Estructuras de control

Transcripción

1 Estructuras de control (Control avanzado) Prof. Mª Jesús de la Fuente Dpto. Ing. de Sistemas, UVA ISA. UVA 1

2 Estructuras de control Modificaciones de lazos de control convencionales para mejorar: Rechazo de perturbaciones Mantenimiento de proporciones Operación con varios objetivos Operación con varios controladores Operación con varios actuadores Etc. ISA. UVA 2

3 Estructuras de control Control en cascada Control feedforward Control ratio Control selectivo Control override Control de rango partido (split range) Control inferencial Ejemplos de control de varias unidades de procesos Metodología de diseño ISA. UVA 3

4 Lazo de control simple p a u TC w q F v TT T Condensado Respuesta ante cambios en la presión de alimentación: Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador modificando u ISA. UVA 4

5 Diagrama de bloques p a q W u F Reg Vapor v Cambiador T TC TT T Condensado ISA. UVA 5

6 Reguladores en Cascada p a FT FC TC w q F v TT T Condensado El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en p a sobre F v antes de que alcancen al cambiador significativamente ISA. UVA 6

7 Reguladores en cascada p a q W TC FC Vapor Cambiador F v T El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en p a sobre F v antes de que alcancen al cambiador significativamente ISA. UVA 7

8 Reguladores en cascada p a q W TC FC Vapor Cambiador F v T Proceso principal (TC-Cambiador) lento Proceso secundario (FC-Vapor) rápido Perturbaciones sobre el proceso secundario de efecto controlable Mas instrumentación ISA. UVA 8

9 Sintonía/Operación W R 1 R 2 G 2 G 1 y Sintonizar primero los lazos interiores, luego los exteriores En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que uno simple Si un lazo está en manual, todos los externos a el deben estar en manual ISA. UVA 9

10 W Diagrama equivalente u 1 y 2 R 1 R 2 G 2 G 1 y W u 1 y 2 y R 1 G 1 R 2 (s)g 2 (s) 1+ R (s)g (s) 2 2 G 2R 2 R1G1 1+ G 2R 2 R1G1G 2R 2 Y1 (s) = W 1(s) = W 1(s) G 2R 2 (1 + G R ) R G G R 1 R G G R 2 2 ISA. UVA 10

11 Cascada Temp-Presión p a w PC TC q F v PT TT T Condensado El regulador interno (PC) de presión corrige mas perturbaciones y de forma mas eficaz ISA. UVA 11

12 Reguladores en cascada p a q W TC PC Vapor Cambiador p s T El regulador externo (TC) fija la consigna del regulador interno (PC) el cual corrige el efecto de los cambios en p a sobre p s antes de que alcancen al cambiador ISA. UVA 12

13 Control de nivel q i h w LT LC u q Respuesta ante cambios en la presión en la línea de descarga: Su efecto se traduce a un cambio de h que es corregido por el regulador modificando u p s ISA. UVA 13

14 Control en cascada q i h LT w LC FT FC u El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige el efecto de las perturbaciones p s sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito q ISA. UVA 14 p s

15 Cascada Nivel-caudal p s q i W q LC FC Caudal Depósito h El regulador externo (LC) fija la consigna del regulador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito ISA. UVA 15

16 Temperatura- Reactor TC TT u Reactante T i T Reactor Refrigerante Producto Respuesta ante cambios en la temperatura de refrigerante T i : Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el regulador modificando u ISA. UVA 16

17 Cascada Temp-Temp TC TC TT T r TT T Reactor Reactante T i Refrigerante El regulador externo (TC 1 ) fija la consigna del regulador interno (TC 2 ) el cual corrige las perturbaciones en T r antes de que alcancen significativamente a la temperatura T ISA. UVA 17

18 Cascada Temp-Temp T i W T r TC 1 TC 2 Refrig Reactor T El regulador externo (TC 1 ) fija la consigna del regulador interno (TC 2 ) el cual corrige las perturbaciones en T r antes de que alcancen significativamente a la temperatura T ISA. UVA 18

