TRABAJO PRÁCTICO Nº 6 Sistemas más elaborados de Control de Procesos

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1 TRABAJO PRÁCTICO Nº 6 Sistemas más elaborados de Control de Procesos OBJETIVOS: Comprender las características básicas de los sistemas de control univariados más elaborados que el lazo simple. Adquirir soltura en el empleo de software para análisis y síntesis de sistemas de control. PROBLEMA 6.1 Considere el reactor de lecho relleno alimentado por dos corrientes como se muestra en la figura. Una de las corrientes de alimentación debe ser precalentada para lograr una conversión adecuada. El objetivo del lazo simple de control es mantener exactamente la concentración de producto (A 3 ) a la salida del reactor, medida por AT-3. Pero esta estrategia resulta insuficiente para mantener la concentración dentro de las exigentes especificaciones ( %). FT-3 TT-3 T 3 F 3 FT-1 TT-1 AT-1 TT-4 T 4 Alimentación 1 Alimentación 2 F 1 T 1 A 1 ICQ PARA PRECALENTAMIENTO F 2 T 2 A 2 FT-2 TT-2 AT-2 REACTOR DE LECHO FIJO AC-3 AT-3 A 3 Página 1/10

2 (a) Confeccione un diagrama en bloques del lazo simple de control de composición. Haga un exhaustivo listado de perturbaciones y ubique a través de qué variable ingresan en el lazo de control. (b) Desarrolle una estrategia de Control en Cascada que empleando la temperatura de alimentación al reactor como variable intermedia, con el objeto que mejore el comportamiento del lazo de control. Construya los diagramas en bloques y P&I y especifique los instrumentos adicionales que requiere la estrategia. (c) Cómo espera que mejore la performance de control ante cambios en la temperatura T 1 de la alimentación 1 que ingresa al intercambiador de calor? (d) Es razonable suponer algún cambio en la respuesta del lazo en Cascada ante perturbaciones primarias, por ejemplo, cambios en la temperatura o composición de la alimentación de la corriente 2?, por qué? (e) Elija el tipo y acción de los controladores. Indique como sería el procedimiento de sintonización de los dos controladores. PROBLEMA 6.2 El sistema de control de la figura no tiene un buen comportamiento debido a frecuentes cambios en la temperatura del agua de recuperación T R que entra al segundo tanque. TIC T T F 0 T 0 F R T R T 1 T 2 T 3 VAPOR CONDENSADO Datos: El volumen de los tres tanques son iguales a 10 m 3. El caudal de entrada al primer tanque F= 10 m 3 /minutos, F R =5 m 3 /minutos. Calor latente de vaporización =500 Kcal/Kg T o =20, T R =50 C. Página 2/10

3 T 3 =80 C y el producto de densidad por calor específico en cada corriente igual a 1. Válvula lineal, caudal de vapor igual a 2000 Kg/min. Rango de transmisores C y C. La perturbación más importante es T R que se reitera a intevalos de aproximadamente 20 minutos. (a) Idee una estrategia de control en cascada que tenga en cuenta la perturbación más seria. Confeccione el diagrama P&I y de bloques. Indique los elementos adicionales que necesita y especifíquelos. (b) Haga la lista de todas las perturbaciones que afectaran al sistema. Indique cuáles entran al lazo primario y secundario en el esquema en cascada. (c) Sintonizar el controlador PI del lazo simple para respuestas temporales de la variable controlada con relación de atenuación 1:4 ante escalones de T R. (d) Sintonice el controlador secundario P para un margen de fase de 60 y el primario PI que asegure una relación de atenuación de ¼ ante escalones de T R. (e) Obtenga la respuesta temporal de la variable controlada cuando T 0 varía en forma de escalón unitario para las dos estrategias. (f) Repita el punto anterior pero considerando que T R varía como escalón unitario. (g) Superponga las cuatro respuestas obtenidas en una misma gráfica. Indicar la perturbación que actúa. PROBLEMA 6.3 Una fábrica que genera su propia energía eléctrica posee un colector de alta presión (valor nominal de trabajo: 20 bar) que es alimentado por dos calderas. De este colector se surten turbinas de contrapresión (que tienen su propio sistema de control de velocidad) tal como se esquematiza en la figura. El vapor de escape (valor nominal de trabajo: 2 bar) es aprovechado por varios procesos que requieren de este fluido como medio de calefacción. Para asegurar que la presión de escape se mantenga dentro de un margen razonable de presiones, de acuerdo a las necesidades operativas de las turbinas y de los consumidores de vapor, existe un sistema de control de presión manipulando el flujo de vapor de auxilio. Este sistema de control se mostró muy efectivo para mantener la presión del colector de escape, pero en determinadas circunstancias, debido a un consumo excesivo, se produjeron descensos peligrosos de la presión de generación. (a) Proyecte un sistema de Control Selectivo por Relevo que tenga por misión evitar que la presión del colector de alta presión sea abatida por acción un auxilio excesivo que no pueda ser compensado por la planta de generación. (b) Especifique todos los elementos del sistema de control. Elija acción de válvula y controladores. Indique el tipo de controlador y el set point que deberán tener. Página 3/10

