Fernando Otero, CAP
Optimo Group Inc.
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AgendaDía 1:
Fundamentos de Control Automático para Operadores
Bienvenida OXY Colombia
Introducción Instructor
Introducción Asistentes
Introducción al Control de Procesos
Control de Procesos en la Industria Petrolera
Sistemas de Control: Objetivo y desempeño
Errores típicos de control que afectan la operación
Controlabilidad de Procesos
Variabilidad de Proceso
Efectos del Control de Proceso en la Variabilidad de Procesos
Control de Procesos en OXY
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Agenda Día 1: … continuación
El Lazo de Control: Componentes
Elemento Final de Control
Válvulas de Control: aspectos relevantes
Qué debe esperarse de la válvula de control
Desempeño de las válvulas de control
Elemento Primario de Control
Sensores/Transmisores
Resolución y desempeño
Damping
El controlador
Control basado en algoritmo PID
Acción Proporcional
Acción Derivativa
Acción Derivativa
El proceso
Conocer el proceso
Dinámica de procesos
Aspectos del proceso
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Agenda …Día 2:
Implementación del Control PID
Algoritmos PID en Sistemas de Control
Allen Bradely
ABB
Otros
Sintonización y Desempeño de Lazos
Aspectos a tener en cuenta en la sintonía
Tipos de procesos:
Autoregulados
Integrates
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Agenda …Día 2: .. continuación
Tipos de respuesta de lazos
A cambios de SP
A presencia de perturbaciones
Velocidad de Respuesta de Lazos
Interacción de Lazos de Control
La operación y el control automático de procesos
Discusión de casos y aspectos de ejemplos de las plantas de OXY.Análisis y estudio de casos.
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Bienvenida e Introducciones
Bienvenida OXY
Introducción Instructor
Introducción Asistentes
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Fundamentos de Control de Procesos
Fernando Otero• ISA Certified Automation Professional (CAP)
• Presidente y Fundador de Optimo Group Inc., compañía dedicada a prestar servicios de consultoría y asesoría en control automático de procesos para la industria manufacturera.
• 25 años de experiencia en Control Automático de Procesos
• 1998-2009 - Consultor de Control de Procesos – Cornerstone ControlsInc. – Indianápolis, Indiana, USA
• 1989-1998 - Ecopetrol – Instituto Colombiano del Petróleo
• Ingeniero Químico, Universidad Nacional
• Master of Science, Ing. Química – University of Oklahoma
• Candidato a Doctorado, Ing. Química - University of South Florida
• Instructor, autor de artículos, presentador de ponencias técnicas, columnista de revistas especializadas.
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Presentación de Asistentes:
Nombre
Profesión
Cargo
Empresa
Algo que pocos saben de usted? Ejemplo: Fui gimnasta cuando niño. Mi hermana fue gimnasta
olímpica y una revista la llamó la Nadia Comaneci colombiana.
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Fundamentos de Control de Procesos
Fundamentos de Control de Procesos
Objetivos
1. Introducir los conceptos fundamentales de la teoría del control automático de procesos.
2. Explicar los componentes y el comportamiento de un lazo de control.
3. Entender un controlador tipo PID.
4. Comprender por qué es importante entender e identificar el proceso.
5. Presentar los diferentes métodos de sintonización de lazos de control.
6. Comprender cómo disminuir la variabilidad de proceso mediante un control óptimo.
7. Elaborar sobre aspectos prácticos de control.
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Fundamentos de Control de Procesos
Plan
1. Conceptos generales de control de procesos
2. Componentes de un lazo de control
3. Identificación del Proceso
4. Controlador PID
5. Variabilidad
6. Sintonización de lazos de control
7. Estrategias de control
8. Aspectos prácticos de control y sintonización de lazos
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Fundamentos de Control de Procesos
Lo que NO veremos en este curso
1. Modelos de procesos basados en principios físico-químicos.2. Desarrollo matemático del algoritmo PID3. Transformadas de Laplace4. Localización de las raices de un sistema5. Diagramas de Bode6. Análisis de estabilidad en el dominio de la frequencia7. Control predictivo multiviariable
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Control de Procesos
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Introducción al Control de Procesos
Control de Procesos en la Industria Petrolera
Sistemas de Control: Objetivo y desempeño
Errores típicos de control que afectan la operación
Controlabilidad de Procesos
Variabilidad de Proceso
Efectos del Control de Proceso en la Variabilidad de Procesos
Control de Procesos en OXY
Control de ProcesosIntroducción al Control de Procesos Cuál es el objetivo de un sistema de control automático de procesos?
