Ingeniería Química · 2019
Desarrollo de un simulador de control automático de procesos en Microsoft Excel para ser utilizado en el laboratorio virtual de control y simulación de procesos
La Universidad de San Buenaventura con su formación integral de estudiantes de ingeniería química, busca que estos sean capaces de resolver problemas globales en los que se encuentra la humanidad, mediante la aplicación de tecnología, métodos, control y monitoreo de procesos industriales para reconocer y definir problemas, así como el desarrollo de soluciones. Para ello existen sistemas automáticos de control de procesos con los cuales se logra un seguimiento continuo de variables críticas y minimización de errores humanos. Lo anterior representa una oportunidad para que se reduzca la brecha entre la teoría de control automático de procesos y lo que existe a nivel industrial, es decir, que los estudiantes no se limiten solo a ecuaciones y equipos a escala piloto, que no operan de modo automático. Por ende, el objetivo de este trabajo es desarrollar una solución informática que apoye el proceso de formación integral de los estudiantes en torno al control automático de procesos. El desarrollo de este simulador de control automático de procesos, estimado como una investigación de tipo aplicada y sostenido en un diseño experimental, presenta un estudio sistemático sobre teorías control automático y de los métodos de sintonización de lazos recomendadas en el entorno de programación Visual Basic For Application (VBA) en Microsoft Excel, donde se concluye que la sintonización de controladores proporcionales (P) y proporcionales-integrales (PI) presentan mayor desempeño frente a los controladores tipo proporcional-integral-derivativo (PID), debido a que con estos el comportamiento del sistema converge al reducirse el error y tener mejor estabilidad.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 12
- 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓNp. 13
- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAp. 13
- FORMULACIÓN DEL PROBLEMAp. 14
- JUSTIFICACIÓNp. 14
- OBJETIVOSp. 15
- Objetivo Generalp. 15
- Objetivos Específicosp. 16
- 2. MARCO DE REFERENCIAp. 17
- ANTECEDENTES INVESTIGATIVOSp. 17
- MARCO TEÓRICOp. 22
- Control de procesop. 52
- Control secuencial de procesosp. 22
- Control continuo de procesosp. 23
- Definición de los elementos en un lazo de controlp. 24
- Componentes básicos de un sistema de controlp. 26
- Instrumentación y sensoresp. 27
- Parámetros del instrumentop. 27
- Razones principales para el control de procesop. 27
- Pasos en el diseño de control de procesosp. 28
- Tipos de controlp. 29
- Control en lazo abierto frente a lazo cerradop. 29
- Control predictivop. 30
- Control por retroalimentaciónp. 31
- Tipos de Controladoresp. 32
- Controlador Proporcional (P)p. 32
- Controlador Proporcional-Integral (PI)p. 35
- Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID)p. 37
- Ajuste de los Controladores por Retroalimentaciónp. 39
- Sintonización de controladores por retroalimentaciónp. 40
- Criterios de calidad de respuestap. 40
- Criterios basados en una característica puntual de respuestap. 41
- Criterios basados en toda respuestap. 41
- Métodos de sintonización de controladores PIDp. 43
- 2.2.9.3.1. Métodos basados en modelos aproximadosp. 43
- Configuraciones de algoritmos PIDp. 46
- Microsoft Excelp. 86
- Visual basic for applications (VBA) en Microsoft Excelp. 49
- Metodología Framework Linealp. 49
- MARCO LEGALp. 50
- MARCO CONCEPTUALp. 51
- 3. DISEÑO METODOLÓGICOp. 54
- TIPO DE INVESTIGACIÓNp. 55
- DISEÑO ADOPTADOp. 55
- ENFOQUE ADOPTADOp. 56
- RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓNp. 56
- Fuentes Primariasp. 56
- Fuentes Secundariasp. 57
- HIPÓTESISp. 57
- VARIABLESp. 57
- OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLESp. 57
- PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓNp. 58
- 4. RESULTADOSp. 59
