Instrumentacion y Control de Procesos

I. Aspectos Bsicos de los I. Aspectos Bsicos de los Sistemas de Control

1. Objetivos de los Sistemas de Control de Procesos2. Estructuracin de las variables2. Estructuracin de las variables3. Etapas elementales para el diseo de los sistemas4. Elementos de un sistema de control5. Efectos de la realimentacin en el sistema

UNSa - Facultad de Ingeniera Instrum.y Control de Procesos

HJ Sol ICP 1 p.1Tema 1: Aspectos Bsicos de los Sistemas

de Control

1. Sistemas de Control de Procesos

Hay tres aspectos bsicos que un sistema de control debe satisfacer:control debe satisfacer:

a) Contrarrestar la influencia de perturbaciones externas

b) Asegurar la estabilidad de un proceso industrialindustrial

c) Optimizar la performance del proceso



de Control

Contrarrestar la influencia de perturbaciones externas Ejemplos

Ejemplo 1: Calentamiento de un tanque agitado, una corriente del proceso se almacena en un tanque y se mantiene a una temperatura definida, esto se realiza suministrando a travs de una camisa o de un serpentn, vapor que condensa y cede su calor latente al sistema.

Sistema de control para el tanque agitado:Fi, caudal de alimentacin al tanqueTi, temperatura de la corriente Fst, caudal del vapor de calefaccinF, T caudal y temperatura del productoEl propsito u objetivo de este sistema es:Mantener la temperatura T de la corriente

Alimentacin, Fi , Ti

Producto F, TTMantener la temperatura T de la corriente de salida en un valor deseado Ts

Vap

or, F

stCmo lo conseguimos?



de Control

Contrarrestar la influencia de perturbaciones externas Ejemplos

Alimentacin, Fi

Ejemplo 2: Una corriente del proceso se almacena en un tanque para abastecimiento de lquido al sistema.

Alimentacin, Fi

Descarga, F

h

Sistema de control de nivel para el tanque:Fi, caudal de alimentacin al tanqueF, caudal de descargaEl propsito u objetivo de este sistema es:Mantener el volumen del tanque de almacenaje en un valor deseado Vs, esto equivale a mantener la altura en un rango

UNSa - Facultad de Ingeniera Instr. y Control Automtico

Tema 1: Aspectos Bsicos de los Sistemas de Control

HJ Sol ICP 1 p.4

equivale a mantener la altura en un rango determinado

Atenuar las perturbaciones es una de las razones principales para usar el control automtico en la industria

B. Asegurar la estabilidad del proceso

Cuando en alguno de los sistemas anteriores, la seal correctiva llega desfasada, la vlvula abre o cierra cuando no lo debera hacer, es decir que si el proceso requiere ms vapor para mantener la temperatura y la orden lleg demorada, la accin resultante podra ser opuesta a la requerida (seal para accionar la vlvula, ordena resultante podra ser opuesta a la requerida (seal para accionar la vlvula, ordena cerrar cuando la misma debera abrir, o viceversa) lejos de atenuarse se incrementa la diferencia.

Ts o hs

(set point) Repuesta de un

sistema estable Repuesta de un



HJ Sol ICP 1 p.5

sistema estable Repuesta de un

sistema inestable

Control de nivel retroalimentado: el caudal de salida depende de una demanda del proceso



HJ Sol ICP 1 p.6

Control de nivel retroalimentado: el caudal de entrada depende de una demanda del proceso



HJ Sol ICP 1 p.7

Control de nivel anticipante (feed-forward)



HJ Sol ICP 1 p.8

Control de nivel retroalimentado (feed-back) y anticipante (feed-forward)



HJ Sol ICP 1 p.9

C. Optimizar la performance de un proceso industrial

La seguridad y el cumplimiento de las especificaciones del producto son dos objetivos fundamentales de cualquier establecimiento industrial. No obstante, tambin es posible usar un sistema de control para optimizar la performance econmica de una unidad simple.Ejemplo 3:Consideremos un tanque agitado como en el ejemplo 1, pero discontinuo (sistema cerrado, sin entrada ni salida), y ahora lo usamos como reactor qumico: (sistema cerrado, sin entrada ni salida), y ahora lo usamos como reactor qumico:

A B COcurren dos reacciones qumicas consecutivas, ambas son endotrmicascon una cintica de primer orden (r1 = k1(T) CA y r2 = k2(T) CB). El calor necesario para la reaccin, se suministra por la condensacin del vapor en la camisa. El producto deseado es B, mientras que C es la impureza no deseada. El objetivo econmico para la operacin de este proceso batch o discontinuo, es maximizar el beneficio en el perodo tR:

tRmaximizar = 0 [Ingreso por venta del producto B (costo del vapor + costo compra de A)] dt



HJ Sol ICP 1 p.10

maximizar = 0 [Ingreso por venta del producto B (costo del vapor + costo compra de A)] dtLa nica variable que afecta la funcin objetivo es el calor transferido Q, a travs de la temperatura, afectamos los coeficientes cinticos de ambas reacciones. Al comienzo del intervalo de residencia, CA es alto y conviene un valor de Q alto para obtener una buena produccin de B, pero al final del perodo como es elevada CB conviene disminuir Q para reducir la produccin de C. Para optimizar , es necesario regular la vlvula del vapor para lograr el mejor valor de Q a lo largo de todo el perodo tR.

