curso sobre control de procesos

Curso sobre control de procesos

GG

ObjetivoEl objetivo de este curso es presentar losconceptos y las tcnicas bsicas delControl de Procesos a aquellas personasque en nuestras refineras, son lasresponsables ltimas del control de laUnidad

GGndice del curso (1/3) 1. Control Bsico

1.1 Conceptos y terminologa bsica 1.2 Control por realimentacin 1.3 Control ON-OFF 1.4 Control proporcional 1.5 Control proporcional con accin integral 1.6 Control proporcional con acciones integral y derivativa 1.7 Dinmica del proceso

2. Control Bsico de columnas de destilacin 2.1 Fundamentos del equilibrio lquido-vapor 2.2 Fundamentos de columnas de destilacin 2.3 Control bsico de columnas de destilacin

GGndice del curso (2/3) 3. Limitaciones del control bsico

3.1 Limitaciones del control bsico 4. Control avanzado

4.1 Control en cascada 4.2 Control feedforward 4.3 Control ratio 4.4 Control selectivo 4.5 Control por restricciones 4.6 Control override

5. Control avanzado de una columna de destilacin 5.1 Control avanzado de una columna de destilacin

GG

6. Control Multivariable Predictivo 6.1 Estructura de un controlador multivariable predictivo 6.2 Terminologa y fundamentos bsicos 6.3 Identificacin de un modelo para el control multivariable 6.4 Pasos en la implementacin de un controlador predictivo

7. Control Multivariable Predictivo de una Columna de Destilacin 7.1 Columna Desbutanizadora C-43 7.2 Control Multivariable en la Columna Desbutanizadora

ndice del curso (3/3)

GG

Control bsico

GG

El principal objetivo de este captulo es discutirla necesidad del control automtico de procesos. Elcontrol de procesos tiene que ver con mantener lasvariables de proceso como temperaturas, presiones,caudales y composiciones en un valor de operacindeterminado. Como veremos en seguida los procesosson dinmicos por naturaleza. Continuamente estnocurriendo cambios y, si no se toman las accionesoportunas, las variables importantes - aquellas queestn relacionadas con la seguridad, la calidad y laproduccin - no alcanzarn los valores deseados.

GGndice del captulo

1. Control Bsico

1.1 Conceptos y terminologa bsica 1.2 Control por realimentacin 1.3 Control ON-OFF 1.4 Control proporcional 1.5 Control proporcional con accin integral 1.6 Control proporcional con acciones integral y derivativa 1.7 Dinmica del proceso

GG

Conceptos y terminologa bsica

Leccin 1

GGContenido de la leccin

1.1 Conceptos y terminologa bsica

1.1.1 Introduccin a la leccin

1.1.2 Conceptos bsicos

1.1.3 Terminologa bsica

1.1.4 Resumen

GG1.1.1 Introduccin

En esta leccin se definen algunosconceptos bsicos y trminos que seutilizarn a lo largo del curso y que sonfundamentales en el campo de control deprocesos.

GGLos conceptos que se van a explicar hacen referencia a unintercambiador de calor

En este proceso hay muchas variables que pueden cambiar provocandoque la temperatura de salida se desve del valor deseado.

OBJETIVO: Controlar la temperatura de salida del proceso en el valordeseado tomando alguna accin que corrija estas desviaciones.

1.1.2 Conceptos bsicos (1/4)

El propsito de este equipo es calentar el fluido del proceso desde unatemperatura de entrada Ti(t) hasta un valor determinado de la temperaturade salida T(t), empleando como medio calefactor el vapor condensante.

Vapor

T(t) (Temperatura de salida)

Corriente de Proceso

Ti(t) (Temperatura de entrada )

INTERCAMBIADORDE CALOR

GG

CONTROL MANUAL. Una forma de conseguir este objetivo seria medir latemperatura T(t) y compararla con el valor deseado. A partir de estacomparacin el operador decide cmo corregir la posible desviacin deforma manual.

Sin embargo, puesto que en la mayora de las plantas de proceso existencientos de variables que deben mantenerse en algn valor determinado, esteprocedimiento no es viable al requerir un ingente nmero de operadores.


Vapor





GG

TCVapor





Para resolver este problema hay que disear o implantar un sistema decontrol automtico. En el caso del intercambiador de calor tendra lossiguientes componentes: Sensor: mide la temperatura de salida de la corriente de proceso. Controlador: recibe una seal relacionada con la temperatura y la

compara con el valor deseado. Dependiendo de esta comparacindecide qu hacer para obtener ese valor deseado de temperatura.

Elemento final de control: a partir de la seal generada por elcontrolador modifica el caudal de vapor. En este caso es una vlvula.


GG

La importancia de estos componentes es que realizan las tresoperaciones bsicas de un sistema de control automtico:

MEDIDA: la medida de la variable a controlar normalmente serealiza mediante la combinacin de un sensor y un transmisor.

DECISIN: basndose en la medida, el controlador decide quhacer para mantener la variable controlada en el valor deseado.

ACCIN: Como resultado de la decisin del controlador, elsistema debe tomar alguna accin. Normalmente esto lo realizael elemento final de control.


GG1.1.3 Terminologa bsica (1/6)

VARIABLE CONTROLADA (CV) o VARIABLE DE PROCESO (PV) Es la variable del proceso que debe mantenerse o controlarse en

algn valor deseado.

Vapor





En el ejemplo del intercambiador de calor es la temperatura de salida de la corriente de proceso.

Variable controlada

TC

GG1.1.3 Terminologa bsica (2/6) PUNTO DE CONSIGNA (SP)

Es el valor deseado para la variable controlada.

En el ejemplo del intercambiador es el valor deseado de la temperatura de salida de la corriente de proceso.

Punto de consigna

Cambio punto de consigna Temperatura de salida

TCVapor





GG1.1. 3 Terminologa bsica (3/6) VARIABLE MANIPULADA (MV)

Es la variable que se utiliza para mantener la variable controlada en su punto de consigna.

En el ejemplo del intercambiador es el caudal de vapor que puede modificarse abriendo y cerrando la vlvula

Variable manipulada

Temperatura de salida ( Variable controlada )

Apertura de vlvula (%) ( Variable manipulada )Perturbacin en la

entrada Ti(t)

Vapor





TC

GG

VARIABLE DE PERTURBACIN (DV) Cualquier variable que pueda provocar una desviacin de la

variable controlada respecto al punto de consigna.

En casi todos los procesos existen diferentes fuentes de perturbacin. Por ejemplo, en el intercambiador de calor:

Vapor





Temperatura de entrada Ti(t) Caudal de fluido de proceso q(t) Calidad del vapor

Condiciones ambientales Ensuciamiento del intercambiador Etc.

1.1. 3 Terminologa bsica (4/6)

TC

GG

LAZO ABIERTO Se dice que el sistema est en lazo abierto cuando el controlador

se encuentra desconectado del proceso, es decir, el controladorno toma ninguna decisin sobre cmo mantener la variablecontrolada en su punto de consigna. Por ejemplo, MODOMANUAL de un controlador.

LAZO CERRADO Se dice que el sistema est en lazo cerrado cuando el controla-

dor se encuentra conectado al proceso comparando el valor delpunto de consigna con la variable controlada y determinando laaccin correctiva necesaria. Por ejemplo, MODO AUTOMTICOde un controlador.


GG

DIAGRAMA DE BLOQUES En control de procesos normalmente se utiliza una representacin

del sistema en forma de diagrama de bloques.

CONTROLADOR PROCESO

Punto de consigna (SP)

Variable de perturbacin (DV)

Variable Controlada (PV o CV)

Variable manipulada (MV)


GG

OBJETIVO

El objetivo de un sistema de control deprocesos automtico, es emplear la variablemanipulada para mantener la variablecontrolada en un valor lo ms cercanoposible a su punto de consigna, a pesar delas perturbaciones que se produzcan.

1.1.4 Resumen (1/2)

GG1.1.4 Resumen (2/2)

En esta leccin se ha explicado en qu consiste el controlautomtico de procesos, haciendo referencia al caso concretodel intercambiador de calor.

Se han visto algunos trminos muy utilizados en control deprocesos: Variable controlada Punto de consigna Variable manipulada Variable de perturbacin Lazo abierto (Modo Manual) Lazo cerrado (Modo Automtico)

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Control por realimentacin

Leccin 2


1.2 Control por realimentacin 1.2.1 Introduccin 1.2.2 Control por realimentacin 1.2.3 Control regulatorio y servocontrol 1.2.4 Controladores bsicos 1.2.5 Accin directa y accin inversa 1.2.6 Tipos de controladores bsicos

1.2.6.1 Controlador on-off 1.2.6.2 Controlador proporcional 1.2.6.3 Controlador proporcional + integral

1.2.7 Resumen

GG1.2.1 Introduccin

En esta leccin se hace una primeraaproximacin a aspectos concretos delcontrol de procesos. Se comienza viendolas ventajas de la realimentacin y lasdiferencias entre control regulatorio yservocontrol. Se finaliza estudiando deforma somera algunos controladoresbsicos sobre los que se profundizar enlas lecciones siguientes.

GG1.2.2 Control por realimentacin (1/2)

En sistemas de control con realimentacin, el controlador compara elvalor de la variable controlada con su valor deseado y, en funcin delresultado de esta comparacin, modifica la variable manipulada.

En el intercambiador de calor, el controlador compara la temperaturade salida (variable controlada) con su valor deseado y, en funcin delresultado de esta comparacin, modifica la apertura de la vlvula deentrada de vapor (variable manipulada).

TCVapor





GG1.2.2 Control por realimentacin (2/2)

Ejemplo del intercambiador

VENTAJAS DEL CONTROL POR REALIMENTACIN Es una tcnica muy sencilla. Compensa cualquier tipo de perturbacin que afecte a la variable

controlada, independientemente del origen de dicha perturbacin.DESVENTAJAS DEL CONTROL POR REALIMENTACIN

Compensa la perturbacin despus de afectar a la variablecontrolada, es decir, una vez que la perturbacin se hapropagado por todo el proceso.

Temperatura de salida (Variable controlada )

Apertura de vlvula % (Variable manipulada )

2

El controlador no compensa la perturbacin hasta que sta no afecta a la salida.

