CONTROL E INSTRUMENTACIONPrograma

CTR5032 (DIP5031)TEL 4 – 0 - 2

2 pruebas 1 Trabajo Final

1. INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS (01 hrs)

1.1 Concepto y objetivo de control automático1.2 Ventajas de aplicar control 1.3 Conceptos básicos

2. LAZO CERRADO

2.1 Representación de un proceso 2.2 Representación de un lazo cerrad o2.3 Conceptos de comunicación 2.4 Arquitectura

3. INSTRUMENTACION y DIAGRAMACION (04 hrs)

3.1 Características generales3.2 Sensores, transmisores y actuadores3.3. Válvulas y accesorios3.4 Comportamiento dinámico3.5 Diagramas P&ID

4. ALGORISMOS DE CONTROL (04 hrs)

4.1. Control On-Off4.2. Control PID4.3. Control Smith y otros compensados4.4. Control prealimentado4.5. Control por razón

5. ESTABILIDAD DE SISTEMAS DE CONTROL (06 hrs)

5.1. En lazo abierto5.2. En lazo cerrado

6. DISEÑO (sintonía) DE CONTROLADORES (10 hrs)

6.1. Lugar de las raíces6.2. Frecuencia6.3. Técnicas empíricas

7. SISTEMAS MUTIVARIABLE7.1. Representación 7.2. Variables de estado7.3. Interacción y análisis7.4. Desacopladores

8. CONTROL DIGITAL (04 hrs)8.1. Introducción8.2. Muestreo y transformado Z8.3. Lazo cerrado8.4. Control PID

9. ESQUEMAS TIPICOS DE CONTROL (Trabajo Final)

9.1. Columnas de destilación 9.2. Horno9.3. Reactores químicos9.4. PH9.5.

10. TECNICAS DE CONTROL AVANZADO (08 hrs)11. Control IMC12. Control predictivo

LABORATORIOS (20 hrs)

Funciones de transferencia de sensores y actuadorFunciones de transferencia de tanque Funciones de transferencia de secador de bandejaFunción de transferencia de un proceso ¿???Análisis de un termostatoControl de temperatura on-offControl de nivel con PIDControl Multivariable o/y no lineal

Bibliografía Texto Guia- SMITH Y CORRIPIO: ”CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS,

TEORIA Y PRACTICA”, LIMUSA, 1999 (660.281 S644c)

Textos Complementarios: - G. STEPHANOPOULOS: “CHEMICAL PROCESS CONTROL, AN

INTRODUCTION TO THEORY AND PRACTICE”, PRENTICE HALL INC., 1984 (66.012-52 S827ch)

- K. OGATA: “PROBLEMAS DE INGENIERIA DE CONTROL UTILIZANDO MATLAB”, PRENTICE HALL IBERIA, 1999

- J. INGHAM, I.J. DUNN, E. HEINZLE, J.E. PRENOSIL: “CHEMICAL ENGINEERING DYNAMICS”, WILEY, 2nd Ed., 2000

- W. L. LUYBEN: “PROCESS MODELLING, SIMULATION AND CONTROL FOR CHEMICAL ENGINEERS”, Mc GRAW HILL ,1973

- F.G. SHINSKEY: “SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS”, Mc GRAW HILL , 3ª Ed, 1996

- J. PARES: “CONTROL DE PROCESOS”, APUNTES UNIVERSIDAD DE CONCEPCION

- I. SOLAR, R. PEREZ: “CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS QUIMICOS”, ED. UNIV. CATOLICA DE CHILE, 2ª ED, 1998 (660.2815 s684c)

Temas:

- Columna de destilación, por ejemplo ENAP o METHANEX- Horno de igual forma ENAP o METHANEX- Reactor biológico en tratamiento de lodos- Reactor biológico de burbuja- Reactor biológico de película- Compresores- Absorción- Oxigeno

Primera etapa (10 %)

1. Modelo2. Función de transferencia3. Comparación entre modelo y función de transferencia4. Respuestas en lazo abierto

Segunda etapa (40 %)

1. Estabilidad en lazo abierto (sensibilidad de los parámetros del modelo)

2. Control de lazos independientes con diferentes lazos de control

a. Feedbackb. Feedforwardc. Razónd. Cascada e. Smith u otro

3. Estabilidad en lazo cerrado (feedback – PID)4. Ajuste de controladores

Tercera etapa (30 %)

1. Modelo en variables de estado2. Control multivariable3. Control digital ¿???

Calidad del software (presentación) (10 %)

NOTA: En caso solo usen hysys, deben especificar en un informe como se podría implementarse los puntos antes mencionados.

