1. Introducción al Control Automático 1

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1 1. Instrumentación y Control (Automático) de Plantas Químicas 1. Introducción al Control Automático La Asignatura Objetivos del Control Idea de Control Características del Control Historia Los Componentes del Sistema de Control El Proceso Objetivos Sensores Los actuadores Comunicaciones El cómputo La arquitectura y las interfaces Algoritmos utilizados Influencia de las perturbaciones e incertidumbres Coherencia Análisis de Costos Lazo Cerrado y Lazo Abierto El Control como Rama de la Ingeniería Introducción.doc 1

2 1.1. La Asignatura Nombre: Instrumentación y Control de Plantas Químicas Créditos: 10 (10 horas semanales) Docentes: Aníbal Zanini [email protected] Matías Segal Manuel Remer Nicolás Galanternik Sergio Hanela Horarios: Teoría: Viernes de 18 a 22 hs Práctica: Lunes de 18 a 22 hs 01 Introducción.doc 2

3 Metodología: Modalidad: Teórico práctico con prácticos en computadora y planta La materia se evalúa mediante: - un parcial dividido en dos partes a mediado y fin del cuatrimestre - un trabajo práctico de simulación - un coloquio integrador final - El parcial y el trabajo práctico no tienen nota sino que estarán aprobados o desaprobados. - Cada parte del parcial tendrá un recuperatorio. - Existe un último recuperatorio, que se puede utilizar para aprobar una de las partes del parcial - La nota final será la del coloquio integrador. - Para estar apto para el coloquio se deben tener aprobada las dos partes del parcial y el Trabajo Práctico. - La fecha límite de entrega del Trabajo Práctico es una semana antes del último recuperatorio. - Se deberá tener un 80% asistencia a las clases prácticas 01 Introducción.doc 3

4 Página: Bibliografía básica: - Chemical Process Control - Stephanopoulos,G.Prentice-Hall, Control Automático de Procesos - Smith-Corripio, Limusa, Control System Design. Goodwin, G. C., Salgado M.E., y Graebe S. F.. Prentice Hall, Ingeniería de Control Moderna - Ogata, K., Prentice-Hall Process Control - Harriot, P., McGraw-Hill. - Teoría de Control para Procesos Industriales Zanini, A. AADECA Apuntes de Clase ver página web de la materia. 01 Introducción.doc 4

5 1.2. Objetivos del Control d e d s u G y r Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando una señal de entrada (u). Se debe cumplir esto independiente de - d e perturbaciones de entrada - d s perturbaciones de salida - Ĝ imprecisión en el conocimiento de la planta (Ĝ G ) 01 Introducción.doc 5

6 e y G u d d [1.1] s Ejemplo: "mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fricción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medición poco precisa y que no se conoce exactamente las características de la bomba" 01 Introducción.doc 6

7 e y G u d d [1.3] s r s G 1 s u s G s y s r s e s K s u s de s ds s G s y s 01 Introducción.doc 7

8 1.3. Idea de Control Bases de nuestro curso: Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar Estudio de técnicas para el control, especialmente dinámico. Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática: Sistemas diseñados por el ser humano: La Tecnología Oculta control de velocidad, posición, nivel, temperatura En seres vivos control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de pupilas. Control con realimentación: caso especial. ejemplo heladera o caldera 01 Introducción.doc 8

9 Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas humanas Hoy es usado para: - aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad - mejor rendimiento - menor desperdicio y reprocesado de productos - menos contaminación - mayor margen de seguridad - menor consumo de energía Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy importante. 01 Introducción.doc 9

10 1.4. Características del Control - Control con Realimentación Se usa para: - Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado cero - Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta especificación. Muy común en sistemas mecánicos - Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u otro tipo de cambios. Común en control de procesos. - Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso. - El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de control - Utilizar la lógica para analizar los problemas - Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos - La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H ) es de relevancia secundaria. 01 Introducción.doc 10

