Modelado, simulación y puesta en marcha virtual del control MPC de un intercambiador de calor

Abstract

En la industria, existen numerosos procesos que deben ser controlados y/o automatizados. Sin embargo, trabajar directamente con los sistemas físicos puede ser limitado debido al riesgo de fallos en el control, los cuales podrían ocasionar daños graves en los equipos y/o personas. Esto plantea la necesidad de operar con sistemas de manera digital, lo que no solo aporta mayor tolerancia a fallos, sino que también facilita una transición amigable entre el entorno virtual y el físico. Además, el uso de técnicas avanzadas de control aumenta a lo largo de los años, ya que suelen permitir una optimización más eficiente de los recursos disponibles. En este documento se lleva a cabo el modelado y la simulación dinámica de un intercambiador de calor ubicado físicamente en el laboratorio de automatización industrial. Este sistema ha sido trabajado en memorias anteriores, por lo que cuenta con lazos de control PID local y la aplicación de control predictivo basado en modelo tipo supervisor de Honeywell, constituyendo el punto de partida de este desarrollo. El enfoque de esta memoria se centra en la creación de dos simulaciones. La primera consiste en el control MPC directo del intercambiador de calor virtual, mientras que la segunda implementa el control MPC supervisor del sistema usando el programa LabVIEW. Finalmente, complementario a memorias anteriores, se realiza la conexión remota entre dos computadores vía OPC. En el primer computador, configurado como DCS, se ejecuta el control MPC, y en el segundo, se simula la dinámica del sistema en tiempo real, configurando de esta manera un gemelo digital del tipo “Controller Hardware in the Loop (C-HIL)”. In the industry, there are countless processes that need to be controlled and/or automated. However, working directly with physical systems can be challenging due to the risk of control failures, which could lead to significant damage to equipment or people. This highlights the need to operate systems digitally, which not only improves fault tolerance, but also ensures a smoother transition between virtual and physical environments. Moreover, the adoption of advanced control techniques has been steadily growing over the years, as they generally allow for more efficient resource optimization. This document focuses on the modeling and dynamic simulation of a heat exchanger located in the industrial automation lab. This system has been addressed in previous studies, and it features local PID control loops along with the implementation of a supervisory model-based predictive control (MPC) made with Honeywell software, which makes the starting point of this study. The core of this study involves creating two simulations. The first focuses on direct MPC control of the virtual heat exchanger, while the second applies supervisory MPC control to the system using LabVIEW software. Lastly, as a complement to previous studies, a remote connection is established between two computers using OPC. The first computer, configured as DCS, runs the MPC control, while the second simulates the system’s dynamics on real time, thus configuring a digital twin of the “Controller Hardware-in-the-Loop (C-HIL)” type.