S.E.P. S.E.S. D.G.E.S.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y

DESARROLLO TECNOLÓGICO

“DISEÑO DE UNA ESTACIÓN DE MONITOREO DE

PROCESOS. APLICACIÓN A UNA COLUMNA DE

DESTILACIÓN.”

T E S I SP A R A O B T E N E R E L G R A D O D E :

M A E S T R O E N C I E N C I A S

EN INGENIERÍA MECATRÓNICA

P R E S E N T A :

ING. FERNANDO RIVAS CRUZ

DIRECTORES DE TESIS

DR. CARLOS M. ASTORGA ZARAGOZA

DR. RIGOBERTO LONGORIA RAMÍREZ

CUERNAVACA, MORELOS. AGOSTO de 2006

Dedicatoria

A Dios por brindarme la oportunidad de culminar una etapa más de mi vida y ser la

luz de mis d́ıas de obscuridad.

A mi padre Rogelio Rivas por que a lo largo de estos años ha sido mi gran gúıa, mi

apoyo y principalmente mi mejor amigo.

A mi madre Yolanda Cruz por cobijarme cada d́ıa de mi existencia con su amor

incondicional, su comprensión y paciencia.

A mi hermano Juan Carlos, contigo he compartido muchas alegŕıas, logros y tristezas.

Eres el mejor. Te quiero flaco.

A mi abuelita Gudelia, aunque no estés con nosotros siempre te llevaré en mi mente y

corazón, para ti “jechu”.

Para ustedes les dedico este trabajo y mis logros.

F́ıate de Jehová de todo tú corazón, y no te apoyes en tú propia prudencia. Reconócelo

en todos tus caminos y Él enderezará tus veredas.

Anónimo.

Agradecimientos

Agradezco a mis asesores el Dr. Carlos Manuel Astorga Zaragoza y el Dr. Rigoberto

Longoria Ramı́rez por guiarme en este trabajo de investigación mediante sus invaluables

consejos y observaciones, por su confianza y sobre todo por su amistad.

A los miembros del comité revisor: el Dr. Gerardo V. Guerrero Ramı́rez, la Dra.

Ma. Guadalupe López López y el Dr. Enrique Quintero-Márquez Marmol, gracias por sus

acertados comentarios y correcciones que contribuyeron a enriquecer este trabajo.

Agradezco también a todos mis profesores de CENIDET por su gran labor en la

formación de futuros investigadores.

Agradezco al grupo de destilación: al Dr. David Juárez por sus enseñanzas y comen-

tarios. A mis compañeros Francisco Ronay y en especial al “chino” Guillermo Valencia

por el apoyo y sugerencias realizadas para culminar este desarrollo.

A ti Ivette Carrero, por que has compartido conmigo muchas anécdotas y has estado

en las buenas y malas. Gracias por tu cariño, tu tiempo y dedicación.

A mi gran amigo Abraham Carreola, gracias por extender tu mano en todo momento

y ser participe de muchos logros desde hace cuatro años.

A ti Leslie Mora “chaparra” por brindarme tu amistad incondicional y tu cariño.

Agradezco cada palabra de aliento y consejo. Gracias por enseñarme la diferencia entre

un arreglo de cluster y un cluster de arreglos.

Agradezco a Fernando y Milagros (mis compadres) por abrir las puertas de su corazón,

permitiendo ser padrino de bautizo de Marifher. Dios los bendiga.

A la familia San Mart́ın y en especial a mis amigas(os) Orchid, Martha, Violet, Meury,

Gaddi, por brindarme su amistad y cariño. Gracias por permitirme disfrutar momentos

inolvidables con cada uno de ustedes y en especial el d́ıa del viaje a Cuautla (espero se les

olvide como llegaron los aguacates).

A mis amigos de generación 2003-2005, tavo, cima, beto, escobedo, juaco, don chente,

con quienes compart́ı momentos agradables de estudio y trabajo con la ilusión de algún

d́ıa ver nuestros estudios concluidos.

A mis amigos de generación 2004-2006, fer, rafa, mike, peter, angel; por brindarme

su amistad y compañerismo.

Al M.C. Luis E. Serrano por brindar su amistad y enseñarme a disfrutar del trabajo

en equipo.

Al Laboratorio de Biotecnoloǵıa Ambiental de la Universidad Autónoma del Estado

de Morelos UAEM, por el préstamo de sus instalaciones y equipo, en especial a la Dra.

Ma. del Refugio Trejo y al I.Q Daniel Morales.

Sin duda he dejado de mencionar a muchas otras personas que hicieron más placentera

mi estancia en Cuernavaca, siempre estuvieron pendientes de mi. No obstante a todos

ustedes los tengo presentes y les reitero mi más profundo agradecimiento.

Agradezco al COSNET y SEP por el apoyo económico brindado, sin el cuál no hubiera

sido posible dedicarme de tiempo completo al desarrollo de este trabajo de tesis.

Finalmente, agradezco al Centro Nacional de Investigación de Desarrollo Tecnológico

por proporcionarme los medios necesarios para mi formación académica y por las facili-

dades otorgadas durante mi estancia.

Resumen

En este trabajo se presenta el desarrollo de una estación de monitoreo para una

planta piloto de destilación. El protocolo de comunicaciones MODBUS es la solución

tecnológica de comunicación entre la computadora como unidad de control y la planta

piloto de destilación. El uso de este protocolo permite obtener un sistema de monitoreo a

bajo costo de implementación, aumentando la fiabilidad del control de la planta.

El diseño del sistema de monitoreo se presenta en un ambiente gráfico y amigable

para el operador, con la capacidad de monitorear y manipular las variables f́ısicas que

intervienen en el proceso de destilación.

La aplicación importante de este sistema es la incorporación avanzada o innovadora

de algoritmos de control. En este trabajo se presenta la implementación de un observador

de estados para estimar en ĺınea las composiciones molares en cada etapa de la columna

de destilación.

Abstract

This work presents the development of monitoring station for a distillation pilot plant.

MODBUS protocol is the technological solution of communication between the computer

(used like a control unit) and the distillation pilot plant. The MODBUS protocol allows

to have an efficient, flexible and reliable system. This technology reduces the amount of

wiring, consequently, the maintenance and source of errors are reduced too.

The monitoring system design is presented in a friendly application to the operator,

with the monitoring and manipulated capacity of the physical variables that intervene in

the distillation process.

The important application of this system is the incorporation advanced or innovative

control algorithms. In this work is presented a state observer implemented for estimate on

line the molar compositions in each stage of distillation column.

Índice general

Lista de figuras VIII

Lista de tablas IX

Notación XI

1. Introducción 1

1.1. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1. Aportación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5. Organización del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Protocolo de comunicaciones MODBUS 7

2.1. Introducción al protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.1. Transmisión sobre redes MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.2. Modos de transmisión serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.3. Campos de trama del mensaje MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.4. Métodos de comprobación de error . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.5. Datos y funciones de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1.6. Contenido del campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

i

ii ÍNDICE GENERAL

2.2. Reguladores de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.1. Información técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2. Instrumentación conectada a los reguladores de control . . . . . . . 23

2.2.3. Conexiones f́ısicas de Digitric 500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.4. Transferencia de datos de los reguladores . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.5. Registro de MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3. Diseño y desarrollo de la estación de monitoreo 39

3.1. Diagramas de bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.1. Inicializar controles e indicadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1.2. Aplicación control de botones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1.3. Lectura/escritura de las variables mediante MODBUS . . . . . . . . 43

3.1.4. Aplicación guardar datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.1.5. Aplicación ejecutar acciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4. Aplicación del SPPD a una columna de destilación 53

4.1. Sistema de la planta piloto de destilación “SPPD” . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1.1. Configuración del puerto serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.2. Control de la válvula de reflujo EV1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.1.3. Selección de Parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1.4. Gráfica de parámetros en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1.5. Control de lazos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1.6. Gráficas de temperatura en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.1.7. Registro de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2. Implementación del observador de estado al SPPD . . . . . . . . . . . . . . 65

4.2.1. Descripción del observador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.2.2. Diagrama de flujo de implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

ÍNDICE GENERAL iii

4.3. Estimación de concentraciones en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.4. Validación del observador de estados en ĺınea . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5. Conclusiones generales y trabajos futuros 81

5.1. Conclusiones Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.1.1. Beneficios prácticos de la estación de monitoreo . . . . . . . . . . . 82

5.1.2. Perspectivas de trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Bibliograf́ıa 85

Glosario de términos 89

A. Art́ıculos publicados 91

B. Tablas de parámetros 93

C. Instalación del programa de monitoreo 95

C.1. Requerimientos mı́nimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

C.2. Instalación SPPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

D. Manual de operación de la columna 99

D.1. Procedimiento de puesta en marcha de la PPD . . . . . . . . . . . . . . . . 99

D.2. Parada de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

D.3. Medidas de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

E. Entorno y conceptos de LabVIEW 105

F. Implementación de algoritmos de control 109

F.1. Requerimientos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

F.2. Implementación de algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

iv ÍNDICE GENERAL

G. Propiedades del cromatógrafo 115

G.1. Procedimiento de prueba experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Lista de figuras

2.1. Aplicación general del protocolo MODBUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2. Ciclo petición-respuesta, maestro-esclavo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3. Mensaje general MODBUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4. Bloque separado con modelos de datos MODBUS. . . . . . . . . . . . . . . 19

