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PROCESAMIENTO DE MINERALES – MINERALURGIA II

Ing Nataniel Linares Gutiérrez

CAPITULO VIII

SUPERVISIÓN Y CONTROL DE LOS CIRCUITOS DE FLOTACIÓN 8.1. OBJETIVO. Al término de este capítulo el estudiante debe quedar en capacidad de manejar cualquier sistema de control manual o automatizado. 8.2. CONTROL DE OPERACION MANUAL Y AUTOMATICO. 8.2.1. Introducción. Es evidente que para controlar y evaluar un proceso metalúrgico-industrial se debe conocer su sustento científico y fundamento operativo, el cual ya se ha dado en los capítulos anteriores. Luego de esta etapa deben seleccionarse las variables de mayor incidencia, y observar el grado de independencia que presentan unas con respecto a otras. Por lo general, éstas se clasifican de acuerdo al grado de criticidad para el proceso, para determinar la frecuencia de control a la que deben someterse en un período de tiempo. Generalmente, éstas variables tienen directa relación con la producción y calidad del producto, de manera tal que si aumentan o disminuyen, se estudian y controlan con mayor rigurosidad y eficiencia. El objetivo de evaluar es proporcionar mecanismos o métodos para controlar las variables de operación de proceso, observar sus fluctuaciones y predecir cambios, de modo de prevenir cualquier variación que altere el normal estándar de operación de la Planta Concentradora. El flujo de información del control de procesos, por lo general tiene una estructura que se cimienta por medio de los controles automáticos de los procesos, medidos a través de sensores electrónicos o bien mediante mecanismos de muestreo, los que permiten obtener muestras representativas en un instante. La diferencia entre ambos es el tiempo de respuesta, mientras en el primer caso son automáticas, el segundo demora, horas en entregar un resultado. Hoy debido a los avances tecnológicos, se ha podido mejorar bastante el tiempo de entrega de información, ya que es obvio, que entre más rápido y confiable es un resultado de una observación, se pueden tomar más rápido las decisiones en Planta Concentradora. En general, en la Industria Minero-Metalúrgica, existen variables de rápida información, como el tonelaje por minuto o por hora de mineral, el flujo de soluciones o pulpas que circulan por tuberías, la temperatura de fluidos, etc. que procesa una Planta Concentradora. Pero también hay variables que aún siguen dependiendo del tiempo de respuesta, como los leyes del mineral, concentraciones de soluciones, granulometría de mineral, etc., en resumen aquellas que dependen del Laboratorio Químico Metalúrgico. Esto se debe a la confiabilidad y exactitud que se necesita para estos datos, ya que todavía los equipos analizadores en línea, requieren mucho tiempo de mantención, lo que perjudica su confiabilidad en los datos, además de los altos costos que hoy aún tienen, para invertir en éstos. Los equipos en Plantas de Procesamiento de Minerales, específicamente, Plantas Concentradoras, deben clasificarse de acuerdo a que tan críticas son para el proceso. Así por ejemplo los pesómetros que miden la cantidad de cuanto mineral se procesan en las secciones de chancado, los flujómetros para medir los caudales de pulpa, los sensores de nivel en todas los tanques de depósito de pulpas o en las celdas de flotación, etc., son de vital importancia. Esto lleva a que estén insertos dentro de un programa de mantenimiento preventivo, mucho más riguroso que otros. Por lo general la información recopilada debe ser fácil de leer y analizar en el momento que se requiere. Así por ejemplo las planillas deben ser elaboradas revisadas y ordenadas de acuerdo estándares de calidad. Los datos deben “hablar por sí solos”, esto quiere decir, que al momento de observar un gráfico o planilla, debe quedar claramente establecido que se han manifestado cambios, y se deben tomar medidas correctivas adecuadas.

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La evaluación de las operaciones es la etapa fundamental, ya que aquí se toman medidas, para enmendar errores cometidos o bien observar condiciones que mejoren la optimización de los procesos. Por tal razón los datos deben ser trazables, es decir, que permiten reproducir la situación que se produjo una alta producción, o bien un problema de calidad del producto. También esta etapa permite revisar los estándares con los que se trabaja, ya que muchas veces, hay puntos de operación que pueden ser mejorados y corregidos. Implementar nuevos controles en algunos puntos y remover otros que no guardan representatividad en el proceso, ya que es muy común que en la medida que se conoce un proceso, se encuentra con datos o información, la cual no resulta relevante o representativa de lo que realmente se quiere medir. En la Planta Concentradora, es importante medir flujo de mineral a los molinos, granulometría de partículas en el interior de las pulpas de mineral, leyes de las diferentes pulpas que se obtienen a lo largo del proceso, es decir, las etapas del circuito, la energía que se abastece a cada molino, a la celdas de flotación, etc.. En una Planta Concentradora en su sección de flotación, actualmente el control de la operación puede ser: • •

Control de operación manual. Control de operación automática.

A.- CONTROL DE OPERACIÓN MANUAL. Para poder controlar el manejo de un circuito de flotación en forma manual es necesario considerar algunos aspectos tales como: • • • • • •

La pulpa. Los reactivos. El aire. La calidad del concentrado. La limpieza. El relave.

Así mismo, existe una operación de control auxiliar, que se le conoce como "el plateo" el cuál consiste en lavar las espumas de los concentrados y pulpas de los relaves con el objeto de verificar si hay material indeseable en los concentrados, ley aproximada, etc. o si aún hay mineral valioso en los relaves. Generalmente el plateo se hace en los siguientes puntos: • • • •

Concentrado de las celdas de desbaste. En los relaves intermedios y final. Concentrado de las celdas de recuperación. Concentrado de las celdas de limpieza.

La frecuencia de plateo puede hacerse cada media hora o cuando cambia la calidad de la espuma, lo cuál indica algún cambio en el sistema. El agua que se adiciona en las canaletas, es para romper la espuma y transportar la pulpa a la siguiente etapa. La utilidad de esta agua debe ser controlada , puesto que un exceso puede producir los siguientes efectos : 1. 2. 3.

Demasiada dilución de los concentrados. Dilución de los reactivos. Alteración de pH.

