Ejemplos introductorios : Ejemplo de un Proceso: Propósito: Satisfacer la demanda de agua caliente a una temperatura T. Objetivo de control: mantener la temperatura de salida en un valor deseado. Otro objetivo de control: Mantener el nivel de agua estable o entre determinados valores Dos variables de control. Distintas exigencias de control.
Ejemplos de Sistemas de control Variables Medidas (No – medidas) Controlada Manipulada Perturbación 1
Sistemas de control. Ejemplos Control por realimentación de un calentador de agua (solo control de temperatura): 2
Esquemas simplificados de sistemas de control realimentado en un P&ID a) reactor tanque agitado continuo con control de composición
b) control de caudal en una cañería
c) tanque con controlador de nivel
d) proceso de mezclado con control de composición
NOTA: Se utiliza una nomenclatura especial (Instrument Society of America, ISA) para indicar: – la variable a controlar (temperatura, presión, caudal, etc.) – la función (transmisor, controlador, registrador, indicador, etc.) – líneas de transmisión (eléctricas, neumáticas, digitales, etc.) 3
Sistema de Control Abierto o manual (el controlador no esta conectado al proceso). Cerrado o automático (el controlador esta activo y funcionando con una lógica ya programada y sintonizada para cada proceso en particular)
Variable de proceso a controlar: Es la variable que se quiere mantener en el valor deseado. Punto de Consigna o referencia (set-point, SP). Es el valor deseado para la variable a controlar. Variable manipulada o variable de control Es la variable de proceso (PV) que se emplea para compensar o corregir el efecto de las perturbaciones (Ejemplo: caudal de vapor al serpentín). Variable de perturbación Son variables externas al sistema de control que afectan a las variables controladas (NO se puede actuar sobre las variables de perturbación, están impuestas por el mundo exterior). En un proceso, éstas pueden ser innumerables, pero solo algunas son significativas (por su efecto o por su frecuencia).
Definiciones y Conceptos básicos de un Sist. de Control de Procesos 4
Un Sistema de Control automático de cualquier proceso está constituido por cuatro elementos básicos. Los elementos básicos del sistema de control, independiente de la estrategia de control (realimentado, anticipado, cascada, etc. ) son: Sensor. Son los instrumentos que miden las variables a controlar o variables secundarias a partir de las cuales se infiere el valor de otra que no puede medirse directamente o por su costo (Ej.: se puede medir la temperatura en lugar de la concentración en una columna de destilación). Ejemplos: termopares, termoresistencias, placa orificio, etc. (Medición de un fenómeno físico). Transmisor o transductor. En necesario convertir la magnitud del efecto físico (ej.: una caída de presión) en una señal estándar eléctrica (4-20 mA), neumática (3-15 psi) o digital que pueda ser transmitida a distancia y pueda ser entendida por el controlador. Controlador. Éste recibe la señal correspondiente al elemento de medida y calcula la acción de control de acuerdo a un algoritmo que se haya programado en él. Ese cálculo se traduce en un valor de la señal de salida del controlador, la cual se envía al elemento de acción final de control. (Ej.: control realimentado). Actuador o elemento final de control. Es el que manipula la variable de proceso (variable manipulada) de acuerdo con la acción calculada por el controlador. (Ej. Variable de proceso manipulada: Caudal de una corriente, y el elemento de acción final: válvula de control.)
Señales e Instrumentos de un Sist. de Control de Procesos. 5
6 Sistema de control de Procesos. Representación del sistema de control en diagrama en bloques Elemento medida Error Ysp Tm T T + _ Controlador (Gp:) PROCESO (Tanque)
Señal d, Perturbación (Ej., temperatura entrada) Variable Manipulada (Ej. Calor) Elemento de control final Mecanismo de control Comparador (compara valor medido y valor deseado) set point variable controlada Control Regulatorio básico: Control realimentado (Feedback Control) S Set-point: valor deseado o referencia de la variable a controlar (Sensor + transmisor)
7 Representación esquemática de un sistema de control en la industria Medidas en campo Sala de control
El diseño de un sistema de control para una planta de procesos, en general, debe incluir las siguientes etapas o actividades:
Definir los objetivos de control. Se puede limitar a asegurar la estabilidad del proceso es decir, el control regulatorio (alcance de esta materia); o extenderse a la operación óptima de la planta. Identificar variables. Cuáles pueden ser medidas y cuáles manipuladas (su elección adecuada es de vital importancia para alcanzar un control apropiado) Seleccionar la configuración del sistema de control. Es decir, definir la estructura de control, la cual conectará las variables medibles y las manipulables (Ej.: lazos realimentados simples, lazos en cascada, anticipado, etc). Especificar la instrumentación de monitorización y control. Para implementar físicamente la configuración de control seleccionada es necesario definir los instrumentos de medida (sensores y transmisores), controladores (Ej.: tipo, marca) y elementos de acción final (Ej: tipo y tamaño válvula). (Selección técnica y económica). Diseño de los controladores. Los controladores definidos deben ser sintonizados (para que la acción correctora sea en la magnitud y momento preciso).
Diseño del sistema de control Se necesita el conocimiento, al menos aproximado, del comportamiento dinámico del proceso. 8
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