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23/03/2015
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
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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)
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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.