apuntes capitulo 1 instrumentacion y control

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1.- INTRODUCCIN AL CONTROL DE PROCESOS QUMICOS

1.1.- INTRODUCCIN Para asegurar un buen desarrollo de los distintos procesos qumicos y bioqumicos que se llevan a cabo a nivel industrial, es necesario que los equipos que integran este tipo de plantas operen correctamente, desde la puesta en marcha de sta, hasta un tiempo determinado de vida til.

Un sin fin de cambios inevitables (composicin de la materia prima, vapor suministrado por la planta auxiliar, etc.) afectarn el funcionamiento de la planta durante el tiempo de operacin de sta. Debido a la existencia de estos cambios, llamados perturbaciones, es indispensable realizar una vigilancia continua sobre el proceso y tambin actuar sobre l con el fin de corregir las desviaciones que se detecten.

La automatizacin de un proceso que se lleva a cabo en una planta qumica, consiste tanto en vigilar como en actuar de manera correctora y de forma automtica, mediante la instalacin de un conjunto de instrumentos de medida y manipulacin del proceso que constituye el Sistema de Control, cuyo principal propsito es alcanzar una operacin segura y estable de la planta.

Existen varios grados de automatizacin , conforme aumenta el grado, ms seguro y eficiente es la operacin de la planta, menos operarios se requiere, aunque obviamente el costo y la complejidad del sistema de control ser mayor.

Generalmente se busca vigilar determinadas variables de operacin tales como, temperaturas, niveles, presiones o composiciones cuidando que no supere unos determinados valores lmite.

Adems, el sistema de control debe garantizar una operacin sin grandes oscilaciones en las variables que pudieran llevar al proceso a situaciones peligrosas. La accin correctora sobre la planta debe tener la intensidad adecuada y debe efectuarse en el momento preciso.

Pa Cariqueo Gonzalo Ruiz 2005

2Cabe esperar, que un sistema de control sea capaz de operar la planta en las condiciones ptimas (menor costo de operacin o el mximo beneficio). El problema est en que esas condiciones ptimas no son constantes, dependen de los valores que tengan las variables de perturbacin de cada momento, por ejemplo, el punto ptimo de operacin no ser el mismo con una composicin de las materias primas que con otra.

Por lo tanto, entre las principales razones para el control de un proceso podemos mencionar: Evitar lesiones al personal de la planta o dao al equipo. La seguridad siempre debe ser la consideracin ms importante. Mantener la clida del producto (composicin, pureza, color, etc.) en un nivel continuo y con un costo mnimo. Mantener la tasa de produccin de la planta al costo mnimo.

1.2.- EJEMPLO INTRODUCTORIO Considrese (figura 1.1) un calentador continuo de agua constituido por un tanque agitado y un serpentn de calentamiento a condensacin. Siendo Tr la temperatura especificada por el usuario (demanda variable del sistema), ubicado aguas abajo del tanque. Mediante una vlvula manual, el usuario manipula el caudal de agua caliente que se extrae del tanque.Vlvula de control automtica

Vlvula de control manual

Figura 1.1: Calentador continuo de agua.

Los objetivos que deben satisfacer el sistema de control son dos:


3 Mantener la temperatura del agua caliente que se suministra al usuario con el valor deseado por ste ( Ti = punto de consigna, valor de referencia o set point). Mantener el nivel del agua en el tanque a una altura tal que no haya peligro de que el tanque rebose o de que los tubos del serpentn se queden al descubierto.

Hay dos variables a controlar, temperatura y nivel del agua en el tanque. Siendo el control, de la temperatura el ms estricto.

En el calentador continuo de agua hay muchas variables de perturbacin que afectan a las variables a controlar siendo las ms significativas: el caudal del agua caliente demandado ( F ) y la temperatura del agua fra alimentada al tanque ( Te ). Otras variables de perturbacin pueden ser la presin tanto de suministro de agua fra como de

suministro de vapor de calefaccin. Si no existieran las perturbaciones no seria necesario un sistema de control, se podra alcanzar con facilidad el punto nominal de operacin , situacin de rgimen permanente en la que las variables a controlar se encuentran en los valores deseados Tr y he ( Fe = F , nivel de agua en estanque = constante).

La figura 1.2 muestra la variacin que experimentara el nivel h y la temperatura del agua caliente T , en ausencia de la actuacin sobre el proceso.

Figura 1.2: Comportamiento dinmico del calentador de agua.

Ante una disminucin en la temperatura del agua fra alimentada (figura 1.2a), la temperatura de salida tambin disminuye (el aporte de energa trmica no se ha incrementado). Ante una disminucin en el caudal de agua caliente demandado (figura


41.2b), el nivel del agua en el tanque aumentar, en cambio, mientras que el serpentn est sumergido la temperatura del agua no cambiar.

