauser Process Solutions o Schneider Electric

Para los usuarios, la gran ventaja es la flexibilidad de interoperabilidad entre

diferentes equipos. Rápidamente se dieron cuenta de que la comunicación se podría

ver beneficiada bajo su normalización y estandarización.

Las especificaciones OPC actuales y emergentes incluyen:

OPC Data Access

Los originales! Se utiliza para mover datos en tiempo real de los PLC, DCS, y otros

dispositivos de control a HMIs y otros clientes de visualización.

OPC Alarmas y Eventos

Proporciona notificaciones de alarmas y eventos a la carta (en contraste con el flujo

continuo de acceso de datos). Estos incluyen alarmas de proceso, las acciones del

operador, mensajes informativos y mensajes de seguimiento/auditoría.

OPC lotes

Esta especificación lleva la filosofía OPC a las necesidades específicas de los

procesos por lotes. Proporciona interfaces para el intercambio de capacidades de

los equipos y las condiciones actuales de operación.

OPC Data eXchange



Esta especificación nos lleva de cliente/servidor a servidor/servidor con

comunicación a través de redes Ethernet de bus de campo. Esto proporciona

interoperabilidad de múltiples proveedores. Y añade la configuración remota,

servicios de diagnóstico y vigilancia/gestión.

OPC Historical Data Access

Cuando OPC Data Access proporciona acceso en tiempo real a los datos,

continuamente cambiantes, OPC Historical Data Access proporciona acceso a los

datos ya almacenados. Desde un sencillo sistema de registro de datos en serie a

un complejo sistema SCADA, archivos históricos se pueden recuperar de una

manera uniforme.

OPC Security

Todos los servidores OPC proporcionan información que es valiosa para la empresa

y si no se actualiza, podría tener consecuencias significativas en los procesos de la

planta. OPC Security especifica cómo controlar el acceso de los clientes a estos

servidores con el fin de proteger la información confidencial y para proteger contra

la modificación no autorizada de parámetros del proceso.

OPC XML-DA

Establece reglas flexibles, coherentes y formatos para la exposición de datos de la

planta utilizando XML, aprovechando el trabajo realizado por Microsoft y otros en

SOAP y Servicios Web.

OPC Complex Data

Una especificación complementaria de acceso a datos y XML-DA que permite a los

servidores exponer y describir los tipos de datos más complejos, como estructuras

binarias y documentos XML.

Comandos de OPC

Un grupo de trabajo se ha formado para desarrollar un nuevo conjunto de interfaces

que permiten a los clientes y servidores OPC para identificar, controlar y enviar

comandos de control que se ejecutan en un dispositivo.

OPC Unified Architecture

Un nuevo conjunto de especificaciones que no están basadas en Microsoft que

proporcionan en estándares basados una capacidad multiplataforma.



Bajo estos términos, en el capítulo 3 se mostrará la forma de utilizar éste estándar

para la comunicación entre el Matlab y el Control Builder F de ABB, de modo que

intercambien datos, especialmente para el control de temperatura en el proceso de

intercambio de calor, siendo esto sólo un ejemplo para comprobar que se puede

implementar cualquier proceso en Matlab y controlarlo en el software de ABB,

mediante este estándar, brindándonos una flexibilidad de comunicación entre uno y

otro, no importando de que marca sean los software o equipos a usar.



CAPÍTULO 2 MODELADO Y SIMULACIÓN EN MATLAB

La creación de un modelo preciso que pueda manifestar los parámetros más

relevantes del proceso real, es el primer paso en la implementación de un

laboratorio virtual. Durante el transcurso del capítulo adyacente se hace mención de

los conceptos fundamentales sobre el proceso de intercambio de calor culminando

con la descripción detallada de la elaboración del modelo y posterior simulación

dentro del entorno del programa Simulink de Matlab.

2.1 INTRODUCCIÓN AL MODELAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR DE

CALOR

Antes de comenzar a describir el modelamiento del intercambiador de calor, se debe

tener un concepto acerca del control de procesos ya que el mismo intercambiador

de calor funciona como un proceso en sí, debido a que se lleva a cabo dentro de él

un proceso de transferencia de calor.

El Control de Procesos se conoce como el conjunto de conocimientos, métodos,

herramientas, tecnologías, aparatos y experiencia que se necesitan para medir y

regular automáticamente las variables que afectan a los procesos de producción,

hasta lograr la optimización en cuanto a mejoras del control, productividad, calidad,

seguridad, u otros criterios.

Con respecto al control podemos mencionar los siguientes objetivos que se

persiguen:

- Permitir el manejo del proceso.

- Conocer las incidencias del proceso y parámetros más importantes.

- Se busca optimizar los recursos disponibles.

- Mejora el rendimiento en general.

El controlar un proceso, se refiere a cómo se controlan variables inherentes al

mismo para:

- Reducir la variabilidad del producto final.

- Incrementar la eficiencia.

- Mantener el proceso dentro de los límites de seguridad que corresponda.

- Reducción de pérdidas en el proceso.

El control de procesos enseña los métodos, herramientas, aparatos y tecnologías

para medir variables entre las que se encuentran: temperatura, nivel, caudal,

presión, viscosidad, entre otras, en distintos puntos del proceso de fabricación,



teniendo en cuenta sus condicionantes específicos como la naturaleza del producto,

su estado, grado de peligrosidad, limitaciones (de espacio, distancia, accesibilidad,

explosividad, radiactividad...), límites de error aceptables para medir cada variable

en cada punto del proceso, visualización de la medida, precios relativos entre varias

posibles soluciones, pros y contras de cada una de ellas, etc.

Gracias al sistema de control se tiene una operación del proceso más fiable y

sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables y corregir

toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste.

La misión del sistema de control en un proceso será corregir las desviaciones

surgidas en las variables de proceso respecto de los valores determinados, que se

consideran óptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto final.

La implantación de un sistema de control de proceso adecuado, que responda y se

adapte a las necesidades del sistema, mejorará la operación del mismo.

Principalmente los beneficios obtenidos serán:

Incremento de la productividad

Mejora de los rendimientos

Mejora de la calidad

Ahorro energético

Control medioambiental

Seguridad operativa

Optimización de la operación del proceso/utilización del equipo

Fácil acceso a los datos del proceso

El propósito del control de procesos es mantener la variable controlada a pesar de

las perturbaciones. Las razones más importantes para aplicar estrategias de control

en los procesos son:

1. Evitar lesiones al personal de la planta o del equipo. La seguridad siempre debe

estar en la mente de todos, ésta es la consideración más importante.

2. Mantener la calidad del producto ya sea composición, pureza, color, etc. en un

nivel continuo y con un costo mínimo.

3. Mantener la tasa de producción de la planta al costo mínimo.

Por tanto, se puede decir que las razones de la automatización de las plantas de

proceso son proporcionar un entorno seguro y a la vez mantener la calidad deseada

del producto y alta eficiencia de la planta con reducción de la demanda de trabajo

humano.



2.1.1 Control en lazo abierto

Dentro de las estrategias de control que se pueden implementar en un proceso el

control en lazo abierto es de los más básicos para el entendimiento, este tiene la

característica de no recibir el valor de la señal de salida. Por tanto, si se produce

una desviación entre el valor esperado y el valor real de salida, el sistema no podrá

intervenir de manera autónoma en su corrección.

Son los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control. En un sistema

en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada,

esto hace que a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa

fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. En la

práctica, el control en lazo abierto sólo se utiliza si se conoce la relación entre la

entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas.

Desde el punto de vista de la estabilidad, en el sistema de control de lazo abierto,

ésta es más fácil de lograr, ya que en él la estabilidad no constituye un problema

importante. En cambio, en los sistemas de lazo cerrado, la estabilidad sí es un

problema importante, por su tendencia a corregir errores que pueden producir

oscilaciones de amplitud constante o variable.

Para sistemas donde las entradas son conocidas previamente y en los que no hay

perturbaciones, es preferible utilizar el control de lazo abierto. Los sistemas de

control de lazo cerrado presentan ventajas sólo si se presentan perturbaciones que

no son predecibles.

Características de un Sistema en Lazo Abierto:

Sistemas de control extraordinariamente sencillos

Necesita una perfecta calibración de la planta

No puede compensar posibles distorsiones en el sistema

Bajo costo de instalación

Algunos ejemplos representativos donde se aplica este tipo de control son:

lavadoras, tostador de pan, semáforos, dosificadores, hornos de microondas, entre

otros. Analizando el control de un semáforo común se puede entender que la señal

de entrada es el tiempo asignado a cada luz (rojo, amarilla y verde) de cada una de

las calles. El sistema cambia las luces según el tiempo indicado, sin importar que la

cantidad de tránsito varíe en las calle, al no tener en cuenta la salida, su capacidad

de toma de decisiones “inteligentes” es muy limitada. En la figura 2.1 se ilustra los

componentes que integran este tipo de sistemas, cabe destacar que su principal

característica es la falta de una retroalimentación entre la señal de salida con

respecto a la entrada.



Figura 2.1 Sistema en Lazo Abierto

2.1.2 Control retroalimentado

El objetivo de un sistema de control es mantener un proceso en condiciones

específicas de operación, estas condiciones son valores en los que deben

permanecer las variables de dicho proceso.

Existen diversas formas de implementar un sistema de control en un proceso, estas

formas se conocen como estrategias de control.

El control retroalimentado consiste en medir una variable de salida llamada variable

controlada o variable de proceso para compararla con un punto de operación, que

es el valor en el que se desea mantener la variable de proceso, de esta operación

se genera una señal de error que es la desviación de la variable controlada con

respecto a su punto de operación, el controlador se encarga de recibir la señal de

error y enviar una acción de control a un actuador de tal forma que la señal de error

sea compensada y tienda a cero, físicamente una acción de control representa abrir

o cerrar un válvula, determinar el sentido de giro de un motor, aplicar una mayor o

menor cantidad de calor a un sistema, etc.

Un sistema de control es el conjunto de elementos que mantienen las variables de

un proceso en puntos de operación o valores deseados de funcionamiento.

Los cuatro componentes básicos de un sistema de control retroalimentado son:

- Sensor, que es conocido también como elemento primario.

- Transmisor, que se conoce también como elemento secundario.

- Controlador, que es el cerebro del sistema de control.

- Elemento final de control o actuador, que pueden ser válvulas, bombas,

motores eléctricos, pistones hidráulicos o neumáticos, etc.



La estructura general de un sistema de control se muestra en la figura 2.2 siguiente:

Figura 2.2 Control Retroalimentado

Como se mencionó anteriormente, de la comparación de la variable de proceso

obtenida del sensor, con el punto de operación, se obtiene una señal de error que

se transmite al controlador, éste genera una acción de control necesaria para

compensar dicho error y la envía al actuador que es el elemento que está en

contacto directo con la planta, un actuador puede ser una válvula, una bomba, un

pistón hidráulico o neumático, un motor, etc.

Cabe mencionar que las señales empleadas en cada uno de los elementos de los

sistemas de control industrial están normalizadas, los valores normalizados de las

señales de control son de 4 a 20 mA para señales eléctricas y de 3 a 15 psi para

señales neumáticas.

En la actualidad el controlador empleado generalmente en un sistema de control

industrial es el PID (Controlador Proporcional Integral Derivativo) que es el

encargado de compensar la señal de error obtenida de la comparación entre la

variable controlada y el punto de control y enviar una acción de control al actuador,

de tal forma que el sistema trabaje dentro de ciertas condiciones de operación.

Para sintonizar un controlador PID a un sistema de control es necesario conocer el

modelo matemático del proceso ya que los valores que se deben ajustar en el PID,

dependen de las características del proceso y de las condiciones de operación

necesarias.