Desde el punto de vista de control regulatorio, un sistema de control se diseña para mantener las variables de proceso importantes en valores de consigna o set points.
El sistema debe ser capaz de hacer las compensaciones necesarias cuando se presenten perturbaciones con el fin de hacer que la variable controlada regrese a su set point.
Esta función se ejecuta simultáneamente para múltiples variables de proceso en una planta de producción.
Hay varias formas en que un sistema de control pueda mejorar su desempeño, como por ejemplo utilizando tareas secuenciales, como con control batch.
Sin embargo, el objetivo del sistema automatización del proceso es asegurarse de que la calidad y cantidad de productos sea constante, uniforme y consistente.
Adicionalmente, si puede lograr incrementar la producción y mantener la calidad, esto es aún mejor.
(ISA–InTech: The Final Say, Don’t Forget the Fundamentals of Process Controls, June 2008)
http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=ViewPoint1&template=/ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=69745
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Fundamentos de Control de Procesos
Conceptos generales de control de procesos
• El objetivo del control automático de procesos es mantener variables importante de proceso en un valor de operación deseado.
• El control de procesos es importante para:
• la seguridad del personal• la seguridad de los equipos• proteger el medio ambiente• la calidad del producto• mantener las capacidades de producción a costo mínimo.
• Todo sistema de control ejecuta las siguientes tres operaciones básicas en ciclo cerrado:
• Medición• Decisión• Acción
• La acción debe afectar la medición.
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Fundamentos de Control de Procesos
Conceptos generales de control de procesos
• Variable Controlada (PV, CV)
• Punto de Consigna (o de Ajuste) (Set point, SP)
• Variable Manipulada (CV, MV, CO, PD, IVP, OUT)
• Perturbación (carga, load)
• Control en Manual (Lazo Abierto)
• Control en Automático (Lazo Cerrado)
“El objetivo de un lazo de control automático es ajustar la variable manipulada para mantener la variable controlada en su punto de consigna a pesar de las perturbaciones que sufre el proceso”
• Control Regulatorio: para compensar por presencia de perturbaciones
• Servocontrol: la variable controlada debe perseguir al set point.
• El primer requisito para controlar un proceso es conocer el proceso.
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Introducción al Control de Procesos
Cosas curiosas luego de ejecutar cientos de servicios de desempeño de control en plantas:
Hay miles de ejemplos de buena utilización de control de procesos, pero la mayoría de los casos en que se requieren mis servicios, es por que el sistema de control no se estaba desempeñando como se esperaba.
Estas cosas curiosas en últimas afectan no solo el desempeño del sistema de control, si no también el desempeño de la planta, que es aún más importante.
(ISA–InTech: The Final Say, Don’t Forget the Fundamentals of Process Controls, June 2008)
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Fundamentos de Control de Procesos
Fundamentos de Control de ProcesosIntroducción al Control de Procesos
Algo simple: dos válvulas de control sobre el mismo tubo separadas sólo por algunos pocos metros. “Una controlaba la presión y otra controlaba la temperatura”.
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TCV-201PCV-201
E-1
PT-201
PIC-201 P-1
P-2
TT-201TIC-201
P-3
P-4
Fundamentos de Control de ProcesosIntroducción al Control de Procesos
Otro ejemplo sencillo (aunque hay otros muchos ejemplos más complicados) es la generación de un tiempo muerto extremadamente largo debido a la localización del elemento primario de control. Este estaba muy, pero muy, lejos del elemento final de control.
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AT-201AIC-201
P-1
E-2
V-3 V-4
P-5
PCV-201
E-3
Fundamentos de Control de ProcesosIntroducción al Control de Procesos
Generación de interacción de lazos al instalar un elemento primario de control en la misma línea de un elemento final de control de un lazo de control diferente.