2.-

1

1.- Se produce una perturbacin en la entrada.

Perturbacin en la entrada(aumento temperatura Ti(t))

GG1.2.3 Control regulatorio y servocontrol (1/2) A) CONTROL REGULATORIO

Su objetivo es mantener el valor de la variable controlada en un valor fijo, compensando el efecto de posibles perturbaciones.

Es el utilizado en lazos cuyo modo de control es Automtico

Perturbacin en la entrada(aumento temperatura Ti(t))

Ti(t)

Temperatura de salida T(t)

Apertura de vlvula%

La variable controlada retoma su valor deseado

GGB) SERVOCONTROL

Sistema de control diseado principalmente para que el valor de la variable controlada siga las variaciones en el punto de consigna o set point.

Es el utilizado en lazos cuyo modo de control es Cascada

Modificacin en el punto de consigna

Temperatura de salida

Apertura de vlvula

T(t)

%

La temperatura alcanza su nuevo valor

1.2.3 Control regulatorio y servocontrol (2/2)

GG1.2.4 Controladores bsicos (1/2)

El controlador es el cerebro del lazo de control, siendo el dispositivo que toma las decisiones: Compara la seal de la variable controlada con el set point. Enva la seal apropiada al elemento final de control que

corresponda (por ejemplo: una vlvula)

TCSet point

Seal de la variable controlada

Salida al elemento final de control

GG

SP

0 50 100

Output (%)

A M OP

0102030405060708090100

PV SPIndicador valor de la variable controlada

Indicador del valor del Set Point

Modificador del Set Point

Escala porcentual para Set point y variable controlada

Conmutador AUTOMTICO/MANUAL AUTOMTICO: el controlador decide

el valor de la variable manipulada MANUAL: el valor de la variable

manipulada se fija de forma manual

Modificador de la variable manipulada

Indicador de la variable manipulada

EJEMPLO DEL PANEL DE MANDOS DE UN CONTROLADOR

1.2.4 Controladores bsicos (2/2)

GG


Apertura de vlvula %%

Incremento positivo (+) variable controlada

Incremento negativo (-) variable manipulada

1.2.5 Accin directa y accin inversa (1/2)A) CONTROLADOR CON ACCIN INVERSA

Controlador que ante un incremento positivo (+) de la variable controlada, responde con un incremento negativo (-) de la variable manipulada.

EJEMPLO: En el intercambiador de calor, si sube (+) la temperatura de salida, el controlador debe reducir (-) la apertura de vlvula para dejar pasar menos vapor y restablecer el valor de la salida.

GGB) CONTROLADOR CON ACCIN DIRECTA

Controlador que ante un incremento positivo (+) de la variable controlada, responde con incremento positivo (+) de la variable manipulada.

EJEMPLO: En un sistema de control de nivel, si sube (+) el nivel del lquido por un aumento del caudal de entrada, el controlador debe aumentar (+) la apertura de vlvula para restaurar el nivel inicial.

Incremento positivo (+) variable controlada (nivel del lquido)

Incremento positivo (+) variable manipulada (apertura de vlvula)

LCLT

qi(t),m3/h

qo(t),m3/h

Caudal deentrada

1.2.5 Accin directa y accin inversa (2/2)

GG1.2.6 Tipos de controladores bsicos Todos ellos generan un valor para la variable manipulada a partir de la

diferencia entre el valor deseado de la variable controlada (set point) y su valor real. A esta diferencia la llamaremos error e(t) o desviacin de la variable de proceso.

e(t)=SP-CV (SP = set point, CV = variable controlada) EJEMPLO: en el intercambiador de calor, los controladores bsicos

que veremos generan un valor de apertura de vlvula a partir del error en la temperatura de salida.


Error (-) en el instante de tiempo ti

ti

e(ti)

GG1.2.6.1 Controlador on-off Genera dos nicos valores al elemento final de control (abierto-

cerrado, encendido-apagado, etc.) dependiendo del valor del error. En el intercambiador de calor:

e(t)>0 set point > Temperatura de salida Vlvula abierta e(t)

GG

%Temperatura de salida

Apertura de vlvula

Set point


Enva al elemento final de control un valor proporcional al error:

m(t): seal enviada al elemento final de control (posicin de la vlvula)

K: Ganancia proporcional e(t): error o desviacin entre variable controlada y set point M: Constante (posicin de la vlvula cuando el error es cero)

MteKtm += )()(

1.2.6.2 Controlador proporcional

Error en el estado estacionario

Offset

GG


Apertura de vlvula

Set point

%


Modifica el valor del elemento final de control a una velocidad proporcional al error.

m(t) : seal enviada al elemento final de control (posicin vlvula) K : Ganancia proporcional e(t) : error o desviacin entre variable controlada y set point Ti : Constante de tiempo integral M : Constante (posicin de la vlvula cuando el error es cero)

++=t

i

MdtteTKteKtm

0

)()()(

1.2.6.3 Controlador proporcional + integral

GG

En esta leccin se han estudiado: Las ventajas y desventajas de la utilizacin de realimentacin en el

control de procesos. Las diferencias entre control regulatorio (mantener la variable con-

trolada a un valor) y servocontrol (seguimiento de las variaciones del set point).

Accin directa y accin inversa Unas estrategias de control elementales: control ON-OFF, control

proporcional y control proporcional con accin integral. stas se tratarn con mucho ms detalle en las lecciones siguientes.

1.2.7 Resumen

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Control on-off

Leccin 3


1.3 Control on-off

1.3.1 Introduccin

1.3.2 Control on-off

1.3.3 Control on-off con histresis

1.3.4 Ventajas de los controladores on-off

1.3.5 Inconvenientes de los controladores on-off

1.3.6 Resumen

GG1.3.1 Introduccin

El control on-off, tambin llamado todo-nada o abierto-cerrado, es la forma mssimple de control por realimentacin. Es uncontrol de dos posiciones en el que elelemento final de control slo ocupa una delas dos posibles posiciones.

GG1.3.2 Control on-off (1/4)

Genera dos nicos valores al elemento final de control (abierto-cerrado, encendido-apagado, etc.) dependiendo del valor del error.

Esta es la forma ms simple de control y la que utilizan la mayora de los sistemas de calefaccin domsticos. Tambin puede aplicarse al intercambiador de calor. En el intercambiador de calor:

e(t)>0 set point > Temperatura de salida Vlvula abierta

e(t)

GG

Variable Controlada (PV)

PROCESO




e=SP-PV

MV 100%

0%

Cuando la temperatura de salida est por debajo del punto de consigna, la vlvula de vapor abre completamente.

Cuando la temperatura de salida sube por encima del punto de consigna, la vlvula de vapor cierra completamente.

1.3.2 Control on-off (2/4)

GG

Variable Controlada (PV)

PROCESO




e=SP-PV

MV 100%

0%

Set point

0%100%

Apertura de vlvula



GG

Una desventaja del controlador todo o nada es que oscila en torno a un punto de consigna constante, es decir, aunque no cambie el punto de consigna la variable de control estar fluctuando entre los dos niveles permitidos.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1




GG1.3.3 Control on-off con histresis (1/5) Para prevenir cambios continuos en la vlvula cuando la

temperatura se encuentra prxima al punto de consigna, las temperaturas que hacen que la vlvula se abra o se cierre deben ser ligeramente distintas, dndose el nombre de histresis a la diferencia entre el valor de cierre y el de apertura.

MV (% apertura vlvula)

E(%)=SP-PV0%

100%

Histresis

EZM-EZM

GG

En este caso hay que ajustar una zona muerta con histresis, es decir, hay que definir un valor EZM tal que:

Si E>=EZM entonces MV=100% Si E

GG

Cuando la histresis es grande (diferencia importante entre la temperatura de apertura y cierre) las desviaciones del punto de consigna son grandes.

histresis grande

SP

PV

1.3.3 Control on-off con histresis (3/5)

GG

Cuando la histresis es pequea las desviaciones respecto del punto de consigna son pequeas pero la vlvula est constante-mente abriendo y cerrando.

histresis pequea

SP

PV


GG

El ajuste de la zona muerta de histresis produce dos efectos:

El tiempo entre conmutaciones aumenta cuando EZM aumenta. La amplitud del ciclo lmite tambin aumenta cuando EZM aumenta.

El primer efecto es deseable, puesto que reduce el deterioro del actuador final.

El segundo, normalmente, no es beneficioso.

El ajuste es un compromiso entre estas dos cuestiones


GG1.3.4 Ventajas de los controladores on-off

El controlador es econmico.

Las vlvulas de solenoides son tambin ms econmicas que los posicionadores incorporados en el elemento final.

El sistema es fiable.

Es fcil de instalar y de ajustar.

Siempre que el ciclo lmite pueda tolerarse, un controlador on-off es un candidato a tener en cuenta.

GG

Hay una oscilacin continua y si es un controlador on-off con histresis se producen: o grandes desviaciones respecto al punto de consigna o constantemente se est abriendo y cerrando la vlvula.

1.3.5 Inconvenientes de los controladores on-off

GG1.3.6 Resumen

En esta leccin se han estudiado:

El funcionamiento de los controladores on-off: La salida del controlador se conmuta de on a off y viceversa cuando la seal de error pasa por cero

La introduccin de una zona muerta con histresis para prevenir cambios continuos en el control.

Ventajas e inconvenientes de los controladores on-off

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Control proporcional

Leccin 4


1.4 Control Proporcional

1.4.1 Introduccin

1.4.2 Control proporcional

1.4.3 Banda proporcional

1.4.4 Error en estado estacionario del controlador proporcional

1.4.5 Resumen

GG1.4.1 Introduccin

Una forma de evitar las oscilaciones queproduce el control on-off es reducir laganancia del controlador para valorespequeos del error.

Esto se puede hacer mediante elcontrolador proporcional.

GG1.4.2 Control proporcional (1/5)

En el caso del ejemplo del intercambiador, considerando al proceso como un balance entre la energa que entra y la que sale, se puede obtener un control ms amortiguado (y sin oscilaciones continuas) si se mantiene un caudal estable de vapor en lugar de los saltos de un extremo a otro que produce el control on-off.

