ana soto campos

28
Introdución ao control de procesos químicos 1 Ana Mª Soto Campos Departamento de Enxeñaría Química Escola Técnica Superior de Enxeñaría

Upload: carlosotiniano

Post on 20-Nov-2015

230 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

asc

TRANSCRIPT

  • Introducin ao control de procesos qumicos

    1

    Ana M Soto Campos

    Departamento de Enxeara QumicaEscola Tcnica Superior de Enxeara

  • ADVERTENCIA LEGAL: reservados todos os dereitos. Queda prohibida a duplicacin, total ou parcial des-ta obra, en calquera forma ou por calquera medio (elec-trnico, mecnico, gravacin, fotocopia ou

    outros) sen consentimento expreso por escrito dos editores.

    Dep. Legal: C 53 - 2013 ISBN 978-84-9887-960-5

    Universidade de Santiago de Compostela, 2013

    Esta obra atpase baixo unha licenza Creative Commons BY-NC-SA 3.0.Calquera forma de reproducin, distribucin, comunicacin pblica ou

    transformacin desta obra non includa na licenza Creative Commons BY-NC-SA 3.0 s pode ser realizada coa autorizacin expresa dos titulares, salvo excepcin prevista pola lei. Pode acceder Vde. ao texto completo da licenza nesta ligazn:

    http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/legalcode.gl

    DeseoUnidixital

    Servizo de Edicin Dixitalda Universidade de Santiago de Compostea

    EditaVicerreitora de Estudantes,

    Cultura e Formacin Continuada Universidade de Santiago de Compostela

    Servizo de Publicacinsda Universidade de Santiago de Compostela

    ImprimeUnidixital

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 3

    MATERIA: Instrumentacin e control de procesos TITULACIN: Grao en Enxeara de Procesos Qumicos Industriais PROGRAMA XERAL DO CURSO Localizacin da presente unidade didctica BLOQUE TEMTICO I: INTRODUCIN Unidade I. Introducin ao control de procesos qumicos

    Obxectivos do control de procesos Control secuencial e control continuo O istema de control de procesos Representacin de lazos de control Estratexias de control Niveis de control de procesos Deseo do sistema de control

    BLOQUE TEMTICO II: DINMICA DE PROCESOS Unidade II. Modelizacin do comportamento dinmico de procesos qumicos

    Introducin Metodoloxa para a determinacin de modelos Mtodo analtico para a determinacin de modelos. Exemplos Mtodo emprico de modelizacin Unidade III. Anlise dinmica de procesos

    Introducin Resposta dinmica dun modelo integrador Resposta dinmica dun modelo de primeira orde

    Resposta dinmica dun modelo de primeira orde con tempo morto Resposta dinmica dun modelo de segunda orde Resposta dinmica de sistemas mis complicados BLOQUE TEMTICO III: CONTROL DE PROCESOS Unidade IV. Instrumentacin para o control de procesos. Modelizacin

    Introducin Caractersticas bsicas dos instrumentos de medicin e actuacin Instrumentos de medicin/transmisin Instrumentos de actuacin Controladores de realimentacin Unidade V. Anlise dinmica de lazos de realimentacin ou feed-back

    Introducin Modelizacin e anlise dinmica dun lazo de realimentacin Anlise dinmica de diferentes lazos de control Unidade VI. Estabilidade de lazos de realimentacin

    Criterio xeral de estabilidade Mtodo de Routh Mtodo de substitucin Unidade VII. Mtodos de axuste de controladores

    Criterios de axuste de controladores Mtodos de axuste de controladores

    s

  • 4 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    Unidade VIII. Outros sistemas de control Control multivariable

    Control en cascada Control anticipativo ou feed-forward Control primario mediante CLP

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 5

    NDICE Presentacin ....................................................................................... 7 Os obxectivos ..................................................................................... 7 A metodoloxa ..................................................................................... 7 Os contidos ......................................................................................... 8 1. Obxectivos do control de procesos ............................................. 8 2. Control secuencial e control continuo ......................................... 8 3. O sistema de control de procesos ............................................... 9 3.1. Elementos constituntes ...................................................... 11 3.2. Operacins ..................................................................... 11 3.3. Terminoloxa ..................................................................... 12 4. Representacin dos lazos de control .......................................... 13 4.1. Diagramas P&I .................................................................... 13 4.2. Diagramas de bloques ........................................................ 16 5. Estratexias de control .................................................................. 18 5.1. Control de realimentacin ou feed-back ............................. 18 5.2 Control anticipativo ou feed-forward .................................... 19 6. Niveis de control de procesos ..................................................... 20 6.1. Control bsico ..................................................................... 22 6.2 Control avanzado ................................................................ 24 6.3 Control multivariable ............................................................ 25 6.4 Optimizacin on-line ............................................................. 26 7. Deseo do sistema de control ..................................................... 26 Actividades propostas ..................................................................... 27 Avaliacin da UD ..................................................................... 27 Bibliografa ..................................................................... 28

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 7

    PRESENTACIN A presente Unidade idctica (en diante UD) encdrase no primeiro Bloque da materia Instrumentacin e Control de Procesos do terceiro curso do Grao en Enxeara de Procesos Qumicos Industriais. a nica UD do bloque introdutorio. Pretende dar unha idea global de que o control de procesos qumicos e cal a sa utilidade, cales son as tcnicas dispobeis e a instrumentacin necesaria para implementalas. Amosar ao alumnado que dependendo dos obxectivos e investimentos a realizar, poden desearse dende sistemas de control moi bsicos ata os mis complexos. Esta unidade permitir adquirir a linguaxe propia do control de procesos e recoecer as sas representacins, establece por tanto a base da disciplina. A unidade ser impartida en nove horas: seis de contidos tericos, das de traballo do alumnado en clases interactivas e unha hora de avaliacin.

