1 UTILIZACIÓN DEL SOFTWARE LABVIEW PARA SIMULACIÓN DE PROCESOS Koyarki Graciela Margarita. UNaM Xiscatti Pérez Christian: UNaM
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RESUMEN Este proyecto se refiere a la implementación de técnicas de simulación al proceso de elaboración de biodiesel. El trabajo fue desarrollado en una plataforma de programación gráfica de alto nivel orientada a objetos (LabVIEW) lo que da un entorno de trabajo amigable al usuario. Dentro de las características que presenta, se pueden variar los tiempos de proceso, caudales de equipos de bombeo, contenidos de los depósitos de materia prima, entre otras; todo esto de forma gráfica y en tiempo de ejecución pudiendo ser apreciado su efecto inmediatamente en el proceso, teniendo un panorama general del mismo. El presente trabajo fue realizado en la materia de Sistemas Informáticos Industriales, con el fin de integrar los conocimientos adquiridos en esta materia y los solicitados para el Proyecto Final de la carrera Ingeniería Industrial correspondiente al quinto año de dicha carrera. Palabras Clave: Simulación, Programación Orientada a Objetos, Programación Gráfica, LabVIEW, Biodiesel.
INTRODUCCIÓN El desarrollo de los sistemas de información juega actualmente un papel muy valioso dentro de las organizaciones, ya que son considerados como un recurso más de la misma. El empleo estratégico de la información continuará creando en todas las empresas y organizaciones nuevas oportunidades. Con los sistemas de información se pretende lograr importantes mejoras como automatizar los procesos operativos, proporcionar información de apoyo al proceso de toma de decisiones y facilitar el logro de ventajas competitivas, entre otras. Es por ello que en el presente trabajo se optó por utilizar una herramienta poderosa, como lo es la simulación. Según lo expresan los distintos autores Coss Bu, Raul (2003), Lahoz – Beltrá, Rafael (2004) y Martínez Sifuentes et al. (2003) el uso de la palabra simulación data de 1940, cuando los científicos Von Neuman y Ulam que trabajaban en el proyecto Monte Carlo, durante la Segunda Guerra Mundial resolvieron problemas sobre reacciones nucleares cuya solución experimental sería muy cara y el análisis matemático demasiado complicado. Tal como lo expresa Coss Bu, Raul (2003) hay diversas definiciones sobre simulación entre las que podemos mencionar la de Thomas H. Taylor, Maisel y Gnugnoli, Robert Shannoo, y en función de ello podemos decir que la simulación es esencialmente un sustituto de la experiencia real que para lograrla de otro modo exigiría demasiado costo, riesgo, o consumo de tiempo. David Himmelblau et al. (2004) define a la simulación como el estudio de un sistema o sus partes, mediante la manipulación de su representación matemática o de su modelo físico. Y que nos permite comparar distintos diseños y procesos que todavía no están en operación y ensayar hipótesis sobre sistemas o procesos antes de llevarlos a la práctica.
2 Por otra parte, Lahoz – Beltrá, Rafael (2004) dice que el modelo es una abstracción o representación formal de un sistema o proceso. Es decir, un modelo representa algún aspecto particular de la realidad convirtiéndose en un referente de la misma, que permite a los usuarios del modelo comprender e interaccionar con la realidad, aunque de una forma simplificada y exenta de la complejidad y riesgos potenciales del mundo real. En un entorno socio-económico como el actual, donde se trabaja en busca de nuevas alternativas energéticas y donde ha tenido mucho auge el uso de combustibles renovables que reducen notablemente la contaminación, el desarrollo del presente trabajo pretende ayudar a comprender y visualizar como un todo el funcionamiento del sistema de producción de biodiesel y dar a conocer de este proyecto a futuros inversores.
