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01 Introducción.doc 1

1. Instrumentación y Control (Automático) de Plantas Químicas 1. Introducción al Control Automático _______________________________ 1

1.1. La Asignatura ___________________________________________________________________________________________________ 2 1.2. Objetivos del Control _____________________________________________________________________________________________ 5 1.3. Idea de Control __________________________________________________________________________________________________ 8 1.4. Características del Control _______________________________________________________________________________________ 10 1.5. Historia _______________________________________________________________________________________________________ 12 1.6. Los Componentes del Sistema de Control ___________________________________________________________________________ 18

1.6.1. El Proceso ________________________________________________________________________________________________________________ 22 1.6.2. Objetivos _________________________________________________________________________________________________________________ 23 1.6.3. Sensores _________________________________________________________________________________________________________________ 24 1.6.4. Los actuadores _____________________________________________________________________________________________________________ 25 1.6.5. Comunicaciones ____________________________________________________________________________________________________________ 26 1.6.6. El cómputo ________________________________________________________________________________________________________________ 27 1.6.7. La arquitectura y las interfaces ________________________________________________________________________________________________ 28 1.6.8. Algoritmos utilizados ________________________________________________________________________________________________________ 32 1.6.9. Influencia de las perturbaciones e incertidumbres__________________________________________________________________________________ 34 1.6.10. Coherencia _______________________________________________________________________________________________________________ 34 1.6.11. Análisis de Costos _________________________________________________________________________________________________________ 34

1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto ______________________________________________________________________________________ 35 1.8. El Control como Rama de la Ingeniería _____________________________________________________________________________ 39


1.1. La Asignatura Nombre: 76.56 Instrumentación y Control de Plantas Químicas Créditos: 10 (10 horas semanales) Docentes: Aníbal Zanini e-mail: [email protected] Matías Segal Manuel Remer Nicolás Galanternik Sergio Hanela Horarios: Teoría: Viernes de 18 a 22 hs Práctica: Lunes de 18 a 22 hs


Metodología: Teórico práctico con prácticos en computadora y planta Modalidad: La materia se evalúa mediante:

- un parcial dividido en dos partes a mediado y fin del cuatrimestre - un trabajo práctico de simulación - un coloquio integrador final

- El parcial y el trabajo práctico no tienen nota sino que estarán aprobados o des-

aprobados. - Cada parte del parcial tendrá un recuperatorio. - Existe un último recuperatorio, que se puede utilizar para aprobar una de las partes

del parcial - La nota final será la del coloquio integrador. - Para estar apto para el coloquio se deben tener aprobada las dos partes del parcial

y el Trabajo Práctico. - La fecha límite de entrega del Trabajo Práctico es una semana antes del último re-

cuperatorio. - Se deberá tener un 80% asistencia a las clases prácticas


Página: http://materias.fi.uba.ar/7609/ Bibliografía básica:

- Chemical Process Control - Stephanopoulos,G.Prentice-Hall,1988 - Control Automático de Procesos - Smith-Corripio, Limusa,1991 - Control System Design. Goodwin, G. C., Salgado M.E., y Graebe S. F.. Prentice

Hall, 2001. - Ingeniería de Control Moderna - Ogata, K., Prentice-Hall. 2002 - Process Control - Harriot, P., McGraw-Hill. - Teoría de Control para Procesos Industriales – Zanini, A. AADECA - 2006 - Apuntes de Clase – ver página web de la materia.


1.2. Objetivos del Control

u

r

G

y

sd

ed

Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando

una señal de entrada (u). Se debe cumplir esto independiente de

- ed perturbaciones de entrada

- sd perturbaciones de salida

- G imprecisión en el conocimiento de la planta (G G )


e sy G u d d [1.1]

Ejemplo: "mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fric-ción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medición poco precisa y que no se conoce exactamente las características de la bomba"


e sy G u d d [1.3]

y s G s

r s 1G s

u s

y s G s

r s K s

u s e s ed s sd s


1.3. Idea de Control Bases de nuestro curso:

Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar Estudio de técnicas para el control, especialmente dinámico.

Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática: Sistemas diseñados por el ser humano: “La Tecnología Oculta” control de velocidad, posición, nivel, temperatura En seres vivos control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de pupilas. Control con realimentación: caso especial. ejemplo heladera o caldera


Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas humanas Hoy es usado para: - aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad - mejor rendimiento - menor desperdicio y reprocesado de productos - menos contaminación - mayor margen de seguridad - menor consumo de energía Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy importante.