    Polo seu carcter xeral, esta UD idnea non s no Grao para o que est formulada senn para todos aqueles que desexen entender o control de procesos sen entrar nos seus aspectos cuantitativos. Neste caso, a duracin da docencia depende dos obxectivos do profesor

    . OS OBXECTIVOS O obxectivo xeral desta UD introducir ao alumnado no control de procesos qumicos. Ao rematar a UD o estudantado ser capaz de:

    Entender a importancia do control de procesos e a sa relacin coas outras materias do Grao

    Diferenciar entre control secuencial e control continuo

    Distinguir entre estratexias sinxelas e avanzadas de control

    Interpretar os diagramas P&I

    Representar os lazos de realimentacin ou feed-back mediante diagramas P&I e de bloques

    Coecer as etapas que cmpre desenvolver para chegar a controlar os procesos qumicos

    A METODOLOXA Nas clases expositivas expoeranse os principios tericos e os contidos fundamentais da UD utilizando os medios audiovisuais da aula. Antes da clase, o alumnado ter a sa disposicin, no entorno virtual, unha copia do material utilizado polo profesorado. A pesar de seguir o modelo de conferencia, incentivarase a participacin continua dos estudantes.

  • 8 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    Nas clases interactivas, o profesorado formular unha serie de actividades que consoliden e xeneralicen os coecementos cos que o alumnado se familiarizou nas clases expositivas. O docente ser o condutor dos traballos que se realizarn en grupos reducidos.

    Nas titoras en grupo resolveranse dbidas formuladas polo propio alumnado ou polo profesor. OS CONTIDOS 1. Obxectivos do control de procesos Os procesos industriais non son estticos, polo contrario son moi dinmicos, cambian continuamente debido a moitos tipos de perturbacins (trocos na calidade das materias primas, nos caudais, temperatura ambiente...). Se non se emprenden as accins pertinentes, as variables importantes do proceso, dicir, aquelas que se relacionan coa seguridade e os ndices de producin, non cumprirn coas condicins de deseo. Precisamente por iso se necesita que os sistemas de control vixen continua e automaticamente as variacins que se deben controlar. O obxectivo do control automtico de procesos por tanto, manter en determinado valor de operacin as variables do proceso tales como: temperaturas, presins, caudais, composicins...

    O control de procesos en xeral, e qumicos en particular, importante por:

    Seguridade, sempre a consideracin mis importante. Calquera sistema de control debe proporcionar unha operacin estable (sen grandes oscilacins) e segura da planta, evitando lesins ao persoal ou dano ao equipo.

    Manter a calidade do produto (composicin, pureza, color, etc.) que debe axustarse demandada en cada momento.

    Manter a producin da planta. Respecto ao medio ambiente, mantendo as emisins dentro dos

    parmetros lexislativos. Os sistemas de control mis avanzados, permitirn ademais o

    cumprimento de todos estes obxectivos a custo mnimo. En resumo, pdese dicir que as razns da automatizacin das

    plantas de proceso son proporcionar un entorno seguro e vez manter a calidade desexada do produto e alta eficiencia da planta, con reducin da demanda de traballo humano [1].

    2. Control secuencial e control continuo O control todo-nada, ou control on-off, a forma mis simple de control [2]. Neste sistema de control, o que interesa o estado das variables que soamente pode tomar un nmero finito de valores: vlvula aberta ou pechada, reactor baleiro ou non, temperatura alcanzada ou non, etc. No exemplo da figura 1.1, se o transmisor do nivel do lquido (LT) indica que se

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 9

    Figura 1.1. Control de nivel todo-nada

    LT

    CLP

    alcanzou o nivel mximo permitido no tanque, o controlador (CLP) manda abrir a vlvula de sada. O controlador unicamente pode recibir das posibles entradas (hai nivel ou non hai nivel), nunca o valor cuantitativo do nivel. O control todo-nada a base do control secuencial onde se establecen secuencias ordenadas de actuacins on-off. Este tipo de control, hoxe en da maioritariamente desenvolvido mediante Controladores Lxico Programables, CLPs (PLCs en ingls), utilzase sobre todo para a posta en marcha de procesos, para o control de procesos descontinuos ou para sistemas de seguridade. No entanto, desde o punto de vista do control de procesos qumicos, e dado que estes na sa gran maiora son procesos continuos, de moito maior interese un control continuo centrado no valor das variables (Ex: nivel en centmetros do lquido no tanque), e en que este parmetro non se vaia do valor desexado para o mesmo. O sistema de control continuo mis habitual na industria de proceso o sistema de control de realimentacin ou feed-back. 3. O sistema de control Considrese un intercambiador de calor no cal a corrente de proceso se quenta mediante vapor de condensacin como se ilustra na figura 1.2.

    O propsito da unidade quentar o fludo que se procesa dende unha

    temperatura de entrada, T0(t), a unha temperatura de sada, T(t). Ambas as temperaturas son variables co tempo precisamente debido s pequenas perturbacins existentes no proceso que lles poden afectar. O medio de quentamento o vapor que condensa e a enerxa que gaa o fludo no proceso igual ao calor que libera o vapor, sempre e cando non haxa perdas de calor ao exterior.

    O obxectivo dun sistema de control sera manter a temperatura de sada do intercambiador no valor que se desexa. Neste proceso existen moitas variables que poden trocar, o cal ocasionara que a temperatura de sada se desviase do valor desexado, se isto chega a suceder dbense emprender algunhas accins para corrixir esa desviacin [1].

    Figura 1.2. Intercambiador de calor

    Vapor

    T (t)0 T(t)

  • 10 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    Unha maneira de lograr este obxectivo facelo manualmente (Figura 1.3). Para iso, un operario deber medir continuamente a temperatura de sada do intercambiador e comparala co valor que se require para a mesma. Se os valores coinciden non ser necesario actuar, pero se a temperatura medida superior desexada, o operario ter que diminur a apertura da vlvula do vapor. Ao diminur o caudal de vapor, dimine o calor cedido e a temperatura volta ao punto de consigna. Se polo contrario, a temperatura inferior desexada, ser necesario abrir un pouco a apertura para que condense maior cantidade de vapor e se corrixa o desvo.

    O exemplo refrese a unha unidade de proceso. Unha planta qumica completa implica centos de variables que se deben manter nun determinado valor, con este procedemento de correccin requirirase unha cantidade enorme de operarios, algo insostible. A calidade do control nunca sera ptima. Por todo iso, necesario realizar o control de maneira automtica, dicir, contar con instrumentos que controlen as variables sen necesidade de que intervea o operador. Isto o que significa o control automtico de procesos.

