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CONTROL AVANZADO DE PROCESOS Ing. Ernesto Godinez De La Cruz

Introducción Para controlar un proceso es necesario: • Conocer las características del proceso • Tener conocimientos básicos de los conceptos de control • Aprovechar las bondades que tienen los equipos modernos • Conocer algunas estrategias de control para aplicaciones más complejas

Tecnología

1. Dinámica de los procesos • Los procesos tienen diferentes características • Se deben identificar las diferentes variables del proceso • Se debe entender los fenómenos físicos o químicos que gobiernan el proceso • Es importante conocer el comportamiento del proceso en estado transitorio y estable

1.1 Características en el estado estable CONTROLADOR DE TEMPERATURA SALIDA DEL CONTROLADOR

TC

VARIABLE MEDIDA

TRANSMISOR DE TEMPERATURA

VALVULA

VARIABLE MANIPULADA

SALIDA DE AGUA CALIENTE

ENTRADA DE VAPOR

TT

INTERCAMBIADOR

DE CALOR ENTRADA DE AGUA FRIA

SALIDA DE VAPOR

1.1 Características en el estado estable Diagrama de bloques Perturbaciones

+

E

SP

CONTROLADOR

+

OUT

ACTUADOR

MV

SENSOR

PLANTA

Válvula

Intercambiador

SP: set point o valor deseado

PV: variable del proceso E = SP – PV error OUT: salida del controlador

MV: variable manipulada

+

TRANSMISOR

PV

1.1 Características en el estado estable • VARIABLE INDEPENDIENTE Es la salida del controlador, variable manipulada, señal de control o la posición de la válvula • VARIABLE DEPENDIENTE Es la variable que se desea controlar, variable controlada o variable del proceso. La temperatura de agua caliente.

1.1 Características en el estado estable • PERTURBACIONES También llamados cambios de carga, son influencias aleatorias externas sobre el proceso • PERTURBACIONES EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR -Cambios en la temperatura del agua fría -Cambios en el flujo del agua fría -Cambio en la temperatura del vapor -Cambio en la presión del vapor -Efectos ambientales

1.1 Características en el estado estable • Todas las entradas de control y otras influencias externas (perturbaciones) permanecen constantes • Si todas las perturbaciones se mantienen constantes, cada valor de la señal de control produce un valor específico y único del valor de la variable medida

1.1 Características en el estado estable GRÁFICO DEL PROCESO

TEMPERATURA DE AGUA CALIENTE

Relación entre variables controlada y manipulada considerando las perturbaciones constantes

TEMPERATURA DE VAPOR

T

F

FLUJO DE VAPOR

1.1 Características en el estado estable La ganancia del proceso o pendiente de la gráfica del proceso en la vecindad del punto de trabajo se define como el cambio de la variable del proceso (PV) entre el cambio de la salida del controlador (OUT). Es afectado por la no linealidad

PV Kp  OUT

1.2 Características dinámicas Procesos auto regulados Son procesos que buscan su propio equilibrio cuando todas las entradas son fijas Cuando el flujo de salida sea igual al de entrada, diremos que el proceso está en equilibrio

1.2 Características dinámicas Procesos no auto regulados El flujo de salida del tanque es fijo y no depende del nivel del tanque. El nivel del tanque aumenta o disminuye hasta que desborde o que vacío FT

FC

Ah   ( f ent  f sal )dt

A : área dela sec ción del tan que h : nivel o altura f ent , f sal : flujos

Procesos en fuga: Inestables en lazo abierto, se controlan con un controlador realimentado

1.2.1 Tipos de respuesta dinámicas Sistema de primer orden: Un punto de almacenamiento de calor en el fluido. El proceso puede ser descrito con un modelo de proceso de dos parámetros que consiste en una ganancia de proceso y una constante de tiempo

Entrada de proceso

Vapor Salida de proceso Condensado

1.2.1 Tipos de respuesta dinámicas Sistema de segundo orden: se tienen dos puntos de almacenamiento de masa Desacoplados en serie

Acoplados en serie

Existe mayor tiempo de retardo

Existe tiempo de retardo

1.3 Características de lazos comunes Lazos control más comunes: • Flujo

•Temperatura •Presión •Nivel

1.3.1 Lazos de control de flujo Está influenciado por los siguientes factores: • tipo de fluido: líquido o gas • elemento final de control • sistemas de tuberías • Tipo de controlador Características mas importantes: • Relativamente rápido • No lineal • ruidoso

1.3.1 Lazos de control de flujo DINÁMICA

NO LINEAL

-elemento final de control

-elemento final de control

-válvula tradicional

-restricciones en la línea de flujo

-actuador a resorte neumático

-tipo de medición

-posicionador

RUIDO -turbulencia en la línea -medidores de presión diferencial y vórtice son más ruidosos -medidores magnéticos y coriolisis son menos ruidosos

1.3.1 Lazos de control de flujo SINTONIA •Baja ganancia o banda proporcional alta •Tiempo integrativo relativamente corto •El modo derivativo nunca es usado, debido al ruido en la medición

1.3.2 Lazos de control de temperatura Características mas importantes: • Relativamente lentos • Relativamente lineales • No ruidoso Puntos de almacenamiento de la energía: • Actuador • Paredes de las tuberías • Termopozos • Termocuplas Existe un tiempo muerto debido de transporte del fluido.

1.3.2 Lazos de control de temperatura SINTONIA • alta ganancia o banda proporcional baja • tiempo integrativo moderadamente alto • el modo derivativo es adecuado

FT

Flujo de proceso TT

TIC

Combustible

1.3.3 Lazos de control de presión Se muestra un proceso auto regulado donde la presión se controla manipulando el ingreso de vapor

PC

Remoción de vapor

Ingreso LC

vapor

Salida

1.3.3 Lazos de control de presión Se muestra un proceso integrativo donde la presión se controla manipulando el ingreso de vapor. Existe una demanda fija de vapor FC PC

Remoción controlado de vapor

Ingreso LC

Vapor

Salida

1.3.3 Lazos de control de presión Sintonía Control de presión de vapor: • Alta ganancia • Baja acción integrativa • Acción derivativa moderada Control de presión de gas en planta: • Alta ganancia • No requiere acción integrativa y derivativa Control de presión de gas en tuberías: • Menor ganancia que en planta • Se requiere acción integrativa

1.3.4 Lazos de control de nivel Es un proceso integrativo debido a que la acumulación de líquido está relacionada con la diferencia entre los flujos de entrada y de salida SINTONIA • alta ganancia o banda proporcional baja • tiempo integrativo moderado • el modo derivativo no es adecuado debido a la presencia de ruido y oscilaciones

Regulador Industrial Sipart DR20

Regulador Industrial Sipart DR20 Sal. corriente masa

Sal. binaria Ent. binaria Ent. Análoga Ent. Análoga

Ent. Análoga