Para ello hay que: Establecer un caudal de vapor estable para que, en condiciones

medias de operacin, tienda a mantener la variable de proceso(temperatura) en el valor deseado o set point.

Una vez que el caudal medio de vapor ha sido establecido, al aumentar o disminuir el error (SP-PV), se deben producir los correspondientes aumentos o disminuciones en el caudal de vapor.

GG Mediante el control proporcional, la accin correctiva de la vlvula

tiene una cierta proporcin con el cambio en el error o desviacin entre la variable de proceso y el punto de consigna.

El controlador puede realizar ajustes graduales (proporcionales) en la vlvula segn observa la desviacin de la temperatura.


K PROCESO


Variable Controlada (PV o CV)Variable manipulada (MV)

El valor de la variable manipulada es proporcional al error

MV=K(SP-PV)

1.4.2 Control proporcional (2/5)

GG Si se representa el posicionamiento de la vlvula frente a los valores

correspondientes de la variable controlada (temperatura) se obtiene la recta de operacin del controlador.

Si hay una desviacin (error) de la variable controlada respecto a su punto de consigna, el controlador provoca un reajuste en el posicionamiento de la vlvula proporcional a este error.

Variable controlada 100%0%

Pos

icio

nam

ient

o de

la v

lvu

la

Cerrada0%

Abierta100% Recta de operacin del

controlador correspondiente a una Ganancia=1accin inversa

Punto de consigna (set point)

Cambio en la posicin de la vlvula

M

Error


GG

Matemticamente, se puede calcular el valor que genera el controlador al elemento final de control como:

m(t): seal enviada al elemento final de control (posicin de la vlvula)

K: Ganancia proporcional (la pendiente de la recta de operacin del controlador es funcin de K)

e(t): error o desviacin entre variable controlada y punto de consigna

M: Constante (posicin de la vlvula cuando el error es cero). Este valor se conoce tambin con el nombre de reset manual.

MteKtm += )()(


GG

K PROCESO





La salida del controlador es proporcional al error

Generalmente las unidades de la ganancia proporcional (K)

se dan en % / %.


GG1.4.3 Banda proporcional (1/2) En algunos controladores el ajuste proporcional se hace mediante la

banda proporcional (PB). La banda proporcional es el cambio (en %) requerido en la entrada del

controlador proporcional para provocar un cambio del 100% en la variable controlada.

Banda proporcional(PB)

misma accin integral El error en el instante t es igual -> misma accin proporcional

Convendra que el controlador distinguiera ambos casos: Grfica izquierda: el error est disminuyendo Grfica derecha: el error est aumentando

La accin derivativa tiene en cuenta los valores futuros del error y es capaz de distinguir los dos casos.

GG

La accin derivativa es una accin de control adicional que tiene en cuenta la velocidad de cambio del error. Acta cuando el error est cambiando. Desaparece si el error permanece constante.

Matemticamente, la accin derivativa es la derivada del error. Combinando el Control Proporcional con la accin derivativa, la

ecuacin del controlador es:

1.6.3 Control P con accin derivativa (1/2)

Mdt

tdeTKteKtm d +

+=

)()()(

m(t): valor variable manipulada (MV) K: Ganancia proporcional e(t): Error (SP-PV)

Td : Tiempo derivativo M: Constante

GG Si se produce un cambio continuo en el punto de consigna (SP) de

forma que se genere un error creciente, la influencia del trmino derivativo sera constante.

100 %

0 %

MV

Respuesta proporcional

Respuesta derivativa

T1 T2 tiempo

CVError

T1: instante en el que comienza a aumentar el error

T2: instante en el que la Accin Derivativa y la Accin Proporcional toman el mismo valor

Tiempo derivativo Td = T2 - T1

Td

La accin derivativa provoca un cambio instantneo y se anticipa a la accin proporcional

1.6.3 Control P con accin derivativa (2/2)

Accin proporcional

Accin derivativa

=

GG1.6.4 Control PID (1/2)

Matemticamente es la combinacin de los tres modos de control expuestos:

Mdt

tdeTKdtteTKteKtm d

t

oi

+

++=

)()()()(

P I D

e

t

PI

D El control PID rene las tres acciones: Proporcional (P) Integral (I) Derivativa (D)

GG1.6.4 Control PID (2/2)

Contribucin de cada accin de control

Accin proporcional Estabiliza la oscilacin natural de la variable controlada

Accin integral Proporciona una correccin o reajuste para compensar las

variaciones en la carga y mantener la variable controlada sobre el Punto de Consigna (SP)

Accin derivativa Anticipa el efecto de la accin proporcional con el fin de estabilizar

ms rpidamente la variable controlada despus de cualquier variacin en la carga.

GG1.6.5 Resumen Tabla resumen de los efectos de los parmetros del controlador PID en la

velocidad y estabilidad del sistema en lazo cerrado, cuando se aumentan la ganancia proporcional, el tiempo integral o el tiempo derivativo, partiendo de un PID bien sintonizado.

Velocidad Estabilidad

Ganancia proporcional (K) Mayor Menor

Tiempo integral (Ti) Menor Mayor

Tiempo derivativo (Td) Mayor Menor

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Dinmica del proceso

Leccin 7

GG

1.7 Dinmica del proceso

1.7.1 Introduccin

1.7.2 Caractersticas dinmicas de los procesos

1.7.2.1 Inercia

1.7.2.2 Capacitancia

1.7.2.3 Resistencia

1.7.2.4 Tiempo muerto

1.7.3 Resumen

Contenido de la leccin

GG1.7.1 Introduccin

El control de procesos sera algo trivial si lasvariables controladas respondieran instantnea-mente a las variables manipuladas. La dificultad delcontrol estriba en que todos los procesos de algunamanera tienden a retardar los cambios en lasvariables de proceso. Esta dependencia temporaldel proceso es lo que se conoce como dinmica delproceso y su evaluacin es esencial para entendercmo se aplica el control automtico.

GG1.7.2 Caractersticas dinmicas

Las caractersticas dinmicas de cualquier sistema sea mecnico, qumico, trmico o elctrico pueden atribuirse a uno o ms de los siguientes efectos:

Inercia

Capacitancia (concepto distinto a capacidad)

Resistencia

Tiempo de transporte o tiempo muerto.

GG1.7.2.1 Inercia

Los efectos inerciales son descritos por la segunda ley de Newton sobre el movimiento de las masas.

Estn asociados generalmente a sistemas mecnicos.

Pueden ser importantes en algunos fluidos que deben acelerarse o desacelerarse.

GG1.7.2.2 Capacitancia (1/2) CAPACIDAD:

Es la medida de la mxima cantidad de materia o energa que puede ser almacenada.

Se mide en unidades de cantidad. EJEMPLOS:

La capacidad volumtrica de un tanque abierto, es el volumen mximo que puede contener sin desbordarse.

La capacidad en peso de un depsito para aire comprimido es el peso mximo de aire que puede contener sin exceder la presin de seguridad.

Estos dos depsitos tienen la misma capacidad

GG1.7.2.2 Capacitancia (2/2) CAPACITANCIA:

Es el cambio de materia o energa necesario para realizar un cambio unitario en una variable de referencia.

Se mide en unidades de cantidad dividida por la variable de referencia.

EJEMPLO: La capacitancia de volumen en un tanque abierto con respecto

a su altura hidrosttica, es el cambio en volumen de lquido almacenado por unidad de cambio de altura.

Mucha capacitancia:para mover el nivel hace falta mucho lquido.

Poca capacitancia: para cambiar el nivel hace falta poco lquido.

Estos dos depsitos tienen la misma capacidad

GG1.7.2.3 Resistencia (1/2)

Es la oposicin al flujo de materia o energa.

Se mide en unidades de cambio de potencial necesarias para producir la unidad de cambio de flujo.

EJEMPLO:

En un cambiador de calor es la oposicin a la transferencia de calor desde un medio vapor (vapor de agua) a un medio lquido (producto), a travs de un medio slido (tubos del serpentn).

GG1.7.2.3 Resistencia (2/2) La resistencia est presente en todos los lazos de control, pero es

particularmente evidente en los procesos de intercambio de calor: Adems de la resistencia del proceso, se tiene:

Resistencia en el elemento de medida, donde se repite el fenmeno de estancamiento de lquido alrededor de la vaina donde est colocado el sensor de temperatura, as como la cmara de aire existente en el interior de la vaina.

vapo

r

agua

cmara de proteccin

termoparvaina

GG1.7.2.4 Tiempo muerto (1/2)

Es el tiempo transcurrido entre un cambio en el proceso y su percepcin en el dispositivo de medicin.

En algunas ocasiones tambin se le denomina: Tiempo de transporte Tiempo de transferencia

Es un fenmeno que ocurre en cualquier variable donde el proceso est afectado por una perturbacin que no puede ser detectada en el momento que est ocurriendo, sino ms tarde.

El retardo asociado al tiempo muerto no ocasiona ningn cambio en la curva caracterstica de reaccin del proceso, aunque la traslada en el tiempo.

GGEJEMPLO: Un proceso de flujo de fluidos.

se inyecta colorante en el punto A se mide el color de la mezcla en el punto B

El tiempo muerto es el tiempo que tarda en percibirse en el punto B, un cambio en la cantidad de colorante aadido en el punto A.

1.7.2.4 Tiempo muerto (2/2)

FLUJO CONTINUO

ALIMENTACIN CONTINUADE COLORANTE

PUNTO DE MEDICINDEL COLOR

Tiempo muerto = DISTANCIA RECORRIDA

VELOCIDAD DEL FLUIDO

DISTANCIA RECORRIDAA B

GG1.7.3 Resumen

La dificultad del control estriba en que todos los procesos de alguna manera tienden a retardar los cambios en las variables de proceso.

Esta dependencia temporal del proceso es lo que se conoce como dinmica del proceso y su evaluacin es esencial para entender cmo se aplica el control automtico.

En este tema se han visto varias caractersticas que definen el comportamiento de un proceso: Inercia, capacitancia, resistencia y tiempo muerto.