Capitulo I Introducción al control de procesos

1.1 Concepto y objetivo de control automático

La industria química esta constituida por diferentes procesos unitarios como reactores, columnas de destilación, evaporadores, etc. cuyo objetivo es la transformación de la materia prima en un producto para uso del bienestar de la sociedad. La operación de estos procesos esta sujeto a cambios de parámetros de operación, perturbaciones externas, estabilidad del proceso, lo que obliga a los ingenieros de planta a implementar lazos de control que permitan mantener un proceso estable bajo cualquier circunstancia.

Control es la capacidad de mantener las variables de operación en una referencia establecida por el operario de planta o mejor dicho, hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando una señal de entrada (u). Recuerde los procesos no piensan solo actúan ante un estimulo.

Figura 1.1 Regulador centrifugo de watt y la caricatura del control de nivel de un plato

Antes de diseñar sensores, actuadores, o configuraciones de control, es importante conocer los objetivos que se pretende alcanzar al realizar control; como reducción de energía, mayor producción, estabilidad del proceso, seguridad, reducción de contaminantes. etc.

La teoría de control es multidisciplinario, incluye sensores, actuadores, comunicaciones, cómputo, algoritmos, etc. El diseño de un algoritmo de control tiene como meta lograr un nivel de rendimiento deseado frente a perturbaciones e incertidumbre.

Ejemplo: Nivel de un tanque

- Sin control (Lazo abierto)

Figura 1.2. Comportamiento del nivel de un tanque a diferentes flujos

- Con control (Lazo cerrado)

a) Control manual

Figura 1.3 Control manual

En este caso un operario controla el nivel del tanque, manipulado manualmente la válvula de flujo de salida. El problema en este tipo de control son las fluctuaciones en el nivel del tanque, que depende a la reacción del operario (experiencia-años de servicio), ocasionando perdidas. Por otro lado se necesitaría un operario para cada equipo, esto aumenta el costo de operación a largo plazo.

b) Control automático Si cambiamos el operario por un controlador automático como se muestra en la fig. 1.3 desaparece en gran parte las oscilaciones manteniendo el nivel en el valor deseado, logrando una buena operación.

Figura 1.4 Control automático de nivel (LC = Controlador de Nivel)

1.2. Ventajas de aplicar control- Evitar lesiones al personal de la planta o daños al equipo.- Mantener la calidad del producto (composición, pureza, etc.- Mantener o mejorar la taza de producción de la planta a un costo mínimo.- Restricciones de medio ambiente, Ejemplo el tratado de Kioto- Restricciones de operación, Ejemplo; destilación, intercambiador,

reactores.- El lazo de control es capas de absorber las perturbaciones y mantener el

proceso un rango de operación.

Desventajas- Alto costo de implementación, pero la recuperación es rápida- Eliminación de la mano de obra (operarios), No la elimina obliga a la

capacitación

Un ejemplo que refleja la ventaja de aplicar control para mejorar la producción, es la venta de cobre. Los cátodos de cobre se venden a un porcentaje de 99.98% de pureza, pero las desviaciones en la producción generadas por perturbaciones hace que la empresa pierda miles de dólares por rechazo o mayor calidad

Figura 1.5. Desviación de la producción de cobre sin un control y con control.

1.3 Análisis costo-beneficioPara poder avanzar en ingeniería de control (como en muchas otras disciplinas) es importante saber justificar los gastos asociados. Esta justificación usualmente toma la forma de un análisis costo-beneficio. Las etapas típicas incluyen:

- NO todos los procesos se deben controlar. Normalmente se debe controlar los procesos que son cuellos de botella, los más contaminantes, los más riesgosos.

- Evaluación de un rango de oportunidades de control. Mayor producción, etc., este ítem es lo que se vende a la industria.

- Selección de una lista corta a examinar en más detalle.- Decidir entre un proyecto de alto impacto económico o medio ambiental.- Consultar personal adecuado (gerencial, de operación, de producción, de

mantenimiento, etc.).- Identificar los puntos claves de acción.- Obtener información de desempeño de un caso base para comparación

ulterior.- Decidir modificaciones a las especificaciones de operación.- Actualizar actuadores, sensores, etc.- Desarrollar de algoritmos.- Probar algoritmos vía simulación.- Probar de algoritmos sobre la planta usando sistemas de desarrollo rápido de

prototipos.- Obtener información de desempeño para comparar con el caso base.- Realizar la implementación definitiva.- Obtener información de desempeño final alcanzado.- Realizar el informe final del proyecto.