4 Corriente de Auxilio (c) Indique la secuencia de eventos que se sucederán por efecto del sistema de control, cuando por una disminución en la capacidad de generación de vapor, la presión de vapor descienda hasta valores considerados peligros. Cómo sería el retorno a la situación normal una vez que retorna la plena capacidad de generación de vapor? Vapor producido en los Generadores de Vapor COLECTOR DE PRESIÓN DE GENERACIÓN SC PC PT Consumidores de vapor de escape COLECTOR DE PRESIÓN DE ESCAPE PROBLEMA 6.4 Un colector de escape de turbinas requiere un estricto control de la presión. Para el control de esta variable se estudia instalar un sistema de control que manipule el caudal de auxilio desde el colector de alta presión o el venteo a la atmósfera, según exista déficit o superávit de vapor Página 4/10

5 Corriente de Auxilio COLECTOR DE PRESIÓN DE GENERACIÓN Vapor producido en los Generadores de Vapor SC PT Corriente de Venteo Consumidores de vapor de escape COLECTOR DE PRESIÓN DE ESCAPE (a) Proyecte un sistema de control por rangos que cumpla con el objetivo planteado. Qué tipo de sistema de control resulta? Confeccione el diagrama en bloques y el P&I. (b) Especifique todos los elementos de control que se requieren (c) Esquematice la relación entre variable manipulada y señal de control. PROBLEMA 6.5 Un Tanque de acumulación recibe una corriente de desecho que debe enviar a una planta de tratamiento para mitigar el efecto de contaminantes. Como la planta puede procesar solo una cantidad limitada de efluente, se usa un sistema de dos válvulas que regulan la cantidad a procesar por la planta de tratamiento y la de excedente sin tratar como se muestra en la figura. El sistema de control debe enviar a procesar todo el efluente que pueda y cuando se llegue al límite de la capacidad de la planta depuradora, el excedente se deberá volcar crudo a un curso de agua. (a) Proyecte un sistema de control por rangos que cumpla con el objetivo planteado. Qué tipo de sistema de control resulta? Confeccione el diagrama en bloques y el P&I. (b) Especifique todos los elementos de control que se requieren (c) Esquematice la relación entre variable manipulada y señal de control. Página 5/10

6 F LT EXCEDENTE SIN TRATAR A LA PLANTA DE TRATAMIENTO PROBLEMA 6.6 En la figura se muestra un sistema de control de presión de generación de vapor con dos calderas en paralelo. Del colector de alta se surten muchos consumidores de proceso por lo que es necesario que se quemen ambos combustibles que poseen el mismo poder calorífico y temperatura de alimentación. (a) Indique qué tipo de control por rangos se propone en esta estructura de control. Confeccione el diagrama en bloques y el P&I. (b) Esquematice la relación entre variable manipulada y señal de control. Página 6/10

7 PROBLEMA 6.7 Un Tanque Agitado Continuo que actúa por rebosamiento (volumen constante) sirve para calentar un líquido y es calefaccionado con vapor condensante en un serpentín. Se desea controlar la temperatura de salida manipulando el flujo de vapor. La perturbación más importante son los cambios en la temperatura de la corriente de alimentación. F 1 T 1 F 2 T 2 TT VAPOR Datos del Transmisor Entrada: 0 a 100 C Salida: 4 a 20 ma Dinámica: Despreciable Datos de la válvula Entrada: 4 a 20 ma Capacidad: 4 tn/hora Característica de flujo igual porcentaje Rangeability 50:1 Dinámica:: Constante de tiempo de 25 seg Datos del Proceso Caudal procesado: litros/hora Retención del Tanque: 0.5 m 3 Temperatura de ingreso del líquido: 20 C Temperatura de salida del líquido: 80 C Densidad del líquido: 1 Kg/dm 3 Calor específico del líquido: 1 Kcal/Kg/ C Temperatura del vapor: 120 C Condición de ingreso del vapor: Saturado y seco Condición del condensado: Saturado Rendimiento de transf. del calor: 95 % Página 7/10

