CONTROL E INSTRUMENTACIÓN EN PROCESOS QUÍMICOS

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1 Ingeniería Química 1-6 CÓDIGO: B052/99/7415 CURSO: Carga docente: 6 créditos (4,5 teóricos prácticos) Curso: 5º, Troncal Segundo cuatrimestre Departamento: Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal Profesor/es: GA- Manuel Pérez Polo OBJETIVOS El alumno debe tener los conocimientos básicos de matemáticas, tales como la resolución de ecuaciones diferenciales y manejo de la transformada de Laplace desde un punto de vista práctico. Introducir al alumno con los siguientes aspectos básicos: Qué es un sistema de control. Porqué los sistemas de control son importantes en los procesos químicos. Cuales son los componentes básicos de un sistema de control. Porqué la realimentación es importante en los sistemas de control. Tipos de sistemas de control. El alumno debe conocer los tipos de sistemas de control realimentado en la industria química y analizar los sistemas lineales frente a los no lineales. Diseñar sistemas lineales de control utilizando el dominio de la frecuencia. El alumno debe conocer todos los aspectos computacionales en el control de procesos químicos, utilizando los paquetes de software comercialmente disponibles. 1. Conceptos Básicos del Control de Procesos Químicos. Introducción. Beneficios que se consiguen con el control de un proceso químico. Control de temperatura de un tanque discontinuo con mezcla perfecta. Control de un cambiador de calor con modelo simplificado. Estabilidad de un reactor continuo en régimen de flujo de pistón. Optimización del funcionamiento de un proceso. Clasificación de las variables en un proceso químico. Variables de entrada. Variables manipuladas o ajustables. Perturbaciones. Variables de salida. Elementos a considerar en el diseño de un sistema de control. Consideraciones generales para el sistema de control de una planta completa. Instrumentos para medida y control de un proceso químico. Conceptos básicos de control por computador. 2. Bases Matemáticas del Control de Procesos Químicos. Modelos de parámetros concentrados y distribuidos. Las ecuaciones diferenciales ordinarias frente a las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Solución de ecuaciones diferenciales lineales invariantes en el tiempo. La transformada de Laplace. Linealización de ecuaciones no lineales. Solución de sistemas de ecuaciones diferenciales con la transformada de Laplace. Solución numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales. El empleo de paquetes CAD. Introducción al CC. Introducción a Matlab y Simulink. 3. Concepto de Función Transferencia. Sistemas de Primer Orden. Sistemas de Segundo Orden y de Orden Elevado. Álgebra de Bloques. Concepto de función transferencia. Sistemas de primer orden. Modelos de sistemas físicos y su función transferencia. Respuesta de sistemas de primer orden a entradas en escalón. Respuesta de sistemas de primer orden a entradas impulsivas. Sistemas de segundo

2 Ingeniería Química 2-6 orden. Modelos de sistemas físicos y su función transferencia. Sistemas hidráulicos. Sistema de tanques no interactuantes. Función transferencia generalizada para sistemas de segundo orden. Respuesta de sistemas de segundo orden a entradas 4. Estabilidad de Sistemas Dinámicos. Acciones Básicas de Control. Reguladores P, PD, PI, PID. Errores en régimen permanente. Realimentación de sistemas dinámicos. Ventajas e inconvenientes. Concepto de ecuación característica. Criterio de estabilidad de Routh. Acciones básicas de control (P,PD,PI, PID). Materialización de reguladores con redes RC y elementos neumáticos. Tipos de sistemas. Errores en régimen permanente. 5. Respuesta en Frecuencia. Diagramas de Bode. Respuesta en frecuencia de un sistema dinámico. Propiedad fundamental de la función transferencia. Desarrollo de expresiones analíticas para la respuesta en frecuencia. Trazado de diagramas polares. Diagramas de Bode. Representaciones asintóticas. Estabilidad en el diagrama de Bode. Relación entre la respuesta temporal frecuencial y temporal. El criterio de estabilidad de Nyquist. Identificación de la función transferencia a partir del diagrama de Bode. 6. Diseño de Reguladores a través de la Respuesta en Frecuencia. Características que debe dar un regulador en un sistema de control realimentado. Especificaciones de la respuesta en lazo cerrado. Imposibilidad del control perfecto. Diseño de reguladores con la respuesta en frecuencia (PD, PI, PID). Diseño de redes compensadoras con la respuesta en frecuencia. 7. Ajuste de Reguladores con las Curvas de Reacción. Introducción a la Optimización. Ajuste de los parámetros de un regulador. Curvas de reacción. Análisis de curvas de reacción. Métodos de ajuste de parámetros de reguladores con la respuesta en lazo abierto. Método de Ziegler - Nichols. Método de Cohen - Coom. Métodos de ajuste de parámetros de reguladores con la respuesta en lazo cerrado.índices de funcionamiento para el ajuste óptimo de los parámetros de un regulador. Problemas asociados con la selección del criterio de funcionamiento. Índices de funcionamiento más empleados (IE, ITE, ISE, IAE, ITAE). 8. Selección de Variables de Medida y Control. Introducción al problema de selección de variables para medida y control. Criterios generales para selección de variables de medida y control. Concepto de grado de libertad de un proceso. Ecuaciones que definen la dinámica del proceso. Ecuaciones que no dependen directamente de la dinámica del proceso. Selección de variables de control para cada bloque del proceso. Ejemplos de aplicación.