- MODELAMIENTO MATEMÁTICOp. 60
- Tanque Drenado por Gravedadp. 60
- Reactor CSTR con Refrigeraciónp. 61
- Tambor de separación flashp. 63
- Simulación de tanque separador flash con Aspen Hysysp. 63
- Desarrollo del caso en estado establep. 63
- Dimensión de Equipos y Válvulasp. 64
- Configuración de Lazos de Controlp. 65
- Creación y Configuración de Gráficas de Monitoreop. 65
- Inicio de Simulación en Modo Dinámicop. 66
- Identificación estadística de datos P vs Fp. 66
- Análisis de sintonización de controladores para tambor flashp. 67
- DISEÑO DE INTERFACES DE USUARIOp. 68
- PROCESOSp. 58
- Diagrama de flujo del Tanque de Drenado por Gravedadp. 69
- Diagrama de flujo del Tambor de Separación Flashp. 71
- Diagrama de flujo del Reactor CSTR con Refrigeraciónp. 74
- CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOSp. 75
- DISCUSIÓN DE RESULTADOSp. 76
- 5. CONCLUSIÓNp. 80
- RECOMENDACIONESp. 76
- REFERENCIASp. 82
- ANEXOSp. 86
- ANEXO A. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADESp. 86
- ANEXO B. PRESUPUESTOp. 88
- PROGRAMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOSp. 89
- Anexo C.1. Interfaz gráfica del Tanque de Drenado por Gravedadp. 89
- Anexo C.2. Interfaz gráfica del Tambor de Separación Flashp. 90
- Anexo C.3. Interfaz gráfica del Reactor CSTR con Refrigeraciónp. 93
- Unitarias de la Universidad de San Buenaventurap. 13
- Figura 2. Secuencia usada para la mezcla de líquidosp. 23
- Figura 3. Sistema de control automáticop. 24
- Figura 4. Desglose de los elementos de medición y controlp. 24
- retroalimentación en un lazo de control de procesop. 25
- Figura 6. Sistema de control del intercambiador de calorp. 26
- Figura 7. Diagrama de bloques control en lazo cerradop. 29
- Figura 8. Sistema de control (Predictivo) del intercambiador de calorp. 31
- Figura 9. Respuesta del sistema de control del intercambiador de calorp. 32
- Controlador de acción directa. (b) Controlador de acción inversap. 33
- Figura 11. Circuito para el control de nivel de líquido en un tanquep. 34
- Figura 12. Respuesta del sistema de control de nivel de líquido en un tanquep. 35
- cambio escalón en el errorp. 36
- Figura 14. Circuito de control para intercambiador de calorp. 38
- Figura 15. Control de un intercambiador de calorp. 38
- Figura 16. Registro de un circuito de flujop. 39
- Figura 17.Características puntuales en criterios de calidad de respuestap. 41
- Figura 18. Comportamiento de la integral del errorp. 42
- Figura 19. Correlaciones de Ciancone para un PIDp. 45
- Figura 20. Configuraciones de algoritmos PID (a)p. 47
- Figura 21. Configuraciones de algoritmos PID (b)p. 48
- Figura 22. Método de cascado o ciclo de vida del softwarep. 50
- Figura 23. Esquema de tanque de drenado por gravedadp. 60
- Figura 28. Interfaz de usuario para Tanque de Drenado por Gravedadp. 89
- Separación Flashp. 86
- Figura 30. Interfaz Principal del Tambor de Separación Flashp. 91
- Figura 31. Gráfica de Presión (Proceso y SetPoint) del Tambor de Sep. Flashp. 91
- Figura 32. Gráficas de otras señales del Tambor de Separación Flashp. 92
- Figura 33. Informe de datos del Tambor de Separación Flashp. 92
- Figura 34. Interfaz Principal del Reactor CSTRp. 93
- Chaqueta)p. 93
- Figura 36. Informe de datos del Reactor CSTRp. 94
- Cuadro 1. Ganancia proporcional vs desviaciónp. 35
- Cuadro 3. Método de ajuste de Ziegler-Nichols de lazo abiertop. 44
- Cuadro 5. Sintonización por síntesis directap. 46
- Cuadro 6. Sintonía mediante modelo interno de controlp. 46
- Cuadro 7. Operacionalización de variablesp. 58
- Cuadro 8. Requisitos del softwarep. 59
- Cuadro 9. Análisis dimensional Tanque de Drenado por Gravedadp. 61
- Refrigeraciónp. 62
- CSTR con Refrigeraciónp. 87
- Refrigeraciónp. 63
- Cuadro 13. Análisis dimensional Tanque de Separación Flashp. 65
- Cuadro 14. Ecuaciones de las técnicas de sintonizaciónp. 68
- Cuadro 15. Resultados de evaluación gráfica de las Sintonías de controlp. 77