instrumentacion y control de plantas quimicas
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01 Introducción.doc 1
1. Instrumentación y Control (Automático) de Plantas Químicas 1. Introducción al Control Automático _______________________________ 1
1.1. La Asignatura ___________________________________________________________________________________________________ 2 1.2. Objetivos del Control _____________________________________________________________________________________________ 5 1.3. Idea de Control __________________________________________________________________________________________________ 8 1.4. Características del Control _______________________________________________________________________________________ 10 1.5. Historia _______________________________________________________________________________________________________ 12 1.6. Los Componentes del Sistema de Control ___________________________________________________________________________ 18
1.6.1. El Proceso ________________________________________________________________________________________________________________ 22 1.6.2. Objetivos _________________________________________________________________________________________________________________ 23 1.6.3. Sensores _________________________________________________________________________________________________________________ 24 1.6.4. Los actuadores _____________________________________________________________________________________________________________ 25 1.6.5. Comunicaciones ____________________________________________________________________________________________________________ 26 1.6.6. El cómputo ________________________________________________________________________________________________________________ 27 1.6.7. La arquitectura y las interfaces ________________________________________________________________________________________________ 28 1.6.8. Algoritmos utilizados ________________________________________________________________________________________________________ 32 1.6.9. Influencia de las perturbaciones e incertidumbres__________________________________________________________________________________ 34 1.6.10. Coherencia _______________________________________________________________________________________________________________ 34 1.6.11. Análisis de Costos _________________________________________________________________________________________________________ 34
1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto ______________________________________________________________________________________ 35 1.8. El Control como Rama de la Ingeniería _____________________________________________________________________________ 39
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1.1. La Asignatura Nombre: 76.56 Instrumentación y Control de Plantas Químicas Créditos: 10 (10 horas semanales) Docentes: Aníbal Zanini e-mail: [email protected] Matías Segal Manuel Remer Nicolás Galanternik Sergio Hanela Horarios: Teoría: Viernes de 18 a 22 hs Práctica: Lunes de 18 a 22 hs
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Metodología: Teórico práctico con prácticos en computadora y planta Modalidad: La materia se evalúa mediante:
- un parcial dividido en dos partes a mediado y fin del cuatrimestre - un trabajo práctico de simulación - un coloquio integrador final
- El parcial y el trabajo práctico no tienen nota sino que estarán aprobados o des-
aprobados. - Cada parte del parcial tendrá un recuperatorio. - Existe un último recuperatorio, que se puede utilizar para aprobar una de las partes
del parcial - La nota final será la del coloquio integrador. - Para estar apto para el coloquio se deben tener aprobada las dos partes del parcial
y el Trabajo Práctico. - La fecha límite de entrega del Trabajo Práctico es una semana antes del último re-
cuperatorio. - Se deberá tener un 80% asistencia a las clases prácticas
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Página: http://materias.fi.uba.ar/7609/ Bibliografía básica:
- Chemical Process Control - Stephanopoulos,G.Prentice-Hall,1988 - Control Automático de Procesos - Smith-Corripio, Limusa,1991 - Control System Design. Goodwin, G. C., Salgado M.E., y Graebe S. F.. Prentice
Hall, 2001. - Ingeniería de Control Moderna - Ogata, K., Prentice-Hall. 2002 - Process Control - Harriot, P., McGraw-Hill. - Teoría de Control para Procesos Industriales – Zanini, A. AADECA - 2006 - Apuntes de Clase – ver página web de la materia.
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1.2. Objetivos del Control
u
r
G
y
sd
ed
Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando
una señal de entrada (u). Se debe cumplir esto independiente de
- ed perturbaciones de entrada
- sd perturbaciones de salida
- G imprecisión en el conocimiento de la planta (G G )
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e sy G u d d [1.1]
Ejemplo: "mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fric-ción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medición poco precisa y que no se conoce exactamente las características de la bomba"
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e sy G u d d [1.3]
y s G s
r s 1G s
u s
y s G s
r s K s
u s e s ed s sd s
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1.3. Idea de Control Bases de nuestro curso:
Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar Estudio de técnicas para el control, especialmente dinámico.
Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática: Sistemas diseñados por el ser humano: “La Tecnología Oculta” control de velocidad, posición, nivel, temperatura En seres vivos control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de pupilas. Control con realimentación: caso especial. ejemplo heladera o caldera
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Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas humanas Hoy es usado para: - aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad - mejor rendimiento - menor desperdicio y reprocesado de productos - menos contaminación - mayor margen de seguridad - menor consumo de energía Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy importante.
