CONTROL E INSTRUMENTACIN DE PROCESOS QUMICOS

Prof. Alejandro Fernndez ArteagaDpto. de Ingeniera Qumica

Tutoras Despacho n 20 en el Dpto. de Ingenieria de

Qumica. Planta segunda, penltima puerta de la izqda. Facultad de Ciencias

Lunes, Martes y Mircoles 15.30-17.30

Correo electronico: jandro@ugr.es

Control e Instrumentacin de Procesos Qumicos

Bloque I. Instrumentacin Bloque II. Control Bloque III. Prcticas

Sesiones

Diciembre 2013: 2, 3, 10, 16, 17Enero 2014: 13, 14, 20

EXAMEN CONTROL: 21 Enero 2014?

Objetivos CeIPQ

1. El alumno sabr y comprender los fundamentos de los sistemas automticos de control y los dispositivos utilizados.

2. El alumno ser capaz de plantear, disear y especificar correctamente estrategias para un sistema automtico de control en su totalidad.

Objetivos del bloque de CONTROL de PROCESOS

Con este bloque se pretende que el alumno:9 Adquiera unos conocimientos bsicos y una metodologa

de trabajo en Anlisis de la Dinmica de Procesos Regulacin/Control Automtica de los procesosque le permitan entender el funcionamiento modelar analizar y disear sistemas de control automtico de la industria de procesos.

Habilidades que debe adquirir el alumno

9Desarrollo de modelos matemticos de procesos dinmicos. 9Obtener la dinmica del proceso con datos de respuesta en salto. 9Familiarizarse con los diagramas de bloques y procesos y con losdiagramas de instrumentacin. 9Analizar la estabilidad del proceso y su respuesta dinmica. 9Familiarizarse con los controladores PID y CLP.9Diseo de estructuras de control para un proceso (control feedforward, control en cascada, etc.)9Conocimiento de la interaccin en los procesos multivariables.9Familiarizarse con la tecnologa del control de procesos.

Implicaciones del CeIPQ en el Proyecto Fin de carrera

z Definir los lazos de control ms importante del proceso.z Establecer las variables medidas y las variables a controlar.z Definir detalladamente la instrumentacin necesariaz Evaluar econmicamente el coste de la instrumentacin de

la planta y del sistema de control adoptado (Captulo propio del presupuesto)

z Aplicar la simbologa ISA en los planos de instrumentacin y control o en el P&ID.

Ejemplo

Bibliografa de Control- Control e Instrumentacin de procesos qumicos, Ollero, Fdez.-Camacho, Edt. Sintesis, 1997 - Ingenieria de control moderna, Ogata, Edt. Prentice Hall Inter. 4 edc, 2003 - Process Dynamics, Modeling and Control, B.A. Ogunnaike, W.H. Ray, Oxford Univ. Press, 1994 - Principles and practice of Automatic process control ,Smith,Corripio, Edt. John Wiley, 2006 - Essentials of process control,W.L. Luyben, M.L. Luyben, Edt. Mc Graw-Hill, 1997 - Process modeling, simulation and control for chemical eng., Luyben, Edt. McGraw Hill, 1990- Process Dynamics, Modelling, Analysis and simulation, B. Wayne Bequette, Edt. Prentice Hall, 1998 - Automatic Tunning of PID Regulators, Astrom, Hagglund, Edt. ISA, 1995 - Tuning of industrial control systems, A. B. Corripio., Edt. ISA, 1990 - Manual de instrumentacin y control de Procesos, Edt. Alcin, 1998 - Control Avanzado de Procesos, Jos Acedo Sanchez, Edt. Diaz de Santos 2002- Control systems Engineering, N.S. Nise, 2 edic. Addison Wesley, 1995- Process Dynamics and Control, D.E. Seborg, T.F. Edgar, D.A. Mellichamp, J. Willey, 1989 - The Condensed Handbook of Measurement and Control, N.E. Battikh, Edt. ISA, 2nd Edition, 2003

Qu relacin existe entre el Control y la Instrumentacin de los procesosqumicos industriales?

No hay buen control sin buena instrumentacin

La accin de control necesita basarseen medidas precisas y fiables de lasvariables del proceso.

TEMARIO DEL BLOQUE DE CONTROL1 INTRODUCCIN AL CONTROL DE PROCESOS QUMICOS2 LA MODELIZACIN DE LOS PROCESOS QUMICOS.

