6- TIPOS DE CONTROL UTILIZADOS

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1 6- TIPOS DE CONTROL UTILIZADOS 6.1 Control manual Dado un proceso de cualquier tipo y una actuación sobre el mismo que provoque un efecto, se define como control manual o en lazo abierto a la forma de aplicar dicha actuación sin tener en cuenta en qué medida afecta al proceso, es decir, sólo se actúa sobre la señal de entrada dando como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Un ejemplo de este tipo de control sería reactor químico de tipo tanque agitado con una camisa de calefacción. La señal de entrada o actuación sería la potencia de calefacción y la señal de salida o efecto sería la temperatura de la mezcla en el reactor (Figura 6.1). Conociendo el comportamiento del proceso, en este caso la transferencia de calor (siendo fijos otros parámetros como caudales, composición y temperatura de las corrientes de entrada, el caudal de salida, la entalpía de reacción, etc.), es posible predecir que al aumentar la potencia aumentará la temperatura en el interior, pero sin tener un modelo exacto de todos los parámetros que intervienen es imposible conocer en qué medida lo hará. Incluso para una potencia fija, la temperatura puede oscilar debido a variaciones en cualquiera de las otras variables que intervienen en el sistema. Se denominan perturbaciones a las variables que afectan a un determinado proceso y que no son tenidas en cuenta de cara al control ya que no se puede actuar sobre ellas. Un modelo exhaustivo y preciso del proceso daría garantías de funcionamiento siempre y cuando todas las variables fuesen conocidas. Para la inmensa mayoría de procesos existentes esto es del todo imposible debido, entre otras cosas, a perturbaciones ajenas al sistema que pueden ser numerosas. Por este motivo, se recurre a modelos simplificados que conllevan la aparición de errores. En general, el control en lazo abierto implica que un proceso no se puede controlar con precisión por no poder hacer frente a las variaciones no contempladas en el modelo que puedan surgir. Figura 6.1 Diagrama de bloques de un control en lazo abierto En relación con el presente proyecto, se ha hecho uso del control en lazo abierto aplicado a la relación de reflujo (R). El intervalo de operación permite valores de R є ( 0,01 ; 100 ), así como reflujo total (R = ). Mediante dicha variable se puede controlar la composición de salida del destilado como se verá en el Capítulo 7. El control en lazo abierto permite la operación manual del reflujo sin que sea necesario saber cómo evoluciona la composición. Si el operario no sólo observase el comportamiento del proceso sino que actuase sobre el mismo, variando la relación de reflujo al verificar la variación de temperatura en

2 alguno de los platos, estaría tratando de controlar la respuesta en función de las variables del proceso y, según se ha definido, no se trataría ya de control en lazo abierto. 6.2 Control en lazo cerrado Al contrario que en el control en lazo abierto, un control de lazo cerrado utiliza alguna señal de salida o efecto para ajustar la entrada, de forma que dicho efecto permanezca acotado y próximo o igual a un valor predeterminado, denominado valor de consigna o punto de referencia. La actuación sobre el proceso es una cierta función de la salida del mismo, lo cual permite controlarlo de forma más estricta. Esto suele hacerse de forma automática, a través de algoritmos específicos. Partiendo de la instrumentación adecuada que mide algún efecto, directo o indirecto, se transmite una información al controlador, que es comparada con el valor de consigna por aquél. Dependiendo del algoritmo o la lógica que éste utilice, se generará una señal específica de entrada al actuador que afectará al proceso variando el efecto. Esta variación será medida de nuevo por los sensores y así sucesivamente. Este tipo de sistemas también se conocen como control por realimentación o control en lazo cerrado. La principal ventaja que presenta respecto al control en lazo abierto es el rechazo o la respuesta ante perturbaciones. No obstante, pueden presentar problemas de inestabilidad, por lo que la elección y el ajuste del algoritmo correcto de control suele ser la parte más delicada e importante en la puesta en funcionamiento. Actualmente, la mayoría de controladores disponen de un algoritmo básico denominado algoritmo PID (proporcional, integral y diferencial). Está basado en el error definido como la diferencia entre el valor de salida y el punto de consigna, actuando de tres formas para corregirlo: - Proporcional: la entrada al actuador es proporcional al error. Esto conlleva la existencia de un error en régimen permanente. - Integral: a lo largo del tiempo, se realiza la integral del error y un valor proporcional a dicha integral se añade a la entrada del actuador, permitiendo eliminar el error en régimen permanente. - Diferencial: ante cambios rápidos en el error, el término derivativo genera un valor en la entrada proporcional al cambio, de forma que el control responda más rápidamente. Cada una de estas acciones puede emplearse en solitario o combinada con las otras dos, dependiendo de las características que presente la respuesta del proceso.

