CAPÍTULO 8 FUNDAMENTOS DE CONTROL DE PROCESOS

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1 CAPÍTULO 8 FUNDAMENTOS DE CONTROL DE PROCESOS

2 CAP. 8. FUNDAMENTOS DE CONTROL DE PROCESOS 1.- CONTROL DE PROCESO. El recurso característico de la industria moderna lo constituye el control automático de procesos, tecnología mediante la cual una planta de producción hace uso de una serie de equipos y procedimientos especializados, para conducir los procesos productivos de acuerdo a especificaciones comprobadamente ventajosas, y con reducida participación del recurso humano. Ello no siempre ha sido así. Las plantas industriales de comienzo de este siglo hacían extenso uso del control manual, sumiendo a los operadores en tediosas tareas de inspección, verificación y reajuste, sustrayéndolos del trabajo creativo que podría orientarse a mejorar los procesos productivos. Como una desviación benéfica de los grandes esfuerzos motivados por la II guerra Mundial, que planteó grandes retos tecnológicos a los contendientes al utilizar novedosas armas en tierra, mar y aire, se produjo un gran desarrollo en la teoría y las practica del control automático. Al concluir las hostilidades estas innovaciones fueron trasladadas al campo de aplicaciones pacíficas, redundando en beneficio del gran público, al incrementar la productividad de los sectores económicos de las naciones. 2.- CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES DE PROCESO. Control automático. El control clásico está basado en el concepto de retroalimentación, según el cual las condiciones de operación deseables en un proceso dado, pueden mantenerse midiendo su estado a través de una variable cuidadosamente seleccionada, y utilizando la diferencia de esta medición con respecto a un valor deseado, como criterio de corrección para restituir las condiciones de operación deseadas. Este concepto es una evolución intuitiva del criterio aplicado por un controlador manual a medida que gana conocimiento del sistema que maneja y experiencia sobre los resultados que obtiene. El control manual, originalmente, aplicado a los procesos, permitió definir el alcance de las operaciones elementales y las características necesarias de los recursos a utilizar, necesarios para conformar un sistema de control automático eficaz. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-1

3 La fig. 1 presenta un lazo de control automático por retroalimentación negativa, tal como puede hallarse en cualquier sistema de control moderno. U E. DeC. M.P. Controlador r + e p m Control E.F.C. - Proceso + Producto C Cond b Vapor Traman E.P.M. Fig. 1. Diagrama clásico de un sistema de control automático por Retroalimentación Como ejemplo ilustrativo de este esquema general, supóngase que se tiene un proceso de calentamiento de aceite mediante vapor de agua, tal como se ilustra en la fig. 2. En ella se ha utilizado la misma nomenclatura de la fig. 1 y una distribución análoga de los componentes para facilitar su ubicación relativa y seguimiento funcional. En la descripción que sigue se puede, indistintamente, pasar del diagrama de bloques (fig.1), al esquema de distribución de equipos (fig. 2) o viceversa, ya que ella es igualmente aplicable a las dos figuras. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-2

4 p Aire Comp. M.P. E. de C. U r Controlador EFC m Proceso Vapor de Agua Producto C T/C E.P.M. Condensado b Transm. Fig. 2. Esquema de distribución de equipos del sistema de calentamiento automático de aceite por vapor de agua El proceso consiste en calentar aceite con vapor de agua en un intercambiador. La temperatura del aceite caliente se mide con una termocupla, que constituye el elemento primario de medida. Esta señal (b) se transmite al controlador, donde se compara con el punto de ajuste ( r) o valor deseado de calentamiento. La diferencia, resultado de esta comparación (e = r - b), va al control para ser utilizada en el algoritmo de control en la conformación de la señal que va al elemento final de control (EFC) como señal correctora (p). El EFC, a su vez, afecta el flujo de vapor que él manipula (m) en el sentido que requiere el proceso para cambiar el valor corriente de la temperatura( c) del aceite, buscando que la diferencia r b disminuya hasta hacerse nula. Cuando esta condición se alcanza, e = 0, y por tanto no hay acción correctora alguna. Si el valor de la variable controlada y retroalimentada (b) es igual a valor deseado en ella (r), y por tanto r b = 0, el sistema ha alcanzado el estado estacionario, condición ideal para la operación de un proceso productivo. Una nueva medición de e por EPM y subsiguiente comparación con r no dará valor efectivo e para producir acción del algoritmo de control, por lo cual no habrá acción correctora ni cambio en c. Debe advertirse que el proceso, componente principal del sistema, es apenas un integrante del lazo cerrado del control en el cual desempeña funciones especificas los siguientes bloques: Proceso. Componente que efectúa la operación del sistema. E.P.M. Elemento primario de medida, dispositivo que determina el valor actual de la variable controlada ( c). Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-3