GG

FIN DEL CAPITULO 1

GG

Control bsico de columnas de destilacin

GG

La destilacin sigue siendo el mtodo de separa-cin ms importante en las industrias qumicas y delpetrleo. Las columnas de destilacin constituyen unafraccin importante de las inversiones en plantasqumicas y refineras en todo el mundo, y sus costesde operacin representan frecuentemente una parteimportante de los costes totales de operacin demuchos de los procesos.

El principal objetivo de este captulo es mostrarlos conceptos bsicos sobre columnas de destilacinas como los principios de control de las mismas.

GGndice del captulo

2. Control Bsico de columnas de destilacin

2.1 Fundamentos del equilibrio lquido-vapor 2.2 Fundamentos de columnas de destilacin 2.3 Control bsico de columnas de destilacin

GG

Fundamentos delequilibrio lquido-vapor

Leccin 1

GGContenido de la leccin2.1.1 Introduccin

2.1.2 Definiciones bsicas

2.1.3 Ley de Dalton de las presiones parciales

2.1.4 Ley de los gases ideales

2.1.5 Ley de Raoult

2.1.6 Volatilidad relativa

2.1.7 Diagrama presin-composicin

2.1.8 Diagrama temperatura-composicin

2.1.9 Cuadro resumen de las leyes bsicas

GG2.1.1 Introduccin

En esta leccin se definen algunos conceptosbsicos en relacin con el equilibrio lquido-vapor que son fundamentales para entenderel proceso de destilacin.

GG2.1.2 Definiciones bsicas (1/2)

Punto de roco de un vapor

Temperatura a la que comienzaa condensar un vapor (aparicinde la primera gota de condensa-do) a una presin definida.

Punto de burbuja de un lquido

Temperatura a la que comienzaa hervir un lquido (aparicin dela primera gota de destilado) a una presin definida.

Presin de vapor

A la temperatura consideradaes la presin a la que puedencoexistir juntos, lquido y vapor Temperatura

Presin

Punto Crtico

Lquido

Vapor

GG2.1.2 Definiciones bsicas (2/2)

1) El intervalo entre la aparicin dela primera gota de destilado (pun-to de burbuja) y la desaparicin de la ltima gota de lquido (puntode roco), a una presin determi-nada, decrece a medida que di-cha presin aumenta, hacindosenula en el punto crtico.

2) La selectividad o facilidad para se-parar por destilacin los productosde una mezcla crece a medida quedisminuye la presin del sistema.

Temperatura

Presin

Punto Crtico

Lquido

Vapor

GG2.1.3 Ley de Dalton de las presiones parcialesLa presin ejercida por una mezcla de gases inertes quese comportan idealmente es la suma de las presiones par-ciales ejercidas por cada uno de ellos cuando ocupanindividualmente el mismo volumen.

=++= VRTn

VRTn

VRTnp i21

=++= ipppp 21

donde: p = presin de la mezclaT = temperatura de la mezclaV = volumen de la mezclani = n de moles del componente iR = constante universal de los gases

=++=i

i RTnRTnnpV )()( 21 Ecuacin de los gases perfectos:

Ley de Dalton

presiones parciales

GG2.1.4 Ley de los gases ideales

fraccin molar de A

pres

in

B puro(yA = 0)

p = pA + pB

pB = yBp

pA = yAp

A puro(yA = 1)

Variacin de las presiones parciales(pA y pB) de una mezcla binaria degases que se encuentra a una presintotal p cuando la composicin cambiade A puro a B puro.

RTnVp AA =

= RTnpV i )(para el componente A

para la mezcla A

i

AA yn

np

p==

pyp AA =

yi = fraccin molar del componente i

donde:

==++=++= 1

i

i

i

A

i

ABAi n

nn

nn

nyyy

GG2.1.5 Ley de Raoult (1/3)En una disolucin binaria ideal, las presiones de vapor delos componentes se relacionan con la composicin por lasiguiente expresin.

Dependencia de la PV (presin de vapor)total de una mezcla binaria con respectoa la fraccin molar xA de A en el lquidocuando se cumple la ley de Raoult.

Representa las presionesa las que las dos fasesestn en equilibrio.

pB presin de vapor de B puro*

pA presin de vapor de A puro*

xA fraccin molar de A en el lquido

xB=1- xA fraccin molar de B en el lquido

**BBBAAA pxppxp == ABABBA xpppppp )(

*** +=+=

p

Vapor

Lquido

0 xA 1

pA*

pB*

T = constante

p presin de vapor de la disolucin

GG2.1.5 Ley de Raoult (2/3)

Fraccin molar de A en la fase vapor de unadisolucin binaria ideal expresada en funcinde su fraccin molar en el lquido.

yA fraccin molar de A en fase gaseosa

Cuando el lquido y el vapor estn en equilibrio, sus composicionesno son necesariamente las mismas.

El sentido comn sugiere que el vapor debera ser ms rico en elcomponente ms volatil.

0 xA 1

yA pA*pB*

1=

5010

42

1001

Ley de Dalton ABAB

AAA

xppppxy

)( ****

+= por Raoult

ppy AA =

Si A es ms volatil que B se cumple que pA>pB. En este caso sepuede demostrar que yA>xA.

**

GG2.1.5 Ley de Raoult (3/3)

Se puede relacionar la PV total p con la composicin del vapor yA.

Dependencia de la PV (presin de vapor)total de una mezcla binaria con respecto ala fraccin molar yA de A en el vaporcuando se cumple la ley de Raoult.

0 yA 1

ppA*

5010

4

2

100

pA*

pB*= 1

Permite relacionar la composicindel lquido con la del vapor.

Muestra la dependencia de la PVtotal de la composicin del lquido.

ABAB

AAA

xppppxy

)( ****

+=ABABBA xpppppp )(

*** +=+=

AABA

BAyppp

ppp)( ***

**

+=

T = constante

GG2.1.6 Volatilidad relativa (1/3)

Identifica la facilidad de separar componentes por destilacin. Se expresa como la relacin entre la volatilidad de un componente y la de otro tomado como referencia.

B

BA

A

B

AAB

xyxy

KK

==

**

B

AAB

pp

=

como y

*A

A

A

A

A

ppp

p

xy

=por Dalton

por Raoult *B

B

B

B

B

ppp

p

xy

=por Dalton

por Raoult

volatilidad relativa de A respecto a B


ABAB

AAA

xppppxy

)( ****

+=

*

*

B

AAB

pp

= AABAAB

A xxy

)1(1 +=

)1()1(

yxxy

xyxy

B

BA

A

AB

===

para sistemas binariosyyA = yyB = 1

xxA = xxB = 1


x

y

1

42

1

para sistemas binarios

x)1(1xy+

=

A medida que aumenta la volatilidad relativa aumenta la facilidad de separar componentes por destilacin. Sin embargo cuando = 1

es imposible la separacin de componentes por destilacin simple.

GG2.1.7 Diagrama presin-composicin

0

p

Vapor

xA

Lquido

1

pA*

pB*

0 yA 1

ppA*

5010

4

2

100

pA*

pB*= 1

Se puede utilizar cualquiera de los dos diagramas para analizar los equi-librios de fases de una mezcla.

Sin embargo, en un proceso de des-tilacin, tanto la composicin delvapor como la del lquido son de in-ters, en cuyo caso es convenientecombinar ambos diagramas en uno solo.

0 zA (Composicin) 1

p

pB*

pA*

Lquido

Vapor

a1

a2

a4a3

a3a4

a5

a2

a

p4p3p2

T = constante

GG2.1.8 Diagrama temperatura-composicin (1/2)ABAB xpppp )(

*** +=

)()()(

**

*

TpTpTppxBA

BA

= ),( pTfxA =

)(TfxA =

)()()(

**

***Tg

pppppp

pxp

ppy

BA

BAAAAA =

===

Diagrama de fases lquido-vapora presin constante.

Presin de vapor p de la disolucin ideal:

pB(T) presin de vapor de B puro*

donde:

pA(T) presin de vapor de A puro*

xA fraccin molar de A en el lquido

Si la presin es constante

1Composicin zA

TB*

TA*

Lquido

Vapor

0

Ley de Dalton

donde:

yA fraccin molar de A en el vapor

p = constante

GG

1

Evaporacin

EvaporacinCon

dens

acin

Composicin zA

TB*

TA*

Lquido

Vapor

a1

a2

a4

a3

a4

a5

a2

a

T2

Calor

Frio Calor

T4

Frio

0

Ebulliciones y condensaciones sucesivas de un lquido originalmente decomposicin a1 conducen a un condensado que es ms puro en A.

Procesode

destilacinfraccionada

p = constante

2.1.8 Diagrama temperatura-composicin (2/2)

GG2.1.9 Cuadro resumen de las leyes bsicas

Volatilidad relativaBB

AAAB xy

xy=

Disolucin ideal **

B

AAB

pp

=

Sistema binario )1()1(

yxxy

=

Curva de equilibrio )1(1 +=

x

xy

Ley de Dalton = ipp

Gases ideales pyp AA =

Ley de Raoult *AAA pxp =

Disolucin ideal pp

xy A

A

A*

=

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Fundamentos deColumnas de Destilacin

Leccin 2

GGContenido de la leccin2.2.1 Introduccin

2.2.2 Nociones bsicas

2.2.3 Grados de libertad

2.2.4 Balance de materia

2.2.5 Factor de separacin S

2.2.6 Factor de recuperacin

2.2.7 Anlisis de las composiciones

2.2.8 Balance de energa

2.2.9 Balances de materia y energa: Interaccin

GG2.2.1 Introduccin

En esta leccin se definen algunos con-ceptos bsicos y definiciones en relacincon las columnas de destilacin.

GG

La destilacin se realiza por el contacto en contraco-rriente del vapor que as-ciende por el calentamiento efectuado en el reboiler y del lquido que desciende debido al enfriamiento pro-ducido en el condensador de cabeza.

