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FUNDAMENTOS EN CONTROL DE PROCESOS

Prof. Carlos MUVDI NOVA, Ph.D., M.Sc.

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Importancia del control de

procesos

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Los procesos pueden ser:

Discontinuos

Continuos

Semicontinuos

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Todo proceso es dinmico por naturaleza Cambios en las variables de operacin no permitirn

alcanzar las condiciones de diseo

Los procesos industriales son potencialmente peligrosos

OBJETIVO DEL CONTROL DE PROCESOS

Mantener al proceso en las condiciones

ptimas (produccin/calidad) y seguras de

operacin

COMO HACERLO? Es necesario comprender muy

bien el proceso

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El control es importante principalmente por

tres motivos:

Reducir la variabilidad (CALIDAD)

Aumentar la eficiencia (REDUCCIN DE COSTOS)

Reducir el riesgo de accidentes (SEGURIDAD)

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Un Proceso puede definirse como:

Etapas de transformacin de materia prima

(bruta) en productos (terminados), usando

operaciones qumicas y fsicas.

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El sistema de control

v

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Tres tipos de variables en un proceso: Variables controladas (VC): Son las variables a controlar. El valor deseado de una variable controlada

se conoce como el set point.

Variables manipuladas (VM): Son las variables que pueden ser ajustadas libremente por el operador o por

un mecanismo de control para mantener las variables

controladas en su set point

Variables de perturbacin (VP): Son variables que afectan a las variables controladas y sobre las cuales

no se tiene ningn control.

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Encontrar las VC, VM, VP de un

proceso es una etapa crtica en el

desarrollo de un sistema de control

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Ejemplo 1: Calentamiento de un Tanque perfectamente agitado

La temperatura Ti cambia con el tiempo. Cmo

asegurarse que T permanecer cerca del set point?

Estrategias posibles: 1.Medir T y ajustar Q

2.Medir Ti y ajustar Q

3.Medir T y ajustar w

4.Medir Ti y ajustar w

5.Medir T y Ti y ajustar Q

6.Medir T y Ti y ajustar w

7.Ubicar un intercambiador en la

corriente de entrada

8.Usar un tanque ms grande

Ti(t)

w(t) T(t)

Q(t)

w(t)

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En un lazo de control

siempre se realizan tres

operaciones: Medir Decidir Ajustar

variable controlada: Temperatura

del agua

set point: Temperatura de confort

Medicin: la piel

Comparacin: el cerebro

Ajuste: agregar agua caliente

para aumentar la temperatura

del agua

El lazo de control:

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Los sistemas de control estn constituidos de

tres elementos fundamentales:

Sensor/transmisor Tambin llamado elemento primario. Mide y transmite

una seal representativa de la variable controlada.

Accin: MEDICIN

Controlador Elemento de decisin, de accin de control. Accin: DECISIN

Elemento final de control Encargado de realizar la orden de control. Accin: AJUSTE

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Lazo Cerrado Existe cuando se ejecutan las tres acciones

esenciales de un sistema de control. Es decir, si en el

proceso una variable es medida y una accin es

llevada a cabo a partir de ella para corregir o evitar la

desviacin de la variable de proceso de su set point.

Controlador conectado al proceso.

Lazo Abierto Existe cuando falta alguna de las acciones esenciales de un lazo de control. Ejemplo: los rociadores de agua

de jardines. Programados a funcionar a horas

especficas sin tener en cuenta la humedad del suelo.

Controlador desconectado

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Actividad Identifique el proceso (objetivo), la variable de proceso, la

variable manipulada, el sensor, el controlador y el elemento

final de control, de los siguientes ejemplos de la vida

cotidiana. Funcionan en lazo abierto o en lazo cerrado?

Cocinar frijoles con olla de presin Volar una cometa

Conducir un carro Balancear una cuchara con el dedo Manejar una bicicleta Lavadora

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Existe una gran variedad de instrumentos y equipos

que permiten implementar sistemas de control.