3 LINEALIZACIN DE SISTEMAS NO LINEALES.

4 MODELOS LINEALIZADOS EXPRESADOS EN TRMINOS DE VARIABLES DE DESVIACIN.

5 FUNCIONES DE TRANSFERENCIA Y DIAGRAMAS DE BLOQUES EN TRMINOS DE VARIABLES DE DESVIACIN.

6 GRADOS DE LIBERTAD Y NMERO DE LAZOS DE CONTROL

7 CONTROL MULTIVARIABLE (INTRODUCCIN)

8 DISEO DE SISTEMAS DE CONTROL PARA DISTINTOS ELEMENTOS

9 DISEO DE SISTEMAS DE CONTROL PARA UNA PLANTA QUMICA COMPLETA

10 EL CONTROL DIGITAL. CONTROLADOR LGICO PROGRAMABLE: PLC.

11 SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

12 CONTROL ADAPTATIVO y CONTROL POR LGICA DIFUSA.

DEFINICIONES, HISTORIA Y CONCEPTOS PRELIMINARES.

Tareas de un Ingeniero Qumico

LC

LT

FT FC

Vapor

PT PC

LT LC

DFC FT

Alimentacin F

V

B

R

TT

TC

TT

TC

Refrigerante

FC

FT

LC

LT

FT FC

Vapor

PT PC

LT LC

DFC FT

Alimentacin F

V

B

R

TT

TC

TT

TC

Refrigerante

FC

FT

Diseo

Operacin Control automticoCmo queremos que funcione

Cmo debe de funcionar

Hacer que funcione automticamente de la forma deseada

Estado estacionario Estado no estacionario

Metodologa del Ingeniero de Procesos/del Ingeniero Qumico Analizar la realidad Formular los problemas en trminos

matemticos Resolver los problemas con las

herramientas de clculo Interpretar las soluciones en trminos

fsicos y/o qumicos Aplicar las soluciones

Control de procesos: tamao de la planta

A veces hay especializacin

LC

LT

FC

PT PC

FC

F

V

R

TT

TC

TT

TC

FC

FT

El control del proceso se suele llevar a cabodesde salas de control usando sistemas de control distribuido localmente

Control de procesos: tamao de la planta

CONCEPTOS INICIALESAutomtico, ca.1. adj. Perteneciente o relativo al autmata.2. adj. Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por s

solo.3. adj. Que sigue a determinadas circunstancias de un modo inmediato y la mayora de las

veces indefectible. Despus de su mala gestin, el cese fue automtico4. adj. Maquinal o indeliberado.5. m. Especie de corchete que se cierra sujetando el macho con los dientes de la hembra, que

actan como un resorte.6. f. Ciencia que trata de sustituir en un proceso el operador humano por

dispositivos mecnicos o electrnicos.

Automatizar.1. tr. Convertir ciertos movimientos corporales en movimientos automticos o indeliberados.2. tr. Aplicar la automtica a un proceso, a un dispositivo, etc.

Automatismo; (Del griego ).1. m. Desarrollo de un proceso o funcionamiento de un mecanismo por s

solo.2. m. Cualidad de lo que es automtico.3. m. Psicol. Ejecucin mecnica de actos sin participacin de la conciencia.

CONCEPTOS INICIALESAutomatizacinSistema de fabricacin diseado con el fin de usar la capacidad de las mquinas para llevar a

cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervencin humana.

El trmino automatizacin tambin se ha utilizado para describir sistemas no destinados a la fabricacin en los que dispositivos programados o automticos pueden funcionar de forma independiente o semiindependiente del control humano.

En comunicaciones, aviacin y astronutica, dispositivos como los equipos automticos de conmutacin telefnica, los pilotos automticos y los sistemas automatizados de gua y control se utilizan para efectuar diversas tareas con ms rapidez o mejor de lo que podra hacerlo un ser humano.

Elementos de la automatizacinLa fabricacin automatizada surgi de la ntima relacin entre fuerzas econmicas e

innovaciones tcnicas como la divisin del trabajo, la transferencia de energa y la mecanizacin de las fbricas, y el desarrollo de las mquinas de transferencia y sistemas de realimentacin.

La divisin del trabajo (esto es, la reduccin de un proceso de fabricacin o de prestacin de servicios a sus fases independientes ms pequeas) se desarroll en la segunda mitad del siglo XVIII. En la fabricacin, la divisin del trabajo permiti incrementar la produccin y reducir el nivel de especializacin de los obreros.

CONCEPTOS INICIALESLa mecanizacin fue la siguiente etapa necesaria para la evolucin hacia la automatizacin.

La simplificacin del trabajo permitida por la divisin del trabajo tambin posibilit el diseo y construccin de mquinas que reproducan los movimientos del trabajador.