DESARROLLO Una vez diseñado el modelo de simulación, los Directivos o futuros inversionistas tendrán una mejor idea del funcionamiento del mismo, elemento que ayudará para la toma de decisiones. Esta toma de decisiones, consiste, además de la aceptación o rechazo del proyecto, en tener la posibilidad de optimizar el proceso productivo. Este último punto, se puede llevar a cabo mediante el sistema de simulación, que brinda la posibilidad de elegir qué maquinaria y elementos cumplen de la mejor manera con las expectativas del cliente, refiriéndonos al tamaño de la empresa que éste desea instalar (capacidad en litros/día). De allí, teniendo como dato esta capacidad, podemos ver el tamaño de los tanques, el tamaño de los reactores, el tamaño de los decantadores, como así también que válvulas y bombas utilizar. Objetivos y Alcances del Sistema: A corto plazo, este proyecto está dirigido al nivel más alto de la organización o a la alta gerencia. Los Directores o futuros Directores de la organización (inversionistas), a través de la simulación del proceso de elaboración de biodiesel, tendrán una mejor idea del funcionamiento del mismo, ya que es más gráfico y representativo que un simple plano en el cual sólo vemos máquinas estáticas. Para este nivel, el proyecto tiene como objetivo brindar una herramienta de fácil manejo e interpretación, que permita evaluar el funcionamiento del sistema de producción, las modificaciones posibles de las variables y que el cliente, en este caso futuros inversores, opten por esta herramienta como apoyo para la toma de decisiones y como una ventaja competitiva. Brinda una ventaja competitiva, ya que la simulación es el medio de experimentar ideas o conceptos en condiciones que escapen a la experimentación en la vida real por causa del costo, tiempo, o riesgos implicados. Es una técnica para acumular experiencia y aprender de esa experiencia, cosa que haría diferenciarlos de la competencia. En esta fase del proyecto, el sistema de simulación nos ayudará a interpretar el proceso, evaluar las distintas alternativas gracias a que se pueden realizar cambios en las variables que intervienen. De esta manera, sin la necesidad de tener un sistema físico podemos experimentar, con el fin de evaluar los riesgos a los que se expone la organización al elegir por una u otra alternativa. Si el nivel estratégico decidiera implementar una planta, este mismo sistema podría ser utilizado como una herramienta poderosa para la enseñanza del funcionamiento al nivel operativo. De esta manera, los Operarios tendrían una mejor idea de cómo influye su trabajo en el sistema, además de entender cuáles son las tareas que debe realizar, y quién mejor que éstos para dar ideas o posibles modificaciones del sistema para un mejor funcionamiento.
3 Con una leve modificación del código fuente (cambiando los bloques de simulación por los de adquisición de datos), se podrá utilizar este mismo sistema para controlar y monitorear el proceso con una herramienta de bajo costo como la propuesta en este trabajo, que no requiere de la utilización de un costoso y complejo software específico para desarrollo de aplicaciones SCADA. De esta manera, los datos obtenidos por ejemplo de un determinado sensor serán grabados con el mismo nombre de las variables ya existentes en el simulador y simplemente se reemplazarán por bloques de adquisición de datos conectados a las variables reales por medio de placas de captura de señales para montar en plataforma PC (placas de tipo PCI, PCIe, USB). A continuación se detallan las ventajas en el uso de simulación, según lo propone Coss Bu, Raul (2003): • Incremento de flexibilidad. • Reducción de costos, riesgos y tiempo al realizar pruebas de factibilidad en forma simulada. • Reducción de errores de diseño de la lógica del sistema. • Los modelos de simulación pueden estimular y producir ideas que sin ello no surgirían. • La simulación promueve el análisis completo. • Utilización de la simulación como un instrumento pedagógico, para entrenamiento y/o capacitación. • Experimentar nuevas situaciones. Análisis Previo: Hay diversas etapas que conforman el estudio de simulación tal como lo proponen Coss Bu, Raul (2003) y Lahoz – Beltrá, Rafael (2004), y en función de éstas se definió como Plan de Desarrollo lo siguiente: 1. Búsqueda de información. 2. Investigación del proceso de producción. 3. Descripción del proceso de producción. 4. Realización del diagrama de flujo del proceso producción. 5. Formulación de los objetivos del proyecto. 6. Selección y adquisición del software a utilizar. 7. Inicio de la programación o codificación del sistema (traducir los algoritmos diseñados en programas usando un lenguaje de programación). 8. Prueba del sistema. 9. Realización de las modificaciones pertinentes. 10. Realización de la documentación (manuales). 11. Presentar el proyecto terminado a los usuarios. Los puntos uno al cuatro del plan de desarrollo anterior, concernientes al análisis preliminar o análisis del sistema, fue realizado como parte de un trabajo de tesis de grado de Ingeniería Industrial y por lo tanto no nos referiremos a él en detalle en este trabajo (Koyarki, 2007), pero a continuación se presenta en forma general un esquema del proceso productivo: El proceso productivo propiamente dicho se refiere a la transformación que reciben ciertos insumos y/o materias primas con el fin de convertirse en un bien (producto) o servicio. En nuestro caso particular, las materias primas lo constituyen el aceite, el alcohol y la soda cáustica, que mediante un proceso denominado de trans-esterificación se convierten en el producto: biodiesel. Del proceso productivo, se desprende el subproducto denominado glicerina, que posee diversos usos en el mercado. En la Fig. 1 presentamos el diagrama de bloques del proceso productivo y la Fig. 2 muestra un esquema del simulador de la planta de biodiesel.