Los componentes ms vol-tiles se acumulan en el vapor y los ms pesados en

el lquido

2.2.2 Nociones bsicas (1/3)

B

DEPSITO DEREFLUJO

F

CONDENSADOR

L

D y

REFLUJO

REBOILER

FLUDOCALEFACTOR

1

FONDO

REFRIGERANTE

DESTILADO

zona deenriquecimiento

zona deagotamiento

T proporcional a la concentracin

32

ALIMENTACIN

n

x

GG2.2.2 Nociones bsicas (2/3)

B, x

L

F, z

D, yP

QR

QC

VT

VB

z = fraccin molar de ligero en la alimentacin

x = fraccin molar de ligero en el fondo

y = fraccin molar de ligero en el destilado

1-x = fraccin molar de pesado en el fondo

1-y = fraccin molar de pesado en el destilado

1-z = fraccin molar de pesado en la alimentacin

L = reflujoB = fondo

F = alimentacin D = destilado

VB = vapor de fondo

QC = calor disipado en el condensador

QR = calor aportado en el reboiler

VT = vapor de cabeza

GG2.2.2 Nociones bsicas (3/3) Un cambio en los caudales externos es cualquier modificacin que altera la relacin D/B, p.ej. un aumento en L con V constante (en el exterior de lacolumna).Hay un incremento en los caudales internos cuando se produce un aumen-to simultaneo en L y V (en el interior de la columna) manteniendo D y B cons-tante.

F

D

B

L

V

caudalesexternos

F

D

B

L

V

GG

B

DEPSITO DEREFLUJO

F

CONDENSADOR

L

D

REFLUJO

REBOILER

FLUDOCALEFACTOR

1

FONDO

REFRIGERANTE

DESTILADO

32

ALIMENTACIN

n

y

x

2.2.3 Grados de libertad

Los grados de libertad deun proceso son el nmerode variables que puedenser controladas (GL)

GL = V - E

V = n de variablesE = n de ecuaciones

Regla prcticaNmero de vlvulas decontrol situadas racional-mente (5)

GG2.2.4 Balance de materia (1/2)

B, x

L

F, z

D, yP

VBalance de materia: F = D + B (1)

Balance molar: Fz = Dy + Bx (2)

fraccin de la alimentacinque sale por cabeza =

DF

z - xy - x

Balance de materia D o B se puede fijar libremente

El otro debe cerrar el balance de materia bajo control de nivel

Si B es el caudal dependiente y se elimina de (1) y (2)

lnea de balancede materia

Se necesita una 2 relacin para determinar x e y


(z,1-z)

x=impurezas en el fondo

1-y=

impu

reza

s en e

l des

tilado

(0,0)

pureza absoluta deambos productos

GG2.2.4 Balance de materia (2/2)El vapor V que abandona la columna llega al acumulador. De aqu se bifurca en dos corrientes, una que retorna a la columna como reflujo L y otra que re-presenta el destilado D.

L D

V

Se supone condensacin total

DLV +=DL1

DLVL

+=

DL11

VD

+=

Balance en cabeza ernointreflujo

VL

ernoextreflujoDL

Balance de materia enla cabeza de la columna

GG2.2.5 Factor de separacin S


(z,1-z)


1-y=

impu

reza

s en e

l des

tilado

(0,0)

curva de separacin

punto de operacin

Es la volatilidad relativa calculada tomando las concentraciones en los extremos de la columna. Es una medida de la pureza relativa de los dos productos

( )( )y1x

x1y

x1y1

xy

fondoelenpesadosdemolarfraccindestiladoelenpesadosdemolarfraccinfondoelenligerosdemolarfraccin

destiladoelenligerosdemolarfraccin

S

=

==

( )1111

+

=Sxxy

curva de separacin

GG2.2.6 Factor de recuperacin

Expresa la relacin entre el caudal de producto (destilado o de fondo) y lacantidad de ese producto contenido en la alimentacin.

zxyxz

FzDRD )(

)(

==

Factor de recuperacin en el caudal de destilado

)1)(()(

)1( zxyzy

zFBRB

=

=

Factor de recuperacin en el caudal de fondo

GG2.2.7 Anlisis de las composiciones (1/2)

(z,1-z)


1-y=

impu

reza

s en e

l des

tilado

(0,0)

xyxz

FD

=

+= z

DFx

DBy 11

fondodeproductodelpureza

destiladoproductodelpurezaDsi


destiladoproductodelpurezaBsi

Cmo afectan D y B a las composiciones de los dos productos?

pendiente de la lnea de balance de materia

D

B

GG2.2.7 Anlisis de las composiciones (2/2)

Cmo afecta S a la composicin de los dos productos?

( )1111

+

=Sxxycurva de separacin


destiladoproductodelpurezaSsi

(z,1-z)


1-y=

impu

reza

s en e

l des

tilado

(0,0)

S

GG2.2.8 Balance de energa

CBDRF QBHDHQFH ++=+

QC

QR

B, HB

F, HF D, HD

HF = entalpa molar de la alimentacin

HD = entalpa molar del destilado

HB = entalpa molar del fondoQC = calor disipado en el condensador


D = caudal de destilado

B = caudal de fondo

F = caudal de alimentacin

GG2.2.9 Balances de materia y energa: Interaccin

L=200 ton/hF=100 ton/h

D=80 ton/h

B=20 ton/h

z=0.8

VB=180 ton/h

2=FL

L=300 ton/hF=100 ton/h

D=76 ton/h

B=24 ton/h

z=0.8

VB=276 ton/h

3=FL

Si L cambia entonces VB necesita adaptarse a ese cambio y viceversa

Equilibrio entre L y VB Desequilibrio entre L y VB

Un desequilibrio entre L y VB origina un gran aumento de las impurezas en D o en B

x 0 x > 0.2

L = f(QC)

VB = f(QR)Balance de energa Balance de materia

B

D

acoplamiento

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Control Bsico deColumnas de Destilacin

Leccin 3

GG

2.3.1 Introduccin

2.3.2 Grados de libertad en una columna

2.3.3 Descomposicin del problema de control

2.3.4 Problema del emparejamiento en una columna

2.3.5 Control de composicin

2.3.6 Control de nivel

2.3.7 Control de presin

2.3.8 Modos de operacin de una columna

2.3.9 Tipos de columnas de destilacin

Contenido de la leccin

GG2.3.1 Introduccin

2.3.1a Objetivos de control de una columna

2.3.1b Terminologa bsica

2.3.1c Clasificacin de las variables

2.3.1d Control del balance de materia

2.3.1e Control del balance de energa

GG2.3.1a Objetivos de control de una columna

La operacin de un proceso multivariable como es una columna de destilacin tiene que satisfacer al-gunos objetivos de control:

1) Calidad. Es decir producir productos con calidadesespecificadas

2) Beneficio. Es decir optimizar la operacin desde unpunto de vista econmico

3) Produccin. Es decir satisfacer la demanda delproceso productivo

4) Seguridad

Compromiso: Si la calidad excede las especificaciones esta-mos gastando ms de lo que es estrictamente necesario

GG2.3.1b Terminologa bsica

B, x

L

F, z

D, yP

QR

QC

VT

VB

z = fraccin molar de ligero en la alimentacin

x = fraccin molar de ligero en el fondo

y = fraccin molar de ligero en el destilado

1-x = fraccin molar de pesado en el fondo

1-y = fraccin molar de pesado en el destilado

1-z = fraccin molar de pesado en la alimentacin

L = reflujoB = fondo

F = alimentacin D = destilado

VB = vapor de fondo

QC = calor disipado en el condensador


VT = vapor de cabeza

GG

Variables manipuladasL Caudal de reflujo

VB (QR) Vapor de fondo

D Caudal de destilado

B Caudal de fondo

VT (QC) Vapor de cabeza

Variables controladasy Pureza del destilado

1-x Pureza del fondo

p Presin en la columna

MD Nivel en el acumulador

MB Nivel en la base

control deinventario

control deproducto

QR B, x

L

F, z

D, yP

QCVT

VB MB

MD

2.3.1.c Clasificacin de las variables

Perturbacionesz Pureza de la alimentacin

F Caudal de alimentacin

Presin de suministro de vapor

Temperarura del agua de refrigeracin

Temperatura ambiente

GG2.3.1d Control del balance de materia

Se regula manipulando el caudal de las corrientes que entran y salen del sistema

alimentacin

destilado

producto de fondo

La alimentacin viene impuesta por la unidad precedente (es una perturbacin)

Quedan pues los caudales de destilado y de fondo

GG2.3.1e Control del balance de energa

Los elementos que ms contribuyen al balance de energa son:

el condensador de cabeza

el reboiler

En ellos se producen el reflujo externo y los vapores que entran en la columna.

Para regular el balance de energa se utiliza:

los caudales de reflujo externo

el fluido calefactor suministrado al reboiler

GG

B

DEPSITO DEREFLUJO

F, z

CONDENSADOR

L

D y

REFLUJO

REBOILER

FLUDOCALEFACTOR

1

FONDO

REFRIGERANTE

DESTILADO

32

ALIMENTACIN

n

x

El balance de materia de-be estar siempre controla-do. En una columna estosignifica que es necesariocontrolar:

Nivel del lquido en el acu-mulador de cabezaNivel del lquido en la basede la columnaLa presin en la columna

Si restamos las 3 variablesque debemos controlar delas 5 que tenemos dejan2 grados de libertad. Solo hay 2 variables mas que puedan controlarse

2.3.2 Grados de libertad en una columna (1/2)

GG2.3.2 Grados de libertad en una columna (2/2)

a) Controlar la composicin de las impurezas de ligeros en el fondo y de pesados en el destilado.

b) Controlar una temperatura en la zona de enriquecimiento y otra en la zona de agotamiento.

c) Controlar el caudal de reflujo y la temperatura en algn sitio de la columna.

d) Controlar el caudal de vapor del reboiler y la temperatura cerca de la cabeza de la columna.

e) Controlar la relacin de reflujo (L/D) y una temperatura de la co-lumna

Ejemplos caractersticos de las 2 variables que quedan por controlar:

Los ejemplos ilustran que normalmente se controla al menos una composi-cin (o temperatura) en algn lugar de la columna.