3 Figura 6.2 Diagrama de bloques del control PID incluido en STEP 7 En el caso del control de composición de destilado para la columna de destilación, se ha integrado un lazo de control en función de la temperatura mediante un algoritmo PID en la programación del API (Figura 6.2). La sintonización del mismo depende del modo de operación y puede modificarse tanto a través de STEP 7 como a través del proyecto creado en WinCC. La operación en continuo presenta menos dificultad al respecto, pudiendo aplicarse los métodos de sintonización usuales. Sin embargo, la destilación por cargas añade una serie de complicaciones que serán discutidas en el Capítulo 7. La salida del PID está configurada de forma que actúe sobre la relación de reflujo (R) para controlar la composición del destilado. Como R es un cociente entre dos caudales, no se trata de una señal lineal 0% -:- 100% : Así, el 50% de la señal de salida del PID se debería

4 corresponder con la mitad de la gama de valores disponible, es decir, con R = 1. Para compensar esto, se utiliza una función de conversión de la forma donde, R = 1 10 ( S 50 ) / 25 R Relación de reflujo entre 0,01 y 100 S Salida del PID entre 0% y 100% A continuación, se describen algunos parámetros del controlador PID integrado en el API. El resto pueden ser consultados en la documentación referente al PID incluida en STEP 7: o Variable controlada: será la temperatura de salida del proceso en grados Celsius que podrá ser seleccionada en la pantalla de configuración. Se convierte a una señal 0-100% al igual que el punto de referencia (ver código FC3 en el Anexo I.D) o Variable manipulada: la salida del PID es una señal 0-100%, que se utiliza en la ecuación anterior para modificar la relación de reflujo. La salida es configurable, de forma que pueden especificarse diversos parámetros de ajuste. o Tiempo de ciclo y tiempo de muestreo: el algoritmo PID se ejecuta en función del tiempo de ciclo que se configure para el OB35 del API, en el cual se encuentra incluida la función correspondiente. Sin embargo, el muestreo de la señal de salida se realiza a intervalos configurables en el PID. o Valor manual, valor de referencia y zona muerta: es posible forzar el valor de salida del PID (entre 0 y 100%) de forma manual activando la opción correspondiente. El valor de referencia (set-point) es la temperatura en grados Celsius que se utilizará para calcular el error. La zona muerta incluye los valores alrededor del valor de referencia que serán ignorados para el cálculo del error. o Ganancia proporcional (adimensional): en función de si el control es de acción directa o inversa se elegirá el signo de la misma y su valor se corresponde con la señal de salida del PID (0-100%) dividido entre la señal de entrada (error en %). o Tiempo integral, tiempo derivativo y retardo de la acción derivativa: se corresponden con los parámetros del PID en milisegundos. 6.3 Control secuencial El control de variables discontinuas o que presentan valores finitos requiere de un tratamiento aparte. Este tipo de control se caracteriza por la forma en que el estado de las variables internas y las entradas afectan al estado del sistema en el momento actual y en el futuro. Al tomar valores finitos, normalmente dos (activado/desactivado, verdadero/falso, 1/0), las posibles salidas o estados del sistema se reducen considerablemente. La mejor forma

5 de comprender este tipo de control es a través del álgebra de Boole. Al tratarse de circuitos lógicos, se pueden emplear para su diseño las puertas lógicas (AND, OR, XOR, NOT ). No obstante, estos sistemas de control presentan una diferencia respecto a los circuitos lógicos combinacionales, cuya salida es una cierta función de las entradas en cada momento. Los sistemas lógicos secuenciales permiten disponer de una memoria del estado del sistema, bien a través de contactos eléctricos (relés temporizados, biestables) o bien a través de software (temporizadores, marcas, etc). La salida de estos sistemas dependerá, por tanto, del estado de las entradas y también de la historia del sistema. Para describir el funcionamiento de los sistemas secuenciales se suele hacer uso de esquemas lógicos y diagramas de contactos, o bien, de diagramas gráficos más adaptados a la lógica secuencial como es el caso de GRAFCET (puede programarse en STEP 7 usando el programa S7-GRAPH). Como parte del control de reflujo, se ha utilizado un control secuencial que incluye la marcha/paro del reflujo y la regulación de los temporizadores de conexión y desconexión del electroimán. También se ha utilizado un control de marcha/paro en el control de la bomba de alimentación.