5 Transmisor. Componente que remite el valor medido a los medios de control. Comparador. Componente del controlador que establece el valor de la diferencia r b = e, remitiéndola al control para desencadenar la acción del algoritmo de control. E.F.C. Elemento final de control, el dispositivo que recibe el comando del controlador para reajustar, acordemente, el balance de material o energía del proceso y causar el cambio de c en la dirección conveniente. E. De C. Elemento de carga, el medio a través del cual se producen las perturbaciones que afectan la condición de equilibrio del sistema. Estas perturbaciones se combinan con las condiciones de operación del sistema y causan la necesidad de un proceso correctivo en él. Una perturbación tal, en este caso, podía ser el cambio en la temperatura de entrada del aceite al intercambiador, que varía la necesidad de calor (cambio de carga) que debe ser suministrado en éste para llevarlo a la temperatura deseada, r. En el proceso se ha indicado la entrada de materia prima (M.P.) y la salida del producto, características de un proceso productivo, pero que resultan inmateriales para los fines del sistema de control automático. Nótese que el lazo de control está conformado por el flujo de señales (información) entre sus componentes, que solo incidentalmente, pueden coincidir con flujos de material o energía (caso del vapor manipulado por la válvula para llevar calor al intercambiador). Los flujos referidos en los dos últimos párrafos se han incluido como ilustrativos de las relaciones entre el proceso controlado y el correspondiente lazo de control. Usualmente no se incluyen en el diagrama de control. El estudio de los componentes de lazo de control, separados o en conjunto, constituye el cuerpo principal del estudio del control automático. Esto resulta muy conveniente porque son muchas las variables de carga que pueden afectar un proceso dado. La desventaja es que para tener acción correctora es necesario que se produzca ante la desviación ( e), lo cual excluye la posibilidad de tener una acción preventiva. El control por retroalimentación es a posteriori, totalmente correctivo, lo cual esta bien cuando el proceso y demás componentes del sistema tienen alta velocidad de respuesta y no existe tiempo muerto en el lazo. Pero si el sistema es lento o existe un retraso importante, la calidad del control obtenido puede ser muy baja. Una forma de control preventivo puede lograrse mediante el control por prealimentación, pero éste a su vez tiene otras desventajas que lo hacen insatisfactorio por sí solo. Mejores resultados se logran combinando las dos modalidades: control por retroalimentación + control por realimentación. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-4

6 3.- INSTRUMENTACIÓN. Aspectos Generales: 1. Especificidad de instrumentos y generalidades de controles. En el lazo de control convencional por retroalimentación, el bloque correspondiente al elemento primario de medida es el que está relacionado con el componente encargado de medir la variable que caracteriza el estado del proceso y transferir la información (por si mismo o mediante un transmisor) al comparador del control, para determinar la magnitud del error. La trayectoria seguida por esta transferencia corresponde exactamente a la que sigue la retroalimentación en el lazo de control, así que los instrumentos medidores constituyen los elementos de retroalimentación por excelencia. Debido a que los controladores manejan señales genéricas (presión de 3 a 15 lpcm, corrientes de 4 a 20mA, voltajes de 1 a 5 voltios), ellos no son específicos para los procesos que controlan. Los específicos son los instrumentos, cada uno de los cuales está estrechamente relacionado con la variable que miden, sea temperatura, presión, flujo, nivel, etc. Existen muchos principios básicos (y también sofisticados) que se utilizan para medir el estado de un proceso. Por ejemplo, para medir temperatura se puede utilizar los efectos térmicos que producen variación de dimensiones de sólidos, variación de volumen líquidos, cambios en la presión de vapor de líquidos volátiles, cambios en la presión de gases, alteración de la resistencia eléctrica, alteración de la fuerza electromotriz entre metales disímiles, cambios en la energía radiante emitida por un cuerpo, bien sea policromática o monocromática, y así muchos otros efectos. Similarmente, para medir presión se pueden aplicar principios como la deformación de metales por esfuerzos dentro de la región lineal de la ley de Hooke, (tubos de Bourdon y fuelles), la conductividad térmica de gases enrarecidos; la compresión de un gas confinado (Vacuómetro de McLeod), el efecto piezoeléctrico del cuarzo, y muchos más. Otro tanto sucede con mediciones de otras variables como flujo, nivel, composición, etc. En cada uno de esos casos, los instrumentos deben ser muy específicos para la variable de interés, y el principio aplicado en la medición. El controlador no requiere ser específico, porque tan pronto se obtiene una señal derivada de un efecto físico dado, la profusión de instrumentos convertidores o transductores que han sido desarrollados con ese propósito, la transfieren a una señal genética, que es la que en realidad utiliza el controlador. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-5