Elementos primarios/sensores: medicin de variables Transmisores: conversin de una seal de un sensor (seal dbil), en una seal estndar (fuerte) que se

transmite al controlador

Transductores y convertidores: cambio de naturaleza de una seal

Indicadores: hacen visible la lectura de la medicin en el punto de medicin de la variable

Registradores: mantienen un historial de las condiciones del proceso

Controladores: comparacin y decisin Elemento final de control: accin fsica de modificacin sobre la variable manipulada

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Tres tipos de seales son utilizadas para

transmitir la informacin:

Neumtica normalmente entre 3 - 15 psi

Anloga normalmente entre 4 - 20 mA o 1 - 5 VDC

Digital

En muchas ocasiones es necesario utilizar

transductores o convertidores (A/D, E/P, P/I)

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Simbologa

Instumentation, Systems and Automation (ISA) Society

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Estos smbolos permiten la representacin de sistemas

de control en formato papel o en digital

(P&ID- piping and instrumentation drawings)

Figuras

Letras

y

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Instrumentos de medicin

Instrumentos de control/con

indicadores de medicin

Vlvulas Bombas

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Smbolos para las

conexiones y tuberas

tubera

conexin de proceso

seal elctrica

seal neumtica

conexin de datos

tubera capilar

seal hidrulica

seal electromagntica

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FIC

123

Identificacin

1. variable

2. otra funcin / especificacin 3. funcin

nmero

referencia

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Ejemplo 2: Proceso de mezclado

La corriente 1 es una mezcla de dos compuestos (A y B), se

asume que su flujo w1 es constante pero su composicin xA1

cambia con el tiempo. La corriente 2 es solo A y puede ser

manipulada con una vlvula. Como asegurarse que x

permanecer cerca del set point xsp?

Estrategias posibles: 1.Medir xA y ajustar w2

xA2=1

w1 w2(t) xA1(t)

w(t) xA(t)

Estrategias posibles: 1.Medir xA y ajustar w2 2.Medir xA1 y ajustar w2

3.Medir xA y xA1 y ajustar

w2

Estrategias posibles: 1.Medir xA y ajustar w2 2.Medir xA1 y ajustar w2

Estrategias posibles: 1.Medir xA y ajustar w2 2.Medir xA1 y ajustar w2

3.Medir xA y xA1 y ajustar

w2

FFC AT AC

AT

AT AC

AT

FFC +

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Tipos de control

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Estrategias posibles: 1. Medir xA y ajustar w2 2. Medir xA1 y ajustar w2

3. Medir x y xA1 y ajustar w2

1. Retroalimentacin 2. Por accin precalculada

3. Retroalimentacin-ac.precalc.

Otras estrategias: razn, cascada, predictivo

Ejemplo 2: Proceso de

mezclado xA2=1

w1 w2(t) xA1(t)

w(t)

xA(t)

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Control por retroalimentacin

xA2=1

xA1(t)

t

1

xA(t)

t

1

t

1

w1 w2(t) xA1(t)

w(t) xA(t)

AC

AT

Toma en cuenta todas las perturbaciones

Accin de control lenta

vp(t)

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Control por accin precalculada

xA1(t)

t

1

xA(t)

t

1

t

1 Accin de control rpida No toma en cuenta todas las

perturbaciones

FFC AT

xA2=1

w1 w2(t) xA1(t)

w(t) xA(t)

vp(t)

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Control por retroalimentacin y accin

precalculada

xA2=1

AT AC

AT

w1(t) w2(t) xA1(t)

w(t) xA(t)

FFC +

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Para el siguiente tanque de almacenamiento

represente un sistema de control FB, FF-FB

w1(t) w2(t)

w(t)

Actividad

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Formacin necesaria para el control de procesos

Conocimiento de los principios de ingeniera de procesos (termodinmica, fenmenos de

transporte, cintica, etc)

Conocimiento del comportamiento dinmico de procesos (modelamiento, ecuaciones

diferenciales, transformada de Laplace)

TAREA 1 La dilisis es usada para el tratamiento de pacientes con insuficiencia renal. Esta tcnica

permite remover residuos txicos (para el organismo) de la sangre del paciente. Una

corriente de sangre del paciente es pasada a travs de la unidad de dilisis, donde los

residuos son removidos de esta y reemplazada por un medio antes que la sangre regrese

al paciente (ver figura). Es importante proveer un flujo adecuado de medio de forma a que

la sangre del paciente sea correctamente purificada. Es por esto que muchos sistemas de

dilisis poseen un microprocesador que contiene un controlador feedback. El sistema de

control mide la contaminacin en la sangre del paciente para establecer el caudal de medio

en la unidad de dilisis.

Identificar la VM, VC y

las VPs del proceso.