1.4. Características del Control

- Control con Realimentación Se usa para:

- Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado ce-ro

- Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta espe-cificación. Muy común en sistemas mecánicos

- Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u otro tipo de cambios. Común en control de procesos.

- Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso. - El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de con-

trol - Utilizar la lógica para analizar los problemas - Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos - La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H ) es de relevancia secun-

daria.


- Estabilidad un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio

- Estabilidad marginal el sistema tiene una oscilación sostenida

- Inestabilidad - el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente

- El control puede - estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable - desestabilizar un sistema estable - mejorar la velocidad de respuesta - reducir el efecto de las perturbaciones - reducir el efecto de las incertidumbres


1.5. Historia

- Control de nivel

Sensor y actuador coinciden


- Control de Temperatura (1620)


- Control de Velocidad de Rotación (1788)

se utilizan como sensor de velocidad - varían la salida de vapor


La industria moderna cuenta con sofisticados sistemas de control que son crucia-les en su operación.

Planta de Reducción Directa


La Ingeniería de Control ha tenido, y tiene, un fuerte impacto social.


- Teoría J.C. Maxwell – 1868 – On Governors – ecuaciones diferenciales, linealización, es-

tabilidad, ecuación característica. E. J. Routh – 1877 – gana premio Adams con su criterio de estabilidad. A. M. Lyapunov – 1892 – estabilidad (recién se utilizó en control a partir de 1958) H. Nyquist – estabilidad en frecuencia H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados – análisis frecuencial – impacto de las comunicaciones Callender (1936) PID para procesos industriales Wiener (1930) procesos estocásticos Kalman y Bellman 1950 – optimización y filtrado Pontryagin – variables de estados (edo) control óptimo Moscu – 1960 – nace IFAC AADECA – Argentina – 1960 - miembro fundador de IFAC


1.6. Los Componentes del Sistema de Control Automatización Típica

- nivel proceso


Nivel Planta


PDY1305

TY1928

TIC1928

TT1928A

TT1928B

HS1928

PSL/L1322A

FS 1320B

FS 1320A

100561

PCV1322B

PSL/L1322B

100563

PSH/H1322

100562

FT1322

PCV1322A

SV1322A

SV1322B

SV1322C

FT1924B

PCV1323

SV1323A

SV1323B

SV1323C

PSH/H1323

100403

PSL/L1323B

100404

FY1924

HIC1924B

FS1309

Temp.Techo

TY1903

TT2308/1

TIC2308/A1

TY2308A

TY2308B

TT2308/11

TT2308/29

TT2308/2

<

TT2308/30

TT2308/12

<TV2308B

TV2308A

HV2309

HV1309A

PY1918

PIC1918

PT1918

FT1923B

PV1918

Top GasScrubberFS-1303

HV1307

FV1921B

AV1912

FT1921A

FIC1921B

FT1921B

FY1921B

FFY1921

FT1312A

FIC1921A

AY1912

AIC1912

HS1912

HIC1307

FS1304-2

FS1305

FS1304-1

PDT1304/1

PDT1304/2

PT1304/1

TT1304/1

PT1304/2

TE1304/2

ByPass

ByPass

PDT1305

PT1305

TT1305

ByPass

ByPass

Si lencer1304-2

Silencer1304-1

Silencer1305

FV1919A

FY1921

PT1919

SVxxxx

SVxxxx

ReformedGas Cooler

FS-1315

HY1914A

HV1914A

TY1914B

TV1914B

TT1914B

TT1914A

HIC1914A

TIC1914B

FT1939

HV1938

FY1938

HIC1938

AV1937

AY1937

AIC1937

HS1937

AT1912A[CO2]

CoolingZone

ScrubberFS-1314

FS1313

Silencer1313 Cooling

Zone Mist.E lim inatorFS 1327

PDT1313

PT1313

TT1313

FV1914C

FY1914C

FIC1914C

FT1914C

TIC2308/A2

TIC2308/B1

TIC2308/B2

PDY1304

PDIC1304/1

PDIC1304/2

Auxi liary Burners

Main Bur ner s

AT1912C[CO2]

