PRACTICA N 00: IDENTIFICACION DE TIPOS DE VARIABLES, DE PROCESOS Y FORMAS DE REALIZAR CONTROL

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1 PRACTICA N 00: IDENTIFICACION DE TIPOS DE VARIABLES, DE PROCESOS Y FORMAS DE REALIZAR CONTROL I. INTRODUCCION En todos los procesos industriales es absolutamente necesario controlar y mantener estables algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el ph, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, entre otras. Los instrumentos de control y medición permiten mantener estas variables en condiciones más idóneas de las que cualquier operador podría lograr en forma manual. Conforme las plantas modernas con muchas entradas y salidas se vuelven más y más complejas, la descripción de un sistema de control moderno requiere de una gran cantidad de ecuaciones. La teoría del control clásica, que trata de los sistemas con una entrada y una salida, pierde su solidez ante sistemas con entradas y salidas múltiples Desde alrededor de 1960, debido a que la disponibilidad de las computadoras digitales hizo posible el análisis en el dominio del tiempo de sistemas complejos, la teoría de control moderna, basada en el análisis en el dominio del tiempo y la síntesis a partir de variables de estados, se ha desarrollado para enfrentar la creciente complejidad de las plantas modernas y los requerimientos limitativos respecto de la precisión, el peso y el costo en aplicaciones militares, espaciales e industriales. Durante los años comprendidos entre 1960 y 1980, se investigaron a fondo el control optimo tanto de sistemas deterministicos como estocásticos, y el control adaptable, mediante el aprendizaje de sistemas complejos. De 1980 a la fecha, los descubrimientos en la teoría de control moderna se centraron en el control robusto, el control de H, y temas asociados. Ahora que las computadoras digitales se han vuelto más baratas y más compactas, se usan como parte integral de los sistemas de control. Las aplicaciones recientes de la teoría de control moderna incluyen sistemas ajenos a la ingeniería, como los biológicos, biomédicos, económicos y socioeconómicos DEFINICIONES Antes de analizar los sistemas de control, deben definirse ciertos términos básicos Plantas Una planta puede ser una parte de un equipo, tal vez un conjunto de las partes de una máquina que funcionan juntas, el propósito de la cual es ejecutar una operación particular. 1

2 En este libro, llamaremos planta a cualquier objeto físico que se va a controlar (tal como un dispositivo mecánico, un horno de calefacción, un reactor qufmico o una nave espacial) Procesos. El Diccionario Merriam-Webster define un proceso como una operación o un desarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en una forma relativamente fija y que conducen a un resultado o propósito determinados; o una operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una serie de acciones o movimientos contrólados, sistemáticamente dirigidos hacia un resultado o propósito determinados. En este libro llamaremos proceso a cualquier operación que se va a controlar. Algunos ejemplos son los procesos químicos, económicos y biológicos Sistemas. Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no necesariamente es físico. El concepto de sistema se aplica a fenómenos abstractos y dinámicos, tales como los que se encuentran en la economía. Por tanto, la palabra sistema debe interpretarse como una implicación de sistemas físicos, biológicos, económicos y similares VARIABLES DE UN SISTEMA DE CONTROL Un sistema de control automático simple generalmente interactúan las siguientes variables: variable controlada, manipulada, perturbadora, medida, ver DETECTOR DE ERROR O CONTROLADOR VARIABLE PERTUBARADORA PERTURBACIÓN VARIABLE MANIPULADA VARIABLE CONTROLADA ENTRADA SET POINT ACTUADOR Ó ELEMENTO FINAL DE CONTROL PROCESO SALIDA VALOR DE REFERENCIA ERROR SENSOR Ó ELEMENTO DE MEDICIÓN figura 0.1. VARIABLE MEDIDA Figura Diagrama de Bloques General de un control Automático 2