En todo caso, las unidades de operación en la sección de flotación entre otros son: • •

Alimento constante a la celda de flotación para mantener el nivel de pulpa adecuado. Altura correcta del colchón de espuma .Usar las compuertas y válvulas de aire para conseguir

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esta altura de modo que siempre sea la espuma la que rebalse y nunca la pulpa. • Verificar cada media hora, cuando menos, que los reactivos ingresen en el lugar adecuado y en la cantidad programada. • Evaluación del proceso mediante el plateo. • Regulación del agua en las canaletas. • Regular la cantidad de aire entrante en la celda. El cuidado que se debe tener en cuenta de las máquinas de flotación es el siguiente: • • • • • • •

Que no hayan huecos en el casco. Que los impulsores se encuentren en buen estado. Que la tubería de aire no esté obstruida. Chequear el estado de la hoja y varilla de las compuertas. Mantener las fajas de transmisión en la tensión correcta. Mantener la adecuada lubricación de los rodamientos. Verificar que no haya calentamiento en los motores.

Como se puede ver, el control del circuito de flotación y de la Planta Concentradora aún continua dependiendo de la destreza de los ingenieros metalurgistas y de los operadores, los cuales entregan un producto y una operación sin información oportuna tal como leyes de cabeza, de concentrados y relave, lo cuál generalmente está disponible al día siguiente, cuyos datos serán ya sólo historia. B. CONTROL AUTOMATICO DE LOS CIRCUITOS DE FLOTACION. Las etapas de un circuito de flotación se pueden clasificar como: ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Flotación primaria o de desbaste. Flotación de recuperación. Remolienda, optativo de acuerdo a cada mena o yacimiento. Flotación primera limpieza (celda mecánica o columna) y recuperación (repaso) Flotación segunda limpieza (en celdas mecánicas de flotación) Re-tratamiento de colas.

8.2.2. Objetivo del Control El objetivo de control operacional de la Planta Concentradora es maximizar la recuperación y ley de concentrado. Esto se logra manteniendo las características de la pulpa en los rangos requeridos. Este objetivo se satisface en general mediante:  Un adecuado control de la densidad y pH de la pulpa de alimentación a flotación primaria y flotación limpieza.  Una adecuada dosificación de reactivos.  Un control operacional de las celdas de flotación primaria y molinos de remolienda. Lazos de Control Los lazos de control automático y controles manuales considerados en la operación de las diferentes etapas de un circuito de flotación de una Planta Concentradora son: Flotación Primaria • • • •

Control de densidad de la pulpa de alimentación Control de pH de la pulpa de alimentación Control de nivel de las celdas de flotación Control de adición de reactivos

En el caso que se tenga remolienda del concentrado de desbaste o concentrado primario

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Remolienda de Concentrado • • •

Control de densidad de la pulpa alimentación. Control de nivel cajón bomba alimentación hidrociclones. Control de adición de lechada de cal.

Flotación primera Limpieza • Control de nivel cajón bombas alimentación a flotación limpieza. • Control de pH alimentación flotación limpieza • Control de nivel de carga y espumas en las celdas Flotación de recuperación (Scavenger) • Control de nivel de carga y espumas en las celdas • Control de nivel en cajones de traspaso Adición de Reactivos Generalmente los reactivos se alimentan en los molinos, en el alimento a las celdas primarias y a las de recuperación. En las etapas de limpieza por lo general no se adicionan reactivos, ocasionalmente cal para mantener el pH. • Control adición de reactivos a flotación • Control flujo alimentación a estanques distribuidores de reactivos Lazo de Control de Densidad de la Pulpa de Alimentación a flotación primaria Este lazo de control permite regular el porcentaje de sólidos de la pulpa de alimentación a las celdas de flotación primaria. El lazo opera en base al porcentaje de sólidos del rebose de los hidrociclones que alimentan a la flotación primaria, medida en Medidores de Tamaño de Partículas (PSM). El porcentaje de sólidos del rebase de los hidrociclones es medido en el analizador y envía la señal para control de adición de agua. La Figura Nº.1 muestra un esquema del control de densidad para la flotación primaria. Control pH de la pulpa de Alimentación El pH de la pulpa de alimentación a las celdas de flotación primaria se controla actuando sobre la alimentación de lechada de cal a la molienda (convencional o SAG). La medición de pH se realiza en los cajones distribuidores a flotación primaria.

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Figura Nº 8.1: Control de densidad alimentación flotación primaria La Figura Nº 8.2 muestra un esquema del control de pH.

Molino de Bolas o SAG

Figura Nº 8.2: Esquena de control de pH en flotación primaria Control de Nivel de las celdas de flotación El control de nivel de cada banco se realiza midiendo el nivel de la última celda y actuando sobre las válvulas tapón de la caja de traspaso. La referencia de nivel la puede fijar el operador desde el DCS (Figura Nº 8.3)

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Figura Nº 8.3: Control de nivel en celdas En el caso de que haya remolienda de concentrado Primario, el control posible puede ser: Control de Densidad Alimentación Hidrociclones El control de densidad se realiza regulando el flujo de agua fresca que se alimenta al pozo de descarga del molino, para ello, se mide la densidad de entrada de la batería de hidrociclones de remolienda y se regula el flujo de agua al pozo de descarga del molino. El controlador actúa sobre la válvula reguladora de flujo de agua al pozo. Ver Figura Nº 8.4

Figura Nº 8.4: Control de densidad en la alimentación a los hidrociclones en remolienda Control de Nivel Sumidero Bomba Alimentación Hidrociclones Este control se realiza midiendo el nivel de pulpa en los pozos y actuando sobre el variador de velocidad de las bombas de alimentación a hidrociclones de remolienda. La Figura Nº 8.5 muestra el control de nivel en pozos de bombeo a hidrociclones en el caso de que se tenga dos molinos.