2.5. Petición del maestro con trama ASCII/RTU. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.6. Respuesta de un esclavo con trama ASCII/RTU. . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.7. Regulador Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.8. Planta piloto de destilación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.9. Cuerpo de la columna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

a. Plato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

b. Sección del cuerpo de la columna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.10. Partes que integran al Hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

a. Termoresistencia de precalentamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

b. Hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.11. Parte superior de la columna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

a. Condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

b. Válvula de control para el flujo del agua. . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.12. Electroválvula de reflujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.13. Alimentación de la mezcla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

a. Deposito de alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

v

vi LISTA DE FIGURAS

b. Bomba de alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

c. Termoresistencia de precalentamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.14. Interpolación de los puntos de operación de G1. . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.15. Bomba de anillo ĺıquido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.16. Diagrama de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.17. Señales de conexión, módulos y PC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.18. Módulos de los reguladores Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.19. Base de conexión de Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1. Jerarqúıa de la estación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

a. Módulo AE4 mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

b. Módulo AE2 PT 3/4L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

c. Módulo AA3 mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

d. Módulo BA4 REL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

e. Módulo R2-232. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

f. Módulo AE4 mA MUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2. Diagrama de flujo principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3. Subprograma, inicializar controles e indicadores. . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4. Subprograma, control de barra de botones o menú. . . . . . . . . . . . . . 43

3.5. Subprograma, leer y/o escribir datos de instrumentos. . . . . . . . . . . . . 44

3.6. Subprograma, guardar datos de instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.7. Subprograma VI aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.8. Diagrama de flujo de gráficas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.9. Diagrama de flujo de control de lazos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.10. Diagrama de flujo de selección de parámetros. . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.11. Diagrama de flujo de gráfica de parámetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.12. Diagrama de flujo de control on/off EV1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.13. Diagrama de flujo reporte en Excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

LISTA DE FIGURAS vii

3.14. Diagrama de flujo para recuperar y generar reporte. . . . . . . . . . . . . . 52

4.1. Ventana de inicio del SPPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2. Panel principal de la estación de monitoreo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.3. Representación f́ısica del ambiente de monitoreo. . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4. Configuración serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.5. Aplicación de control de EV1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.6. Selección de parámetros a gráficar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.7. Gráfica de selección de parámetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.8. Control de los lazos TIC, FIC, PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.9. Control en lazo abierto de la potencia calefactora. . . . . . . . . . . . . . . 61

4.10. Panel de gráficas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.11. Selección de gráficas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.12. Personalizar la apariencia de las gráficas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.13. Escalas de las gráficas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.14. Reporte formato Excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.15. Esquema de observación experimental “fuera de ĺınea”. . . . . . . . . . . . 66

4.16. Diagrama de implementación del observador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.17. Figura de implementación del observador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.18. Aplicación de comparación temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.19. Estimación de concentraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.20. Reporte formato Excel de concentraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.21. Panel de gráficas Treal y Testimada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.22. Temperatura del horno del cromatógrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.23. Diagrama de cromatógrafo de gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.24. Fotograf́ıa de cromatógrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.25. Interpolación de la curva de calibración de metanol. . . . . . . . . . . . . . 76

4.26. Reporte gráfico del cromatógrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

viii LISTA DE FIGURAS

a. Muestra 8, inyección a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

b. Muestra 13, inyección b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.27. Reporte del cromatógrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

a. Muestra 8, inyección a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

b. Muestra 13, inyección b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.28. Estimación de x en condensador y hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.29. Comparación de temperaturas reales y estimadas. . . . . . . . . . . . . . . 79

a. Temperatura T9 y T̂9 del condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . 79

b. Temperatura T2 y T̂2 del hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

F.1. NI MODBUS Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

F.2. NI PID Control Toolset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

F.3. Ejemplo de modelo en Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

F.4. Nuevo algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

F.5. Implementación del nuevo algoritmo de control. . . . . . . . . . . . . . . . 112

F.6. Agregar nueva estructura al SPPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

F.7. Agregar nueva propiedad a la barra de menú. . . . . . . . . . . . . . . . . 113

F.8. Agregar apartado a la barra de menú del SPPD . . . . . . . . . . . . . . . 114

Lista de tablas

2.1. Parámetros de configuración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2. Elementos monitoreados y controlados en Digitric 1. . . . . . . . . . . . . . 31

2.3. Elementos monitoreados y controlados en Digitric 2. . . . . . . . . . . . . . 31

2.4. Funciones permitidas del regulador Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.5. Rango de valores del regulador Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6. Registros MODBUS del regulador 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

B.1. Caracteŕısticas f́ısicas de la planta piloto de destilación. . . . . . . . . . . . 93

B.2. Propiedades termodinámicas de la mezcla metanol-etanol. . . . . . . . . . 94

B.3. Parámetros iniciales del experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

ix

x LISTA DE TABLAS

Notación

Letras mayúsculas

CMeOH Concentración molar de metanol (%).

C1 Depósito del hervidor (6L).

D1 Depósito de almacenamiento (9L).

D3 Depósito de recuperación de destilado (1L).

E1 Condensador.

E4 Depósito de recuperación de fondo (4L).

EV 1 Válvula de reflujo (0-1)

FV Flujo volumétrico en la alimentación (mL/min).

FI1 Transmisor de flujo de área variable.

FIC1 Lazo de control de flujo de agua al condensador.

FV 1 Válvula neumática de paso de agua al condensador ( %).

G1 Frecuencia de alimentación (%).

G2 Bomba de vaćıo.

J1 Termoresistencia eléctrica de precalentamiento (%).

J2 Termoresistencia eléctrica de calentamiento del hervidor (%).

LT1 Transmisor de nivel.

PMeOH Señal de salida del cromatógrafo.

PIC1 Lazo de control de presión.

Ti Temperatura del plato i (oC).

TIC1 Lazo de control de temperatura de alimentación.

T1− T12 Sensores de temperatura RTDs (oC).Wa Potencia calefactora del hervidor (Watts).

xi Fracción molar ĺıquida en el plato i, (0-1 %).

xi

xii NOTACIÓN

Marcas diacŕıticas

˜ Estimado.

Abreviaturas

CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico.

CRC Comprobación Redundante Ćıclica.

EtOH Etanol.

HMI (Human Machine Interface). Interfaz humano-máquina.

LRC Comprobación Redundante Longitudinal.

MeOH Metanol.

OPC (OLE for Process Control). OLE para control de procesos.

PC Computadora personal.

PID Algoritmo de control proporcional, integral y derivativo.

PLC Controladores lógicos programables.

PPD Planta piloto de destilación.

RTD (Resistive Temperature Detector) Detector de temperatura

por resistencia.

Caṕıtulo 1

Introducción

Aunque en el pasado pod́ıa considerarse que el único objetivo del control de procesos

consist́ıa en mantener una operación estable del proceso, actualmente las industrias se

enfrentan a un mercado cambiante y dif́ıcil de predecir. La competencia en muchos sectores

industriales y el creciente interés por obtener productos de mejor calidad, requiere que las

plantas industriales cuenten con la implementación de sistemas de monitoreo y control

que permitan mantener la operación del proceso con gran eficiencia y flexibilidad1 .

Actualmente los sistemas de monitoreo y control en la industria de procesos, deben

satisfacer criterios económicos, asociados con el mantenimiento de las variables de proceso

en sus puntos de ajuste (set points) maximizando los criterios de seguridad y de medio

ambiente.

La industria de procesos requiere mejorar el control de sus unidades mediante la

instrumentación necesaria y adecuada, además de contar con sistemas de monitoreo que

permitan en conjunto, minimizar costos de instrumentación, cableado e implementación,

con el objetivo de incrementar la calidad de la producción y el nivel de seguridad de la

planta.

La industria de procesos tiene un alto grado de lo que se puede llamar automatización

básica: salas de control con sistemas de control distribuido (DCS ), PLCs para sistemas

de seguridad o secuenciamiento, etc., están hoy d́ıa presentes en todas las factoŕıas. Del

1 La flexibilidad se considera desde el punto de vista de la facilidad de adaptación a cambios en losproductos que se fabrican, sus caracteŕısticas, demandas, etc.

1

2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

mismo modo se extienden y afianzan los buses de campo (MODBUS, PROFIBUS, etc.) a

la vez que los sistemas basados en computadoras y la relativa normalización de las comu-

nicaciones (OPC ) permiten disponer de grandes cantidades de análisis y procesamiento

de datos.

Por otra parte, el funcionamiento correcto de la automatización depende en gran

medida de la habilidad para conocer el estado real del funcionamiento del proceso en su

operación normal ó en funcionamiento degradado debido a la aparición de fallos o cambios

de estado interno. Los modernos sistemas basados en buses de campo facilitan esa tarea

al ofrecer diagnósticos automáticos de la instrumentación, pero esto es solo una parte del

diagnóstico: los puntos fuertes son el propio proceso y el sistema de control.

Uno de los rasgos de la sociedad actual es, sin duda, la disponibilidad a bajo precio

de sistemas de cómputo y comunicaciones, lo cual previsiblemente continuará en el futuro,

aśı como el papel que éstas juegan en todos los ámbitos y la facilidad de interconexión

debida a la extensión de los sistemas abiertos.