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Alcohol + Soda Cáustica
Biodiesel Aceite Glicerina
Mezclador
Reactor
Decantador
Fig. 1. Diagrama de Bloques del Proceso Productivo
Fig. 2. Esquema del Simulador de la Planta de Biodiesel
En la etapa de codificación del sistema (etapa 7), se definieron todas las variables que forman parte del modelo (Tabla 1), sus relaciones lógicas y los diagramas de flujos que describen dicho modelo y luego se tradujeron al lenguaje de programación elegido para la implementación del modelo en la computadora.
5 Nombre TKA1 TKA2 TKA3 Alcohol Mezclador V1 ‐ V21 Reactor D1 D2 TKB1 TKB2 TKB3 TKG FI Bomba A Bomba B Bomba C Bomba D Compresor de Tiempo Horas de Reposo Inercia Térmica Temperatura Reactor Porcentaje de FI Porcentaje de Glicerina Carga de Soda Cáustica Caudal A Caudal B Caudal C Caudal D Motor Mezclador Motor Reactor Calefactor Reactor
Descripción Nivel Tanque de Aceite 1 Nivel Tanque de Aceite 2 Nivel Tanque de Aceite 3 Nivel Tanque de Alcohol Nivel Tanque Mezclador Válvulas 1 a 21 Nivel Tanque Reactor Nivel Tanque Decantador 1 Nivel Tanque Decantador 2 Nivel Tanque Biodiesel 1 Nivel Tanque Biodiesel 2 Nivel Tanque Biodiesel 3 Nivel Tanque Glicerina Nivel Fase Intermedia Bomba A Bomba B Bomba C Bomba D Factor de aceleración del tiempo de simulación Cantidad de Horas necesarias para la decantación Factor de aceleración de la variación de temperatura del reactor respecto al tiempo Temperatura Reactor Porcentaje de FI Porcentaje de Glicerina Indicación del momento de carga de la soda cáustica Caudales Comerciales de las bombas Caudales Comerciales de las bombas Caudales Comerciales de las bombas Caudales Comerciales de las bombas Indicación de Encendido del Motor del Mezclador Indicación de Encendido del Motor del Reactor Indicación del estado del calefactor (ON/OFF)
Tipo Entero Entero Entero Entero Entero Lógicas Entero Entero Entero Entero Entero Entero Entero Entero Lógicas Lógicas Lógicas Lógicas Entero Entero Entero Entero Entero Entero Lógicas Lista Desplegable Lista Desplegable Lista Desplegable Lista Desplegable Lógicas Lógicas Lógicas
Tabla 1. Variables de Proceso Utilizadas
RESULTADOS Alternativas Consideradas: Se procedió al estudio de la distintas alternativas para ver cuál de estas nos proporcionaba una mejor solución para realizar la simulación. Lo que se buscaba era un sistema que pudiera ser entendido de la manera más fácil por el usuario y que fuera de un fácil manejo. Primeramente se pensó en hacer una simulación numérica con las ventajas de programación que eso trae, algunas de las alternativas podrían ser implementadas con Excel, Access e incluso con C/C++. Si bien la simulación numérica es aceptable, ya que nos proporciona la información necesaria puede que los resultados no sean tan evidentes como los proporcionados por un método gráfico que pueda llegar a ser más interactivo. Éste entorno de programación facilita el aspecto gráfico y utiliza un esquema muy similar al C, por lo que con un pequeño tutorial, se puede comenzar a programar. LabVIEW es a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y puede trabajar con programas de otra área de aplicación, como por ejemplo Matlab. Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos.