1.3.- DEFINICIONES Y CONCEPTOS

1.3.1.-Sistema de Control Abierto El sistema de control abierto o de lazo abierto, se refiere a la situacin en la cual se desconecta el controlador del sistema, el controlador no realiza ninguna funcin relativa a cmo mantener la variable controlada en el punto de control.

1.3.2.-Sistema de Control de Circuito Cerrado El sistema de control de circuito cerrado o lazo cerrado se refiere a la situacin en la cual se conecta el controlador al proceso; el controlador compara el punto de control (set point, la referencia) con la variable controlada y determina la accin correctiva.

1.3.3.-Variable de Proceso a Controlar Es la variable que se debe mantener o controlar dentro de un valor deseado. Variable deseada.

1.3.4.-Punto de Consigna o Referencia Es el valor que se desea tenga la variable controlada. Tambin llamado Set Point.

1.3.5.-Variable Manipulada o Variable de Control Es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada en el punto de consigna, o sea, se emplea para compensar o corregir el efecto de las perturbaciones.


51.3.6.-Variable de Perturbacin Variable externas al sistema de control que afectan a las variables controladas, ocasiona que sta se desvi del punto de control.

1.4.- ESTRATEGIAS DE CONTROL

1.4.1.-Control por Realimentacin La actuacin sobre el proceso para compensar el efecto de las variables de perturbacin puede basarse en el error (feed back).

error = valor medido valor punto de consignaSi la actuacin es manual consistir en aumentar la apertura de la vlvula de vapor si se detecta que la temperatura cae por debajo del valor deseado o reducirla en caso contrario, igualmente, en el caso del nivel de agua en el estanque. En este caso la actuacin manual es posible, pero en una planta real, con centenares de variables a controlar, este tipo de control o es aceptable. En un proceso qumico est tcnica y econmicamente justificado instalar un sistema de control automtico en el proceso. La figura 1.3 muestra los componentes esenciales del sistema de control por retroalimentacin del calentador de agua, estos componentes deben realizar tres funciones bsicas: Medicin de la variable que se controla: se hace generalmente mediante la combinacin de sensor y transmisor. Decisin con base en la medicin, el controlador decide qu hacer para mantener la variable en el valor que se desea. Accin como resultado de la decisin del controlador se debe efectuar una accin en el sistema, sta es realizada por el elemento final de control.


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Figura 1.3: Control por realimentacin del calentador de agua.

En esta figura se han representado conjuntamente los pares sensor-transmisor utilizando la nomenclatura ISA (Instrumental Society of America). LT: es el sensor-transmisor de nivel (level transmitter). TT: es el sensor-transmisor de temperatura (temperature transmitter). LC: es el controlador de nivel (level controller). TC: es el controlador de temperatura (temperature controller)

La ventaja del control por realimentacin consiste en que es una tcnica muy simple, que compensa todas las perturbaciones. Cualquier perturbacin puede afectar a la variable controlada, cuando sta se desva del punto de control, el controlador cambia su salida para que la variable regrese al punto de control. El circuito de control no detecta que tipo de perturbacin entra al proceso, nicamente trata de mantener la variable controlada en el punto de control y de esta manera compensar cualquier perturbacin. La desventaja del control por realimentacin estriba en que solo puede compensar la perturbacin una vez que la variable controlada se ha desviado del punto de control, esto es, la perturbacin se debe propagar por todo el proceso antes de que la pueda compensar el control por realimentacin.


71.4.2.-Control Anticipativo

Figura 1.4: Control anticipativo del calentador de agua.

La idea bsica consiste en actuar sobre el proceso en funcin de las perturbaciones observadas, el llamado control anticipativo (feed forward). El trmino anticipativo se refiere a que no hay que esperar a que se produzca un error para comenzara compensar, se acta desde el momento en que se detecta la perturbacin. Para compensar el efecto de una disminucin en la temperatura del agua suministrada al calentador, el sistema de control anticipativo ordenara abrir la vlvula de vapor para aportar ms energa al proceso, sin esperara que la temperatura del agua caliente comenzase a disminuir. Los elemento fsicos bsicos para montar el sistema, son los mismos que en un sistema de control por realimentacin. Este tipo de control es tericamente capaz de controlar de forma perfecta el proceso, en la practica esto no es posible, debido a que se deberan medir todas las perturbaciones al proceso y actuar en funcin de todas ellas, por otra parte, el algoritmo tampoco es perfecto ya que se obtiene a partir de un modelo terico o emprico del proceso.