3 Variable Controlada. Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor se observa, la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable Controlada Variable Manipulada. Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor Variable Perturbadora. Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos afectando el proceso. En el ejemplo, la variable perturbadora sería el flujo de entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso originando la desestabilización del sistema Variable Medida. Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, por lo tanto deberá ser monitoreado; no siendo necesariamente la mas importante para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data TIPOS DE PROCESOS Los procesos industriales se conocen como procesos continuos, procesos discretos y procesos batch. Los procesos continuos se caracterizan por la salida del proceso en forma de flujo continuo de material, como por ejemplo la purificación de agua o la generación de electricidad. Los procesos discretos contemplan la salida del proceso en forma de unidades o número finito de piezas, siendo el ejemplo más relevante la fabricación de automóviles. Finalmente, los procesos batch son aquellos en los que la salida del proceso 3

4 se lleva a cabo en forma de cantidades o lotes de material, como por ejemplo la fabricación de productos farmacéuticos o la producción de cerveza. En este punto es necesario hacer un breve inciso sobre los tipos de industria existentes y los problemas de control que se plantean en cada tipo de industria. Las industrias relacionadas con la automatización son básicamente la industria manufacturera y la industria de procesos. La industria manufacturera (discrete parts manufacturing) se caracteriza por la presencia de máquinas herramienta de control numérico por ordenador como núcleo de sistemas de fabricación flexible. En esta industria, destaca el uso de estaciones robotizadas en tareas de soldadura al arco o por puntos, pintura, montaje, etc., de forma que en la actualidad la necesidad de automatización es elevada si se desea ofrecer productos de calidad en un entorno competitivo. Uno de los temas principales a resolver en este tipo de industria es la planificación y gestión de la producción: asignación de tareas a máquinas, diseño del layout de la planta, sistemas flexibles que fabriquen diversos productos, políticas de planificación cercanas a la optimización, etc. En cuanto a la industria de procesos (continuous manufacturing), existen fábricas de productos de naturaleza más o menos continua, como la industria petroquímica, cementera, de la alimentación, farmacéutica, etc. Dentro del proceso de fabricación de estas industrias, se investiga en nuevas tecnologías, para la obtención de nuevos catalizadores, bioprocesos, membranas para la separación de productos, microrreactores, etc. En este tipo de industria, destacan la aplicación de algoritmos de control avanzado, - como, por ejemplo, el control predictivo -, o la formación experta de operarios de salas de control mediante simuladores. Respecto a las necesidades de automatización, la industria de procesos tiene un nivel consolidado en cuanto a salas de control con sistemas de control distribuido (DCS), y el uso de autómatas programables para tareas secuenciales o para configurar sistemas redundantes seguros ante fallos, entre otros elementos. No hay que olvidar que las industrias -tanto la manufacturera como la de procesos- realizan grandes esfuerzos en la optimización del proceso. Algunas de ellas se centran en el aspecto de la calidad, mientras que otras se centran en el aspecto de los costes. Estos factores -mejora de la calidad del producto y disminución de costes en la producción- son los condicionantes fundamentales en estas industrias, y en este sentido la automatización industrial contribuye decisivamente desde que a finales de la década de los años setenta apareció el microprocesador, núcleo de los controladores comerciales presentes en el mercado como los autómatas programables, los controles numéricos y los armarios de control de robots manipuladores industriales. En cuanto a la expresión control de procesos industriales, ésta abarca, desde un punto de vista académico, la teoría de control básica de realimentación y acción PID, la instrumentación de control (sensores, actuadores, dispositivos 4