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FIGURA Nº 8.5: Control de nivel en pozo de bombeo a hidrociclones remolienda Descripción de instrumentos en la figura: LSLL : Interruptor de nivel LIC : Control de nivel LIT : Medidor de nivel Control de nivel cajón bomba alimentación hidrociclones El cajón de bombeo a hidrociclones, compuesto en este caso por dos secciones, posee un sistema independiente de control de nivel que actúa sobre la Densidad7 de la bomba. El control automático fija la Densidad7 de la bomba, manteniendo el nivel del cajón estable. El controlador LIC aumenta o disminuye la velocidad de la bomba al detectar, mediante el medidor LIT alguna subida o bajada de nivel. Control de Densidad En la línea de alimentación a la batería de hidrociclones se encuentra ubicado un densímetro (nuclear, etc), el cual forma parte de un lazo de control usado para mantener estable la densidad de la pulpa. Según se muestra en la Figura Nº 8.6, el control de densidad funciona en base a dos elementos: controlador de densidad (DIC) y de flujo (FIC). En este caso, el operador fija la referencia de densidad deseada en el controlador DIC, el cual a su vez genera una señal que sirve como referencia al controlador FIC, indicándose cual será el caudal de agua necesario para obtener la densidad deseada.

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Figura Nº 8.6:Control de densidad en batería hidrociclones Descripción de instrumentos en la figura: DIC DIT FIC FIT

: : : :

Control de densidad Medidor de densidad Control de flujo Medidor de flujo

Control de pH El control de pH considera la adición de lechada de cal en el sumidero de alimentación de pulpa a los molinos de torre. La adición de cal se efectúa en base a 2 líneas controladas, de las cuales una es de reserva. En la figura Nº 8.7 se muestra la instrumentación asociada a la adición de lechada de cal

FIGURA Nº 8.7: Sistema de control de pH en cajón distribuidor a molinos Descripción de instrumentos en figura: AX HS S

: Generador de pulsos (la cal se adiciona por pulsos en la válvula, chorros) : Selector : Trampa de sólidos decantados

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MONITOREO Monitoreo de Potencias En los molinos se realiza una medición de la potencia tomada por los motores. Esta potencia es desplegada en la sala de control, según se muestra en la Figura Nº 8.8

Figura Nº 8.8. Monitoreo de potencia del molino Descripción de instrumentos en figura: JI JT

: :

Indicador de potencia Medidor de potencia

Monitoreo de Presión En la batería de hidrociclones, se dispone de un manómetro en la línea principal que alimenta a los hidrociclones. La señal de dicho instrumento es desplegada al operador en la sala de control. Para operar dentro de rangos normales de presión, el operador deberá tomar la acción manual en la abertura o cierre de hidrociclones (Figura Nº 8.9).

Figura Nº 8.9 . Medición de presión en batería de hidrociclones COMANDO DE VÁLVULAS NEUMÁTICAS ON-OFF. Comando de Válvulas Tapón

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Este control permite el accionamiento de las válvulas tapón y consiste en un cilindro neumático de "doble efecto" (aire para abrir y para cerrar) y una válvula neumática de accionamiento manual. El operador posiciona dicha válvula para subir o bajar el tapón (ver esquema típico de funcionamiento en la figura Nº 8.10.

Fig. Nº 8.10. Sistema de comando en válvulas Tapón Los equipos que poseen este sistema de comando son: • Cajón de bombeo a hidrociclones • Cajón distribuidor a molinos. Comando de Válvulas Cuchillo y Pinch Este manejo de válvulas es similar al utilizado en el caso de las válvulas tapón (Figura Nº 10). Se compone de un cilindro operado por una válvula neumática de accionamiento manual o eléctrico. Válvulas en cajón traspaso Concentrado Scavenger1ª Limpieza La descarga de este cajón se realiza mediante dos válvulas cuchillo, con cilindro de doble efecto, accionado mediante una válvula neumática, 4 vías, y de operación manual (se necesita aire para abrir y para cerrar) si este fuera el sistema. En la Figura Nº 8.11 se muestra la disposición del sistema de control usado para descargar dicho cajón. Control mediante Válvulas Pinch El accionamiento de la válvula Pinch se efectúa en base a un cilindro de efecto simple (aire, para cerrar y resorte para abrir) y una válvula neumática de operación manual. El interruptor de presión sirve para indicar al operador de la sala de control, la posición que posee la válvula Pinch: abierta (cilindro con presión) o cerrada (cilindro sin presión).

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FIGURA Nº 8.11: Sistema de comando de válvulas de cuchillo en la descarga del cajón de traspaso scavenger 1ª Limpieza Control de Agua de Sello En las líneas de agua sello de las bombas que alimentan la batería de hidrociclones, se dispone de un interruptor de flujo y un interruptor de presión baja. Estos elementos generan una alarma cuando baja la presión o el flujo de agua de sello (ver Figura Nº 8.12).

Figura Nº 8.12: Instrumentación en líneas agua de sello a bombas de alimentación hidrociclones

Descripción de instrumentos en figura: FAL PSL FSL

: : :

Alarma Detector de presión baja Detector de flujo bajo

Control en Bombas de Piso En la Figura Nº 8.13 se muestra el esquema de lazo de control que comanda las bombas de piso sector molinos. La bomba arranca automáticamente, cuando el interruptor detecta pulpa en el estanque. La bomba se detiene si se detecta estanque vacío.

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8.3. INSTRUMENTACIÓN De acuerdo al sistema a diseño del circuito, se selecciona la instrumentación. Acondicionamiento de Pulpa El objetivo del control operacional asociado a esta etapa es acondicionar la pulpa a los valores de pH y porcentajes de sólidos requeridos para la operación. La instrumentación es la siguiente: Válvulas automáticas de adición de agua y lechada de cal. Analizadores de muestras para determinar leyes de Cu, Fe, Mo, Zn, As y densidad. Esto es casi típico en una planta de Cu-Mo. Flotación Primaria o de desbaste. La instrumentación asociada a esta etapa es: • • • •

Válvulas de tapones electro-neumática Botoneras arrancar/parar agitadores Medidor de pH Analizadores de muestras

Remolienda de Concentrado La instrumentación asociada a esta etapa es: Molinos de Remolienda • • • • •

Medidores de potencia y corriente. Botoneras partir/parar molino. Medidores de temperatura molinos. Flujómetros Válvulas automáticas de adición de agua.

Bombas de Alimentación a Hidrociclones Variadores de velocidad • Interruptores de flujo bajo agua de sello. • Medidores de presión.