1.1. Planteamiento del problema

La implementación de nuevas tecnoloǵıas que contribuyen a la optimización en plantas

de procesos qúımicos en automatización y control industrial, han sido hoy en d́ıa, una de

las razones de las empresas para mejorar sus instalaciones y garantizar la continuidad

operativa de los procesos buscando el costo-beneficio de la inversión. En la actualidad

uno de los grandes retos que están afrontando la industria de procesos, es la reducción de

costos de mantenimiento e instrumentación.

Para lograr lo anterior, la industria de procesos y principalmente las columnas de

destilación requieren disponer de sistemas de monitoreo eficaz para analizar las variables

implicadas en el proceso, aśı como de métodos o técnicas prácticas para obtener medios

de comunicación a bajo costo de implementación, instrumentación y mantenimiento.

Además de los problemas de sistemas de monitoreo en columnas de destilación, si se

desea medir en ĺınea (o en tiempo real) las concentraciones en cada una de las etapas de una

columna de destilación, el costo de la instrumentación seŕıa muy elevado (cromatógrafos,

espectrómetros, etc.), por lo que se hace dif́ıcil el monitoreo de la concentración en ĺınea

1.2. OBJETIVOS 3

debido a la escasez de sensores o instrumentos adecuados ya que son costosos o no existen.

1.2. Objetivos

Los objetivos pueden resumirse en los siguiente puntos:

1. Diseñar y desarrollar una estación de monitoreo para la planta piloto de destilación

del CENIDET, con el fin de monitorear las variables f́ısicas que intervienen en el

proceso de destilación. La comunicación entre la planta y la estación de monitoreo

se hará mediante el protocolo MODBUS.

2. Manipular los lazos de control en modo manual o automático, además de poder variar

los parámetros de sintońıa de los controladores que integran la instrumentación de

la planta piloto.

3. La estación de monitoreo permitirá implementar un observador de estado para de-

terminar en tiempo real las concentraciones molares en cada una de las etapas de la

columna de destilación a partir de las mediciones de temperaturas.

1.3. Justificación

El CENIDET cuenta con una planta piloto de destilación que posee la instrumentación

necesaria para poner en práctica conocimientos del proceso de destilación. Requiere de

un sistema capaz de monitorear y manipular las variables que implican el proceso de

destilación, aśı como permitir la implementación de algoritmos de control complejo.

La solución viable para disponer del sistema de monitoreo del proceso de destilación,

se basa en el uso del protocolo de comunicaciones MODBUS para sensar y manipular las

variables de la PPD desde una computadora, con lo que se dispone de un sistema a bajo

costo de implementación.

4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.3.1. Aportación

Contribuir en el estudio de columnas de destilación y en el campo de la instru-

mentación industrial, principalmente obteniendo un sistema de monitoreo a bajo costo

de implementación y que permita implementar en ĺınea un “sensor software” para la es-

timación en ĺınea de las variables de destilación, reduciendo costos de instrumentación y

aumentando la eficacia de la planta.

1.4. Estado del arte

Las investigaciones más recientes están basadas en el diseño y mejoras de los sistemas

de monitoreo y control del proceso de destilación, aśı como de la implementación de

algoritmos de control. A continuación se nombran algunos trabajos que se han realizado

con respecto a desarrollos de sistemas de monitoreo aplicados a columnas de destilación y

algunos trabajos de investigación con respecto al modelado de columnas de destilación.

En el trabajo de [Zamarreño, 2003] desarrolla una interfaz con un sistema de control

distribuido (por sus siglas en inglés DCS ) para una planta de destilación, en este trabajo

se implementan diferentes controles avanzados y técnicas de operación.

Otro ejemplo de sistemas de monitoreo con aplicación a columnas de destilación se

desarrolla mediante el uso de tarjetas de adquisición de datos y un sistema llamado PXI de

NIr para adquisición de datos, la interfaz gráfica se desarrolla en LabVIEWr. El trabajo

fue desarrollado por [Rodŕıguez, 2005] del Grupo de Exerǵıa del Instituto Mexicano del

Petróleo.

En el trabajo de [Nooraii y Romagnoli, 1998] se presenta una interfaz de monitoreo

desarrollada en LabVIEWr para mostrar la respuesta de la columna a un modelo desa-

rrollado en Ecosimpro.

Dentro del ámbito de la automatización industrial el uso de los buses de campos como

es el MODBUS se ha convertido en toda una realidad para el monitoreo y control de sus

procesos. Por mencionar algunos desarrollos de sistemas de monitoreo y control mediante el

protocolo de comunicaciones MODBUS, en [Brown y Lacey, 2002] se presenta un sistema

de control para cámaras de crecimiento de plantas; en [Ramı́rez et. al., 2004] un sistema

1.4. ESTADO DEL ARTE 5

inalámbrico para una unidad de terminal remota y en [Schalk et. al., 2004] un sistema de

control de calidad en ambientes industriales usando procesamiento de imágenes.

Para aplicaciones en columnas de destilación en [Ramos et. al., 2002] se muestra una

aplicación real sobre la cual se han probado diferentes controladores predictivos genera-

lizados (GPCs), el medio de comunicación entre sus dispositivos se realiza mediante el

bus de campo PROFIBUS. En [Ramos et. al., 2001] se presenta un control distribuido

implementado en una planta piloto. En este trabajo concluyen que el uso de los buses de

campo, flexibiliza el control de procesos, aśı como la ventaja de usar una PC como unidad

de control.

Con respecto a modelado de columnas de destilación se puede mencionar algunos

trabajos, que solo han llegado a la experimentación fuera de ĺınea:

• Con la introducción de la computadora digital y el desarrollo del control en las cua-tro últimas décadas se han realizado estudios más profundos sobre la dinámica de sistemas

de destilación. Uno de los primeros en formalizar un algoritmo matemático en una com-

putadora fue Peiser en 1962. Otros estudios importantes fueron los de [Rosenbrock, 1960]

y [Rademarker et. al., 1975]. Estas personas se consideran los pioneros en la investigación

del modelado dinámico, estabilidad, algoritmos de control y posibles soluciones del proceso

de destilación.

• En [Luyben, 1992] se muestra una recopilación de referencias y la contribuciónde varios autores sobre modelado, control, simulación e identificación de columnas de

destilación. El modelado y la simulación del comportamiento dinámico de una columna de

destilación de etanol de la industria azucarera se presenta en en [Rueda-Ferreiro, 2000].

• La estimación de las fracciones molares ĺıquidas en los platos de una columnade destilación mediante observadores de estado, se aborda en diferentes trabajos. Por

mencionar algunos de ellos, en [Quintero et. al., 1991] presentan resultados en simulación

para una columna de destilación multicomponente por lotes. En [Deza et. al., 1998] y

[Targui, 2000] se encuentran resultados en simulación para una columna de destilación

binaria.

• Para el control de la composición en el hervidor y del fondo de una torre de des-tilación, en [Torres et. al., 1999] utiliza un control de tipo neuronal. La red neuronal es

entrenada fuera de ĺınea, con la finalidad de obtener productos de la pureza deseada.

6 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.5. Organización del documento

En el Caṕıtulo 2 se definen los conceptos del protocolo MODBUS, utilizado como el sistema

de comunicación entre la computadora y la planta piloto. Se muestra la descripción y confi-

guración f́ısica de los reguladores de control Digitric 500 que usan el protocolo MODBUS y se

proporciona una descripción de la instrumentación conectada a los reguladores de control.

En el Caṕıtulo 3 se muestra la arquitectura, los diagramas de flujo y el diagrama jerárquico

en el diseño y desarrollo de la estación de monitoreo.

En el Caṕıtulo 4 se presenta el producto final y las pruebas experimentales de monitoreo

de la instrumentación, manipulación de los lazos de control y manipulación de los actuadores

mediante la estación de monitoreo. Se describe la implementación experimental de un observador

de estados a la estación de monitoreo para determinar en ĺınea las concentraciones molares.

El Apéndice A muestra los art́ıculos generados y publicados: Art́ıculo 1 presentado en la

AMCA 2006. “Desarrollo de una estación de monitoreo y control en ĺınea. Aplicación a una

columna de destilación”. Art́ıculo 2 presentado en formato WEB de soluciones de usuario de

National Instrumentsr. “Sistema de monitoreo y control en ĺınea para una planta piloto de

destilación (SPPD)”.

El Apéndice B describe los parámetros y caracteŕısticas de la planta piloto de destilación,

aśı como las propiedades f́ısico-qúımicas metanol y del etanol.

El Apéndice C describe el proceso de instalación de la estación de monitoreo en una com-

putadora, aśı como los requerimientos mı́nimos para su ejecución.

El Apéndice D es un manual del procedimiento de la puesta en marcha de la columna de

destilación mediante el uso de la estación de monitoreo, aśı como la parada de la planta y las

medidas de seguridad.

El Apéndice E describe el entorno y conceptos básicos de LabVIEWr.

El Apéndice F es un manual para implementar algoritmos de control complejo a la estación

de monitoreo y las especificaciones de requerimientos necesarios.

El Apéndice G describe las caracteŕısticas del cromatógrafo de gases que se usó en el proceso

de validación del observador de estados en ĺınea.