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AT-201AIC-201
P-1
E-2
V-3 V-4
PCV-201
E-3
PT-301
PIC-301
P-6
PCV-301P-7
P-8
Settings y Parámetros Settings y parámetros en la configuración de la estrategia de control.
Empezando por los parámetros de sintonía (PID) de los lazos de control
Hay plantas donde muchos lazos de control tienen la sintonía que por default trae el bloque PID
Hay lazos que nunca fueron sintonizados cuando se comisionó y arrancó la planta
Otros aspectos de Control
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Introducción al Control de Procesos
Estos ejemplos, y otros muchos, indican que no se realizó un análisis mínimo de controlabilidad antes de la aprobación final de la estrategia de control durante la fase de diseño del proyecto !!!
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Fundamentos de Control de Procesos
Control de Procesos en la Industria Petrolera
Compresores, intercambiadores de calor, calderas, bombas, slug catchers, separadores, etc.
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Fundamentos de Control de Procesos
Control de Procesos en la Industria Petrolera
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Fundamentos de Control de Procesos
Fundamentos de Control de Procesos
Control de Procesos en la Industria Petrolera
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Fundamentos de Control de Procesos
Control de Procesos en la Industria Petrolera
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Fundamentos de Control de ProcesosControl
de
Procesos
en la
Industria
Petrolera
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P5355
P5356
PCV53551
PV53562
PIT53551
FIT53551 FO
FO
Está por presión
en
por rampa y pasos
PIT53561
PCV53561
FO
FO
PIA-5A
P5355/56
P5011/12/13
P5353/54
P5351/52
P5009/10
PIT53553
SP from
operator
1800 psi
SP=1800???
Presion descarga
mínima
PCV53552
PIT53252
No existe un bloque PID
SP = 2150 psig ???
Presión descarga
máxima, o
correspondiente
flujo minimo
FIT-53561
No existe un
bloque PID
Alarma en 25000
Alarma
en 25000
PSV calibrada a
2244 psig
PSV
calibrada a
2244 psig
PIC-53534
SP=1800???
Presion descarga
mínima
SP = 2150 psig
??? Presión
descarga máxima,
o correspondiente
flujo minimo
Selector <
PIC-53561
PIC-Anillo
PIC54561
PIC53551
PIC53552
Sleectro <
PTYYY
PT en
campo
Señal
Feedforward
Lead/Lag
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Sistemas de Control: Objetivo y desempeño
PLC o DCS
Allen Bradley – ControlLogix
Opto 22
I/A Foxboro
Honeywell
ABB Advant 450
DeltaV
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Fundamentos de Control de Procesos
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P6252
P6251
PCV62521
PCV62512
PIT62521
FIT62521 FO
FO
Está por presión
en
por rampa y pasos
PIT62511
PCV62511
FO
FO
PIA-6
P6251/52
P6257/58
P6255/56
P6253/54
P6259
PIT62512
SP from
operator
1850 psi
SP=1800???
Presion descarga
mínima
PCV62522
PIT62513
No existe un bloque PID
SP = 2150 psig ???
Presión descarga
máxima, o
correspondiente
flujo minimo 27000
FIT62511
No existe un
bloque PID
Alarma en 2200
Alarma
en 2200
PSV calibrada a
2244 psig
PSV
calibrada a
2244 psig
PIC62512
SP=1800???
Presion descarga
mínima
SP = 2150 psig
??? Presión
descarga máxima,
o correspondiente
flujo minimo
27000
Selector <
PIC62512
PIC-Anillo
PIC62511
PIC62522
PIC62521
Sleectro <
Alarma
en 33000
Alarma
en 33000
PT-YYY
PT en
campo
Señal
Feedforward
Lead/Lag
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En el momento de toma de estas imágenes el set point de la presión del anillo esta a 1920psi
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Sistemas de Control: Objetivo y desempeño¿Por qué debemos controlar las unidades de proceso?