AT1937A[CH4 ]

AT1937B[CH4 ]

FV1933

FY1933

ZS1933

TE1949

FT1933

AT1979[CO]

FIC1933

FIC1978

FY1978

FV1978

FT1978

Gas Reformado

Gas Reductor

AT1988[H2]

AT1913B[CH4]

AT1913A[CH4]

Gas de Tope

Gas de TopeCombustible

Gas deProceso

Gas Mezcla

AT1902

PT1980A

AT2332-1

[O2]

AT2335-1[CO]

AT2335-3[CO]

AT2332-2

[O2]

AT2335-2[CO]

AT2332-4

[O2]

AT2335-4[CO]

AT2332-5

[O2 ]

AT2335-5

[CO]

P & I ProcesoReduccion Directa

PV2333

FS1333

PY2333

PT2333A

PT2333B

PIC2333

FT2003

TE2003

FIC2003

PT2003

FY2003

SV2003

N2

O2

FIC1979

FY1979

FV1979

FT1979

PT1915B

PT1980F

PT1915A

TT1917/7C

TT1917/7B

TT1917/7A

TT1948C

FT1921C

FT1302

SV1302B

SV1302A

SV1302C

TE1302

PT1302

CH4

PC 1918PDC 1304-1PDC 1304-2

PC 1919FC 1921A

AC 1912HC 1307

FC 1921B

Gas de Proceso

TC 1914BHC 1914AC 1937FC 1938FC 2003

Gas Reformado

FC 1914C

FC 1933

GasEnfriamiento

FC 1978

Gas Natural aHorno Reductor

FC 1979TC 1903

Reformador

FC 1924TC 2308-A1

Recuperador

TC 2308-A2FC 1934FC 1309TC 1928PC 2333

TC 2308-B1TC 2308-B2

Auxiliary Blowers

Main Blower

Aire de Di lucion

Air e y GasNatural a Gas

de Sello

Aire SecadorGas de Sel lo

Gas de Sello

[CO2]

300223300183

300335

300336 300092

300225

300226 3xxxxx

300109

300106 300093

300222300245

300270

300202

300262

300403

300242 300263

A1

G1

H1 Humos aGas de Sel lo

FT1915

HY1915

HV1915

HIC1915

ZT1915

FV1914D

FY1914D

FIC1914D

FT1914D

TC 1915

FC 1914D

Plano: 01 PI 1001Automático

Manual

TV1928

Variable de control

Control en PLC

TV1924A

HV1924B

FIC1934

FY1934

HIC2309

FV1934

HS1925

FIC1309

FY1309

HV1919

HIC1919

r elacionador1:8

FY1919

300256

METANO A GASREFORMADO300257

Adición CH4a zona de

enfriamiento

300390

Adición CH4a zona detransición

300255

300013

300014

temphumos

temphumos

HV1928

300290 300291

tempaire

r ecuper

tempaire

recuper

300015

300016

400003

300198 300199

Reciclo FS-1313(Gas Enfriamiento)

Gas de Enfriamientoa Gas Reformado Frío

Gas Enfriamiento aGas de Proceso

Caudal deOxígeno

VenteoGas de TopeCombustible

Control Presión Sistema

Presión DiferencialCompresoresPrimera Etapa

Presión DiferencialCompresor

Segunda Etapa

CaudalGas de Proceso

(Fino)

CaudalGas de Proceso

(Grueso)

Caudal Gas Naturala Proceso (Grueso)

CO2 en GasReformado

(Caudal CH4)

Presión HornoReformador

CaudalAire

Dilución A

CaudalAire

Dilución B

TemperaturaGas Reductor

TemperaturaCombustión

Auxiliar

TemperaturaCombustion

Principal

300009

300010

CaudalGas deProceso

Caudal CH4 a Quemadores

Principales

Damper 1309

BloqueoAire

Dilución

Caudal Aire a Combustión

Principal

300153

300376

300258

300145 300151

300021

300152

AT2332-3

[O2 ]

300020

300019

400001

400002

Caudal Controlde TemperaturaGas Reductor

Adición de Metano aGas Reductor(Grueso)

Adición de Metano aGas Reductor(Vernier)

