Control de Procesos Quimicos

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<p>Introduccin</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>1</p> <p>INTRODUCCINControl: Mtodos para conseguir que un conjunto de variables parmetros del entorno tengan valores pre-especificados Ejemplos: Mantener la temperatura de una habitacin constante Guiar un satlite espacial para que aterrice en Marte</p> <p>Sistema de control: conjunto de elementos necesarios para conseguir el objetivo de controlCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>2</p> <p>INTRODUCCINObjetivo de la asignatura: Estudiar los elementos y mtodos de operacin de los sistemas de control utilizados en la industria para controlar procesos industriales qumicos Estudio de la Teora de Control Estudio de los componentes de un sistema de controlCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 3</p> <p>INTRODUCCIN Control de Procesos Qumicos:Objetivo General de una planta qumica Transformar materias primas en productos deseados</p> <p>Equipamiento: Conjunto de unidades de procesamiento (reactores, intercambiadores de calor, filtros, columnas de destilacin,...)CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 4</p> <p>INTRODUCCINRequisitos de operacin: Seguridad y estabilidad. Ligada normalmente a que las variables de proceso (temperaturas, niveles, presiones, composiciones) no superen determinados valores lmites Operacin estable. Asegurar que el proceso no alcance situaciones peligrosas o que la calidad del producto cumpla especificaciones (normalmente implica que las variables de proceso no sufran grandes oscilaciones) Especificaciones de produccin. La produccin debe ajustarse a la demanda, tanto en cantidad como en calidad del producto.CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 5</p> <p>INTRODUCCINRequisitos de operacin: Regulaciones medio-ambientales. Asegurar el cumplimiento de la normativa de proteccin medio-ambiental (los efluentes slidos, lquidos y gaseosos no deben superar valores lmite de temperatura, pH concentracin) Restricciones de operacin de los equipos. Evitar el deterioro del equipamiento y prdidas de rendimiento Operacin en condiciones ptimas. Conseguir menores costes de operacin (mximo beneficio) diseando el sistema de control.CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 6</p> <p>INTRODUCCINPara ello se necesita: Monitorizacin continua de las variables de proceso Intervencin externa (CONTROL) para garantizar que se cumplen los objetivos operacionales.</p> <p>Procedimiento: Utilizacin de equipos de medida, vlvulas, termopares, controladores, ordenadores,... Operacin humana (diseadores y operadores de planta)</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>7</p> <p>INTRODUCCINConjuntamente constituyen un sistema de CONTROL</p> <p>Objetivos a satisfacer: Eliminar (o minimizar) la accin de perturbaciones externas Asegurar la estabilidad de los procesos qumicos Optimizar el funcionamiento del procesoCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 8</p> <p>Sistema de control en bucle abierto Diagrama de bloquesd r CONTROLADOR u: y: r: d: u PROCESO y</p> <p>variable de control o variable manipulada (entrada al proceso) variable controlada (salida del proceso) variable de referencia o consigna influencias externas (perturbaciones)CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 9</p> <p>Ejemplo: tanque de almacenamientoQin</p> <p>H</p> <p>h Qout</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>10</p> <p>Ejemplo: tanque de almacenamiento Tanque al que llega un fluido con caudal Qin y del que sale con caudal Qout. En el estado estacionario (equilibrio) Qin=Qout y el nivel en el tanque es h Conocidos los parmetros del sistema (densidad del fluido, superficie del tanque, Qin, capacidad del orificio, ...) el nivel h tendr un valor determinado SISTEMA EN BUCLE ABIERTO Objetivo de control: Conseguir que h tome el valor H Calcular Qin para que h=H en estado estacionario Problemas: qu ocurre si existen pequeas perturbaciones en Qin?CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 11</p> <p>SISTEMA EN BUCLE CERRADO OPERADOR (control manual): compara la altura en el tanque con la deseada h&gt;H abre vlvula h=H no