6 Por los beneficios mencionados con anterioridad fue que se optó por la alternativa del método gráfico, además de que se cuenta con una licencia de programación LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) en la Facultad. Tal como lo expresa Lázaro Antonio M. (2001), LabVIEW es un lenguaje de programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control, que nos permite diseñar interfaces de usuario mediante una consola interactiva basada en software. Programación Gráfica con LabVIEW: Cuando diseñamos programas con LabVIEW trabajamos sobre un código gráfico denominado VI, es decir, un instrumento virtual. Conceptualmente el trabajo consistió en crear VI’s a partir de especificaciones funcionales diseñadas separando las tareas por bloques. Este VI puede utilizarse en cualquier otra aplicación como una sub-función dentro de un programa general. Los VI's se caracterizan por ser una especie de “caja negra” que cuenta con su respectivo símbolo que generalmente refleja su función, una interfaz de usuario, entradas y salidas con color de identificación de tipo de dato y por supuesto, ser reutilizables En el ambiente de trabajo de LabVIEW existen dos paneles, el panel frontal y el panel de programación o diagrama de bloques; en el panel frontal se diseña la interfaz con el usuario y en el panel de programación se relacionan los elementos utilizados en la interfaz mediante operaciones que determinan en sí como funciona el programa o el sistema, exactamente es la parte donde se realizan las especificaciones funcionales. Forma de Trabajo y Verificación de los Subprocesos: A fines de ejemplificar la estructura que se utilizó para realizar las simulaciones, nos referiremos a la Fig. 3 en la cual se puede apreciar un marco externo que representa una iteración del tipo While que se ejecuta cuando el reactor alcanza los 8000 lts. y dentro de la cual se simulan variaciones de temperatura como así también el encendido y apagado de un elemento calefactor. En contraparte, en el panel frontal se diseñan elementos visuales, controles e indicadores que sean esquemáticos del proceso que representan. Así en la Fig. 4 vemos elementos que simbolizan las válvulas, los conductos, el fluido que circula por ellos el estado de los motores y/o bombas, sensores de temperatura, entre otros. De esta manera se fue verificando el funcionamiento de cada uno de los subprocesos independientemente, es decir, volviendo al análisis de la Fig. 3, ésta correspondería a la simulación del cargado, calefacción y temperatura del reactor.
Fig. 3. Diagrama de Bloques de la Simulación de Control de Temperatura del Reactor
7 De la misma manera, se aprovechó para insertar controles del tipo desplegable que nos permitieron seleccionar el caudal de la bomba en cuestión y que a su vez estaba vinculado en la simulación de manera que se refleje su efecto en la velocidad con la que se cargan o descargan los depósitos. Una de las variables que resultó de mucha utilidad fue el compresor de tiempo. Esta variable fue incluida en todos los bucles de simulación de manera que se tenía control externo de la velocidad con la que se ejecutaba la simulación, esto permitía acelerar los procesos de decantación que normalmente demoran horas pero sin perder la noción real del tiempo de simulación. Esto se logró utilizando esta variable como factor reduciendo de esta manera el tiempo de espera entre iteraciones (Fig. 5).
Fig. 4. Panel Frontal con los Indicadores Esquemáticos de los Elementos del Proceso
Fig. 5. Compresor de Tiempo de Simulación
Como parámetros de selección de caudales se utilizaron caudales de bombas comerciales de manera de que sea más fácil su implementación a futuro. Validación del Modelo: Para la validación del modelo, se utilizaron los datos obtenidos de la visita realizada a la planta de biodiesel, propiedad de Vialidad Provincial de Entre Ríos, cita en la localidad de Oro Verde, próxima a la Capital de la Provincia, en la cual se recabó la siguiente información de la planta: Proyecto modelo con una capacidad de 24.000 lts./ Día. ¾ Mezclador capacidad 2300 lts. ¾ Depósitos capacidad 21.000 lts. ¾ Tanque de Glicerina capacidad 6.900 lts. ¾ Tanque de Recuperación de Alcohol, capacidad 1000 lts. ¾ Tanque Alcohol capacidad 2300 lts. ¾ Decantadores de 14.700 lts. ¾ Reactor con serpentina con capacidad 14.700 lts. ¾ Electro bombas. ¾ Motores de 1 HP, 3 HP y 0.75 HP. ¾ Caldera de superficie de caldeo 15 m2.