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• Medidores de nivel • Válvulas electro-neumática Batería de Hidrociclones • Medidores de presión • Válvulas electro-neumáticas Flotación Limpieza La instrumentación asociada a esta etapa es: • • •

Válvulas de tapones electro-neumáticas Botonera arrancar/parar agitadores Medidor de pH

Flotación Relimpieza La instrumentación asociada a esta etapa es: • •

Válvulas de tapones electro-neumáticas Botonera arrancar/parar agitadores

Distribución de Reactivos La instrumentación asociada a esta etapa es: • Medidores de nivel. • Variadores de velocidad. ENCLAVAMIENTOS Los enclavamientos principales de los equipos de una Planta Concentradora pueden ser: Bombas alimentación hidrociclones. Están enclavadas con: Agua de sello bombas Molinos de remolienda. Están enclavados con:  Servicios motor molino.  Servicios del molino.  Baja presión aire embrague del molino. Válvulas de tapones de control de nivel celdas de flotación. Están enclavadas con: Aire de instrumentación Dosificadores de reactivos. Están enclavadas con: Bajo nivel estanque de reactivo. Bombas de traspaso. Están enclavadas con:

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Nivel pozo bombeo POSICIÓN FALLA DE TAPONES Y VÁLVULAS Tapones distribuidores motorizados y mecánicos. Ante una falla de suministro eléctrico estos tapones se cierran. Válvulas de tapones de control de nivel celdas de flotación Ante una falla de suministro de energía eléctrica y una pérdida en la presión de aire, los tapones se abren. Válvulas de cuchillo pozos alimentación bombas hidrociclones Ante una falla de suministro de energía eléctrica las válvulas se cierran. Válvulas de cuchillo pozo de bombeo traspaso Ante un falla de suministro de energía eléctrica las válvulas se cierran. TIPOS DE CONTROL Control Clásico En la industria se basa en la existencia de tres instrumentos: Transmisor, Controlador y Válvula de control, relacionados a través del lazo o bucle de retroalimentación, que es único para cada variable controlada del proceso industrial. Existen tantos lazos de control como variables controladas. Utilización hasta los años 1960. Control Digital Directo DDC En el control digital directo, un computador sustituye al instrumento controlador, efectuando los cálculos de acuerdo con las acciones de control deseadas y enviando las correspondientes señales de salida a las válvulas de control. Esta función de cálculo la efectúa secuencialmente para cada variable de entrada analógica o digital y para cada válvula de control del lazo correspondiente. Una falla en el computador da lugar a la pérdida total del control de la planta. Utilización desde los años 1960 a 1975. Control de Puntos de Consigna SPC Al descartar el empleo de un único computador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así “distribuir” el riesgo del control único. Cada controlador digital, debía ser “universal”, es decir disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitan resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema. Para comunicarse entre sí los transmisores electrónicos de terreno, los controladores y las interfases para la comunicación con el operador de la planta, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial. Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico, se adoptó el uso de uno o varios monitores de CRT, en los cuales, el operador, a través de teclado, debía examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la Planta y con opción de cambiar cualquier característica de control de las variables del proceso. Utilización desde el año 1970. Control Distribuido

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El control distribuido consiste en uno o varios microprocesadores que controlan cada uno más de una variable (aproximadamente 8) y que están repartidos por la planta y conectados a las señales de los transmisores de las variables y a las válvulas de control. El primer sistema de control distribuido para la industria fue presentado por la firma Honeywell Inc. en noviembre de 1975. Control Supervisor La distribución de los microprocesadores a lo largo de la planta en los puntos con mayor concentración de señales es la de una distribución arquitectónica múltiple, unida mediante una vía de comunicaciones, que permite la supervisión desde la sala de control, e incluso desde un computador personal. Utilización desde aproximadamente 1980. En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico es la posibilidad de configuración por software y la capacidad de comunicación entre microprocesadores y el centro supervisor, que se ofrece actualmente en los sistemas de control distribuido. 8.3.1. CLASES DE INSTRUMENTOS Transmisores Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. las más empleadas en la industria son las tres primeras, las eñales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor. Los transmisores neumático generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi para el campo de medida de 0 - 100 % de la variable Los transmisores electrónicos generan la señal estándar de 4 - 20 mA c.c. a distancias de 200 m a 1 km. Las fibras ópticas en la transmisión se están utilizando en lugares de la planta donde las condiciones son duras (campos magnéticos intensos que influyen sobre la señal ..). Los módulos de transmisión pueden ser excitados por fuentes de luz de LED )Light Emiting Diodes) o diodos Láser. Elementos sensores El sensor es un elemento que transforma la manifestación física de la variable controlada en otra que es apta de ser interpretada por el transmisor o directamente por el controlador en caso de no existir éste. Sensores de Presión Algunos principios utilizados para medir presión: • • • • •

Bourdón Manómetro de émbolos Fuelle MembranaPiezoeléctrico Presión diferencial

Más utilizado: Bourdón Sensores de Nivel Métodos utilizados para medir nivel:

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Por flotador Por desplazamiento Diferencia de presión (altura de carga) Por peso Capacitivo Resistivo Por radiación

Más utilizado: Diferencia de presión y flotador Sensores de Temperatura Métodos utilizados para medir temperatura: • • • • • •

Sistema de bulbo lleno de fluido Bimetal Termopar (termocupla) Termómetro de resistencia (PT-100) Dilatación Radiación

Más utilizado: Sistema de bulbo lleno Medición de caudales de fluidos Métodos empleados para medir caudales de líquidos y gases: • Caudalímetros de altura de carga: • Rotámetro • Caudalímetro de inducción • Caudalímetro por ultrasonido • Venturi • Plato orificio • Desplazamiento positivo • Turbina • Medidor de flujo por impacto • Anemómetro de hilo caliente • Medidor de Vortex • Pitot • Medidor de codo Más utilizado: Plato orificio La elección del medidor depende de las pérdidas y del costo, como se ilustra en la siguiente tabla: Tipo de Medidor Orificio Tobera Venturi

Pérdida de Carga Grande Media Pequeña

Costo Pequeño Media Grande

Medición de la presión La presión es una variable de proceso fundamental y su medición puede utilizarse directamente para controlar o para reducir otras mediciones, por ejemplo, el nivel, el flujo y la temperatura. Se pueden utilizar muchos tipos de transductores Estos transductores pueden estar eslabonados a transmisores electrónicos o neumáticos para que desarrollen una señal de 3 a 15 psig. (0.02 a 0.1 MPa) o de 4 a 20 mA. El "corazón" del transmisor neumático es el conjunto de boquilla y aleta, que incluye el relevador neumático. Medición del flujo