19 Control de temperatura en el reactor 1.5 ºC 10 min ISA. UVA 19

20 Control de temperatura en la camisa ISA. UVA 20

21 Control de temp en el reactor /cascada 0.3 ºC 4 min ISA. UVA 21

22 Compensación en adelanto p a u TC w T i q F v TT T Condensado Respuesta ante cambios en el caudal q ó en T i : El regulador solo empieza a corregir cuando T se ha modificado. ISA. UVA 22

23 Feedforward FY p a u TC w FT q F v TT T Condensado Respuesta ante cambios en el caudal q : La salida del regulador se modifica de acuerdo a los cambios de q para compensar su efecto en T ISA. UVA 23

24 Feedforward G F P(s) G p U(s) G Y(s) Producir a través de G F y G un cambio en Y(s) igual y de sentido contrario al que se produce a través de G P al cambiar P(s) para compensar este ISA. UVA 24

25 Feedforward Perturbaciones medibles y de efecto no controlable directamente Necesita instrumentación y cálculo adicional G P debe ser mas lenta que G Es una compensación en lazo abierto que debe emplearse normalmente junto a un regulador en lazo cerrado ISA. UVA 25

26 Diagrama de bloques G F P G P W + - R u G Y No se modifica la dinámica en lazo cerrado Y(s) Y(s) = G(s) = G(s)R(s) [ U(s) + G F(s)P(s) ] + G P (s)p(s) = [ W(s) Y(s) ] + [ G(s)G (s) + G (s)] G(s)R(s) = W(s) + 1+ G(s)R(s) G(s)G F(s) + G 1+ G(s)R(s) P(s) P(s) ISA. UVA 26 F P P

27 Cálculo de G F G F P(s) G p U(s) G Y(s) Y(s) 0 = = = G(s) G(s)G [ U(s) + G F(s)P(s) ] + G P + [ G(s)G (s) + G (s)] G(s)U(s) F (s) + G P (s) F P (s)p(s) P(s) = G F G P (s) = G(s) ISA. UVA 27

28 G F práctica G F = G P (s) G(s) No tiene la realizabilidad asegurada Puede ser de alto orden Validez limitada al rango de validez de G P y G G F practica: G F = K F(bs + 1) (as + 1) K F = K K P ISA. UVA 28

29 Lead/Lag b < a G F = K F(bs + 1) (as + 1) b > a ISA. UVA 29

30 Cambiador - perturbación 2 ºC min. ISA. UVA 30

31 Modelo Temp - u Test en lazo abierto ISA. UVA 31

32 Modelo Temp - u G( s) = sd ke ( τs + 1) = 0.46e 0.96s s ISA. UVA 32

33 Modelo temp-warm flow Test en lazo abierto ISA. UVA 33

34 Modelo Temp- warm flow G p (s) = sd k( τls + 1)e ( τ s + 1)( τ s + 1) 1 2 = 0.17( 4.07s + 1) e 0.87s (0.82s + 1) 2 ISA. UVA 34

35 Cambiador compensador Feedforward G F G (s) G(s) 0.17( 4s + 1)e (0.82s + 1) 0.46e 0.96s P = = 0.87s 0.87s = 0.34(0.96s + 1)( 4s 2 (0.82s + 1) + 1) ISA. UVA 35

36 Cambiador con feedforward ºC? min. ISA. UVA 36

37 Compensación estática / modelo as + 1 τs + 1 Fv = qce (T T i ) ΔHρ v p a FT FC TC w FT TT q F v TT T Condensado Debe incorporarse la dinámica del proceso El modelo estático puede usarse en lugar de K F ISA. UVA 37

38 Cascada+Feedforward FY p a PC u TC w FT q F v PT TT T Condensado ISA. UVA 38

39 Control de proporciones F A F B /F A F B FT r RC FY FT Producto A Producto B Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla ISA. UVA 39

40 Control ratio FT F FF r rf FC FT Producto A Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla Producto B Mejores características dinámicas ISA. UVA 40

