TEMA 1. INTRODUCCION AL CONTROL DE SISTEMAS. MODELIZACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS

Transcripción

1 Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos- 1 EMA 1. INRODUCCION AL CONROL DE SISEMAS. MODELIZACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS 1.1. Introducción. El objetivo general de cualquier proceso químico consiste en transformar unas materias primas en productos de una forma segura, económica y respetuosa con el medioambiente. Para conseguirlo, todos los equipos que integran la planta química deben operar de forma correcta y en las condiciones idóneas para obtener el máximo rendimiento posible. Sin embargo en el transcurso del tiempo la planta está sometida a perturbaciones o influencias externas tales como cambios en la composición de materias primas, cambios en la calidad del vapor, temperatura de corrientes de entrada y salida, etc. Dichas perturbaciones obligan a una vigilancia constante de la planta y a la oportuna corrección de las desviaciones que se detecten. La automatización de una planta química consiste en efectuar ambas acciones de vigilancia y actuación correctora de forma automática mediante la instalación de un conjunto de instrumentos de medida y manipulación que se conoce como sistema de control. A continuación se muestra una animación apple como ejemplo de algoritmo de control: ( Cuestión. Comprobar las ventajas del control automático sobre el manual mediante el apple anterior. Res. Utilizar valores de defecto PV=70.5, SP=53 y MV=48. Bajar MV a 32 (se obtiene error nulo). Perturbar la temperatura de entrada a En manual rectificar a MV=28.8. Poner control automático en condiciones de steady state a 18ºC. Perturbar a 18.5 desactivando el reinicio del PID. A partir del ejemplo anterior, se pueden adoptar varias estrategias de control. Se verán dichas estrategias aplicadas al tanque con intercambio de energía.

2 Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos Estrategias de control. Las estrategias de control son numerosas y dependen de múltiples factores (variables de perturbación, controladas, manipuladas, etc.), para los casos más simples en los que se pretenda controlar un solo parámetro de salida mediante una sola actuación (variable manipulada) pueden mencionarse el control por realimentación y el control anticipativo. Estrategias de control más avanzadas serán abordadas en capítulos posteriores. Continuando con el caso anterior Figura esquematizada de un calentador de agua con serpentín. Supóngase un calentador continuo de agua formado por un tanque agitado y un serpentín con vapor a condensación. El objetivo final es conseguir una demanda variable de agua a una temperatura especificada (). El agua fría se regula a través de una válvula de regulación automática, es decir que modifica el grado de apertura dependiendo de la señal de control que le llega. En la línea de descarga hay una bomba centrífuga y una válvula de apertura manual. En la tubería de vapor existe otra válvula de regulación automática cuya apertura la establece otra señal de control. En la descarga del serpentín un purgador impide que salga vapor sin condensar. En este caso, los dos objetivos primordiales o variables a controlar que se deben conseguir son el mantener la temperatura del agua caliente en el punto de consigna deseado (set point) y mantener el nivel de agua a una altura tal que no haya peligro de que el tanque rebose o que los tubos del serpentín queden al descubierto. En el calentador continuo de agua hay muchas perturbaciones que afectan a las variables a controlar, sin embargo son el caudal de agua caliente demandado y la temperatura del agua fría alimentada al tanque las más significativas.

3 Control por realimentación (feedback). Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos- 3 Cuestión. Comprobar las ventajas y desventajas del control automático mediante el apple anterior. Res. Las ventajas se vieron anteriormente. Las principales desventajas son no eliminar el error en estado estacionario y la estabilidad del sistema. Utilizar valores de defecto PV=70.5, SP=53 y MV=48. Bajar MV a 32 (se obtiene error nulo). Perturbar la temperatura de entrada a Eliminar la acción integral e ir subiendo la ganancia del controlador gradualmente. La actuación sobre el proceso para compensar el efecto de las variables de perturbación puede basarse en el error, es decir la diferencia entre el valor medido de la variable a controlar y el punto de consigna. En la figura inferior se muestran los componentes esenciales del sistema de control automático por realimentación para el calentador de agua. Como la acción correctora se establece en función del error, es preciso medir las variables con los elementos primarios de medida o sensores. Los sensores se conectan a los transmisores que convierten las señales físicas en señales estándar hasta el controlador: h r F e, L Control por realimentación de un calentador de agua r L LC = Controlador de nivel; C = Controlador de temperatura; L = Sensor-transmisor de nivel; F, = Sensor-transmisor de temperatura; F = Caudal; = emperatura; e = entrada; r = referencia

4 Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos Control anticipativo. Otra forma básica de control consiste en actuar sobre el proceso en función de las perturbaciones observadas. Es el llamado control anticipativo (feedforward). No hay que esperar a que se produzca el error para empezar a compensar el cambio experimentado en la variable de perturbación. F e, e h r r Controlador F Controlador anticipativo. F, La figura muestra el esquema de control anticipativo. Este tipo de control es teóricamente capaz de un control perfecto del proceso, en contraposición con el control por realimentación que requiere la presencia de un error para empezar a actuar. En la práctica el control perfecto no es técnicamente posible ya que existen innumerables perturbaciones algunas de las cuales no son medibles.