11 - Estabilidad un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio - Estabilidad marginal el sistema tiene una oscilación sostenida - Inestabilidad - el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente - El control puede - estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable - desestabilizar un sistema estable - mejorar la velocidad de respuesta - reducir el efecto de las perturbaciones - reducir el efecto de las incertidumbres 01 Introducción.doc 11

12 1.5. Historia - Control de nivel Sensor y actuador coinciden 01 Introducción.doc 12

13 - Control de Temperatura (1620) 01 Introducción.doc 13

14 - Control de Velocidad de Rotación (1788) se utilizan como sensor de velocidad - varían la salida de vapor 01 Introducción.doc 14

15 La industria moderna cuenta con sofisticados sistemas de control que son cruciales en su operación. Planta de Reducción Directa 01 Introducción.doc 15

16 La Ingeniería de Control ha tenido, y tiene, un fuerte impacto social. 01 Introducción.doc 16

17 - Teoría J.C. Maxwell 1868 On Governors ecuaciones diferenciales, linealización, estabilidad, ecuación característica. E. J. Routh 1877 gana premio Adams con su criterio de estabilidad. A. M. Lyapunov 1892 estabilidad (recién se utilizó en control a partir de 1958) H. Nyquist estabilidad en frecuencia H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados análisis frecuencial impacto de las comunicaciones Callender (1936) PID para procesos industriales Wiener (1930) procesos estocásticos Kalman y Bellman 1950 optimización y filtrado Pontryagin variables de estados (edo) control óptimo Moscu 1960 nace IFAC AADECA Argentina miembro fundador de IFAC 01 Introducción.doc 17

18 1.6. Los Componentes del Sistema de Control Automatización Típica - nivel proceso 01 Introducción.doc 18

