Control e Instrumentación de Procesos Químicos

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Control e Instrumentacin de Procesos QumicosP.O. Castro, E.F. CamachoSntesis, Madrid 1997ISBN 84-7738-517-3 1997

INDICE

Control e Instrumentacin de Procesos Qumicos

Prlogo

Cualquier ingeniero qumico que disee o que opere plantasqumicas debe tener unos conocimientos mnimos de controlautomtico de procesos. En los planes de estudio de Ingeniero Qumicode las distintas facultades de Qumica y escuelas de Ingenierase incluye esta disciplina. La formacin debe orientarse a cubrirdos objetivos educativos de gran importancia:a) Capacitar al alumno para desarrollar en el futuro una serie de actividadesprofesionales sencillas en este campo, tales como: Plantear, disear y especificar correctamente estrategias sencillasde control (por ejemplo, para plantas de tamao medio o pequeo)

Analizar y entender estrategias ms complejas propuestas por especialistascon aos de experiencia.

Diagnosticar y resolver problemas sencillos del sistema de control de unaplanta en operacin.

Participar en la gestin de la adquisicin de un sistemade control (equipos de control y estrategias) para una planta de tipo medioo pequeo (peticin y evaluacin de ofertas, discusincon los suministradores del sistema, etc.)

b) Consolidar una formacin bsica a partir de la cual elalumno, bien por s mismo o bien asistiendo a cursos de postgrado,pueda sin problemas hacerse un especialista en la materia.Para alcanzar estos objetivos no es necesario que el alumno egresadode facultades y escuelas domine la moderna y elegante Teora deControl desarrollada en las ltimas dos dcadas, que estbasada en planteamientos matemticos bastante complejos. Por elcontrario, estos objetivos pueden cubrirse con un enfoque mucho msprctico del Control de Procesos, con la nica precaucinde no caer en el extremo opuesto de limitar el proceso formativo al aprendizajede una serie de recetas prcticas ms o menos justificadas.El soporte terico ha de ser el necesario para entender el porqu,el cmo y el cundo debe aplicarse una tcnica decontrol especfica a un caso concreto, para entender tambincuales son las limitaciones de esa tcnica y que calidad de controlcabe esperar de ella, as como para seleccionar justificadamentelos instrumentos ms adecuados para su realizacin fsica.

Con este enfoque mixto se ha escrito este libro, cuyo contenido estindicado para un curso universitario de 60 a 90 horas lectivas. Esta extensinposibilita que sea un libro de texto adecuado a los programas docentessobre la materia, de la mayora de los departamentos universitarios.Contiene el material educativo suficiente para montar la asignatura deControl de Procesos de acuerdo con la visin particular que cadaprofesor tenga sobre la disciplina, tratando con mayor profundidad o extensinlos temas que juzgue ms interesantes. As por ejemplo, unaasignatura con slo 6 crditos y con un enfoque eminentementeprctico podra dejar a un lado el modelado del comportamientodinmico de procesos (Captulo 2) y tratar con menos profundidadlas tcnicas de anlisis dinmico (Captulos3, 4 y 5) para centrarse en el diseo de controladores PID (Captulos7 y 9) y poner nfasis en la instrumentacin bsicade control (Captulos 16, 17, 18, 19 y 20). Si bien esta obra estaenfocada, como se ha dicho, a la enseanza universitaria, la orientacinprctica con la que ha sido concebida, hace que sea tiltambien para profesionales que quieran adquirir o completar una formacinbsica en control de procesos. El modelado emprico de ladinmica de procesos (Captulo 6), las reglas de sintonizacinde controladores (Captulo 9), la forma de incrementar la calidadde control mediante tcnicas avanzadas que hoy en da sontcnicas estndar (Captulo 10, 11 y 12) o la realizacinfsica de las estrategias de control mediante computadores de controldistribuido, constituyen temas que tienen una aplicacin prcticainmediata. Un enfoque eminentemente aplicado de la disciplina requierecomplementar las clases tericas con la realizacin de unamplio conjunto de prcticas que cubran la mayor parte de los temasque se desarrollan. El mejor medio para satisfacer el enfoque prcticode la disciplina es el desarrollar las prcticas sobre alguna plantapiloto, lo que exige una inversin y un mantenimiento considerable.Afortunadamente, la enorme potencia de clculo de los ordenadorespersonales, unida a la economa de su adquisicin y uso,permite la realizacin de prcticas sobre simulaciones suficientementerealistas de procesos reales. Existe en el mercado abundante "software"especializado en simulacin dinmica, que incorpora inclusorutinas de control, con el que se facilita extraordinariamente la tareade montar dichos prcticas. De hecho, buena parte de los ejemploscontenidos en esta obra han sido desarrollados utilizando este tipo deaplicaciones informticas.

