ES2374931B2 - SYSTEM AND MONITORING AND CONTROL PROCEDURE FOR A DISTILLATION COLUMN. - Google Patents
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Abstract
Se describe un sistema de monitorización y control de una columna de destilación que se implementa bajo un esquema de control digital centralizado, la invención comprende un conjunto de dispositivos hardware y aplicaciones que en conjunto interactúan para llevar al cabo el control deseado. La invención asimismo comprende el procedimiento de monitorización y control de una columna de destilación haciendo uso del sistema reivindicado.A monitoring and control system of a distillation column that is implemented under a centralized digital control scheme is described, the invention comprises a set of hardware devices and applications that together interact to carry out the desired control. The invention also comprises the method of monitoring and controlling a distillation column using the claimed system.
Description
Sistema y procedimiento de monitorización y control para una columna de destilación Monitoring and control system and procedure for a distillation column
La presente invención está relacionada con las técnicas empleadas en la dinámica y control de procesos, y más particularmente, está relacionada con un sistema de monitorización y control para una columna de destilación que comprende sensores, actuadores, tarjetas de adquisición de datos y una unidad de procesamiento en la cual se realiza la monitorización mediante una aplicación que muestra gráficamente el estado de la columna. En la unidad de procesamiento se determinan acciones de control para permitir operar de forma robusta y eficiente la operación de una columna de destilación. La presente invención también se refiere al procedimiento de monitorización y control mediante el sistema reivindicado. The present invention is related to the techniques employed in process dynamics and control, and more particularly, it is related to a monitoring and control system for a distillation column comprising sensors, actuators, data acquisition cards and a control unit. processing in which the monitoring is carried out by means of an application that graphically shows the state of the column. Control actions are determined in the processing unit to allow the operation of a distillation column to operate robustly and efficiently. The present invention also relates to the monitoring and control method by the claimed system.
Se sabe que la operación de una columna de destilación implica la alimentación de una mezcla con componentes a separar, tal que a través de la regulación tanto del caudal de reflujo del producto de cabeza de la columna así como del calentamiento del producto de cola se obtenga un perfil de concentración de productos deseado. It is known that the operation of a distillation column involves the feeding of a mixture with components to be separated, such that through the regulation of both the reflux flow of the column head product as well as the heating of the tail product is obtained a desired product concentration profile.
Desde un punto de vista, el propósito de la destilación es la obtención de cantidad y pureza definidas de producto tanto en cabeza como en cola de columna en tiempo mínimo, 10 cual asegura también mínimo coste. From a point of view, the purpose of distillation is to obtain defined quantity and purity of product both in the head and in the tail of the column in minimum time, which also ensures minimum cost.
No obstante, en una columna de destilación, la selección e implementación de la estrategia de control óptima que define tanto el reflujo como el calentamiento es relativamente compleja, pues en una columna de destilación se requiere el conocimiento analítico del proceso así como el de las propiedades del sistema a destilar, presentándose fuertes interacciones y acoplamientos entre los diferentes bucles de control. However, in a distillation column, the selection and implementation of the optimal control strategy that defines both reflux and heating is relatively complex, since in a distillation column the analytical knowledge of the process as well as that of the properties is required of the system to be distilled, presenting strong interactions and couplings between the different control loops.
Los esquemas de control más utilizados en columnas de destilación son aquellos basados en un control clásico ampliamente conocido como proporcional-integral-derivativo PID con parámetros ajustables en función del punto de trabajo de la columna. The most commonly used control schemes in distillation columns are those based on a classic control widely known as proportional-integral-derivative PID with adjustable parameters depending on the column's working point.
En este sentido, en el mercado, existen sistemas de control desarrollados en plataformas de programación textual (Visual e, Visual Basic, ..) pero una desventaja de ellos es que básicamente son aplicaciones software cerradas del fabricante que no son reconfigurables, esta circunstancia hace complejo y prolongado el control de una columna de destilación y más aún cuando se quiere cambiar las condiciones de operación. In this sense, in the market, there are control systems developed in textual programming platforms (Visual e, Visual Basic, ..) but a disadvantage of them is that they are basically closed software applications of the manufacturer that are not reconfigurable, this circumstance makes complex and prolonged control of a distillation column and even more when you want to change the operating conditions.
Tal como se observa, existe una necesidad por nuevos sistemas de monitorización y control fácilmente adaptables a las columnas de destilación, ya sea que se encuentren en laboratorio, planta piloto o escala industrial. As noted, there is a need for new monitoring and control systems easily adaptable to distillation columns, whether they are in a laboratory, pilot plant or industrial scale.
La presente invención introduce un sistema de monitorización y control de una columna de destilación que se implementa bajo un esquema de control digital centralizado. La invención comprende un conjunto de dispositivos hardware conectados a una unidad de procesamiento donde se muestra al usuario el estado y condiciones de la columna, y se determinan acciones de control para llevar a cabo la operación de la columna en la forma deseada; así como el procedimiento de monitorización y control mediante el sistema reivindicado. The present invention introduces a monitoring and control system of a distillation column that is implemented under a centralized digital control scheme. The invention comprises a set of hardware devices connected to a processing unit where the status and conditions of the column are shown to the user, and control actions are determined to carry out the operation of the column in the desired manner; as well as the monitoring and control procedure by the claimed system.