Mantención del punto de operación
• Si un proceso (una Planta) es visto como un conjunto de operaciones (equipos) inteligentemente conectadas, entonces la mantención del punto de operación del proceso global (la Planta) se podría satisfacer manteniendo una consigna determinada en cada operación. El punto de operación requerido puede ser simple (un cierto pH o una cierta temperatura) o complejo (una cierta rentabilidad).
Satisfacer restricciones de
• Seguridad (Presión, Temperatura, Composición, etc entre un máximo y un mínimo de seguridad)• Especificaciones (es decir, control de la calidad de una variable ; no sólo cantidad)• Regulación Ambiental (efluentes, emisiones, residuos sólidos)• Restricciones operacionales para cada equipo u operación (alturas de tanques, potencias a las bombas, etc)• Economía óptima (frente a materiales cambiantes, energías a tarifa cambiante, etc.)
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Sistemas de Control: Objetivo y desempeño
Sistema de Control.
Conjunto racional y sistemático de equipos (sensores, actuadores, computadoras, algoritmos, etc.) e intervención humana (diseñadores y operadores de proceso) que permite operar el proceso controlado (una planta, p.e.) con asistencia del sistema de control mismo.
Requerimientos que se satisfacen con sistemas de control:
• Eliminar la influencia de perturbaciones externas • Asegurar la estabilidad del proceso • Optimizar el proceso
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Sistemas de Control: Objetivo y desempeño
Allen Bradley – ControlLogix
OPTO22
Etc.
Independientemente del Sistema de Control, los fundamentos de control automáticos de procesos se deben cumplir.
El control continuo en el sistema de control (PLC o DCS) se encarga de mantener las variables de proceso muy cercanas al set point.
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Sistemas de Control: Objetivo y desempeño
Allen Bradley – ControlLogix
OPTO22
ABB Advant 450
Etc.
Cada sistema de control implementa el algoritmo de control continuo (basado en PID) en forma diferente.
Dentro del mismo sistema de control, puede haber más de una implementación diferente del algoritmo de control continuo.
Esto implica que los valores de los parámetros, las unidades, y el comportamiento del lazo pueden ser diferentes de sistema a sistema, y dentro de cada sistema.
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Comportamiento de la presión de campo
PIA5A y PIA6
Fundamentos de Control de Procesos
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Utilización de las tendencias para tomar decisiones de proceso
Diagrama de flujo separación de fluido de pozos Link Esquema
Fundamentos de Control de Procesos
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Estación LCI-2
TANQUE DE CRUDO
WEMCO
Separador trifasico
AGUASKIMMINGTANK
BOMBAS DE TRANSFERENCIA
DEPURADOR DE GAS
TAMBOR DE TEA TEA
PLANTA DE GAS
(Conexión Nov2011)
Piscina
PLANTA DESHIDRATADORA
PIA 5A
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GUN BARRELTANK
TANQUE DE CRUDO
WEMCO
PLANTA DESHIDRATADORA
BOTA DEGAS
AGUA
FILTRO WALNUTBOMBAS DE INYECCIÓN
PIA
SKIMMINGTANK
BOMBAS DE TRANSFERENCIA
ESTACIÓN
BOCATOMA
Oil
Flujo Multifásico
Water
Gas
TORRE DESOXIGENADORA
TANQUE DE CABEZA
Esquema General
DEPURADOR DE GAS
TAMBOR DE TEA
TEAPozos Productores
PLANTA DE GAS
(Conexión Futura) Piscina
PTA
Link DiagramasDe flujo
TANQUE DE RECIBO
BOMBAS DE INYECCIÓN
TANQUE DE RECIBO
TANQUE DE CABEZA
Pozos Inyectores
Troncales de inyeccion
De SRV
FILTRO< 5μ
FILTRO< 5μ
PIA5/5A
WALNUT FILTERS
TORRE DESOXIGENADORATANQUE DE CABEZA
TANQUE DE RECIBO
BOMBAS DE INYECCIÓN
TANQUE DE RECIBO
TANQUE DE CABEZA
Medición promedio de Septiembre 2011
PIA5Agua de rio
PIA5AAgua Producida
Entrada
Torres
O2 (ppb)
5894
Salida de torres
O2 (ppb)
T-5001 T-5002
663.2 658.8
Succión Turbinas
Inyección
TSS (ppm) O2 (ppb)