A medida que evolucion la tecnologa de transferencia de energa, estas mquinas especializadas se motorizaron, aumentando as su eficacia productiva. El desarrollo de la tecnologa energtica tambin dio lugar al surgimiento del sistema fabril de produccin, ya que todos los trabajadores y mquinas deban estar situados junto a la fuente de energa.

La mquina de transferencia es un dispositivo utilizado para mover la pieza que se esttrabajando desde una mquina herramienta especializada hasta otra, colocndola de forma adecuada para la siguiente operacin de maquinado. Los robots industriales, diseados en un principio para realizar tareas sencillas en entornos peligrosos para los trabajadores, son hoy extremadamente hbiles y se utilizan para trasladar, manipular y situar piezas ligeras y pesadas, realizando as todas las funciones de una mquina de transferencia. En realidad, se trata de varias mquinas separadas que estn integradas en lo que a simple vista podra considerarse una sola.

En la dcada de 1920 la industria del automvil combin estos conceptos en un sistema de produccin integrado. El objetivo de este sistema de lnea de montaje era abaratar los precios. A pesar de los avances ms recientes, ste es el sistema de produccin con el que la mayora de la gente asocia el trmino automatizacin.

CONCEPTOS INICIALESREALIMENTACINUn elemento esencial de todos los mecanismos de control automtico es el principio de

realimentacin, que permite al diseador dotar a una mquina de capacidad de autocorreccin. Un ciclo o bucle de realimentacin es un dispositivo mecnico, neumtico o electrnico que detecta una magnitud fsica (una temperatura, un tamao o una velocidad) la compara con una norma preestablecida, y realiza aquella accin preprogramada necesaria para mantener la cantidad medida dentro de los lmites de la norma aceptable.

El principio de realimentacin se utiliza desde hace siglos. Un notable ejemplo es el regulador de bolas inventado en 1788 por Watt para controlar la velocidad de la mquina de vapor.

En la fabricacin y produccin, los ciclos de realimentacin requieren la determinacin de lmites aceptables para que el proceso pueda efectuarse; que estas caractersticas fsicas sean medidas y comparadas con el conjunto de lmites, y que el sistema de realimentacin sea capaz de corregir el proceso para que los elementos medidos cumplan la norma. Mediante los dispositivos de realimentacin las mquinas pueden ponerse en marcha, pararse, acelerar, disminuir su velocidad, contar, inspeccionar, comprobar, comparar y medir. Estas operaciones suelen aplicarse a una amplia variedad de operaciones de produccin.

La aparicin del ordenador o computadora ha facilitado enormemente el uso de ciclos de realimentacin en los procesos de fabricacin. En combinacin, las computadoras y los ciclos de realimentacin han permitido el desarrollo de estrategias de control muy precisas.

CONCEPTOS INICIALESSERVOMECANISMO (sistema de control)En ingeniera, dispositivo o conjunto de ellos que permite la automatizacin del control de

un mecanismo. Los servomecanismos pueden ser mecnicos, elctricos, hidrulicos y pticos. Su caracterstica principal es que se activa por la llamada seal de error, que viene determinada por la diferencia entre la seal establecida como salida para una determinada seal de entrada y la seal de salida real. Esta seal de error se enva a la entrada para compensar ese error, de forma que el mecanismo se autorregula.

La direccin de los automviles es un ejemplo de servomecanismo. La orientacin de las ruedas delanteras se controla mediante el giro del volante. Cuando soltamos el volante, un servomecanismo, que en este caso es un sistema hidrulico y mecnico, obliga a las ruedas a volver a la posicin normal.

Otro ejemplo de servomecanismo es el control automtico que efecta un termostato del calor generado por un radiador domstico.

Otros ejemplos son los pilotos automticos utilizados en barcos, aviones y naves espaciales, en los que el movimiento del vehculo est regido por las instrucciones de la brjula. En las naves espaciales no tripuladas los servomecanismos se encargan de orientar las cmaras, las antenas de radio y los paneles solares. En este caso la seal de entrada es la que proporcionan los sensores, que captan la situacin del Sol y las estrellas, y la seal de salida es la que se aplica a unos pequeos motores a reaccin que giran y orientan la nave.

CONCEPTOS INICIALESPECULIARIDADES DEL CONTROL DE PROCESOS QUPECULIARIDADES DEL CONTROL DE PROCESOS QUMICOSMICOSNo todas las industrias requieren el mismo grado de automatizacin. Parte de la

agricultura, ganadera y algunos sectores de servicios son difciles de automatizar.