1.4 Conceptos básicos.

- Proceso o planta. Fenómenos que ocurren. La estructura física de la planta es una parte intrínseca del problema de control. Por lo tanto, los ingenieros de control deben estar familiarizados con la física del proceso bajo estudio. Esto incluye conocimientos básicos de balances de energía, balances de masas, y flujo de materiales en el sistema.

- Sistema. Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen determinado objetivo

- Estado Dinámico o tranciente. Comportamiento de los procesos en función del tiempo, matemáticamente se representan por ecuaciones diferenciales en función del tiempo.

- Estado estacionario. Cuando las variables de un proceso no varían con el tiempo, matemáticamente las derivadas en función del tiempo se hacen cero.

- Variables de proceso. Desde el punto de vista de control, las variables pueden ser dos clases:

a) Variables de entrada:

Variable manipulable: Son las variables que permiten manipular (modificar) el proceso de acuerdo a una necesidad.

Perturbaciones: Son aquellas variables que afectan al proceso (modificar) en forma impredecible.

Figura 1.5 Variables

b) Variables de salida o Variables Controlables: Es la variable que se desean mantener o controlar dentro de algún valor deseado (referencia).

- Función de transferencia. Representación de un proceso dinámico en el plano de Laplace.

- Sistemas de referencia o set point. Valor del punto de operación deseado, establecido por el ing. del proceso.

- Sistemas SISO. Sistema que tiene una entrada y una salida. - Sistemas MIMO o multivariable. Sistema de múltiples entradas y múltiples

salidas.- Punto de operación. Donde se toma un proceso- Estabilidad. Estado del proceso que se mantiene en

- Elementos que componen un lazo de control

Sensor, Ejemplo termocuplas, manómetros, Actuadotes. Bombas, válvulas, resistencias, etc Control. Algoritmo matemático, plasmado en un circuito electrónico o en

un software en un computador Accesorios, traductores, cables, fuentes e alimentación etc.

Figura 1.6. Elementos de un lazo cerrado

1.3 Representación de un proceso

a) Representación Grafica (bloques). Representación de un proceso por medio de diagramas de bloques.

Nota: Existe diferencia entre la representación de un proceso por diagramas de bloques desde el punto de vista de control y de balance de materia

Figura 1.7. Representación de un proceso

b) Representación Matemática (Modelamiento). Relación matemática entre las variables de entrada y salida de un proceso

Ejemplo representación matemática del nivel de un tanque

Donde:

A = Constante para tanques verticales ρ = Constante

Reemplazando

finalmente tenemos

Lo importante en este punto es reconocer las variables de entrada y salida, veamos el siguiente ejemplo, en forma muy general y practico

Figura 1.8 Variables

1. caso. - Var. Control altura (para todos los casos)- Var. Salida Manipulable:

Perturbación: F1 y F2 (por que no tienen actuadores)2. caso. - Var. Salida Manipulable: F2

Perturbación: F1 (por que no tienen actuador)

3. caso. - Var. Salida Manipulable: F2

Perturbación: F1 (por que no tienen actuador)

4. caso. - Var. Salida Manipulable: F1 (no tienen actuador)

Perturbación: F2 (por que no tienen actuador)

Normalmente, el flujo de entrada se considera una variable de perturbación ya que depende de un proceso anterior. En Cambio el flujo de salida es más factible utilizarla como variable manipulable.

Capitulo II Lazo cerrado (close loop)

Para tener éxito en la práctica de implementar un lazo de control, el ingeniero debe comprender primero los principios de la ingeniería del proceso y el comportamiento dinámico de los procesos.

2.1 Representación de un proceso

c) Representación por bloques. Representación de un proceso por medio de diagramas de bloques, y un bloque representa una función de transferencia.

Nota: Existe diferencia entre la representación de un proceso por diagramas de bloques desde el punto de vista de control y de balance de materia

Figura 2.1. Representación de un proceso

d) Representación por funciones de transferencia. Representación de un proceso dinámico en el plano de Laplace, el cual relaciona las variables de entrada y salida del procesoEjemplo Tanque

Modelo matemático

Función de transferencia

2.2. Representación de un lazo cerrado

Se considera un sistema en lazo cerrado cuando un proceso está bajo control (figura 2.2). Los eelementos que componen un lazo de control son:

- Sensor, Ejemplo termocuplas, manómetros, etc. Son los que observan el proceso.

- Actuadotes. Bombas, válvulas, resistencias, etc. A través de un actuador se puede acceder a cambiar un proceso.

- Control. Algoritmo matemático, plasmado en un circuito electrónico o en un software en un computador, que permite tomar una dedición.

- Accesorios, traductores, cables, fuentes e alimentación etc. Son todas las conexiones necesarias para conectar los anteriores equipos.