En términos generales, el sistema de la presente invención comprende por lo menos un sensor asociado a una variable de control en la columna de destilación, el sensor genera una señal para la variable de control. Cada sensor se encuentra asociado a una tarjeta de adquisición de datos. La señal se procesa en una unidad de procesamiento en comunicación con cada tarjeta de adquisición de datos, en la unidad de procesamiento la señal se transforma en un valor y se muestra en una forma gráfica. La unidad de procesamiento cuenta con una pantalla, en la cual se despliega un esquema de la columna con aquellas variables que están siendo monitorizadas. La unidad de procesamiento cuenta con aplicaciones para realizar este procesamiento de datos y mostrarlos de forma gráfica, como por ejemplo, incluye la aplicación LABVIEW TM. In general terms, the system of the present invention comprises at least one sensor associated with a control variable in the distillation column, the sensor generates a signal for the control variable. Each sensor is associated with a data acquisition card. The signal is processed in a processing unit in communication with each data acquisition card, in the processing unit the signal is transformed into a value and displayed in a graphic form. The processing unit has a screen, in which a column scheme is displayed with those variables that are being monitored. The processing unit has applications to perform this data processing and display them graphically, such as the LABVIEW TM application.
La unidad de procesamiento determina por lo menos una acción de control con base a un modelo de la columna y del sistema de componentes que se esté destilando, así como algoritmos de control neuronal y genéticos para generar por lo menos una salida de control. Para determinar la acción de control, la unidad de procesamiento cuenta con aplicaciones como por ejemplo la aplicación MATLAB TM. The processing unit determines at least one control action based on a column and component system model that is being distilled, as well as neuronal and genetic control algorithms to generate at least one control output. To determine the control action, the processing unit has applications such as the MATLAB TM application.
El sistema también cuenta con por lo menos una tarjeta de salida que recibe la señal de control de la unidad de procesamiento y actúa sobre una variable manipulable para alcanzar especificaciones de control deseadas en la columna. Las variables manipulables también son mostradas en la pantalla de la unidad de procesamiento. The system also has at least one output card that receives the control signal from the processing unit and acts on a manipulable variable to achieve desired control specifications in the column. Manipulable variables are also displayed on the screen of the processing unit.
Como se ha mencionado, en el sistema la monitorización se realiza con comunicación con los sensores y actuadores de la columna a través de tarjetas de adquisición utilizando aplicaciones presentes en la unidad de procesamiento que muestren el estado de la columna en forma gráfica. La unidad de procesamiento también cuenta con una aplicación para diseñar, modificar y especificar los algoritmos de control. As mentioned, in the system the monitoring is carried out with communication with the sensors and actuators of the column through acquisition cards using applications present in the processing unit that show the state of the column in graphic form. The processing unit also has an application to design, modify and specify control algorithms.
Más particularmente, el control se realiza mediante el uso de técnicas de control avanzado, basado en redes neuronales y algoritmos genéticos supliendo las deficiencias de los algoritmos de control estándar PID comúnmente utilizados. More particularly, the control is carried out through the use of advanced control techniques, based on neural networks and genetic algorithms, supplying the deficiencies of the commonly used standard PID control algorithms.
Cuando las especificaciones de control (como por ejemplo pureza de productos de destilación, consumo energético, etc.) son cambiantes en la columna, el sistema de la presente invención logra el ajuste automático de los parámetros de los esquemas de control neuronal y genético a partir de medidas en línea de las variables de control de la columna de destilación. When the control specifications (such as purity of distillation products, energy consumption, etc.) are changing in the column, the system of the present invention achieves automatic adjustment of the parameters of the neuronal and genetic control schemes from of online measurements of the distillation column control variables.
Asimismo, el sistema de monitorización y control de la presente invención permite el desarrollo de algoritmos de control avanzado a través de aplicaciones reconfigurables como lo es la aplicación (MA TLAB TM) Y permite la comunicación con actuadores y sensores de la columna a través de un interfaz gráfico de panel sencillo que es reconfigurable. Likewise, the monitoring and control system of the present invention allows the development of advanced control algorithms through reconfigurable applications such as the application (MA TLAB TM) and allows communication with actuators and sensors of the column through a Simple panel graphic interface that is reconfigurable.
Además, el sistema de la presente invención permite abordar directamente el problema de control multivariables tal como se presenta en una columna de destilación, tanto en régimen continuo como en tanda. In addition, the system of the present invention allows the problem of multivariable control to be directly addressed as presented in a distillation column, both in continuous and in batch mode.
Tal como se ha mencionado, en la presente invención, se utilizan preferiblemente algoritmos de control neurogenéticos que garantizan el cumplimiento de especificaciones de control caracterizadas por un comportamiento no lineal de la columna de destilación y variaciones en sus parámetros en función de las condiciones de operación, y además prescinden del uso de modelos físicos de comportamiento, siendo tan solo necesario un conjunto de medidas de entrada y de salida (E/S) obtenidas a través de los sensores para el ajuste en línea del sistema de control. As mentioned, in the present invention, neurogenetic control algorithms are preferably used that guarantee compliance with control specifications characterized by a non-linear behavior of the distillation column and variations in its parameters depending on the operating conditions, and also dispense with the use of physical models of behavior, being only necessary a set of input and output (I / O) measurements obtained through the sensors for the online adjustment of the control system.
En una realización de la presente invención, el sistema permite además el diseño y aplicación de las técnicas de control avanzado sobre un modelo de simulación de un columna de destilación desarrollado en el entorno MATLAB TM -SIMULINK TM, que igualmente interacciona con el interfaz gráfico, lo cual posibilita la simulación de la operación de control sobre la columna de destilación ya sea en condiciones reales o de entrenamiento. In one embodiment of the present invention, the system also allows the design and application of advanced control techniques on a simulation model of a distillation column developed in the MATLAB TM-SIMULINK TM environment, which also interacts with the graphic interface, which allows the simulation of the control operation on the distillation column in either real or training conditions.
Además de lo anterior, es necesario reiterar que el sistema de monitorización y control de la presente invención, es susceptible de ser aplicado a columnas de destilación en plantas piloto previa reconfiguración del panel de instrumentos virtuales que se despliegan en la pantalla de la In addition to the above, it is necessary to reiterate that the monitoring and control system of the present invention is capable of being applied to distillation columns in pilot plants prior to reconfiguration of the virtual instrument panel that is displayed on the screen of the
unidad de procesamiento e inclusión de controladores "drivers" específicos para las tarjetas de adquisición de datos a utilizar. processing unit and inclusion of specific drivers for the data acquisition cards to be used.