Caṕıtulo 2

Protocolo de comunicaciones

MODBUS

En este caṕıtulo se presenta la importancia del uso del protocolo MODBUS, como el

medio de comunicación entre la computadora y la instrumentación de la columna a través

de dos reguladores de control denominados Digitric 500, con los que cuenta la planta de

destilación del CENIDET.

En la Sección 2.1 se describe la teoŕıa del protocolo de comunicaciones MODBUS,

aśı como, las caracteŕısticas del MODBUS para enviar y recibir información de los regu-

ladores de control mediante la computadora personal.

En la Sección 2.2 se describen las caracteŕısticas técnicas de los reguladores de con-

trol Digitric 500. Se explican las caracteŕısticas del env́ıo y recepción de datos entre los

reguladores de control y la computadora mediante el protocolo MODBUS

7

8 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

2.1. Introducción al protocolo

El protocolo MODBUS es un bus de campo, se puede definir como el medio de comu-

nicación entre diferentes equipos de un sistema de automatización, esto puede ser, desde

un sensor o un actuador, hasta una computadora o un autómata programable.

Los antiguos sistemas de control, basados en grandes computadoras centrales y kilóme-

tros de cableado resultaban ser inapropiados para las exigencias del momento del mercado

donde los procesos de fabricación necesitaban de una automatización más flexible, robusta

y que además reduzca los costos de instalación y mantenimiento.

El protocolo MODBUS fue desarrollado por Modicon a finales de los años 80’s. Este

protocolo fue usado como un servidor de comunicaciones cliente maestro-esclavo entre

diferentes dispositivos como son los PLCs, debido a su simplicidad y especificación abierta

actualmente es utilizado por diferentes fabricantes [Pefhany, 2000]. Entre los dispositivos

que lo utilizan se puede mencionar: PLCs, HMI (Human Machine Interface), RTU (Remote

Terminal Unit), controladores, sensores y actuadores remotos [MODBUS, 2000].

En el área de las comunicaciones en entornos industriales, la estandarización de pro-

tocolos es un tema en permanente discusión, donde intervienen problemas técnicos y co-

merciales. Cada protocolo está optimizado para diferentes niveles de automatización y en

consecuencia responden al interés de diferentes proveedores.

MODBUS define una estructura de mensaje que los controladores reconocerán y

usarán, independientemente del tipo de redes sobre la que comuniquen. Proporciona el

estándar interno que los controladores usan para el análisis de los mensajes. Durante la

comunicación sobre una red MODBUS, el protocolo determina cómo cada controlador

conocerá su dirección de dispositivo, reconocerá un mensaje direccionado a él, determi-

nará el tipo de acción a tomar y extraerá cualquier dato u otra información contenida en

el mensaje.

La Figura 2.1 muestra cómo se pueden interconectar los dispositivos en una jerarqúıa

de redes que emplean técnicas de comunicación que difieren ampliamente. En la transacción

de mensajes, el protocolo MODBUS integrado en la estructura de paquetes de cada red

proporciona el lenguaje común por el cual los dispositivos pueden intercambiar datos

[MODBUS, 2000].

2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 9

MODBUS

Procesador

Principal

984-685

MB PlusProgramador

P230

AT/MC-984

and

Host/MMI

984 A/B

And

S985

BM85

Programador

P230

MODBUS MODBUS

MODBUS

Dispositivos

MODBUS

Sobre una RED

Figura 2.1: Aplicación general del protocolo MODBUS.

2.1.1. Transmisión sobre redes MODBUS

Los puertos standard MODBUS utilizan una interfaz serie compatible RS-232C. La

norma EIA RS-232C define las patillas del conector, cableado, niveles de señal, velocidades

de transmisión y control de paridad.

Los controladores1 se comunican usando una técnica maestro - esclavo, en la cual

sólo un dispositivo (el maestro) puede iniciar transacciones (llamadas “peticiones”). Los

otros dispositivos (los esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado, o

realizando la acción solicitada en la petición, ver Figura 2.2 [Pefhany, 2000].

A continuación se describen las operaciones de “petición-respuesta” en la transmisión

de información sobre redes MODBUS:

La Petición: El código de función en la petición indica al dispositivo esclavo el tipo

de acción a realizar. Los bytes de datos contienen cualquier información adicional que

el esclavo necesitará para llevar a cabo la función. Por ejemplo el código de función 032

pedirá al esclavo que lea registros mantenidos (holding registers) y responda con sus

contenidos. El campo de datos debe contener la información que indique al esclavo en

1 En esta sección el término de controladores, se refiere a dispositivos ó equipos que tienen la capacidadde soporte del protocolo MODBUS como medio de comunicación.

2 En la sección 2.1.5 se describe los códigos de función en una red MODBUS.

10 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Dirección

Función

Datos

Control de Error

Dirección

Función

Datos

Control de Error

MAESTRO ESCLAVO

Petición

Respuesta

Figura 2.2: Ciclo petición-respuesta, maestro-esclavo.

qué registro debe comenzar y cuántos ha de leer. El campo de comprobación de error

proporciona un método para que el esclavo valide la integridad del contenido del mensaje

recibido.

La Respuesta3 : Si el esclavo elabora una respuesta normal, el código de función

contenido en la respuesta es una réplica del código de función enviado en la petición.

Los bytes de datos contienen los datos recolectados por el esclavo, tales como valores de

registros o estados. Si ocurre un error, el código de función contenido en la respuesta es

diferente al código de función enviado en la petición, para indicar que la respuesta es una

respuesta de error y los bytes de datos contienen un código que describe el error. El campo

de comprobación de error permite al maestro confirmar que los contenidos del mensaje

son válidos.

El protocolo MODBUS establece el formato para la petición del maestro, colocando

en ella la dirección del dispositivo esclavo (0 en caso de “difusión”4 ), un código de fun-

ción que define la acción solicitada, cualquier dato que haya de enviarse y un campo de

comprobación de error. El mensaje de respuesta del esclavo está también definido por el

protocolo MODBUS. Contiene campos confirmando la acción tomada, cualquier dato que

deba devolverse y un campo de comprobación de error. Si el mensaje que se recibe por el

esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la acción solicitada, construirá un

mensaje de error y lo enviará como respuesta.

3 En la sección 2.1.6 se muestran ejemplos del ciclo petición-respuesta en un mensaje MODBUS.4 Solicita información a todos los dispositivos esclavos.

2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 11

2.1.2. Modos de transmisión serie

Los controladores pueden ser configurados para comunicarse sobre redes estándar

MODBUS utilizando cualquiera de los dos modos de transmisión: ASCII o RTU. El usuario

selecciona el modo deseado, junto con los parámetros de comunicación del puerto serie

(velocidad, paridad, etc.), durante la configuración de cada controlador. El modo y los

parámetros serie deben ser los mismos para todos los dispositivos conectados a una red

MODBUS [MODICON, 1996].

La selección del modo ASCII o RTU tiene que ver únicamente con redes MODBUS

estándar. Se definen los bits contenidos en los campos del mensaje transmitido en forma

serie en esas redes. Se determina cómo debe ser empaquetada y decodificada, la información

en los campos del mensaje.

Modo ASCII

Cuando los controladores se configuran para comunicarse en una red MODBUS según

el modo ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte - 8 bits

- en un mensaje se env́ıa como dos caracteres ASCII. La principal ventaja de este modo

es que permite intervalos de tiempo de hasta un segundo entre caracteres sin dar lugar a

error [MODBUS, 2000].

El formato para cada byte en modo ASCII es:

• Sistema de codificación: Hexadecimal, caracteres ASCII 0-9, A-F. Un caracter hexa-decimal contenido en cada carácter ASCII del mensaje.

• Bits por byte: 1 bit de arranque. 7 bits de datos, el menos significativo se env́ıaprimero. 1 bit para paridad Par o Impar; ningún bit para No paridad. 1 bit de paro

si se usa paridad; 2 bits si no se usa paridad.

• Campo de comprobación de error: Comprobación Redundante Longitudinal (siglasen inglés LRC ).

12 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Modo RTU

Cuando los controladores son configurados para comunicarse en una red MODBUS

usando el modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de 8 bits en un mensaje con-

tiene dos d́ıgitos hexadecimales de 4 bits. La principal ventaja de este modo es que su

mayor densidad de carácter permite mejor rendimiento que el modo ASCII para la misma

velocidad. Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo [MODBUS, 2000].

• Sistema de codificación: Binario 8-bits, hexadecimal 0-9,A-F. Dos d́ıgitos hexadeci-males contenidos en cada campo de 8 bits del mensaje.

• Bits por byte: 1 bit de arranque. 8 bits de datos, el menos significativo se env́ıaprimero. 1 bit para paridad Par o Impar; ningún bit para No paridad. 1 bit de paro

si se usa paridad; 2 bits si no se usa paridad.

• Campo de comprobación de error: Comprobación Redundante Ćıclica (siglas en in-glés CRC ).

2.1.3. Campos de trama del mensaje MODBUS

En cualquiera de los modos de transmisión serie (ASCII o RTU), un mensaje5

MODBUS es situado por el dispositivo que transmite. Esto permite a los dispositivos

receptores comenzar en el arranque del mensaje, leer la parte de la dirección y determinar

qué dispositivo es direccionado ( o todos los dispositivos si es una difusión ‘dirección = 0’)

y conocer cuándo se ha completado el mensaje [MODICON, 1996].

