1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS

1.1 EL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS

Para ilustrar de mejor manera el control de proceso dinámico, se van a mostrar tres ejemplos reales de procesos.

Ejemplo1: La Figura 1 muestra un tanque en el que un líquido (densidad constante) se bombea a un flujo variable Fo (ft3/s). Este flujo de entrada puede variar con tiempo debido a cambios en las operaciones aguas arriba. La altura de líquido en el tanque es h (ft). El flujo de salida del tanque es F (ft3/ s).

Figura 1: Tanque de flujo por gravedad.

Fo, h, y F, todas variarán con el tiempo y por lo tanto son funciones del tiempo t. Por lo tanto usamos la notación de Fo(t), h(t) y F(t). El líquido sale de la base del tanque a través de un tubo largo horizontal y descarga en la parte superior de otro tanque. Ambos tanques están abiertos a la atmósfera.

Consideremos primero las condiciones de estado estacionario. En estado estacionario quiere decir, las condiciones en que nada está cambiando con el tiempo. Matemáticamente corresponde a que todos los derivados de tiempo son igual a cero. En estado estacionario, el caudal del tanque de salida debe ser igual al caudal de entrada en el tanque, Ḟo=Ḟ.

Para un Ḟ dado, la altura de líquido en el tanque en estado estacionario también es una constante ḣ. El valor de ḣ sería que la altura que proporciona suficiente presión hidráulica en la entrada de la tubería para superar las pérdidas por fricción del líquido que fluye por el tubo. Cuanto mayor sea la velocidad de flujo Ḟ, mayor será ḣ.

En el diseño del tanque en estado estacionario, debemos dimensionar el diámetro dela tubería de salida y la altura del tanque de tal manera que al caudal máximo que se prevé,no se desborde el tanque. En el diseño se debe incluir un factor de 20 a 30 % de seguridad en la altura del tanque.

Figura 2: Altura vs flujo en estado estacionario.

Un sistema de alarma de nivel alto y / o un bloqueo (un dispositivo para cerrar el flujo si el nivel aumenta demasiado) se debe instalar para garantizar que el tanque no rebose. La Figura 2 muestra la curva de ḣ vs Ḟ.

Hasta ahora hemos considerado sólo los aspectos tradicionales de diseño de estado estacionario este sistema de flujo de fluidos. Ahora vamos a pensar sobre lo que sucedería si de forma dinámica Fo cambiado. Figura 3 resume el problema, la pregunta es qué se curva (1 o 2) representan los caminos reales que F y h seguirá. Las curvas muestran un aumento gradual de h y F a sus nuevos valores de estado estacionario. Sin embargo, los caminos que podría seguir curvas 2 donde sale el líquido por encima de la altura de su valor estacionario final. Esto se llama "Rebasamiento".

Nuestros cálculos de diseño estacionario no nos dicen nada acerca de lo que la respuesta dinámica del sistema será. Nos dicen que vamos a empezar y dónde vamos a terminan, pero no cómo llegar allí. Este tipo de información es lo que revelará un estudio de la dinámica del sistema.

Figura 3: Respuesta dinámica.

Ejemplo 2: Considere el intercambiador de calor de la Figura 4. Un flujo de aceite pasaa través del lado de los tubos de un intercambiador de calor de tubo con chaqueta y se calienta al condensar el vapor en el lado de la chaqueta. El vapor condensado sale a través de una trampa de vapor (un dispositivo que sólo permite que el líquido pase a través de él). Queremos controlar la temperatura del aceite a la salida del intercambiador de calor. Para ello, una termocupla se inserta en el aceite de la tubería de salida. Los cables de la termocupla están conectados a un transmisor de "temperatura", un dispositivo electrónico que convierte la salida de la termocupla en mV a una "señal de control" de 4-20 mA. La señal de corriente es enviada a un controlador de temperatura, un dispositivo electrónico, digital o neumático que compara la temperatura deseada (el "set point") con la temperatura real, y envía una señal a una válvula de control. El controlador de temperatura abre la válvula de vapor más si la temperaturaes demasiado baja o se cierra un poco si la temperatura es demasiado alta.

Figura 4: Intercambiador de calor.

El control automático de algunas variables en un proceso requiere la instalación de un sensor, untransmisor, un controlador y un elemento final de control (por lo general una válvula de control).

Ejemplo 3: Ilustra un sistema típico de control para toda una planta química simple. Figura 5 proporciona un esquemático de la configuración del proceso y su sistema de control. Dos flujos se bombean a un reactor en donde reaccionan para formar productos. La reacción es exotérmica, y por lo tanto el calor debe ser removido del reactor. Esto se logra mediante la adición de agua fría a la chaqueta que rodea el reactor. El efluente del reactor se bombea a través de un precalentador en una columna de destilación que divide en dos corrientes de producto.

Los procedimientos tradicionales de diseño de estado estacionario se utilizan para especificar lasdiversas piezas del equipamiento en la planta:

Mecánica de fluidos. Bomba de cabezas, los fluidos, y la potencia; los tamaños de tuberías; diseño y dimensionamiento bandeja de la columna; tubo de intercambiador de calor y tamaño de la chaqueta.

Transferencia de calor. Extracción de calor del reactor; precalentador, caldera, y áreas de transferencia de calor de condensación; niveles de temperatura de vapor y agua de refrigeración.

Cinética química. Tamaño del reactor y las condiciones de funcionamiento (temperatura, presión,catalizador, etc).

Termodinámica y transferencia de masa. Presión de operación, número de placas yla tasa de reflujo en la columna de destilación; temperatura en la columna; condiciones de equilibrioen el reactor.