    Para lograr este obxectivo dbese desear e implementar un sistema de control. Na figura 1.4 amsase un sistema de control e os seus compoentes bsicos.

    Figura 1.3. Control manual do intercambiador de calor

    Figura 1.4. Sistema de control do intercambiador de calor

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 11

    Para medir a temperatura de sada da corrente do proceso utilzase un sensor. Na medida da temperatura de maneira automtica non se pode usar un termmetro, un sensor habitual un termopar. O principio fsico dun termopar consiste en que cando dous metais diferentes se unen, xrase no punto de unin unha forza electromotriz que funcin da temperatura. O sensor conctase fisicamente (mediante un cable axeitado) ao transmisor, o cal capta a sada do sensor (variacin na forza electromotriz) e a converte nun sinal que o controlador poida entender, habitualmente un sinal elctrico. O controlador recibe o sinal, que est en relacin coa temperatura, comprao co valor que se desexa e, segundo o resultado da comparacin, decide que facer para manter a temperatura no punto de consigna. Con base na decisin, o controlador enva outro sinal ao elemento final de control, que variar o caudal de vapor para corrixir o erro. Esta estratexia de control recibe o nome de control de realimentacin ou feed-back.

    3.1. Elementos constituntes Os catro compoentes bsicos de todo sistema de control, dende os

    mis sinxelos aos mis avanzados, son: Sensor, ou elemento primario, o encargado de medir a variable

    fsica que se quere controlar. Dependendo do tipo de lazo de control, pdense utilizar tamn para medir variables que implican perturbacins no proceso, ou variables secundarias a partir das cales se estima o valor doutras que non poden medirse directamente ou cuxa medicin implica un custo inasumible.

    Transmisor, ou elemento secundario, o encargado de transducir o sinal do elemento primario nun sinal axeitado (pneumtico, elctrico ou inalmbrico) no rango utilizado polo controlador.

    Controlador, o "cerebro" do sistema de control, recibe o sinal correspondente variable medida e calcula a accin do control conforme ao algoritmo programado nel.

    Actuador ou elemento final de control, o elemento que manipula unha variable de proceso conforme co sinal que recibe do controlador. Frecuentemente trtase dunha vlvula de control anda que non sempre. Outros elementos finais de control comunmente utilizados son as bombas de velocidade variable, resistencias elctricas, motores

    3.2. Operacins Os elementos constituntes dun lazo de control son os responsables

    das tres operacins bsicas que axeitadamente implementadas levan eficacia do control automtico do proceso:

    Medicin: a combinacin de sensor e transmisor permiten levar a cabo a medicin da variable que se controla.

    Decisin: con base na medicin, o controlador decide que facer para manter a variable no valor que se desexa.

  • 12 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    Accin: realizada polo elemento final de control conforme coa decisin tomada polo controlador.

    3.3. Terminoloxa Requisito imprescindible na implementacin de calquera lazo de

    control o estudo dinmico do proceso, dicir, o estudo de como varan as variables do proceso co tempo. As, no caso do intercambiador de calor, ser necesario coecer como afecta a variacin da temperatura de alimentacin, ou de calquera outra variable, sobre a temperatura de sada. Coecer a variacin que implica un troco no caudal de vapor sobre a devandita temperatura, permitir decidir se se podera manipular ese caudal para corrixir os desvos da variable a controlar.

    Asemade, cando o lazo de control xa est implementado, necesario un estudo dinmico do proceso xa automatizado que permita amosar a eficacia do sistema de control proposto. Se o funcionamento do lazo correcto, a pesar de que existan pequenos desvos na temperatura de alimentacin ao intercambiador, ou outras perturbacins, a temperatura de sada do mesmo tender cara ao valor desexado.

    En canto nomenclatura propia do control do proceso, o primeiro termo implicado variable controlada, esta a variable que se debe manter ou controlar dentro dalgn valor desexado. No exemplo do intercambiador, a variable controlada a temperatura de sada T(t). Variable de referencia, punto de control, punto de consigna ou set-point o valor que se desexa para a variable controlada. A variable erro a diferenza entre o set-point e a medida da variable controlada:

    E(t)=SP(t)-VM(t) a variable principal nun sistema de control de realimentacin, posto que todo funciona se hai diferenza entre o set-point e a variable medida, dicir se aparece un erro no sistema.

    A variable manipulada a variable que se utiliza para manter variable controlada no set-point (ou punto de rxime). No exemplo a variable manipulada o caudal de vapor. Finalmente, calquera variable que ocasiona que a variable de control se desve do punto de control defnese como variable perturbacin. Na maiora dos procesos existe gran cantidade de perturbacins diferentes, por exemplo, no intercambiador de calor que se mostra na figura 1.2, as posibles perturbacins son a temperatura de entrada no proceso, o caudal da corrente de proceso, a calidade do vapor, as condicins ambientais, a composicin do fludo que se procesa, a aparicin de depsitos nos tubos, etc. importante comprender que na industria de procesos, estas pequenas pero inevitables perturbacins son a causa de que se requira o control automtico do proceso. Se non houbera alteracins, prevaleceran as condicins de deseo e non se necesitara supervisar continuamente o proceso.

    Nun circuto ou lazo aberto de control, o controlador atpase en modo manual, dicir, anda que recibe a informacin do medidor, o controlador non troca o sinal de sada cara ao elemento final de control. Non se realiza ningunha funcin relativa a como manter a variable controlada no

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 13

    punto de control. Nun control de circuto pechado ou lazo pechado, o controlador atpase en modo automtico, continuamente compara o valor da variable medida co set-point e determina a accin para corrixir que enva ao elemento final de control.

    Xa coa terminoloxa propia desta disciplina, o obxectivo do control automtico do proceso pdese establecer como segue [1]:

    O obxectivo do sistema de control automtico de procesos usar a variable manipulada para manter variable controlada no punto de consigna a pesar das perturbacins.