GG2.3.3 Descomposicin del problema de control (1/3)

x

L

F, z

yp

VT

VB

D

B

MB

MDEn el problema de control glo-bal de una columna se dispo-nen de 5 entradas o variablesmanipuladas:

u = [ L, VB, D, B, VT ]

y 5 salidas o variables con-troladas:

y = [ y, x, MD, MB, p ]

GGEs usual disponer las diferentes tareas de control en una columna de destila-cin de una forma jerrquica en dos subsistemas:

2.3.3 Descomposicin del problema de control (2/3)

1) Control de inventario: Es necesario para hacer posible que la columna funcione de forma continua. Las variables que hay que controlar en este subsistema son:

2) Control de producto: Es necesario para cumplir las especificaciones impuestas sobre la calidad de los productos de cabeza y de fondo. Las variables que hay que controlar en este subsistema son:

a) Nivel en fondo de la columna MBb) Nivel en el acumulador de reflujo MDc) Presin en la columna p

a) Impurezas de ligeros en el fondo temperatura en la zona de agotamientob) Impurezas de pesados en el destilado temperatura en zona de enriqueci-

miento

GG2.3.3 Descomposicin del problema de control (3/3)

control de producto

control de inventario1er nivel

2 nivel

1-xy

pMDMB

variablescontroladas

variablesmanipuladas

LVB

VTDB

El problema de decidir como las variables manipuladas y controladas se vana asociar se conoce como problema del emparejamiento que se traduce endiferentes configuraciones de control.

y1

y2

GG2.3.4 Problema del emparejamiento en una columna

2.3.4a Objetivos del emparejamiento

2.3.4b Nmero de configuraciones de control

2.3.4c Agrupamiento de las configuraciones de control

2.3.4d Emparejamientos para composicin simple

2.3.4e Emparejamientos para composicin dual

GG2.3.4a Objetivos del emparejamiento

1

2

uu

un

y1y2

yn

.

.

.

.

.

.

PROCESO nnVariablesmanipuladas

Variablescontroladas

Consiste en especificar la siguiente asociacin de variables ui yj

Especificadas las 5 variables a ser controladas (p. ej. 2 temperaturas, 2 niveles y la presin), hay que decidir que variable manipulada vamos a usar para controlar que variable controlada

GG2.3.4b Nmero de configuraciones de control

1) En un sistema de control descentralizado (es decir donde cada variable controlada dis-pone de un controlador con una variable manipulada asociada) el nmero de configu-raciones de control diferentes es:

N= n! (n = n de variables controladas y manipuladas)

2) En una columna de destilacin incluso si se supone que la presin p se controla con elvapor de cabeza VT, hay 4 variables controladas (x, y, MD, MB) y 4 variables manipula-das (L, D, B, VB) que existen 24 combinaciones (4!) de estas variablescontroladas y manipuladas.

3) En el caso de control de composicin dual se utilizan las 4 variables manipuladas,mientras que si se utiliza control de composicin simple slo se emplean 3 variablesmanipuladas

GG2.3.4c Agrupamiento de las configuraciones de control

Las distintas combinaciones pueden agruparse en 4 formas diferentes de controlar la composicin:

Control directo del balance de materia

Control indirecto del balance de materia

Control del balance de energa

Control mixto

GG2.3.4d Emparejamientos para composicin simpleCaso n Nivel depsito

de reflujoNivel base de

la columnaCotrol de lacomposicin

Variable nomanipulada

1 D L B V2 D V B L3 L D B V4 L B D V5 B L D V6 B V D L7 V D B L8 V B D L9 D L V B

10 D V L B11 L D V B12 L B V D13 B L V D14 B V L D15 V D L B16 V B L D17 D B V L18 D B L V19 L D L V20 L D V L21 B V D B22 B V B D23 V L B D24 V L D B

Balance de materia

Balance de energa

Indirecto balance de energa

Mixto

GGCaso n Nivel depsito

de reflujoNivel base de

la columnaComposicin

destiladoComposicin

fondo1 D L B V2 D V B L3 L D B V4 L B D V5 B L D V6 B V D L7 V D B L8 V B D L9 D L V B

10 D V L B11 L D V B12 L B V D13 B L V D14 B V L D15 V D L B16 V B L D17 D B V L18 D B L V19 B D L V20 B D V L21 L V D B22 L V B D23 V L B D24 V L D B

2.3.4e Emparejamientos para composicin dual

Balance de materia

Balance de materia

Control convencional

GG2.3.5 Control de composicin

2.3.5b Ejemplos de configuraciones de control

2.3.5c Estructura L-VB

2.3.5d Estructura D-VB

2.3.5e Estructura D-B

2.3.5f Esquemas de control utilizando analizadores

2.3.5a Simplificacin del control de composicin

GG2.3.5a Simplificacin del control de composicin

1) En la mayora de los casos, la columna de destilacin se estabiliza cerrando en pri-mer lugar los lazos del subsistema de control de inventario. Es decir:

y2 = [ MD, MB, p ]

las salidas restantes son las correspondientes al control de producto o composiciony1 = [ y, x ]

2) Los tres lazos que controlan y2 normalmente interaccionan dbilmente y se puedensintonizar de forma independiente. Como cada nivel (tanque) de la columna tiene uncaudal de entrada y dos caudales de salida, existen muchas elecciones posibles parau2 (y por lo tanto para u1).

3) Por convenio cada configuracin de control se denomina por las entradas u1 dejadas para el control de composicin

GG2.3.5b Ejemplos de configuraciones de control

yx

pMDMB

LVB

VTDB

control de producto


2 nivel

y2

y1

u2

u1

Estructura L-VB

yx

pMDMB

DVB

VTLB

control de producto


2 nivel

y2

y1

u2

u1

Estructura D-VB

GG2.3.5c Estructura L-VB (1/2)

VT

DL

1

32

nLC

LC

TC

FC

FC

TC

VB

PC

F, z

B, x

D, y


control deproducto

Ventajas1) Las entradas manipula-

das afectan directamen-te a las composiciones

2) El control de producto es casi independiente del control de inventario

3) Configuracin simple

Desventajas1) En columnas de alta pu-

reza hay problemas de interaccin entre L y VB

2) Si L y VB son grandes es muy difcil el control de nivel utilizando D y B

3) El comportamiento se de-teriora si los lazos no es-tn bien sintonizados

Es la configuracin ms usual en laindustria

Estructurade balance de energa

GG2.3.5c Estructura L-VB (2/2)

controladorde cabeza

controladorde fondo

-

L 1-yyref

VB xxref

-

Esquema tradicional para el control de doble calidad

si LVB = cte

(1-y) x si VBL = cte

(1-y) x

si (1-y) L x VB

Esta interaccin puede conducir a inestabilidad y en muchas columnas causar su inundacin

x = impurezas en el fondo1-y = Impurezas en el destilado

GG

TC

FC

LC

2.3.5d Estructura D-VB

VT

L

1

32

n

VB

PC

F, z

B, x

D, y

TC

FC

LC


control deproducto

La conducta de la estructura D-VB depende del control de inventario.Las respuestas empeoran si el control de nivel es lento.Por ejemplo un cambio en salto en VB puede producir una respuesta inversa en y, y un gran sobrepico en x.La razn es que la dinmica lenta de nivel origina que el aumento en V inicialmente acta como un aumento en D que se almacena en el condensador Estructura

de balance de materia

GG2.3.5e Estructura D-B

VT

L

1

32

n

VB

PC

F, z

B, x

D, y

TC

FC

LC

LC

FC

TC


control deproducto

Durante mucho tiempo ha sido considerada, por mu-chos expertos una estructu-ra no operativa.La razn principal es que en estado estacionario D y B no son independientes:

D + B = F

Esto es cierto si se supone un control de inventario per-fecto. La configuracin D-B no podra funcionar porquela ecuacin de balance de materia se aplica dinmica-mente y D y B no se pueden ajustar libremente.

Funciona porque es posible acumular ma-sa temporalmente, lo que hace que D y B sean variables inde-pendientes desde un punto de vista din-mico

GG2.3.5f Esquemas de control utilizando analizadoresa) Control de composicin de producto

LC

CC

FCA

TC

TT

LC

CC

FCA

CC

AT

LCFCA

b) Control en cascada temperatura-composicin

c) Control de composicin interno

Utiliza un analizador para medir la composicindel producto y un controlador de composicinpara ajustar directamente el caudal de reflujo

Utiliza un analizador para medir la composicindel producto y el controlador de composicinajusta el SP de un controlador de temperatura

Utiliza un analizador para medir la composicinde una bandeja interna en lugar del producto yel controlador de composicin manipula directa-mente el caudal de reflujo

GGLos dos niveles de lquido que deben ser controlados en una columnaestn en el depsito de reflujo y en la base de la columna.

Regla de Richardson:Controlar los niveles con la corriente de mayor caudalEjemplo: Control de nivel en el depsito de reflujo

Columna con relacin de reflujo baja Columna con relacin de reflujo alta

Si (L/D), la utilizacin del caudal de destilado para controlar el nivel en el depsitode reflujo requera grandes cambios en D para pequeos cambios en L o V.

LC

L D

LC

L D

DL

DLvariable

manipulada

2.3.6 Control de nivel

ModeradorNotas de la presentacinLa regla de Richardson funciona en un gran porcentaje de columnas de destila-cin. Sin embargo la aplicacin de su lgica podra conducir a algunos proble-mas. As por ejemplo en una columna con una relacin de reflujo alta sugerira que el nivel en la base de la columna debera de controlarse con la entrada de calor al reboiler. Aunque esta estrategia se emplea en algunas columnas, hay que tener cuidado con el problema potencial de la respuesta inversa que puede ocurrir al cerrar el lazo.Si aumentamos el aporte de calor al reboiler a largo plazo disminuir el nivel de lquido en el fondo ya que se produce un incremento proporcional en el caudal de vapor que asciende por la columna. Sin embargo habr un pequeo transitorio de tiempo durante el cual el nivel aumentar momentneamente en lugar de disminuir. Esta respuesta inversa resulta del efecto de inflado en el re-boiler y/o en los platos de la propia columna.

GG2.3.7 Control de Presin

2.3.7b Manipulacin de la refrigeracin

2.3.7c Venteo

2.3.7d Directo

2.3.7e Inundacin del condensador

2.3.7f Bypass en el vapor

2.3.7g Presin flotante

2.3.7a Objetivos del control de presin

GG2.3.7a Objetivos del control de presin

4) Los cambios de presin ocurrirn siempre que exista un desequilibrio entrela generacin de vapor en el reboiler y la condensacin de vapor en el con-densador.

