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<p>CAPITULO 1 CONCEPTOS GENERALES</p> <p>1.1 Introduccin. El control automtico de procesos nace por la necesidad de generar productos ms uniformes y de ms alta calidad, con una mayor exactitud, lo cual representa por lo general mayores beneficios. El control automtico tiene tambin grandes ventajas en ciertas operaciones remotas, peligrosas o rutinarias. Debido a que la calidad y la reduccin de costos en un proceso es por lo comn la ventaja ms importante que se busca al aplicar el control automtico. La calidad del control y el costo se deben comparar con los beneficios econmicos esperados y los objetivos tcnicos del proceso. Los beneficios econmicos incluyen la reduccin de los costos de operacin, mantenimiento y producto fuera de especificaciones, junto con el mejoramiento de la funcionalidad del proceso y una mayor produccin. Las razones principales para usar control automtico de procesos, son las siguientes: Mantener los niveles de produccin de la planta en valores iguales o superiores a los establecidos. Mantener la calidad del producto (composicin, pureza, color, etc.). Evitar lesiones al personal de la planta o dao al equipo. La seguridad debe ser considerada como prioridad.</p> <p>La optimizacin del proceso en trminos generales se obtiene si se logra maximizar los beneficios y/o minimizar los costos sujetos a las restricciones fsicas impuestas por el proceso. Como un primer paso en la aplicacin de esquemas de control automtico, es importante manejar la terminologa y los conceptos bsicos necesarios. Este capitulo, introduce los mismos.</p> <p>En todo proceso se presenta una causa y un efecto (causalidad) como se puede observar en la figura 1.1, las causas representan las variables de entradas y los efectos son aquellos que genera el proceso como respuesta a las variables de entrada.</p> <p>Causa ProcesoVariables</p> <p>Efecto</p> <p>Variables</p> <p>Figura 1.1. Causalidad del Proceso. 1.2 VARIABLES. Las entradas y salidas de un proceso son denominadas variables, debido a que estn interrelacionadas con el mismo en una forma esttica y/o dinmica. Para nuestros fines es importante clasificar los diferentes tipos de variables que intervienen en un proceso, estas son: variables manipuladas, variables controladas, variables no controladas y perturbaciones, como se observa en la figura 1.2, en la cual se utiliza como ejemplo una columna de destilacin.</p> <p>Variables Manipuladas</p> <p>F, Flujo de Alimentacin R, Reflujo TE, Temperatura de Entrada</p> <p>Composicin del Destilado, XD Composicin del Fondo, XB</p> <p>Presin Temperatura en el Plato # 5 Perturbaciones XF, Composicin de Entrada QR, Calor del Reactor D, Destilado B, Flujo en el fondo Temperatura en el Plato # 10</p> <p>Figura 1.2. Variables que pueden intervenir en un proceso. 1.2.1 VARIABLES MANIPULADAS: Variables que nosotros podemos cambiar o mover para garantizar que la variable controlada presente el valor deseado. 1.2.2 VARIABLES CONTROLADAS: Variables que queremos controlar, bien sea tratando de mantenerlas constantes (Control Regulatorio) o tratando de seguir alguna trayectoria deseada (Servocontrol), ejemplos de estas pueden ser, flujos, composiciones, temperaturas, presin, nivel, etc.</p> <p>Variables No Controladas</p> <p>Variables Controladas</p> <p>1.2.3 VARIABLES NO CONTROLADAS: Son aquellas variables sobre las cuales no se ejerce control, en algunos casos estas variables no afectan o no ejercen ningn efecto sobre el proceso. 