    4. Representacin dos lazos de control Os lazos de control dun proceso fundamentalmente represntanse mediante dous tipos de diagramas: diagramas de proceso e instrumentacin, P&I, e diagramas de bloques.

    4.1. Diagramas P&I Son unha representacin grfica consistente no diagrama da

    instrumentacin para o control superposto ao diagrama de fluxo do proceso. Obtense un novo diagrama onde se localizan e identifican todos os instrumentos e partes dos equipos implicados no control.

    Existe unha simboloxa caracterstica [3] para representar os instrumentos de medida, control e actuacin, as como os sinais que se usan para a comunicacin entre os instrumentos. A mis estandarizada a proposta pola Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA). A figura 1.5 mostra algns dos smbolos mis habituais usados en diagramas P&I.

    Figura 1.5. Simboloxa da instrumentacin nos diagramas P&I

    Os sinais que se usan para a comunicacin entre os instrumentos dun sistema de control tamn estn estandarizados (figura 1.6). O sinal pneumtico de aire a presin transmitido mediante un tubo de nylon, PVC, poliuretano...foi antigamente moi usado, nas plantas de proceso qumico

    Instrumento de medicino control instalado en campo

    Instrumento de medicino control instalado en un panel de control

    CLP montadoen campo

    Vlvula manual Vlvula solenoide Vlvula de control

  • 14 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    hoxe en da sase maioritariamente para as vlvulas pneumticas. Normalmente abarca entre 3 e 15 psig, con menor frecuencia sanse sinais de 6 a 30 psig ou de 3 a 27 psig. O sinal elctrico ou electrnico a da de hoxe o mis usado, normalmente toma valores entre 4 e 20 mA. O uso de 10 a 50 mA, de 1 a 5 V ou de 0 a 10 V menos frecuente. A tendencia actual [2] a utilizacin de instrumentos intelixentes comunicados mediante un bus de campo como Fieldbus ou Profibus que utilizan sinais dixitais transmitidos mediante un medio elctrico, ptico ou sen fos, ou como Hart que combina sinal dixital e analxico. Ademais trabllase con sistemas de control distribudos entre varios ordenadores (Sistema de Control Distribudo ou SCD) comunicados frecuentemente mediante ethernet.

    Frecuentemente necesario trocar un tipo de sinal por outro, isto faise mediante un transdutor, por exemplo, cando se necesita trocar dun sinal elctrico, mA, a un pneumtico, psig, utilzase un transdutor (I/P) que transforma o sinal de corrente (I) en pneumtica (P), como se ilustra graficamente na figura 1.7. O sinal de entrada pode ser de 4 a 20 mA e o de sada de 3 a 15 psig. Existen moitos outros tipos de transdutores: pneumtico a corrente (P/I), voltaxe a pneumtico (E/P), pneumtico a voltaxe (P/E), etc.

    A identificacin dun instrumento nun diagrama P&I consta de das partes, unha identificacin funcional e unha de lazo. A primeira consta como mnimo de das letras (mximo catro), sendo a primeira a indicacin da variable de proceso (L: nivel, T: temperatura, P: presin, F: caudal...) e a segunda describe a funcin do proceso (E: elemento, T: transmisor, C: controlador, V: vlvula de control...). Ambas as letras poden presentar modificadores que aporten maior informacin. Os modificadores da primeira letra poden indicar diferenza (D), relacin (F), etc., e os da segunda refrense s funcins pasivas do elemento (I: Indicador, R: Rexistrador). O identificador de lazo consta dun nmero de lazo e un sufixo opcional (por exemplo se hai dous instrumentos iguais no mesmo lazo). A tboa 1.1 amosa o significado de cada unha das letras que se utilizan para identificar instrumentos.

    Figura 1.7. Troco de sinal

    I/P

    Seal pneumtica

    Seal elctrica analgica

    Seal elctrica digital

    Seal electromagntica o ultrasnica guiada

    Figura 1.6. Sinais de comunicacin entre instrumentos

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 15

    Tboa 1.1. Letras de identificacin dos instrumentos Primeira letra Letras sucesivas Primeira letra Modificador Funcin

    pasiva, lectura

    Funcin sada

    Modificador

    A Anlise Alarma B Combustin Libre Libre Libre C Libre Control D Densidade/

    Peso especfico Diferencial

    E Tensin/Voltaxe Elemento primario

    F Caudal Relacin G Libre Visor/Vidro H Manual Alto I Intensidade Indicador J Potencia Exploracin/

    Mostreo

    K Tempo Razn de cambio de tempo

    Estacin de control

    L Nivel Luz piloto Baixo M Humidade Momentneo Medio N Libre Libre Libre O Libre Orificio P Presin/Baleiro Punto

    proba

    Q Cantidade Integracin R Radiacin Rexistrador S Velocidade/

    Frecuencia Seguridade Interruptor

    T Temperatura Transmisor U Multivariable Multi-

    funcin Multi- funcin

    Multi-funcin

    V Vibracin Vlvula W Peso/Forza Pozo X Sen clasificar Eixe X Sen

    clasificar Sen clasificar

    Sen clasificar

    Y Evento/Estado/Presenza

    Eixe Y Rel, conversor, ordenador

    Z Posicin/ Dimensin

    Eixe Z Actuador sen clasificar

    A continuacin amsanse algns exemplos da identificacin funcional

    de instrumentos: CAH: Alarma de control de nivel alto

  • 16 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    FIG: Indicador de caudal con visor FRC: Controlador de relacin de caudal HS: Interruptor manual LIC: Controlador e indicador de nivel PC: Controlador de presin PDT: Transmisor de presin diferencial PTY: Transmisor e convertidor a bus de campo de presin TT: Transmisor de temperatura TY: Rel de temperatura ZC: Controlador de posicin

    Segundo isto, a representacin axeitada para o sistema de control amosado na figura 1.4 represntase na figura 1.8.