1) El lazo de control de presin puede ajustar: a) La velocidad de adicin decalor b) La velocidad de eliminacin de calor

3) Normalmente la presin ptima en una columna es la mnima posible, yaque as se maximiza la volatilidad relativa entre los componentes

2) La razn principal para controlar la presin es permitir que la temperatura dela columna sea representativa del punto de ebullicin del producto

5) Los cambios de presin afectan a las caractersticas de equilibrio lquidovapor y por lo tanto a la capacidad de separacin de la columna

GGUna vlvula de control cambia el caudal del agua de enfriamiento

PC

Observaciones:

1) Si se usa un condensador de enfriamiento por aire se cambia la velocidad delventilador o la inclinacin de las aspas

2) El lquido del deposito de reflujo se encuentra en su punto de burbuja

3) Los cambios en la temperatura del refrigerante se compensan con el controla-dor de presin

2.3.7b Manipulacin de la refrigeracin

GGSe aade o se purga un gas inerte usando dos vlvulas en rangopartido

Observaciones:

1) El reflujo debe ser significativamente subenfriado de forma que se conserve laconcentracin del producto en la corriente del gas de venteo

2) Bajo condiciones normales ambas vlvulas estn cerradas

3) Los cambios en la temperatura del refrigerante producen cambios en la tempe-ratura del reflujo

PC

Refrigerante

2.3.7c Venteo

GGUna vlvula de control en la tubera de vapor de la columna con-trola la presin.

PC

Observaciones:

1) Este sistema solo es til en columnas de tamao pequeo

2.3.7d Directo

GGUna vlvula de control de drenaje del condensador controla lapresin.

PC

Observaciones:

1) Al cerrar la vlvula de control se inunda el condensador lo que vara el rea detransferencia de calor

2) Si existe gas inerte, el condensador se debe montar horizontalmente para per-mitir el venteo.

2.3.7e Inundacin del condensador

GG

Observaciones:1) Existe una capa de vapor sobre un fondo lquido en el dpsito de reflujo

Dposito de reflujodebajo del condensador

Dposito de reflujoencima del condensador

2) La transferencia de calor y la condensacin ocurre en este interfaz y es impor-tante evitar perturbaciones que hagan variar el rea de interfaz

3) La formacin de olas en la superficie puede provocar que el lquido frio engullael vapor caliente y produzca rpidas cadas de presin

Bypassde vapor

Interfazgas caliente/lquido frio

PCPC

Depsitode reflujo

Condensador

Bypassde vapor

La vlvula de control regula lapresin en el depsito de reflujo

La vlvula de control en la tubera dellquido bajo el condensador lo inunda

2.3.7f Bypass en el vapor caliente

GGComo la volatilidad relativa aumenta cuando la presin disminuye, la operacinptima de la columna ser minimizarla en todo momento.

Si hay una cada brusca en latemperatura del agua de refri-geracin, la presin en la co-lumna puede caer rpidamente

1) La vlvula de control del agua de refrigeracin, que es de tipo AC (aire-cierra), normalmen-te est abierta. La presin flotar hacia arriba y hacia abajo cuando TR cambia .

El control de presin flotantetrata de evitar este problema

Control en cascada

VPC SP=10%

SP

AC

PC

Controladorprimario

Controladorsecundario

RefrigeranteTR

PTR P

2) El control secundario es la presin de la columna. El controlador secundario es de tipo PI yse sintoniza de forma que trate de evitar las caidas bruscas de la presin. Su SP lo cambialentamente el controlador primario para mantener la valvula de control abierta.

3) El control primario es el control de posicin de la vlvula. Su SP es el 10% de su escala paramantener la vlvula casi abierta. El controlador primario es de tipo I.

2.3.7g Presin flotante

GG2.3.8 Modos de operacin de una columnaEn una columna, la composicin de un producto se controla en un SP dado,mientras que la del otro se puede optimizar en tres modos posibles:La combinacin de la prdida de producto y del coste de la energa pasa porun mnimo

energa/alimentacin

cost

es d

e op

erac

in

total

prdida de producto

restriccin calidad del producto

lmite de energa

I II III

Zona I: Coste energaValor del productoLas composiciones se controlan en losniveles mximos de impurezas permitidos se minimiza el consumo de energa

ModeradorNotas de la presentacinA la hora de establecer la estrategia de control ms adecuada para una colum-na de destilacin especfica hay que plantearse como objetivo bsico optimizar su rendimiento econmico. Las respuestas posibles son consumo mnimo de energa o recuperacin mxima de un producto especificado. La recupera-cin mxima es deseable si el producto especificado tiene un valor mucho ms alto que el otro o si el coste marginal de calentar o enfriar es menor que la pr-dida marginal en la recuperacin del producto. Esta situacin ocurre cuando se est en la Zona I. Un ejemplo clsico es la recuperacin de propileno de alta pureza de una mezcla con propano, utilizando el calor de desecho que apaga la reaccin de cracking. Cualquier cantidad de propileno que deja el fondo de la columna con el propano se vende por el precio de este y por lo tanto se debera de minimizar.Cuando ambos productos se controlan en sus lmites de especificacin se utili-zar una estrategia de mnima energa. Este modo de funcionamiento debera ser elegido siempre que exista poca diferencia de valor entre los productos que se separan o cuando la energa es costosa como es el caso de columnas refrige-radas. Esta situacin corresponde a la Zona III.Finalmente existe la posibilidad de que los costes de la energa y las prdidas de producto sean comparables en cuyo caso puede existir una composicin ptima de los productos que es mejor que sus lmites de especificacin. La Zona II refleja esta situacin.

GG2.3.9 Tipos de columnas de destilacin

2.3.9a Estabilizadoras

2.3.9b Superfraccionadoras

2.3.9c Columnas de alta K

2.3.9d Columnas con extracciones laterales

GGSon columnas donde

2.3.9a Estabilizadoras

Caractersticas:

1) La corriente de destilado es solamente una pequea fraccin de la corriente de ali-mentacin

2) La volatilidad relativa entre los componentes principales es grande

Ejemplo: Estabilizadoras de nafta en unidades de refinera

GGSon columnas donde la separacin de componentes es difcil

2.3.9b Superfraccionadoras

Caractersticas:

1) Volatilidad relativa entre los componentes qumicos es baja (10)

3) Poseen un gran nmero de platos (>100)

4) Respuesta dinmica muy lenta. Constantes de tiempo de 2-10 horas o ms

5) Los gradientes de temperatura entre platos son muy pequeos los perfiles de T alo largo de la columna son muy planos y normalmente requieren medidas directasde composicin.

6) En una gran mayora de casos son de tipo binario

7) Suelen colocarse en un punto en el proceso donde otros componentes ms ligeroso pesados se han extraidos en etapas anteriores las perturbaciones de las unida-des que estn antes en la lnea son frecuentes en las superfraccionadoras

Ejemplo: El ejemplo industrial ms comn es la separacin de propano-propileno

GGSon columnas donde la separacin es extremadamente fcil

2.3.9c Columnas de alta K

Caractersticas:

1) Presentan perfiles de temperatura a lo largo de la columna de destilacin que sonmuy acusados .

2) Desde el punto de vista de control son muy complicadas debido a las elevadas ga-nancias del proceso y a las no linealidades que estn presentes (p. ej. saturacin dela seal de medida).

3) Son muy sensibles a las perturbaciones. Cambios muy pequeos en la alimentacinpueden producir cambios drsticos en la concentracin de los productos en estadoestacionario.

4) Pueden controlarse de forma efectiva si las perturbaciones se detectan rpidamentey se realizan las acciones correctivas adecuadas para mantener a la columna cercadel punto operativo deseado

5) Utilizan grandes tanques de almacenamiento para filtrar las perturbaciones

GGSon columnas donde se obtienen ms de dos productos sacandoextracciones laterales.

2.3.9d Columnas con extracciones laterales

Clasificacin:

1) Clase I. Se definen como aquellas cuyo producto ms pequeo es el destilado. Laextraccin lateral se obtiene normalmente como un lquido por encima del punto dealimentacin. La impureza del producto ligero se controla con el caudal del destilado.Un ejemplo tpico es el fraccionador de etileno, cuya extraccin lateral es etileno dealta pureza que se separa del etano de fondo con una alta recuperacin. En el con-densador se elimina metano para limitar su contenido en el etileno.

2) Clase II. Presenta una disposicin opuesta a las de Clase I. El producto de fondo esel caudal mas pequeo y la extraccin lateral es un vapor que se toma por debajode la alimentacin.

3) Clase III. Tienen su caudal ms pequeo en la extraccin lateral , que puede retirar-se por encima o por debajo de la alimentacin dependiendo del punto de ebullicindel componente. Si no se retira este componente se puede acumular hasta que in-terfiere con la separacin de los productos principales o alcanza un lmite de solubi-lidad y modifica la presin de vapor al crear una segunda fase lquida.

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Limitaciones del control bsico

GG

El control bsico est disponible prcticamentedesde que se construyeron las refineras, y sunaturaleza simple de una entrada - una salida lepermite ser comprendido y aplicado con relativafacilidad.

En este captulo se va a hacer hincapi en lasdebilidades del control bsico, sealando losproblemas que quedan sin resolver y abriendo lapuerta a los siguientes escalones en la pirmide decontrol.

GGndice del captulo

3. Limitaciones del control bsico

3.1 Limitaciones del control bsico

GG

Limitaciones del control bsico

Leccin 1


3.1.1 Introduccin

3.1.2 Sintonizacin de lazos lentos y rpidos

3.1.2.1 Ejemplos de lazos rpidos

3.1.2.2 Ejemplos de lazos lentos

3.1.2.3 Sintonizacin de lazos rpidos

3.1.2.4 Sintonizacin de lazo lentos

3.1.3 Interaccin de los lazos de control

3.1.4 Resumen

GG3.1.1 Introduccin

El control bsico est disponible prcticamente desde que seconstruyeron las refineras, y su naturaleza simple de unaentrada-una salida le permite ser comprendido y aplicado conrelativa facilidad.