Figura 2.2. Representación de un proceso a) físico y b) PID y en bloques (lazo cerrado)

Existen en la actualidad diferentes tipos de controladores entre ellos; on/off, PID, razón, predictivos, adoptivos, difusos, etc. Solo los primeros son factibles implementarlos tanto en forma análoga y discreta y los últimos solo en forma discreta. Los controladores se pueden implementar en diferentes lazos de control, como:

- Lazo realimentado (feedback). Controla en función de la diferencia entre la referencia y la variable medida (error) (figura anterior)

- Lazo prealimentado (feedforward). Controla en función de los cambios de las perturbaciones.

Figura 2.3. Lazo prealimentado

- Lazo realimentado-prealimentado.

Figura 2.4. Lazo realimentado-prealimentado

- Lazo en cascada

Figura 2.5. Lazo en cascada

- Lazo de razón

Figura 2.6. Lazo de razón

2.3 Conceptos de comunicación

Es necesario establecer un tipo de comunicación entre los sensores, actuadores y el control y lógicamente también entre los dos primeros y el proceso.

Figura 2.7. Comunicación entre el operario y un proceso

Figura 2.8. Comunicación entre controlador y un proceso

En la industria existen varias formas de enviar información entre equipos, por ejemplo a través de la; temperatura, flujo, luz, electricidad, sonido, desplazamiento, etc. Las señales eléctricas destacan por encima de las otras. Las señales eléctricas se envían a través de cables y por lo tanto debe existir un cableado entre estos equipos.

Figura 2.9. Conectores eléctricos de un sensor de presión

Por tal motivo los equipos eléctricos, por ejemplo un sensor de presión (figura 2.9) cuentan con conectores adecuados para tal comunicación. A través de estos conectores se accede a la información de equipo, en este caso la presión. La presión en forma de señal eléctrica es enviada al controlador (figura 2.10) quien tomara una decisión respecto a esta señal.

Figura 2.10. Circuito eléctrico

La tecnología esta cambiado rápidamente, esto a agregado mayores características a los sensores, si vemos el ejemplo anterior, el sensor no solo cuenta con conectores eléctricos sino con conectores de monitoreo en línea y de mantenimiento.

Obviamente, no todas las conexiones son simples como el caso anterior, la siguiente figura muestra los conectores de un sensor de presión pero de compañía Rosemount. Claramente es más compleja que el caso anterior.

Figura 2.11. Sensor Rosemount

Como se dijo, los sensores envían información al controlador en forma de señal eléctrica, pero para generar esta señal los sensores necesitan una fuente de alimentación, que algunos casos la generan por si solos, como muchos de los sensores de temperatura, en otros casos la energía la puede suministrar el mismo controlador, pero en la mayoría de los casos los sensores necesitan una fuente de alimentación. Los sensores normalmente no consumen mucha energía (amperaje) por lo que son alimentados hasta con baterías.

El hecho que los controladores deben comunicarse con todo tipo de sensor y actuador, es importante que los controladores tengan diferentes tipos de conexión, que es seleccionada de acuerdo a su aplicación. Por otra parte, el controlador también puede tener una puerta de comunicación (RS-232 comúnmente usada o USB) con otros controladores o Pc para intercambiar información. Finalmente la figura 2.12 muestra los diferentes elementos de un controlador, como se puede ver el controlador cuenta con un micro procesador, que contiene los algoritmos de control.

Figura 2.12. Elementos de un controlador

Para el caso de los actuadores, tomemos dos ejemplos; un motor eléctrico y una válvula.

- Bomba. Primero, los actuadores reciben información del controlador a través de una señal eléctrica, en pocas palabras, el controlador prende el motor eléctrico cuando sea necesario. Pero los motores de acuerdo a su potencia consumen mucha energía reflejado como amperaje. Por lo tanto, en cada partida del motor eléctrico el consumo de energía es muy alto, energía que la tiene que suministrar el controlador. Esto puede generar que el controlador se queme. Para evitar este problema, el controlador no actúa directamente al motor eléctrico si no sobre un reley y este reley actúa sobre el motor eléctrico.

Figura 2.13. Circuito de reley

- Válvula. Las válvulas de control normalmente actúan con presión de aire, por lo tanto existe un traductor de corriente a su equivalente de presión de aire o mas conocido como I/P (Current/Pressure).

Figura 2.14. Circuito I/P

2.4 Arquitectura

Historia de cómo se dio origen a la distribución de los sistemas de control

1975 - Distributed Control System1963 - Direct digital control was introduced at a petrochemical plant. (Texaco)1970 - PLC's were introduced on the market.1975 - First DCS was introduced by Honeywell