El sistema de monitorización y control de la presente invención es aplicable a columnas de destilación utilizadas en la industria química, industria alimentaria e industria farmacéutica donde se ven involucrados procesos de destilación, ya que represente una mejora de eficiencia en el control del sistema, en cuanto a: The monitoring and control system of the present invention is applicable to distillation columns used in the chemical industry, food industry and pharmaceutical industry where distillation processes are involved, since it represents an improvement of efficiency in the control of the system, as to:
- • •
- Incremento notable en la capacidad de separación. Remarkable increase in separation capacity.
- • •
- Considerable reducción en las pérdidas de producto resultado del aumento en la pureza de los productos de cola. Considerable reduction in product losses resulting from the increase in the purity of glue products.
- • •
- Disminución del coste de operación evitándose el uso de columnas adicionales para obtener los niveles de pureza deseados en los productos de cabeza. Reduction of the cost of operation avoiding the use of additional columns to obtain the desired levels of purity in the head products.
Finalmente, el sistema de la presente invención tiene una naturaleza didáctica que permite el entrenamiento de operadores de planta, tanto a nivel de manejo de columna piloto como a nivel de manejo del simulador de columna bajo el entorno MATLAB TM -SIMULINK Finally, the system of the present invention has a didactic nature that allows the training of plant operators, both at the level of pilot column management and at the level of management of the column simulator under the MATLAB TM-SIMULINK environment
TM· TM
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de esta descripción, un juego de dibujos, en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization thereof, a set of drawings is attached as an integral part of this description, where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
La figura 1 es un diagrama esquemático que muestra los componentes del sistema de monitorización y control para una columna de destilación de la presente invención. La figura 2 es un diagrama de flujo de ejecución en ciclo de operación del panel de la unidad de procesamiento. La figura 3 es una imagen que muestra el inicio de la ejecución del panel frontal de la unidad de procesamiento en una realización preferida de la presente invención. La figura 4 muestra un diagrama de las tareas asociados a lectura de botonera del panel frontal en la realización preferida de la presente invención. Figure 1 is a schematic diagram showing the components of the monitoring and control system for a distillation column of the present invention. Figure 2 is an execution flow diagram in operation cycle of the processing unit panel. Figure 3 is an image showing the start of the execution of the front panel of the processing unit in a preferred embodiment of the present invention. Figure 4 shows a diagram of the tasks associated with front panel keypad reading in the preferred embodiment of the present invention.
La figura 5 muestra vistas alternativas del panel frontal en la unidad de procesamiento utilizada en la realización preferida de la presente invención: (A) Opción "General input", (B) opción "Temperatures", (C) opción "Control inputs". Figure 5 shows alternative views of the front panel in the processing unit used in the preferred embodiment of the present invention: (A) "General input" option, (B) "Temperatures" option, (C) "Control inputs" option.
Las figuras 6a y 6b muestran bloques para la escritura de instrucciones del panel utilizado para controlar la columna de destilación. Figures 6a and 6b show blocks for writing instructions of the panel used to control the distillation column.
La figura 7 muestra un ejemplo del script de control neuronal. Figure 7 shows an example of the neural control script.
La figura 8 muestra un diagrama que se despliega en la unidad de procesamiento de una columna de destilación a escala laboratorio que fue controlada mediante el sistema de la presente invención. Figure 8 shows a diagram that is displayed in the processing unit of a laboratory scale distillation column that was controlled by the system of the present invention.
En la figura 1 se observa una representación gráfica del sistema de monitorización y control 1 de la presente invención para una columna de destilación 2 que incluye una pluralidad de sensores, cada uno estando asociado a una variable de control (por ejemplo temperatura, caudal, composición de alguna corriente dentro de la columna) y por lo menos un actuador de una variable manipulable (por ejemplo la temperatura del calderín, el flujo de agua de enfriamiento del condensador, etc.). La realización que se describe debe ser considerada como ilustrativa de la presente invención más no limitativa. Figure 1 shows a graphic representation of the monitoring and control system 1 of the present invention for a distillation column 2 that includes a plurality of sensors, each one being associated with a control variable (for example temperature, flow rate, composition of some current within the column) and at least one actuator of a manipulable variable (for example the boiler temperature, the condenser cooling water flow, etc.). The described embodiment should be considered as illustrative of the present invention but not limiting.
El sistema comprende una unidad de procesamiento 3, tal como una PC, un ordenador portátil, etc., en comunicación con cada sensor y cada actuador mediante medios adecuados tales tarjetas PCI u puertos USB 6. The system comprises a processing unit 3, such as a PC, a laptop, etc., in communication with each sensor and each actuator by suitable means such PCI cards or USB ports 6.
La unidad de procesamiento 3 realiza la monitorización de la columna de destilación, es decir, el estado de la columna y lo despliega hacia una forma gráfica en la pantalla 4 de la unidad de procesamiento, para ello la unidad de procesamiento cuenta con una aplicación de interfaz gráfico LABVIEW TM de National Instruments que permite la visualización en línea de las variables de control así como la modificación de variables manipulables. The processing unit 3 performs the monitoring of the distillation column, that is, the state of the column and displays it in a graphic form on the screen 4 of the processing unit, for this purpose the processing unit has an application of National Instruments LABVIEW TM graphic interface that allows the online visualization of control variables as well as the modification of manipulable variables.
La unidad de procesamiento 3, en base a las variables que son medidas, determina acciones de control, para ello la unidad de procesamiento cuenta con la aplicación de desarrollo MATLAB TM 5 de control neurogenético; de forma concreta existe comunicación entre las aplicaciones antes mencionadas, todo a través del uso de paneles de instrumentación virtual. The processing unit 3, based on the variables that are measured, determines control actions, for this the processing unit has the development application MATLAB TM 5 of neurogenetic control; specifically there is communication between the aforementioned applications, all through the use of virtual instrumentation panels.
