Biblioteca virtual con MATLAB para la simulación de sistemas multivariables industriales (página 2)

2.1 Propuesta de Biblioteca Virtual de Modelación y Simulación de Sistemas Dinámicos Multivariables.

La biblioteca virtual creada con modelos bases de procesos y agregados industriales, como complemento a lo anteriormente planteado, permite una rápida selección y adecuación de los flujos tecnológicos reales de procesos conocidos, para ser simulados y analizados sus comportamientos dinámicos en la plataforma MATLAB/SIMULINK, figura 1. La misma representa una herramienta poderosa para el desarrollo de laboratorios virtuales en las disciplinas de los cursos de pregrado y posgrado de las universidades, y centros tecnológicos, así como para el desarrollo de investigaciones operacionales en la industria. La biblioteca consiste en equipamientos y procesos bases comúnmente utilizados en las industrias, como los analisados por Smith y Corripio, 1997, así a partir del conocimiento de los procesos que se desee trabajar se adecuan los parámetros existentes en los bloques y se enlazan como en el proceso real, facilitando la simulación y obtención de parámetros y características en el tiempo. Así se puede verificar que en esta biblioteca cada bloque puede, además de ser estudiado, alterar sus parámetros para corresponder a un nuevo proceso con sus peculiaridades, a no ser aquellos que ya directamente corresponden a procesos donde pueden ser alterados sus valores de entrada. Cada bloque es compuesto por una o varias ecuaciones diferenciales que fueron obtenidas a partir del análisis del proceso real, por tanto de hecho corresponden a las características reales dinámicas de los procesos y equipamientos.

Figura 1. Ventana que muestra los distintos bloques de la Biblioteca Virtual de Modelación y Simulación de Sistemas Dinámicos Multivariables.

Como por ejemplo, el bloque bomba 1 contiene varios parámetros que pueden ser alterados, tales como, Coeficiente de caudal de la bomba, Tiempo del escalón, Señal inicial en la bomba, Señal final en la bomba, Constante de tiempo de la bomba. En la figura 2, se muestra un ejemplo de la interfase con el usuario que facilita el programa. Además de las facilidades que brinda para alterar parámetros, se puede observar otro punto importante en esa interfase, el icono de “Help”, al accionar este, el usuario tendrá toda la información necesaria al respecto del bloque, ese artificio no es exclusivo de los bloques de la bomba y si de todos los otros también. Así un

usuario sin experiencia podrá con el auxilio de la ayuda realizar la simulación deseada. Otro bloque es el de entrada, el mismo posee todos los parámetros que serán utilizados en el proceso, este bloque fue creado para facilitar los cambios en los parámetros de entrada del proceso y organizar mejor la ventana de simulación. En la figura 2, se muestran por ejemplo los parámetros de entrada de un proceso en el bloque de entrada.

Figura 2. Ventana que muestra la interfase con el usuario de uno de los bloques de la Biblioteca Virtual de Modelación y Simulación de Sistemas Dinámicos Multivariables.

2.2 Ejemplo de empleo de la biblioteca virtual. Caso de estudio. Programa TROCMIST-V.1.

Basado en el modelo matemático del sistema multivariable desarrollado para el sistema de mezclado y enfriamiento de una industria, se desarrolló el TROCMIST-V.1, figura 3.

Figura 3. Ventana principal del programa TROCMIST-V.1. Este programa esta realizado para la simulación dinámica de un sistema de mezclado industrial acoplado a enfriadores de líquido. El mismo es un programa base que se puede emplear para la simulación de cualquier sistema de mezclado que combina enfriamiento o calentamiento de liquido, que cumplen con las exigencias dadas para este tipo de sistema. El programa permite el ajuste de sus componentes a partir de los conocimientos del proceso seleccionado, partiendo de los datos reales de la planta de interés a simular. Esta característica de auto adaptable que el mismo posee permite en un menor tiempo conformar modelos listos para simular, lo que es una herramienta importante en aquellos centros de diseño o análisis de procesos.

3. RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES

En el caso de la figura 5, la respuesta de la temperatura de mezclado Tps para una serie de variaciones tipo escalón en el flujo de líquido de entrada Qle, muestra variaciones asimétricas de + 2,3K e de – 2,6K . Esto permite detectar la presencia de no linealidades en el sistema, no tan acentuadas como en otros procesos (Guzmán, 2001).

Figura 4. Respuesta de la densidad, el nivel y la temperatura a las variaciones en el flujo de líquido a la entrada de los enfriadores.