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El objetivo principal de los sistemas de control Metalúrgico-industrial es balancear los flujos de material y energía en un proceso. El flujo es la variable más común de un proceso mineralúrgico. Las dos funciones más importantes de la instrumentación son la exactitud de la medición y el control. La Tabla 1 cita algunos de los métodos más comunes de medición y sus características. Tabla 8.1. Mediciones de Flujo* Tipo de Cabeza

Líquidos

Líquidos Viscosos

Lechad a

1. Placas de Orificios

√

L

2. Rotámetros

√

L

3. Tubos Venturi, Boquillas

√

L

4. Tubos Pitot

√

5. Codo

√

L

L

6. Medidores de Blanco

√

L

7. Vertederos, Canales

√

1. Magnético 2. De vértices

Ga s

Sólidos Linea l

Capacidad de Cobertura

Cost o

Exactitud en % de la escala completa

Totalizador Indirecto

Pérdid a de Presió n

√

SR

4:1

Bajo ¼ - 2

√

Elevad o

L

√

√

10:1

Med ½ - 2

--------

F

√

√

SR

4:1

Elev ¼ - 3 ado

√

Med

√

SR

3:1

Bajo 2 - 5

-------

L

√

SR

3:1

Bajo 5 - 10

-------

No

L

SR

4:1

Med ½ - 2

√

Elevad o

L

L

NL

100:1

Bajo 2 - 5

-------

Med

√

√

√

√

20:1

√

No

√

L

√

10:1

Elev ½ - 1 ado Med ½ - 2

√

Med

1. Desplazamiento Positivo

√

L

√

20:1

Med ¼ - 1

√

Med

2. Turbina

√

L

√

20:1

Med ¼ - 1

√

Med

Tipo de Velocodad

De Desplazamient o

L

√

Flujo de Masa 1. Tipos de Peso

√

√

20:1

Med ½ - 3

-------

-------

2. Fluviómetros Sólidos

√

√

20:1

Med ½ - 3

-------

-------

• L. limitado; NL, no lineal; SR, raíz cuadrada; F, fijo. 8.3.2. SISTEMAS DE CONTROL Modelos de Plantas Para poder anticipar el ajuste correcto de los controladores, es necesario conocer el comportamiento de la Planta Concentradora o proceso que se está controlando. Este comportamiento se define ajustando los parámetros de un modelo matemático de manera que éste describa lo mejor posible dentro de un rango determinado el comportamiento del proceso real.

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Determinar el modelo de una Planta Concentradora es un trabajo bastante difícil y normalmente el modelo se hace más complejo mientras mejor se desee describir la Planta. Controladores En el nivel más bajo de un sistema de control distribuido, las unidades funcionales del sistema están distribuidas y puestas en el terreno, en la vecindad de la planta. Estas unidades constituyen subsistemas fuertemente autónomos, cuyo dominio de influencia se restringe a unos pocos puntos de medición o lazos de control. Por un lado tienen interfaz hacia la planta y por otro hacia el sistema. Se les puede llamar estaciones de terreno y sus objetivos principales, son : 1) Coleccionar y pre-procesar señales análogas y digitales, 2) Monitorear y colocar los mensajes de alarmas y 3) Realizar funciones de control de lazo abierto y cerrado. Para ello estas unidades están estructuradas modularmente y orientadas a un bus local. Para un control dedicado se usan los controladores digitales del tipo “Stand Alone”. Estos tienen capacidad de monitoreo y pueden ser programados o configurados desde un computador personal. También pueden ser operados desde la consola en el panel frontal exterior, contienen funciones de control tales como PID, PID cascada, otros; y un manipulador manual/automático. Además tiene funciones programables usando módulos que pueden ser configurados parametrizados. Tienen comunicación serial para comunicar a un sistema Controlador Básico o Multifunción. Controlador básico El controlador básico de un sistema es una estación de terreno orientada a un bus con capacidad de manejar varios controladores individuales, cada uno de los cuales puede hacer uso de sus algoritmos computacionales. El controlador básico tiene un lenguaje especial de control, a través del cual se pueden programar elaboradas secuencias de control. También tiene un programa residente en memoria, para diagnóstico, que se usa para pruebas automáticas de funcionamiento de las funciones internas del controlador y para reportar los resultados al operador. En niveles jerárquicos entre el más bajo y el más alto se colocan unidades funcionales intermedias. Son unidades autónomas con influencia sobre un grupo restringido de estaciones de terreno. Se les llama estaciones supervisoras o estaciones de cálculo de puntos de consigna para los controladores de menor nivel, seguimiento de órdenes de proceso, reportes, intercambio de datos con estaciones de nivel superior, etc. Controladores de Proceso El controlador de procesos es un equipo, dedicado a comunicar y controlar un grupo reducido de controladores de menor nivel, que realizan la acción de control propiamente tal. Controladores de Lazo El controlador de lazo, es un controlador Stand-Alone, dual. Realiza la acción de control dedicado a un máximo de 4 lazos de control, con opción de despliegue de dos lazos en pantalla simultáneamente. Controladores de Lógica Programable (PLC) El controlador de lógica programable PLC, está orientado al control dedicado y al nivel básico descrito anteriormente, ya que tiene incorporadas funciones para desarrollar lazos de control, comandar uno o más lazos de control, monitorear variables y comunicar a niveles superiores de la red de control. Finalidad del Controlador

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El controlador es una unidad autónoma, apta para ambientes industriales, como Plantas Concentradoras, etc.. Está protegida contra polvos, soporta vibraciones, variaciones de temperatura, variaciones de tensión, etc. Estas unidades, están destinadas a niveles de control inferiores y básicos. En el nivel inferior de control se utilizan equipos de baja capacidad para controlar pocas señales (máximo 8), procesarlas, desarrollar alguna acción de control y/o transmitirlas a otros niveles de control donde se encuentran las estaciones supervisoras. En los niveles básicos de control, se utilizan equipos de gran capacidad que pueden cumplir funciones de control, de colector de datos, de concentrador de datos y también como estaciones supervisoras de control, que se encargan de procesar la información y entregarla a la estación supervisora principal para ser desplegada en pantallas de computadores, reportes, alarmas, etc. Opciones del Controlador Todos los controladores utilizados en control de procesos tienen opciones de configuración, de programación y de comunicación. Configuración:

Permite definir el tipo de control a realizar según la aplicación específica. Puede ser un lazo cerrado de control (PID, PI, P), transmisión de señales, generar alarmas, etc.