La ecuación de un controlador PID está dada por la ecuación (2.1):

𝑢(𝑡) = 𝑘𝑝 (𝑒(𝑡) + 1

𝑇𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡

𝑡

0+ 𝑇𝑑

𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡) (2.1)

Y su función de transferencia se da por la ecuación. (2.2):



𝑈(𝑠)

𝐸(𝑠)= 𝑘𝑝(1 +

1

𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠)

(2.2)

2.2 CARACTERÍSTICAS Y DESCRIPCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE

CALOR MODELADO

A continuación se ejemplifica el modelo de un proceso típico de calentamiento de

un líquido que fluye a través de un intercambiador de calor, mediante un vapor que

se mueve por un serpentín instalado en su interior. Se regula la temperatura del

líquido en el tanque ejecutando las acciones básicas de control ante una

perturbación en el valor del flujo de la corriente de entrada. La dinámica del proceso

se plantea y se modela seguidamente, y se especifican las dinámicas

correspondientes a la válvula de control y el sensor empleado.

2.2.1 Descripción del Proceso

El intercambiador de calor tipo serpentín que se observa en la figura 2.3 se utiliza

para calentar una corriente de proceso en forma tal que sus componentes

premezclados alcancen una concentración uniforme. Es importante el control de

temperatura porque un aumento de ella tiende a descomponer el producto, mientras

que una baja temperatura ocasiona un mezclado incompleto. El tanque se calienta

mediante vapor que condensa circulando a través de un serpentín. Se controla la

temperatura en el tanque mediante acciones proporcional-integral-derivativo y la

manipulación de la posición de la válvula que regula el flujo de entrada de vapor.

Figura 2.3 Diagrama de proceso para el intercambiador de calor tipo serpentín.



2.2.2 Consideraciones de funcionamiento y diseño del intercambiador

de calor tipo serpentín.

La densidad del alimento es de 68 lb/pie3 y un calor específico de 0.80 BTU/lb × °F.

El volumen de líquido en el reactor es de 120 pie3 y se mantiene constante. El

serpentín es una tubería de acero catálogo 40 de 4 pulgadas de diámetro interno y

205 pies de longitud, que pesa 10.8 lb/pie , tiene un calor específico de

0.12Btu/lb × °F y su diámetro externo es de 4.5 pulgadas. El coeficiente global de

transferencia de calor U se estima en 2.1 BTU/min × pie2 × °F en base al área

externa del serpentín. Se puede asumir que su calor latente de condensación es

constante con un valor de 966 BTU/lb.

También puede asumirse que la temperatura de la corriente de entrada es constante

El flujo de alimento en condiciones de diseño es 15 pie3/𝑚𝑖𝑛 y su temperatura es

de 100°F. El contenido del tanque debe mantenerse a una temperatura de 150°F.

Las perturbaciones posibles son los cambios en el flujo de alimento y la temperatura.

El sensor de temperatura es calibrado para un intervalo de medición entre 100 y

200°F y su dinámica muestra un atraso de 0.75 min. La válvula de control se diseña

para un 100 % de sobrecapacidad y se pueden despreciar sus caídas de presión.

La válvula es de igual porcentaje con una rangeabilidad de 50. El actuador tiene una

constante de tiempo de 0.20 min.

2.3 MODELO MATEMÁTICO DEL PROCESO

A través del tanque se desarrolla un fenómeno de transporte de materia y energía,

de tal manera que el modelo se plantea con los balances respectivos. Se asume un

mezclado perfecto, propiedades físicas del líquido y vapor constantes, el volumen

de líquido residente en el tanque constante y se desprecian las pérdidas de calor a

través del tanque

2.3.1 Balance de energía

El balance de líquido a través del intercambiador es descrito por la ecuación (2.3):

dρV

dt= f1ρ − f2p (2.3)

La simplificación de volumen y densidad constante, hacen que de la ecuación (2.3)

se obtenga que los flujos de entrada y salida son iguales, es decir que:

f1 = f2 = f (2.4)



2.3.2 Balance de energía en el intercambiador

Para un balance de energía del líquido que está contenido dentro en el

intercambiador, se plantea la ecuación 2.5 siguiente:

VρCV

dT(t)

d(t)= f(t)ρCPTi + UA [Ts(t) − T(t)] − f(t)ρCPT(t) (2.5)

Siendo V el volumen del intercambiador en m3, A el área de transferencia de calor

en m2 y 𝑇𝑠(𝑡) la temperatura del líquido primario del serpentín en °F.

2.3.3 Balance de energía en el serpentín

Para el balance de energía a través del serpentín sumergido que transporta

interiormente el líquido primario se propone la ecuación 2.6:

CM

dTS(t)

dt= w(t)λ − UA [Ts(t) − T(t)] (2.6)

Siendo w(t) del líquido en lb/min y 𝐶𝑀 la capacidad calórica del metal del serpentín

en BTU/°F

Asumiendo que para el líquido contenido en el intercambiador el 𝐶𝑉 y el 𝐶𝑃 son

aproximadamente iguales y considerando constante la temperatura de la corriente

de alimentación, el modelo compuesto por las ecuaciones (2.5) y (2.6) contiene

cuatro incógnitas que son la temperatura del líquido en el intercambiador, T; la

temperatura del líquido primario, TS; el flujo de la corriente del líquido, y el flujo de

vapor, w.

2.3.4 Linealización y Transformada de Laplace

Para analizar la respuesta controlada del proceso se requiere de la linealización de

las ecuaciones del modelo, en función del tiempo, que son:

El balance de energía linealizado a través del intercambiador está representado en

la ecuación 2.7a:

𝑉𝜌𝐶𝑉

𝑑𝛤(𝑡)

𝑑(𝑡)= 𝜌𝐶𝑃(𝑇𝑖 − 𝑇)𝐹(𝑡) + 𝑈𝐴 𝛤𝑆(𝑡) − (𝑈𝐴 + 𝑓𝜌𝐶𝑃) 𝛤(𝑡) (2.7𝑎)

ó

𝜏𝑑𝛤(𝑡)

𝑑(𝑡)+ 𝛤(𝑡) = 𝐾𝐹𝐹(𝑡) + 𝐾𝑆𝛤𝑆(𝑡) (2.7b)



Siendo 𝜏 = VρCP

UA+fρCP (2.8)

KF =ρCP (Ti − T)

UA + fρ̅Cp

(2.9)

KS =UA

UA+ f̅ρCp (2.10)

El balance de energía linealizado a través del serpentín:

CM

dΓS(t)

dt= W(t)λ− UA ΓS(t) + UA Γ(t) (2.11a)

ó τCdΓS(t)

dt+ ΓS(t) = Γ(t) + KW (2.11b)

Siendo:

τC =CM

UA

(2.12)

KW =λ

UA

(2.13)

Siendo Γ(t), Γ𝑆(𝑡), 𝐹(𝑡) y 𝑊(𝑡) las variables de desviación de 𝑇(𝑡), 𝑇𝑠(𝑡), 𝑓(𝑡), y

𝑤(𝑡) respectivamente.

Para el análisis en el dominio de Laplace, se transforman las ecuaciones (2.7b) y

(2.11b) y las correspondientes funciones de transferencia son:

Para el líquido a través del intercambiador ecuación 2.14:

𝛤(𝑠) =𝐾𝐹

𝜏𝑠 + 1𝐹(𝑠) +

𝐾𝑆

𝜏𝑠 + 1𝛤𝑆(𝑠)

(𝟐. 𝟏𝟒)

Para el vapor a través del serpentín ecuación 2.15:

ΓS(s) = 1

τCs + 1 Γ(s) +

KW

τCs + 1 W(s) (𝟐. 𝟏𝟓)



A partir de las funciones de transferencia (2.14) y (2.15) se deduce que el sistema

es interactuante con dos variables de salida y dos variables de entrada. Al eliminar

la temperatura del vapor, se obtiene la función de transferencia de la temperatura

en el intercambiador agitado con respecto a las variables de entrada, es decir:

Γ(s) =KWKS

(τCs + 1)(τs + 1) − KSW(s) +

KF(τCs + 1)

(τCs + 1)(τs + 1) − KSF(s) (𝟐. 𝟏𝟔)

Siendo:

GW(s) = KWKS

(τCs + 1)(τs + 1) − KS

(𝟐. 𝟏𝟕)

GF(s) = KF(τCs + 1)

(τCs + 1)(τs + 1) − KS

(𝟐. 𝟏𝟖)

2.3.5 Dinámica de la válvula de control

La función de transferencia para una válvula de igual porcentaje con caída de

presión constante es de la forma:

GV(s) =W(s)

M(s)=

KV

τVs + 1

(𝟐. 𝟏𝟗)

Siendo M(s) la señal de salida del controlador en porcentaje (% CO) y la ganancia

de la válvula es calculada con la ecuación:

KV = w(ln a)

100

(𝟐. 𝟐𝟎)

2.3.6 Dinámica del sensor transmisor

El sensor transmisor puede representarse por una dinámica de atraso de primer

orden de la forma:

H(s) =C(s)

T(s)=

KT

τTs + 1

(𝟐. 𝟐𝟏)

Siendo:

KT = 100 − 0

200 − 100= 1.0

%TO

°F

(𝟐. 𝟐𝟐)



2.4 PARÁMETROS DEL MODELO

Para la simulación de la respuesta dinámica del proceso se toman los valores del sistema tomando como referencia los patrones de mediciones más usuales en la industria, ya que se pueden emplear diferentes tipos de aceite y líquidos, en este caso en particular se plantean los siguientes valores (véase Anexo A). Variables a emplear durante la simulación:

A=241.5 pie2 V= 120 pie3

𝐶𝑀 =265.7 BTU/°F 𝜏𝑉 =0.20 min

𝜏𝑇 =075 min 𝜏 = 4.93 min

𝜏𝐶 =0.524 min 𝐾𝐹 = −2.06 °𝐹/(pie3/min)

𝐾𝑊 = 1.905 °𝐹/(lb/min) 𝐾𝑆 = 0.383 °𝐹/°𝐹

𝐾𝑆𝑃 = 𝐾𝑇 = 1.0 %𝑇𝑂/°𝐹 𝐾𝑉 = 1.652(lb/min)/%CO

2.5 CONSTRUCCIÓN DE LA SIMULACIÓN DINÁMICA EN SIMULINK

Para llevar a cabo la simulación del modelo matemático que describe el

comportamiento de la temperatura de salida en el intercambiador de calor, es

necesario realizar un diagrama de bloques en la herramienta “Simulink” incluida en

el programa Matlab.

Para iniciar a construir el diagrama de bloques se incluyó el bloque “flujo entrada 1”

que representaría el flujo de la mezcla que entra al intercambiador para ser

calentado, para está simulación se le otorgo un valor de flujo de 15 pie3/min, la

temperatura a la que se debe llevar el sistema es de 150°F y está representada por

el bloque con la etiqueta “Set Point De La Temperatura”, enseguida de este bloque

se colocó un punto suma para calcular la diferencia que hay entre el valor deseado

y el valor de salida.

La válvula de control es representada usando un bloque “Tranfer Fcn” y un bloque

“Gain”, donde se agregan los valores de su función de transferencia previamente

calculados así como el valor de la ganancia Kv.

Para representar el proceso de intercambio de calor se utilizan las funciones de

transferencia que corresponden al flujo de vapor en el serpentín (ec. 2.17):

𝐺𝑊(𝑠) = 𝐾𝑊𝐾𝑆

(𝜏𝐶𝑠+1)(𝜏𝑠+1)− 𝐾𝑆 (2.17)



Y al flujo del líquido dentro del tanque con la ecuación 2.18:

𝐺𝐹(𝑠) = 𝐾𝐹(𝜏𝐶𝑠+1)

(𝜏𝐶𝑠+1)(𝜏𝑠+1)− 𝐾𝑆 (2.18)

Estas ecuaciones son evaluadas en los parámetros propuestos en el subtema 2.4,

para esto se hizo uso de 2 bloques “Tranfer Fcn” de la librería de Simulink.