7 De manera que un control de temperatura hoy, puede ser de presión mañana o de nivel más tarde. Sin embargo, ello no implica que no haya una serie de características asociadas con el control de cada variable de un proceso dado. La temperatura se caracteriza porque los procesos asociados tienen respuesta lenta. Los fluidos transfieren calor en su interior mediante procesos convectivos que son considerablemente lentos cuando la turbulencia del flujo es baja. Por otra parte su calor específico es relativamente elevado, de manera que ellos requieren alta acumulación de calor antes de acusar un cambio de temperatura notorio. El resultado es que el establecimiento de los gradientes de temperatura dentro de las acumulaciones del fluido, mecanismo indispensable para la transferencia de calor, resulta lento y con ello la respuesta de los procesos térmicos es lenta, con constantes de tiempo grandes. La transferencia de presión a través del líquido incompresible es, por el contrario, un fenómeno muy rápido, debido a que la incompresibilidad del líquido no exige mucha transferencia de material para transmitir la onda de presión, por lo que esta viaja a alta velocidad en el seno del fluido. Entre estos dos extremos, hay una amplia gama de variaciones de los procesos, influidos no solamente por las características inherentes de los fluidos, sino también por la geometría y extensión de los mismos procesos. Todas estas características deben tomarse en cuenta en los diseños de los sistemas de control de los procesos, y por tanto en la selección de los instrumentos de medición. Los procesos lentos requieren instrumentos relativamente rápidos para no aumentar el retraso acumulado por todos los componentes del lazo, pero no excesivamente rápidos porque la respuesta total del sistema está limitada por el componente más lento, y, como en el caso de un convoy, las embarcaciones más rápidas no pueden contribuir a mejorar la velocidad de las más lentas. Procesos como el de nivel, están asociados a un integrador típico (el proceso mismo), por lo cual su respuesta característica es menos exigente, desde el punto de vista del control. Cuando no se requiere mantener un punto de ajuste fijo, el control de nivel puede lograrse por un simple control proporcional. En la práctica industrial usual, las contribuciones de los diversos componentes de un lazo de control a la velocidad de respuesta del sistema pueden ordenarse desde mayores a menores constantes de tiempo, muy tentativamente, como se muestra en la tabla 1. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-6

8 Tabla 1. Contribuciones de los equipos en un lazo de control en función de las constantes de tiempo Constantes de tiempo Bloque Equipo Unidades de tiempo Procesos Torre de Destilación (procesos térmicos) En horas Mayores Intermedios Menores Procesos Procesos Procesos E:F.C. E:F.C. E:P.M. E:P.M. E:P.M. Torre de Destilación (cambio de composición) Intercambiadores de calor (procesos térmicos) Intercambiadores de calor (procesos hidráulicos) Válvula (proceso de flujo compresible) Válvula (proceso de flujo incompresible) Instrumentos (medidores de temperatura) Instrumentos (medidores de composición) Instrumentos (medidores de flujo) En horas En minutos En fracciones de hora En minutos En minutos En minutos En minutos En fracciones de minutos Controlador Controladores neumáticos En fracciones de minutos Controlador Controladores electrónicos En segundos En forma genérica, pueden definirse las funciones de control de procesos como: Mantener estables las condiciones de operación en los puntos clave del proceso, para asegurar la controlabilidad del mismo. Suministrar a los recursos de control (operadores y medios tecnológicos) la información y datos relacionados con esas condiciones, y las herramientas requeridas para operar sobre ellas. Automatizar las operaciones para reducir la atención de los operadores y permitir mayor concentración sobre el rendimiento del proceso. Asegurar que las operaciones sean seguras para todos. El cumplimiento de estas funciones conduce a concentrar la atención del diseño del control del proceso en los siguientes aspectos: El tipo de esquema de control Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-7