El libro se inicia con un captulo de introduccin enel que se hace una descripcin general del problema de control deprocesos qumicos, de las tcnicas de control disponiblesy de la instrumentacin necesaria para implementarlas. Es un captulode lectura obligada, no slo porque ofrece una panormicaglobal del contenido de la obra, sino porque en l se definen unaserie de trminos y conceptos que se utilizarn con profusinen la misma y sobre cuyo significado no debe existir la menor duda.Los restantes captulos del libro se pueden agrupar en trespartes claramente diferencias: dinmica, control e instrumentacinde procesos. La primera parte (Captulos 2 a 6 ambos inclusive)tiene por objetivo el estudio del comportamiento dinmico de procesossometidos a perturbaciones exteriores. Este estudio comienza con el desarrollode modelos matemticos dinmicos de procesos basados en losprincipios fsico(qumicos que los gobiernan: conservacinde la materia, la energa y la cantidad de movimiento, leyes cinticasy ecuaciones de estado. A continuacin se aplican tcnicasmatemticas de anlisis y transformacin de esos modelos,con vistas a su utilizacin en problemas de control (linealizaciny anlisis en el dominio del tiempo, anlisis frecuencialy en el dominio de Laplace, funciones de transferencia e identificacinde procesos para obtener modelos dinmicos empricos).

La segunda parte del texto (Captulos 7 a 14 ambos inclusive)comienza presentando la idea bsica del control por realimentaciny analizando, desde un punto de vista ms descriptivo que formalo puramente matemtico, el problema de la estabilidad. Este enfoqueprctico conectado con el hecho fsico es una constante quese mantendr a lo largo de esta segunda parte, preservando nicamenteel soporte terico indispensable para comprender las distintas tcnicasy estrategias de control y justificar sus limitaciones. El concepto decontrol regulatorio bsico mediante lazos o bucles de realimentacinse extiende con la descripcin detallada de un lazo de realimentacin,que incluye los distintos tipos de controladores (analgicos y digitales)y acciones de control (proporcional, integral, derivativa), ascomo sus criterios de seleccin y los mtodos de sintonizacin.A continuacin se presentan tcnicas de control avanzadopara procesos con dinmica difcil (procesos con elevadostiempos muertos y procesos con respuesta inversa) y para casos en los quese exija una mejor calidad de control (control en cascada y control anticipativo).Dentro del conjunto de tcnicas avanzadas de control se incluyetambin el control selectivo, para situaciones en las que, ademsde controlar una variable de proceso, se requiere satisfacer simultneamenteotros objetivos (maximizar una eficiencia, proteger un equipo). El estudiode tcnicas de control para procesos continuos finaliza con un captulodedicado a control multivariable que aborda la problemtica de lasinteracciones entre lazos asociados a una misma unidad de proceso, conun planteamiento muy simple, pero tambin muy ilustrativo y prctico,de una cuestin formalmente compleja. La segunda parte de la obraconcluye tratando dos temas que no suelen incluirse en textos de controlde procesos para estudiantes de ingeniera qumica. Uno deellos es el control secuencial de procesos cuya aplicacin no selimita a la automatizacin de procesos discontinuos, que tambines necesario su concurso en las operaciones de puesta en marcha y paradade procesos continuos. El otro tema versa sobre los sistemas de controldistribuido mediante computadores de control, que es la filosofade control imperante hoy en da para plantas de tamao medioy grande.