1.2.4 PERTURBACIONES: Flujos, temperaturas, composiciones que entran al proceso (pueden ser de salida algunas veces). No todo el tiempo pueden ser medidas, pero el sistema de control debe ser capaz de regular el proceso en presencia de ellas (premisa que en algunas ocasiones no se logra), tales como temperaturas, presin, concentracin, etc. 1.3 COMPONENTES BSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL. En los procesos industriales encontramos ciertas convenciones y arreglos en los sistemas de control as como la distribucin de dispositivos de medidas y funciones de control en varias piezas de hardware. En la figura 1.3a, se puede apreciar la constitucin de un lazo de control; en la cual existe una sala de control, que es donde se encuentran los controladores, y adems, tiene que ser supervisado por un operador que se encarga de vigilar la operacin normal del proceso; la manipulacin local es representada por una vlvula de control con accin manual, para el paso del flujo fro al calentador; el indicador local que sirve para visualizar los valores de temperatura de salida en campo con la finalidad de poder ejercer un control manual, como por ejemplo para arranque o parada de planta; el transmisor de temperatura, se encarga de convertir la temperatura medida en una seal elctrica (4-20 mA) o neumtica (3-15 psi) y luego la enva por medio de un cableado a la sala de control. En la figura 1.3b se representa el diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado.Manipulacin localIndicador local</p> <p>Sala de control central</p> <p>Transmisor</p> <p>Cableado de alimentacin</p> <p>Operador</p> <p>Figura 1.3a. Constitucin de un Lazo de Control.</p> <p>Elemento Final de Control</p> <p>Perturbaciones Elemento Primario de Medida Proceso Proceso o Corriente til</p> <p>Referencia</p> <p>Transmisor</p> <p>Controlador Estacin Manual - Automtica</p> <p>Figura 1.3b. Diagrama en Bloques de un sistema de control en lazo cerrado. 1.3.1 Elemento primario de medida (Transductores): Son los dispositivos encargados de realizar la medicin de las variables en un proceso. Existen diferentes tipos de transductores, los cuales estn asociados al tipo de variable que se est midiendo (temperatura, presin, nivel, flujo, composicin, etc.), y las condiciones de la medicin (exactitud, linealidad, sensibilidad, temperatura de operacin, rango de medida, etc.), tales como: termopares, termistores, RTD, pirmetros, para medir temperatura; tubo de Bourdon, diafragma, fuelle, capacmetro, LVDT, piezoelctrico, potencimetrico, Strain Gage etc., para medir presin ; varilla con gancho, regla graduada, flotador, para medir nivel. La combinacin de algunos de ellos sirven para medir otras variables, por ejemplo el diafragma con un elemento secundario cualquiera sirve para medir presin, al medir la presin diferencial de un fluido que circula en una tubera se puede encontrar el flujo; o al medir la presin diferencial en el fondo de un tanque se obtiene el nivel de ese fluido. 1.3.2 Transmisores: Los transmisores son dispositivos que se conectan al elemento primario en algunos casos se encuentra integrado al transductor, el mismo produce la seal para la transmisin. Se clasifican en: Transmisores Neumticos y Transmisores Electrnicos. Ellos presentan una constante de tiempo y un tiempo muerto (posteriormente se definirn), que depende del tipo de transmisor y de la variable que est midiendo. En el caso de los transmisores neumticos la seal transmitida es de 3 a 15 psi, y en el caso de los transmisores electrnicos dicha seal es de 4 a 20 mA. 1.3.3 Estacin manual: Muchos lazos de control de procesos han sido provistos de un control manual para que el operador humano pueda ejercer control durante la puesta en marcha, parada o emergencias del proceso.</p> <p>1.3.4 Controlador: Es el encargado de decidir el tipo de accin sobre el elemento final de control. El controlador tiene dos funciones esenciales: Comparar la variable medida con la de referencia deseada (punto de operacin o Set Point), para determinar el error que existe entre ellas. Enviar una seal al elemento final de control con el objeto de modificar su accin en el sentido adecuado para reducir el error. 