Finalmente se agregó un lazo de retroalimentación conformado por un sensor que

se representó en un bloque de función de transferencia y se conectó al punto suma

que lleva consigo el “set point” deseado. (Figura 2.4)

Figura 2.4 Diagrama en Simulink representativo del intercambiador de calor.

Una vez terminado el ensamble de los bloques representativos del sistema se

agregaron 2 bloques “Scope” para poder observar las gráficas de simulación

arrojadas por nuestro proceso. Estos bloques monitorean la temperatura de salida

de la mezcla o fluido de trabajo, y la temperatura del vapor o fluido de servicio

durante el proceso de simulación de intercambio de calor. (Figura 2.5)

Figura 2.5 Diagrama de bloques del proceso en Simulink con Bloques Scope.



Al realizar la simulación del intercambiador se introduce un cambio en el valor del

flujo de alimentación de la mezcla de 15 a 20 pie3/min con un cronometro 30 minutos

(Figura 2.6) de tiempo para entrar en acción.

Figura 2.6 Implementación del cambio de flujo programado en Simulink

También se agregó un controlador PID, los parámetros del controlador (ganancia,

tiempo integral y tiempo derivativo) se obtienen ocupando la herramienta llamada

tune (Figura 2.7). Que se encuentra dentro de las opciones del bloque PID de

Simulink.

Figura 2.7 Bloque PID en Simulink.

La herramienta de auto-tune (Figura 2.8) facilita el cálculo de las ganancias del PID

que de otra forma tendrían que realizarse teóricamente, pero debido a que el objeto

de esta tesis no pretende corroborar el método de sintonización de un controlador

PID, es suficiente ocupar los valores de las ganancias generados por esta

herramienta, para poder observar el comportamiento de un controlador PID con el



proceso simulado y así comprobar un sistema de control con todos los elementos

que lo conforman.

Figura 2.8 Sintonización del PID usando auto-tune.

Quedando finalmente el diagrama de bloques del proceso de intercambio de calor

con controlador PID y cambio de flujo programado, como lo muestra la figura 2.9

siguiente.

Figura 2.9 Diagrama de bloques representativo del Intercambiador de Calor.

Una vez hecho lo anterior se procedió a comprobar el comportamiento de la

temperatura de salida de nuestro líquido de alimentación en el intercambiador,



corriendo la simulación y abriendo la ventana con la gráfica generada por el bloque

scope, como se puede observar en la figura 2.10.

Figura 2.10 Gráfica de la respuesta del sistema al correr la simulación

En está gráfica lo primero que se observa es un retraso que se tiene en la respuesta

del proceso debido al tiempo de atraso del muestreo del sensor, una vez pasado

este tiempo de 0.75min el controlador PID empieza a llevar la temperatura al Set

Point deseado de 150°F, pero sin ser alcanzada está condición se realiza la

perturbación en el flujo de entrada que consistió en aumentar el flujo de 15 a

20pie3/min por lo que se observó un sobresalto en la temperatura, nuevamente el

controlador trata de estabilizar el proceso tardando cerca de 10 minutos

virtualmente, finalmente se vio que cerca de los 57.5 min. El sistema se estabiliza

en 150 °F sin presentar ningún otro inconveniente en el tiempo simulado restante.

Así concluye la descripción del procedimiento realizado para crear un proceso virtual

que simule el accionar de un intercambiador de calor tipo serpentín que mantiene la

temperatura de una mezcla a 150 °F con el vapor condensado que fluye a través

del serpentín.



CAPÍTULO 3 INTEGRACIÓN CON FREELANCE

En este capítulo es descrita la implementación del proyecto en el programa de

configuración del Freelance llamado Control Builder F que se integrará con la

simulación realizada en Simulink mediante un servidor OPC.

3.1 ASIGNACIÓN DE LA DIRECCIÓN IP DE LA ESTACIÓN DE

INGENIERÍA

Como primera tarea a realizar para formar la comunicación vía OPC, entre la

simulación del proceso hecha en Simulink® y el Freelance 800F ABB se hace

necesario crear un nuevo proyecto en el software Control Builder F que incluya la

programación pertinente capaz de llevar a cabo la serie de tareas que puedan

interactuar con la simulación del proceso del Intercambiador de calor realizada en

el capítulo 2. Se comienza abriendo la ventana de configuración del software Control

Builder F para establecer la dirección IP con la que se trabajara durante todo el

proyecto, la aplicación “configure” del software se encuentra en la siguiente ruta:

Inicio>Todos los programas>ABB Industrial IT>Freelance 800F>Cofigure

Una vez abierta la aplicación se posiciona en la pestaña “General Settings”, en ella

se visualiza el área donde es posible asignar la dirección IP y la máscara de subred

de la estación de ingeniería, tanto la dirección IP como la máscara a utilizar deben

ser iguales a las que posee la PC donde se está trabajando (Figura 3.1).

Figura 3.1 Asignación de IP a la estación de Ingeniería.



Para este proyecto se asignó una dirección IP igual a 192.168.1.70 con máscara de subred 255.255.255.0

El siguiente paso es asignar un número único de identificación (ID) al software Control Builder F, para esto fue necesario posicionarse en la parte izquierda de la ventana y seleccionar la pestaña de Control Builder F, donde se estableció el ID 27 al equipo (Figura 3.2).

Figura 3.2 Asignación de ID al programa Control Builder F

Al igual que en el paso anterior se debe asignar una ID a la estación de operador,

que son necesaria para poder integrar pantallas de tendencia, visualización y otros

elementos para el monitoreo y/o control del proceso, se le asignó un Id 22. Para

esto se colocó el cursor en la pestaña llamada “DigiVis” (Figura 3.3).

Figura 3.3 Asignación de ID al programa DigiVis.



Finalmente se añadió una ID con el número 23 para nuestro servidor OPC

colocándose en la pestaña “Freelance OPC-Server Options” y tecleando el ID dentro

de la casilla de lado derecho que se encuentra delante de “New resource ID”

finalmente se dio un click en Add para que esta fuera asignada (Figura 3.4).

Figura 3.4 Asignación de ID al Servidor OPC.

Después de configurar la ID se eligió la opción “Aplicar” y posteriormente “Aceptar”

y así concluir la configuración necesaria para este proyecto funcione.

Una vez terminada la configuración en el software, se configuró la dirección IP de la

PC. La configuración se realizó desde el Panel de Control en este caso el sistema

operativo es Windows 7, una vez abierto el Panel se seleccionó “Centro de Redes

y Recursos Compartidos” y se abrió la opción “Cambiar configuración del

Adaptador”. Ahora se debió abrir la ventana de propiedades del puerto de conexión

de área Local (Ethernet) adentro de esta ventana se seleccionó las propiedades del

Protocolo de Internet (TCP/IP) (Figura 3.5).

Figura 3.5 Propiedades del Protocolo de Internet (TCP/IP).



Una vez en la ventana de “Propiedades de Protocolo Internet (TCP/IPv4)” se activó la casilla “Usar la siguiente dirección IP”, la dirección IP y la máscara de subred a asignar debe ser igual a la asignada anteriormente a la estación de ingeniería de Control Builder F como se muestra en la figura 3.6. Después de asignar la IP deseada seleccione la opción “Aceptar” para concluir.

Figura 3.6 Asignación de la misma IP.

Otra forma opcional, si se presenta el inconveniente en el cuál no se nos permite

realizar la asignación de la IP a la PC, es por medio de comandos de ms-dos. Se

debe crear un archivo de bloc de notas que será guardado con la extensión .bat

donde se coloca lo siguiente:

netsh interface ip set address name="Nombre_de_la_red" source=static

192.168.X.X 255.255.255.0 pause

Dentro de las comillas se especifica el nombre de la red y después se asigna la IP

estática con la máscara de subred deseada. (Figura 3.7)

Figura 3.7 Contenido del archivo para asignación de IP estática.



El archivo se guarda con la extensión .bat y el nombre que se desee así es como

se lograr un ejecutable que cambie la IP automáticamente. (Figura 3.8)

Figura 3.8 Ventana generada por el archivo .bat de asignación de IP estática

3.2 CREACIÓN DEL PROYECTO EN CONTROL BUILDER F

Una vez lograda la configuración de las IP, se creó un nuevo proyecto en Control Builder F realizando las acciones que a continuación de describen: Se abre el programa Control Builder F ubicado en la dirección: Inicio>Todos los Programas>ABB Industrial IT>Freelance V9.2> Control Builder F Una vez abierto se usó el ícono con la etiqueta “Crear nuevo Proyecto”, posteriormente se indicó la dirección donde será almacenado el proyecto así como el nombre del mismo, también es posible determinar algunas características como lo son el autor, número del proyecto, descripción y una clave de acceso, si se requiere. Las operaciones anteriores se ilustran en la figura 3.9.

Figura 3.9 Creación de un nuevo proyecto.



Una vez guardado el proyecto, se activó el modo de configuración dando clic en el en el icono que contiene la imagen de un lápiz localizado en la parte superior derecha de la pantalla en la barra de tareas, desde aquí se pueden indicar todos las especificaciones que se emplearán en este proyecto. Se desplegó una pantalla que contiene el árbol de proyecto que en su primer nivel muestra el nombre dado al proyecto.

Dando clic derecho sobre el mismo, se agregó un siguiente nivel (Figura 3.10); otra forma es dando clic en el icono llamado “NEXT LEVEL” de la barra de tareas.

Figura 3.10 Inserción de niveles.

3.3 INSTAURACIÓN DE UNA ESTACIÓN DE PROCESO (D-PS)

Definir una estación de proceso permite indicar cuál será el controlador en planta, este equipo realiza las tareas de cálculo, adquisición datos de otros dispositivos y control de variables que se necesite en determinado proceso.

Para crear la estación de proceso (D-PS) se requirió estar dentro del modo de configuración, se desplegó el árbol de proyecto donde fue necesario insertar un siguiente nivel, para ello se dio clic derecho sobre el proyecto y se eligió “Insert”, a continuación se indicó “next level”, al desplegar la ventana de objetos disponibles se seleccionó “Configuration CONF”, en el caso de este proyecto dicho objeto fue nombrado “Config” (Figura 3.11).



Figura 3.10 Creación de la estación de proceso

El objeto “Configuración CONF” es la parte donde se encuentra toda la información de la estación de ingeniería, es decir, toda la programación del usuario, la estación de proceso, estación de operación y todas las rutinas que estos contengan (Figura 3.12). La configuración restante no se modificó dejando la que se sugiere por defecto.

Figura 3.12 Adición del objeto “ConFiguration CONF”.

Ahora al árbol de proyecto se agregó otro nivel anidado al de “Config” que es la

estación de proceso, repitiendo el procedimiento, se desplegó la lista de objetos



haciendo clic derecho sobre el nivel al que será anidado el nuevo objeto, de la lista

desplegada se escogió Process Station D-PS (Figura 3.13) se le dio el nombre de

EDP y la configuración adicional se dejó por defecto.

Figura 3.13 Adición del objeto “Process station D-PS”.

Ya creado el nivel de la estación de proceso es necesario crear los subniveles que

contendrán la programación de las tareas a realizar durante la operación de la

simulación total del proceso, es por esto que se añadió en el subnivel 01

EDP.USRTask un nivel más, de la lista de objetos desplegados se seleccionó el

objeto tipo Task TASK (Figura 3.14) se le dio el nombre de “Tareas” y la

configuración restante se dejó por defecto.

Figura 3.14 Adición del objeto “Task TASK”.



Quedando el árbol de proyecto como lo muestra la figura 3.15, se puede observar

hasta el final, el nivel de tareas está en modo cíclico, el otro modo en que este puede

estar es el de PLC, pero esto no permitiría la emulación del controlador.

