Apuntes 1.-CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS

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<p>CONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS1. Introduccin al control de procesos Cuando observamos un proceso qumico en una planta o en un laboratorio se observa flujos que pasan de un recipiente a otro, lquidos que burbujean, gases que reaccionan, etc., y se detecta que todas las medidas cambian continuamente en el tiempo, algunas veces con pequeas fluctuaciones y otras veces con cambios ms importantes. La conclusin inmediata es que el mundo es dinmico. Esta simple y obvia afirmacin es la razn de ser del control de procesos. Adems se puede afirmar que slo entendiendo el comportamiento dinmico del sistema fsico es posible disear y alcanzar un buen control del proceso. Para comprender mejor la teora de control intentaremos responder algunas preguntas como por ejemplo:</p> <p> Qu hace un sistema de control y por qu es necesario? Por qu es posible el control? Cmo se realiza el control? Dnde se implementa el control? Cmo se documenta el control de procesos? Qu hace un sistema de control y por qu es necesario? Analicemos dos sistemas de control de la vida diaria. Primero ejemplo de sistema de control: una persona conduciendo una automvil, como se muestra en la figura 1. El conductor tiene una meta, un objetivo. Para ello debe determinar la ruta a tomar, para lo cual ubica primero el camino en que est y luego define, en funcin de la posicin actual, los cambios que debe hacer para poner al automvil en la ruta requerida. Finalmente, ya en la ruta adecuada, el conductor debe mover continuamente el volante para mantener la posicin del automvil. O sea, ejecuta continuamente las tres funciones (ver, calcular, corregir). As, el conductor puede mantener al auto en una posicin cercana a la deseada cuando aparecen perturbaciones en el camino, como baches, curvas, camino cerrado, etc.</p> <p>Figura 1 Control al conducir un automvil</p> <p>La temperatura, en una casa con ambientes climatizados, se puede mantener cercana al valor deseado circulando agua caliente a travs de un intercambiador de calor. La temperatura en la habitacin es determinada por un termostato, el cual compara el valor medido en la habitacin a un rango deseado (por ejemplo 18-22C) (ver figura 2). Si la temperatura est por debajo de 18C el horno y la bomba son prendidos y si la temperatura est por encima de 22C, el horno y la bomba son apagados.</p> <p>Figura 2. Control de la temperatura en una habitacin</p> <p>En la figura 3 se muestra como cambia la temperatura en la habitacin. Se aprecia que la temperatura deriva lentamente entre el lmite inferior y superior. Tambin exceden los lmites debido a que el horno y el intercambiador de calor no pueden responder inmediatamente. Esta aproximacin es denominada control on/off y se puede usar cuando no se requiere un control preciso del valor deseado.</p> <p>Figura 3. Respuesta dinmica de la temperatura en una habitacin</p> <p>Vistos estos dos simples sistemas de control se pueden identificar algunos parmetros. Primero es que usa un valor especfico (o rango) como un valor deseado para la variable controlada. Este trmino se denomina set-point. Segundo, las condiciones del sistema son medidas, para ello los sistema son provistos de sensores para medir la variable fsica que ha de ser mantenida en el valor deseado. Tercero, cada sistema tiene un clculo de control o algoritmo, el cual usa el valor deseado y el medido para determinar la correccin a la operacin del proceso. Finalmente los resultados del clculo son implementados ajustando algunos de los equipos en el sistema, el cual se denomina elemento de accin final, tal como el volante al manejar el automvil o el switch de la bomba en el horno.</p> <p>Qu hace un sistema de control y por qu es necesario? La primera razn para el control es mantener el valor deseado o set-point de una determinada variable, cuando ingresan perturbaciones al sistema. La segunda razn para implementar un lazo de control es que permite responder a cambios propuestos a travs del set-point.</p> <p>Los motivos que llevan a la implementar un lazo de control se pueden agrupar bajo la siguiente clasificacin: ??? Seguridad ??? Proteccin ambiental ??? Proteccin de equipos ??? Operacin estable de una planta ??? Calidad del producto ??? Razones econmicas ??? Optimizacin Seguridad: La operacin segura de un proceso qumico es el objetivo primario a satisfacer por cualquier sistema de control. Por consiguiente, las presiones operativas, temperaturas, concentraciones de qumicos, etc. Deben siempre encontrarse dentro de los lmites permisibles. Por ejemplo, si un reactor ha sido diseado para operar a presiones de hasta 100 kg/cm 2 se debe instalar un sistema de control tal que mantuviera la presin debajo de este valor. Proteccin o regulacin ambiental: Podran existir leyes gubernamentales que especificaran que las temperaturas, concentraciones de qumicos, y los caudales de los efluentes de una planta (slidos, lquidos o gaseosos) deberan respetar