En la presente descripción, el término control neurogenético se refiere a la aplicación combinada de técnicas de redes neuronales artificiales y algoritmos genéticos en tareas de control de un sistema. La labor de las primeras será la identificación de la dinámica del sistema a In the present description, the term neurogenetic control refers to the combined application of artificial neural network techniques and genetic algorithms in control tasks of a system. The work of the former will be the identification of the dynamics of the system to
controlar, mientras que la tarea de las segundas será el cálculo de la entrada de control al mismo que optimice un criterio de desempeño dado. control, while the second task will be the calculation of the control input that optimizes a given performance criterion.
De esta manera, la unidad de procesamiento 3 realiza la adquisición, análisis y presentación de datos de operación y el control de manera interactiva y flexible, ya que es posible reconfigurar la operación de la columna bajo un amplio conjunto de regímenes de operación de la columna de destilación (arranque, en tanda, continuo, etc.). Por ejemplo, permite la reconfiguración por parte del usuario tanto del sistema de monitorización para incluir nuevas medidas de sensores y/o actuadores y modificar el panel frontal de visualización de la interfaz gráfica, así como permite mediante una interfaz gráfica modificar o rediseñar el algoritmo de control a utilizar. In this way, the processing unit 3 performs the acquisition, analysis and presentation of operation data and the control in an interactive and flexible manner, since it is possible to reconfigure the operation of the column under a wide set of operating regimes of the column distillation (start, batch, continuous, etc.). For example, it allows reconfiguration by the user of both the monitoring system to include new sensor and / or actuator measurements and to modify the front display panel of the graphic interface, as well as by means of a graphic interface to modify or redesign the algorithm of control to use.
Como se observa, en la presente invención se emplean aplicaciones conocidas y modificables que contrasta con las soluciones del arte previo, que se caracterizan en su mayoría por no ser reconfigurable que además no contemplan el uso de algoritmos de control distintos al clásico control PID. As it is observed, in the present invention known and modifiable applications are used that contrast with the prior art solutions, which are characterized in their majority for not being reconfigurable, which also do not contemplate the use of control algorithms other than the classic PID control.
El sistema desarrollado permite la manipulación manual o automática de la columna de destilación, y además permite la variación de los parámetros de sintonización del controlador neurogenético y de los distintos parámetros para el controlador clásico PID, teniendo las siguientes cualidades: The developed system allows the manual or automatic manipulation of the distillation column, and also allows the variation of the tuning parameters of the neurogenetic controller and the different parameters for the classic PID controller, having the following qualities:
- • •
- Interfaz amigable, a través de las herramientas de entorno gráfico. Friendly interface, through graphic environment tools.
- • •
- Manejo de procesos con dinámicas temporales distintas. Process management with different temporal dynamics.
- • •
- Entorno de programación LABVIEW TM dotado de librerías para desarrollo de algoritmos de control clásico PID. LABVIEW TM programming environment equipped with libraries for the development of classic PID control algorithms.
- • •
- Comunicación con entorno de programación dotado de librerías de desarrollo de algoritmos de control avanzado neuronal y neurogenético, dicho entorno siendo preferiblemente la aplicación MATLAB TM. Communication with programming environment equipped with libraries for the development of advanced neuronal and neurogenetic control algorithms, said environment being preferably the MATLAB TM application.
- • •
- Comunicación con entorno de programación dotado de herramientas para modelado orientado a bloques de sistemas con dinámica no lineal como por ejemplo SIMULINK TM 7 (figura 1). Communication with programming environment equipped with tools for block-oriented modeling of systems with non-linear dynamics such as SIMULINK TM 7 (Figure 1).
- • •
- Comunicación sencilla y eficaz con las tarjetas de adquisición de datos. Simple and efficient communication with data acquisition cards.
- • •
- Flexibilidad de desarrollo, para reconfiguración del sistema de control. Development flexibility, for reconfiguration of the control system.
- • •
- Generación de datos de estado de proceso en forma gráfica y numérica Generation of process status data in graphical and numerical form
- • •
- Comunicación con entornos de escritura de texto para creación de archivos históricos Communication with text writing environments for creating historical files
. .
de datos en formato TXT o XLS mediante el generador de reportes 8. of data in TXT or XLS format using report generator 8.
Para ello, el sistema de interfaz de monitorización y control emplea un conjunto de librerías, a saber: For this, the monitoring and control interface system uses a set of libraries, namely:
- • •
- Librerías de redes neuronales tales como aquellas de la aplicación (MA TLAB TM). Neural network libraries such as those of the application (MA TLAB TM).
- • •
- Librerías de bloques funcionales dinámicos tales como aquellas de la aplicación (SIMULINK TM). Dynamic functional block libraries such as those of the application (SIMULINK TM).
- • •
- Librerías de control PID tales como aquellas de la aplicación (LABVIEW TM) PID control libraries such as those in the application (LABVIEW TM)
- • •
- Librerías MAX para comunicación con tarjetas de adquisición de datos tales como aquellas de la aplicación (LABVIEW TM). MAX libraries for communication with data acquisition cards such as those in the application (LABVIEW TM).
- • •
- Librerías de almacenamiento de datos tales como aquellas de la aplicación (LABVIEW TM). Data storage libraries such as those in the application (LABVIEW TM).
- • •
- Uso de MathScripts para comunicación tales como aquellas de la aplicación de LABVIEW TM con el entorno MA TLAB TM. Use of MathScripts for communication such as those of the LABVIEW TM application with the MA TLAB TM environment.