19 Nivel Planta 01 Introducción.doc 19

20 FS Silencer 1313 FV 1933 FV 1914C Cooling Zone Mist. E liminator FS FV 1914D Gas Reductor SV AT 1937A [CH4] AT 1937B [CH4] FV 1979 FV FV AV 1937 HV 1914A HV 1938 SV 2003A SV 2004 AT 1913A [CH4] AT 1913B [CH4] S V 2003C AT 1988 [H2] AT 1979 [CO] SV 2003B TV 1914B TT 1917/7A METANO A GAS RE FORMADO AT 1912A [CO2] AT 1912C [CO2] H1 TT 1917/7B Gas Reformado Humos a Gas de Sello TT 1917/7C HV PV 1918 PCV 1322B Gas de Tope Gas de Tope Combustible Main Bur ner s Auxiliary Burners Gas de Proceso FV HV 1928 TV Gas de Sello HS 1925 Aire y Gas Natural a Gas de Sello Aire Secador Gas de Sello A1 G By Pas s By Pas s FS FS HV 1304 PDV xxxxx HV 1309A A ire de Dilucion S V 1322B HV SV 1323B SV 1322C S V 1323C Silencer Silencer SV 1322A SV 1323A PCV 1322A P CV 1323 FS By P ass By P ass TV 2308A TV 2308B HV 1305 PDV TT 2308/ TT 2308/11 temp humos temp humos TY 2308A TIC 2308/A1 TT 2308/29 TT 2308/30 TIC 2308/B1 TY 2308B Silenc er 1305 HV 1919 FV 1919A AT [O2] AT [CO] AT [O2] AT [CO] TIC 2308/A2 TT 2308/2 temp aire r ecuper temp aire recuper TT 2308/12 TIC 2308/B [CO2] Gas Mezcla HV FV 1921B AT [O2] AT [CO] AT [O2] AT [CO] r elacionador 1:8 AV 1912 AT [O2] AT [CO] S V 1302A SV 1302C HV SV 1302B FS 1333 PV 2333 P & I Proceso Reduccion Directa Automático Manual Plano: 01 PI 1001 Gas de Proceso PC 1918 PDC PDC PC 1919 FC 1921A FC 1921B AC 1912 HC 1307 TC 1915 Gas Reformado TC 1914B HC 1914 AC 1937 FC 1938 FC 2003 FC 1914C Gas Enfriamiento FC 1933 FC 1914D Gas Natural a Horno Reductor FC 1978 FC 1979 Reformador TC 1903 FC 1924 FC 1934 FC 1309 TC 1928 PC 2333 Recuperador TC 2308-A1 TC 2308-A2 TC 2308-B1 TC 2308-B2 Presión Diferencial Compresores Primera Etapa PDIC 1304/1 PDT 1304/2 PDY 1304 SV xxxx PT TE 1304/2 1304/2 Presión Diferencial Compresor Segunda Etapa PDIC 1304/2 PDY 1305 SV xxxx FT 1302 PT 1302 TE 1302 FIC 2003 Variable de control Control en PLC ZS 1933 FY 1933 Cooling Zone Scrubber FS-1314 FT 1914D FIC Gas Enfriamiento a 1914D Gas de Proceso Venteo Gas de Tope Combustible HIC HY ZT 1915 FT 1923B FT 1915 Top Gas Scrubber FS-1303 PY 1918 PT 1918 PIC 1918 PT 1980A PDT 1304/1 PT TT 1304/1 1304/1 PDT 1305 HIC FY Caudal Gas de Proceso (Grueso) PT TT AT 1902 PT 1919 FY 1921 CH4 Caudal Gas de Proceso (Fino) FIC 1921A Control Presión Sistema PT TT PDT 1313 Reciclo FS-1313 FIC (Gas Enfriamiento) 1933 TE 1949 FT 1933 FY 1914D O2 FY 2003 Caudal de Oxígeno FIC 2003 FT PT N2 TE 2003 PT XXXX Main Blower FS 1309 Damper 1309 FY FIC PT A Caudal Aire a Combustión Principal FT FIC FY ZS A Bloqueo HIC Aire 2309 Dilución Caudal Aire Dilución A < FT 1921C TT 1948C Caudal Gas de Proceso FFY 1921 FT FIC Caudal Gas Natural 1921A 1921B a Proceso (Grueso) FT 1921B FY 1921B FT 1312A AY 1912 PT 1915B Temperatura TIC Combustion 1924A Principal Temp. Techo TY 1903 Caudal CH4 a Quemadores HIC Principales 1924B FY 1924 TV 1924A FT 1924B PSL/L PSH/H 1323B 1323 HIC 1307 CO2 en Gas AIC Reformado 1912 (Caudal CH4) HS 1912 FT 1914C TT TT 1914A 1914B Reformed Gas Cooler FS-1315 HY 1914A Caudal Control HIC 1914A de Temperatura Gas Reductor TY 1914B PT 2333A HV 1924B FT 1322A PSL/L 1322A PT 1323A FIC FY 1914C 1914C Gas de Enfriamiento a Gas Reformado Frío Adición de Metano a Gas Reductor(Vernier) HS AIC AY TIC 1914B Temperatura Gas Reductor FY HIC Adición de Metano a Gas Reductor(Grueso) PT 2333B TT 1928A HS 1928 TT 1928B 10/1 TY 1928 TIC 1928 Temperatura Combustión Auxiliar FS 1320A Auxiliary Blowers FS 1320B ZSC 1322C < Caudal Aire Dilución B Presión Horno Reformador PY 2333 PIC 2333 FY 1979 FIC 1979 FT 1979 Adición CH4 a zona de transición PT 1980F PT 1915A PSL/L PSH/H FT 1322B ZSO 1932A1 ZSO 1932A2 FY 1978 Adición CH4 FIC a zona de 1978 enfriamiento FT 1939 FT Introducción.doc 20

21 El éxito en la ingeniería de control está en la visión multidisciplinaria (holística) del problema. Algunos elementos que intervienen son los siguientes: - El proceso a controlar - Los objetivos buscados - Los sensores disponibles o a utilizar para acceder a las variables a medir - Los actuadores - Las comunicaciones - El cómputo - La arquitectura y las interfaces - Algoritmos utilizados y modelos - La influencia de las perturbaciones e incertidumbres 01 Introducción.doc 21