hace nada h TR cerrar vlvula (aportar menos energa)</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>21</p> <p>Sistema realimentado Tipo de controlManual Decisiones y acciones tomadas por el operador</p> <p>Automtico Decisiones y acciones tomadas sin intervencin humana. En este caso se necesitan una serie de componentes: sensor, transmisor, controlador y elemento final de control</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>22</p> <p>Sistema realimentado Elementos del bucle de controlSensor Dispositivos que miden la variable a controlar, las de perturbacin y variables de proceso secundarias a partir de las que se infiere el valor de otras no medibles o de medida costosa Se basan en la reproduccin de un fenmeno fsico cuya magnitud est relacionada con la que se mide Ejemplos: termopares y termorresistencias (temperatura), placa de orificio (caudal), cromatgrafo (composicin)CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 23</p> <p>Sistema realimentado Elementos del bucle de controlTransmisor Convierte la magnitud del efecto fsico del sensor en una seal estndar representacin P&amp;ID (ISA)Elctrica (4-20 mA) Neumtica (3-15 psi) Digital (uso de computadores ) ---------</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>24</p> <p>Sistema realimentado Elementos del bucle de controlControlador Recibe la seal correspondiente a la variable medida y calcula la accin de control de acuerdo al algoritmo que tiene programado La salida, seal estndar, se enva al elemento final de control</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>25</p> <p>Sistema realimentado Elementos del bucle de controlActuador o elemento final de control Manipula la variable de proceso de acuerdo a la accin calculada por el controlador La seal de control le llega en forma analgica estndar En proceso qumico la variable de proceso manipulada suele ser el caudal de una corriente. Por ello, el elemento final de control ms utilizado es la vlvula de control. Otras formas de manipular caudales: bombas, compresores y soplantes dotadas de motores de velocidad variableCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 26</p> <p>Sistema realimentado Diagrama de bloquesGc(s) controladorCalibracin termopar ref e(t) +mA mA</p> <p>Gp(s) PROCESOd(t)</p> <p>Tr(s) C</p> <p>u(t) T(s) Fv(t) Tm( Controlador mA Actuador 3 PROCESO Sensor C m /s mA</p> <p>Referencia Punto de consigna otacin: SP, w Variable manipulada Manipulated Variable Output to Process notacin: MV,OP Perturbaciones Deviation Variables notacin: DV Variable Controlada Controlled Variable Process Variable Notacin: CV, PV27</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>Diseo del Sistema de Control</p> <p>Marga Marcos, curso 03-04</p> <p>Etapas del diseo de un sistema de control Definicin de los objetivos de controlAsegurar la estabilidad, conseguir operacin ptima,</p> <p> Identificar las variables medibles y las manipulablesComo mnimo se deben medir las variables objetivo de control (a veces se recurre a variables auxiliares a partir de las que se infiere su valor) A veces se miden variables de perturbacin y variables auxiliares para implementar estrategias avanzadas de control La eleccin de las variables manipulables es de vital importancia, ya que la calidad de control alcanzable depende en gran medida de su eleccinCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 29</p> <p>Etapas del diseo de un sistema de control Seleccionar la configuracin del sistema de controlDecidir estrategia(s) de control Bucles simples de regulacin Bucles en cascada Esquemas anticipativos Emparejamiento variables a controlar / variables manipulables</p> <p> Especificacin de la instrumentacin de monitorizacin y controlInstrumentos de medida (sensores y transmisores) Controladores Elementos finales de control</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>30</p> <p>Etapas del diseo de un sistema de control Diseo de los controladores Todos los controladores deben ser sintonizados (seleccin de los parmetros) para que la operacin cumpla los objetivos de control Para ello es necesario tener un conocimiento, al menos aproximado, del comportamiento dinmico del proceso Este proceso se conoce como MODELADO del sistema