El control bsico generalmente alcanza los objetivos mnimos deseguridad y operacin estable que se evalan utilizando criteriosdel tipo: el caudal no fue excesivo; el depsito no rebos; lavlvula de alivio de presin no entr en operacin; y el produc-to ni hirvi ni se congel.

En esta leccin se va a hacer hincapi en las debilidades delcontrol bsico, sealando los problemas que quedan sin resolvery abriendo la puerta a los siguientes escalones en la pirmide decontrol.

GG3.1.2 Sintonizacin de lazos lentos y rpidos (1/2) Para comenzar mencionemos dos definiciones:

Tiempo muerto: tiempo transcurrido entre un cambio en el proceso y su percepcin en el dispositivo de medicin.

Constante de tiempo: tiempo necesario para que la variable del proceso alcance el 63.2% de su valor final (VF).

VF

63% VF

Tiempo muertoConstante de tiempoTiempo muerto

GG3.1.2 Sintonizacin de lazos lentos y rpidos (2/2)

Empleando estas definiciones podemos dividir los lazos de control en:

Lazos rpidos: lazos de control con constantes de tiempo y tiempos muertos relativamente pequeos.

Lazos lentos: lazos de control con constantes de tiempo y tiempos muertos relativamente grandes.

GG3.1.2.1 Ejemplos de lazos rpidos (1/4)

CONTROL DE CAUDAL: Cuando se manipula la vlvula de control, el medidor de cau-

dal mide los cambios casi inmediatamente. Algunos lazos de control de caudal de gas pueden tener res-

puestas amortiguadas en funcin de largas longitudes de tu-bera, fluctuaciones en la presin del gas, gran dimetro de tubera, y la tecnologa del medidor.

A pesar de esta lentitud, estos lazos de caudal son normal-mente los ms rpidos en el proceso y pueden considerarse rpidos.


La figura muestra un lazo de control de caudal con respuesta rpida pero amortiguada por la longitud de la tubera y la tecnologa del medidor.

LONGITUD GRANDEDE TUBERA

PROCESOA

PROCESOB

CONTROLADOR FC

SP

OP


CONTROL DE PRESIN DE GAS: La mayora de los lazos de control de presin son tambin

lazos rpidos, especialmente cuando el volumen controlado y el caudal son pequeos comparados con la capacidad de la vlvula de control.

En la mayora de las aplicaciones, los lazos de presin son ms lentos que los lazos de caudal, pero reaccionan suficientemente rpido como para ser considerados rpidos.

Los lazos de presin pueden ser considerablemente ms len-tos cuando la capacidad de la vlvula de control es pequea comparada con el volumen y con el caudal de proceso.


La figura muestra un tpico lazo de control de presin de gas.

CONTROLADOR

SUMINISTRO DE GAS

PC

SP

GG3.1.2.2 Ejemplos de lazos lentos (1/4)

CONTROL DE NIVEL: Los lazos de control de nivel son normalmente lentos porque la

desviacin respecto del set point provoca un cambio pequeo en el caudal respecto del volumen del tanque.

En lazos de nivel que estn sintonizados adecuadamente, es muy normal que los tiempos de estabilizacin sean del orden de decenas de minutos.

Una excepcin sera cuando la vlvula de control es muy grande comparada con el volumen del tanque:

Un tanque subdimensionado Una vlvula de control sobredimensionada, Un tanque innecesario Una estrategia de control no apropiada.


La figura muestra un lazo tpico de control de nivel de fondo de una columna de destilacin.

1

3

2

VB

B

LC

CONTROLADOR

SP


CONTROL DE TEMPERATURA: Los lazos de control de temperatura son normalmente lazos

lentos, especialmente cuando est involucrado un intercam-biador de calor.

Es frecuente para intercambiadores de calor tener tiempos muertos y constantes de tiempo de decenas de minutos.

Algunos procesos, tal como el control de la temperatura de un horno, pueden tener menores tiempos muertos y constantes de tiempo, y exhibir una respuesta ms rpida que la descrita anteriormente para los cambiadores de calor. A pesar de esta mejora, los lazos de temperatura son normalmente lo suficientemente lentos (comparados con otros lazos) como para considerarse lazos lentos.

GG3.1.2.2 Ejemplos de lazos lentos (4/4) La figura muestra un tpico control de temperatura

SALIDA DEL PROCESO

VAPOR

CONDENSADO

ENTRADA DEL PROCESO

INTERCAMBIADOR DE CALOR

TCCONTROLADOR

SP

GG3.1.2.3 Sintonizacin de lazos rpidos

Acabamos de comprobar con los ejemplos anteriores que en una refinera coexisten lazos lentos y lazos rpidos.

Excepto raras ocasiones, los lazos de control rpidos pueden sintonizarse satisfactoriamente usando los algoritmos proporcionales e integrales, porque la variable de proceso responde inmediatamente a los cambios del elemento final de control.

Como resultado, en los lazos rpidos el efecto de los ajustes del controlador puede observarse en minutos o segundos, y del mismo modo se pueden probar otros ajustes de una forma rpida.

GG3.1.2.4 Sintonizacin de lazos lentos (1/2) En lazos lentos es difcil ajustar un controlador bsico. Por ejemplo, la figura muestra la respuesta de un sistema con un

tiempo muerto muy grande, donde se observa cmo la accinintegral va incrementndose, entre los tiempos T1 y T2, debido aque la salida no reacciona al nuevo valor de la entrada.

TIEMPO

CAMBIO PUNTO DE CONSIGNA

T1 T2

Incremento debido ala accin integral

Tiempo muerto

SALIDA DELCONTROLADOR

VARIABLE CONTROLADA

GG3.1.2.4 Sintonizacin de lazos lentos (2/2)

Como un controlador de temperatura apropiadamente sintonizado puede tardar decenas de minutos o incluso horas en estabilizar, no es poco frecuente hacer cambios de ajustes dos veces al da (una cuando se llega a trabajar y otra cuando se deja el trabajo).

Adems de los algoritmos proporcionales e integrales, usados para lazos rpidos, en muchas ocasiones es necesario utilizar la accin derivativa.

La dificultad y la frustracin del sintonizado de estos lazos de control y el pobre funcionamiento dinmico del lazo no son reconocidos normalmente excepto por quien desarrolla los ajustes.

GG3.1.3 Interaccin de los lazos de control (1/3)

Virtualmente todos los lazos de control bsico manipulan una nica variable.

Muy pocos procesos son un grupo de entidades totalmente inde-pendientes que pueden controlarse satisfactoriamente con lazos de control bsico con una medida, un controlador, y un elemento final de control.

En las diapositivas siguientes veremos dos ejemplos en los que la utilizacin de un control bsico es claramente insuficiente al tratar los lazos de control de forma individual sin tener en cuenta los posibles efectos en otros procesos.

GG3.1.3 Interaccin de los lazos de control (2/3) EJEMPLO 1: Lazo de control de nivel con interaccin.

Pequeos cambios en la posicin de la vlvula tienen efectos insignificantes en el nivel, por lo que para controlar el nivel es necesario hacer cambios significativos en dicha vlvula que, a su vez, provocan grandes fluctuaciones de caudal en la columna B.

1

3

2VB

B

LC

CONTROLADOR

SP

A COLUMNA B

COLUMNA A

GG EJEMPLO 2: Dos lazos de control de temperatura compartiendo un

suministro subdimensionado de lquido refrigerante. Un aumento de suministro de refrigerante en un lazo provoca una

reduccin en el otro lazo que debe ser compensado.

3.1.3 Interaccin de los lazos de control (3/3)

SALIDA PROCESO A

SUMINISTRO AGUAREFRIGERACIN

ENTRADA PROCESO A

ENTRADA PROCESO B SALIDA

PROCESO B

RETORNO AGUAREFRIGERACIN

TC

TC


Cuando se analiza cmo un lazo de control estabiliza unadeterminada variable de proceso a menudo slo se tienen encuenta los estados estacionarios. Sin embargo los procesosreales exhiben consideraciones dinmicas que estn ausentesde estos anlisis. La calidad del control estar determinada engran medida por cmo se hayan tenido en cuenta estascaractersticas dinmicas en el diseo del lazo de control y enalgunas ocasiones la posibilidad misma de realizar un controlaceptable. Un caso significativo se da cuando los lazos lentosmiden variables de proceso que reaccionan lentamente peromanipulan variables de proceso que reaccionan rpidamente.


La disponibilidad de un lazo de control bsico para compensar la dinmica del proceso, las perturbaciones y las interacciones entre lazos de control est limitada por la propia naturaleza del lazo bsico de control con una nica variable controlada y una nica variable manipulada.

Se estima que ms del 50 % de los lazos de control bsico que existen pueden beneficiarse de algunas otras formas de control ms sofisticadas.

GG

FIN DE LA LECCIN

GG

Control avanzado

GGUna vez definidos los objetivos de control y

cuales son las variables manipuladas y medibles, se puede pasar a realizar el diseo de la estructura de regulacin. En esta tarea hay que tener presente el posible uso de otras formas de establecer el control distintas de los lazos convencionales sencillos, que pueden ayudar a mejorar bastante el funcionamiento del sistema:

Entre ellas estn: el control en cascada, feedforward, ratio, selectivo, override, ...

GGRechazo de perturbaciones Junto al objetivo de conseguir que la variable controlada siga a la seal

de referencia, un segundo objetivo, tan importante como el primero, es conseguir que la variable controlada se vea afectada lo menos posible por las perturbaciones que actan sobre la mayora de los procesos.

En un lazo de regulacin convencional, cuando aparece una perturbacin, esta se transmite a la salida del sistema y slo cuando dicha salida se ha separado del valor de referencia (es decir, cuando la seal de error no es nula) comienza la accin correctora del regulador.

ProcesoControl

P

+ -yuer

En procesos lentos se puede dar lugar a que la variable controlada est fuera de los valores especificados durante un tiempo significativo.

GGndice del captulo

4. Control avanzado

4.1 Control en cascada 4.2 Control feedforward 4.3 Control ratio 4.4 Control selectivo 4.5 Control por restricciones 4.6 Control override

GG

Control en cascada

Leccin 1


4.1.1 Introduccin a la leccin

4.1.2 Concepto de control en cascada

4.1.3 Utilidad y costo del control en cascada

curso sobre control de procesos

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