22 El Proceso Proceso: grupo de elementos interactuantes que le dan al conjunto (o sistema) determinadas cualidades dinámicas o temporales. Proceso y sistema: proceso es un sistema, pero en el que sus elementos pueden ser solo materia, energía o información. El proceso cambia de instante a instante pasando de un estado a otro. Variables de salida: variables que reflejan el estado de un proceso (accesibles). Variables de control: elementos que afectan el comportamiento o estado del proceso y pueden ser comandadas por nosotros Perturbaciones: elementos que afectan el comportamiento o estado del proceso y no pueden ser comandadas por nosotros La disposición y las funciones de cada elementos de un proceso (layout) es una parte fundamental del problema de control. El ingeniero de control debe tener una relación familiar con la física del proceso en estudio. Esto incluye un conocimiento básico de los balances de masa y energía y los flujos de materiales o energía en el sistema. 01 Introducción.doc 22

23 Objetivos Antes de especificar sensores y actuadores, o de diseñar estrategias de control es necesario definir cuál es el objetivo a alcanzar con el proyecto de control. Esto incluye: - Qué se quiere alcanzar (reducción de energía, aumento del rendimiento, etc). - Qué variables se necesitan controlar para lograr esos objetivos - Qué comportamiento se necesita (precisión, velocidad, etc) 01 Introducción.doc 23

24 Sensores Los sensores son los ojos del control. Permiten ver qué está pasando. Comúnmente se dice: - Si lo puedes medir, lo puedes controlar o, - No se puede controlar lo que no se puede medir 01 Introducción.doc 24

25 Los actuadores Una vez definidos los sensores que reportarán el estado del proceso, el paso siguiente es definir la forma en que afectaremos o actuaremos sobre el sistema. Los actuadores son los elementos que moverán el proceso del estado actual hacia el estado deseado. Un problema típico de control industrial involucra una serie muy variada de actuadores 01 Introducción.doc 25

26 Comunicaciones La interconexión de los sensores, actuadores y el resto de elementos, involucra un sistema de comunicaciones. Una planta industrial puede tener miles de señales que se envían a grandes distancias. El diseño del sistema de comunicación y sus protocolos asociados toman una relevante importancia en la ingeniería de control moderna. 01 Introducción.doc 26

27 El cómputo En un sistema de control moderno, la conexión entre sensores y actuadores se hace a través de un elemento de cálculo digital. Este elemento digital o computador es parte del diseño global. Los sistemas de control actuales utilizan una gran variedad de elementos digitales, incluyendo DCSs (distributed control systems), PLCs (programmable logia controllers), PCs (personal computers), PECs (power electronic controllers), etc. 01 Introducción.doc 27

28 La arquitectura y las interfaces El problema de conectar qué cosa con qué otra no es algo trivial en el diseño del sistema de control. Uno está tentado a pensar que la mejor solución es llevar todas las señales a un punto central. En ese caso cada acción de control estará basada en la máxima información (esto es lo que se llama control centralizado). Rara vez, esta es la mejor solución en la práctica. Hay muchas buenas razones por las que no sería conveniente llevar todas las señales a un único punto. Estas razones incluyen costo, complejidad, tiempo de cómputo, confiabilidad, etc. 01 Introducción.doc 28

29 - Control Jerárquico Típico 01 Introducción.doc 29

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31 Nivel Descripción Objetivo Frecuencia de muestreo Herramienta de diseño 4 Optimización de toda la planta Conjugar órdenes de compras con programación de la producción Una vez al día Optimización estática 3 Optimización del estado estacionario en una unidad operativa Operación eficiente de una unidad individual (por ejemplo línea de CND) Cada hora Optimización estática 2 Control dinámico en una unidad operativa Lograr los presets o valores de referencia impuestos por el nivel 3 lo más rápido posible e independiente de las condiciones operativas Cada minuto Control multivariable, por ejemplo control predictivo basado en modelos 1 Control dinámico de los actuadotes Alcanzar los caudales o temperaturas especificadas en el nivel 2 manipulando válvulas, motores, etc. Cada segundo Control individual por variable, por ejemplo PID 01 Introducción.doc 31