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1.4. Características del Control
- Control con Realimentación Se usa para:
- Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado ce-ro
- Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta espe-cificación. Muy común en sistemas mecánicos
- Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u otro tipo de cambios. Común en control de procesos.
- Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso. - El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de con-
trol - Utilizar la lógica para analizar los problemas - Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos - La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H ) es de relevancia secun-
daria.
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- Estabilidad un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio
- Estabilidad marginal el sistema tiene una oscilación sostenida
- Inestabilidad - el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente
- El control puede - estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable - desestabilizar un sistema estable - mejorar la velocidad de respuesta - reducir el efecto de las perturbaciones - reducir el efecto de las incertidumbres
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1.5. Historia
- Control de nivel
Sensor y actuador coinciden
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- Control de Temperatura (1620)
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- Control de Velocidad de Rotación (1788)
se utilizan como sensor de velocidad - varían la salida de vapor
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La industria moderna cuenta con sofisticados sistemas de control que son crucia-les en su operación.
Planta de Reducción Directa
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La Ingeniería de Control ha tenido, y tiene, un fuerte impacto social.
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- Teoría J.C. Maxwell – 1868 – On Governors – ecuaciones diferenciales, linealización, es-
tabilidad, ecuación característica. E. J. Routh – 1877 – gana premio Adams con su criterio de estabilidad. A. M. Lyapunov – 1892 – estabilidad (recién se utilizó en control a partir de 1958) H. Nyquist – estabilidad en frecuencia H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados – análisis frecuencial – impacto de las comunicaciones Callender (1936) PID para procesos industriales Wiener (1930) procesos estocásticos Kalman y Bellman 1950 – optimización y filtrado Pontryagin – variables de estados (edo) control óptimo Moscu – 1960 – nace IFAC AADECA – Argentina – 1960 - miembro fundador de IFAC
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1.6. Los Componentes del Sistema de Control Automatización Típica
- nivel proceso
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Nivel Planta
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PDY1305
TY1928
TIC1928
TT1928A
TT1928B
HS1928
PSL/L1322A
FS 1320B
FS 1320A
100561
PCV1322B
PSL/L1322B
100563
PSH/H1322
100562
FT1322
PCV1322A
SV1322A
SV1322B
SV1322C
FT1924B
PCV1323
SV1323A
SV1323B
SV1323C
PSH/H1323
100403
PSL/L1323B
100404
FY1924
HIC1924B
FS1309
Temp.Techo
TY1903
TT2308/1
TIC2308/A1
TY2308A
TY2308B
TT2308/11
TT2308/29
TT2308/2
<
TT2308/30
TT2308/12
<TV2308B
TV2308A
HV2309
HV1309A
PY1918
PIC1918
PT1918
FT1923B
PV1918
Top GasScrubberFS-1303
HV1307
FV1921B
AV1912
FT1921A
FIC1921B
FT1921B
FY1921B
FFY1921
FT1312A
FIC1921A
AY1912
AIC1912
HS1912
HIC1307
FS1304-2
FS1305
FS1304-1
PDT1304/1
PDT1304/2
PT1304/1
TT1304/1
PT1304/2
TE1304/2
ByPass
ByPass
PDT1305
PT1305
TT1305
ByPass
ByPass
Si lencer1304-2
Silencer1304-1
Silencer1305
FV1919A
FY1921
PT1919
SVxxxx
SVxxxx
ReformedGas Cooler
FS-1315
HY1914A
HV1914A
TY1914B
TV1914B
TT1914B
TT1914A
HIC1914A
TIC1914B
FT1939
HV1938
FY1938
HIC1938
AV1937
AY1937
AIC1937
HS1937
AT1912A[CO2]
CoolingZone
ScrubberFS-1314
FS1313
Silencer1313 Cooling
Zone Mist.E lim inatorFS 1327
PDT1313
PT1313
TT1313
FV1914C
FY1914C
FIC1914C
FT1914C
TIC2308/A2
TIC2308/B1
TIC2308/B2
PDY1304
PDIC1304/1
PDIC1304/2
Auxi liary Burners
Main Bur ner s
AT1912C[CO2]
AT1937A[CH4 ]
AT1937B[CH4 ]
FV1933
FY1933
ZS1933
TE1949
FT1933
AT1979[CO]
FIC1933
FIC1978
FY1978
FV1978
FT1978
Gas Reformado
Gas Reductor
