La importancia de los sistemas electrónicos en la destilación
Por: Carlos Alberto Torres Cantero*
Las columnas de destilación son esenciales en la industria para separar mezclas y obtener productos con diferentes niveles de pureza. Sin embargo, su control es complicado debido a la complejidad del proceso. Los factores que afectan su funcionamiento incluyen fallos en los actuadores, que controlan el flujo de los líquidos y vapores, o en los sensores que miden variables clave, como la temperatura y la composición.
Si estos fallos no se detectan a tiempo, pueden afectar la eficiencia del proceso y poner en riesgo la seguridad de la operación. Por ello, es fundamental contar con sistemas que permitan detectar y aislar rápidamente estos fallos.
Para resolver este problema, se ha desarrollado un sistema que no solo controla la composición de los productos, sino que también detecta y aísla los fallos en los actuadores y sensores. Este sistema utiliza un enfoque innovador que combina un controlador de composición con una estrategia de detección y aislamiento de fallos, garantizando que el proceso no se descontrole si ocurre algún problema en los componentes. Se simuló el sistema usando una columna de destilación de 9 platos, un diseño común en la industria.
El control de la composición es clave para garantizar que los productos finales tengan la calidad deseada. Para ello, se diseñó un controlador que ajusta variables operativas de la columna, como el flujo de líquido y vapor, para mantener las concentraciones dentro de los niveles establecidos.
Sin embargo, debido a la naturaleza no lineal del sistema, los cambios en una variable pueden afectar otras de manera impredecible. Para abordar este desafío, el controlador utiliza una técnica llamada linealización por retroalimentación, que convierte el sistema no lineal en uno más fácil de controlar, permitiendo un seguimiento preciso de las composiciones en dos puntos clave de la columna.
Además, para asegurar que el proceso funcione sin interrupciones, es esencial detectar fallos en los componentes del sistema. Los actuadores controlan el flujo de líquidos y vapores, mientras que los sensores miden la temperatura en diferentes puntos de la columna. Si alguno de estos componentes falla, el proceso puede volverse inestable o incluso peligroso. Para detectar estos fallos, se diseñó un sistema que utiliza un observador de modo deslizante, un algoritmo que estima el estado del sistema en tiempo real. Si el observador detecta alguna discrepancia entre el comportamiento esperado y el real, genera una señal de alarma y activa una estrategia de aislamiento para evitar daños mayores.
Durante las simulaciones, se probaron 3 escenarios para evaluar la eficacia del sistema. En el primer escenario, se probó el controlador de composición sin fallos en los actuadores ni sensores. El sistema mantuvo las concentraciones en los niveles deseados con una pequeña diferencia entre los valores esperados y reales, demostrando que el controlador funciona correctamente bajo condiciones normales. En el segundo escenario se introdujeron fallos en los actuadores, específicamente en la válvula de reflujo y en la resistencia eléctrica del rehervidor.
El sistema de detección y aislamiento identificó rápidamente el fallo y generó una alarma. Gracias a un algoritmo de aislamiento, el sistema determinó cuál de los actuadores estaba fallando, permitiendo tomar las medidas correctivas necesarias.
En el tercer escenario, se simularon fallos en los sensores que miden la temperatura en los platos de la columna. Al igual que en el caso de los actuadores, el sistema detectó y aisló los fallos de manera eficiente. También identificó el sensor que estaba fallando, lo que permitió que el proceso continuara sin afectar la calidad del producto final.
El éxito de este sistema radica en su capacidad para controlar la composición y, al mismo tiempo, detectar y aislar los fallos en tiempo real. Esto es crucial, ya que garantiza que el proceso de destilación se mantenga dentro de los parámetros de seguridad y calidad, incluso si alguno de los componentes falla. Además, este enfoque reduce la intervención humana, lo que mejora la seguridad y hace el proceso más eficiente.
Los resultados de las simulaciones muestran que el sistema es eficaz no solo en el control de la composición, sino también en la detección y aislamiento rápido de fallos en los actuadores y sensores. Este tipo de tecnología puede ser muy útil en las operaciones industriales, ya que permite prevenir problemas antes de que se conviertan en fallos graves, mejorando la eficiencia operativa y reduciendo los riesgos asociados con las fallas en los sistemas de control.
Este es un resumen del artículo Actuator and Sensor Fault Detection and Isolation System Applied to a Distillation Column, publicado en la revista IEEE Access, el cual se encuentra publicado en https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3276717.
*Doctor en Ciencias en Ingeniería Electrónica. Profesor-Investigador de Tiempo Completo de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad de Colima, en el área de control, instrumentación y automatización de procesos.
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