En la practica se emplean conjuntamente ambas estrategias de control, el control por realimentacin se encarga de corregir el efecto de las perturbaciones no medidas y compensar el efecto de las imperfecciones del control anticipativo (figura 1.5).


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Figura 1.5: Control anticipativo y de realimentacin del calentador de agua.

1.5.- INTRUMENTOSDE UN SISTEMA DE CONTROL

1.5.1.-Sensor o Elemento de Medida Instrumentos que miden las variables a controlar, las variables de perturbacin y las variables secundarias a partir de los cuales se infiere el valor de las otras que no pueden medirse directamente o que es muy costoso hacerlo. Miden una propiedad y generan una seal mecnica, elctrica o neumtica.

1.5.2.-Transmisor o Transductor Convierte la magnitud del efecto fsico producido en el sensor en una seal estndar elctrica (4-20 mA), neumtica (3-15 psi.) o digital, que pueda ser transmitida a distancia sin verse perturbada y que pueda ser entendida por un controlador.

1.5.3.-Controlador Recibe la seal correspondiente a la variable medida y calcula la accin de control de acuerdo con el algoritmo de control que se haya programado en l. Este calculo se traduce en un valor determinado de la seal estndar de salida que se enva al elemento final de control.


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1.5.4.-Elemento Final de Control Elemento que manipula la variable de proceso de acuerdo con la accin calculada por el controlador, la cual le llega en forma de seal analgica estndar.

1.6.- NIVELES DE CONTROL DEL PROCESO Si se piensa no slo en una nica unidad de proceso sino en una planta completa compuesta por varias unidades que interaccionan entre s, el problema de control puede llegar a ser tremendamente complicado. Se requiere de tcnicas de control ms sofisticadas que lazos simples de realimentacin o anticipativos. A medida que el nivel de automatizacin aumenta , ms costoso es el sistema de control, pero tambin ms se acerca la operacin de la planta a su ptimo econmico.

1.6.1.-Control Regulatorio Bsico (CRB) Es el nivel ms bajo de automatizacin de un proceso y consiste en la implementacin de lazos simples de realimentacin que controlan presiones, niveles, caudales y temperaturas en varios equipos y/o conductos de la planta. La figura 1.6 muestra el control regulatorio bsico de una columna de destilacin. El caudal se alimentacin se controla mediante un lazo simple de caudal que ajustar la alimentacin al valor que se especifique como punto de consigna, en el controlador FC (1 en la figura 1.6). Los lazos de control de nivel (LC) (2 en la figura 1.6), manipulan los caudales de destilado y producto de fondo para mantener los niveles respectivos en sus puntos de consigna. Estos lazos cierran el balance de materia, asegurndose de mantener la cantidad de materia constante dentro de la unidad. Los lazos de temperatura manipulan el balance de energa. Si el TC (3 en la figura 1.6) que controla la temperatura en un plato de la seccin de agotamiento detecta una cada de temperatura, ordenar abrir ms la vlvula de vapor para aumentar el aporte de energa a la columna.


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Figura 1.6: Control regulatorio bsico de una columna de destilacin.

En este sistema de control no se controla la presin que, en consecuencia, rondar en torno a un valor nominal seguro siempre que no se pase la capacidad de condensacin del condensador. Por otro lado, las perturbaciones no se detectan hasta transcurrido bastante tiempo, cuando afecta ya a las variables controladas, y queda de esperar una mala calidad de producto. La composicin de los productos sufrir amplias oscilaciones que obligarn a operar con unos mrgenes de seguridad muy amplios, incrementando los costos, ya que, la obtencin de productos de calidad superior a la requerida, slo se consigue a costa de un mayor consumo energtico.

1.6.2.-Control Regulatorio Avanzado (CRA) Es el segundo nivel de automatizacin, se caracteriza por la utilizacin de diversas tcnicas de control que expanden el concepto de realimentacin por un lado y lo complementan por otro. Aparecen los lazos en cascada que se organizan de un modo jerrquico. Como se observa en la figura 1.7, el lazo primario de nivel, que controla el nivel en el fondo de la columna de destilacin no manipula una vlvula sino el punto de consigna del controlador de caudal localizado en el lazo secundario (1 en la figura 1.7). Adems de lazos en cascada se utilizan tambin los lazos anticipativos que actan sobre determinadas perturbaciones (las ms frecuentes), antes que afecten a ala variable controlada. Se suele emplear un controlador anticipativo para ajustar los caudales de


11reflujo y de vapor al caldern en funcin de los cambios experimentados por el caudal de alimentacin. El controlador anticipativo es en realidad un controlador de proporcin que trata de mantener constante las relaciones de los caudales de reflujo y vapor con el de alimentacin.