41 Control ratio/relación FT RC FY FT FT FF FC FT A B Gan. variable FB r = FA r F = F F A r F B = 1 F A B 2 A Variable controlada Gan. perturbación Gan. Var. manipulada F B F F B B F F = B A rf A = 1 = r Gan. cte ISA. UVA 41

42 Diagrama de bloques F A af A a + - Reg Flujo F B Se fija la consigna del lazo de control de flujo F B en proporción al flujo medido F A ISA. UVA 42

43 Control Selectivo Reactivos Reactor Tubular T TT TT TT Refrigerante x TC Como seleccionar la medida de temperatura? ISA. UVA 43

44 Control Selectivo Reactivos Reactor Tubular Se selecciona la mayor de las temperaturas en cada instante TT TT HS TC TT Refrigerante ISA. UVA 44

45 Control Selectivo Las demandas variables de cada usuario obligan a fijar w continuamente en el valor mas alto previsible FT FT FC FC w SC ST PC Aire PT FT FC Motor Compresor ISA. UVA 45

46 Control Selectivo / VPC La presión se ajusta automáticamente para que la válvula mas abierta lo esté al 90% FT FC VPC: Valve position control 90% VPC w FT FC HS SC ST PC Aire PT FT FC Motor Compresor ISA. UVA 46

47 Control selectivo / Seguridad AC HS Catalizador Reactante Reactor AT AT Ante un fallo (lectura a cero) en un analizador se mantiene la señal del otro al controlador. En un fallo de lectura a 100% el controlador (AC) pararía la planta ISA. UVA 47

48 Control selectivo / Seguridad AC MS Catalizador AT AT AT Reactor Reactante Otra opción es utilizar políticas de 2 contra uno, o de selección del valor medio > < < < Selector de valor medio ISA. UVA 48

49 q i Control Override w L LC w L h w F FT FC LS < u Requisitos : w L nivel mínimo a mantener Flujo cte. LT q ISA. UVA 49

50 Control Override w T Mantener la temperatura T sin que se sobrepase una temperatura máxima w T en los humos del horno TT TC T TT TC FC LS Gas FT ISA. UVA 50

51 Control Override Protección de la bomba ante presión baja a la entrada (surge) o subida de temperatura PT TT FT P min PC TC T max FC LS LS ISA. UVA 51

52 Control override LS w P PC FC PT FT SC ST Motor Compresor Requisitos: Flujo tan constante como sea posible, sin que se sobrepase una presión máxima w P en la linea a pesar de las demandas variables ISA. UVA 52

53 Control override LS w P PC FC PT FT SC ST Motor Compresor w P p ISA. UVA 53 F

54 Seguridad A la atmósfera P max PC PT FT FC Limitar la presión máxima en la línea de suministro ISA. UVA 54

55 Control de rango partido v 1 v 1 v 2 v 2 v 1 w F FC u Tabla u FT v 2 q ISA. UVA 55

56 Control de rango partido UY PC u v 1 v 2 PT v 1 v 2 v 2 Reactor gaseoso v 1 u Split range ISA. UVA 56

57 Control split range Reactor TT TC TT TC UY v 1 u Agua v 2 v 1 v 2 v 1 v 2 u Refrigerante ISA. UVA 57

58 Control inferencial A menudo hay variables, como las composiciones de una columna, para las que es caro o difícil disponer de medidas fiables y rápidas, por lo que su valor se estima, o infiere, a partir de medidas de proceso, leyes físicas, modelos tipo NN o equivalentes, PT TT XY Valor inferido de x XC u ISA. UVA 58

59 Control Inferencial FY Flujo másico FT TT PT FC u Se calcula el flujo másico a partir de las medidas de flujo volumétrico, presión y temperatura q ISA. UVA 59

60 Cálculos auxiliares PC PT PY Vapor sobrecalentado Saturador TT T sat Se calcula la temperatura de saturación en función de la presión del vapor Agua TC ISA. UVA 60