    4.2. Diagramas de bloques

    Outra representacin dos lazos de control son os diagramas de bloques. unha representacin grfica construda usando elementos bsicos para representar a relacin entre as variables en estudo dun determinado proceso. Permiten unha visualizacin eficiente e rpida das caractersticas dinmicas e dos efectos de determinadas variables sobre outras que dependen delas. Estes diagramas poden indicar claramente o camio e a transformacin das variables nas partes dun proceso ou entre o proceso e os instrumentos conectados a el para o seu control. Os elementos bsicos utilizados nestes diagramas amsanse na figura 1.9.

    AG

    B A

    B

    CA

    Figura 1.9. Elementos caractersticos dun diagrama de bloques

    As frechas representan as variables do proceso e constiten as lias de conexin entre bloques e crculos. Os bloques indican a relacin

    TC

    TT

    Vapor

    Figura 1.8. Diagrama P&I do intercambiador de calor

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 17

    funcional entre a variable de sada e de entrada ao bloque, B=GA, sendo G a funcin que establece esa relacin. Por ltimo, os crculos indican unha operacin alxebraica entre variables.

    A figura 1.10 amosa os dous subsistemas bsicos dun lazo de control feed-back (proceso e controlador) [4] e a figura 1.11 amosa o diagrama de bloques.

    ControlPROCESO

    Sistema Controlador Sistema ControladoVariable Manipulada

    Variable Medida/Controlada

    Perturbaciones

    Figura 1.10. Subsistemas dun lazo de control feed-back

    Variables Perturbacin

    Controlador Vlvula Proceso

    MedidorVariable medida

    Variable Controlada

    Variable deReferencia

    Error

    Figura 1.11. Diagrama de bloques dun lazo de control feed-back

    O diagrama de bloques correspondente ao intercambiador de calor amsase na figura 1.12.

    +-T

    T m

    Sp E Sc

    T0

    FV

    q

    Gp

    Gm

    GVGC

    Gpp1 Gpp2

    + +

    T: Temperatura; Tm: Temperatura medida; Sp: Set-point; E: Erro; Sc: Sada do controlador; FV: Caudal do vapor; T0: Temperatura de entrada; q: Caudal da corrente a quentar; G: Funcin de transferencia; m: Medidor; c: Controlador; v: Vlvula; p, pp1, pp2: Partes do proceso

    Figura 1.12. Diagrama de bloques do intercambiador de calor

  • 18 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    5. Estratexias de control

    5.1. Control de realimentacin ou feed-back

    Como xa se comentou, a estratexia de control do intercambiador de

    calor cocese co nome de control de realimentacin ou control feed-back. Nesta estratexia, a variable que se quere controlar medida, e esa medicin a base do axuste de outra variable de proceso que pode ser manipulada [5]. o sistema de control mis sinxelo, basase no erro, dicir na diferenza observada entre o valor medido da variable a controlar e o set-point, e soamente empeza a actuar cando aparece un erro no sistema.

    Na figura 1.13 mstrase o comportamento dinmico do intercambiador de calor, sen e con sistema de control, cando se produce un incremento brusco na temperatura de entrada (perturbacin-chanzo). Sen sistema de control, o aumento da temperatura de entrada tradcese nun aumento da temperatura de sada. Co sistema de control de realimentacin debidamente implementado, no instante no que a temperatura de sada do intercambiador empeza a aumentar debido perturbacin, o controlador detecta un erro (unha diferenza entre temperatura medida e temperatura desexada ou set-point) e segundo o algoritmo que tea definido, emitir un sinal de sada (Proporcional ao erro, Integral do erro e Derivada do erro) para pechar a vlvula que manipula o caudal do vapor.

    a) Sen control b) Con control de realimentacin

    Figura 1.13. Resposta do intercambiador de calor ante unha perturbacin chanzo na temperatura de entrada: a) sen control b) con control de realimentacin

    Ao diminur o caudal do vapor que condensa, a temperatura de sada descende incluso por debaixo do punto de control, crase un erro de sentido contrario e menor valor que fai que o controlador dea instrucins vlvula para abrirse. Prodcese as unha oscilacin na temperatura de sada, consecuencia da oscilacin na apertura da vlvula, ata que finalmente o proceso se estabiliza. A operacin do sistema de control de realimentacin esencialmente unha operacin de ensaio e erro [1].

    t

    t

    T(t)

    0

    1

    t

    t

    T(t)

    0

    1

    Sp Sp

    Aperturavlvula

    Aperturavlvula

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 19

    O control de realimentacin1 pose unha serie de vantaxes que fan que, con moito, sexa a estratexia de control mis usada na industria do proceso:

    1.- unha tcnica moi simple que compensa todas as perturbacins independentemente de cal sexa a sa orixe. Cando a variable controlada se desva do valor desexado e aparece un erro, o controlador acta para compensalo.

    2.- Require coecementos mnimos sobre o proceso a controlar. 3.- O controlador de realimentacin verstil e robusto, adptase

    doadamente a novas condicins de operacin. Como desvantaxes hai que citar:

    1.- Unicamente pode compensar a perturbacin cando a variable controlada xa se desviou do set-point, isto , a perturbacin dbese propagar por todo o proceso antes de que a poida compensar o control de realimentacin.

    2.- necesario medir en lia a variable a controlar (ou unha variable directamente relacionada coa mesma).

    3.- Este tipo de control non eficaz para procesos lentos e/ou con grandes tempos mortos.

    5.2. Control anticipativo ou feed-foward

    Nos sistemas nos que a perturbacin tarda moito en recorrer o proceso (dinmicas lentas, tempos mortos), cando o erro aparece xa difcil compensalo. Para eses procesos dbense desear outros tipos de control. O obxectivo do control anticipativo ou feed-forward medir as perturbacins e compensalas antes de que a variable controlada se desve do punto de control. Teoricamente con esta estratexia posible o control ideal, onde a variable controlada non se desva do punto de consigna.