5 Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos- 5 Además, todos los instrumentos presentan errores de medida y el algoritmo de control tampoco es perfecto ya que se ajusta a un modelo empírico y no representa la realidad del proceso. En general el control anticipativo se usa conjuntamente con el control por realimentación. (figura inferior). F e, e L h r r Controlador F Controlador por realimentación-anticipativo F, 1.3. Conceptos básicos en el control de procesos. Variable de proceso a controlar. Es la variable que se quiere mantener en un valor deseado de consigna. Este tipo de variables se designa con y m. Punto de consigna o referencia. Es el valor deseado para la variable a controlar. Se designa como y r o y sp. Variable manipulada o de control. Es la variable de proceso que se emplea para corregir el efecto de las perturbaciones. La variable manipulada se denota con la letra m y coincide con la señal de salida del controlador. Variable de perturbación. Son variables externas al sistema de control que afectan a las variables controladas. En los tratamientos genéricos se utilizará la letra d para designar a una variable de perturbación. Control regulador y servocontrol. Control regulador se utiliza para referirse a los sistemas diseñados para compensar las perturbaciones. El término servocontrol se refiere a los sistemas de control diseñados para abordar cambios en el punto de consigna. Sistema de control en abierto o manual. El controlador no está conectado al proceso, por tanto la acción correctora no se traduce en un cambio en la variable manipulada. El operador puede actuar manualmente. Sistema de control en cerrado o automático. La salida del controlador se calcula en función de la información recibida del proceso y de la ley de control aplicada. Una ventaja del sistema de control en lazo cerrado es que el uso de la realimentación vuelve la respuesta del sistema relativamente insensible a las perturbaciones externas y a las variaciones internas en

6 Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos- 6 los parámetros del sistema. Por tanto, es posible usar componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado de una planta determinada, en tanto que hacer eso es imposible en el caso de un sistema en lazo abierto. Desde el punto de vista de la estabilidad, el sistema de control en lazo abierto es más fácil de desarrollar, porque la estabilidad del sistema no es un problema importante. Por otra parte, la estabilidad es una función principal en el sistema de control en lazo cerrado, lo cual puede conducir a corregir en exceso errores que producen oscilaciones de amplitud constante o cambiante. Debe señalarse que, para los sistemas en los que se conocen con anticipación las entradas y en los cuales no hay perturbaciones, es aconsejable emplear un control en lazo abierto. Los sistemas de control en lazo cerrado tienen ventajas cuando se presentan perturbaciones impredecibles y/o variaciones impredecibles en los componentes del sistema. La cantidad de componentes usados en un sistema de control en lazo cerrado es mayor que la que se emplea para un sistema de control equivalente en lazo abierto. Por tanto, el sistema de control en lazo cerrado suele tener costos mayores Elementos de un sistema de control de procesos. (Ejemplos: Bolton. pag. 5) Existen cuatro elementos básicos en cualquier sistema de control automático: Sensor. Son los instrumentos que miden las variables a controlar, de perturbación y las variables secundarias que ayudan a la estimación de otras no medibles directamente. Ej. ermopares, termorresistencias, cromatógrafos, etc. Los sensores se basan en la medición de un fenómeno físico, tales como el efecto termoeléctrico, diferencia de presiones, etc. ransmisor o transductor. Son los instrumentos encargados de convertir la magnitud física medida por el sensor en una señal eléctrica, neumática o digital que pueda ser transmitida a distancia y entendida por un controlador, registrador o cualquier otro sistema de monitorización. Las líneas de transmisión se encargan de llevar la señal la distancia que sea necesaria. Controlador. Es el encargado de calcular la acción de control de acuerdo al algoritmo programando en él. El controlador envía una señal estándar de salida al elemento final de control. Hoy en día, la mayoría de controladores poseen convertidores AD y DA para poder procesar señales analógicas y digitales.

7 Introducción al control de sistemas. Modelización de procesos químicos- 7 Actuador o elemento final de control. Es el elemento que manipula la variable del proceso de acuerdo a la señal calculada por el controlador. Las válvulas de control son los elementos finales encontrados con mayor frecuencia. Otros elementos finales son relés on-off, bombas de velocidad variable, compresores de velocidad variable, etc. Bibliografía. W. Bolton. Ingeniería de Control. Ed. Boixareu. Grupo Editor Alfaomega. Edición España: Marcombo, Barcelona, G. Stephanopoulos. Chemical Process Control. An introduction to theory and practice. Prentice Hall. Englewood Cliffs, New Jersey, (version inglés). R. Dorf y R. Bishop. Modern control systems. Prentice Hall. Englewood Cliffs, New Jersey, 9 th Edition. (version inglés) W. Luyben. Process modelling, simulation and control for chemical engineers. McGraw-Hill. New York, nd edition.. (versión inglés).. Marlin Process control. Designing processes and control systems for dynamic performance McGraw Hill. New York nd edition. (versión inglés).