0.3 473.7
Entrada Filtros
O/W (ppm) TSS (ppm) O2 (ppb)
4.7 11.8 0.0
Salida Filtro 5371/72/7374
O/W (ppm) TSS (ppm) O2 (ppb)
0.3 6.6 0.0
Salida Tanque 5312 - 5313
O/W
(ppm)
TSS
(ppm)
O2
(ppb)
0.9 7.9 0.9
Anillo de inyección
Entrada Filtros
O/W (ppm) TSS (ppm) O2 (ppb)
3.9 11.1 0.0
Salida Filtro 5005/06/07
O/W (ppm) TSS (ppm) O2 (ppb)
0.0 8.0 0.0
Parametros requeridos a la salida
O2 (ppb) 0
TSS (ppm) < 5
O/W (ppm) < 5
BOMBAS DE INYECCIÓN(Turbinas)
Fundamentos de Control de Procesos
PIA6
WALNUT FILTERS
BOMBAS DE INYECCIÓN
TORRE DESOXIGENADORA TANQUE DE CABEZA
TANQUE DE RECIBO
BOMBAS DE INYECCIÓN
TANQUE DE RECIBO
TANQUE DE CABEZA
Medición promedio de Septiembre 2011
Entrada Filtros
O/W
(ppm)
O2
(ppb)
8.9 0.0
Salida Filtro
6371/72/73
O/W
(ppm)
O2
(ppb)
0.4 0.0
Entrada
Torres
O2 (ppb)
5789
Salida de torres
O2 (ppb)
T-6001 T-6002
1052 1000
Tanque Tk-6211
O/W (ppm) TSS (ppm) O2 (ppb)
2.3 9.6 74.0
Tanque TK-6212
O/W (ppm) TSS (ppm) O2 (ppb)
3.2 5.9 475.5C-25
O2
(ppb)
5.0
Agua de rio
Agua Producida
Anillo de inyección
Parametros requeridos a la salida
O2 (ppb) 0
TSS (ppm) < 5
O/W (ppm) < 5
Fundamentos de Control de Procesos
Fundamentos de Control de Procesos
El Lazo de Control: componentes
Estándares de Desempeño
Instrumentación (transmisores y sensores)
Elementos finales de control
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Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
• Sensor / Transmisor• Elemento primario de control•Desempeña la MEDICION dentro del lazo de control •Salida del transmisor (TO): debería ser lineal• Cuidado con no lineales como: termopar y medidor de flujo de platina de orificio• Rango, Span, Zero• Ganancia del transmisor
• Elemento final de Control• Desempeña la ACCION dentro del lazo de control• Válvula de Control• Variador de velocidad
• Controlador• Desempeña la DECISION dentro del lazo de control
• PROCESO
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Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
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Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
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Transductor: Dispositivo que recibe información en una forma y genera una salida en respuesta.
Transmisor: Es un transductor que responde a una variable de medición y convierte esa entrada en una señal de transmisión estandarizada.
El estándar industrial más común para transmisores es una combinación de transductor y un circuito de condicionamiento de señal que produce una corriente de salida proporcional a la medida.
El estándar industrial de control de procesos es 4 a 20 miliamperios (mA). 4 mA representa el 0%20 mA representa el 100% 0 escala completa.
Se utiliza corriente por que no es afectada por impedancia o ruido como sucede con señales de voltaje cuando se transmiten en distancias largas.
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Componentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
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Exactitud : ± 0.2% del span calibrado
Incluye los efectos combinados de lo siguiente
Repetibilidad: ± 0.05% del span calibrado
Linealidad: ± 0.1% del span calibrado
Histéresis: ± 0.05% del span calibrado
Banda muerta: Ninguno
Velocidad de respuestaRespuesta en la mediciónTransporte de muestra
Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor Fórmulas de Conversión y,w
20 mA
4 mA
y0 yMy
Span=yM - y0
100 %
0 %
y0 yMy
mA
%
)yy(span
100% 0
4)yy(span
16mA 0
)4mA(16
100%
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Fundamentos de Control de ProcesosComponentes de un lazo de control Sensor y Transmisor
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Transmisores Inteligentes
• Con microprocesador
• Habilidad de calibrar la unidad en un rango de medición más ancho que el spannecesitado para una aplicación específica.