5 electrónicos, etc.), la aplicación a procesos industriales (como, por ejemplo, la mezcla de componentes en un reactor químico), las diversas arquitecturas de control (centralizado, distribuido), las estructuras de control (feedback, feedforward, cascada, etc.) y la teoría de control avanzada (control predictivo, control multivariable, etc.), por citar algunos de los aspectos más relevantes. Ciñéndonos a los algoritmos de control presentes en las industrias citadas, cabe destacar el control secuencial y la regulación continua. El control secuencial propone estados (operaciones a realizar para la transformación de la materia prima en producto) y transiciones (información relativa a sensores o elementos lógicos como temporizadores o contadores) en una secuencia ordenada que identifica la evolución dinámica del proceso controlado. En la regulación continua, mediante la estructura de control clásica feedback, se aborda la acción de control proporcional, derivativo o integral, respecto al error (diferencia entre la consigna y la medida de la variable de salida del proceso)) para conseguir así una regulación adecuada de la variable (temperatura, caudal, nivel, etc.). Respecto a instrumentación de control, los tres elementos básicos capaces de llevar a cabo el control secuencial o la regulación continua dentro del control de procesos industriales son el llamado autómata programable PLC, el ordenador industrial y los reguladores industriales (tanto en versión analógica como digital). Estos tres elementos comparten protagonismo y es frecuente encontrar artículos de opinión donde se comenta el futuro de la utilización de los PLC ante las continuas mejoras del control realizado mediante ordenador. Disputas aparte, cada uno de estos elementos halla su aplicación en la industria actual, y es por ello que la tendencia en los próximos años sea la de continuar utilizando estos elementos. Durante los casi ya treinta años de utilización de autómatas programables en la industria, conviene destacar su labor eficaz en el control secuencial de procesos. Una de las aplicaciones de mayor éxito es la combinación de autómata programable con la tecnología electroneumática. Esta combinación ha permitido ofrecer soluciones de automatización basadas en el posicionamiento, la orientación y el transporte de material dentro de la planta, y es de gran ayuda en las tareas realizadas por otros elementos, como por ejemplo el robot manipulador industrial. Los reguladores industriales son dispositivos generados de forma clara para la regulación continua de variables. Durante años, el regulador analógico tradicional ha sido el elemento capaz de controlar procesos en los que se requiere el control de temperatura, el control de caudal, o el control de presión, todos ellos ejemplos típicos de la ingeniería química. Con los avances en la electrónica digital y la informática industrial, los reguladores han pasado a ser controladores digitales autónomos, polivalentes desde el punto de vista de que se adaptan a un rango de tensiones y corrientes habituales. 5

6 1.4. FORMAS DE REALIZAR EL CONTROL SOBRE UN PROCESO Hay dos formas básicas de realizar el control de un proceso industrial: Sistema de control de lazo abierto. Los sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, se denominan sistemas de control de lazo abierto ( open loop ). En otras palabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida ni se mide ni se retroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo práctico lo constituye una lavadora de ropa domestica. El remojo, lavado y enjuague en la lavadora se cumplen por tiempos. La máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza de la ropa. Entrada de liquido W, T i Medición de flujo Controlador de alimentación directa Medición de temperatura Vapor T Válvula de control Figura 0.2: Sistema de control de lazo abierto Salida de liquido En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto solo se puede utilizar si la relación entre la entrada y la salida es conocida; y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas. Desde luego, tales sistemas no son sistemas de control retroalimentado, denominándose frecuentemente sistema de control de alimentación directa ( feed foward ). Nótese que cualquier sistema de control que funciona sobre la base de tiempos es un sistema de lazo abierto. W, T 6