FV2003

PDV1304

PDV1305

HV1305

HV1304

SV2003A

SV2004

SV2003B

SV2003C

PT1323A

PTXXXX

ZSO1932A2

ZSO1932A1

ZSC1322C

10/1

ZS1309A

FT1322A

HV2307

000244 000244

000249

TIC1924A

FT1934

PT1323A

300204

FIC2003


El éxito en la ingeniería de control está en la visión multidisciplinaria (holística) del problema. Algunos elementos que intervienen son los siguientes:

- El proceso a controlar - Los objetivos buscados - Los sensores disponibles o a utilizar para acceder a las variables a medir - Los actuadores - Las comunicaciones - El cómputo - La arquitectura y las interfaces - Algoritmos utilizados y modelos - La influencia de las perturbaciones e incertidumbres


1.6.1. El Proceso Proceso: grupo de elementos interactuantes que le dan al conjunto (o sistema) de-

terminadas cualidades dinámicas o temporales. Proceso y sistema: proceso es un sistema, pero en el que sus elementos pueden

ser solo materia, energía o información. El proceso cambia de instante a instante pasando de un estado a otro. Variables de salida: variables que reflejan el estado de un proceso (accesibles). Variables de control: elementos que afectan el comportamiento o estado del pro-

ceso y pueden ser comandadas por nosotros Perturbaciones: elementos que afectan el comportamiento o estado del proceso y

no pueden ser comandadas por nosotros La disposición y las funciones de cada elementos de un proceso (layout) es una

parte fundamental del problema de control. El ingeniero de control debe tener una relación familiar con la física del proceso

en estudio. Esto incluye un conocimiento básico de los balances de masa y energía y los flujos

de materiales o energía en el sistema.


1.6.2. Objetivos Antes de especificar sensores y actuadores, o de diseñar estrategias de control es

necesario definir cuál es el objetivo a alcanzar con el proyecto de control. Esto incluye: - Qué se quiere alcanzar (reducción de energía, aumento del rendimiento, etc). - Qué variables se necesitan controlar para lograr esos objetivos - Qué comportamiento se necesita (precisión, velocidad, etc)


1.6.3. Sensores Los sensores son los ojos del control. Permiten ver qué está pasando. Común-

mente se dice: - Si lo puedes medir, lo puedes controlar o, - No se puede controlar lo que no se puede medir


1.6.4. Los actuadores Una vez definidos los sensores que reportarán el estado del proceso, el paso si-

guiente es definir la forma en que afectaremos o actuaremos sobre el sistema. Los actuadores son los elementos que moverán el proceso del estado actual hacia

el estado deseado. Un problema típico de control industrial involucra una serie muy variada de actua-

dores


1.6.5. Comunicaciones La interconexión de los sensores, actuadores y el resto de elementos, involucra

un sistema de comunicaciones. Una planta industrial puede tener miles de señales que se envían a grandes dis-

tancias. El diseño del sistema de comunicación y sus protocolos asociados toman una re-

levante importancia en la ingeniería de control moderna.


1.6.6. El cómputo En un sistema de control moderno, la conexión entre sensores y actuadores se

hace a través de un elemento de cálculo digital. Este elemento digital o computador es parte del diseño global. Los sistemas de control actuales utilizan una gran variedad de elementos digitales,

incluyendo DCSs (distributed control systems), PLCs (programmable logia controllers), PCs (personal computers), PECs (power electronic controllers), etc.


1.6.7. La arquitectura y las interfaces El problema de conectar qué cosa con qué otra no es algo trivial en el diseño del

sistema de control. Uno está tentado a pensar que la mejor solución es llevar todas las señales a un

punto central. En ese caso cada acción de control estará basada en la máxima infor-mación (esto es lo que se llama control centralizado).

Rara vez, esta es la mejor solución en la práctica. Hay muchas buenas razones por las que no sería conveniente llevar todas las se-

ñales a un único punto. Estas razones incluyen costo, complejidad, tiempo de cómpu-to, confiabilidad, etc.