El protocolo define una unidad de datos de protocolo simple (PDU ) independiente

debajo de la ĺınea de comunicación [MODBUS IDA, 2004]. Básicamente el marco general

de env́ıo de datos se muestra en la Figura 2.3.

Figura 2.3: Mensaje general MODBUS.

5 En MODBUS esto se denomina “framing”.

2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 13

El campo de código de funciones es un código de un byte, su rango es de 1 a

255 decimal. Cuando un mensaje es enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo

(computadora-columna), el código llama al esclavo a que inicie la acción solicitada.

El campo de datos del mensaje enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo

contiene información adicional que el esclavo utiliza para tomar la acción definida por el

código de funciones. Este puede incluir campos discretos y dirección de registros.

Si no existe un error relacionado a las funciones MODBUS requeridas, el esclavo

responderá con los datos solicitados por el maestro. Si existe un error, el mensaje contiene

un código de excepción o chequeo de error, que la aplicación de error puede determinar

para que en la siguiente acción, ser tomada en cuenta.

Campo de direcciones

El campo dirección de un mensaje contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU).

Las direcciones de esclavo válidas están en el rango de 0 a 247 decimal. Los dispositivos es-

clavos individuales tienen direcciones asignadas en el rango 1 a 247. Un maestro direcciona

un esclavo situando la dirección del esclavo en el campo dirección del mensaje. Cuando un

esclavo env́ıa su respuesta, sitúa su propia dirección en el campo dirección de la respuesta,

para dar a conocer al maestro qué esclavo está respondiendo.

Campo de funciones

El campo código de función de un mensaje, contiene dos caracteres (ASCII) u ocho

bits (RTU). Los códigos válidos están en el rango de 1 a 255 decimal.

Cuando un mensaje es enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo, el campo

del código de función indica al esclavo qué tipo de acción ha de ejecutar. Por ejemplo:

leer los estados on/off de un grupo de bobinas6 o entradas discretas; leer el contenido

de datos de un grupo de registros; leer el estado de diagnóstico de un esclavo; escribir en

determinadas bobinas o registros o permitir cargar, salvar o verificar el programa dentro

del esclavo.

6 En MODBUS el término bobina se refiere a dispositivos que solo tienen dos estados abierto y cerrado.

14 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Cuando el esclavo responde al maestro, utiliza el campo del código de función para

indicar bien una respuesta normal (libre de error) o que algún tipo de error ha tenido lugar

(denominado respuesta de excepción). Para una respuesta normal, el esclavo simplemente

replica el código de función original. Para un respuesta de excepción, el esclavo devuelve

un código que es equivalente al código de función original con su bit más significativo

puesto a valor 1.

Por ejemplo, para leer un grupo de registros almacenados en un mensaje, desde un

maestro a un esclavo tendŕıa el siguiente código de función:

0000 0011 (Hexadecimal 03)

Si el dispositivo esclavo ejecuta la acción solicitada, sin error, devuelve el mismo código

en su respuesta. Si ocurre una excepción devuelve:

1000 0011 (Hexadecimal 83)

Además de la modificación del código de función para una respuesta de excepción, el

esclavo sitúa un único código en el campo de datos del mensaje respuesta. Esto indica al

maestro qué tipo de error ha tenido lugar, o la razón para la excepción.

Campo de datos

El campo datos, se construye utilizando conjuntos de dos d́ıgitos hexadecimales, en el

rango de 00 a FF hexadecimal. Pueden formarse a partir de un par de caracteres ASCII

o desde un caracter RTU, de acuerdo al modo de transmisión serie de la red.

El campo datos de los mensajes enviados desde un maestro a un esclavo, contiene

información adicional que el esclavo debe usar para tomar la acción definida por el código

de función. Esto puede incluir partes como direcciones discretas y de registros, la cantidad

de partes que han de ser manipuladas y el cómputo de bytes de datos contenidos en el

campo.

Por ejemplo, si el maestro solicita a un esclavo leer un grupo de registros almacenados

(código de función 03), el campo de datos especifica el registro de comienzo y cuántos

registros han de ser léıdos. Si el maestro escribe sobre un grupo de registros en el esclavo

(código de función 10 hexadecimal), el campo datos especifica el registro de comienzo,

2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 15

cuántos registros escribir, el cómputo de bytes de datos que siguen en el campo datos y

los datos que se deben escribir en los registros.

Si no ocurre error, el campo datos de una respuesta desde un esclavo al maestro

contiene los datos solicitados. Si ocurre un error, el campo contiene un código de excepción

que la aplicación del maestro puede utilizar para determinar la próxima acción a tomar.

El campo datos puede ser inexistente (de longitud cero) en ciertos tipos de mensajes.

Por ejemplo, en una petición de un dispositivo maestro a un esclavo para que responda con

su anotación de eventos de comunicación (código de función 0B hexadecimal), el esclavo

no requiere ninguna información adicional. El código de función por śı solo especifica la

acción.

Campo chequeo de error

Existen dos tipos de métodos de comprobación de error en una red MODBUS. El

contenido del campo comprobación de error depende del método que se utilice.

ASCII

Cuando el modo ASCII se usa para la trama del mensaje, el campo Comprobación

de Error contiene dos caracteres ASCII. Los caracteres de comprobación de error son el

resultado de un cálculo Comprobación Redundante Longitudinal (LRC ) que es realizado

sobre el contenido del mensaje.

Los caracteres LRC se añaden al mensaje como el último campo que precede a los

caracteres del mensaje.

RTU

Cuando el modo RTU se usa para un mensaje, el campo Comprobación de Error con-

tiene un valor de 16 bits implementado como dos bytes de 8 bits. El valor de comprobación

de error es el resultado de un cálculo Comprobación Redundante Cı́clica (CRC ) realizado

sobre el contenido del mensaje.

16 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

El campo CRC se agrega al último campo del mensaje. La forma de hacerlo es, añadir

primero el byte de orden bajo del campo, seguido del byte de orden alto. El byte de orden

alto del CRC es el último byte a enviar en el mensaje.

2.1.4. Métodos de comprobación de error

Las redes series estándar MODBUS utilizan dos tipos de comprobación de error.

La comprobación de paridad (par o impar) puede ser aplicada opcionalmente a cada

caracter. La comprobación de la trama (LRC o CRC) es aplicada al mensaje completo.

Ambas comprobaciones, de caracter y de trama de mensaje son generadas en el dispositivo

maestro y aplicadas a los contenidos del mensaje antes de la transmisión. El dispositivo

esclavo comprueba cada caracter y la trama del mensaje completo durante la recepción

[MODBUS, 2000].

El maestro se configura por el usuario para aguardar durante un tiempo de espera

predeterminado, antes de abortar la transacción. Este intervalo se establece para ser lo su-

ficientemente largo para que cualquier esclavo responda normalmente. Si el esclavo detecta

un error de transmisión, el mensaje no será tomado en cuenta. El esclavo no construirá una

respuesta para el maestro. Aśı el tiempo de espera expirará y permitirá al programa del

maestro tratar el error. Un mensaje direccionado a un dispositivo esclavo inexistente tam-

bién causará un error de tiempo excedido (time out7 ).

Control de paridad

Los usuarios pueden configurar los controladores para modificar el valor del control

de paridad (par o impar) o sin control de paridad. Esto determinará cómo será iniciado el

bit de paridad en cada caracter.

Si se especifica cualquier control de paridad par o impar, se contabilizará la cantidad

de bits que tienen valor 1 en la porción de datos de cada caracter (siete bits de datos para

modo ACSII, u ocho para RTU). Al bit de paridad habrá de darse valor 0 o 1, para que

se obtenga finalmente un número par o impar, respectivamente, de bits con valor 1.

7 Un timeout es un tiempo que se establece antes de que se reporte una falla.

2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 17

Por ejemplo, estos 8 bits de datos forman parte de una trama de carácter RTU:

1100 0101

La cantidad de bits de valor 1 en el dato es cuatro. Si se utiliza un control de paridad

par, el bit de paridad de la trama debe establecerse en un valor 0, haciendo que la cantidad

de bits de valor 1 siga siendo un número par (cuatro). Si se utiliza un control de paridad

impar, el bit de paridad deberá tener valor 1, resultando una cantidad de bits de valor 1,

impar (cinco).

Cuando el mensaje se transmite, el bit de paridad se calcula y se aplica a la trama de

cada caracter. El dispositivo receptor cuenta la cantidad de bits de valor 1 y establece un

error si no coincide la paridad con la configurada para ese dispositivo (todos los dispositivos

en la red MODBUS deben ser configurados para usar el mismo método de control de

paridad).

Si se especifica un control de tipo No Paridad, no se transmite ningún bit de paridad

y no se hace comprobación de paridad. Se transmite un bit de paro adicional para rellenar

la trama de caracter.

Comprobación LRC (Comprobación Redundante Longitudinal)

En modo ASCII, los mensajes incluyen un campo de comprobación de error que

está basado en un método de comprobación longitudinal redundante (LRC). El campo

LRC controla el contenido del mensaje, a excepción de los (“:”) del comienzo. Se aplica

con independencia de cualquier método de control de paridad utilizado para los caracteres

individuales del mensaje.