y tiene como objetivo obtener un modelo del proceso tan simple como sea posible que permita estudiar el comportamiento dinmico del proceso Los modelos de conocimiento se basan en conocer los fenmenos fsico-qumicos que subyacen en l y que relacionan las variables del procesoCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 31</p> <p>Conceptos bsicos SistemaObjeto, dispositivo o ente donde se manifiesta una relacin de tipo causa-efecto Dado que no es posible conocer las propiedades y el comportamiento de un sistema fsico, es necesario recurrir a un modelo matemtico. El anlisis del modelo matemtico permitir conocer las propiedades del sistema fsico El modelo matemtico se obtiene a partir de un conjunto de aproximaciones y simplificacionesCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 32</p> <p>Conceptos bsicos ModeloEl concepto de modelo es central en la teora de sistemas, ya que a partir de l es posible conocer las propiedades del sistema y abordar el diseo del controlador Un modelo puede tener diferentes representaciones matemticas: 1 ecuacin diferencial de orden n n ecuaciones diferenciales de primer orden relacin algebraica (aplicando la transformada de Laplace)</p> <p>Atributos de un modelo: Debe reflejar el comportamiento del sistema en el aspecto de inters Debe ser til. Es decir, fcil de manejarCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 33</p> <p>Conceptos bsicos Sistema dinmicoLa teora de control estudia los sistemas dinmicos Un sistema dinmico est formado por: Un conjunto de entradas que actan sobre l (entradas de control y perturbacin) Un conjunto de respuestas (salidas) a dichas entradas Un conjunto de observaciones de dichas respuestas (directamente por nuestros sentidos o mediante sensores artificiales) Estas medidas pueden estar contaminadas por ruido (seal aleatoria de comportamiento impredecible que contamina las observaciones)</p> <p> Estado del sistema. Conjunto de propiedades que define totalmente la situacin del sistema en un instante dadoCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 34</p> <p>Conceptos bsicos Sistema dinmicoEntrada de control, u Salida, y</p> <p>SISTEMA con ESTADO XObservacin, z</p> <p>SENSORPerturbacin aleatoria, v</p> <p>Conocido el estado del sistema en un instante dado y las entradas a partir de dicho instante, es posible determinar su comportamiento futuro El estado representa la historia del sistema (entradas y salidas en instantes anteriores)CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 35</p> <p>Conceptos bsicos Propiedad fundamental de un sistema dinmico Conocido el estado en un instante y las entradas a partir de dicho instante, es posible calcular la salida futura Principio de causalidad Un sistema dinmico es no anticipativo o causal ni la salida ni el estado pueden depender de sus valores futuros o de valores futuros de la entrada Sistema dinmico lineal Su funcin de respuesta es lineal en el estado y en la entrada La respuesta a una combinacin lineal de entradas es la combinacin lineal de la respuesta a cada una de las entradas (Principio de superposicin)CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 36</p> <p>Conceptos bsicos Clasificacin de los sistemas Segn el tipo de modelo de parmetros concentrados (ecuaciones diferenciales totales) de parmetros distribuidos (ecuaciones diferenciales en derivadas parciales) Lineales: de coeficientes constantes de coeficientes variables en el tiempo No lineales</p> <p>Segn el tipo de seales Continuos Discretos Deterministas Aleatorias</p> <p>Segn su estructura Monovariables (SISO) Multivariables (MIMO)</p> <p>CIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006</p> <p>37</p> <p>Estructura General de la asignatura ModeladoObtencin de modelos matemticos y empricos que representen el comportamiento dinmico del proceso</p> <p>Validacin AnlisisA partir del modelo analizaremos el comportamiento y las propiedades del proceso que nos permiten caracterizar la respuesta en el dominio del tiempo en el dominio de la frecuencia</p> <p>DiseoSe aborda el diseo del controlador a partir del conocimiento adquirido en la fase de anlisis</p> <p>Validacin Instrumentacin de procesoCIPQ, Marga Marcos ESI Bilbao, 2003-2006 38</p>