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Figura 1.7: Control regulatorio avanzado de una columna de destilacin.

Entre las tcnicas de CRA podemos incluir las compensacin de tiempos muertos. Con este tipo de control se consigue una mejor calidad de control ante las perturbaciones que afectan el proceso, y naturalmente esto conlleva a un menor consumo de energa y una operacin econmicamente ms favorable.

1.6.3.-Control Multivariable (CM) Se trata de una tcnica de control que se construye partiendo de la base de que una variable manipulada afecta a varias variables controladas de la unidad o de la planta. Cualquier accin correctora que se tome sobre una variable manipulada para corregir una desviacin en una variable controlada, perturbar a las dems variables controladas. Ante una desviacin de una variable controlada, el controlador multivariable actuarn simultneamente sobre todas las variables manipuladas de forma que las restantes variables controladas no se vean afectadas o lo sean mnimamente. Como se muestra en


12la figura 1.8, el controlador multivariable actuara simultneamente sobre el caudal de reflujo y sobre el caudal de vapor del caldern.

Figura 1.8: Control multivariable de una columna de destilacin.

Para implementar esta tcnica de control es necesario obtener el modelo matricial del proceso que relaciona todas las variables de salida a controlar con las variables de entrada manipulables. La inversin de este modelo conduce a otro con el que se pueden predecir los valores que deben tener las variables manipuladas para que las controladas se mantengan en los valores de referencia. Este modelo invertido constituye la base sobre la que se construye el controlador multivariable. 1.6.4.-Optimizacin en Lnea La optimizacin es un proceso consiste en la determinacin de las condiciones de operacin con las que se obtiene el mximo beneficio econmico. Las condiciones ptimas de operacin cambian al variar las determinadas variables externas a la planta (calidad de las materias primas, cantidad de producto deseado, especificaciones de calidad del producto que se fabrican). Un sistema de optimizacin en lnea recibe informacin de las variables externas y acta en tiempo real sobre los puntos de consigna de las variables controladas al objeto de que el proceso est continuamente operando en condiciones ptimas.


13La figura 1.9 ayuda a aclarar el concepto de optimizacin en lnea y a compara los beneficios que pueden obtenerse con los diferentes grados de automatizacin de un proceso.

Figura 1.9: Eficiencia de los distintos niveles de control de un proceso. La curva superior representa el ptimo terico que se alcanzara en el supuesto de que el modelo del proceso fuera perfecto, inmediatamente despus se encuentra representada la optimizacin en lnea, la frecuencia de actuacin sobre el proceso es muy elevada y el seguimiento del ptimo terico bastante bueno. La frecuencia de actuacin depender de la frecuencia con que se reciba la informacin sobre las variables de perturbacin y del tiempo necesario para calcular el ptimo. Con una tcnica de control avanzado, las correcciones en los puntos de consigna se efectan con una frecuencia menor, un seguimiento menos ajustado del ptimo terico. El rea comprendida entre dos curvas de rendimiento representa el incentivo econmico que tiene pasar de un nivel da automatizacin a otro.

1.7.- DISEO DEL SISTEMA DE CONTROL Para una planta compleja con elevado grado de integracin, el diseo del sistema de control, en general debe incluir las siguientes actividades:


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1.7.1.-Definir los Objetivos de Control Pueden ir desde asegurar la estabilidad del proceso hasta lograra una operacin ptima de la planta.

1.7.2.-Identificar las Variables Medidas y Manipuladas Habr que medir las variables directamente involucradas en los objetivos de control. Cuando esto no sea posible hacerlo se acude a variables secundarias, a partir de las cuales se infiere la variable no medible (como ejemplo podemos mencionar la medicin de absorbancia para determinar la biomasa). La identificacin de las variables manipulables, tambin es de vital importancia, ya que, la calidad de control alcanzable depende en buena medida de una eleccin correcta de la misma.

1.7.3.-Seleccionar la Configuracin del Sistema de Control Es en esta fase cuando se decide si se van a emplear lazos simples de regulacin, lazos en cascada, que perturbaciones van a ser objeto de control anticipativo, el emparejamiento entre las variables a controlar y las variables manipulables, etc.

1.7.4.-Especificar la Instrumentacin de Monitorizacin y Control Definir los instrumentos de medida (sensores y transmisores), los controladores y los elemento finales de control. Esta tarea tiene una gran repercusin sobre la fiabilidad y el coste del sistema de control.

1.7.5.-Diseo de los Controladores Todos los controladores involucrados en la configuracin de control que se hayan definido deben ser sintonizados, de acuerdo con el valor del set point, para que la accin correctora tenga la magnitud adecuada y se produzca en el momento preciso


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