El esquema del proceso desarrollado en cada ciclo de operación de la columna mediante el sistema de monitorización y control se puede describir en las siguientes etapas (figura 2): The scheme of the process developed in each column operating cycle through the monitoring and control system can be described in the following stages (Figure 2):
- 1. one.
- Inicialización de Sistema System Initialization
- 2. 2.
- Lectura de botonera desde el panel frontal para determinar referencias a seguir o parámetros para su cálculo (si se desea el control mediante modelo de comportamiento), tipo de control que se desea realizar, etc. Reading of the keypad from the front panel to determine references to follow or parameters for its calculation (if the control is desired through a behavioral model), type of control to be performed, etc.
- 3. 3.
- Realización en paralelo de comunicación con las tarjetas de adquisición para conocer estado físico del sistema y adquisición o cálculo de referencia a seguir. Parallel realization of communication with the acquisition cards to know the physical state of the system and acquisition or reference calculation to follow.
- 4. Four.
- Cálculo de acción de control, según estrategia determinada en paso anterior. Calculation of control action, according to strategy determined in previous step.
- 5. 5.
- Escritura de acciones de control tanto en tarjetas de salida como en ficheros de texto. Writing control actions on both output cards and text files.
En una realización específica, si las acciones de control vienen determinadas desde las aplicaciones de control tales como MA TLAB TM o SIMULINK TM (control avanzado), el cálculo de la acción de control consta de tres pasos, a saber: In a specific embodiment, if the control actions are determined from the control applications such as MA TLAB TM or SIMULINK TM (advanced control), the calculation of the control action consists of three steps, namely:
- 1. one.
- Comunicación entorno del sistema de monitorización (por ejemplo LABVIEW TM) con la aplicación de control (por ejemplo MATLAB TM), suministrando referencia a seguir, estado y estados anteriores. Communication environment of the monitoring system (for example LABVIEW TM) with the control application (for example MATLAB TM), providing reference to follow, status and previous states.
- 2. 2.
- Cálculo en entorno de acción de control en función del paradigma deseado (neuronal, neurogenético). Calculation in control action environment depending on the desired paradigm (neuronal, neurogenetic).
- 3. 3.
- Comunicación de acción de control a entorno de monitorización y continuación con bucle anterior. Communication of control action to monitoring environment and continuation with previous loop.
Particularmente, la inicialización del sistema comienza solicitando el fichero en el que se Particularly, the initialization of the system begins by requesting the file in which it
guardarán los resultados para el posterior análisis (figura 3). they will save the results for later analysis (figure 3).
El tipo de archivo en el que se pueden almacenar los datos puede ser un fichero de texto, una hoja de cálculo o un fichero propio de la aplicación de monitorización. A continuación se lee la situación de la botonera para determinar el control que se quiere realizar y se inician las tarjetas de adquisición de datos para la comunicación con la columna de destilación piloto. The type of file in which the data can be stored can be a text file, a spreadsheet or a file specific to the monitoring application. Next, the status of the keypad is read to determine the control to be performed and the data acquisition cards for communication with the pilot distillation column are initiated.
Por su parte, el proceso de lectura de la botonera (figura 4) presenta diversas opciones: For its part, the process of reading the keypad (figure 4) presents several options:
- • •
- Tipo de control: Control en bucle abierto, Control PID o Control neuronal, ya sea por propagación hacia atrás o control neurogenético. Type of control: Open loop control, PID Control or Neural Control, either by backward propagation or neurogenetic control.
- • •
- Parámetros de control: Cada tipo de control tiene una serie propia de parámetros para el cálculo de la acción de control. Concretamente a la estrategia PID se le debe suministrar las tres constantes PID y a las estrategias neuronales se les debe proveer del modelo de referencia de segundo orden a seguir (tiempo de establecimiento y sobreoscilación) junto con la frecuencia de actualización de reentrenamiento de la red neuronal. Control parameters: Each type of control has its own set of parameters for the calculation of the control action. Specifically, the three PID constants must be supplied with the three PID constants and the neuronal strategies must be provided with the second order reference model to be followed (time of establishment and over-oscillation) together with the update frequency of retraining the neural network.
- • •
- Referencias de seguimiento de sistema de control. Tracking control system references.
En la realización preferida, la monitorización puede desplegarse de distintas maneras In the preferred embodiment, monitoring can be deployed in different ways.
(figura 5). A nivel gráfico el frontal posee diversas vistas posibles, una primera vista muestra el (figure 5). On a graphic level the front has several possible views, a first view shows the
frontal principal con el esquema de la columna real con los distintos elementos y así como main front with the real column scheme with the different elements and as well as
información numérica de la evolución de las distintas variables del sistema. Una segunda vista Numerical information on the evolution of the different system variables. A second sight
52 provee información de forma gráfica de la evolución de las distintas temperaturas del sistema. 52 provides information graphically on the evolution of the different temperatures of the system.
Una tercera vista permite graficar la evolución de las distintas acciones de control y, por último, A third view allows you to graph the evolution of the different control actions and, finally,
la vista final muestra la evolución de las distintas variables controladas frente a las referencias. The final view shows the evolution of the different controlled variables against the references.
En relación al control de alimentación, para operar el sistema en condiciones simulares a In relation to the power control, to operate the system under conditions similar to
las propias de un sistema industrial, las condiciones de temperatura y flujo de alimentación no those of an industrial system, the conditions of temperature and feed flow not
serán controladas, serán consideradas perturbaciones. they will be controlled, they will be considered disturbances.
Finalmente, se almacenan los valores de temperatura de productos de cabeza y cola en diferentes experiencias para el posterior análisis de la misma en composición por cromatografía. Finally, the temperature values of head and tail products are stored in different experiences for subsequent analysis of the same in composition by chromatography.