Programación:

Los controladores cuentan con un lenguaje especial de control que permite programar las instrucciones definidas en la configuración. Este lenguaje es propio de cada tipo de controlador. (En caso de controladores Bristol, Loader, Accol; en PLCs, Step5, Uni-telway, otros; controladores Taylor, PC30, etc.).

Comunicación:

La comunicación de datos en sistemas digitales distribuidos de control, es de vital importancia ya que permite que exista el sistema de control en tiempo real. La estructura típica, es: 1) nivel de terreno, 2) nivel de control de procesos, que contiene los algoritmos de control, 3) nivel supervisor, que contiene los algoritmos de control óptimo del proceso y los modelos matemáticos del proceso; y 4) nivel de administración, para la planificación de la producción, control, etc.

Para obtener transferencia de datos confiables entre los niveles de comunicación descritos, se utilizan redes de área local, seleccionadas para obtener los requerimientos en tiempo real del sistema de control. Ajuste de Controladores: Las características en estado de régimen, las características transitorias y la estabilidad de un sistema de control pueden ser influidas por los parámetros de los controladores. Normalmente son sólo estos parámetros los que pueden ser elegidos libremente por el especialista en control, ya que las características de la planta y de los elementos de control primario y finales están dadas por la construcción del sistema. El proceso controlado por un sistema de control primario normalmente no es aislado, sino que forma parte de un conjunto de procesos que forma una actividad industrial. Como tal, la salida de este control primario va a influir sobre otros procesos u otras variables del mismo proceso. Los valores óptimos de los parámetros del controlador son diferentes si se desea que el sistema responda óptimamente a variaciones en la referencia o si se desea que las perturbaciones tengan una influencia mínima en la variable controlada. 8.3.3. SOFTWARE DE CONTROL Para la operación de una red de control, se requiere de un sistema operativo, de un software de utilidad, lenguajes de programación de alto nivel, software de comunicación para el intercambio de

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data y software de aplicación necesario para coleccionar la data y procesarla, incluyendo el software necesario para el monitoreo y el control del proceso. Definición de Software de Control Un conjunto de instrucciones o sentencias de programación desarrolladas en algún lenguaje computacional para cumplir una tarea, dan origen a un programa. Un conjunto de uno o más programas computacionales, dan origen a un software. Para trabajar con un software, se requiere de un computador que opere con el lenguaje de programación en que fue desarrollado dicho software. Básicamente, el software para el control de procesos a través del computador, se clasifica en: a) Software de Sistema y b) Software de aplicación, encontrándose también software de comunicación y software de configuración y parametrización. En cuanto a software de sistema podemos encontrar: a) Sistema Operativo en Tiempo Real, b) Lenguajes de Programación Orientados a Procesos y, c) Programas de Utilidad y Herramientas de Programación. Como hemos visto históricamente el control de los circuitos industriales de flotación es un "arte" capaz de ser aplicado por unos cuantos privilegiados. Recientemente, debido a los altos costos de operación y por el nacimiento de las ciencias de la informática y de la computación , el control de procesos empieza a ser considerado no como un "arte" sino como una “ciencia” muy compleja y productiva, la cual redunda en un primer factor. Un segundo factor es que el desarrollo de nuevos y más confiables instrumentos de medición sumados al avance de la tecnología de las computadoras está propiciando grandes avances en el control de procesos en las Plantas Concentradoras. Un tercer factor de gran importancia es la solución de estrategias para enlazar las acciones de control a las mediciones del proceso, para conformar el sistema global de control y el aprovechamiento de la cibernética en el desarrollo de sistemas expertos capaces de decidir y aprender.

E

SISTEMA DE CONTROL

ME NT

AR

RU

W

ST

RD

IN

HA

AC

IÓ

N

Estos tres componentes, instrumentación, "hardware" para control (sistemas de computación) y estrategias de control, forman un triangulo de componentes fundamentales de un sistema de control.

ESTRATEGIAS DE CONTROL

Su objetivo principal es hacer que la Planta Concentradora opere de manera estable. Solo a partir de aquí se puede intentar cualquier optimización del circuito de la Planta. En lo que respecta a estrategias de control de procesos para cada una de las operaciones unitarias especialmente de flotación, hay varios componentes claves que se debe considerar, estos son: 1. Funciones objetivo.- Las funciones objetivo son las variables o combinaciones de sistemas entrantes que son utilizados para evaluar el rendimiento de las operaciones unitarias. 2.

Objetivos de control.-Los objetivos de control son los estados deseados de las funciones objetivo para lo cuál la estrategia de control esta diseñada a alcanzar (por ejemplo: un máximo ,un mínimo, constante, promedio, etc.).

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3.

Variables de proceso.- Las variables de proceso son la información que la estrategia de control monitorea (entrada a la estrategia de control) para determinar acciones apropiadas.

4.

Variables manipulables.- Las variables manipulables o manipuladoras son aquellas variables que la estrategia de control puede ajustar para alcanzar los objetivos de control.

 BENEFICIOS DE CONTROL AUTOMATICO. Los beneficios más evidentes que el control automático trae consigo, pueden ubicarse en tres áreas fundamentalmente: 1. Representa mejorías en el funcionamiento de la Planta desde el punto de vista metalúrgico. 2. Representa ahorros en el consumo de reactivos de flotación, y 3. Representa ahorros en mano de obra dedicada a controlar la operación.  PROBLEMAS ASOCIADOS CON LA AUTOMATIZACION EN FLOTACION. Fundamentalmente pueden ser dos: • •

Variables de flotación Interacción entre lazos de control.

a. VARIABLES DE FLOTACION. Se basa fundamentalmente en la identificación de las variables importantes que afectan la eficiencia de flotación o separación que puede ser representada por un grupo de variables que cuantitativamente indican la manera en que se encuentra funcionando el circuito. Algunas de las variables de este grupo son : • • • •

Ley del concentrado Recuperación. Capacidad. Cargas circulantes.