AT1988[H2]
AT1913B[CH4]
AT1913A[CH4]
Gas de Tope
Gas de TopeCombustible
Gas deProceso
Gas Mezcla
AT1902
PT1980A
AT2332-1
[O2]
AT2335-1[CO]
AT2335-3[CO]
AT2332-2
[O2]
AT2335-2[CO]
AT2332-4
[O2]
AT2335-4[CO]
AT2332-5
[O2 ]
AT2335-5
[CO]
P & I ProcesoReduccion Directa
PV2333
FS1333
PY2333
PT2333A
PT2333B
PIC2333
FT2003
TE2003
FIC2003
PT2003
FY2003
SV2003
N2
O2
FIC1979
FY1979
FV1979
FT1979
PT1915B
PT1980F
PT1915A
TT1917/7C
TT1917/7B
TT1917/7A
TT1948C
FT1921C
FT1302
SV1302B
SV1302A
SV1302C
TE1302
PT1302
CH4
PC 1918PDC 1304-1PDC 1304-2
PC 1919FC 1921A
AC 1912HC 1307
FC 1921B
Gas de Proceso
TC 1914BHC 1914AC 1937FC 1938FC 2003
Gas Reformado
FC 1914C
FC 1933
GasEnfriamiento
FC 1978
Gas Natural aHorno Reductor
FC 1979TC 1903
Reformador
FC 1924TC 2308-A1
Recuperador
TC 2308-A2FC 1934FC 1309TC 1928PC 2333
TC 2308-B1TC 2308-B2
Auxiliary Blowers
Main Blower
Aire de Di lucion
Air e y GasNatural a Gas
de Sello
Aire SecadorGas de Sel lo
Gas de Sello
[CO2]
300223300183
300335
300336 300092
300225
300226 3xxxxx
300109
300106 300093
300222300245
300270
300202
300262
300403
300242 300263
A1
G1
H1 Humos aGas de Sel lo
FT1915
HY1915
HV1915
HIC1915
ZT1915
FV1914D
FY1914D
FIC1914D
FT1914D
TC 1915
FC 1914D
Plano: 01 PI 1001Automático
Manual
TV1928
Variable de control
Control en PLC
TV1924A
HV1924B
FIC1934
FY1934
HIC2309
FV1934
HS1925
FIC1309
FY1309
HV1919
HIC1919
r elacionador1:8
FY1919
300256
METANO A GASREFORMADO300257
Adición CH4a zona de
enfriamiento
300390
Adición CH4a zona detransición
300255
300013
300014
temphumos
temphumos
HV1928
300290 300291
tempaire
r ecuper
tempaire
recuper
300015
300016
400003
300198 300199
Reciclo FS-1313(Gas Enfriamiento)
Gas de Enfriamientoa Gas Reformado Frío
Gas Enfriamiento aGas de Proceso
Caudal deOxígeno
VenteoGas de TopeCombustible
Control Presión Sistema
Presión DiferencialCompresoresPrimera Etapa
Presión DiferencialCompresor
Segunda Etapa
CaudalGas de Proceso
(Fino)
CaudalGas de Proceso
(Grueso)
Caudal Gas Naturala Proceso (Grueso)
CO2 en GasReformado
(Caudal CH4)
Presión HornoReformador
CaudalAire
Dilución A
CaudalAire
Dilución B
TemperaturaGas Reductor
TemperaturaCombustión
Auxiliar
TemperaturaCombustion
Principal
300009
300010
CaudalGas deProceso
Caudal CH4 a Quemadores
Principales
Damper 1309
BloqueoAire
Dilución
Caudal Aire a Combustión
Principal
300153
300376
300258
300145 300151
300021
300152
AT2332-3
[O2 ]
300020
300019
400001
400002
Caudal Controlde TemperaturaGas Reductor
Adición de Metano aGas Reductor(Grueso)
Adición de Metano aGas Reductor(Vernier)
FV2003
PDV1304
PDV1305
HV1305
HV1304
SV2003A
SV2004
SV2003B
SV2003C
PT1323A
PTXXXX
ZSO1932A2
ZSO1932A1
ZSC1322C
10/1
ZS1309A
FT1322A
HV2307
000244 000244
000249
TIC1924A
FT1934
PT1323A
300204
FIC2003
01 Introducción.doc 21
El éxito en la ingeniería de control está en la visión multidisciplinaria (holística) del problema. Algunos elementos que intervienen son los siguientes:
- El proceso a controlar - Los objetivos buscados - Los sensores disponibles o a utilizar para acceder a las variables a medir - Los actuadores - Las comunicaciones - El cómputo - La arquitectura y las interfaces - Algoritmos utilizados y modelos - La influencia de las perturbaciones e incertidumbres
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1.6.1. El Proceso Proceso: grupo de elementos interactuantes que le dan al conjunto (o sistema) de-
terminadas cualidades dinámicas o temporales. Proceso y sistema: proceso es un sistema, pero en el que sus elementos pueden
ser solo materia, energía o información. El proceso cambia de instante a instante pasando de un estado a otro. Variables de salida: variables que reflejan el estado de un proceso (accesibles). Variables de control: elementos que afectan el comportamiento o estado del pro-
ceso y pueden ser comandadas por nosotros Perturbaciones: elementos que afectan el comportamiento o estado del proceso y
no pueden ser comandadas por nosotros La disposición y las funciones de cada elementos de un proceso (layout) es una
parte fundamental del problema de control. El ingeniero de control debe tener una relación familiar con la física del proceso
en estudio. Esto incluye un conocimiento básico de los balances de masa y energía y los flujos
de materiales o energía en el sistema.