En la respuesta de la densidad de la mezcla de salida ? ps se tiene un desempeño parecido, con asimetrías de – 44kg / m3 e + 62kg /m3. El nivel Ht varió en rampa, incrementándose con los aumentos del flujo de líquido de entrada Qle y disminuyendo de la misma forma cuando el flujo es menor, alcanza un valor constante cuando el flujo de líquido de entrada Qle vuelve a su valor original de operación.

Vazão Qle, m3/min m(t), % Dp, kg/m3 Dp, kg/m3 Nivel Ht, m Temperatura Tp, K Dp, kg/m3 Vazão Qage, m3/min. Nivel, m. Temperatura Tp, K Nivel, m. Temperatura Tp, K. Esta respuesta del nivel Ht corresponde a la de un sistema integrador, lo que coincide con análisis similares realizados para tanques por otros autores tales como Smith e Corripio, 1997. En la figura 6, las salidas del nivel del tanque Ht y la densidad de la mezcla ? ps no tienen relación con el flujo de agua en los enfriadores Qage, debido al liquido circular por dentro de los tubos de cada uno de los enfriadores y el agua por el casco exterior de estos, saliendo de los enfriadores con una temperatura cerca de los 316K . 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 12 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1550 10 8 6

1650 1600 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 4 3 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 310 2

315 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo, min Figura 5. Respuesta de la densidad, el nivel y la temperatura a las variaciones en el flujo de líquido a la entrada de los enfriadores.

14 12 10 8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1585 1590 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 2 3 2.5 0 50 100 150 200 350 400 450 500 310 315 250 300 Tempo, min. Figura 6. Respuesta de la densidad, el nivel y la temperatura a las variaciones en el flujo de agua fría a la entrada de los enfriadores.

En la figura 7 se varia un parámetro de entrada del motor de la bomba m(t), observándose las influencias de 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 este sobre el nivel a la salida del tanque, no afectando la densidad ni la temperatura de la mezcla.

0.6 0.4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1580 1590 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 2.5 2 1.5 320 315 310 305 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo, min. Figura 7. Respuesta de la densidad, el nivel y la temperatura a las variaciones en la magnitud m(t) de la bomba del flujo de salida del tanque. Estos gráficos demuestran la valides del programa para realizar análisis dinámico de las variables de un proceso real dado. Estás prácticas serian muy útiles también para la educación a distancia a través de plataformas iterativas, tales como el MOODLE, lo cual se aplica satisfactoriamente en la Escuela Superior de Tecnología de la Universidad del Estado de Amazonas, EST-UEA, figura 8. Figura 8. Plataforma iterativa MOODLE, con el proyecto de modelación y simulación, Escuela Superior de Tecnología de la Universidad del Estado de Amazonas, EST-UEA.

4.CONCLUSIONES

En el presente trabajo se demuestra que aprovechando las facilidades de recursos que disponen programas tales como el MATLAB es posible el desarrollo de

herramientas tales como una biblioteca virtual para la modelación y simulación de sistemas industriales. Para la conformación de la misma se emplearon los modelos matemáticos expresados a partir de los balances de masa, energía y componentes del equipamiento de procesos típicos empleado en la industria moderna. El conocimiento de este tipo de herramienta posibilita en un menor tiempo, con el ahorro de recursos y energía, tener el comportamiento dinámico de una parte del proceso deseado, como lo fue el ejemplo planteado del proceso de enfriamiento de un líquido que va hacia un tanque de mezcla. La utilidad de este tipo de herramienta abarca no solo el ámbito académico si no también el empresarial. Ante el avance de los recursos informáticos, el conocimiento de los procesos es una cuestión vital para el ahorro de energía e insumos, aumentando el valor agregado y la calidad del producto final.

5.AGRADECIMIENTOS

A la dirección del ISMM, la EST-UEA, FAPEAM y CNPq, por el soporte de las actividades realizadas.

6.REFERENCIAS

Deshpande, P, B, (1989). Multivariable Process Control, Instrument Society of America, North Carolina. Guzmán, D, R, (2001). Modelación, Simulación y Control del Tanque de Contacto y los Enfriadores de Licor en el Proceso de Lixiviación Carbonato- Amoniacal, Tesis de Doctorado, CUJAE, La Habana, , pp.100. Seborg, D, E, Edgar, T, F, Mellichamp, D, A, (1989). Process Dynamics and Control, John Wiley & Sons. New York. Smith, C, A, Corripio, A, B, (1997). Principles and Practice of Automatic Process Control, John Wiley & Sons, Inc, New York. Delgado M., Pichardo C. (1999), Use of MATLAB and Simulation 20-sim to simulate a flash separator, Practice and Theory 7, pp 515-530.