    No caso do intercambiador de calor, se polas condicins do proceso habitual que a temperatura de entrada cambie frecuentemente, para anticiparse devandita perturbacin necesario medir esa temperatura. No caso de ter un modelo axeitado para o proceso de intercambio, poderase determinar o troco necesario na apertura da vlvula para compensar esa perturbacin antes de que afecte variable controlada ou temperatura de sada. Sen embargo, imposible predicir e anticiparse a todas as posibles perturbacins dun proceso, por iso o sistema de control feed-forward nunca se atopa illado senn que sempre vai asociado a un feed-back. O sistema de control feed-back/feed-forward do intercambiador de calor mstrase na figura 1.14. 1 O control de realimentacin habitual na vida diaria. por exemplo a estratexia de control que utiliza a autora desta UD para manter o seu peso no valor de referencia desexado (55kg), peso que mide todas as noites na bscula da casa. A sa dieta habitual lvalle a manterse nese valor, sen embargo, se un da aparece unha perturbacin (algunha celebracin por exemplo) que fai que supere ese punto de referencia, ao detectar unha diferenza entre o peso medido e o set-point, decide pechar a vlvula e non comer ao da seguinte para corrixir o erro.

  • 20 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    Figura 1.14. Sistema de control fed-back/feed-forward do intercambiador de calor

    A principal vantaxe do sistema de control anticipativo2 : 1.- Accin anticipativa. Permite cancelar o efecto dunha perturbacin antes de que esta se vexa reflectida na variable a controlar.

    Como desvantaxes hai que citar: 1.- Maior custo que a estratexia de realimentacin 2.- Necesidade de medicin en lia da perturbacin a compensar 3.- Necesidade dun modelo para o proceso 4.- Os controladores feed-forward ideais poden ser fisicamente irrealizables.

    En xeral, esta estratexia de control e calquera outra mis avanzada que a de realimentacin son mis custosas, requiren un maior investimento no equipo e na man de obra necesarios para o seu deseo, implementacin e mantemento, que o control feed-back. Por iso, s se desean se economicamente est xustificado. 6. Niveis de control de procesos A medida que o proceso industrial se volve mis complicado, o sistema de control do mesmo tamn se complica. Esta maior dificultade de deseo e implementacin dbese a que o nmero de variables de entrada e sada superior, a que a relacin entre as variables controladas e manipuladas mis complicada e a que o nmero ou o grao de complexidade dos obxectivos do sistema de control tamn superior [6].

    2 A autora desta UD ten unha debilidade, os pasteis. O control anticipativo do seu peso debe vixiar continuamente a entrada de pasteis, un ao da non desva a variable a controlar dos 55kg. Sen embargo, se un da toma dous pasteis, antes de que a perturbacin tea as sas consecuencias, a autora non cear para evitar o aumento de peso. Deste xeito, Ana permanecer sempre no peso desexado. Deber anda as manter o costume de pesarse polas noites xa que hai moitas outras perturbacins que non est vixiando, por exemplo os bombns, e pode ser necesario nalgn caso aplicar tamn o control de realimentacin.

    TC

    TT

    Vapor

    TT

    TC

    TCFF

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 21

    A figura 1.15 representa unha columna de rectificacin que a mis comn das operacins de separacin industrial. Permite separar unha alimentacin basendose na diferenza de volatilidades dos seus compoentes. Consta dun recipiente a presin onde un lquido se pon en contacto ntimo cun vapor (a travs dunha serie de pratos ou mediante un leito de recheo), unha caldeira no fondo da columna que xera o vapor e un condensador na parte superior, que condensa total ou parcialmente o vapor que lle chega, proporcionando o lquido descendente (refluxo) e un destilado rico en compoentes voltiles. Da parte inferior da columna extrese un produto de colas enriquecido nos compoentes menos voltiles.

    Nesta unidade e por cuestins de seguridade ser necesario controlar a presin. Tamn por seguridade e para manter a producin ser necesario controlar os niveis de lquido no tanque de refluxo e no fondo da columna. Por ltimo, haber que controlar as composicins (calidade) do destilado e do produto de colas. Calquera caudal pode ser en principio manipulable: alimentacin, destilado, produto de colas, refluxo, vapor de calefaccin ou caudal de auga de refrixeracin no condensador. Ademais existen numerosas variables que se sofren pequenas variacins, habituais en calquera proceso, farn que as variables controladas saian do seu valor de rxime, facendo que se perda a producin ou incluso desestabilizando o proceso ou levando a problemas de seguridade. Poden ser variables perturbacin: o caudal, a composicin e a temperatura da alimentacin, a presin de suministro do vapor calefactor, a temperatura da auga de refri-xeracin

    A relacin entre variables manipuladas e controladas complicada e poden existir grandes interaccins entre os lazos que se deseen. Por exemplo, se se desexa controlar o nivel do fondo da columna manipulando o vapor de calefaccin, ao mesmo tempo producirase un aumento da presin, un aumento no nivel do tanque de refluxo, un troco nas calidades dos produtos...

    O obxectivo do sistema de control da columna de rectificacin pode ser simplemente a consecucin dunha operacin estable (sen problemas de inundacin ou goteo, sen que se produza a superacin da capacidade de condensacin do condensador, etc.) e segura da columna. Isto pode acadarse mediante un sistema de control bsico formado por lazos de realimentacin. Obxectivos que apunten ao mximo beneficio econmico ou mnimo custo de operacin, implican o uso de estratexias de control mis avanzadas e por tanto mis custosas e de maior dificultade de implementacin.

    O nivel de automatizacin dunha planta de proceso pode limitarse a un control regulatorio bsico ou polo contrario acadar unha optimizacin en lia, pasando por un control regulatorio avanzado e un control multivariable [6]. Como habitual na Enxeara Qumica, a eleccin responde a unha solucin de compromiso entre necesidades e dispoibilidades.

  • 22 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    6.1. Control bsico O control bsico, baseado en controladores de realimentacin,

    aspira a ter unha operacin estable mantendo en determinado valor as variables mis importantes do proceso (presins, niveis, caudais, temperaturas). A Figura 1.15 amosa o control bsico dunha columna de destilacin.

    A presin na columna contrlase mediante un lazo de realimentacin ou feed-back que manipula o caudal de auga de refrixeracin no condensador. O caudal de alimentacin contrlase mediante un lazo feed-back. Ambas, variable controlada e manipulada son o caudal de alimentacin. Segundo o valor medido do caudal, o controlador mandar un sinal vlvula que se abrir ou pechar para axustar devandito caudal ao punto de consigna. Os lazos de control de nivel na cmara do condensado e no fondo da columna manipulan os caudais de destilado e produto de colas, respectivamente.