Sin embargo otras industrias NECESITAN LA AUTOMATIZACIN. En una refinera, el petrleo crudo entra por un punto y fluye por los conductos a travs de dispositivos de destilacin y reaccin, a medida que va siendo procesado para obtener productos como la gasolina y el fuel-oil. Un conjunto de dispositivos controlados automticamente, dirigidos por microprocesadores y controlados por unacomputadora central, controla las vlvulas, calderas y dems equipos, regulando as el flujo y las velocidades de reaccin, haciendo posible trabajar en continuo.

La industria qumica se caracteriza por tener tiempos de retraso mucho mayores (segundos, minutos) que otro tipo de procesos como los electrnicos (micro, nanosegundos).

Por ejemplo en un tanque de regulacin, una modificacin del caudal de entrada tarda un determinado tiempo en manifestarse en el caudal de salida o en el nivel.

CONCEPTOS INICIALESPECULIARIDADES DEL CONTROL DE PROCESOS QUMICOS

UN POCO DE HISTORIA SOBRE LOS AUTOMATISMOS Y EL CONTROL DE PROCESOS.

Un poco de historiaLa aplicacin del principio de realimentacin tiene sus comienzos en mquinas e instrumentos muy sencillos, algunos de los cuales se remontan a 2000 aos atrs.

El aparato ms primitivo que emplea el principio de control por realimentacin fue desarrollado por un griego llamado Ktsibios aproximadamente 300 aos A.C. Se trataba de un reloj de agua el cual meda el pasaje del tiempo por medio de una pequeo chorro de agua que flua a velocidad constante dentro de un recipiente. El mismo posea un flotante que suba a medida que el tiempo transcurra.Ktsibios resolvi el problema del mantenimiento del caudal constante de agua inventando un aparato semejante al usado en los carburadores de los motores modernos. Entre el suministro de agua y el tanque colector haba una regulacin de caudal de agua por medio de una vlvula flotante que mantena el nivel constante. Si el nivel se elevaba (como resultado de un incremento en la presin de suministro por ejemplo), el flotante se elevaba restringiendo el caudal de agua en el recipiente regulador hasta que el flotante volva al nivel especfico.

Un poco de historia (II)

En el siglo IX el regulador de nivel a flotante es reinventado en Arabia . En este caso se usaba para mantener el nivel constante en los bebederos de agua.

En el siglo XVI, en Inglaterra se usaba el principio de realimentacin para mantener automticamente las paletas de los molinos de viento en una posicin normal a la direccin del viento.

En el siglo XVII , en Inglaterra se inventaba el termostato que se aplicaba para mantener la temperatura constante de una incubadora.

Un poco de historia (III)

En primer uso del control automtico en la industria parece haber sido el regulador centrfugo de la mquina de vapor de Watt en el ao 1775 aproximadamente. Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la mquina manipulando el caudal de vapor por medio de una vlvula. Por lo tanto, estn presentes todos los elementos de realimentacin.

An cuando el principio de control por realimentacin desde muchos aos en la antigedad, su estudio terico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnologa y la ciencia.

REGULADOR DE VELOCIDADREGULADOR DE VELOCIDAD DE WATT

RMvFc

2

=

Un poco de historia (IV)El primer anlisis de control automtico es la explicacin matemtica del regulador centrregulador centrfugofugo por James Clerk Maxwell en 1868 .

Ms tarde la tcnica del regulador se adjudic a otras mquinas y turbinas y a principio del siglo XX comenz la aplicacin de reguladores y servomecanismos en reguladores de energa trmica al gobierno de gobierno de buquesbuques. La primera teorprimera teora general sobre control automa general sobre control automticotico, pertenece a NyquistNyquist en el famoso artculo Teora de la regeneracin. Este estudio sent las bases para la determinacin de la estabilidad de sistemas sin necesidad de resolver totalmente las ecuaciones diferenciales.

Otros desarrollos en servomecanismos y amplificadores elctricos dieron origen a muchas ttcnicas de frecuencia y lugar geomcnicas de frecuencia y lugar geomtricotrico que se usan hoy en da. Las aplicaciones generales al control de procesos no comenzaron hasta 1930. Las tcnicas de control se consagraron rpidamente, tal es asque ya en 1940 funcionaban redes de control relativamente complejas.

En casi todas la fases de procesos industriales se utilizan aparatos de control automtico.

Un poco de historia (V)

Neumtica Analgica Electrnica Digital / ptica

WIRELESS

Control de procesos

LAZO DE CONTROL

Qu es un lazo de control?...

