control automático de procesos(corripio)

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A Y PRCTICA

CARLOS A. SMITH

CONTROL AUTOMTlCODEPROCESOSTEORA Y PRCTICACarlos A. Smith University of South Florida Armando B. Corripio Louisiana State University

Versin espaiiola:

SERGIO D. MANZANARES BASURTO Ingeniero en Comunicaciones y Electrnica de la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Electrnica del Instituto Politcnico Nacional de Mxico Revisin: CARLOS A. SMITH ARMANDO B. CORRIIIO

EDITORIALMXICOl

LIMUSAESPAA l COLOMBIAl

VENEZUELA PUERTO RICO

l

ARGENTINA

Versin autorizada en espaol de la obra publicada en ingls por John Wiley & Sons, con el ttulo: PRINCIPLES AND PRACTICE OF AUTOMATIC PROCESS CONTROL 0 John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-47 1-88346-8 Inc.

Elaboracin: SISTEMAS EDITORIALES TCNICOS, S.A. de C. V. La presentacin y disposicin en conjunto de CONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS Teora y prctica son propiedad del editor. Ninguna parte de esta obra puede ser reproducida o transmitida, mediante ningn sistema o mtodo, electrnico o mecnico (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO, ki grabacin o cualquier sistema de recuperacin y almacenamiento de informacin), sin consentimiento por escnto del editor. Derechos reservados: @ 1991, EDITORIAL LIMUSA, S.A. de C.V. Balderas 95, Primer piso, 06040 Mxico, D.F. Telfono 52 1-50-98 Fax 5 12-29-03 Tlex 1762410 ELIME Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Registro nmero 12 1

Primera edicin: 1991Impreso en Mxico

(5942)

ISBN 968-18-3791-6

Con todo cario a los Smith: Cristina, Cristina M., Carlos A., Jr. y Sr. Ren Smith y Sra. los Corripio: Connie, Bernie, Mary, Consuelo Michael y

y a nuestra querida tierra natal, Cuba

Prlogo

El propsito principal de este libro es mostrar la prctica del control automtico de proceso, junto con los principios fundamentales de la teora del control. Con este fin se incluye en la exposicin una buena cantidad de anlisis de casos, problemas y ejemplos tomados directamente de la experiencia de los autores como practicantes y como consultores en el rea. En opinin de los autores, a pesar de que existen muchos libros buenos en los que se tratan los principios y la teora del control automtico de proceso, en la mayora de ellos no se proporciona al lector la prctica de dichos principios. Los apuntes a partir de los cuales se elabor este libro se han utilizado durante varios aos en los cursos finales de ingeniera qumica y mecnica en la University of South Florida y en la Louisiana State University. Asimismo los autores han utilizado muchas partes del libro para impartir cursos cortos a ingenieros en ejercicio activo en los Estados Unidos y en otros pases. El inters se centra en el proceso industrial y lo pueden utilizar los estudiantes del nivel superior de ingeniera, principalmente en las ramas de qumica, mecnica, metalurgia, petrleo e ingeniera ambiental; asimismo, lo puede utilizar el personal tcnico de procesos industriales. Los autores estn convencidos de que, para controlar un proceso, el ingeniero debe entenderlo primero; a ello se debe que todo el libro se apoye en los principios del balance de materia y energa, el flujo de lquidos, la transferencia de calor, los procesos de separacin y la cintica de la reaccin para explicar la respuesta dinmica del proceso. La mayora de los estudiantes de los grados superiores de ingeniera tienen las bases necesarias para entender los conceptos al nivel que se presentan. El nivel de las matemticas que se requieren se cubre en los primeros semestres de ingeniera, principalmente el calculo operacional y las ecuaciones diferenciales. En os captulos 1 y 2 se definen los t&minos y los conceptos matemticos que se utilizan en el estudio de los sistemas de control de proceso. En los captulos 3 y 4 se explican los principios de la respuesta dinmica del proceso. En estos captulos se utilizan nu7