• Esto produce una mayor rangoabilidad.
• Más flexibles
• Como la curva de calibración está en la memoria del microprocesador, se puede cambiar electrónicamente el cero y el span por medio del teclado de un terminal portatil.
• Comunicación de dos vías con el cuarto de control.
• Proveen diagnóstico, re-tienen tags, se les puede programar damping y compensación, etc.
• Capacidades de linealización de señales y/o generación de funciones.
• Muchos vienen con spare sensor (Termopar y RTD, por ejemplo)
Fundamentos de Control de ProcesosComponentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
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Damping
Parámetro configurable en el transmisor..
Es la constante de tiempo de un filtro de primer orden aplicado a la señal análoga antes de que la señal sea transmitida.
El valor (en segundos) determina el tiempo que le toma a la señal de salida llegar al 63% del valor final si se aplicara un paso escalón en la entrada.
Es aconsejable dejar este valor en el mínimo y aplicar filtrado en el sistema de control; así sería más fácil cambiarlo o monitorearlo.
Al incrementar excesivamente el valor del damping, simplemente se empieza a enmascarar el proceso. La señal del transmisor no representa el comportamiento real del proceso.
Algunos expertos aconsejan colocar un valor para damping igual a 1.3 veces el tiempo de ejecución del algoritmo de control PID.
Filtrado PV
La “solución” fue aplicar un filtro de 6 segundos en la PV del bloque PID en el sistema de controlEl damping de los transmisores era el default del fabricante, 2.0 segundos
Uso y abuso del filtrado en la PV (PV-filtering parameter)
Ejemplo: un lazo de control de presión con bastante acción derivativa
La presión es una variable de proceso bastante ruidosa
La acción derivativa genera un movimiento excesivo en la CV y esto, a su vez, genera mucha variabilidad de proceso
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Fundamentos de Control de ProcesosComponentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
56
…. continued
Esto “trabajó” bien por que el ruido se despareció; la válvula de contrl se movió más suavemente aunque estaba aún algo agresiva
Pero esto no paró la presencia de numerosas alarmas molestas por ALTO y por DESVIACION!
El número de shutdowns inesperados (no programados) o disparadas de apagada del oleoducto era igual que antes!
Filtrado PV
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Fundamentos de Control de ProcesosComponentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
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Ignorar la Variabilidad de Proceso En realidad al aumentar el filtrado en la PV a través del sistema,
Se ingnora el comportamiento real de proceso y se le hace creer al sistema de control queel proceso se comporta de otra manera
Se ignora el comporatmiento real del proceso y se enmascara la magnitud de la variabilidadde proceso en ese lazo de control
El lazo de presión tenía una constante de tiempo de 1.8 segundos y un tiempomuerto de 0.9 segundos
El punto es que no se aplican los fundamentos de control de procesos y esto puedeafectar el desempeño, no solo del sistema de control, sino también el desempeño de la planta
En el caso del sistema de control de procesos, y luego de haber invertido dinero en la automatización de la planta, lo último que se espera es que el sistema de control genere variabilidad de proceso.