1.3.5 Elemento final de control: El elemento final de control ms comn es una vlvula que se describir mas adelante, pero puede ser una bomba, un compresor, o un elemento de calentamiento elctrico. 1.3.6 Vlvula de control: Son los elementos finales de control ms usados en los procesos, son encargadas de regular el flujo que circula a travs de ellas. En el control automtico de los procesos industriales la vlvula de control juega un papel muy importante en el lazo de regulacin. Realiza la funcin de variar el flujo de la variable manipulada, para con ello modificar el valor de la variable controlada.</p> <p>Figura 1.4. Vlvula de Control. El cuerpo de la vlvula contiene en su interior el obturador y los asientos, est provista de rosca o bridas para conectarla con la tubera. El obturador es quien realiza la funcin de control de paso del fluido y puede actuar en la direccin de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Est unido a un vstago que pasa a travs de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor.</p> <p>Figura 1.5. Partes de una Vlvula de Control. La vlvula debe tener una posicin a falla, en la que se coloca cuando ocurre una falla en el suministro de la energa de accionamiento. Para determinar cual es su posicin en el momento de una falla, se debe tomar en cuenta el factor seguridad, es decir, cuando por razones de seguridad se requiere que al ocurrir una falla la vlvula se cierre, se dice que la vlvula es Falla Cerrada (FC Fail Close) o tambin conocida como Aire para Abrir (AA) ; por el contrario, cuando se necesita que la vlvula se abra al ocurrir una falla se dice que es Falla Abierta (FA o FO - Fail Open) o Aire para Cerrar (AC). Para determinar la accin del controlador, se debe conocer: los requerimientos de control del proceso y la accin de la vlvula de control. La accin de control est sujeta a la accin de la vlvula, es decir, cuando la seal de error aumenta (cuando por ejemplo aumenta la presin), el controlador aumentar la seal de control si la vlvula es FA o Aire para Cerrar (AC), o disminuir si la vlvula es FC o Aire para Abrir (AO).</p> <p>Figura 1.6. Actuadores de Vlvulas en posicin de falla: FO y FC. En la tabla 1.1 se puede observar de una manera simplificada, una descripcin de los componentes bsicos de los sistemas de control, con ciertas caractersticas de cada uno de ellos, como su rango tpico y la respuesta dinmica al 63%. Tabla 1.1. Descripcin de los Componentes bsicos de un Sistema de Control. Elemento Funcin Rango Tpico Respuesta dinmica al 63%Salida del Controlador Inicia la seal a una estacin remota para ser aplicada al elemento final de control Responsable de la seal desde el controlador al elemento final de control, y desde el sensor al controlador. Cambia la seal que viene del transmisor para ser usada posteriormente al elemento final de control, o al controlador Responsable de implementar el cambio deseado al proceso. Mide la variable controlada Operador / 0-100% -</p> <p>Transmisor</p> <p>Neumtico: 3-15 psi Electrnico: 4-20 mA</p> <p>Neumtico: 1-5 s</p> <p>Electrnico: Instantneo Electrnico a neumtico: 4-20 mA a 3-15 psi Transductor a electrnico: de mV a 4-20 mA Vlvula: 0-100% 0,5 - 1,0 s</p> <p>Convertidor de Seales</p> <p>Elemento final de control Transductor</p> <p>1-4s</p> <p>Escala dada para tener Tpicamente de unos una buena exactitud, pocos segundos a varios por ejemplo: 150C - minutos. 300C</p> <p>1.4 SELECCIN Y DISEO DE LOS ESQUEMAS DE CONTROL. Las operaciones bsicas que estn presentes en todo sistema de control, asociadas a los elementos bsicos anteriormente descritos, son las siguientes: Medicin (M): la medicin de la variable que se controla se realiza por medio del transductor y el transmisor. Decisin (D): basado en la medicin realizada, el controlador decide qu hacer para mantener la variable en el valor que se desea. Accin (A): como resultado de la decisin que toma el controlador, se debe efectuar una accin en el sistema, generalmente esta accin es realizada por el elemento final de control (vlvula u otro elemento final de control).