El conocimiento del estado físico de la columna se realiza a través de la recogida de datos correspondientes de temperatura en platos, presión, flujo y demás variables significativas en la columna. Para ello se emplean a nivel hardware las tarjetas de adquisición mencionadas con anterioridad, las cuáles son controladas por la unidad de procesamiento mediante aplicaciones tales como la MAX NI-DAQ de adquisición de datos presente en la aplicación de monitorización. The knowledge of the physical state of the column is made through the collection of corresponding data on plate temperature, pressure, flow and other significant variables in the column. For this purpose, the aforementioned acquisition cards are used at the hardware level, which are controlled by the processing unit through applications such as the MAX NI-DAQ data acquisition present in the monitoring application.
El cálculo de las acciones de control depende del estado de la columna y de la estrategia de control y parámetros asociados seleccionada. En caso que se pretenda seguir una estrategia clásica PID, el cálculo de las acciones de control se realiza en el entorno de programación LABVIEW TM a través de la aplicación "PID_Advanced.vi" de LABVIEW TM (figura 6a), haciendo uso de las funciones propias de control de librería. Por otro lado si la estrategia de control a seguir es neuronal o neurogenética, se realiza una comunicación con el entorno MATLAB TM por las ventajas que ofrece con dichas estrategias tal y como se ha comentado con anterioridad. Esta comunicación se realiza mediante el uso de la aplicación "MA TLAB TM Script Node" (figura 6b) tal efecto disponible en LABVIEW TM. En dicho script se podrán hacer llamadas a funciones desarrolladas en el entorno MA TLAB TM o librerías de índole neuronal (figura 7). The calculation of the control actions depends on the state of the column and the control strategy and associated parameters selected. In the case of a classic PID strategy, the calculation of control actions is carried out in the LABVIEW TM programming environment through the application "PID_Advanced.vi" of LABVIEW TM (figure 6a), using the functions Own library control. On the other hand, if the control strategy to follow is neuronal or neurogenetic, communication is made with the MATLAB TM environment because of the advantages it offers with these strategies, as previously mentioned. This communication is made through the use of the application "MA TLAB TM Script Node" (figure 6b) such effect available in LABVIEW TM. In this script, calls can be made to functions developed in the MA TLAB TM environment or neuronal libraries (figure 7).
En este particular dado que se comunican dos entornos distintos uno de monitoreo y otro de control, el sistema asegura que los tiempos de ejecución de cada uno de los mismos sea compatible con la aplicación final en la columna. Es decir que el sistema adquiere datos, los filtra calcula las acciones de control y las traduce en un tiempo de muestreo dado compatible con la aplicación que se está realizando. In this particular given that two different environments are communicated, one of monitoring and the other of control, the system ensures that the execution times of each of them are compatible with the final application in the column. In other words, the system acquires data, filters it, calculates the control actions and translates them into a given sampling time compatible with the application being performed.
El proceso de escritura conlleva la transferencia de señales, tanto de las acciones de control en las tarjetas de salida, como de los valores de cada una de las variables que se desean conservar en los ficheros de escritura, ya sean estados de la planta, variables controladas o acciones de control. Para la comunicación con los actuadores físicos se realizara una escritura, ya sea en tensión o en corriente según la naturaleza de la señal a escribir, en las tarjetas de salida. Esta actividad se realizara haciendo uso de las librerías ya usadas para la obtención del estado de las tarjetas de entrada, indicando para cada señal la dirección en función del dispositivo al que va dirigido. The writing process involves the transfer of signals, both from the control actions on the output cards, as well as from the values of each of the variables that you want to keep in the writing files, whether they are plant states, variables controlled or control actions. For the communication with the physical actuators a writing will be made, either in voltage or in current depending on the nature of the signal to be written, on the output cards. This activity will be done using the libraries already used to obtain the status of the input cards, indicating for each signal the address depending on the device to which it is addressed.
Ejemplo Example
El sistema de la presente invención, se aplicó en una columna de destilación de laboratorio para el sistema agua-alcohol. En la figura 8, se muestra la representación gráfica de esta columna 20 en la pantalla 4 de la unidad de procesamiento. The system of the present invention was applied in a laboratory distillation column for the water-alcohol system. In figure 8, the graphic representation of this column 20 is shown on screen 4 of the processing unit.
La columna de destilación 20 utilizada comprende nueve platos 11 -19, un condensador 21 y un calderín 22. Los sensores de proceso en la columna fueron: The distillation column 20 comprises nine plates 11-19, a condenser 21 and a boiler 22. The process sensors in the column were:
- • •
- 12 sensores de temperatura 31-42 de tipo Pt-1 00, 12 temperature sensors 31-42 of type Pt-1 00,
- • •
- 3 caudalímetros 51-53, 3 flow meters 51-53,
- • •
- 2 sensores de nivel 61 y 62, Y 2 level sensors 61 and 62, Y
- • •
- 1 sensor de caída de presión 71. 1 pressure drop sensor 71.
Los actuadores de proceso son 3 válvulas 81-83 de apertura proporcional y una resistencia eléctrica 91 para calentamiento del calderín 22, esto representa 4 lazos de control en la operación de la columna 20. The process actuators are 3 valves 81-83 of proportional opening and an electrical resistance 91 for heating the boiler 22, this represents 4 control loops in the operation of column 20.
Por otro lado, se realizó el control sobre la temperatura de alimentación y la apertura de la válvula de fluido refrigerante en el condensador, ambas variables se consideran como perturbaciones del sistema. On the other hand, the control over the supply temperature and the opening of the refrigerant fluid valve in the condenser was performed, both variables are considered as system disturbances.
El condensador 21 fue el encargado de refrigerar el vapor ascendente de producto destilado y como fluido refrigerante se utilizó agua de red. El caudal de agua refrigerante se controló a través de una válvula proporcional. The condenser 21 was responsible for cooling the rising steam of distilled product and as a cooling fluid, network water was used. The flow of cooling water was controlled through a proportional valve.