3 Ingeniería Química Transmisores. Sensores. Medidores de Variables de Proceso. Conceptos básicos de instrumentación en el lazo de control. Efectos de la dinámica de los elementos de medida en el bucle de control. Sensores de temperatura. Sensores de presión. Sensores de nivel. Medida de caudal. Consideraciones para selección de medidores de caudal. Dinámica de los medidores de caudal. Códigos de identificación de instrumentos según normas ISA. Diagrama de tuberías e instrumentos (P & I) para una planta de anilina. 10. Elementos Finales de Control. Efectos de la dinámica del elemento final de control en el bucle de control. Válvulas de control. Tipos de válvulas de control en función de las características del flujo. Dimensionamiento de las válvulas de control. Posicionadores para válvulas de control. Actuadores. Nolinealidades en actuadores. Diseño de la instalación de una válvula de control. Cálculo de válvulas de control para gases. Cálculo de válvulas de control para vapores. 11. Control de equipos en Plantas de Procesos Químicos. Dinámica de columnas de destilación. Control de columnas de destilación. Dinámica y control de reactores químicos. Control de operaciones de transferencia de energía. Control de operaciones de transferencia de masa. 12. Concepto de Estado. Introducción al Control de Sistemas Multivariables. Concepto de estado de un sistema dinámico. Representación de un sistema dinámico en términos de variables de estado. Relación entre la representación temporal y la matriz transferencia. Diagramas de bloques para sistemas multivariables. Análisis de sistemas lineales y no lineales de control multivariables. Concepto de matriz transición de estados. Estabilización por realimentación del estado. Concepto de controlabilidad y obserbabilidad. Diseño de sistemas de control multivariables.control con realimentación del estado. El problema de la interacción. La matriz de Bristol de ganancias relativas. Control no interactuante. Control no interactuante con compensación en el punto de consigna.control de sistemas con retardos de tiempo. Compensación para sistemas SISO. Predictor de Smith. Compensación con predictor de retardo para sistemas multivariables. Control por prealimentación. 13. Transmisión de Señales. Introducción al Control por Computador. Introducción a la transmisión de señales. Modelo general de transmisión. Transmisión de señales analógicas. Modulación y demodulación. Transmisión de señales digitales. Paneles de alarmas y control en la industria de procesos. Diagrama de bloques de un sistema de control por computador. Modelo matemático de control por computador. Sistemas de datos muestreados. Conceptos básicos de la transformada z. Sistemas simples de datos muestreados. Control digital directo. Control supervisor (SPC). Control distribuido.