7 TR o SP Controlador P Válvula Proceso T Salida Alimentación W, T i Medición W, T i Figura 0.3: Diagrama de bloques del sistema de control de lazo abierto El control de alimentación directa se esta utilizando de una manera muy generalizada; sobre todo en el control por computadora. Los cambios en las variables de entrada al proceso se miden y compensan sin esperar a que un cambio en la variable controlada indique que ha ocurrido una alteración en las variables. El control de alimentación directa es muy útil también en casos en que la variable controlada final no se puede medir. En el ejemplo ilustrado en la Fig. 0.2, el controlador de alimentación directa tiene la capacidad de computar y utilizar el gasto medido de liquido de entrada y su temperatura, para calcular el gasto de vapor necesario para mantener la temperatura deseada en el liquido de salida Sistema de control de lazo cerrado: ( closed loop ). Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado ( feedback ) o control de lazo cerrado ( closed loop ). La señal de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la salida a un valor deseado. Esta retroalimentación se logra a través de la acción de un operador (control manual) o por medio de instrumentos (control automático). En el caso de control manual, el operador mide previamente la temperatura de salida; si esta es por ejemplo, inferior al valor deseado, aumenta la circulación de vapor abriendo levemente la válvula. Cuando se trata de control automático, se emplea un dispositivo sensible a la temperatura para producir una señal (eléctrica o neumática) proporcional a la temperatura medida. Esta señal se alimenta a un controlador que la compara con un valor deseado preestablecido o punto de ajuste ( set point ). Si existe una diferencia, el controlador cambia la abertura de la válvula de control de vapor para corregir la temperatura como se indica en la Fig

8 Controlador Comparador Proceso de transferencia de calor Punto de medición TR o SP E Controlador Válvula Serpentín Tanque T T medida Elemento de medida Figura 0.4: Sistema de control de lazo cerrado El término lazo cerrado implica el uso de la acción de control retroalimentado para reducir el error del sistema. Punto de referenc ia Entrada de liquido W, T i Controlador Vapor Válvula de control Señal de temperatura al controlador T Medición de temperatu ra Salida de liquido W, T Figura 0.5: Diagrama de bloques del sistema de control de lazo cerrado 8

9 II. OBJETIVOS Identificar las variables y elementos que intervienen e interactúan entre si en un sistema de control. Identificar los diferentes tipos de procesos Industriales. Identificar las diferentes formas de realizar el control en un proceso. III. MATERIAL Y METODOS 3.1. MATERIALES Y EQUIPOS Unidad de destilación continua, con su sistema de control y computador. Unidad de Control de Procesos. Mini planta neumática automatizada de estampado MÉTODOS. a. Identificar las Variables de un sistema de control de Presion. Se va a identificar las variables de un proceso en un sistema de control de presión de vacio para ello de va proceder de la siguiente manera. Encender la unidad de destilación y esperar hasta que el el controlador de la misma reconozca todos los elementos. Cargar el programa de control y supervisión en el computador. Identificar todos los elementos de control el proceso. Selección del menú, reguladores Digitric, luego seleccionar loop L2 En los valores de las constantes del controlador llenar con los siguientes valores: P I D Escoger una presión de 800mmbar, una vez alcanza dicha presión anotar en la tabla lo que se le pide, ensayar a 2 presiones mas e intérprete sus resultados Variable de Proceso Set Point (SP) Salida (Y%) (PV) Escoger un presión de Vacio determinada ejemplo 600mmbar (absoluta) Una vez que el sistema de control haya alcanzado la presión deseada, perturbe el sistema y observe que sucede con el sistema de control. 9

10 b. Identificar las Variables de un sistema de control de Nivel. Se va a identificar las variables de un proceso en un sistema de control de nivel para ello de va proceder de la siguiente manera. Encender la unidad de control de procesos. Cargar el programa de control y supervisión en el computador. Identificar todos los elementos de control el proceso. Selección del menú, control de nivel. Luego seleccionar PID, en los valores de las constantes del controlador llenar con los siguientes valores: P I D Escoger un nivel, una vez alcanza dicha nivel anotar en la tabla lo que se le pide, ensayar a 2 niveles mas e intérprete sus resultados Set Point (SP) Variable de Proceso (PV) Salida (Y%) Escoger un nivel determinado. Una vez que el sistema de control haya alcanzado la presión deseada, perturbe el sistema y observe que sucede con el sistema de control. b. Identificar los tipos de procesos industriales. Encender unidad de estampado neumática, carga el programa de control al PLC, y observar el comportamiento del proceso. Identificar todos los elementos de control del proceso. c. Identificar los formar de realizar control en procesos. Identificar la forma de control de los diferentes equipos que existen en la laboratorio de operaciones unitarias, así como en la planta piloto agroindustrial. 10