Figura 3.15 Árbol de proyecto con el objeto “Tareas” agregado

Añadido dicho objeto, al nuevo elemento creado se agregó otro nivel que nos

proporcionará la opción de crear un programa que contendrá la programación

necesaria para controlar el proceso, se desplego la lista de objetos disponibles y se

seleccionó la opción de Program list PL asignando el nombre de “programa” y la

configuración consiguiente de dejo por defecto. (Figura 3.16)

Figura 3.16 Agregando al objeto Program LIst



En este nivel se agregó el subnivel llamado “FBD program FBD” (Figura 3.17) donde

se lleva a cabo el diagrama de bloques que controle el proceso de la simulación,

cabe mencionar que este software soporta varias formas de programación como

son:

Diagrama de bloques funcionales (FBD).

Diagrama de escalera (LD).

Lista de instrucciones (IL).

Texto estructurado (ST).

Figura 3.17 Agregando el subnivel de bloques funcionales FBD

Para este proyecto se utilizó la primera opción llamada “Diagrama de bloques

funcionales”, al terminar está configuración el árbol de tareas del proyecto quedo

como lo muestra la siguiente hasta ahora figura 3.18.

Figura 3.18 Árbol de proyecto con subnivel FBD



Para poder anexar el controlador se abrió la pantalla de programación haciendo

doble clic sobre el subnivel creado anteriormente, en este caso se le dio el nombre

de “Controlador” al nivel. Una vez dentro de este nivel se abrió el menú con los

bloques disponibles y se agregó un bloque llamado CONTINUOUS CONTROLLER

STANDARD que corresponde como su nombre lo dice a un controlador estándar.

(Figura 3.19)

Figura 3.19 Agregando el bloque “Controlador”.

Haciendo doble clic se abre la ventana de configuración del controlador se pueden

establecer los parámetros de funcionamiento del controlador (Figura 3.20)

adicionales para el funcionamiento requerido.

Figura 3.20 Parámetros general del controlador.



Los parámetros que se pueden configurar se describen con el orden siguiente, de

izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. Primero se tiene las opciones generales

donde se puede especificar un nombre al controlador, una etiqueta corta de

identificación, activar y desactivar al controlador además de asignar un número de

secuencia si el proceso requiriera de alguna. (Figura 3.21).

Figura 3.21 Sección uno de configuración en el controlador.

A continuación se encuentran los parámetros de; Rango de inicio y rango final: que

sirven para establecer un acotamiento de funcionamiento del controlador; para este

proyecto se dimensionó con un valor de rango final de 300, Dimensión: que sirve

para preestablecer las unidades de la variable a controlar y así el controlador podrá

optimizar su funcionamiento dependiendo de este parámetro, es por esto que se

seleccionó grados centígrados, Internal set point: está opción permite preestablecer

el set point al que se desea llegar, así que se asignó un valor de 150, adelante se

encuentra la casilla para activar/desactivar el acceso a esta variable. Por último se

observa la opción para establecer un valor de salida si se requiriera (Figura 3.22).

Figura 3.22 Segunda sección de configuración en el controlador.



Finalmente en la parte inferior de esta ventana de configuración se encuentran los

recuadros donde es posible establecer alarmas de estado, dependiendo de las

necesidades del proceso, se compone de 4 recuadros el primero es para

seleccionar el tipo de alarma entre alta, baja, muy alta y muy baja el segundo sirve

para colocar el valor al que se activara, después la casilla para activar/desactivar el

acceso a la variable y finalmente el mensaje a mostrar una vez activado (Figura

3.23).

Figura 3.23 Tercer sección de configuración en el controlador.

Del lado derecho inferior tenemos las opciones de para dar ok, cancelar, guardar,

resetear; si se desea volver a los valores de defecto, check para verificar si los

parámetros establecidos se ha introducido de forma adecuada y el botón de ayuda

help; que despliega el menú correspondiente de ayuda.

Al hacer clic en la parte inferior derecha tenemos las flechas para poder movernos

entre las 3 diferentes ventanas de configuración de parámetros.

En la segunda ventana se tienen primero los parámetros del controlador PID, del

lado izquierdo las casillas para activar las acciones del controlador proporcional e

integral, seguido de esto hay diferentes opciones de acción que corresponden a la

parte derivativa del controlador, también podemos elegir si la acción derivativa será

efectiva sobre el valor de la variable de proceso PV o sobre la señal de error CE

marcando la casilla de “D-action of” igualmente para la acción proporcional “P-Action

of” (Figura 3.24).

Figura 3.24 Segunda ventana de configuración en el controlador.



La siguiente línea de configuración se puede establecer algunos modos de

operación ya sea con set-point interno o externo, modo manual o automático. En la

siguiente figura se muestra la configuración que fue asignada para este proyecto

(Figura 3.25).

Figura 3.25 Configuración del modo de operación en el controlador.

Al terminar la configuración de los parámetros del controlador, el siguiente paso fue

establecer dos variables una para enviar y la otra para recibir los datos que Simulink-

Matlab entregaría una vez puesta en marcha la simulación. Para esto se abrió el

menú de objetos y se eligió crear una variable de lectura ya que es la que estará

recibiendo constantemente el valor de salida de la variable de salida del proceso

para que el controlador pueda llevar acabo las correcciones y está sea llevado al

valor de set-point, una vez hecho esto el valor de corrección será enviado al

actuador y así cerrar el lazo de control, para se usó otra variable pero está vez será

de escritura (Figura 3.26).

Figura 3.26 Agregando variables de escritura y lectura.



Para poder configurar las variables se dio doble clic sobre ellas y en la ventana que

se desplegó se insertó el nombre deseado, para poder facilitar su manejo la variable

de lectura se tituló como entrada y la variable de escritura como salida, en la

siguiente ventana que se despliega seleccionamos el tipo de datos que vamos a

usar en este caso del tipo REAL y se activó las casillas Proccess Image y Export

que permitirían acceder y visualizar los datos de esta variable (Figura 3.27).

Figura 3.27 Ventana de configuración de variables.

Para finalizar se muestra el diagrama de bloques terminado, como se visualizó en

Control Builder F al terminar la configuración (Figura 3.28).

Figura 3.28 Diagrama de bloques funcionales con controlador y variables.



3.4 INSTAURACIÓN DEL SERVIDOR OPC

El objeto de crear un recurso que sirva como servidor OPC es lograr la comunicación

por medio de este protocolo hacia otros equipos que necesiten interactuar con el

programa Control Builder F y los datos que se generan en él, es por esto que se

creó un nivel dentro del árbol de proyecto que activa el servidor, llamado OPCS

para poder utilizarlo fue necesario anidar al nivel “Config” de la lista de objetos el

OPC-Server (OPC-S) como se muestra en la figura 3.29 en la ventana de

configuración se le asignó el nombre a este recurso y se verifico que la dirección IP

que aparece coincida con la que se está trabajando, la configuración consiguiente

no se modificó (Figura 3.30).

Figura 3.29 Configurando el servidor OPC.

Figura 3.30 Adición del objeto “OPC-Server (OPC-S)”.



Para poder lograr el intercambio de datos adicionalmente del servidor se creó un

enlace que permitiría interactuar con otros servidores o clientes OPC, creando una

“Gateway Station” o puerta de enlace, anidando un nivel más al primer nivel llamado

“Config” y eligiendo de la lista de objetos “Gateway Station D-GS” (Figura 3.31).

Figura 3.31. Adición del objeto “Gateway Station D-GS”.

Al agregar el nuevo nivel se abrió la ventana de configuración donde se indicó el

nombre al recurso, además del tipo de enlace que se iba llevar a cabo, para esto se

desplegó la pestaña llamada “Type” y se indicó “OPC-Gateway” finalmente se dio

un click en ok para terminar la configuración (Figura 3.32).

Figura 3.32 Selección del tipo de “Gateway Station D-GS”.



Al finalizar lo descrito en los puntos anteriores el árbol de proyecto se mostraba

como lo indica la figura 3.33 hasta ese momento.

Figura 3.32 Árbol de proyecto con tres subniveles agregados.

3.5 ESTACIÓN DE OPERACIÓN

La creación de la estacion de operación (D-OS), con ayuda del programa DigiVis, facilita la observacion y la gestión de un proceso dentro de una planta. El nivel de operación facilita la creacion y analisis de pantallas, visualizaciones de tendencias, visualizaciones graficas, pantallas web, asi como el monitoreo de alarmas, archivos y reportes.

DigiVis es el software de la paquetería de se incorpora a la estación de operación (D-OS) mostrando visualizaciones del proceso asignadas, agilizando la interacción del operario, DigiVis se encuentra dentro de la paquetería de ABB Industrial IT.

La estación de operación (D-OS) se añadió dentro del nivel de configuración en el árbol de proyecto que cuenta con la extensión CONFIG, el siguiente paso fue seleccionar la creación de una estación de operación (D-OS) dentro de la lista de objetos disponibles, como en todos los demás objetos del árbol de procesos se dio un nombre: para este caso “EDO”, y la configuración restante no se modificó quedando como el programa la da por defecto (Figura 3.34) en el capítulo siguiente se detalla el uso de la estación de operación creada en este punto y Digivis para la creación de una HMI que funcione para monitorear el proceso.



Figura 3.34 Incorporación de una estación de operación (D-OS).

El arbol de proyecto (Figura 3.35) muestra la estación de proceso (D-PS) donde la programacion puede ser realizada en base al operario, la estación de operación (D-OS) donde se modificaran las visualizaciones de las operaciones e instrucciones a mostrar dentro del programa DigiVis, para la comunicación se encuentra el servidor opc (OPC-S) y la puerta de enlace(D-GS). con la que se podrá intercambiar datos en tiempo real de cualquier variable que este registrada dentro de nuestro proyecto

Figura 3.35 Árbol de proyecto con estación de proceso (D-PS) y

estación de operación (D-OS).

3.6 DECLARACIÓN DE RECURSOS

La declaración de recursos se basa en la asociacipon de objetos creados en el proyecto y los componentes de hardware o software adicionales que posiblemente serán utilizados para trabajar en conjunto a la hora que este se encuentre corriendo el proyecto entero, para la estación de proceso (D-PS) se añadió el módulo de



emulación “Controller Emulator” y para la estación de operación (D-OS) se incorporó una pantalla con extensión VIS. La acción se realizó a través del ícono “Hardware Structure” localizado en la barra de tareas.

Al ingresar a este apartado en la parte izquierda sobre el icono con la flecha azul, se hizo click con el botón de derecho del mouse para abrir el cuadro de dialogo a continuación se seleccionó “insert” y finalmente se agregó el recurso EMULATOR (Figura 3.36).

Figura 3.36 Declaración del emulador como estación de proceso

3.6.1 Componentes de la estación de operación

La incorporación al sistema de la estación de operación se realiza de manera similar que la estación de proceso solo que esta vez se seleccionó de la lista de objetos disponibles “VIS Operator Station” (Figura 3.37).

Figura 3.37 Declaración de la estación de operación



3.6.2 Declaración de la Gateway Station OPC

Para realizar el enlace vía OPC se declaró dentro de la estructura de hardware una

“Gateway Station” que es el elemento que interactuara con los otros Servidores o

Clientes OPC. Siguiendo el procedimiento mencionado anteriormente se agrega el

recurso “GWY Gateway” como lo muestra la figura 3.38 en el apartado siguiente.

Figura 3.38 Declaración de la estación de enlace

3.7 ASIGNACIÓN DE RECURSOS

Para lograr el funcionamiento de todos los elementos declarados anteriormente se

deben vincular a sus respectivos objetos de la estructura de árbol de proyecto. Para

ligar la estación de proceso fue necesario posicionarse sobre la etiqueta del lado

izquierdo que nos da referencia del Emulador, a continuación se dio click derecho,

seleccionando de las opciones desplegadas “Resource allocation”, finalmente se

indicó, que proceso se ligará a este recurso para este caso se seleccionó “EDP” que

es el nombre que se le asignó a la estación de proceso cuando se creó dentro de

nuestro árbol de proyectos, (Figura 3.39).

Figura 3.39 Asignación de la estación de proceso



Igualmente se vinculó la estación de operación, con el nivel creado al árbol de

proyecto, colocándose sobre la etiqueta de lado izquierdo con el nombre “VIS”

dando click derecho y seleccionando “EDO” (Figura 3.40) que es el nombre que

previamente se asignó.