8 Es decir que en función de los datos reales obtenidos mediante la visita, se procedió a hacer correr el simulador, contrastando de ésta manera su adecuado funcionamiento. En aquella oportunidad los operadores de la planta mencionaron que la capacidad de la misma era de 24000 lts/día y que los tiempos de trabajo eran 2 turnos de 8 horas. La planta contaba con 9 bombas para realizar la circulación del producto y reconocieron que podría reducirse la cantidad optimizando el uso de las mismas. Luego de un análisis de los procesos simultáneos que debería ser capaz de realizar el simulador se optó por utilizar solamente 4 bombas y una mayor cantidad de electroválvulas (debido a la reducción de costo que esto representa). Adecuación Global del Lay-out: El Lay-out (Fig. 6), fue confeccionado buscando minimizar o reducir el circuito de los materiales y el traslado del Operario. También cabe mencionar que fue realizado de ésta manera, con el fin de aumentar la capacidad posterior fácilmente ya que bastaría con agregar más tanques contenedores de aceite y biodiesel a la par de los ya existentes (Koyarki, 2007). La sala de control, tiene esa ubicación con el fin de cubrir visualmente, la mayor parte posible de las máquinas que están operando, y así ante un imperfecto y/o necesidad actuar con rapidez. Las máquinas están ubicadas siguiendo el recorrido de los materiales.
Contenedores de Biodiesel E-3
Contenedores de Aceite
E-3
E-3
Glicerina
E-3
E-3
Caldera E-4
Decantadores
Control de Proceso Alcohol Reactor
Mezclador E-3
Planta
Sala de Bombas E-1
E-1
E-1
E-1
Oficinas de Calidad y Gerencia de Comercialización
Oficinas Atención al Cliente
Fig. 6. Lay–out
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CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE TRABAJOS FUTUROS Con el presente trabajo se ha mostrado que la implementación de las técnicas de simulación a procesos tecnológicos modernos, como lo es la fabricación de biodiesel, puede ser implementada con éxito en una plataforma de programación no convencional, como lo es el entorno de programación gráfica LabVIEW, sin la necesidad de contar con software de simulación específico que podría significar un elevado costo de desarrollo. Desde el punto de vista académico gana una mayor importancia dado que este lenguaje de programación proporciona licencias estudiantiles de muy bajo costo la cual podría ponerse al alcance de los alumnos de grado. Como resultado de la simulación, se obtuvo que la planta podría producir 31400 lts./día simplemente mejorando el paralelismo de los procesos (en la planta de Oro Verde todo el proceso era de tipo Batch) y en el modelo de simulación se permiten procesos simultáneos (ejemplo bombeo de carga del reactor y bombeo de separación del decantador) como así también se comprobó que no son necesarias tantas estaciones de bombeo (originalmente 9) sino que con 4 bombas es suficiente para llevar adelante el proceso productivo. Por otro lado, este trabajo está siendo punto de referencia para el desarrollo de nuevos modelos de simulación incluso en el marco de nuevas investigaciones en esta área. Actualmente se está trabajando en una estructura de rutinas de código que puedan ser utilizadas como bloques elementales de simulación de manera que la elaboración de nuevos esquemas de simulación sea más directa y rápida aun. A futuro se espera contar con una librería que permita realizar nuevas simulaciones prácticamente sin necesidad de programar en bajo nivel. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA [1] COSS BU, RAÚL. (2003) Simulación. Un Enfoque Práctico. ISBN: 968-18-1506-8. Editorial: LIMUSA., 11 - 12. [2] HIMMELBLAU DAVID Y KENNETH BISCHOFF (2004). Análisis y Simulación de Procesos, ISBN 84-291-7235-1. Editorial: Reverté S.A., 2 - 5. [3] KOYARKI, GRACIELA M. (2007). Planta de Elaboración de Biodiesel “BIO MG”. Proyecto de finalización de Grado de Ingeniería Industrial, UNaM. [4] LABVIEW, GETTING STARTED WITH LABVIEW, gtstrtlv.pdf, (2003) Ed., U. S. [5] LAHOZ – BELTRÁ, RAFAEL (2004). Bioinformática. Simulación, vida artificial e Inteligencia Artificial, ISBN 84-7978-645-0. Editorial: Díaz de Santos, 3 - 17. [6] LÁZARO, ANTONIO M. (2001). LabVIEW Programación Gráfica para el Control de Instrumentación, Paraninfo, España. [7] MARTÍNEZ SIFUENTES, VICTOR HUGO; ALONSO DÁVILA PEDRO A.; LÓPEZ TOLEDO JACINTO; MUAL SALADO CARBAJAL Y ROCHA URIBE JOSÉ ANTONIO. (2003) Simulación de Procesos en Ingeniería Química. ISBN: 968-856-755-8. Editorial: Plaza y Valdes, 34.