El sistema de control que se muestra en la Figura 5 es un sistema convencional típico. Se trata de lo mínimo que sería necesario para ejecutar automáticamente la planta sin la atención de un operador constante.

Figura 5: Planta química típica y sistema de control.

Componentes Básicos: existen tres componentes básicos para todo sistema de control.

1. Sensor o Elemento Primario a. Termocupla, b. termistor, etc.

2. Transmisor o Elemento Secundario a. Controlador

3. Elemento Final de Controla. Válvula, b. bomba de velocidad variable, c. motor eléctrico, d. cinta transportadora, e. calentador eléctrico, etc.

Operaciones Básicas: existen tres operaciones básicas que deben existir en todo sistema de control.

1. Medición ( M ) 2. Decisión ( D ) 3. Acción ( A )

Figura 6: Lazo de control del intercambiador de calor.

1.2 TÉRMINOS IMPORTANTES Y OBJETIVO DEL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS

Términos usados:

Variable controlada o variable del proceso: es la variable que debe ser mantenida, o controlada, en un valor deseado. Ejemplo T(t).

Punto de control (set point, SP): es el valor deseado de la variable controlada. Variable manipulada: es la variable usada para mantener la variable controlada en el punto de

control. Ejemplo, la posición de la válvula de vapor. Perturbación: cualquier variable que causa que la variable controlada se desvíe del punto de

control. Ejemplo, Ti(t), f(t), la energía contenida en el vapor, condiciones ambientales, composición del fluido del proceso, suciedad, etc.

Control manual: es la condición en la cual el controlador es desconectado del proceso. Control lazo cerrado: es la condición en la cual el controlador es conectado al proceso,

comparando el set point con la variable controlada, y determinando y tomando acción correctiva.

Objetivo del control automático:

El objetivo de un sistema de control automático de proceso es ajustar la variable manipulada para mantener la variable controlada en el punto de control a pesar de perturbaciones.

Importancia del control:

Prevenir lesiones al personal de planta, proteger el medio ambiente por prevención de emisiones y minimizando desechos, y previniendo daños para los equipos del proceso. Seguridad.

Mantener la calidad del producto (composición, pureza, color, etc.) en una base continua y con costo mínimo.

Mantener la taza de la producción de la planta en costo mínimo.

1.3 Control regulador y servo controlEl control regulador es aplicado en los procesos en los que debe compensarse las desviaciones de la variable controlada como consecuencia de las perturbaciones del sistema.

El servo control se aplica a los casos de variaciones en el punto de control, para lo cual la variable controlada debe ajustarse al punto de control.

1.4 Señales de transmisión, sistemas de control y otros términosTipos de señales en la industria de procesos:

Señal neumática. Abarca entre 3 y 15 psig. Representación de la señal (P&ID):

Señal eléctrica o electrónica, toma valores entre 4 a 20 mA, 10 a 50 mA, 1 a 5V o 0 a 10V. Representación de la señal:

Señal digital o discreta (unos y ceros) sistemas de control de procesos con computadoras.

La señal es una representación propuesta por Instrumentation Society of America (ISA) cuando un concepto de control es mostrado sin preocuparse de especificar el hardware.

Transductor.- Dispositivo que permite cambiar un tipo de señal a otra, transductor I/P

1.5 Símbolos y nomeclatura para los instrumentos

1.6 Estrategias de controlControl por retroalimentación (Feedback Control)

Cuando la variable controlada se ve afectada por alguna perturbación, esta debe ser realimentada al controlador para que corrija la desviación. La desviación ocurre antes que se pueda tomar la acción correctiva.

Figura 2

Figura 7: Repuesta del control por retroalimentación

Ventajas

• Es una técnica muy simple que compensa todas las perturbaciones.

• El lazo de control por retroalimentación no conoce, cual perturbación entra al proceso. Solo trata de mantener la variable controlada en el punto de control.

• El controlador trabaja con un mínimo de conocimiento del proceso (a qué dirección moverse).

Desventajas

• Puede compensar la perturbación solo después de que la variable controlada se ha desviado del punto de control.

Control por acción precalculada

Su objetivo es medir las perturbaciones y compensarlas antes de que la variable controlada se desvíe del punto de control.

Figura 8: Sistema de control por acción pre calculada.

El control feedforward compensa solo las perturbaciones medidas. Si cualquier otra perturbación entra al proceso, la estrategia de control no lo compensará, y el resultado será una permanente desviación de la variable controlada.

Para evitar esta desviación, se debe agregar alguna compensación de retroalimentación al control feedforward.

Figura 9: Control feedforward del intercambiador de calor con compensación feedback.

Una estrategia avanzada de control es usualmente más costosa que un control por retroalimentación en hardware, poder computacional, y mayor conocimiento para el diseño, implementación, y mantenimiento. Por lo que el gasto debe ser justificado (seguridad y/o economía). Se debe tener en cuenta que esta estrategia avanzada todavía requiere una compensación por retroalimentación.

1.7 Resumen Se discutió la necesidad del control automático de proceso. Procesos industriales no son estáticos pero rara vez muy dinámicos; ellos están continuamente

cambiando por causa de varios tipos de perturbaciones. El principio de trabajo de un sistema de control está resumido con estas tres letras M, D y A.

o M refiere a las mediciones de las variables del proceso o D refiere a la decisión que se hace en base a las mediciones del las variables del proceso.o A refiere a la acción que debe ser tomada en base a la decisión.

Los componentes básicos de un sistema de control de proceso son: sensor-transmisor, controlador y elemento final de control.

Las señales más comunes: neumática, eléctrica y digital. Tipos de control: Control Regulador y Servo Control. Dos estrategias de control fueron presentadas: control por retroalimentación y control por acción

precalculada.