Con respecto al sistema de refrigeración se tienen los sensores de temperatura 31 y 32 de tipo Pt-100 que miden la temperatura a la entrada del condensador 21 y la salida, respectivamente. With respect to the cooling system there are temperature sensors 31 and 32 of type Pt-100 that measure the temperature at the condenser inlet 21 and the outlet, respectively.
Una vez condensado el producto de cabeza, el producto líquido se almacena en un depósito 23 encargado para acumulación de forma intermedia. A este depósito 23 están asociados el sensor de temperatura 34 el y un sensor de nivel 61 acumulado de presión diferencial, con bomba de recirculación de reflujo 24. Once the head product has been condensed, the liquid product is stored in a tank 23 charged for intermediate accumulation. To this tank 23 are associated the temperature sensor 34 el and an accumulated level sensor 61 of differential pressure, with reflux recirculation pump 24.
La relación entre el reflujo y la extracción como producto de cabeza destilado viene marcada por las válvulas proporcionales 81 y 82 para el reflujo y el producto, respectivamente. Dichos flujos son medible s de forma correspondiente por los caudalímetros con display 51 y 52. The relationship between reflux and extraction as a distilled head product is marked by proportional valves 81 and 82 for reflux and the product, respectively. These flows are measurable s correspondingly by the flow meters with display 51 and 52.
Tal como se mencionó, el cuerpo de la columna 20 está formado por los platos 11 -19. Los platos 14 y 16 están conectados a la alimentación 25, siendo seleccionado el plato en el cual As mentioned, the body of column 20 is formed by plates 11-19. The plates 14 and 16 are connected to the power 25, the plate in which
se produce la misma a través de dos válvulas manuales. Asociados a los platos de la columna se encuentran los sensores de temperatura de tipo Pt-100 33, 35, 38 Y 39. En el calderín 22 se proporciona el flujo de calor necesario para el funcionamiento de la columna a través de la actuación sobre la resistencia eléctrica 91. 5 En el calderín 22 se encuentra, aparte del actuador, el sensor de temperatura 40 de tipo Pt-100, el sensor de nivel 62 y el sensor que marca la caída de presión a lo largo de la columna It is produced through two manual valves. Associated with the plates of the column are the temperature sensors of type Pt-100 33, 35, 38 and 39. In the boiler 22 the heat flow necessary for the operation of the column is provided through the action on the electrical resistance 91. 5 In the boiler 22 there is, apart from the actuator, the temperature sensor 40 of type Pt-100, the level sensor 62 and the sensor that marks the pressure drop along the column
71. El sensor de nivel 62 controla el caudal de salida de producto de cola 26. Asociados a este caudal están los sensores de temperatura de residuo 41 y 42 antes y después del enfriamiento y el sensor de flujo (caudalímetro) 53 correspondiente. 71. Level sensor 62 controls the output flow of glue product 26. Associated with this flow are the waste temperature sensors 41 and 42 before and after cooling and the corresponding flow sensor (flowmeter) 53.
10 Dado que en el ejemplo la estrategia seguida es la de un control basado en pe, las comunicaciones con el sistema de sensores y actuadores se realizaron a través de tarjetas. Obviamente, las características de la instrumentación marcan las especificaciones de las mismas tanto en tipo de entrada o salida, según sea el caso, como en velocidad de respuesta, niveles, etc. 10 Since in the example the strategy followed is that of a pe-based control, communications with the sensor and actuator system were carried out through cards. Obviously, the characteristics of the instrumentation mark their specifications both in type of input or output, as the case may be, as in response speed, levels, etc.
15 Las características de los sensores y actuadores ya mencionados se pueden observar en las tablas 1 y 2, respectivamente. 15 The characteristics of the aforementioned sensors and actuators can be seen in Tables 1 and 2, respectively.
Tabla 1 Table 1
- S"lhun:,-; S "lhun:, -;
- Propi,·dad nangu .1.. m,·dídn Met;nitud di'cid"" Ni\"e k.., Propi, dad nangu .1 .. m, dídn Met; n'tyid '" Ni \ "e k ..,
- 1'1-'1'1:: 1'1-'1'1 ::
- THUp('rlltlIra -200 (·C-.. [l!)('C H(·sis!'{·lIda 18.4'Jn-l·It•.68 n THUp ('rlltlIra -200 (· C- .. [l!) ('C H (· sis! '{· LIda 18.4'Jn-l · It • .68 n
- Fíl-Fi3 Fi-Fi3
- Flnju ()..;:, -k Intt·ll~i,.l¡¡ll -1-::0 lilA. Flnju () ..;:, -k Intt · ll ~ i, .l¡¡ll -1 - :: 0 lilA.
- r:r 1 r: r 1
- Nivd 1J--1% ¡UlII. Illten~.i,lad -1-20111:\. Nivd 1J - 1% UlII. Illten ~ .i, lad -1-20111: \.
- 1;1'2 1; 1'2
- Niv,·j 0-\),',11 mili, Jnt('n~ídad ·l-::o lilA. Niv, · j 0 - \), ', 11 mili, Jnt ('n ~ ídad · L - :: or lilA.
- PD P.S.
- Caída, It: 1)I.....~í.:,lJ U-1~, mhar. Inlüu"¡' hd ·1-20 m.A. Fall, It: 1) I ..... ~ í.:, LJ U-1 ~, mhar. Inlüu "¡'hd 1-20 m.A.
Tabla 2 Table 2
- AclllH.:lur AclllH.:lur
- Pn,pÍl·dad Tipv ,1" Hel luv'í':1Il T\lagllitud ,:l(·ctrici~ Nivd(·:-. Pn, pÍl · dad Tipv, 1 "Hel luv'í ': 1Il T \ lagllitude,: l (· ctrici ~ Nivd (·: -.
- PD() 1 PD () 1
- Ih:sistellcla elúct rica '1'o,lo-lImln V'lllaj¡' (l-,r¡ V. Ih: elliptic rich system '1'o, lo-lImln V'lllaj¡ ' (l-, r¡ V.