Figura 3.40 Asignación de la estación de operación

Siguiendo con el procedimiento ya señalado se asignó también para la estación de

enlace o “Gateway Station” el recurso OPCG (Figura 3.41) para indicarle al

programa que tipo de enlace se realizaría.

Figura 3.41 Asignación de la puerta de enlace OPC.



Al finalizar el procedimiento, la estructura de hardware quedó como lo muestra la

figura 3.42 en la interfaz de Control Builder F.

Figura 3.42 Estructura de hardware completa.

3.8 CONFIGURACIÓN DE IP´S E ID´S

Debido a la diversidad de dispositivos con los que se pueda interactuar con el

sistema de control distribuido fue necesario asignar a cada dispositivo a usar en el

proyecto una dirección IP y un número de identificación ID. Para realizar esta acción

se siguió el siguiente procedimiento.

Se dio doble clic sobre el icono “NETWORK” en la barra de tareas para configurar las IP´s (Figura 3.43), ya que éstas debían coincidir con las de la configuración inicial; así como también la ID (en este proyecto el elemento CBF fue 27, la VIS 22, la GWY 23). Estos datos se modifican dando click en EDIT.

Figura 3.43 Configuración de IP´s



Como se observa en la imagen 3.43 todos los dispositivos tenían la misma dirección

IP debido a que se usó el emulador del controlador y esta correría en la misma PC

donde se encuentran la estación de operación, el servidor OPC, la estación de

proceso y la simulación del proceso.

Como último paso, para verificar los errores posibles en el árbol de proyectos, se puso el cursor al inicio del árbol y se dio clic sobre el icono “SHOW ERROR LIST” (Figura 3.44). Dando clic después en el icono “CHECK”, el cual además de revisar los errores, cargaba el árbol de proyectos. Con esta acción, se destaca que los recuadros del lado izquierdo del árbol de proyectos cambiaron a un color verde.

Figura 3.44 Revisión de errores en el proyecto.

3.9 ENLACE ENTRE EL SOFTWARE CONTROL BUILDER F Y MATLAB

SIMULINK

En este capítulo se describe la configuración e integración mediante un servidor

OPC, entre Simulink Matlab y Control Builder F de ABB. Se retoma el modelo de la

simulación del intercambiador de calor realizada en el capítulo 2 (Figura 3.45).

Figura 3.45 Simulación del proceso usando Simulink.



Una vez inicializado Simulink y teniendo abierto el diagrama del proceso de

intercambio de calor, se eligió de la librería de Simulink, el OPC Toolbox que

contiene un conjunto de cuatro bloques de trabajo (Figura 3.46).

Figura 3.46 OPC Toolbox.

De esta lista el primero en ser utilizado fue el de configuración para poder dar de

alta el servidor OPC con el que se interactuaría, dando doble clic sobre el bloque se

abrió el apartado de configuración de parámetros, posteriormente se accedió a la

configuración de clientes OPC (Figura 3.47).

Figura 3.47 Bloque “OPC Configuration”

En ese momento fue necesario inicializar el servidor OPC del programa Control

Builder F, que se generó al configurarlo dentro del árbol de proyecto y se encontró

en la siguiente ruta:

Inicio>ABB industrial IT>Freelance V9.2> Freelance OPC-Server 23



Al iniciarlo se generó un icono representativo en la barra de tareas de Windows

(Figura 3.48) que nos indicaba que éste se encontraba en línea.

Figura 3.48 Iniciando servidor OPC en Windows 7.

Como muestra la figura 3.49 al iniciar el servidor en Windows, éste aparece en la

lista disponible para añadir de la pantalla de configuración en Simulink, el último

paso fue seleccionar y dar clic en conectar el servidor, quedando así establecido el

cliente OPC con el que la simulación podrá interactuar.

Figura 3.49 Reconocimiento del servidor de Control Buifer F.

Si se presentara algún conflicto y el servidor no apareciera en lista, aun después de

haber iniciado el servidor, es posible agregar el servidor manualmente dando clic en

el botón add que genera una ventana donde se puede indicar el nombre del servidor,

para obtener el nombre del servidor OPC del programa Control Builder F se accede

a la sección de ayuda (Figura 3.50), ahí se menciona que el nombre del servidor

será Freelance2000OPCServer.xx donde las últimas dos equis son sustituidas por

el Id asignado y el número de servidor quedando como



Freelance2000OPCServer.23.1 si se aplicase a este proyecto, ahora si la

asignación es correcta bastaría con dar ok y hacer clic para que este sea conectado

con Simulink (Figura 3.51).

Figura 3.50 Nombre del servidor de Control Builder F.

Figura 3.51 Configuración exitosa del servidor OPC en Simulink.



El siguiente paso fue configurar el bloque que daría lectura a las variables, se

arrastró el bloque “read” de la librería a nuestra pantalla de programación y se abrió

su ventana de configuración (Figura 3.52).

Figura 3.52 Configuración del Bloque Read

En la parte superior se observa el cliente OPC que había sido establecido

anteriormente, para agregar la variable que sería leída fue necesario ir al botón

AddItems donde se desplegó la lista de ítems disponibles en el servidor,

desplazándose hasta el último ítem y así dar selección a la variable “salida” que

cabe recordar había sido creada en el proyecto realizado en Control Builder F,

donde se conectó a la salida del controlador, para finalizar se debió seleccionar y

ocupar el botón >> quedando así añadida (Figura 3.53).

Figura 3.53 Configuración de enlace para la variable “Salida”.



Como la configuración fue exitosa la variable agregada se mostró en la ventana

como lo muestra la figura 3.54, en este proyecto solo se usó una variable en este

bloque, si se tuviese que añadir otras bastaría con repetir los pasos anteriores.

Figura 3.54 Enlace exitoso de la variable “Salida” en Simulink.

El siguiente paso a seguir fue integrar el bloque OPC Read a el diagrama de bloques

del proceso de intercambio de calor, como lo muestra la figura 3.55, en este bloque

es leído el valor de corrección que debe actuar en la válvula de control para llevar

al sistema al set-point programado, este cálculo lo hace el controlador agregado en

el programa de Control Builder F y es leído por Simulink vía OPC.

Figura 3.55 Adición del Bloque OPC Read a la simulación.

Hecho lo anterior se procedió a establecer un bloque de escritura en Simulink así

que se arrastró el bloque OPC Write y haciendo doble clic sobre se abrió la ventana

para su configuración, en la parte superior se observó el cliente OPC con el que se



trabajaba, y para agregar nuestra variable se accedió al apartado Add Items (Figura

3.56) en la ventana generada se agregó la variable “Entrada” de la lista de Item

disponible, que fue generada en el proyecto de Control Builder F, cuando se anexo

al controlador, esta variable se encontraba conectada a la entrada del controlador y

monitorearía el valor de la variable de salida en el proceso de intercambio de calor

para poder establecer el error y que el controlador pudiese generar un valor de

corrección.

Figura 3.56 Configuración de enlace para la variable “Entrada”.

La figura 3.57 muestra como se ve la variable si está fue agregada con éxito en el

bloque de OPC Write, si se deseará agregar más variables bastará con repetir el

procedimiento antes mencionado.

Figura 3.57 Enlace exitoso de la variable “Entrada” en Simulink.



Ya terminada la configuración de los Bloques; OPC Config Real-Time, OPC read y

OPC Write, el ensamble con el diagrama de bloques quedo como lo muestra la

figura 3.58, el funcionamiento en conjunto representa un diagrama de control con

retroalimentación donde el Bloque del Controlador PID de la librería de Simulink fue

sustituido por los bloques para la comunicación vía OPC, ya que esta función ahora

es llevada por el Controlador del Software de Control Builder F y el bloque de OPC

Write retroalimenta los datos generados por la simulación en este caso en específico

el valor de la salida del Sensor de Temperatura al final del proceso, una vez logrado

esto el controlador generara una respuesta de corrección para la válvula de control,

es aquí donde el bloque OPC read hace la función de retroalimentar ese valor y

tenerlo disponible en Simulink para que el proceso sea corregido y llevado a un Set-

Point preestablecido que en este simulación es 150 grados Fahrenheit.

Figura 3.58 Simulación del proceso de intercambio de calor con servidor OPC.



CAPÍTULO 4 DESARROLLO DE HMI PARA MONITOREO

Si hay una idea que se asemeje al concepto de interface es el de mediación, entre

hombre y máquina. La interface es el canal mediador que facilita la comunicación,

la interacción, entre dos sistemas que no comparten su naturaleza, hablamos del

ser humano y el concepto de máquina. Al crear una interface hombre-máquina o

también nombrada HMI por sus siglas en inglés, se pretende facilitar el acceso a las

tareas de monitoreo, supervisión y/o control que un proceso requiera. En este

capítulo se describe el procedimiento que se siguió para programar una HMI de

monitoreo dentro del software Control Builder F con el objeto de visualizar el valor

de las variables que la simulación realizada en el capítulo 3 genera, y así poder

definir el proyecto integrado como un Laboratorio Virtual.

4.1 INTEGRACIÓN DE IMÁGENES TIPO BITMAP

Ya concluida la configuración del diagrama de bloques en Simulink que representa

el proceso de un intercambiador de calor de serpentín y una vez que se ha integrado

la comunicación vía OPC al proyecto hecho en Control Builder F, se creó una HMI

para finalizar la propuesta de un Laboratorio Virtual ya que es desde aquí donde se

puede ver gráficamente el funcionamiento de todos los componentes cuando se

encuentran activados en conjunto. Los componentes que se podrán monitorear son:

Temperatura del vapor o fluido de servicio

Temperatura de la mezcla o fluido de trabajo

Valor del flujo de entrada del fluido de trabajo

Set point del proceso.

Definidas las características de la HMI se comenzó con la creación, para esto fue

necesario posicionarse dentro del árbol de proyecto en Control Builder F a la altura

de la estación de operación en el nivel creado anteriormente (FGR) nombrado HMI,

se accedió a él realizando un doble clic y así entrar al editor gráfico (Figura 4.1).

Figura 4.1 Nivel FGR en árbol de proyecto.



Para crear nuestro fondo de la imagen representativa del proceso fue necesario

crear una imagen con ayuda del software Solidwork (Figura 4.2), una vez terminada

se guardó y export en un archivo con extensión .bmp que es el tipo de archivos que

son soportados por el editor gráfico.

Figura 4.2 Imagen del intercambiador de calor para la HMI

La importación de la imagen se realizó eligiendo el botón “bitmap” de la paleta de

herramientas como lo muestra la figura 4.3, lo siguiente fue seleccionar el tamaño

de área en donde seria pegada la imagen, dibujando un rectángulo con el cursor, a

continuación de la ventana desplegada se hizo clic en la opción “import” para así

seleccionar la ruta en donde estaba guardada la imagen creada, y finalizando dando

en abrir para poder observar una vista previa de la imagen en miniatura, así se

finaliza la importación de imágenes del tipo mapa bits hechas externamente (Figura

4.4).

Figura 4.3 Botón Bitmap.



| Figura 4.4 Importación de imagen a Control Builder F

El editor contiene una paleta con varias herramientas disponibles para crear una

interfaz, para poder colocar un título como etiqueta de texto a la pantalla, de la paleta

de herramientas se utilizó el icono que muestra una letra “A” mayúscula y en el área

de trabajo se eligió el tamaño de la etiqueta tan solo con desplazar el cursor

señalando el área deseada, como lo muestra la figura 4.5.

Figura 4.5 Creación de etiquetas tipo texto

Se crearon 4 etiquetas de texto una para cada variable a monitorear (Figura 4.6)

además de la que correspondería al encabezado de la pantalla. El procedimiento

para crear las etiquetas consecuentes fue similar al descrito anteriormente.



Figura 4.6 Adición de la etiquetas de texto para el proyecto.