8 (a) Genere una estrategia de control por Avanacción que considere la perturbación más importante. Construya un diagrama en bloques y el P&I y especifique todos los elementos que necesita. (b) Bosqueje la respuesta temporal a un escalón de la temperatura de alimentación si solo considera compensación estática. Indique bajo que condiciones hay off set. (c) Calcule el compensador dinámico y bosqueje como sería la respuesta la perturbación anterior. (d) Compare las estrategias de Avanacción pura y de retroalimentación. Indique debilidades y fortalezas de cada esquema. PROBLEMA 6.8 Considere el sistema del problema anterior. Genere una estructura de avanacción que sea complementaria de la retroacción y que contemple como perturbación a los cambios de temperatura del líquido alimentado. Especifique todos los elementos del sistema de control, generando el diagrama en bloques y el P&I correspondiente. Analice la influencia que tiene la inclusión de la Avanacción en la estabilidad del lazo de realimentación. PROBLEMA 6.9 Para calentar un flujo de litros/hora de agua (calor específico 1 Kcal/Kg/ C y densidad 1Kg/dm 3 ) que ingresa a 20 C se utilizan dos intercambiadores de calor idénticos, en serie. Los mismos son calefaccionados con vapor saturado ( =500 Kcal/Kg). Un test dinámico permitió corroborar que la dinámica de la temperatura de salida de cada unidad respecto a cambios en la temperatura de entrada ó en el caudal de vapor calefactor se puede asimilar a tres constantes de tiempo de 1 minuto. Vapor W 1 Vapor 6000Kg/hr TC-1 TT-1 Agua T 3 =20C Agua T 2 ICQ 1 Se dispone de la siguiente información: Condensado ICQ 2 Condensado Válvula lineal, SAC, de 8000 Kg/hora de capacidad. Transmisor: termocupla de alcance C. El controlador electrónico TC-1 es PI con valor deseado correspondiente a 80 C y debe ser sintonizado por el método de Ziegler y Nichols de las oscilaciones sostenidas retocando la ganancia para lograr relación de atenuación 1:4. Página 8/10

9 (a) Elabore una estrategia de avanacción que complemente la tarea del lazo simple de la figura para corregir variaciones importantes de W 1. Représentela en un diagrama P&I y en bloques. Indique todos los elementos adicionales que necesita. (Ayuda: analizando el balance de energía se puede probar que la avanacción debe ser lineal). (b) Evalúe la función de transferencia del compensador. indicando los valores de la ganancia y de los parámetros dinámicos. (c) Encuentre la respuesta temporal cuando W 1 disminuye en forma de escalón de magnitud Kg/hora para los siguientes casos: (d) Feedback puro (e) Feedback con avanacción estática (f) Feedback con avanacción con compensación estática y dinámica (g) Compare la performance del lazo simple, y la de avanacción para la perturbación indicada en el punto 3. Emplee una misma gráfica para los tres transitorios. Use como índices de calidad período de oscilación y primer sobrevalor. Cambia la relación de atenuación en los tres casos?. Explique su respuesta. (h) Repetir el punto anterior considerando como perturbación la temperatura de alimentación del líquido al el primer calentador que cambia en forma de escalón de 20 C a 18 C. Complete el siguiente cuadro y comente los resultados. PERTURBACIÓN ÍNDICE FEEDBACK FEEDBACK Y AVANACCIÓN ESTÁTICA FEEDBACK Y AVANACCIÓN DINÁMICA Caudal de vapor en el primer tanque W 1 Temperatura T 3 p SV 1 RA p SV 1 RA PROBLEMA 6.10 Una corriente de desechos que provienen de un proceso previo que contiene diversos contaminantes se alimenta un tanque que actúa por rebosamiento donde se producirán reacciones de estabilización por el agregado de diversos agentes que se alimentan a través de otra corriente. Idear una estrategia de control que asegure una proporción constante entre el flujo de desecho (que varía según el ritmo de producción) y el flujo de los Corriente de desechos Flujo de reactivos de estabilización Página 9/10

10 agentes de estabilización. PROBLEMA 6.11 Se va introducir mejoras en el sistema de control elaborado en el problema anterior que permita el control de la composición de una de las especies químicas de la corriente de salida. (a) Desarrolle un sistema de control basado en el sistema de control de relación que cumpla con el objetivo de mantener constante la composición a la salida manipulando la relación entre la corriente de desecho y la de reactivos de estabilización. Presente la estrategia de control en un diagrama P&I, especificando todos los elementos que la constituyen. (b) Con la ayuda de un diagrama en bloques indique las estrategias de control que integran el sistema de control proyectado. CONCEPTOS INTRODUCIDOS EN EL TEMA 6 Control en Cascada (Cascade control). Lazo esclavo (slave)o secundario. Lazo maestro(master) o primario. Control Selectivo. Control por relevo (Overide Control) Relés de operaciones lógicas, de computo, dinámicos. Selectores de máxima y mínima señal. Control en Rangos. Rango Compartido y dividido. Control de Relación. Estación de relación. Avanacción (Feedforward). Avanacción Estática y dinámica. Compensador. Avanacción lineal y no lineal. Unidades de cómputo: sumador, multiplicador. Página 10/10