La tercera parte del libro (Captulos 15 a 20 ambos inclusive)tiene por objetivo presentar los instrumentos necesarios (sensores, transmisoresy actuadores) para implementar las tcnicas de control estudiadas.Habida cuenta que la instrumentacin involucrada en el control deproceso qumicos es extraordinariamente amplia, el estudio se limitaa aquellos instrumentos con los que se miden las variables fsicasprincipales (presin, nivel temperatura, caudal y composicin).El estudio de esta materia no se reduce a una mera descripcin fsicade los sensores, sino que incluye tambin un anlisis delos principios fsico qumicos en los que se fundamentan,la discusin sobre su campo de aplicacin y un anlisiscomparativo con otros instrumentos que cumplen la misma finalidad. Estatercera pare concluye con un captulo dedicado a vlvulasde regulacin, el elemento final de control en la mayorade los lazos de control de proceso qumicos.

Control e Instrumentacin de Procesos Qumicos

Temario

1. INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS QUIMICOS.

1.1. Introduccin1.2. Un ejemplo introductorio1.3. Definiciones y conceptos bsicos relativos a los sistemasde control de procesos1.4. Seales e instrumentos de un sistema de control de procesos1.5. Niveles de control de procesos1.6. Diseo del sistema de control2. MODELIZACION DEL COMPORTAMIENTO DINAMICO DE PROCESOS QUIMICOS.

2.1. Introduccin2.2. Consideraciones generales acerca del modelado matemticode procesos qumicos2.3. Ecuaciones de conservacin y tipos de modelos2.4. Las ecuaciones de conservacin en la formulacinde modelos de parmetros globalizados2.5. Las ecuaciones de conservacin en la formulacinde modelos de parmetros distribuidos2.6. Ejemplos de modelos dinmicos de procesos qumicos3. ANALISIS DE LA DINAMICA DE PROCESOS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO

3.1.Introduccin3.2.Linealizacin de sistemas dinmicos3.3. Sistemas de primer orden3.4. Sistemas de segundo orden3.5. Sistemas de orden superior4. ANALISIS DINAMICO EN EL DOMINIO DE LAPLACE: FUNCIONES DE TRANSFERENCIA

4.1. Introduccin4.2. La transformada de Laplace4.3. Resolucin de ecuaciones diferenciales lineales4.4. Funciones de transferencia y modelos entrada-salida4.5. Anlisis cualitativo del comportamiento dinmicode un sistema y concepto de estabilidad4.6. Diagramas de bloques5. ANALISIS DINAMICO EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA: RESPUESTA FRECUENCIAL

5.1. Introduccin5.2. Respuesta en frecuencia5.3. Respuesta en frecuencia de sistemas constituidos por varias funcionesde transferencia en serie5.4. Sistemas de fase no mnima6. MODELOS DINAMICOS EMPIRICOS PARA CONTROL DE PROCESOS

6.1. Introduccin6.2. Metodologa general6.3. El mtodo de la curva de reaccin6.4. Mtodos estadsticos6.5. Observaciones finales y conclusiones7. CONTROL POR REALIMENTACION: CONTROLADORES PID

7.1. Introduccin7.2. Instrumentacin de un lazo simple de control7.3. Controladores analgicos PID7.4. Controladores digitales7.5. Seleccin de las acciones de control8. ANALISIS DINAMICO Y DISEO DE LAZOS DE REALIMENTACION

8.1. Introduccin8.2. Diagrama de bloques y respuesta de un lazo simple de control8.3. Criterios de estabilidad en lazo cerrado8.4. Efecto de las acciones bsicas proporcional, integral yderivativa sobre la respuesta en lazo cerrado9. SINTONIZACION DE CONTROLADORES PID