- 'liCl 'liCl
- H,'sist.'uria ... IC'I~trica ' !o<!II-lImln Voltaj •.: O-.~, \'. H, 'syst.'uria ... IC'I ~ trica '! or <! II-lImln Voltaj • .: O-. ~, \ '.
- TIC? TIC?
- Vúlvula PnlpOr(~¡oIl:1l Illt.~llsjdH(1 ·1-20 mA. Valve PnlpOr (~ ¡oIl: 1l Illt. ~ LlsjdH (1 1-20 mA.
- Ll!..'l Ll! .. 'l
- V,ílvl¡]¡¡ Propul'Ci•.JIlll! Iul.,·!!-;¡,lw I ·1-20 IlIA. V, ílvl¡] ¡¡ Propul'Ci • .JIlll! Iul., · !! -; ¡, lw I 1-20 IlIA.
- LIC'2 LIC'2
- V¡íJ",¡ln PrIJp,)rcion;\! 1nt,('llsi rlwl ·1-211 mA. V¡íJ ", ln PrIJp,) rcion; \! 1nt, ('llsi rlwl 1-211 mA.
- FICl FICl
- Válvl!lil Proporeion¡ü Illtellsírlar! ~1-::!n mA. Valve! Lil Proporeion¡ü Illtellsírlar! ~ 1 - ::! N mA.
Para la adquisición y envío de señales se optó por tarjetas USB y peI. De ellas, el bus 25 peI permite la configuración dinámica de los periféricos, ya que en el arranque del sistema operativo, los dispositivos conectados a los buses PCI se comunican con la BIOS de la PC y calcula los recursos necesarios por cada uno de los mismos. For the acquisition and sending of signals we opted for USB and PE cards. Of these, the 25 peI bus allows the dynamic configuration of the peripherals, since at the start of the operating system, the devices connected to the PCI buses communicate with the BIOS of the PC and calculate the necessary resources for each of them. .
Por otra parte, el bus USB representa una mejora sustancial en cuanto a tecnología "plugand-play", teniendo como objetivo principal el eliminar la necesidad de adquirir tarjetas diferentes para los puertos de los ordenadores. On the other hand, the USB bus represents a substantial improvement in terms of "plugand-play" technology, with the main objective of eliminating the need to acquire different cards for computer ports.
Además, lo anterior representa un rendimiento óptimo para el conjunto de dispositivos diferentes que componen el sistema de instrumentación, conectables sin necesidad de abrir el sistema. In addition, the above represents optimal performance for the set of different devices that make up the instrumentation system, connectable without opening the system.
La configuración del sistema de adquisición del sistema didáctico de monitorización y control está formada por los siguientes elementos: The configuration of the acquisition system of the didactic monitoring and control system consists of the following elements:
- 1. one.
- NI PCI-6220 (adquisición de señales analógicas en tensión) NI PCI-6220 (acquisition of analog voltage signals)
- 2. 2.
- NI PCI-6722 (adquisición de señales analógicas en tensión) NI PCI-6722 (acquisition of analog voltage signals)
- 3. 3.
- NI USB-6009 (adquisición de señales analógicas en tensión) NI USB-6009 (acquisition of analog voltage signals)
- 4. Four.
- NI USB-621 O(adquisición de señales analógicas en tensión) NI USB-621 O (acquisition of analog voltage signals)
- 5. 5.
- NI PCI-6704 (adquisición de señales analógicas en intensidad) NI PCI-6704 (acquisition of analog signals in intensity)
Las medidas obtenidas procedentes de los sensores fueron acondicionadas para trabajar en los rangos de operación estándar y se les aplicó la técnica de promediado software para eliminación de ruidos, a través de herramientas de manejo estadístico específicas de la aplicación LABVIEW TM. The measurements obtained from the sensors were conditioned to work in the standard operating ranges and the technique of averaging software for noise elimination was applied through statistical management tools specific to the LABVIEW TM application.
Las especificaciones de control en la columna fueron el seguimiento de referencias en unos tiempos y dinámica determinados no habiendo problema en alcanzarlas mediante el sistema The control specifications in the column were the follow-up of references at certain times and dynamics with no problem in reaching them through the system
monitorización y control de la presente invención. Estas referencias a seguir son de temperatura en el plato 19 que indica la temperatura de reflujo que se muestra en el subpanel 10 1, presión diferencial en columna que se muestran en el sub-panel 102, Y niveles de producto de destilado y producto de cola que se muestran en los paneles 103 Y 104, respectivamente. En el subpanel 105 se muestra la temperatura de alimentación. monitoring and control of the present invention. These references to follow are of temperature in the plate 19 indicating the reflux temperature shown in subpanel 10 1, differential column pressure shown in sub-panel 102, and levels of distillate product and glue product shown in panels 103 and 104, respectively. In subpanel 105 the feed temperature is shown.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. In view of this description and set of figures, the person skilled in the art will be able to understand that the embodiments of the invention that have been described can be combined in multiple ways within the scope of the invention.
Claims (4)
- a. to.
- Inicialización de Sistema; System Initialization;
- b. b.
- Lectura de botonera desde el panel frontal para determinar referencias a seguir o parámetros para su cálculo, tipo de control que se desea realizar, etc.; Keypad reading from the front panel to determine references to follow or parameters for its calculation, type of control to be performed, etc .;
- c. C.
- Realización en paralelo de comunicación con las tarjetas de adquisición para conocer estado físico del sistema y adquisición o cálculo de referencia a seguir; Realization in parallel of communication with the acquisition cards to know the physical state of the system and acquisition or calculation of reference to follow;
- d. d.
- Cálculo de acción de control, según estrategia determinada en paso anterior, que comprende: Calculation of control action, according to the strategy determined in the previous step, which includes:
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2374931 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20121112 |