ciertos lmites permisibles. Tales requerimientos existen, como por ejemplo que la cantidad de SO2 , que una planta puede enviar a la atmsfera est por debajo de un valor aceptable. Proteccin de equipos, limitaciones operacionales: Los distintos tipos de equipos utilizados en una planta qumica poseen restricciones operacionales inherentes a su operacin. Tales restricciones deberan respetarse durante la operacin de la planta. Por ejemplo, columnas de destilacin no deben inundarse, la temperatura en un reactor cataltico no debera exceder un valor lmite superior dado que el catalizador se destruir. Sistemas de control son necesarios para satisfacer tales restricciones operacionales. Operacin estable de una planta: Se pretende mantener la operacin de la planta en una condicin de produccin preestablecida. Para ello el sistema de control debera: a) Asegurar la estabilidad del proceso, mediante la estabilidad de cada uno de los equipos involucrados, b) Suprimir la influencia de perturbaciones externas, c) Optimizar la performance del proceso completo. Calidad del producto: Una planta debera producir la cantidad y la calidad de productos finales deseada. Por ejemplo, se podra requerir la produccin de 550 ton/da de etileno con una pureza del 99.5%. Por consiguiente un sistema de control es necesario para asegurar que el nivel de produccin y las especificaciones de pureza sean satisfechas. Razones econmicas y optimizacin: La operacin de una planta debe ser tan econmica como sea posible en la utilizacin de las materias primas, energa, capital</p> <p>y trabajo humano. Esto requiere de la aplicacin de un control a un nivel ptimo especificado de mnimo costo operativo, mxima ganancia, etc. Todos estos requerimientos generan las necesidades para el seguimiento continuo de una planta y la intervencin externa (control) para garantizar la satisfaccin de los objetivos operacionales. Por qu es posible el control? Si los equipos en una planta no estn adecuadamente diseados, el control ser pobre o casi imposible. Por ello, es un factor muy importante el conocer la operacin dinmica de la planta. El diseo de la planta debe incluir sensores adecuados de todas las variables de salida de la planta y elementos de control final adecuados. Los sensores deben responder rpidamente tal que la accin de control pueda ser tomada en tiempo real. Los sensores utilizan varios principios fsicos disponibles para medir las variables bsicos del proceso (caudal, temperatura, presin y nivel), composicin (por ejemplo fraccin molar) y propiedades fsicas (por ejemplo: densidad, viscosidad, calor de combustin). Muchos sensores requieren estar protegidos de los efectos corrosivos de los fluidos. Otros requieren que las muestras sean tomadas peridicamente del proceso, este muestreo puede ser automatizado tal que los sensores estn disponibles en intervalos de tiempo. En los procesos qumicos los elementos de control final son usualmente vlvulas, instaladas sobre las corrientes del proceso. Pero, podran ser otras las variables manipuladas tales como potencia a un motor elctrico o velocidad a un transmisor. Otra consideracin importante es la capacidad del equipo de proceso. El equipo debe tener un mximo de capacidad para responder a todas las posibles perturbaciones y cambios en el valor deseado. Por ejemplo pretender calefaccionar una habitacin cuyas puertas y ventanas fueron retiradas, y por lo tanto est abierta al ambiente exterior es prcticamente imposible. Por qu es posible el control? La respuesta es que nosotros anticipamos los cambio esperados en las variables de la planta y en consecuencia se definen, durante la etapa de diseo, los equipos adecuados para que el control pueda ser realizado. El diseo adecuado de los equipos debe ser calculado basado sobre los cambios esperados, adicionar una capacidad extra (por ej. del 20%) en el tamao de los equipos no es correcto. En algunos casos esto resultara en un derroche, en otros casos, la capacidad del equipo podra no ser adecuada. O sea, que si este anlisis no es echo apropiadamente, alcanzar una operacin aceptable de la planta manipulando el elemento de control final podra ser imposible. Cmo se realiza el control? Como hemos comentado en el ejemplo de la persona conduciendo un automvil, el control realimentado ejecutado por las acciones humanas es posible pero, la accin repetitiva para una persona suele ser tediosa. Adems, algunos clculos de control son muy complejos o deben ser implementados muy rpidamente por una persona. Por eso, muchos controles realimentados son automticos, lo cual requiere que las funciones claves de sensibilidad y clculo y la manipulacin sean ejecutadas por equipos, adems cada uno de los equipos que componen el sistema de control deben estar comunicados.