Clasificacin de las Variables en los Sistemas de Control

Las variables de entrada (acciones del medio sobre el sistema) se clasifican:Manipulada(o ajustada) si su valor puede ser ajustado libremente por un operador humano o algn mecanismo de control. En el ejemplo 1: Fst para el control de temperatura y Fi o F para el control de nivelPerturbaciones, si su valor no resulta del ajuste de un operador o de un sistema de control. En el ejemplo 1: Ti en el control de temperatura, y F o Fi en el control de nivelLas variables de salida (acciones del sistema sobre el medio) se clasifican:



HJ Sol ICP 1 p.11

clasifican:Medida, pueden medirse directamente. En el ejemplo 1: T y en el 2: h, ambas pueden medirse directamenteNo medida, no pueden medirse directamente, se necesita alguna ecuacin (termodinmica) que permita deducirla

Tipos de Sistemas de acuerdo a la Cantidad de variables (simple o mltiple)



HJ Sol ICP 1 p.12

Etapas para el diseo de un sistema de control

a) Definicin del objetivo de control. Cual es el objetivo operacional que deseamos lograr?Asegurar la estabilidad del proceso, oCompensar la influencia de perturbaciones externas, uCompensar la influencia de perturbaciones externas, uOptimizar la performance econmica de una planta, ouna combinacin de todas

Para el tanque agitado, el objetivo operacional deseadoes T=Ts (temperatura) y h=hs (nivel)

b) Seleccin de las mediciones. Qu variables deben medirse para analizar la performance de la planta?

Si se puede medir la variable controlada (objetivo), estamos en un caso de medicin primaria. En los ejemplos, temperatura del tanque T y nivel del lquido h.A veces ocurre que hay salidas que no pueden medirse (o son muy costosas), por lo que es



HJ Sol ICP 1 p.13

A veces ocurre que hay salidas que no pueden medirse (o son muy costosas), por lo que es necesario trabajar con variables secundarias:

Salida no medida = F(mediciones secundarias)

Ejemplo: Destilacin de la mezcla binaria pentano/hexano, el objetivo operacional es mantener el destilado con 95% de pureza en el componente ms voltil, en presencia de cambios en la composicin de la alimentacin. Existen dos configuraciones, en (a) medimos la composicin del destilado y actuamos sobre el reflujo (feedback); y en (b) medimos la composicin de la alimentacin y actuamos sobre el reflujo.Ambas dependen de un analizador de composicin (cromatografa), esto es muy costoso, en la prctica es posible medir la temperatura en varios platos de la columna , a travs de los balances de materia y energa, usamos las relaciones de equilibrio entre el lquido y el vapor para relacionar matemticamente las temperaturas con la composicin. Lo que estamos haciendo es midiendo indirectamente los efectos de las perturbaciones en la alimentacin, sin la necesidad de medir directamente la composicin.

QC

F, xF, HF

D, xD, HD

Lo

LV



HJ Sol ICP 1 p.14

F F

B, xB, HB

QRV L


c) Seleccin de variables manipuladas. Cul variable operamos para controlar el proceso?

La correcta eleccin de la variable a manipular afecta la calidad de la accin de control. La correcta eleccin de la variable a manipular afecta la calidad de la accin de control. En el ejemplo 1, para el control de nivel del lquido en el tanque podemos manipular el caudal de la alimentacin o bien el caudal de la descarga.

d) Seleccin de la configuracin de control. Cul esquema de control adoptamos?Existen dos sentidos para el flujo de la informacin, por ejemplo en el caso del control de nivel de lquido para el tanque agitado, medimos la altura h y actuamos sobre la vlvula de la corriente de alimentacin o bien sobre la vlvula de la corriente de descarga. La medicin (informacin) fluye hacia la entrada al proceso (alimentacin) o



HJ Sol ICP 1 p.15

descarga. La medicin (informacin) fluye hacia la entrada al proceso (alimentacin) o bien hacia la salida del proceso (descarga), lo que difiere es la variable manipulada.La repuesta de cual es la mejor configuracin es muy crtica para la calidad del diseo del sistema de control, depende de cuantas salidas controlemos y cuantas entradas manipulemos (sistema MIMO)

Sistema de control feedback: dos maneras disponer d e la informacin para ajustar la variable controlada.



HJ Sol ICP 1 p.16

Sistema feedforward, uso directo de la medicin de perturbaciones para ajustar la variable manipulada.

Manteniendo controlada todas las entradas para que quede resguardada la salida



HJ Sol ICP 1 p.17


e) Diseo del controlador. Cmo ajustaremos la variable manipulada, a partir de la informacin medida?partir de la informacin medida?