9 El elemento de medición más adecuado El elemento de control apropiado 2.- Variables típicas En la industria de procesamiento de hidrocarburos, y específicamente en la de procesamiento de gas, cinco tipos de variaciones concentran la atención de la medición y control. Ellas son: a. Control de flujos de fluidos. Provee control y medición del balance de material de la unidad respectiva. Para ello están disponibles varios dispositivos de medición. Son aplicaciones comunes de este tipo de control: El reflujo y la alimentación de un fraccionador La prevención antioleaje de compresores La distribución, suministro y paso de material a muchos equipos Son elementos de medición de flujo: Las placas de orificios convencionales. Con relación de campo predominante en el orden de 3 a 1. Los tubos de venturi. Utilizados cuando la pérdida del cabezal neta resulta muy costosa con otros instrumentos. Toberas de flujo. De uso predominante en líneas de alta velocidad. Rotámetros. Usados en líneas muy pequeñas y para fluidos viscosos o de elevada capacidad de ensuciamiento. Su relación de campo típica es de 10 a 1. b. Control de nivel de líquidos. Su objetivo primordial es la estabilidad del flujo, más que el nivel constante. Sus aplicaciones comunes son: El producto de fondo de un fraccionador El nivel de agua en las calderas de vapor El producto de tope de un fraccionador con condensador parcial Los tiempos de retención típicos son: Procesos de alimentación: 15 minutos Productos a tanques de almacenamiento: 2 minutos Reflujo en columnas: 5 minutos Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-8

10 Los instrumentos de medición de nivel son: Desplazador externo, con campos de 14 a 48 pulgadas Por presión diferencial, sin restricciones de campo Por flotador de bola, ocasionalmente para proveer alarma o servicio de corte Niveles de vidrio, utilizados para verificar la medición de nivel. c. Control de presión. La medición de presión tanto en operación como en el diseño de procesos, presenta pocos problemas. Tiene por objeto proteger equipos y/o mantener una condición deseable para el desarrollo de una operación o proceso dados. Sus aplicaciones típicas, el mantenimiento de: La condición del gas combustible a los hornos La condición de un fraccionador en su tope Las condiciones en la succión y descarga de un compresor Los instrumentos de medición de presión son amplios y variados: Dispositivos de acción mecánica como fuelles, tubos de Bourdon Dispositivos basados en deformaciones detectables por efectos eléctricos como resistencia, capacitancia, inductancia. La velocidad de respuesta es alta para el caso de fluidos incompresibles, pero lenta para fluidos compresibles. d. Control de temperatura. Presenta el caso de mayor complejidad, debido a que la respuesta por cambios de temperatura o la inducción de su cambio es lenta y de efectos variados. La mayor parte de sus mediciones se hacen mediante dispositivos eléctricos: termocuplas (por su simplicidad) o por RTD (por su exactitud). Como ejemplos típicos pueden citarse: Temperatura de una corriente a la salida de un horno o a la entrada de una columna de fraccionamiento. Temperatura de tope u fondo de una torre de destilación. Temperatura de una corriente a la salida a una etapa de compresión. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-9

11 e. Control de Composición. De los cincos casos considerados, es el proceso de control menos evolucionado. Provee también información valiosa para conformar el balance de material y para verificar el control de calidad de productos. Son elementos de medición en planta: Los cromatógrafos en línea para medir composiciones de mezclas de hidrocarburos. Las celdas de oxígeno para determinar concentraciones de O 2 por su efecto paramagnético. Muchos métodos de gran éxito en el laboratorio (mediciones discontinuas) gradualmente se abren hacia la planta. Sin embargo, la misma cromatografía, de uso relativamente difundido en la industria de hidrocarburos, aún está basada en operación por cargas, con ciclo de medición de varios minutos. En las figuras 3 al 5 se presentan tres procesos típicos de la industria, señalando los lazos de control típicos y la instrumentación asociada, según se ha descrito en los párrafos precedentes. Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-10

12 Fig. 3. Tipos de instrumentación y control básicos de una columna de fraccionamiento Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-11

13 Fig. 4. Instrumentación y control típicos de un horno de precalentamiento Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-12

14 Fig. 5. Instrumentación y control típicos de un compresor centrífugo Ing. Jorge Barrientos, MSc. 8-13