01 Introducción.doc 23
1.6.2. Objetivos Antes de especificar sensores y actuadores, o de diseñar estrategias de control es
necesario definir cuál es el objetivo a alcanzar con el proyecto de control. Esto incluye: - Qué se quiere alcanzar (reducción de energía, aumento del rendimiento, etc). - Qué variables se necesitan controlar para lograr esos objetivos - Qué comportamiento se necesita (precisión, velocidad, etc)
01 Introducción.doc 24
1.6.3. Sensores Los sensores son los ojos del control. Permiten ver qué está pasando. Común-
mente se dice: - Si lo puedes medir, lo puedes controlar o, - No se puede controlar lo que no se puede medir
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1.6.4. Los actuadores Una vez definidos los sensores que reportarán el estado del proceso, el paso si-
guiente es definir la forma en que afectaremos o actuaremos sobre el sistema. Los actuadores son los elementos que moverán el proceso del estado actual hacia
el estado deseado. Un problema típico de control industrial involucra una serie muy variada de actua-
dores
01 Introducción.doc 26
1.6.5. Comunicaciones La interconexión de los sensores, actuadores y el resto de elementos, involucra
un sistema de comunicaciones. Una planta industrial puede tener miles de señales que se envían a grandes dis-
tancias. El diseño del sistema de comunicación y sus protocolos asociados toman una re-
levante importancia en la ingeniería de control moderna.
01 Introducción.doc 27
1.6.6. El cómputo En un sistema de control moderno, la conexión entre sensores y actuadores se
hace a través de un elemento de cálculo digital. Este elemento digital o computador es parte del diseño global. Los sistemas de control actuales utilizan una gran variedad de elementos digitales,
incluyendo DCSs (distributed control systems), PLCs (programmable logia controllers), PCs (personal computers), PECs (power electronic controllers), etc.
01 Introducción.doc 28
1.6.7. La arquitectura y las interfaces El problema de conectar qué cosa con qué otra no es algo trivial en el diseño del
sistema de control. Uno está tentado a pensar que la mejor solución es llevar todas las señales a un
punto central. En ese caso cada acción de control estará basada en la máxima infor-mación (esto es lo que se llama control centralizado).
Rara vez, esta es la mejor solución en la práctica. Hay muchas buenas razones por las que no sería conveniente llevar todas las se-
ñales a un único punto. Estas razones incluyen costo, complejidad, tiempo de cómpu-to, confiabilidad, etc.
01 Introducción.doc 29
- Control Jerárquico Típico
01 Introducción.doc 30
01 Introducción.doc 31
Nivel Descripción Objetivo Frecuencia de muestreo Herramienta de diseño
4 Optimización de toda la planta
Conjugar órdenes de compras con programa-ción de la producción
Una vez al día Optimización estática
3 Optimización del estado estacionario en una uni-dad operativa
Operación eficiente de una unidad individual (por ejemplo línea de CND)
Cada hora Optimización estática
2 Control dinámico en una unidad operativa
Lograr los presets o valo-res de referencia impues-tos por el nivel 3 lo más rápido posible e indepen-diente de las condiciones operativas
Cada minuto Control multivariable, por ejemplo control predictivo basado en modelos
1 Control dinámico de los actuadotes
Alcanzar los caudales o temperaturas especifica-das en el nivel 2 manipu-lando válvulas, motores, etc.