- Control Jerárquico Típico


Nivel Descripción Objetivo Frecuencia de muestreo Herramienta de diseño

4 Optimización de toda la planta

Conjugar órdenes de compras con programa-ción de la producción

Una vez al día Optimización estática

3 Optimización del estado estacionario en una uni-dad operativa

Operación eficiente de una unidad individual (por ejemplo línea de CND)

Cada hora Optimización estática

2 Control dinámico en una unidad operativa

Lograr los presets o valo-res de referencia impues-tos por el nivel 3 lo más rápido posible e indepen-diente de las condiciones operativas

Cada minuto Control multivariable, por ejemplo control predictivo basado en modelos

1 Control dinámico de los actuadotes

Alcanzar los caudales o temperaturas especifica-das en el nivel 2 manipu-lando válvulas, motores, etc.

Cada segundo Control individual por va-riable, por ejemplo PID


1.6.8. Algoritmos utilizados Finalmente, llegamos al corazón de la ingeniería de control: los algoritmos que co-

nectan los sensores con los actuadores. Es fácil de subestimar este aspecto del problema. Un ejemplo es el juego de tenis al máximo nivel internacional. Se necesita buena

vista (los sensores), músculos fuertes (actuadores), pero esto no es suficiente. La co-ordinación ojo-brazo (esto es el control) es crucial también para el éxito.

- Mejores sensores, dan una mejor visión - Mejores actuadores, dan mejores músculos - Mejor control, da una mayor destreza y combinación más inteligente de los sensores

y los actuadores.


La industria tiene músculos y ojos El control brinda la destreza para manejar esos músculos


1.6.9. Influencia de las perturbaciones e incertidumbres La ciencia del control se hace interesante porque los procesos reales están per-

turbados por fenómenos no contemplados o no controlados. Estos factores pueden tener una influencia muy importante en el comportamiento

del sistema. Ejemplos: la variación de la carga en un horno de TT o las olas del baño en un

EAF.

1.6.10. Coherencia La bondad del sistema de control en su conjunto, está dada por la calidad del es-

labón más débil. Al diseñar un sistema de control se debe pensar en que todos los elementos, plan-

ta, sensores, actuadotes, comunicaciones, interfaces, algoritmos, sean de una preci-sión y calidad comparable.

1.6.11. Análisis de Costos Debemos tener presente que todo proyecto de automatización y control, como to-

do otro proyecto, debe estar justificado económicamente. Esto requiere un análisis de costo-beneficio


1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto

- Lazo Abierto

más estable adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano necesita menos potencia más económico


- Lazo Cerrado


Usa realimentación menos sensible a perturbaciones tendencia a sobre corregir errores y a inestabilizar el sistema


1.8. El Control como Rama de la Ingeniería

- No es fácil controlar un proceso - La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada - Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento Un control de alto rendimiento es caro y requiere: - conocimiento acabado del proceso - conocimiento de su dinámica - comprensión de la teoría de control - buenos sensores - computadoras rápidas Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más so-fisticado


- ¿Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control? Hardware (no es un problema)

- comunicaciones rápidas - velocidad de procesamiento - flexibilidad - software amigable Sensores y Actuadores ( sí es un problema)

- muchas veces no se comprende lo importante que es esto - a veces no existen sensores - o son muy lentos

Tiempo (si) - se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema - diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado


Cultura (si) - Nivel gerencial

o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría)

- Gente de Proceso y Control o el control no es fácil o se debe pensar más allá del pensamiento actual o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar

- Operadores o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados

- Docentes o ir más a la práctica o unir la teoría sofisticada con la aplicación


El ingeniero de control está pasando de diseñar controladores

a diseñar procesos


Beneficios del Control - Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel

o gasto en educación básica de control o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos

- Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento. o regulación compleja o supervisión o optimización

- Recordar: hay que cuantificar los beneficios!! - Cálculo de la tasa de retorno. Deseable: < a un año


- ¿Cómo abordar un problema de control complejo? - Conformar un equipo de trabajo

o multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores, gerentes.

- - Definir la situación actual: o ¿qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? ¿cómo lo medi-

mos? - Listar las mejoras a introducir

o ¿cuál es la mínima mejora aceptable? - Cuantificar los beneficios

o ponerlos en cifras $$ o calcular la tasa de retorno

- Elegir un método de diseño y solución acorde o hay muchos para elegir o el método en sí no influye en el costo pero puede traer dolores de cabeza

- Implementación


o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables)

- Verificación de resultados o importante para futuros proyectos o escribir todo o hacerlo circular entre gerentes y supervisores


La industria tiene músculos

El control brinda la destreza para manejar esos músculos

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