32 Algoritmos utilizados Finalmente, llegamos al corazón de la ingeniería de control: los algoritmos que conectan los sensores con los actuadores. Es fácil de subestimar este aspecto del problema. Un ejemplo es el juego de tenis al máximo nivel internacional. Se necesita buena vista (los sensores), músculos fuertes (actuadores), pero esto no es suficiente. La coordinación ojo-brazo (esto es el control) es crucial también para el éxito. - Mejores sensores, dan una mejor visión - Mejores actuadores, dan mejores músculos - Mejor control, da una mayor destreza y combinación más inteligente de los sensores y los actuadores. 01 Introducción.doc 32

33 La industria tiene músculos y ojos El control brinda la destreza para manejar esos músculos 01 Introducción.doc 33

34 Influencia de las perturbaciones e incertidumbres La ciencia del control se hace interesante porque los procesos reales están perturbados por fenómenos no contemplados o no controlados. Estos factores pueden tener una influencia muy importante en el comportamiento del sistema. Ejemplos: la variación de la carga en un horno de TT o las olas del baño en un EAF Coherencia La bondad del sistema de control en su conjunto, está dada por la calidad del eslabón más débil. Al diseñar un sistema de control se debe pensar en que todos los elementos, planta, sensores, actuadotes, comunicaciones, interfaces, algoritmos, sean de una precisión y calidad comparable Análisis de Costos Debemos tener presente que todo proyecto de automatización y control, como todo otro proyecto, debe estar justificado económicamente. Esto requiere un análisis de costo-beneficio 01 Introducción.doc 34

35 1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto - Lazo Abierto más estable adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano necesita menos potencia más económico 01 Introducción.doc 35

36 - Lazo Cerrado 01 Introducción.doc 36

37 01 Introducción.doc 37

38 Usa realimentación menos sensible a perturbaciones tendencia a sobre corregir errores y a inestabilizar el sistema 01 Introducción.doc 38

39 1.8. El Control como Rama de la Ingeniería - No es fácil controlar un proceso - La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada - Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento Un control de alto rendimiento es caro y requiere: - conocimiento acabado del proceso - conocimiento de su dinámica - comprensión de la teoría de control - buenos sensores - computadoras rápidas Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más sofisticado 01 Introducción.doc 39

40 - Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control? Hardware (no es un problema) - comunicaciones rápidas - velocidad de procesamiento - flexibilidad - software amigable Sensores y Actuadores ( sí es un problema) - muchas veces no se comprende lo importante que es esto - a veces no existen sensores - o son muy lentos Tiempo (si) - se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema - diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado 01 Introducción.doc 40

41 Cultura (si) - Nivel gerencial o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría) - Gente de Proceso y Control o el control no es fácil o se debe pensar más allá del pensamiento actual o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar - Operadores o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados - Docentes o ir más a la práctica o unir la teoría sofisticada con la aplicación 01 Introducción.doc 41

42 El ingeniero de control está pasando de diseñar controladores a diseñar procesos 01 Introducción.doc 42

43 Beneficios del Control - Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel o gasto en educación básica de control o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos - Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento. o regulación compleja o supervisión o optimización - Recordar: hay que cuantificar los beneficios!! - Cálculo de la tasa de retorno. Deseable: < a un año 01 Introducción.doc 43

44 - Cómo abordar un problema de control complejo? - Conformar un equipo de trabajo o multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores, gerentes. - - Definir la situación actual: o qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? cómo lo medimos? - Listar las mejoras a introducir o cuál es la mínima mejora aceptable? - Cuantificar los beneficios o ponerlos en cifras $$ o calcular la tasa de retorno - Elegir un método de diseño y solución acorde o hay muchos para elegir o el método en sí no influye en el costo pero puede traer dolores de cabeza - Implementación 01 Introducción.doc 44

45 o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables) - Verificación de resultados o importante para futuros proyectos o escribir todo o hacerlo circular entre gerentes y supervisores 01 Introducción.doc 45

46 La industria tiene músculos El control brinda la destreza para manejar esos músculos 01 Introducción.doc 46