El campo LRC es un byte, contiene un valor binario de ocho bits. El valor LRC es

calculado por el dispositivo emisor, que añade el LRC al mensaje. El dispositivo receptor

calcula el LRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con el valor

que se recibe en el campo LRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error.

El valor LRC se calcula sumando entre śı los sucesivos bytes del mensaje, descartando

cualquier acarreo y luego complementando a dos el valor resultante. Se realiza sobre el

contenido del campo de mensaje ASCII excluyendo el carácter (“:”) de comienzo del

mensaje.

18 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Comprobación CRC (Comprobación Redundante Ćıclica)

En modo RTU, los mensajes incluyen un campo de comprobación de error que se basa

en un método de comprobación de redundancia ćıclica (CRC). El campo CRC controla

el contenido del mensaje completo. Se aplica con independencia de cualquier método de

control de paridad que se utilizó para los caracteres individuales del mensaje.

El campo CRC es de dos bytes, contiene un valor binario de 16 bits. El valor CRC

se calcula por el dispositivo emisor, que añade el CRC al mensaje. El dispositivo receptor

calcula el CRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con el valor

que se recibe en el campo CRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error.

Para calcular el valor CRC MODBUS se pre-carga con un registro de 16 bits, todos

ellos a 1. Posteriormente empieza un proceso que toma los sucesivos bytes del mensaje y

los opera con el contenido del registro y actualiza éste con el resultado obtenido. Sólo los

8 bits de dato de cada caracter se usan para generar el CRC. Los bits de arranque, paro

y el bit de paridad, no se tienen en cuenta para el CRC.

Durante la generación del CRC, se efectúa una operación booleana OR exclusivo

(XOR) a cada caracter de 8 bits con el contenido del registro. Entonces al resultado se le

aplica un desplazamiento de bit en la dirección de bit menos significativo (LSB), rellenando

la posición del bit mas significativo (MSB) con un cero.

Este proceso se repite hasta haber cumplido 8 desplazamientos. Después del último

desplazamiento (el octavo), el próximo byte es un operador XOR con el valor actual del

registro y el proceso se repite con ocho desplazamientos más. El contenido final del registro,

después de que todos los bytes del mensaje han sido procesados, es el valor del CRC.

2.1.5. Datos y funciones de control

En esta sección, la expresión de los valores numéricos (tales como direcciones, códigos,

o datos) se expresan como valores decimales en el texto. Son expresados como valores

hexadecimales en los campos del mensaje de las figuras.

Todas las direcciones de datos en un mensaje MODBUS están referidas a cero. Por

ejemplo:

2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 19

• La bobina conocida como (“bobina 1”) en un controlador programable se direccionacomo una bobina 0000 en el campo de dirección de datos de un mensaje.

• La bobina 127 decimal se direcciona como una bobina 007E hexadecimal (126 deci-mal).

• Los registros almacenados 40001 son direccionados como un registro 0000 en el campode direcciones de datos del mensaje. La función del campo de código especifica la

operación de un registro.

• Los registros almacenados 40108 son direccionados como un registro 006B hexade-cimal (107 decimal)

En la Figura 2.4 se muestra la organización de los datos en un dispositivo, se tiene

entradas/salidas digitales/analógicas. Cada bloque esta separado, ya que los datos de cada

bloque no tienen ninguna correlación. Cada bloque es accesible con las diferentes funciones

[MODBUS IDA, 2004].

Solicitud

MODBUS

Memoria de

dispositivo

Acceso

MODBUS

Dispositivo servidor MODBUS

Entrada discreta

Bobina

Registro de

entrada

Registro de

almacenamiento

Figura 2.4: Bloque separado con modelos de datos MODBUS.

20 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

2.1.6. Contenido del campo

La Figura 2.5 muestra un ejemplo de un mensaje de petición MODBUS. La petición

del maestro es una solicitud de lectura de registros almacenados, al dispositivo esclavo con

dirección 06. El mensaje solicita datos numéricos de tres registros almacenados, 40108 al

40110. Observe que el mensaje especifica la dirección de comienzo como 0107 (006B hex).

PETICIÓN Datos delEjemplo Caracteres Campo 8 bits

Nombre del campo (Hex) ASCII RTU

Cabecera : (‘dos puntos’)Dirección del esclavo 06 0 0000 0110

6Función 03 0 0000 0011

3Dirección comienzo alto 00 0 0000 0000

0Dirección comienzo bajo 0B 0 0110 1011

BNo. Registro alto 00 0 0000 0000

0No. Registro bajo 03 0 0000 0011

3Comprobación de error LRC (2 caract) CRC(16 bits)Terminación CR Ninguno

LFTotal Bytes: 8

Figura 2.5: Petición del maestro con trama ASCII/RTU.

La Figura 2.6 es un ejemplo de una respuesta normal. La respuesta del esclavo replica

el código de función, indicando que esto es una respuesta normal. El campo “cómputo de

bytes” especifica cuántas unidades de datos de 8 bits se devuelven. Muestra la cantidad

de bytes de datos que vienen a continuación, bien ASCII o RTU8 . En el modo ASCII,

este valor representa la mitad del cómputo real de caracteres ASCII en el dato, ya que en

este modo, cada d́ıgito hexadecimal de 4 bits requiere un carácter ASCII y por lo tanto,

deben haber dos caracteres ASCII para contener cada unidad de dato de 8 bits.

Por ejemplo, el dato: 63 hex se env́ıa como un byte (ocho bits) en modo RTU (0110

0011). El mismo valor, enviado en modo ASCII requiere dos caracteres ASCII, el ASCII

(6) (011 0110) y el ASCII (3) (011 0011). El campo “Cómputo de bytes” contabiliza este

dato como un solo dato de 8 bits, con independencia del método de trama de caracter

(ASCII o RTU).

8 Sólo en el modo RTU coincide con el número de bytes de datos.

2.2. REGULADORES DE CONTROL 21

RESPUESTA Datos del

Ejemplo Caracteres Campo 8 bits

Nombre del campo (Hex) ASCII RTU

Cabecera : (‘dos puntos’) Ninguno

Dirección del esclavo 06 0 0000 0110

6

Función 03 0 0000 0011

3

Cómputo de bytes 06 0 0000 0110

6

Dato Alto 02 0 0000 0010

2

Dato Bajo 2B 2 0010 1011

B

Dato Alto 00 0 0000 0000

0

Dato Bajo 00 0 0000 0000

0

Dato Alto 00 0 0000 0000

0

Dato Bajo 63 6 0110 0011

3

Comprobación de error LRC (2 caract) CRC(16 bits)

Terminación CR Ninguno

LF

Total Bytes: 23 11

Figura 2.6: Respuesta de un esclavo con trama ASCII/RTU.

2.2. Reguladores de control

Toda la instrumentación de la planta piloto de destilación se conecta a dos reguladores,

denominados Digitric 500 de la marca ABBr. Estos dispositivos son controladores con

un amplio espectro de aplicaciones ilimitadas en muchos campos industriales: ingenieŕıa

mecánica, de plásticos, textiles, azúcar, cerámicas, industria cementera, ambiente de pro-

tección y laboratorios e instituciones tecnológicas [Digitric a, 2000], [Digitric 500, 2001].

La importancia del conocimiento y uso de estos reguladores se basa en la capacidad

de soporte del protocolo MODBUS para la conexión de sistemas de alto nivel, además de

que permite contar con un gran número de caracteŕısticas:

• Entrada universal para el control de variables (mA, termoresistencias, de tempera-tura, etc.) con rangos de medición configurable.

• Entradas/salidas digitales configurables.

• 2 salidas de relevador.

• Acciones de control PID, PI, PD, P.

22 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

• Programación integrada (10 programas).

• Capacidad de Bus RS485 para Interfaz MODBUS RTU9 .

• 4 lazos de control con alarmas.

• Configuración del puerto serie para la interfaz entre la computadora.

• Memoria de almacenamiento datos EPROM.

Figura 2.7: Regulador Digitric 500.

2.2.1. Información técnica

El panel frontal provee la información del estado del proceso y realiza la posible

intervención selectiva en la acción del proceso. Los despliegues numéricos y la información

de texto claro permite precisar la lectura y escritura del punto de ajuste (set point) y la

corrección de los valores, aśı como en el env́ıo de la información hacia la computadora

[Digitric b, 2000].

La correcta comunicación entre los dos reguladores y la computadora, deberá estar

definida con los siguientes parámetros10 :

9 MODBUS RTU: Modo de transmisión serial. Cuando los controladores son configurados para comu-nicarse en una red MODBUS usando el modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de 8 bits en unmensaje contiene dos d́ıgitos hexadecimales de 4 bits.

10 La capacidad de rango de baudios debe tener la misma configuración entre la computadora y el panelde los reguladores para asegurar la comunicación entre la planta piloto y la computadora, por defecto9600 baudios.

2.2. REGULADORES DE CONTROL 23

Tabla 2.1: Parámetros de configuración.

Regulador 1 Regulador 2

Dirección 01 03

Rango baudios 9600 9600

2.2.2. Instrumentación conectada a los reguladores de control

A continuación se describe brevemente la instrumentación de la planta piloto de desti-

lación conectada a los reguladores de control Digitric 500, con la finalidad de conocer pos-

teriomente los registros de cada dispositivo en el protocolo de comunicaciones MODBUS.

i) Componentes de la columna

La columna está formada por una estructura de acero inoxidable AISI 304, 10 platos,

un condensador y un hervidor (ver Figura 2.8). En la Figura 2.9a muestra un plato

perteneciente a los 10 con los que cuenta la planta piloto.