    Existen dous lazos de temperatura para controlar indirectamente a calidade dos produtos. O equilibrio lquido-vapor da mestura a destilar establece unha relacin entre composicins e temperaturas. A temperatura nun prato situado na parte superior da columna (e por tanto dalgunha maneira a composicin de destilado), controlada manipulando o caudal de refluxo. A temperatura nun prato no fondo da columna (composicin do produto de colas) controlada manipulando o vapor de calefaccin.

    Figura 1.15. Control bsico dunha columna de destilacin

    Este sistema de control bsico pose varias limitacins que farn

    que a operacin sexa estable pero lonxe do ptimo econmico. A primeira delas radica na utilizacin da temperatura como medida indirecta da composicin. Esta relacin complcase en mesturas azeotrpicas, multicompoentes e en calquera caso unha medida pouco precisa da calidade dos produtos. Outra limitacin inherente aos lazos feed-back,

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 23

    dado que s comezan a controlar o sistema cando xa apareceu un erro no mesmo. Posto que unha columna de destilacin un proceso de dinmica lenta, o control menos efectivo.

    Ademais, xa se comentou a gran interaccin entre as variables do proceso que se traduce nunha gran interaccin entre os lazos de control implementados. Se o controlador da temperatura no fondo da columna manda abrir a vlvula do vapor de calefaccin, isto afecta de inmediato ao lazo de control do nivel no fondo da columna, sen embargo tamn afecta aos lazos de control da temperatura na parte superior, da presin e do nivel da cmara de condensacin...Esta interaccin entre lazos deber terse en conta hora de facer o axuste dos controladores ao proceso.

    Debido a todas estas limitacins, as variables controladas sufrirn amplas oscilacins. Como necesario cumprir cos requisitos de producin en todo momento, ser necesario marcar uns puntos de consigna moi por encima das especificacins desexadas, de tal forma que, a pesar das oscilacins, a columna opere sempre dentro de especificacins. Isto tradcese nun maior consumo enerxtico (vapor de calefaccin) e polo tanto nun maior custo de operacin.

    Todas estas desvantaxes son comns a calquera sistema de control bsico da columna, outros exemplos deste nivel de automatizacin amsanse na figura 1.16. Entre as diferentes alternativas, o mellor sistema de medida da calidade obviamente o que usa analizadores. Sen embargo, o uso destes instrumentos para o seu traballo en lia implica unha serie de problemas: dificultade de encontrar o medidor de composicin axeitado para a mestura a destilar, a lentitude da medida, o custo de investimentos e de mantemento...Por todo isto, segue sendo habitual traballar coa temperatura como medida indirecta da composicin.

    Non existe un nico sistema de control vlido para calquera columna de destilacin, a opcin mis axeitada depender das caractersticas do proceso e s poder ser elixida de acordo a un estudo dinmico da columna. En calquera caso, todos os controis bsicos limtanse unicamente consecucin dun proceso estable.

    Figura 1.16. Outros sistemas de control bsico para unha columna de destilacin

    TT

    TC

    LTLC

    FT

    FC

    PT

    PC

    LT

    LC

    FT

    FC

  • 24 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    6.2. Control avanzado

    Co obxectivo principal de manter unha operacin estable, introducindo lazos avanzados de control pdese mellorar o obxectivo econmico.

    Dentro dos lazos avanzados mis habituais aparece o sistema de control en cascada. A sada dun controlador principal ou master marca o set-point dun controlador secundario ou slave. A principal vantaxe deste lazo avanzado que compensa perturbacins relacionadas coa variable manipulada antes de que afecten variable controlada principal (lazo primario). Outros lazos avanzados que aparecen neste nivel de control son os anticipativos. Como xa se indicou, o control feed-forward capaz de anticiparse a unha perturbacin de carga concreta. Dentro desta estratexia de control habitual o control de relacin, ou ratio, que se usa para manter a relacin entre dous caudais constante.

    Un sistema de control avanzado para a columna de destilacin amsase na figura 1.17. Consta de dous sistemas de control en cascada. O controlador principal do nivel no fondo da columna fixa o set-point dun controlador secundario de caudal de produto de colas. Deste xeito, calquera perturbacin relacionada con este caudal compensada no lazo secundario antes de que afecte ao nivel. De maneira idntica funciona o controlador do nivel na cmara de condensacin que fixa o set-point dun controlador do caudal de destilado.

    Figura 1.17. Control avanzado dunha columna de destilacin No sistema de control avanzado da figura 1.17, o controlador da

    composicin do produto de colas manda un sinal a un controlador de relacin (anticipativo) que, segundo sexa esta, fixa unha relacin constante

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 25

    entre o caudal de alimentacin e o vapor de calefaccin. Este controlador recibe a informacin do valor do caudal de alimentacin e, a partir desta, fixa o set-point do controlador de caudal do vapor de calefaccin. De maneira similar, o controlador da composicin de destilado fixa a relacin entre o caudal de alimentacin e o refluxo.

    Neste sistema de control avanzado utilzanse analizadores de composicin e lazos de control que compensan perturbacins antes de que afecten s variables controladas principais, permitindo as unha aproximacin ao control ideal. As desviacins das variables controladas dos seus puntos de consigna durante todo o proceso de control sern inferiores s existentes cun sistema de control bsico, polo tanto, os puntos de consigna poden definirse prximos s especificacins desexadas. Mellrase o obxectivo econmico a base dun maior custo de investimentos e mantemento.