11 IV. RESULTADOS Y DISCUSION Esquematizar cada unos los sistemas de control estudiados. Realizar el diagrama de bloques de cada uno de los mismos. Discutir sobre si el sistema de control es el adecuado. V. CONCLUSIONES VI. BIBLIOGRAFIA VII. CUESTIONARIO Haga una lista de las ventajas y desventajas principales de los sistemas de control en lazo abierto. La figura es un diagrama esquemático de un sistema de control de nivel de líquido. Aquí el controlador automático mantiene el nivel de líquido comparando el nivel real con un nivel deseado y corrigiendo cualquier error mediante un ajuste de la apertura de la válvula neumática. Dibuje el diagrama de bloques para el sistema mostrado en la figura. Modifique el esquema y realice el diagrama de bloques correspondiente para un sistema de control de nivel de líquido operado por personas. 11

12 ANEXO Reguladores de Proceso Los Reguladores son los instrumentos, insertados en las instalaciones, que permiten regular las magnitudes, programar los parámetros, adquirir las variables y mandar los dispositivos On-Off. La aplicación Pilot for Windows soporta varios tipos de reguladores de proceso. A continuación se hará referencia al regulador Digitric 500. Los demás reguladores tienen una interfaz utilizador análoga. Al llamarla con el mando apropiado de la barra de los instrumentos o a partir del Menú Instrumentos, aparece la ventana del regulador ilustrada por la figura: En la pantalla se hallan presentes: Selección Bucle de regulación El regulador Digitric 500 soporta 4 bucles de regulación a la vez. Los bucles utilizados dependen de la instalación seleccionada. En esta sección es posible escoger el bucle con el que se va a trabajar. Tras seleccionar el bucle, el gráfico, las variables y los parámetros que aparecen en la ventana del regulador se refieren a este mismo bucle. 12

13 Salidas Manual/Automática/Cascada Esta sección permite seleccionar la modalidad operativa del bucle seleccionado, la cual puede ser: Manual: es posible variar el valor de la salida, de modo manual, con el cursor inherente, Automática: la salida es calculada automáticamente por el regulador. Es posible modificar los parámetros P, I, D que la determinan. Cascada: este bucle trabaja en cascada con otro bucle del regulador. Set-point, Variable, Salida Esta sección contiene los controles para la visualización/variación de: SP: Set-Point: es posible variar su valor con el cursor o escribiendo el nuevo valor en el campo previsto para ello. PV: Variable de Proceso: su valor se visualiza en forma numérica y en forma de gráfico de barra. Y: Mando: su valor se visualiza en forma numérica y en forma de gráfico de barra y, de ser el bucle en la modalidad manual, se habilita el cursor que realiza la variación. Programación PID Esta sección contiene los controles para la visualización/variación de: P: Valor del parámetro que determina la regulación de tipo proporcional. Variable entre 0 y 100. I: Valor del parámetro que determina la regulación de tipo integral. Variable entre 0 y 100 (el significado efectivo depende de la programación del regulador). D: Valor del parámetro que determina la regulación de tipo derivado. Variable entre 0 y 100 (el significado efectivo depende de la programación del regulador). 13

14 Gráfico El gráfico visualiza la evolución en tiempo real de las magnitudes del regulador: Set Point Variable de Proceso Salida (Traza roja) (Traza azul) (Traza verde) La salida es indicada en valor percentual (0-100%) y su escala está a la izquierda del gráfico. El Set-Point y la Variable de Proceso pueden ser indicados en porcentaje o en unidades efectivas (p. ej.: l/h, mm,...) según la programación del regulador. Su escala está a la derecha del gráfico. 14