Filtrado PV
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Fundamentos de Control de ProcesosComponentes de un lazo de control
Sensor y Transmisor
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Fundamentos de Control de ProcesosSensor y Transmisor
Características deseables en un trasmisorLas más importantes:
• Alta resolución• Alta precisión (o exactitud)• Alta rangoabilidad• Alta confiabilidad• Bajo costo
No menos importantes:• Pequeño tamaño y bajo peso• Diseño robusto para aguantar ambiente industrial• Que la precisión no se afectada por las condiciones atmosféricas• Que no necesite ajustes por variaciones en la carga o en la resistencia de la línea• Que no presente peligro para el personal y los equipos (intrínsecamente seguro)• Fácil y conveniente para calibración y mantenimiento• Que opere bien aún en presencia de caídas de voltaje y pérdidas de electricidad• Mínimo # de líneas de transmisión• Salida compatible con otros instrumentos y el sistema de control• Facilidad de integración con el sistema de control distribuido
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Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
• Acción de la válvula (FO, FC) •Actuador (diafragma y resorte)• Posicionador (importancia, posicionador digital inteligente)• Cálculo del tamaño de la válvula de control• Característica de Flujo
• Igual Porcentaje • Lineal• Apertura Rápida
• Inherente• Instalada
• Rangoabilidad• Ganancia de la válvula• Caida de Presión a través de la válvula• Velocidad de respuesta
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
Fórmulas de Conversión u
20 mA
4 mA
100 %0 %
mA
u %
4%100
16mA
u
mA%
Apertura válvula en %
u
%
Actuador
Apertura válvula en %
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Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control – relación de perdida de presión
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control - Globo
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control - Rotatorias
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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• Está comprobado que cuando se seleccionan y dimensionan las
válvulas de control en una forma adecuada, se ahorra dinero!!!
• Las válvulas de control que son incapaces de seguir la señal de
salida del controlador hacen que la sintonía de los lazos se mucho más
difícil e introducen variabilidad no deseada en el proceso y en los
productos!!!
• 'When momma ain't happy, nobody's happy.' A parallel could be said
about control valves, 'When control valves aren't working, the
whole loop's not working’.
Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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La dinámica de la válvula de control depende de muchos factores:
• Diseño y tamaño de la válvula
• Diseño y tamaño del actuador
• Desempeño del posicionador
• Condiciones del proceso
• Métodos de prueba
Cuando se tienen en cuenta todos estos factores, la válvula de
control se convierte en un sistema complejo que requiere ingeniería
más exigente.
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Componentes de un lazo de control
Válvula de Control
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Control Valve
Characteristics
Summary
Here are the relative
differences in three
commonly used control
valve designs.
Globe valve Segmented V-ballHigh-performance
butterfly valve
Capacity Good Excellent Excellent
Characteristic Unlimited selection
One, usually equal
percentage (more
towards good now)
One, usually linear
Noise control Excellent Limited None
Cavitation protection Excellent Limited None
High flowing pressure
dropsGood Limited Poor
Tight shutoff Good Good Good
Usable control range Wide Limited Narrow
Cost Highest Medium Lowest
Source: Control Engineering with data from Fisher Controls - 1999
Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Especificación de la Dinámica de las Válvula de Control
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• Documento creado por EnTech Controls (empresa comprada por Emerson ProcessManagement) de 20 páginas con tres secciones:
• No linealidad• Respuesta Dinámica a un Paso Escalón• Cálculo del tamaño de válvulas de control
• Cada sección incluye:• explicaciones extensas, • gráficas de soporte, • recomendaciones, • valores de default, • espacio para datos de usuario.
• Al final del documento hay un Glosario de los términos utilizados
• In 1992 EnTech released its Control Valve Dynamic Specification
Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
Especificación de la Dinámica de las Válvula de ControlSección de No-Linealidades
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• La No-Linealidad en una válvula de control representa la inhabilidad de la válvula (sistema que incluye válvula, actuador y posicionador) para seguir en forma precisa los cambios en la señal de control que viene del controlador y asegurar que se realicen los cambios en el coeficiente de flujo (Cv).
•Esta sección:
• establece las no-linealidad máximas permitidas para la válvula en cuanto a:
• Banda muerta• Resolución• Histéresis total
• Idealmente, la válvula debería diseñarse con una ganancia de uno (1.0)• Sin embargo problemas mecánicos y la fricción dinámica y estática hacen dificil que una válvula responda en forma eficiente y a cambios pequeños en la señal de control.
Fundamentos de Control de ProcesosComponentes de un lazo de control
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• Esta sección establece el rango de movimiento mínimo y máximo que produce una dinámica
consistente.
• El tamaño de paso mínimo es el límite inferior del rango y depende de la histéresis total y magnitud de
movimientos inconsistentes.
• El tamaño de paso mínimo depende del diseño de la válvula y frecuentemente es el doble de la
histéresis total.
• Se especifican los valores de paso mínimo para cambios de paso nominal, fino y muy fino.