En el interior de los 10 platos perforados se efectúa la transferencia de masa entre las

dos fases “Ĺıquido-Vapor” y distribuidos en la columna (ver la Figura 2.9b).

ii) Hervidor (C1)

El hervidor, permite llevar a cabo la destilación proporcionando el calor necesario a

la columna de destilación mediante una termoresistencia eléctrica de calentamiento (J2),

(ver Figura 2.10a), ubicada en el interior del hervidor. La máxima potencia calefactora

suministrada por la termoresistencia del hervidor es de 2500 Watts con una capacidad de

6L, (ver Figura 2.10b).

24 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Figura 2.8: Planta piloto de destilación.

a Plato. b Sección del cuerpo de lacolumna.

Figura 2.9: Cuerpo de la columna.

2.2. REGULADORES DE CONTROL 25

a Termoresistencia deprecalentamiento.

b Hervidor.

Figura 2.10: Partes que integran al Hervidor.

iii) Condensador (E1)

El condensador (E1) (ver la Figura 2.11a) se constituye básicamente por:

Un recipiente de acero inoxidable tipo tubo-tubo [E.Veneta, 1998]. Contiene el ĺıqui-

do refrigerante (agua) suministrado por una bomba externa a la planta piloto y se

regula a través de la apertura proporcional de una válvula neumática (FV1) (ver la

Figura 2.11b).

El refrigerante y el vapor a condensar están separados por un superficie de inter-

cambio de calor tubular, el vapor a condensar fluye a través de un tubo helicoidal

en contracorriente al ĺıquido refrigerante.

iv) Válvula de reflujo (EV1)

El reflujo permite que parte del vapor condensado sea colectado como producto desti-

lado y parte regrese a la columna, éste reflujo se controla mediante la electroválvula de tres

v́ıas (EV1), que se localiza a la altura del condensador (ver la Figura 2.12). Los tiempos

de apertura y cierre conmutación de la válvula de reflujo son controlados por medio de

dos temporizadores11 .

11 Estos temporizadores pueden ser ajustados mediante el sistema de monitoreo desarrollado en estetrabajo de tesis.

26 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

a Condensador. b Válvula de control para elflujo del agua.

Figura 2.11: Parte superior de la columna.

Figura 2.12: Electroválvula de reflujo.

v) Deposito de alimentación (D1)

La mezcla de alimentación se almacena en el deposito D1 (capacidad de 15 L), (ver

Figura 2.13a). La temperatura de la mezcla de alimentación es controlada mediante la

termoresistencia eléctrica de precalentamiento (J1). En la Figura 2.13c se muestra la

resistencia de precalentamiento J1.

La alimentación es suministrada mediante una bomba dosificadora, (Figura 2.13b).

Debido a que la alimentación se lleva a cabo de forma intermitente, se hace una interpo-

2.2. REGULADORES DE CONTROL 27

a Deposito de ali-mentación.

b Bomba de alimentación. c Termoresistencia deprecalentamiento.

Figura 2.13: Alimentación de la mezcla.

lación12 de varios puntos de operación de la bomba, con el fin de conocer una función

para calcular el flujo volumétrico suministrado a la columna a partir de la frecuencia de

bombeo.

Con la ecuación se trata de obtener una relación entre la frecuencia de bombeo con

el flujo de alimentación, para esto es necesario realizar un experimento, el cual consiste en

suministrar agua a diferentes frecuencias de bombeo y el flujo suministrado se toma del

plato de alimentación de la columna. Se determina la cantidad de flujo de alimentación

medido en mililitros por minuto. La Figura 2.14 muestra una gráfica de una función

lineal interpolando varios puntos de operación de la bomba. Esta función calcula el flujo

volumétrico (F − V ) suministrado a la columna y esta dada por la siguiente ecuación:

FV = 1.20631(G1)− 2.88483 (2.1)

donde:

FV Flujo volumétrico en la alimentación (mL/min).

G1 Frecuencia de alimentación ( %).

12 Aproximación o ajuste de datos a una ecuación matemática.

28 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Figura 2.14: Interpolación de los puntos de operación de G1.

vi) Bomba de vaćıo (G2)

La planta piloto de destilación además de operarse a presión atmosférica, cuenta

con una bomba de vaćıo de anillo ĺıquido (Figura 2.15) y una válvula neumática para la

regulación de la presión residual de la planta, con lo cual existe la posibilidad de operar

la columna a presiones menores a la de la atmósfera. En este trabajo, la columna de

destilación se opera a presión atmosférica.

Figura 2.15: Bomba de anillo ĺıquido.

2.2. REGULADORES DE CONTROL 29

V17

V21

V23

V3

V26V25

V24

V20

V19

V15

V18

V16

V14

V10

V12V11

V1

V2

V6

V4

V5

V9

V8

V7

V27

H2O

H2O

FC1

FT1

FI1

FV1TI10

TI9

TI8

TI7

TI6

TI5

TI4

TI3

TI2

TI1

TT1

TC1

D1

C1J1

J2G1

E1

EV1

EV2

TI11

TI12

PI1

PSV1

LT1 LC1

H2O H2O

G2

PT1 PC1PI1

PV1

Pdl1

E1

E2

E3

D2

D4

D3

ATM

L1

L3

L2

Control de

Temperatura

Control de Flujo

Control de Presión

Figura 2.16: Diagrama de instrumentación

vii) Lazos de control

La planta piloto cuenta con tres lazos de control gobernados por los reguladores

Digitric 500. Estos lazos se muestran en las áreas punteadas del esquema de la PPD (ver

la Figura 2.16). Estos lazos de control se encuentran gobernados por los reguladores de

control Digitric 500, mediante los cuales, se configuran los parámetros de sintońıa de los

controladores, los valores de entrada y de salida.

A continuación se describe los lazos de control:

• L1. Control de temperatura (TIC1). El primer lazo de control se encarga decontrolar la temperatura de la mezcla de alimentación en la columna, con lo cual se

afecta al flujo de vapor V y al de ĺıquido L presentes en cada uno de los platos de la

columna de destilación. Dicho control se logra por medio de la termoresistencia de

precalentamiento J1, que es la que transfiere la enerǵıa a la mezcla.

• L2. Control de flujo de agua (FIC1). Este lazo controla el flujo de agua alcondensador y dicho lazo afecta de forma directa el flujo de ĺıquido L en los platos,

ya que al tener variación del flujo de ĺıquido de enfriamiento, vaŕıa el porcentaje

de ĺıquido que se condensa. El control se logra manipulando la válvula neumática

30 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

(FV1), ésta regula el flujo que pasa por el serpent́ın del condensador teniendo una

condensación más rápida o más lenta del vapor que ingresa al condensador. Por medio

del dispositivo indicador (FI1) se puede visualizar el flujo de ĺıquido de enfriamiento.

A la entrada y salida del condensador se tienen dos sensores de temperatura (TI10 y

TI11 respectivamente), con lo cual puede ser calculada la transferencia de calor del

condensador.

• L3. Control de presión (PIC1). Este lazo es encarga de controlar la presión deoperación de la columna. La bomba de vaćıo de anillo ĺıquido tiene la capacidad de

llevar la presión dentro de la columna a un punto menor a la de la atmósfera y el

control se logra por medio de la válvula de venteo PV1.

viii) Otras partes

Existen otras partes no menos importantes de la planta piloto de destilación que a

continuación se listan (ver diagrama de instrumentación en la Figura 2.16):

• Depósito graduado de recuperación del producto destilado, capacidad 1 L, (D3).

• Depósito de recuperación del producto de fondo, capacidad 4 L, (E4).

• 12 sensores de temperatura tipo RTDs, cubierta de acero inoxidable (TI1-TI12).

• 12 indicadores electrónicos de temperatura, rango 0-199oC (TI1-TI2).

• Transmisor de flujo de área variable, (FI1).

• Transmisor de nivel, (LT1).

• Transmisor electrónico de presión diferencial, (PdI1).

• 2 temporizadores para los reguladores de la razón de reflujo y la regulación de latoma de destilado.

A continuación se resume mediante tablas, los dispositivos conectados a cada regu-

lador. Se especifica el tipo de variable, si es manipulada, controlada o monitoreada.

2.2. REGULADORES DE CONTROL 31

Tabla 2.2: Elementos monitoreados y controlados en Digitric 1.

Regulador 1Variable a. Temperatura del flujo de alimentación (TIC1), rango 0-150 %

controlada b. Flujo de agua al condensador (FIC1), rango 0-100%c. Presión en la columna (PIC1), rango 0-100%

Variable a. Potencia de resistencia de precalentamiento (J1)manipulada b. Apertura proporcional válvula (FV1)

c. Apertura proporcional válvula (PC1)On/off Válvula de reflujo (EV1)On/off bomba de alimentación (G1)Dosificación de alimentación (G1), rango 0-100%

Variable Temperaturas 1 a la 6 (T1-T6)monitoreada Flujo de agua al condensador (FIC)

Presión en la columna (PIC)

Tabla 2.3: Elementos monitoreados y controlados en Digitric 2.