</p> <p>Comnmente los sistemas de control son instalados utilizando equipos elctricos, los cuales usan los niveles de corriente o voltaje para representar a los valores que deben ser comunicados. Algunos otros sistemas de control usan para el clculo o la comunicacin mecanismos neumticos, hidrulicos o mecnicos. En estos sistemas las seales son representadas por presiones. En muchas plantas industriales (despus de los aos 60) los clculos de control eran ejecutados por computadoras analgicas. Estos dispositivos son implementados por sistemas elctricos o mecnicos que actan segn el clculo de las ecuaciones de control. Estos sistemas realizan clculos poco flexibles y no permiten implementar clculos muy complejos. Sin embargo estos sistemas siguen siendo utilizados en muchas plantas hoy en da, por una cuestin de costos y confiabilidad. Con el advenimiento de los bajos costos en las computadoras ahora estos clculos estn siendo realizados por computadoras digitales. Como es el caso del sistema de control distribuido. Cmo se realiza el control? En forma automtica utilizando instrumentos y computadoras que ejecuten el control realimentado sin la intervencin (s no se necesita) de un operador. Dnde se instala el control? Las plantas qumicas son fsicamente grandes y complejas. Los responsables de operar la planta deben tener disponible los datos de toda la planta, los que llegarn a una sala central. Naturalmente los sensores y las vlvulas estarn localizadas en el proceso (figura 5). Las seales, usualmente electrnicas, se transfieren a la sala de control, donde el personal de operacin visualiza toda la informacin y donde los clculos son ejecutados. Las distancias entre el proceso y la sala de control puede ser desde cien hasta miles de metros. Algunos controles se ejecutan a miles de kilmetros del proceso, por ejemplo el control del bombeo en un gasoducto.</p> <p>Generalmente las plantas no operan en piloto automtico, una persona est siempre presente para realizar tareas no automticas, para optimizar la operacin e intervenir en situaciones inusuales o de peligro tales como la falla de un equipo. Naturalmente, otras personas estarn delante del equipo de proceso, usualmente referido como en campo para monitorear el equipo y ejecutar funciones de intervencin manual, por ejemplo para cambiar un filtro. As una planta qumica bien automatizada involucra una interaccin considerable entre el operario y los clculos de control. Otras configuraciones de control son posibles cuando el caso lo requiere. Por ejemplo, pequeos paneles con instrumentacin pueden ser localizados cerca de sectores crticos del proceso. As, el operador puede tener acceso al sistema de control mientras introduce algunos ajustes al proceso (PLC). Tambin muchos sensores tienen un visor local del valor medido, adems de enviar la seal a la sala de control. Dnde se instala el control? Sensores, indicadores locales y vlvulas: en el proceso Visualizacin o display de todas las variables de la planta y los clculos de control en un sector centralizado, la Sala de Control. Cmo se documenta el control? En control se utilizan dibujos que representan en forma precisa muchos aspectos del diseo de un proceso. Estos dibujos se utilizan para muchos propsitos, incluyendo diseo de plantas, equipo, procedimientos de seguridad y operacin. En general se utiliza mundialmente una lista de smbolos desarrollada por el Instrument Society of America para evitar confusiones. Algunos ejemplos de esta simbologa se muestran en la figura 6.</p> <p>Los equipos, caeras, vlvulas y accesorios del proceso se dibujan en lneas llenas. Los smbolos para equipos como bombas, tanques, recipientes y vlvulas son fcilmente reconocidos. Los sensores son designados por un crculo o burbuja conectada al punto en el proceso donde est localizado. La primera letra en el smbolo del instrumento indica el tipo de variable medida (tomando la primer letra de la palabra en idioma ingls). Esto es: T: temperatura (Temperature) F: caudal (Flow rate) L: nivel de lquido o slido en un recipiente (Level) P: presin (Pressure) A: analizador (Analizer) La comunicacin al sensor es indicada con lneas slidas. La seal al elemento de accin final con lneas a trazos. La segunda letra en el crculo tiene los siguientes significados; I: cuando la seal se utiliza para mostrar al operador el valor de una variable pero no para fines de control. C: indica control realimentado Y: cualquier clculo, como suma o raz cuadrada</p> <p>Figura 6: a) reactor tanque agitado continuo con control de composicin b) control de caudal en una caera c) tanque con controlador de nivel d) proceso de mezclado con control de composicin</p> <p>2. Conceptos generales Para analizar las caractersticas de un sistema controlado tomaremos algunos ejemplos de sistemas de control. Por ejemplo si se analiza en detalle el funcionamiento de una heladera, se aprecia que la misma es un sistema controlado automticamente. Una heladera en funcionamiento conforma un sistema de elementos donde podemos identificar un motor elctrico, un compresor, un termmetro (bulbo de gas que se expande cuando se caliente), un mecanismo que hace funcionar al sistema para la extraccin del calor de la heladera (termostato), intercambiadores de calor internos y externos que funcionan relacionados entre s. Este sistema est inmerso en un medio ambiente que le transf...</p>