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PRLOGO

merosos ejemplos para demostrar el desarrollo de modelos de proceso simples y para ilustrar el significado fsico de los parmetros con que se describe el comportamiento dinmico del proceso. En el captulo 5 se estudian algunos componentes importantes del sistema de control; a saber: sensores, transmisores, vlvulas de control y controladores por retroalimentacin. Los principios de operacin prctica de algunos sensores, transmisores y vlvulas de control comunes se presentan en el apndice C, cuyo estudio se recomienda a los estudiantes que se interesen en conocer el funcionamiento de los instrumentos de proceso. En los captulos 6 y 7 se estudian el diseo y anlisis de los sistemas de control por retroalimentacin. El resto de las tcnicas importantes del control industrial se tratan en el captulo 8; stas son: control de razn, control en cascada, control por accin precalculada, control por sobreposicin, control selectivo y control multivariable. Se usan numerosos ejemplos para ilustrar la aplicacin industrial de dichas tcnicas. Los principios de los modelos matemticos y la simulacin por computadora de los procesos y sus sistemas de control se presentan en el captulo 9. En este captulo se presenta una estructura modular de programa muy til, la cual se puede utilizar para ilustrar los principios de respuesta dinmica, estabilidad y ajuste de los sistemas de control. De acuerdo con la experiencia de los autores, en un curso de un semestre se deben incluir los primeros seis captulos del libro, hasta la seccin 6-3, as como la seccin acerca de control por accin precalculada del captulo 8; posteriormente, segn la disponibilidad de tiempo y las preferencias del instructor, se, pueden incluir las secciones sobre rels de cmputo, control de razn, control en cascada, lugar de raz y respuesta en frecuencia, las cuales son independientes entre s. Si en el curso se incluye un laboratorio, el material del captulo 5 y del apndice C es un excelente apoyo para los experimentos de laboratorio. Los ejemplos del captulo 9 se pueden usar como gua para experimentos de simulacin por computadora que complementarn a los experimentos reales de laboratorio. Si se dispone de dos semestres o cuatro trimestres para el curso es posible cubrir todo el texto en detalle. En el curso se debe incluir un proyecto final en el cual se pueden utilizar los problemas de control de proceso del apndice B, que son problemas industriales reales yproporcionan al estudiante la oportnidad de disear desde el principio, el sistema de control para un proceso. Los autores estamos convencidos de que dichos problemas son una contribucin importante de este libro. En la presente obra se prefiri el uso exclusivo del mtodo de funcin de transferencia en lugar del de variable de estado, por tres razones: pri)ilera, consideramos que es ms factible hacer comprender los conceptos del control de proceso mediante las funciones de. transferencia; segunda, no tenemos conocimiento de algn plan de control cuyo diseo se basa en el mtodo de variable de estado y que actualmente se utilice en la industria; finalmente, el mtodo de variable de estado requiere una base matemtica ms slida que las funciones de transferencia. En una obra de este tipo son muchas las personas que contribuyen, apoyan y ayudan a los autores de diferentes maneras; nuestro caso no fue la excepcin y nos sentimos bendecidos por haber tenido a estas personas a nuestro alrededor. En el camp industrial ambos autores deseamos agradecer a Charles E. Jones de la Dow Chemica USA, Louisiana Division, por fomentar nuestro inters en la prctica industrial del control de proceso y

PRLOGO

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por alentarnos a buscar una preparacin acadmica superior. En el campo acadmico, encontramos en nuestras universidades la atmsfera necesaria para completar este proyecto; deseamos agradecer al profesorado y al alumnado de nuestros departamentos por despertar en nosotros un profundo inters en la instruccin acadmica, as como por las satisfacciones que hemos recibido de ella. Ser el instrumento para la preparacin y desarrollo de las mentes jvenes en verdad es una labor muy gratificante. El apoyo de nuestros alumnos de posgrado y de licenciatura (las mentes jvenes) ha sido invaluable, especialmente de Tom M. Brookins, Vanessa Austin, Sterling L. Jordan, Dave Foster, Hank Brittain, Ralph Stagner, Karen Klingman, Jake Martin, Dick Balhoff, Terrell Touchstone, John Usher, Shao-yu Lin y A. (Jefe) Rovira. En la University of South Florida, Carlos A. Smith desea agradecer al doctor L. A. Scott su amistad y su consejo, que han sido de gran ayuda durante estos ltimos diez aos. Tambin agradece al doctor J. C. Busot su pregunta constante: iCundo van a terminar ese libro?, la cual realmente fue de ayuda, ya que proporcion el mpetu necesario para continuar. En la Louisiana State University, Armando B. Corripio desea agradecer a los doctores Paul W. Murrill y Cecil L. Smith su intervencin cuando l se inici en el control automtico de proceso; no solo le ensearon la teora, sino tambin inculcaron en l su amor por la materia y la enseanza de la misma. Para terminar, los autores deseamos agradecer al grupo de secretarias de ambas universidades por el esmero, la eficiencia y la paciencia que tuvieron al mecanografiar el manuscrito. Nuestro agradecimiento para Phyllis Johnson y Lynn Federspeil de la USF, as como para Janet Easley, Janice Howell y Jimmie K,eebler de la LSU. Carlos A. Smith Tampa, Florida Armando B Corripio Baton Rouge, Louisiana

Contenido

Captulo 1 Introduccinl - l El sistema de control de procesos 1-2 Trminos importantes y objetivo del control automtico de proceso 1-3 Control regulador y servocontrol 1-4 Seales de transmisin 1-5 Estrategias de control Control por retroalimentacin Control por accin precalculada 1-6 Razones principales para el control de proceso 1-7 Bases necesarias para el control de proceso 1-8 Resumen