Cada segundo Control individual por va-riable, por ejemplo PID
01 Introducción.doc 32
1.6.8. Algoritmos utilizados Finalmente, llegamos al corazón de la ingeniería de control: los algoritmos que co-
nectan los sensores con los actuadores. Es fácil de subestimar este aspecto del problema. Un ejemplo es el juego de tenis al máximo nivel internacional. Se necesita buena
vista (los sensores), músculos fuertes (actuadores), pero esto no es suficiente. La co-ordinación ojo-brazo (esto es el control) es crucial también para el éxito.
- Mejores sensores, dan una mejor visión - Mejores actuadores, dan mejores músculos - Mejor control, da una mayor destreza y combinación más inteligente de los sensores
y los actuadores.
01 Introducción.doc 33
La industria tiene músculos y ojos El control brinda la destreza para manejar esos músculos
01 Introducción.doc 34
1.6.9. Influencia de las perturbaciones e incertidumbres La ciencia del control se hace interesante porque los procesos reales están per-
turbados por fenómenos no contemplados o no controlados. Estos factores pueden tener una influencia muy importante en el comportamiento
del sistema. Ejemplos: la variación de la carga en un horno de TT o las olas del baño en un
EAF.
1.6.10. Coherencia La bondad del sistema de control en su conjunto, está dada por la calidad del es-
labón más débil. Al diseñar un sistema de control se debe pensar en que todos los elementos, plan-
ta, sensores, actuadotes, comunicaciones, interfaces, algoritmos, sean de una preci-sión y calidad comparable.
1.6.11. Análisis de Costos Debemos tener presente que todo proyecto de automatización y control, como to-
do otro proyecto, debe estar justificado económicamente. Esto requiere un análisis de costo-beneficio
01 Introducción.doc 35
1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto
- Lazo Abierto
más estable adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano necesita menos potencia más económico
01 Introducción.doc 36
- Lazo Cerrado
01 Introducción.doc 37
01 Introducción.doc 38
Usa realimentación menos sensible a perturbaciones tendencia a sobre corregir errores y a inestabilizar el sistema
01 Introducción.doc 39
1.8. El Control como Rama de la Ingeniería
- No es fácil controlar un proceso - La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada - Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento Un control de alto rendimiento es caro y requiere: - conocimiento acabado del proceso - conocimiento de su dinámica - comprensión de la teoría de control - buenos sensores - computadoras rápidas Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más so-fisticado
01 Introducción.doc 40
- ¿Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control? Hardware (no es un problema)
- comunicaciones rápidas - velocidad de procesamiento - flexibilidad - software amigable Sensores y Actuadores ( sí es un problema)
- muchas veces no se comprende lo importante que es esto - a veces no existen sensores - o son muy lentos
Tiempo (si) - se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema - diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado
01 Introducción.doc 41
Cultura (si) - Nivel gerencial
o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría)
- Gente de Proceso y Control o el control no es fácil o se debe pensar más allá del pensamiento actual o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar
- Operadores o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados
- Docentes o ir más a la práctica o unir la teoría sofisticada con la aplicación
01 Introducción.doc 42
El ingeniero de control está pasando de diseñar controladores
a diseñar procesos
01 Introducción.doc 43
Beneficios del Control - Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel
o gasto en educación básica de control o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos
- Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento. o regulación compleja o supervisión o optimización
- Recordar: hay que cuantificar los beneficios!! - Cálculo de la tasa de retorno. Deseable: < a un año
01 Introducción.doc 44
- ¿Cómo abordar un problema de control complejo? - Conformar un equipo de trabajo
o multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores, gerentes.
- - Definir la situación actual: o ¿qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? ¿cómo lo medi-
mos? - Listar las mejoras a introducir
o ¿cuál es la mínima mejora aceptable? - Cuantificar los beneficios
o ponerlos en cifras $$ o calcular la tasa de retorno
- Elegir un método de diseño y solución acorde o hay muchos para elegir o el método en sí no influye en el costo pero puede traer dolores de cabeza
- Implementación
01 Introducción.doc 45
o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables)
- Verificación de resultados o importante para futuros proyectos o escribir todo o hacerlo circular entre gerentes y supervisores
01 Introducción.doc 46
La industria tiene músculos
El control brinda la destreza para manejar esos músculos