El controlador es el elemento activoque recibe la informacin medida y elabora la accin de control para ajustar la variable manipulada.Consideremos el ejemplo 1, control de la temperatura Tdel lquido en el tanque cuando cambia la temperatura Ti. La medicin es T y la variable manipulada es Q (calor entregado por el vapor). Cmo debera cambiar Q para mantener el lquido a T cuando cambie Ti? Es decir que necesitamos desarrollar la relacin de control.En estado estacionario, supondremos que el tanque est a la temperatura Ts, el



HJ Sol ICP 1 p.18

En estado estacionario, supondremos que el tanque est a la temperatura Ts, el balance de energa en estas condiciones es: 0 = F Cp (Ti,s Ts) + Qs

Aspectos del control de una planta industrial completa

Ejemplo 4: Consideremos un proceso qumico compuestos por dos unidades, un reactor y una columna de destilacin, la reaccin A + B C es endotrmica, el calor se suministra a travs de vapor que condensa en la camisa, la mezcla conteniendo C y los no reaccionantes se destilan.

A, FA, TA

B, FB, TB

Vapor

Agua

D, xA, xB



HJ Sol ICP 1 p.19

xA, XB, xC

Vapor

E, xC

Aspectos del control de una planta industrial completa



HJ Sol ICP 1 p.20

Elementos de un sistema de control1. Sensor,o elemento primario de medicin (termocupla o termoresistencia,

venturi, cromatgrafo de gas, etc.)2. Transmisor o elemento secundario, muchas mediciones no pueden usarse

directamente para control al no poder convertirse en cantidades fsicas directamente para control al no poder convertirse en cantidades fsicas (elctricas o neumticas) que pueden transferirse fcilmente

3. La lnea de transmisin4. El controlador, encargado de generar la accin de control5. El elemento de accin final6. El registradorEn todo sistema de control se realizan tres operaciones bsicas:

Medicin, se hace generalmente mediante la combinacin del sensor y transmisorDecisin, con base de la medicin, el controlador decide qu hacer para



HJ Sol ICP 1 p.21

Decisin, con base de la medicin, el controlador decide qu hacer para mantener la variable en el valor que se deseaAccin, como resultado de la decisin del controlador se debe efectuar una accin en el sistema, apertura o cierre de una vlvula de accin final

El sistema de control retroalimentadoRepresentando en un diagrama de bloques un sistema retroalimentado, compuesto de: un proceso , un sensor transmisor para medir la variable a controlar, un controlador para generar la accin correctiva y una vlvula encargada de la accin final.El uso de la realimentacin tiene el propsito de reducir el error entre la referencia y la salida del sistema

radasalida/entrelacin la s tendriamobloques, de algebra del reglas laspor sistema el oResolviend



HJ Sol ICP 1 p.222

21

1

2

2

1

1

111

sistema del salida la tenemosentradas, las todasde efectos los ndoSuperponie

111

3hay ejemplo elen salida, - entrada lazo cada a aplica se Esto negativa. esntacin retroalime la cuando

cerrado), lazo el todo1 (r denominado elen y directo) lazo el todode producto (elnumerador elEn

radasalida/entrelacin la s tendriamobloques, de algebra del reglas laspor sistema el oResolviend

uGcGvGpH

Guu

GcGvGpH

Gur

GcGvGpH

GcGvGpc

GcGvGpH

Gu

u

c

GcGvGpH

Gu

u

c

GcGvGpH

GcGvGp

r

c

++

++

+=

+=

+=

+=

+

Efectos de la retroalimentacin



HJ Sol ICP 1 p.23

Seales de Transmisin normalizadas

Seales de transmisin: Actualmente se utilizan tres tipos de seales para la comunicacin entre los elementos de un sistema de control. La primera es la seal neumtica o presin de aire que abarca entre 3 y 15 psig. La seal seal neumtica o presin de aire que abarca entre 3 y 15 psig. La seal elctricao electrnica, normalmente toma valores entre 4 y 20 mA. El tercer tipo es la seal digital o discreta (unos y ceros), es para el uso de computadoras.

Frecuentemente es necesario cambiar de un tipo de seal a otro, esto se hace mediante un transductor, por ejemplo cuando se necesita cambiar de una seal elctrica, mA, a una seal neumtica, psig, se utiliza un transductor



HJ Sol ICP 1 p.24

seal elctrica, mA, a una seal neumtica, psig, se utiliza un transductor (I/P) que transforma la seal de corriente (I) en neumtica (P), la seal de entrada puede ser de 4 a 20 mA y la de salida de 3 a 15 psig. Existen otros tipos de transductores: neumtico a corriente (P/I), voltaje a corriente (E/I), voltaje a neumtico (E/P), neumtico a voltaje (P/E), etc.

Bibliografa recomendada

Stephanopoulos G.; Chemical Process Control; Prentice Hall International Editions.Hall International Editions.Kuo, B.; "Sistemas Automticos de Control", CECSa, (1991); (629.832; K96)Smith & Corripio.; Control Automtico de Procesos Teora y Prctica, LIMUSA, 1999



HJ Sol ICP 1 p.25

Instrumentacion y Control de Procesos

Documents

Transcript of Instrumentacion y Control de Procesos