Regulador 2Variable d. Temperatura del hervidor (C1), rango 0-100%

controladaVariable d. Potencia de la termoresistencia (J2)

manipulada On/off de la termoresistencia (J1)On/off de la termoresistencia (J2)On/off bomba de vaćıo (G2)

Variable Temperaturas 7 a la 12 (T7-T12)monitoreada Medidor de nivel (LI1)

Medidor de presión diferencial (Pdi1)

• Regulador 1, contiene tres dispositivos que pueden ser controlados, ocho paramonitoreo, y seis dispositivos que pueden manipularse. En la Tabla 2.2 se muestran estos

dispositivos, aśı como la sigla con la que se identifica en la columna de destilación 13 .

• Regulador 2, contiene un dispositivo a controlar, ocho variables monitoreadas, undispositivo a manipular y tres dispositivos de estado on-off. En la Tabla 2.3 se muestran

estos dispositivos, aśı como la sigla con la que se identifica en la columna de destilación.

13 En las tablas se muestran las variables controladas y sus correspondientes variables manipuladasmediante una relación de letras.

32 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

2.2.3. Conexiones f́ısicas de Digitric 500

Los reguladores de control Digitric 500, tienen diferentes módulos de entrada para

conectar los dispositivos f́ısicos de la columna (ejemplos: resistencias de precalentamiento,

RTDs, etc.). En la Figura 2.17 se muestra la parte posterior del regulador, donde se

conectan los módulos y dispositivos de la columna de destilación:

Figura 2.17: Señales de conexión, módulos y PC.

A continuación se explica brevemente los módulos con los que están equipados los

reguladores Digitric 500 [Digitric a, 2000]:

• AE4 mA: Módulo de entrada analógica 4 x mA. Soporte de 4 entradas analógi-cas, 0/4...20 mA con separación de potencia eléctrica (ver la Figura 2.18a).

• AE2 PT 3/4L: Módulo de entrada analógica 2 x PT100 de 3/4 cables deconexión. Soporte de 2 entradas analógicas para PT100 de 3 ó 4 cables de conexión

(ver la Figura 2.18b).

• AA3 mA: Módulo de salida analógica 3 x mA. Soporte de 3 salidas analógicasde 0/4...20 mA a 750Ω, prueba de corto circuito y circuito abierto (ver la Figura

2.18c).

• BA4 REL: Módulo de salida digital 4 x relays. Soporte de 4 salidas a relevadorcon contacto normalmente abierto (ver la Figura 2.18d).

2.2. REGULADORES DE CONTROL 33

• R2-232: Módulo de interfaz serie. Solo se puede usar en la entrada de módulo414 )(ver la Figura 2.18e).

• AE4 mA MUS: Módulo de entrada analógica 4 x mA con fuente de ali-mentación. Soporte de 4 entradas 0/4...20 mA ó 0/2...10 V (ver la Figura 2.18f).

a Módulo AE4 mA. b Módulo AE2 PT 3/4L.

c Módulo AA3 mA. d Módulo BA4 REL.

e Módulo R2-232. f Módulo AE4 mA MUS.

Figura 2.18: Módulos de los reguladores Digitric 500.

14 El módulo correspondiente a la interfaz serie se muestra en la Figura 2.17.

34 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Mediante el esquema mostrado en la Figura 2.19, se pueden conectar diferentes dis-

positivos a la base de conexión de señales de los reguladores Digitric 500 [Digitric b, 2000].

Figura 2.19: Base de conexión de Digitric 500.

1 21 Vent 7 Entrada analógica 1 AO01 Salida analógica (0/4...20 mA)

2 Entrada de la fuente de alimentación 8 Entrada analógica 1 AI01 Entrada universal

3 Puerto binario 1 (un puerto binario 9 Entrada analógica 1 AI02 Entrada adicional

puede ser usado como entrada o 10 Entrada analógica 2 B Conector en caso de transmitir

o salida binaria 11 Entrada analógica 2 de fuente por la terminal 1

4 Puerto binario 2 12 Entrada analógica 2 B01,02 Entrada o salida binaria

5 Potencial cero 14 Salida analógica 1 B03,04 Salida de relevador

6 Entrada analógica 1 21-Vint Fuente de alimentación de 2 cables

24-V: ext Fuente de alimentación externa

2.2.4. Transferencia de datos de los reguladores

De las caracteŕısticas de los reguladores, cualquier número de dispositivos pueden

especificarse para operar en un solo bus. El número de dispositivos depende de la tecnoloǵıa

2.2. REGULADORES DE CONTROL 35

de transmisión usada:

- RS232 para conexión con un maestro (configuración computadora o modem).

- RS495 para conexión máxima de 32 equipos (incluyendo el maestro).

Caracteŕısticas del mensaje (frame)

El telegrama comprende una serie de información de 1/0. El valor transmitido se

divide en un byte (8 bits). Cada uno de estos bits se complementa por: 1 bit de inicio,

opcional 1 bit de paridad, 1 bit de paro [Digitric 500, 2001]. El mensaje del MODBUS

para el regulador de control tiene la siguiente estructura:

pausa dirección función dato error pausa

1 byte 1 byte n bytes 2 bytes

Funciones

Esta caracteŕıstica del mensaje de datos del MODBUS determina los códigos que

soporta el regulador de control Digitric 500. En la Tabla 2.4 se muestra el valor de código

de funciones, la designación del código y la función que realiza dentro del mensaje de

transmisión MODBUS [Digitric 500, 2001].

Tabla 2.4: Funciones permitidas del regulador Digitric 500.

Código Designación Función

01 Read coil status Lectura de valores binarios

03 Read holding registers Lectura de valores real, enteros, doble enteros

04 Read input registers Corresponde a la función 03, el cual es preferible

05 Force single coil Conjunto de valores binarios.

06 Preset single register Conjunto de valores enteros.

15 Force multiple coils Conjunto de valores binarios sucesivos.

16 Preset multiple registers Conjunto de valores enteros sucesivos.

36 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

Rango de valores

En la Tabla 2.5 se muestran los tipos de datos que soportan los reguladores de control,

los cuales son de tipo real, entero, doble entero y booleano.

Los de tipo real trabajan en el formato IEEE (32 bits) y requiere de una conversión

para su lectura (ejemplo en LabVIEWr). Los datos de tipo entero y doble entero no

requieren de conversión, por último, los datos de tipo booleano, se usan para instrumentos

donde se requieren dos estados (on-off) [Digitric 500, 2001].

Tabla 2.5: Rango de valores del regulador Digitric 500.

Valor Rango

Real -1 175 494.35e−38 ... 0 ... 3 402 823.47e39

Entero -32 768...0...32 767

Doble entero -2 147 483.674 ... 0... 2 147 483.647

Booleano 0 y 1

2.2.5. Registro de MODBUS

La información necesaria de las direcciones o registros para enviar/recibir datos de

la instrumentación de la columna de destilación hacia la computadora, se obtiene a par-

tir de las caracteŕısticas técnicas y los módulos conectados a los reguladores de control,

aśı mismo, el uso del diagrama eléctrico del manual de usuario de la columna de desti-

lación [E.Veneta, 1998] y del manual de la interfaz del regulador de control Digitric 500

[Digitric 500, 2001].

En la primer columna de la Tabla 2.6 se proporciona las direcciones o registros que

se identifican en el protocolo MODBUS, en la segunda columna su clasificación, la tercer

columna indica el tipo de dato que soporta, la cuarta columna indica la descripción f́ısica

de conexiones del módulo y por último, en la quinta columna se proporcionan las siglas

de los dispositivos conectados.

En algunas direcciones de registro se proporciona la conexión de dos dispositivos.

Cada dispositivo se podrá leer/escribir mediante la identificación de las direcciones del

2.2. REGULADORES DE CONTROL 37

regulador, al cual esta conectado dicho dispositivo, (ver la Tabla 2.1). Por ejemplo: si se

requiere leer la variable de temperatura (T1), su dirección de registro es “0” conectado al

regulador 1 con dirección “01”. Para el caso de lectura del sensor de nivel (LI1) la dirección

de registro es “0” conectado al regulador 2 con dirección “03”.

Tabla 2.6: Registros MODBUS del regulador 1.

Registro Designación Dato Descripción Sigla

0 AE01 Real Entrada analógica 1 T1, LI1

2 AE02 Real Entrada analógica 2 FIC1, Pdi1

4 AE11 Real Módulo 1 Entrada analógica 1 T7

6 AE12 Real Módulo 1 Entrada analógica 2 T8

12 AE21 Real Módulo 2 Entrada analógica 1 T5, T9

14 AE22 Real Módulo 2 Entrada analógica 2 T6, T10

20 AE31 Real Módulo 3 Entrada analógica 1 PIC1, T11

22 AE32 Real Módulo 3 Entrada analógica 2 T2, T12

24 AE33 Real Módulo 2 Entrada analógica 3 T3

26 AE34 Real Módulo 2 Entrada analógica 4 T4

70 AA01 Real Salida analógica 1 TC1

184 L1 PID OUT Real Salida del controlador PID TIC1

196 L1 yhand Real Corrección valor manual L1M

230 L1 wsoll0 Real Setpoint 1 J1

334 L2 PID OUT Real Salida del controlador PID FIC1

346 L2 yhand Real Corrección valor manual L2M, J2

380 L2 wsoll0 Real Setpoint 1 F