    6.3. Control multivariable

    Os lazos de control instalados na columna de rectificacin presentan interaccins entre eles. Como xa se viu, se a temperatura no fondo da columna moi baixa, o controlador mandar abrir a vlvula do vapor de calefaccin para volatilizar os compostos mis voltiles e que as a temperatura aumente. Deste xeito, o nivel no fondo da columna vai diminur, a presin aumentar, o nivel na cmara de condensacin aumentar Queda claro por tanto que unha variable manipulada afecta a varias varia-bles controladas do proceso, calquera accin correctora que se tome sobre unha variable manipulada perturbar as demais variables controladas. Anda que existen tcnicas para obter o mellor emparellamento de variables para desacoplar a interaccin entre lazos (Matriz de Ganancias Relativas, RGA), o control automtico da columna mediante lazos bsicos, ou incluso avanzados, de control, moi complexo debido presenza de tempos mortos, interaccins e restricins. A diferenza do intercambiador de calor que posua unha soa entrada e unha soa sada (SISO, Single Input Single Output), a columna de rectificacin e outras moitas unidades da industria qumica posen mltiples entradas e mltiples sadas (MIMO, Multiple Input Multiple Output). Un sistema de control multivariable (por exemplo o Control Preditivo Basado en Modelos, CPBM) ante unha desviacin nunha variable controlada acta simultaneamente sobre todas as variables manipuladas, de forma que as restantes variables controladas non se vexan afectadas ou o sexan minimamente.

    A dificultade deste sistema de control consiste na necesidade dun modelo matricial do proceso que relacione todas as variables de sada a controlar con todas as variables de entrada manipulables, e na implementacin do mesmo.

  • 26 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    6.4. Optimizacin on-line A optimizacin dun proceso consiste na determinacin das

    condicins de operacin coas que se obtn o mximo beneficio econmico ou, no seu caso, o menor custo posible. As condicins ptimas de operacin trocan continuamente debido a trocos nas materias primas, a cantidade ou calidade do produto demandado, os prezos dos materiais e produtosUn sistema de optimizacin en lia dispn dunha funcin obxectivo que optimiza (maximiza se beneficio, minimiza se custo), e segundo os valores ptimos calculados para as variables fixa os set-points dos controladores a obxecto de que o proceso estea continuamente operando en condicins ptimas.

    A dificultade deste sistema de control, hoxe en da en desenvolvemento, radica na combinacin dun modelo matemtico complexo coas complicacins propias dun problema de optimizacin multivariable. 7. Deseo do sistema de control

    O coecemento da planta un requisito indispensable para a correcta implementacin dun sistema de control, de feito, o deseo do proceso e do seu sistema de control deben ser simultneos.

    A primeira etapa debe ser a anlise dinmica do proceso. Permitir a seleccin de variables manipuladas axeitadas e o estudo da influencia destas, e das posibles perturbacins, sobre as variables a controlar. Deste estudo pode inferirse a necesidade de introducir unidades non consideradas inicialmente no deseo estacionario, como pode ser un tanque pulmn que homoxeneice o caudal. Identificaranse nesta etapa as variables a medir (variables controladas e posibles perturbacins a introducir en lazos avanzados) e as variables manipuladas, que se combinarn en diferentes lazos atendendo aos obxectivos (control bsico ou optimizacin do proceso).

    A seguinte etapa a especificacin da instrumentacin para o control. Cmpre seleccionar os sensores para a monitorizacin e o control, para o cal necesario considerar as sas aplicacins, rapidez, custo, mantemento, facilidade do suministro, etc. Ser necesario tamn especificar e participar na xestin de adquisicin de vlvulas e controladores, as como dos medios de comunicacin entre eles, para montar os lazos.

    Unha vez implementados os lazos de control, cmpre dar as instrucins necesarias aos controladores para que estes respondan de maneira axeitada ante as perturbacins, dicir, necesario facer o axuste dos controladores ao proceso. Este axuste pdese facer de maneira completamente emprica (forzando perturbacins no proceso real, cos problemas de desestabilizacin que iso implica), ou mediante modelizacin, para o que necesario dominar as ferramentas propias da Enxeara Qumica (balances).

    A ltima etapa implica a anlise dinmica do proceso xunto cos instrumentos seleccionados para a automatizacin e permitir demostrar a eficacia do sistema de control proposto.

  • UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos - 27

    ACTIVIDADES PROPOSTAS

    Lazos de realimentacin. Presentaranse ao alumnado diferentes exemplos de lazos de control feed-back. Os estudantes deben, traballando en grupo, identificar as variables e instrumentos implicados no sistema de control e representar os correspondentes diagramas de bloques.

    Diagramas P&I. Presentaranse ao alumnado diferentes diagramas

    P&I, tanto de unidades como de plantas completas, con lazos bsicos e algn avanzado, para a explicacin do seu sistema de control. As actividades resolveranse en grupos reducidos.

    AVALIACIN DA UNIDADE DIDCTICA Para a avaliacin desta UD, e como parte dunha avaliacin continua da materia, o alumnado explicar individualmente o diagrama P&I dunha planta qumica sinxela. A proba realizarase xusto ao finalizar a UD e consistir exactamente na mesma actividade realizada nas clases interactivas cos diagramas P&I, s que esta vez o alumnado debe realizar o traballo individualmente. vista do diagrama, deber identificar as principais variables implicadas no control, identificar os tipos de lazos de control e explicar o seu funcionamento.

  • 28 - UNIDADE DIDCTICA I. Introducin ao control de procesos qumicos

    BIBLIOGRAFA [1] SMITH, Carlos A. y CORRIPIO, Armando B. (2001): Control Automtico de Procesos. Teora y Prctica, Mxico: Limusa. [2] MNDEZ, Francisco y CORRALES, Jos: Manual de Control de Procesos I. Fundamentos de Control, Ingeniera Qumica 461 (2008) 76-83. [3] ANGULO BAHN, Cecilio y RAYA GINER, Cristbal (2004): Tecnologa de Sistemas de Control, Barcelona: Ed. UPC. [4] VALDMAN, Belkys (1999): Dinmica e Controle de Processos, Santiago: Trculo. [5] SEBORG, Dale E., MELLICHAMP, Duncan A., EDGAR. Thomas F. y DOYLE,, Francis J. (2011): Process Dynamics and Control, New York: 3 Ed., J. Wiley & Sons. [6] OLLERO DE CASTRO, Pedro y FERNNDEZ CAMACHO, Eduardo (1997): Control e Instrumentacin de Procesos Qumicos, Madrid: Sntesis.