Operacin manual de un proceso

ObservarCompararDecidirActuar

Operacin de un proceso

Proceso

MedirActuar

Respuesta dinmica

Operacin manual o en lazo abierto

Cambios RespuestasCompararDecidir

OperaciOperacin automn automtica tica

ProcesoMedirActuar

Cambios Respuestas

Regulador

Valores Deseados

Operacin automtica en lazo cerrado

Sustituye al operador humano

Realimentacin

Operacin Automtica

LT LC

MedirCompararDecidirActuar

Componentes

Proceso

Variablesa controlar

Regulador

Valores Deseados

Actuador

Transmisor

Valores medidos

Variables para actuar

NOS CONCENTRAREMOS EN LOS REGULADORES Y EN EL FUNCIONAMIENTO DEL CONJUNTO DE LA PLANTA, INTERACCIN DE UNOS LAZOS CON OTROS Y DE UNAS VARIABLES CON OTRAS

Proceso dinmico

tiempo

Apertura de la vlvula

tiempo

Nivel lquido

Estado estacionario Estado no estacionario

LC

LT

FT FC

Vapor

PT PC

LT LC

DFC FT

Alimentacin F

V

B

R

TT

TC

TT

TC

Refrigerante

FC

FT

La operacin y el control de un proceso necesitan: 1) comprender sufuncionamiento dinmico2) mantener sus variables en los valores deseados a pesar de perturbaciones

Control de procesos

LAZO DE CONTROL

Seguro que sabemos (recordamos) qu es un lazo de control?...Vamos a pensar un poco

Control de procesos LAZO DE CONTROLIdentifquense todos los elementos que constituyen un sistema de control biolgico constituido por una persona que intenta coger un objeto. Represntese mediante un diagrama de bloques. Cul es el objetivo de control?

Se trata de un sistema de control por realimentacin que en el caso de que el objeto est quieto, no habr variacin de la carga (perturbacin).

El cerebro enva la seal procedente de los ojos hacia los msculos del brazo y de la mano donde se amplifica, sirviendo como impulsores del sistema. Los ojos miden continuamente la distancia que separa la posicin de la mano y realimentan dicha informacin al cerebro. En el instante que dicha distancia es cero (error cero), se detiene el movimiento del brazo y la mano coge el objeto.

Los componentes bsicos de este sistema de control son:Dispositivo de medida:Controlador:Elemento final de control:Variable de salida:Variable de entrada: Objetivo de control:

Los ojosEl cerebroLa manoposicin de la manoposicin del objeto Hacer 0 la distancia mano - objeto

DIAGRAMA DE VARIABLES QUE INTERVIENEN EN UN PROCESO QUMICO

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Sistemas de control y procesos qumicosObjetivos de control : Variables que se quieren mantener en un valor prefijado.

Variables primarias :Aquellas que representan los objetivos de control.

Variables secundarias :Aquellas relacionadas con las primarias mediante una funcin conocida.

DEFINICIN CUANTITATIVADEFINICIN CUALITATIVA

Variable primaria = f (Variable secundaria)

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Configuracin de controlConfiguracin de control:

sistema de control que se utiliza para conectar las medidas disponibles con las variables ajustadas disponibles.

S I S OTIPOS DE CONFIGURACIONES DE CONTROL :

MIMO

SINGLE INPUT SINGLE OUTPUT

MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Sistema de control por realimentacin.(FEEDBACK)

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Configuracin de control por realimentacin.

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Sistema de control anticipativo (FEEDFORWARD)

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Configuracin de control anticipativo

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Diagramas de bloques

Conceptos bsicos (TSAC-2)

DISPOSITIVODE MEDIDA

CARGA

PROCESOELEMENTO FINALDE CONTROLCONTROLADOR

VARIABLE

DE SALIDA

PUNTO DE CONSIGNA

ESQUEMA GENERAL DE UN LAZO DE CONTROL POR REALIMENTACIN CON UNA CARGA

COMPARADOR

Problema SERVO / REGULADOR

Otros conceptos importantes:

Conceptos bsicos (TSAC-2)

Definicin de Funcin de transferencia en el dominio de Laplace. Funciones de transferencia para elementos.

Transformada de diversas seales de entrada: Funcin rampa, Funcin escaln, Funcin pulso unidad, Funcin impulso unidad.

Funciones respuesta.Elementos:

i. Gananciaii. primer orden de retrasoiii. segundo orden de retrasoiv. primer orden de adelantov. segundo orden de adelantovi. Elemento integradorvii. Elemento diferenciadorviii. Tiempo muerto.

VISITA A PLANTA DE PRODUCCIN DE SANMIGUEL-

MAHOU EN MLAGA

SCADA

Supervisory Control And Data AcquisitionSupervisin, Control y Adquisin de Datos

SCADA

PLC (CLP)

PANEL EN CAMPO

TANQUES DE FERMENTACIN

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