4.2 INTEGRACIÓN DE DISPLAY

Una vez terminada creación de etiquetas se hizo presente el integrar los respectivos

botones “display” que mostrarían el valor de las variables monitoreadas, la primer

variable agregada fue la que corresponde al valor de la temperatura del fluido de

trabajo, para realizar esta acción fue necesario acceder al botón llamado

“Alphanumeric Display" (Figura 4.7).

Figura 4.7 Adición de un display alfanumérico.



Enseguida se seleccionó el área en donde sería mostrado, y finalmente en la

ventana desplegada de configuración se indicó, haciendo clic derecho sobre el

apartado “Display Variable” que variable de las disponibles en el proyecto tendría q

ser mostrada, en este caso sería la variable “Entrada” (Figura 4.8).

Figura 4.8 Configuración de display para la temperatura de entrada.

La figura 4.9 muestra la integración del display a la pantalla gráfica, el recuadro en

donde está alojado puede ser modificado para que muestre el fondo del color

deseado, también el tipo de fuente de los números puede ser cambiado, estás y

otras opciones son elegibles si se abre el menú de opciones haciendo clic derecho

sobre el display.

Figura 4.9 Integración de display para temperatura de la mezcla.



En el caso de la variable que mostraría la temperatura del vapor del proceso

simulado fue necesario agregar una variable nueva en el proyecto realizado en

Control Builder F, los pasos que se siguieron fueron, primero se colocó en la pantalla

principal donde está representado el árbol de proyecto y dentro de la barra de

menús se accedió al de “Variable list” (Figura 4.10) donde están enlistadas todas

las variables existentes en el proyecto trabajado.

Figura 4.10 Acceso y creación a nuevas variables

Para crear una variable nueva, fue suficiente con colocarse hasta la parte inferior

de la lista y hacer clic en el espacio vacío, pudiendo así nombrar a la variable nueva

en este caso “VVapor”, dentro de la ventana de configuración desplegada se asignó

al recurso donde será utilizado en este caso a la estación de proceso EDP, se eligió

el tipo de variable que para este proyecto es del tipo REAL (Figura 4.11), también

se marcaron las casillas de “Export” y “Process image” aprobando el libre acceso

para todos los elementos del proyecto.

Figura 4.11 Configuración de la variable “VVapor”



Finalizando esta configuración se dio clic derecho sobre esta variable y se abrió la

ventana de “Cross Reference“, donde se activó la casilla “Read/Write” que

estableció que la variable sería accesible a escritura y lectura de datos (Figura

4.12).

Figura 4.12 Activación de lectura y escritura de datos

Ya creada la variable nueva a usar se procedió a ligarla con un nuevo botón display,

regresando a la pantalla de edición de la HMI se creó un nuevo elemento display y

se seleccionó de la lista disponible la variable VVapor, como lo muestra la figura

4.13, terminando así la creación de este elemento.

Figura 4.13 Configuración de display para la variable “VVapor”



Como muestra la figura 4.14, se observa la integración del display con la etiqueta

temperatura del vapor, que mostraría los valores resultantes de esta variable

durante la simulación.

Figura 4.14 Integración de display para temperatura del vapor.

Para llevar a cabo el intercambio de información con la variable nueva “VVapor”, fue

indispensable agregar un bloque de “OPC write” en Simulink, y conectarlo al igual

que el bloque de Scope con la etiqueta “Temperatura del vapor”, pudiendo así

registrar estos valores (Figura 4.15).

Figura 4.15 Adición del Bloque OPC Write para la variable “VVapor”



Una vez agregado el bloque OPC write, se abrió la ventana de configuración para

establecer su relación con la variable “VVapor”, de la ventana desplegada se dio

cilc en “Add Items”, para desplegar la lista de variables disponibles en el servidor y

seleccionar la variable “VVapor”, que se había agregado previamente al proyecto

de Control Builder F terminando así que la configuración de esta variable. (Figura

4.16).

Figura 4.16 Enlazado de la variable VVapor a Simulink

Para la variable que mostraría el valor de flujo del líquido de trabajo en el proceso

simulado, fue necesario igualmente agregar una variable nueva en el proyecto

realizado en Control Builder F, el procedimiento realizado fue, colocarse en la

pantalla principal donde está representado el árbol de proyecto y dentro de la barra

de menús se accedió de nuevo al de “Variable list” una vez ahí se creó la variable

con el nombre de “Flujo” (Figura 4.17).

Figura 4.17 Creación de la variable “Flujo”



Dentro de la ventana de configuración igualmente se asignó al recurso, donde será

utilizado, en este caso a la estación de proceso EDP, además de indicar que sería

una variable del tipo REAL y al final se activaron las casillas de “Export” y “Process

image” (Figura 4.18).

Figura 4.18 Configuración de la variable “Flujo”

Para concluir esta configuración, se dio clic derecho sobre esta variable y se abrió

la ventana de “Cross Reference“, donde se activó la casilla de read/write que indica

que hay acceso de lectura y escritura de datos en esta variable (Figura 4.19).

Figura 4.19 Activación de lectura y escritura de datos.



El siguiente paso fue enlazar la variable creada con un nuevo display, así que

insertó y se confinó con la variable “Flujo” como lo muestra la figura 4.20 dando por

terminada la configuración.

Figura 4.20 Configuración de display para la variable “Flujo”

Al finalizar, la pantalla de la HMI se veía como lo muestra la figura 4.21 con los tres

display integrados y listos para arrancar la simulación.

Figura 4.21 Integración de display para el cambio de flujo.



Nuevamente se agregó el bloque de “OPC write” en Simulink conectándolo al bloque

Switch que cambia el valor del flujo después de 50 segundos a los valores

preestablecidos en su señales de entrada. (Figura 4.22)

Figura 4.22 Adición del Bloque OPC Write para la variable “Flujo”

El siguiente paso fue abrir la configuración del bloque ligarla con la variable creada

anteriormente por lo que fue necesario seleccionar de la ventana de configuración

la variable “Flujo” y añadirla a este bloque (Figura 4.23).

Figura 4.23 Ligado de la variable “Flujo” en Simulink.

El diagrama de bloques completo dentro del espacio de trabajo de Simulink quedó

como lo muestra la figura 4.24, finalizando la integración de las variables a la HMI

con una comunicación vía OPC.



Figura 4.24 Diagrama de bloques en Simulink con comunicación vía OPC integrado a la HMI.



4.3 RESULTADOS DE LA INGENIERÍA DESARROLLADA

La creación de la HMI es el último elemento que conforma el laboratorio virtual

propuesto en este proyecto de tesis, el primer paso para poder ver el funcionamiento

integral de la simulación hecha en Simulink estableciendo una comunicación via

OPC con el software Control Builder F del Freelance 800f de ABB y monitorear los

resultados en una HMI, fue hacer una revisión del proyecto realizado en Control

Builder F para esto se procedió moviéndose a la barra de tareas y se dio un clic

sobre el icono con la etiqueta de “Show error list”, para verificar que el proyecto no

tuviera conflictos en su programación, el siguiente paso fue dar clic sobre el icono

con la leyenda “check” (Figura 4.25) que revisaría que no existiera ningún error en

el proyecto.

Figura 4.25 Comprobación de errores de proyecto.

Como lo muestra la figura 4.26 el único mensaje mostrado fue una advertencia que

nos aconsejaba que la dirección IP del emulador debiera ser única, pero como este

proyecto fue generado sobre la misma pc, no fue necesario acatar el consejo.

Figura 4.26 Consejos emergentes desplegados.



Siguiendo con la carga del proyecto, se inició con el modo de comisionamiento,

haciendo clic sobre el icono con la leyenda “Commissioning” esto inició el

funcionamiento de todos los niveles programados. (Figura 4.27)

Figura 4.27 Iniciando el modo de comisionamiento.

En este estado lo siguiente fue cargar todas las configuraciones a sus respectivas

estaciones para que entraran en línea y pudiesen funcionar. Primero se inició el

emulador del Freelance, que es representativo de la estación de proceso

accediendo desde el navegador a la dirección http://localhost:8888, como lo

muestra la figura 4.28 en la parte inferior.

Figura 4.28 Iniciando Emulador

http://localhost:8888/



Ya iniciado, se indicó el ID asignado al emulador, para este proyecto con valor de

30 comenzando así la emulación (Figura 4.29), como la iniciación fue correcta se

mostró en la barra de dirección la IP con la que se estaba trabajando.

Figura 4.29 Emulando el Freelance con ID 30.

Ahora con el emulador trabajando, se cargaron las configuraciones del proyecto a

cada recurso, el procedimiento que se siguió para cargar la estación de proceso

(EDP), fue dar un clic derecho sobre el nivel en la pantalla donde se muestra el

árbol de proyecto y en la ventana desplegada se indicó “Load” y posteriormente

“Whole station” (Figura 4.30) cargando así las secuencias programadas.

Figura 4.30 Carga del recurso EDP



Mostrando así una ventana donde se puede observar el estado de la carga del

proyecto al emulador, se debe mostrar un porcentaje de 100% para que se puede

considerar exitosa la carga (Figura 4.31).

Figura 4.31 Estación de proceso en línea.

Siguiendo con el procedimiento descrito, se cargó el nivel del enlace “OPC Gateway

(OPCG)”, repitiendo la secuencia mencionado anteriormente, con la diferencia que

el cursor debió ser colocado sobre éste nivel (Figura 4.32).

Figura 4.32 Cargando OPCG

El último recurso cargado fue la estación de operación (EDO) donde se encuentra

programada la HMI. Antes de proceder fue necesario iniciar el programa Digivis,

que se encuentra dentro de los programas complementarios, en la carpeta de ABB

Industrial IT, dentro de los archivos de inicio en Windows 7. Abierto el programa

Digivis se colocó el cursor sobre el nivel de la estación de operación EDO (VIS) en



el árbol de proyecto y se cargaron sus elementos siguiendo el procedimiento

descrito anteriormente (Figura 4.33).

Figura 4.33 Cargando la estación de operación EDO.

Cumpliendo exitosamente el procedimiento en el árbol de proyectos se mostró la

etiqueta con la leyenda “Running” delante de cada nivel por lo que se estableció que

la carga de configuraciones fue correcta (Figura 4.34).

Figura 4.34 Carga de proyecto exitosa.

Estando funcionando todos los componentes de Control Builder F en conjunto con

Digivis, para poder observar el resultado de todos los elementos integrados, se



accedió a Simulink y se unió la simulación hecha con servidores OPC y el controlador de Control Builder F con la simulación

que contiene el controlador PID de la librería de Simulink, como lo muestra la figura 4.35 para tener un punto de comparación

en el funcionamiento del este proceso al momento que serían analizados los resultados de este proyecto.

Figura 4.35 Diagrama de bloques con controlador vía OPC y controlador local en simulink.



Finalmente se conectó un bloque scope a las salidas donde se puede visualizar la

temperatura del líquido de trabajo, con el propósito de poder graficar los valores

arrojados durante la simulación y realizar un comparativo entre los dos

controladores (Figura 4.35).

Se inició la simulación del proceso estando Control Builder F en modo de

comisionamiento y Digivis en línea, para poder acceder a la HMI fue necesario abrir

la pestaña de “Graphic Display” en la barra de menús de Digivis, de la ventana

desplegada se eligió el recurso previamente cargado “HMI” (Figura 4.36), así fue

posible observar en los display los valores arrojados por la simulación en progreso

que generaba Simulink.

Figura 4.36 Accediendo a la HMI en digivis.

Estando en la HMI se procedió a abrir la paleta que contiene los botones

manipuladores del controlador, colocándose sobre la barra de menús en la pestaña

de “display” y seleccionando “Faceplates”, después se indicó el elemento a cargar

en este caso “Control” (Figura 4.37).

Figura 4.37 Accediendo al manipulador del controlador.