Entonces la eficiencia de separación en un circuito de flotación puede generalmente ser definida en un mapa de ley de recuperación como se muestra en la Fig. 8.14 donde cada punto en este mapa representa una serie de condiciones de operación, donde la Planta puede operar alrededor de un óptimo de acuerdo a un valor económico. Las variables de operación que pueden ser cambiadas con el fin de obtener predeterminada variación en las variables controladas, se les conoce como variables manipulables e incluyen variables tales como: Dosificación de reactivos (colectores, depresores, activadores, espumantes, reguladores de pH), puntos de adición de los reactivos, potencial electroquímico (Eh), flujo de aire, intensidad de agitación, nivel de pulpa, tiempo de acondicionamiento, flujo de alimentación. El proceso de flotación está sujeto a un gran número de perturbaciones que causan cambios en la eficiencia de la separación. En general, estas perturbaciones son muy difíciles y en algunos casos imposibles de medirlas en flujo. Las perturbaciones en un circuito de flotación son debidas principalmente a la inestabilidad en el circuito de molienda, en el circuito de flotación o a variaciones en las propiedades del mineral alimentado. Ley Límite

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Rec..Límite

LEY Fig. 8.14.Mapa de Ley vs Recuperación En la fig. 8.15 se ilustra esquemáticamente las variables de mayor importancia en la flotación de minerales. Mineralogía Grado de oxidación Tamaño de partícula Flujo de alimentación Ley del alimento % de sólidos temperatura Aireación Nivel de pulpa W Agitación Recuperación Adición: U Y Ley Colector CIRCUITO DE FLOTACION Capacidad Modificador Eh Espumante % sólidos Eh -- pH Nivel de pulpa Ensayos Flujos Distr. de tamaños Z Nivel de pulpa Z Nivel de espuma Agitación Conc. de colector Eh Fig. 8.15 Variables de importancia en flotación b. INTERACCION ENTRE LAZOS DE CONTROL. Después de definir las variables y asignar cada una de las familias, la siguiente etapa es determinar las relaciones de cambios en las variables manipuladas en estado estacionario. Sin embargo, el proceso de flotación tiene muchas posibles variables controlables y bastantes posibles variables manipulables y la elección de la combinación adecuada es en ocasiones difícil. Sería bueno que una determinada variable manipulada afectase solo una variable controlada, mas esto no es así, porque es probable que afecte a más de una variable controlada. Ya que el control de flotación es un proceso multivariable, primero es necesario conocer los enlaces adecuados entre variables manipuladas y variables controladas y finalmente determinar cuál combinación de variables manipulada y controlada es mejor que otra. SISTEMAS DE CONTROL. Hasta hoy se conocen en términos generales los siguientes: • •

Sistemas convencionales de control. Sistemas basados en modelos.

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Sistemas expertos.

A. SISTEMAS CONVENCIONALES DE CONTROL. Debido a las múltiples interacciones entre variables manipuladas y controladas, el control de un circuito de flotación es muy complejo. Como consecuencia de la naturaleza no lineal del proceso de flotación y las inevitables interacciones entre lazos de control, la teoría clásica de control está esencialmente limitada a sistemas con lazos de control entre una variable manipulada/una variable controlada (una entrada/una salida). En el enfoque de la teoría moderna el control o de la representación de estados especialmente, el control de una entrada/una salida es reemplazada por técnicas de control multivariable. El control multivariable de una o más variables pueden ser manipuladas en base a valores medidos de una o más variables controladas. Además el control moderno óptimo y para la filtración de fluido del proceso y de las mediciones. La implementación de un esquema de control hace uso de uno o ambos de los modos: • •

Lazos de control retro-alimentados. Lazos de control realimentados.

Los lazos de control retro-alimentador son conformados con parejas de variables, en tal forma que se obtenga una deseada velocidad de respuesta, en la búsqueda del "valor" de las variables manipuladas, el cuál conduce a la variable controlada a un punto predeterminado o fijado "set point" por medio de la ley de control proporcional, integral y diferencial (PID), que se puede generalizar por la ecuación siguiente:

m = Kc x +

Kc Ti

∫ xdt + K T c

d

dx dt

(8.1)

donde: m Kc x Ti Td t

= Salida del controlador = Sensibilidad proporcional (ganancia) = Desviación de la variable medida del "set point" = Constante de la integral de tiempo = Constante de la derivada del tiempo. = Tiempo.

Un diagrama de lazos de control retro-alimentador se muestra en la Fig 8.16. Perturbaciones W Set point

Sistema de control Retroalimentado

U

Proceso de Flotación

Variables controladas Z

Variables Manipuladas Fig. 8.16. Diagrama del modo de control retro-alimentador. Los lazos de control re-alimentador involucran la medición de las variables principales que pueden afectar el proceso y basado en relaciones conocidas de las variables controladas ajustan las variables manipuladas antes que la perturbación sobre el proceso ocurra. En cuanto una perturbación ocurra una acción correctiva toma lugar inmediatamente, para cancelarla antes de que afecte a la variable controlada. Este sistema hasta el momento ha tenido un éxito limitado en flotación debido a las complejas interacciones del proceso y la exactitud de las mediciones y cálculos. La característica distintiva de este modo de control es el flujo realimentado de información y el hecho de que la variable controlada no es usada en el sistema. Este modo de control se muestra en la Fig. 8.17.

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Sistema de Control Realimentado U

Set Point

Variables Manipuladas

Proceso W

de

Z

Variables controladas

Flotación Perturbaciones Fig. 8.17. Esquema del modo de control realimentado En lo que respecta a la jerarquía de los sistemas de control, en circuitos de flotación se han distinguido dos diferentes niveles de sistemas de control:

• Nivel I → Sistemas de control regulador • Nivel II → Sistemas de control superior Los sistemas de control regulador o estabilizante físicamente son usados para controlar los niveles de las celdas de flotación, pH, dosificación de reactivos y flujo de aire. Las mediciones del proceso comunes son: • Flujos de alimentación • Ensayos de alimentación al circuito • Propiedades del material alimentado a flotación, incluyendo pH, Eh y porcentaje de sólidos. Ambos modos, retroalimentación y realimentación son utilizados en sistemas de control regulador, tal como se muestra en la figura. 8.18, 8.19, 8.20. Reactivo Controlador Set Point

Control Supervisor por Computador

FT

A Circuito de Flotación

Alimentación Relaves FT = Transmisor de flujo. A = Ensaye químico. Fig. 8.18. Lazos de control retro-alimentado con control supervisor. Alimento

FT

A

DT

Circuito de Flotación

Relave

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Control Supervisor por densidad Computador

FT = Transmisor de flujo DT = Transmisor de A

= Ensaye químico

Señal de Set Point Proceso en Computador

FT Reactivo

Fig. 8.19. Lazo de control realimentado.