</p> <p>Para seleccionar y disear esquemas de control se deben seguir tres pasos esenciales: 1.4.1 Conocer bien el proceso, variables de entrada/salida (manipuladas, controladas, nocontroladas y perturbaciones), dinmica, rgimen estacionario, etc. 1.4.2 Modelar o identificar adecuadamente el proceso. 1.4.3 La mejor estrategia de control es la ms sencilla de implementar, con la que se pueda controlar el proceso. En el desarrollo de los sistemas de control de proceso, se debe hacer especial hincapi en la definicin del resultado final deseado y en la determinacin de cuando se ha logrado tal resultado. El diseo del sistema de control para cualquier unidad debe encaminarse al empleo de ndices de funcionamiento como punto de referencia. 1.5 PARMETROS CARACTERSTICOS DE UN PROCESO: 1.5.1 Ganancia del Proceso. La ganancia se define como la tasa de cambio en la salida o variable de respuesta controlada, para un cambio en la entrada o funcin forzada. Matemticamente, esta ganancia se expresa de la siguiente manera:</p> <p>K =</p> <p>Q Salida Variable de Respuesta = = I Entrada Funcin Forzada</p> <p>(1.1)</p> <p>Segn este concepto, la ganancia explica qu tanto vara salida por unidad de cambio en la entrada; en otras palabras, qu tan sensible es la salida con un cambio en la entrada. Para el tanque de gas en la figura 1.6.</p> <p>FI, scfm P, psig vp, %</p> <p>F, scfm</p> <p>Figura 1.6. Tanque de Gas. La ganancia es:</p> <p>K=</p> <p>P psi = vP %vP</p> <p>(1.2)</p> <p>Esto explica qu tanto vara la presin del tanque por un cambio de unidad en porcentaje de la posicin de la vlvula. Como en ejemplos previos, la ganancia nos dice cul es la sensibilidad de la variable controlada ante un cambio en la variable de entrada. El valor numrico: en las unidades de cada proceso existen diferentes tipos de ganancias, considrese el ejemplo del tanque de gas. La figura 1.7 proporciona la ganancia o sensibilidad, relacionando la presin del tanque y la posicin de la vlvula. Si se cambia el flujo de entrada al tanque, la posicin de la vlvula se mantiene constante y la presin responder, como se muestra en la figura 1.7.Fi, scfm</p> <p>P, psigEntrada Fi</p> <p>SalidaP</p> <p>Tiempo</p> <p>Tiempo</p> <p>Figura 1.7. Respuesta de la Presin en el tanque con un cambio escalonado en el Flujo de entrada. Para este caso la ganancia es dada por:</p> <p>K=</p> <p>P psi , FF scfm</p> <p>(1.3)</p> <p>La ganancia solamente relaciona valores de estado estacionario o estable; es decir, qu tanto cambia la salida en funcin de la entrada. La ganancia no dice la rapidez con que ocurre el cambio. En otras palabras, la ganancia es una caracterstica de estado estacionario del proceso. 1.5.2 Constante de Tiempo del Proceso (). La constante de tiempo se define como la cantidad de tiempo que toma la variable controlada para alcanzar el 63,2% de un cambio total. Este tiempo se cuenta desde el momento en que la variable comienza a responder. La constante de tiempo se relaciona con</p> <p>la velocidad de respuesta del proceso. Mientras ms rpido sea un proceso, ms breve ser la unidad de tiempo, y a la inversa. La unidad de tiempo normalmente usada es el minuto. En sntesis, la constante de tiempo () nos indica con qu rapidez ocurre un proceso, una vez que comienza a responder ante un cambio en la entrada. De este modo, la constante de tiempo es una caracterstica relacionada con la parte dinmica del proceso. 1.5.3 Tiempo Muerto (to). Es la cantidad finita de tiempo entre el cambio en la entrada y el cambio desde que la salida comienza a responder....</p>