En esta ventana es posible cambiar el Set-point del controlador, así como establecer

los límites de los valores de corrección, además de monitorear las variables de

temperatura de vapor, temperatura del fluido de trabajo y el flujo de entrada del

líquido de trabajo (Figura 4.38). Es importante notar que los valores del valor de la

temperatura de salida son tomados desde Simulink comprobando así que la

comunicación vía OPC fue lograda.

Figura 4.38 HMI en línea

Siguiendo con la descripción de resultados, en la pantalla del diagrama de bloques

realizado en Simulink se procedió a observar las gráficas generadas por los bloques

Scope. En el primero, correspondiente al monitoreo del valor de la temperatura del

vapor en el serpentín, se observó que la temperatura va incrementando a medida

que el proceso lo requiere, tomando valores de 0°f hasta 460°f en un tiempo de

30minutos, también se contempló el efecto provocado por la perturbación

programada en el flujo de entrada de la mezcla, que aumenta de 15 a 20 pie3/min

al transcurso de los 30 minutos (Figura 4.39), por lo que la temperatura sufre un

sobresalto hasta alcanzar una temperatura de 460°F, manteniendo ese valor hasta

el final del tiempo de simulación.

Para observar la gráfica obtenida en el transcurso de la simulación en lo referente

a la temperatura del fluido de trabajo controlada por el PID en Control Builder F se

accedió al bloque “scope” con la etiqueta “Temperatura del fluido”, localizado al final

del diagrama de bloques en Simulink (ver Figura 4.35), donde se grafica los valores

de la temperatura de salida del proceso en tiempo real, es importante resaltar que

esta gráfica es generada gracias a la información intercambiada vía OPC entre

éstos dos software (Figura 4.40). En esta gráfica se observó que el controlador PID



presenta una respuesta que al paso de un tiempo virtual de 30 minutos éste llevó la

temperatura a un valor aproximado de 163°F, el siguiente cambio se notó al entrar

la variación programada del valor de flujo, es aquí cuando la temperatura empezó a

descender hasta llegar a un valor de 150°F al tiempo de 70 minutos transcurridos,

éste valor de temperatura estaba preestablecido como Set-point dentro del

controlador.

Figura 4.39 Gráfica de resultados de la temperatura de vapor.

Figura 4.40 Control del Freelance sobre la temperatura de salida en el intercambiador de calor.



Observando la gráfica del control PID de Simulink se percibió que presentaba una

respuesta eficaz ya que al transcurrir un tiempo de 30 minutos virtuales la

temperatura de la mezcla se encontraba con un valor de 148°F y al llegar a los 30

minutos estaba cerca del valor de set-point, en ese momento se presentó un

sobresalto debido a la perturbación en el flujo y tardó hasta el punto de tiempo de

60 minutos, estabilizarse a una temperatura de 150°F, sin más acciones

destacables en el tiempo restante de simulación (Figura 4.41).

Figura 4.41 Control de Simulink sobre la temperatura de salida en el intercambiador de calor.

A continuación finalizando con la descripción de resultados obtenidos se muestra

en un mismo espacio la comparativa de las gráficas resultantes por ambos controles

(Figura 4.42). En ella se observa que las respuesta del controlador del bloque se

Simulink es más eficaz, esto es debido al que al realizar los cálculos por la

herramienta de auto tune está es integrada completamente a está simulación sin

considerar limitaciones físicas ya que es un controlador virtual, en comparación el

controlador de Control Builder F toma a consideración desde un rango de valores

de entrada, hasta las unidades físicas con las que se trabaja, por lo que éste

algoritmo de control está diseñado para considerar situaciones de procesos reales.



Figura 4.42 Comparación de controladores.



CONCLUSIONES

La principal motivación de realizar este trabajo es aprovechar las tecnologías

modernas de comunicación como lo es el protocolo OPC, para aplicarse en la

implementación de un laboratorio que permite evaluar procesos industriales a un

bajo costo con poca inversión.

En este trabajo se ha descrito la implementación de un laboratorio virtual

comunicado por el protocolo OPC con el controlador que ofrece Control Builder F,

programa de configuración para el Freelance 800F de ABB, permitiendo que pueda

ser comprobado el funcionamiento de éste equipo industrial en un espacio de

trabajo reducido con poca o nula infraestructura en cuanto a una planta de proceso

se refiere.

En los resultados de la simulación se puede notar que el proceso es controlado

satisfactoriamente por el emulador del Freelance en Control Builder F, además de

que es posible establecer parámetros de comparación con controladores ideales

virtuales como los que ofrece la librería de Simlulink, ya sea del tipo PID y en

trabajos futuros alguna otro estrategia o algoritmo de control.

Conjuntamente con lo anterior, el sistema de monitoreo desarrollado en el presente

trabajo es totalmente aplicable al intercambiador de calor tipo serpentín aquí tratado

y se puede extender su aplicación a otros modelos semejantes, intercambiando la

imagen base de la interfaz tomando a consideración que para otros tipos de

intercambiadores de calor se requiere modificar las ecuaciones de acuerdo al

esquema que les corresponda, sin embargo, la filosofía de funcionamiento de la

planta virtual sigue siendo la misma.

Con lo anterior se integra en la propuesta de la simulación controlada vía OPC del

sistema de intercambio de calor, el desarrollo de una HMI para el monitoreo del

proceso. Probar esta propuesta de simulación-comunicación-control implementado

a otros modelos de proceso como un control de nivel, presión o flujo, sería el

siguiente paso en vista de que se observó un buen desempeño en el trabajo

desarrollado además de que cada vez se hace más necesario para todo ingeniero

en control y automatización ganar experiencia en el área de control de procesos.



GLOSARIO DE TÉRMINOS

Árbol de proyecto.

En el contexto del trabajo se hace referencia a la estructura con ramificaciones que

se genera con los recursos anexos al proyecto de Control Builder F.

Balance de energía.

Relación de equilibrio en el que se expresa el principio de conservación de la energía en el ciclo de un proceso. Bloque Scope.

Elemento de la librería Simulink que grafica la señal que se introduzca con respecto

al tiempo.

Control Builder F.

Software de configuración y puesta en marcha de todas las unidades desde el nivel

superior hasta el nivel del dispositivo de campo compatible con el sistema de control

distribuido Freelance 800F.

Diagrama de bloques.

Herramienta que se usa para mostrar como las diferentes partes de un sistema

interactúan entre si y de este modo verificar la ruta crítica. Dentro del contexto del

software Simulink hace referencia a la representación gráfica del proceso simulado.

Diagrama de bloques funcionales.

Lenguaje de programación usado en los controladores lógicos programables que

permite el procesamiento tanto secuencial como paralelo representado por

elementos gráficos preestablecidos.

Digivis.

Es un software que sirve como herramienta para configurar y poner marcha

aplicaciones supervisión a medida, como pantallas de tendencias, monitoreo y

gestión de recursos.

Dirección IP.

Es una etiqueta numérica que identifica, de manera lógica y jerárquica, a una

interfaz (elemento de comunicación/conexión) de un dispositivo (habitualmente

una computadora) dentro de una red que utilice el protocolo IP(Internet Protocol).

Emulador.

Un emulador es un programa informático destinado a imitar un comportamiento

específico de un hardware o software y así poder sustituir la falta de disponibilidad

de algún recurso.

http://es.wikipedia.org/wiki/Computadora

http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_computadoras

http://es.wikipedia.org/wiki/Internet_Protocol



Display.

Elemento virtual o dispositivo que permite mostrar información a los usuarios de

alguna aplicación que lo requiera.

Fluido de servicio.

Para este trabajo hace referencia al flujo de vapor que calienta la mezcla contenida

en el serpentín intercambiador de calor.

Fluido de trabajo.

Para este trabajo hace referencia a la mezcla que se calienta con el flujo de vapor.

Freelance 800F.

Se refiere al hardware de un sistema de control distribuido compacto creado por

ABB.

HMI.

Interfaz de usuario por sus siglas en idioma inglés, (Human Machine Interface) que

se usa para referirse a la interacción entre humanos y máquinas; Aplicable a

sistemas de Automatización de procesos.

IDE.

Un entorno de desarrollo integrado, por sus siglas en inglés (Integrated

Development Environment), es un programa que integra herramientas necesarias

para la programación.

ID.

Número de identificación asignado a cada dispositivo a usar dentro de un programa

realizado en el software Control Builder F.

Matlab.

(Abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices"). Es una herramienta

que ofrece un entorno interactivo para el cálculo numérico, la visualización y la

programación.

Monitoreo.

Seguimiento del comportamiento de un sistema con base en sus variables.

OPC.

Por sus siglas en inglés (OLE (“Object Linking and Embedding”) for Process Control)

es una estandarización de comunicación para procesos automatizados, en los que

es permitido que diferentes software compartan datos e información.

http://es.wikipedia.org/wiki/Interfaz_de_usuario

http://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_ingl%C3%A9s



PID.

Es un controlador donde se puede introducir una parte proporcional, una integral y

una derivativa

PLC.

Un controlador lógico programable, por sus siglas en inglés (Programmable Logic

Controller) es una computadora utilizada en la industria para automatizar procesos,

en donde básicamente recibe y entrega órdenes a ejecutar de o para cierto

dispositivo.

Servidor OPC.

En una arquitectura Cliente OPC/ Servidor OPC, el Servidor OPC es el esclavo

mientras que el Cliente OPC es el maestro. Las comunicaciones entre el Cliente

OPC y el Servidor OPC son bidireccionales, lo que significa que los Clientes pueden

leer y escribir en los dispositivos a través del Servidor OPC.

Set-point.

Es la salida del proceso que en un sistema de control automático tendrá como

objetivo alcanzar.

Simulación de proceso.

La simulación es recrear un sistema o imitar una realidad que se parezca tanto a

ella sin necesidad de serla con el fin de estimar cuál sería su desempeño real, es

este trabajo hace referencia al diagrama de bloques construida en simulink.

Simulink.

Es una librería de MATLAB que permite la simulación de procesos mediante

diagramas de bloques.

Sistema

Un conjunto de partes que interactúan entre sí, orientadas a realizar una

determinada función.

Variable.

El término se utiliza para designar una cantidad susceptible de tomar distintos

valores numéricos y es representado por un símbolo o frase con el fin de diferenciar

el origen de los valores en donde son generados.



BIBLIOGRAFÍA

Shah, Ramesh K.; Sekulic Dusan P. Fundamentals of Heat Exchanger Design. New

Jersey, 2003.

Smith Carlos A.; Corripio Armando B. Control Automático de Procesos. 1ª ed.,Ed.

Limusa, Mexico, 1991.

Kern Donald Q.; Procesos de Transferencias de Calor. 31ªed., Ed. CECSA, Mexico,

1999.

Acedo Sánchez José.; Control Avanzado de Procesos. 1ª ed.,Ed. Ediciones Díaz

de Santos. Mexico, 2003.

Kuo, Benjamin C; Sistemas De Control Automático. 7ª ed., Ed. Prentice Hall,

México, 1996.

Creus, Antonio; Instrumentación industrial. 7ª ed., Ed. Alfaomega, México, 2006.

Ortiz, Frida; Metodología de la investigación. 1ª ed., Ed. Limusa, México, 2004.

Muñoz Razo Carlos; Cómo elaborar y asesorar una investigación de tesis. 2ª ed.,

Ed. Pearson, México, 2011.

Industrial ABB. (2010).”Freelance Getting Started”. Disponible en URL

http://www05.abb.com/global/scot/scot296.nsf/veritydisplay/dccb84483ca27155c12

578da004a094c/$file/3bdd012560r05_en_freelance_9.2sp1_getting_started.pdf

[Consulta: 19 de junio de 2013].

“OPC Tutorials” [en línea] < https://www.matrikonopc.com/resources/opc-

tutorials.aspx> [Consulta: 17 de junio de 2013]

http://www.freelibros.org/libros/como-elaborar-y-asesorar-una-investigacion-de-tesis-carlos-munoz-razo.html



APÉNDICES

APÉNDICE “A” MANUAL DEL CONTROLADOR PID DE COTROL

BUILDER F

Function

Simple continuous standard controller without the option of

external variation of the controller parameters.