Alimento

Circuito de Flotación

Relave

FT Proceso en computador

A Reactivo

Set Point A Control Supervisor Fig. 8.20. Sistema re-alimentado/retro-alimentado La dosificación de reactivos son comúnmente controladas bajo un esquema con realimentación, basado en la relación final de las leyes de alimentación, tonelaje o medición de otra propiedad del material alimentado. El control retro-alimentado es usado por lo general en variables que tienen que ser mantenidas alrededor de un punto fijo "set point", por ejemplo, variables tales como nivel de pulpa, nivel de espuma, flujos de aire y pH. En general la configuración de cualquier sistema de control en flotación contiene lazos de control reguladores para mantener las variables controladas automáticamente en sus "set points", por lo tanto esto constituye la etapa inicial hacia la automatización del circuito de flotación. La figura 8.21 muestra esquemáticamente algunas formas de aplicación de este nivel de control. Control Primario (Regulador)

Retro-alimentado

Realimentado

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Control de nivel Control de pH Control de flujo de aire de pulpa

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Control de adición de colector de modificador

Fig 8.21. Modos de control regulador En el control supervisor, los primeros sistemas desarrollados de control de supervisión involucran el ajuste automático de los "set points" de los lazos de control reguladores, así como todos los lazos de control actúan, juntos para alcanzar el óptimo funcionamiento del circuito. Estos ajustes en los "set points" están basados en la eficiencia media del proceso contra cualquier índice de eficiencia u objeto de control. En la práctica cada planta presenta diferentes objetivos de control. En algunos casos, los objetivos pueden maximizar la recuperación del mineral valioso, mientras la ley se mantiene por arriba de un nivel mínimo, otros objetivos son usados esencialmente para: la maximización del consumo de reactivos, etc. En la Fig. 8.22 se muestra esquemáticamente las diferentes formas de control supervisor de acuerdo a su grado de complejidad. Control Supervisor

Tradicional

Basados en analizadores mínimos de operación (expertos)

Basado en modelos

Adaptativos Optimizantes Expertos

Fig 8.22. Sistemas de control supervisor B. SISTEMAS BASADOS EN MODELOS Las estrategias de control derivadas de la teoría clásica de control han mostrado tener serias limitaciones en el control de circuitos de flotación. Estas limitaciones son debido principalmente a que los esquemas clásicos de control retro-alimentado consideran que la dirección de cambio de una variable manipulada es conocida y que los valores de las ganancias de los controladores son adecuadas para todas las condiciones de operación del circuito. Es fácil reconocer que en un circuito de flotación no exista una serie única de constantes que puedan producir buen control en todo el rango de condiciones de operación de una planta. Aunado a estas limitaciones de control clásico discutidas anteriormente, los factores extremadamente importantes como variaciones en el tipo de mineral, características de liberación, grado de oxidación y gravedad específica, constituyen perturbaciones no medibles del proceso y que agravan el problema. Además la mayoría de los sistemas de control existentes hoy en día no pueden adaptarse a perturbaciones de corta duración y los ensayos del concentrado y relave final se obtienen muy tarde para poder realizar acciones correctivas de control realmente efectivas. Una solución promisoria para tal problema de control, involucra la construcción de un modelo dinámico que incluya la información no medible del proceso.

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Mediante la incorporación de un modelo en flujo en el esquema de control, puede hacerse las acciones correctivas bien informadas para contrarrestar las perturbaciones del proceso y como consecuencia, este puede ser controlado óptimamente. Un enfoque común es combinar un algoritmo de identificación de flujo con cualquier ley de control. El uso de este enfoque nos permite generar un gran espectro de algoritmos dependiendo del esquema de identificación o estimación de parámetro elegido y qué ley de control es usada. Desde luego que sólo nos concentraremos en una configuración que ha probado, hasta cierto punto estabilidad y convergencia. Esta configuración se muestra en la fig 8.23 sus componentes esenciales son las siguientes: 1. Un modelo de proceso capaz de reproducir las características dinámicas esenciales del proceso.

2. Un estimador que pondera las mediciones del proceso y la información generada por el modelo con el fin de obtener estimaciones optimas de los "estados del sistema" e identifica los parámetros del proceso por algún periodo de tiempo. 3. Un optimizador que usa la información de los "estados del sistema" momentáneos para seleccionar la trayectoria de los controladores, los cuales nos conducen a alcanzar los objetivos del proceso en forma óptima. 4. Un controlador que acepta los "set points" y/o las ganancias de los lazos de control especificados por el optimizador.

CIRCUITO DE FLOTACIÓN

Control Regulador

CONTROLAD OR OPTIMIZADO R MODELO

ESTIMAOR COMPUTADORA ESQUEMA SUPERIOR Fig 8.23. Esquema de control supervisor basado en modelos C. SISTEMAS EXPERTOS Los sistemas expertos muestran claras ventajas sobre los sistemas basados en programación convencional principalmente por que el sistema experto está enfocado en la representacón del conocimiento y así mismo al mecanismo de inferencia para "razonar" en base al conocimiento acumulado. En otras palabras los sistemas expertos debido a su estructura basada en conceptos de inteligencia artificial que permite a la computadora "razonar" y que este razonamiento evolucione

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mediante la asimilación de nuevas experiencias (información). Por lo tanto la implementación de un sistema experto en conjunción con el esquema de la fig 4.20 permite tomar decisiones bien informadas y obtener mejoras en la eficiencia del proceso. Este enfoque se muestra esquemáticamente en la Fig. 8.24.

CIRCUITO DE FLOTACION

CONTROL DISTRIBUIDO

SISTEMA EXPERTO COMPUTADORA DE CONTROL

Fig 8.24. Esquema de un sistema supervisor experto basado en modelos