4 Ingeniería Química 4-6 PRÁCTICAS 1. Descripción y manejo de Matlab Simulink y CC( Temas 1, 2,3, 4, 5)... 5 horas 2. Control de una columna de destilación (Temas 6,7, 8)... 3 horas 3. Control de un sistema de tres tanques (Temas 6,7,8,9)... 2 horas 4. Características de una válvula de control (Temas 10, 11)... 2 horas 5. Simulación de una columna de destilación (Tema 12)... 2 horas 6. Diseño de un sistema de control digital (Tema 13)... 1 hora OBSERVACIONES Conocimientos previos: Ecuaciones diferenciales. Transformada de Laplace. Operaciones básicas de la ingeniería química adquiridos en las asignaturas 24/ Prácticas: La realización de los trabajos prácticos es obligatoria. Evaluación: Examen escrito al finalizar el cuatrimestre que constará de 4 preguntas teóricas y dos problemas (70% de la nota final), más un proyecto individual de simulación y control de un reactor (30% de la nota final). BIBLIOGRAFÍA - AIChE. Modular Instruction of Process Control. Vol. 1: Analysis of Dynamics Systems. Vol II: Feedback Controller Synthesis. Vol III: Design of Sampled Data Control Systems. Vol IV: Avanced Control & Modeling Techniques. Vol. V: Instrumentation & Control Aplication. American Institute of Chemical Engineers, Astrom, K.J. ; Wittermark, B. Sistemas Controlados por Computador. Paraninfo, Buckley, P.S. Thecniques of Process Control. John Wiley & Sons, Consodine, D.M. Process Industrial Instruments and Controls Handbook. McGraw Hill, Coughanowr, D.R. Process Systems Analysis and Control. McGraw Hill, Jacquet, R.G. Modern Digital Control Systems. Marcel Dekker, Inc Luyben, W.L. Process Modelling, Simulation and Control for Chemical Engineers. McGraw Hill, Matlab User's Guide. Toolbooks on Control Systems. The Matworks Inc Perry R.H. ; Chilton, C.H. Manual del Ingeniero Químico. McGraw Hill, Stephanopoulos, G. Chemical Process Control. An Introdution to Theory and Practice. Prentice Hall

5 Ingeniería Química 5-6 INSTRUMENTATION AND CONTROL OF CHEMICAL PROCESS CODE: B052/99/7415 ACADEMIC YEAR: Credits: 6 credits (4,5 theoretical practical) (second half of the first term) Department: Physics, Systems Engineering and Signal Processing Lecturer/s: GA- Manuel Pérez Polo OBJETIVES The student should have the background on subjects found in a typical linear-systems course, such as how to solve linear ordinary differential equations, Laplace transforms and their applications. Introduce to the student with the following basic subjects: What a control system is. Why control systems are important in chemical process. What the basics components of a control system are. Why feedback is incorporated into most control systems. Types of chemical control systems. The student must be know the types of feedback control systems and to analyse linear versus non-linear control systems in chemical industry. To design linear control systems carried out in the frequency domain utilising Bode plots and magnitude versus phase plots. The student must be know all the computational aspects of the problems in chemical control process, obtained with the aid of one of commercially available control systems software packages PROGRAMME Theory 1. Basic concepts in chemical control process. 2. Mathematical background in chemical control process. 3. Transfer Function. First and second order systems. Approximation of high order systems. Block diagrams. 4. Stability of dynamical systems. Design with P, PD, PI and PID. The steady state error. 5. Frequency domain analysis. Bode plots. 6. Controllers design with frequency domain. 7. Controllers design with the reaction curve. Introduce to the optimisation in chemical control process. 8. Selection of variables for measure and control. 9. Sensors for process variables. 10. Control valves. 11. Equipment control in chemical process. 12. Significance of the state in dynamical systems. Multivariable control process. 13. Computer control for chemical process Experimentation & Simulation 1 Introduce simulation with Matlab Simulink and CC. 2 Simulation and Control of a distillation column. 3 Simulation and control of a chemical reactor. 4 Design of a digital control systems.

6 Ingeniería Química 6-6 OBSERVATIONS Previous knowledge: Those acquired in 24/ Practice: Obligatory attendance. Evaluation: Written examination containing 4 questions where their answers had to be justified and two problems (70 % of final evaluation). An individual work about a simulation and control of a chemical reactor (30 % of final evaluation). BIBLIOGRAPHY - AIChE. Modular Instruction of Process Control. Vol. 1: Analysis of Dynamics Systems. Vol II: Feedback Controller Synthesis. Vol III: Design of Sampled Data Control Systems. Vol IV: Avanced Control & Modeling Techniques. Vol. V: Instrumentation & Control Aplication. American Institute of Chemical Engineers, Astrom, K.J. ; Wittermark, B. Sistemas Controlados por Computador. Paraninfo, Buckley, P.S. Thecniques of Process Control. John Wiley & Sons, Consodine, D.M. Process Industrial Instruments and Controls Handbook. McGraw Hill, Coughanowr, D.R. Process Systems Analysis and Control. McGraw Hill, Jacquet, R.G. Modern Digital Control Systems. Marcel Dekker, Inc Luyben, W.L. Process Modelling, Simulation and Control for Chemical Engineers. McGraw Hill, Matlab User's Guide. Toolbooks on Control Systems. The Matworks Inc Perry R.H. ; Chilton, C.H. Manual del Ingeniero Químico. McGraw Hill, Stephanopoulos, G. Chemical Process Control. An Introdution to Theory and Practice. Prentice Hall