9.1. Introduccin9.2. Sintonizacin de controladores de realimentacin9.3. Criterios de calidad de respuesta9.4. Seleccin del tipo de controlador9.5. Mtodos de sintonizacin de controladores10. CONTROL REGULATORIO AVANZADO DE PROCESOS CON GRANDES TIEMPOS MUERTOSO RESPUESTA INVERSA

10.1. Introduccin10.2. El problema de control de procesos con elevado tiempo muerto10.3. El Predictor de Smith10.4. El Predictor de Smith y los errores de modelado10.5. El predictor PI10.6. Control de procesos con respuesta inversa11. CONTROL REGULATORIO AVANZADO CON VARIABLES AUXILIARES

11.1. Introduccin11.2. Control en Cascada11.3. Control anticipativo11.4. Control selectivo o control con restricciones11.5. Control de gama partida12. CONTROL DE PROCESOS MULTIVARIABLES

12.1. Introduccin12.2. Descripcin de Sistemas Multivariables12.3. Los problemas de las interacciones12.4. Medidas de las Interacciones12.5. Evaluacin aproximada del comportamiento dinmicode un sistema multivariable12.6. Limitaciones en el uso de desacopladores explcitos12.7. Matriz de transferencia en bucle cerrado12.8. Desacoplo de sistemas no lineales13. CONTROL POR COMPUTADOR

13.1. Introduccin13.2. Ventajas e inconvenientes del control por computador13.3. Funciones de los computadores en el control y la supervisinde procesos13.4. Instrumentacin especfica para el control porcomputador13.5. Caractersticas del software de los sistemas de controlpor computador13.6. Estructuras de los sistemas de control por computador13.7. Seales muestreadas14. CONTROL SECUENCIAL DE PROCESOS

14.1. Introduccin14.2. Ejemplo ilustrativo14.3. Ecuaciones lgicas14.4. Sistemas lgicos combinacionales y secuenciales15. INTRODUCCIN A LA INSTRUMENTACIN DE PROCESOS QUIMICOS

15.1. Introduccin15.2. El proceso de medida15.3. Clasificacin de los instrumentos de medida15.4. Definiciones y conceptos bsicos15.5. La transmisin de la medida15.6. Instrumentacin inteligente15.7. Calibrado15.8. Diagramas de tuberas e instrumentos16. MEDIDORES DE TEMPERATURA

16.1. Introduccin16.2. Factores involucrados en la medicin de la temperatura16.3. Clasificacin de los sensores de temperatura16.4. Termopares16.5. Termoresistencias (sondas de resistencia)16.6. Termistores16.7. Pirmetros de radiacin16.8. Seleccin del sensor de temperatura17. MEDIDORES DE PRESION Y DE NIVEL

17.1. Introduccin17.2. Conversin mecnica-elctrica17.3. Elementos primarios para la medida de presin17.4. Medidores de nivel17.5. Medidas de niveles en depsitos de slidos.18. MEDIDORES DE CAUDAL

18.1. Introduccin18.2. Medidores de presin diferencial18.3. Medidor de impacto18.4. Caudalmetros electromagnticos18.5. Medidores de insercin18.6. Medida del caudal msico con medidores volumtricos18.7. Medidores de caudal msico19. ANALIZADORES DE PROCESO

19.1. Introduccin19.2. Anlisis en lnea o en tiempo real19.3. Caractersticas bsicas de los analizadores19.4. Analizadores en lnea19.5. Sistemas de muestreo y acondicionamiento20. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL : VALVULAS DE REGULACION AUTOMATICA

20.1. Ecuaciones de flujo a travs de vlvulas para lquidosy gases20.2. Frmulas de clculo de Kvs y Cv20.3. Correccin por viscosidad20.4. Mezclas lquido-gas20.5. Mezclas lquido-vapor20.6. Cavitacin y flashing20.7. Criterios de dimenisonamiento de una vlvula de regulacin

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