An external set point SP may be introduced.

Switching between manual/automatic and internal/external

mode can be obtained by pins (MM/MA or MI/ME) as well as

DigiVis. If a logic-1 signal is present for a certain mode, the mode switch to DigiVis

is inhibited. Whether DigiVis or pin is pre-set, the active modes are available at

corresponding outputs (SMA and SIE). If both signals are present, the controller

operates in manual or internal mode.

The following tables show the signals at the binary outputs (state display) with

corresponding connection of the binary inputs.

Input Output Input Output

MM

Hand

MA

Auto

SMA

Man./Auto

MI

intern

ME

extern

SIE

int./ext.

0 1 1 0 1 1

1 1 0 1 1 0

1 0 0 1 0 0

A maximum of four limit values is permitted using constants and/or external signals.

The limits refer to the controlled variable or the control difference.

Where limit values are violated, the corresponding output SL1 ... SL4 is set to 1.

The other output values are the variable OUT, the deviation CE and the active set

point ASP.

Display



Name, short text, scale range and physical unit.

Set point SP (Pin ASP), process value PV (Pin PV) and output variable Out (Pin

OUT) as numerical values and as bar chart. The set point bar encloses the process

value bar, with the output to the right.

Limit values L1 to L4 (Pins L1 to L4) as numeric values, and the corresponding mark

on the process value bar.

Output value and set point modes are displayed as buttons with the following

inscriptions:

Output value mode Button

Manual H

Automatic A

Operator interventions

The internal set point SP can be altered in automatic and manual modes.

The output variable Out can only be altered in manual mode.

The set point can be switched to internal or external mode with the Int/Ext button,

and the output variable to manual or automatic with the Manual/Auto button.

The maximum of four limit values L1...L4 can also be altered.

Message acknowledgment.

Parameters: Continuous controller, standard, C_CS

Set point value mode Button

Internal I

External E



Operating mode inhibition

SP-Intern

No switching to operating mode set point internal,

SP-Extern

No switching to operating mode set point external,

Out-Man

No switching of output to operating mode manual,



Out-Auto

No switching of output to operating mode automatic.

Operating Modes

Initial settings where no signal is present at inputs ME/MI/MA/MM

Intern

Controller starts in operating mode set point internal

Extern

Controller starts in operating mode set point external

Man

Controller starts in operating mode manual

Auto

Controller starts in operating mode automatic

Function block data: Continuous controller, standard, C_CS

The values for the limit values (L1... L4) are only accessible by the corresponding

input pins.

Name Data type Conf. Acc. Comment

Inputs

EN BOOL yes RW Enable

TRUE: the function block is processed

PV REAL no RW Process variable; input variable X

SP REAL no RW External Set point W

L1 REAL yes RW Limit value 1






ME BOOL no RW Mode - Set point External

MI BOOL no RW Mode - Set point Internal

MA BOOL no RW Mode - Automatic

MM BOOL no RW Mode - Manual

Outputs

ENO BOOL no RO Processing state

TRUE: the function block is processed

OUT REAL no RO Output / Output variable

CE REAL no RO Deviation

ASP REAL no RO Active Set Point

SMA BOOL no RO Status Manual (0) /Automatic (1)

SIE BOOL no RO Set Point Status Internal (0) / External (1)

SL1 BOOL no RO TRUE, if limit 1 violated




ERR BOOL no RO TRUE, if error in the function block

STA INT no RO Status error code of function block

Parameter definition mask 1



Dim TEXT yes no Acc. Dimension

Mba REAL yes RW Meas. range start for controlled variable

Mbe REAL yes RW Meas. range end for controlled variable

Wi REAL yes RW Internal set point

Lwi BOOL yes no Acc. Access internal set point

Yi REAL yes RW Internal output value

Lyi BOOL yes no Access internal output value

Ww REAL no RO Target set point

XDbub REAL no RO Control deviation for overview display

Lf1 BOOL yes no Acc. Access limit value 1

Hy1 REAL yes RW Hysteresis for limit value 1

MP1

Message 1



MP2

Message 2



MP3

Message 3





MP4

Message 4


Pa BOOL yes RW P branch

Ia BOOL yes RW I branch

Knl BOOL yes RW Inverse characteristic curve

Ap REAL yes RW Operating point for controller in %

Kp REAL yes RW Proportional correction value

Kv REAL yes RW Derivative gain

Tn TIME yes RW Reset time

Tv TIME yes RW Rate time

Sy INT yes RW

Synchronization Manual to Auto

0 = Without

1 = Adjust to old set point

2 = Adjust to current set point

Dxd INT yes RW

D-action of

0 = Controlled variable PV

1 = Control difference CE

Da INT yes RW D-action

0 = On, 1 = Positive, 2 = Negative, 3 = Off



Py INT yes RW Output operating mode Manual/Automatic

0 = Manual, 1 = Automatic

Pyh BOOL yes no Acc. Inhibit mode manual

Pya BOOL yes no Acc. Inhibit mode automatic

Pwi INT yes RW Set point op. mode Internal/External

0 = Internal, 1 = External

Vwi BOOL yes no Acc. Inhibit mode internal

Vwe BOOL yes no Acc. Inhibit mode external

Pxd INT yes RW

P-action of

0 = Controlled variable PV

1 = Control difference CE

Tsync TIME yes RW Synchronization time for compensating operations


Rwh TIME yes RW Set point gradient rising

Rwl TIME yes RW Set point gradient falling

SloSpMan BOOL yes RW Set point gradient active in manual

Ryh TIME yes RW Output gradient rising

Ryl TIME yes RW Output gradient falling

SloOutMan BOOL yes RW Output gradient active in manual

Pyh REAL yes RW Output limit high in %

Pyl REAL yes RW Output limit low in %



Wf INT yes RW

Set point tracking

0 = Internal set point tracks actual set point

1 = Internal set point as adjusted

Wh REAL yes RW Set point limit high in %

Wl REAL yes RW Set point limit low in %

Ygw INT yes RW

Effectiveness of output limits

0 = Active in manual and automatic

1 = Active in automatic

2 = Not active

Xdz REAL yes RW Dead band of the control difference around 0 in %



APÉNDICE “B” MANUAL OPC TOOLBOX

OPC CONFIGURATION

Configure OPC clients to use in model, pseudo real-time control options, and

behavior in response to OPC errors and events

OPC Toolbox Description

The OPC Configuration block defines the OPC clients to be used in a model,

configures pseudo real-time behavior for the model, and defines behavior for OPC

errors and events.

The block has no input ports. One optional output port displays the model latency

(time spent waiting in each simulation step to achieve pseudo real-time behavior).

You cannot place more than one OPC Configuration block in a model. If you attempt

to do so, an error message appears, and the second OPC Configuration block

becomes disabled.

Configure OPC Clients

Opens the OPC Client Manager for this model. Each model has a list of clients

associated with it. These clients are used during the simulation to read or write

data to an OPC server. See Use the OPC Client Manager for more information.

Error control

Defines actions that Simulink® software must take when OPC-specific errors and

events are encountered. The available actions are to produce an error and stop the

simulation, produce a warning and continue the simulation, or ignore the error or

event. The following table describes each error or event.



Pseudo real-time simulation

Allows you to configure options for running the simulation in pseudo real time. When

Enable pseudo real-time simulation is checked, the model execution time matches

the system clock as closely as possible by slowing down the simulation

appropriately. The Speedup setting determines how many times faster than the

system clock the simulation runs. For example, a setting of 2 means that a 10-second

simulation will take 5 seconds to complete.

Note that the real-time control settings do not guarantee real-time behavior. If the

model runs slower than real time, a pseudo real-time latency violation error occurs.

You can control how Simulink responds to a pseudo real-time latency violation using

the settings in the Error control pane. You can also output the model latency using

the Show pseudo real-time latency port setting.

Show pseudo real-time latency port

When checked, the pseudo real-time latency (in seconds) is output from the block.

Pseudo real-time latency is the time spent waiting for the system clock during each

step. If this value is negative, the simulation runs slower than real time, and the

behavior defined in the Pseudo real-time violation setting determines the action that

Simulink takes.

OPC READ

Read data from OPC server



The OPC Read block reads data from one or more items on an OPC server. The

read operation takes place synchronously (from the cache or from the device) or

asynchronously (from the device).

The block outputs the values (V) of the requested items in the first output, and

optionally outputs the quality IDs (Q) and the time stamps (T) associated with each

data value in additional outputs. The time stamp may be output as a serial date

number (real-world time), or as the number of seconds from the start of the

simulation (simulation time).

The V,Q,T triple available at the output ports is the last knowndata for each of the

items read by the block. Use the time stamp output to determine when a sample last

changed.

Note: You must have an OPC Configuration block in your model to use the OPC

Read block. You cannot open the OPC Read dialog without first including an OPC

Configuration block in the model.

Dialog Box

Import from WorkspaceAllows you to import settings for the OPC Read block from a

dagroup object in the base workspace. The client, item IDs, and sample time are

updated based on the properties of the imported group. The Value port data type is

also set if all items in the group have the same DataType property.

Client



Defines the OPC client associated with this block. You can add additional clients to

the list using Configure OPC Clients. For more information, see Use the OPC Client

Manager.

Item IDs

Shows the items to be read from the specified server. You can add items to the list

using Add Items, or delete items using Delete. You can reorder the items in the list

using Move Up or Move Down. The order of the items determines the order of their

values in the block outputs.

Read mode

Defines the read mode for this block. Available options are Asynchronous,

Synchronous (cache), or Synchronous (device). Synchronous reads have slightly

more overhead than asynchronous reads, but they are generally more reliable than

asynchronous reads.

Sample time

Defines the sample time for the block. For synchronous reads, data is read from the

server at the specified sample time. For asynchronous reads, the sample time setting

defines the update rate for data change events.

Value port data type

Defines the data type for the value output. The OPC server is responsible for

converting all data to the required type.

Note: For items with a Canonical Data Type of logical, the OPC Read block outputs

-1 for signed data types, or the maximum value for unsigned data types, when the

item value is "true". A value of 0 is output when the item value is "false".

Show quality port

When checked, the quality IDs of all the items are output in the second port as a

vector of unsigned 16-bit integers. Use the OPC Quality Parts block to separate the

quality ID into component parts.

Show timestamp port

When checked, the timestamps for each of the items are output in the last port as a

vector of doubles. You choose whether to output the timestamps as Seconds since

start (i.e., simulation time) or as Serial date numbers (i.e., real-world time).

OPC WRITE



Write data to OPC server

Description

The OPC Write block writes data to one or more items on an OPC server. The write

operation takes place synchronously or asynchronously.Each element of the input

vector is written to the corresponding item in the item ID list defined for the OPC

Write block.

Note:You must have an OPC Configuration block in your model to use the OPC

Write block. You cannot open the OPC Write dialog without first including an OPC

Configuration block in the model.

Import from Workspace

Allows you to import settings for the OPC Write block from a dagroup object in the

base workspace. The client, item IDs, and sample time are updated based on the

properties of the imported group.

Client

Defines the OPC client associated with this block. You can add clients to the list

using Configure OPC Clients.



For more information, see Use the OPC Client Manager.

ItemIDs

Shows the items to be written to the specified server. You can add items to the list

using Add Items, or delete items using Delete. You can reorder the items in the list

using Move Up or Move Down. Each element of the input port is written to the

corresponding item in the list.

Write mode

Defines the write mode for this block. Available options are Asynchronous and

Synchronous. Synchronous writes have slightly more overhead than asynchronous

writes, but they are generally more reliable than asynchronous writes.

Sample time

Defines the sample time for the block. Data is written to the server at the specified

sample time. You can specify 0 for continuous mode, or -1 to inherit the sample time

of the block connected to the input of the OPC Write block.

diseÑo de una planta virtual de un intercambiador de …

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