• Las válvulas capaces de cambiar el flujo con cambios de paso muy fino usualmente son más costosas.
• Los valores máximos del tamaño de paso nominal, amplio, y muy amplio son los limites superiores del
rango en el cual la válvula es casi lineal y depende de los movimientos limitados por la velocidad.
• Entre más amplio sea el límite superior del rango, mayor la capacidad del diseño de la válvula.
• La especificación de respuesta a paso escalón establece la cantidad de tiempo, después de un cambio
en la señal de entrada, que le toma a la salida alcanzar el 86.5% del valor final en estado estable.
Especificación de la Dinámica de las Válvula de ControlSección de Respuesta Dinámica
Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control
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• Esta sección define la amplitud máxima del ciclo límite de flujo como porcentaje del flujo
nominal.
• Se presentan valores para nominal, fino y muy fino, como porcentaje de:
• tamaño del paso mínimo
• ganancia de flujo
• ciclo límite de flujo
• La amplitud del ciclo limite puede predecirse como la mitad del tamaño de paso mínimo
multiplicado por la ganancia de fljo.
• La ganancia de flujo se calcula dividiendo las unidades de flujo (i.e., gpm) en el
porcentaje de movimiento de la válvula y dividiendo los resultado en el porcentaje de flujo
en el punto de operación esperado.
• Una variación en la porción de la ganancia de proceso ayuda a determinar el grado de
dificultad esperado en la sintonización de lazo de control.
For more information about EnTech's Control Valve Dynamic Specification, visitwww.emersonprocess.com/entechcontrol/
Especificación de la Dinámica de las Válvula de Control
Sección de Dimensionamiento de la Válvula
Fundamentos de Control de Procesos
Componentes de un lazo de control – la Válvula de Control
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• Adquiera conocimiento sobre como evaluar (benchmark) el desempeño de una válvula de
control;
• Asegúrese que las personas encargadas de comprar, dimensionar, seleccionar, y
mantener las válvulas de control comprendan la importancia de ellas y de entender que las
válvulas de control son un sistema;
• Asegúrese de que los lazos de control están sintonizados apropiadamente; y
• Repita los tres pasos anteriores regularmente y asegúrese de que todos los componentes
del lazo de control se están comportando como se esperaba.
Si quiere mejorar el desempeño de la válvula de control para que mejore la
calidad de su producto, entonces tenga en cuenta los siguientes cuatro factores:
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Fundamentos de Control de Procesos
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Mejores Prácticas para Mejorar el Desempeño de Válvulas de Control
Válvulas de Control
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TV-3490
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Fundamentos de Control de Procesos
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Preguntas sobre válvulas de control?
Control PID
El Controlador PID
Acción Proporcional
Acción Integral
Acción Derivativa
Implementación del Algoritmo PID
Ideal o Dependiente
Independiente
Estándar
Serie
Etc.
Estructura:
PID en el Error o en la PV
Unidades de los Parámetros PID
Opciones del Control: Directa-Inversa; Tracking, etc.
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Fundamentos de Control de Procesos
Fundamentos de Control de Procesos
Controlador
Tipos de Control
• ON/OFF
• PIDProporcional (P)Proporcional-Integral (PI)Proporcional-Integral-Derivativo (PID)Proporcional-Derivativo (PD)
Acción del ControladorInversaDirecta
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Fundamentos de Control de Procesos
Controlador PID
Controlador basado en señal, no incorporaconocimiento explícito del proceso
3 parámetros de sintonía Kc, Ti, Td
diversas modificaciones
dt
deTde
TteKtu
tytwte
d
i
c )(1
)()(
)()()(
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Error
Dominio en el tiempo
Dominio en Laplace
Acción de Control = Sumatoria de acciones Proporcional, Integral y Derivativa con base en el error
Fundamentos de Control de Procesos
Parámetros PID• Kc ganancia / Término proporcional
– % span control / % span variable controlada
– banda proporcional PB=100/ Kc
=========================
• Ti tiempo integral / Término integral (Reset)
– Minutos o segundos (por repetición) (reset time)
– repeticiones por min (o por segundo) = 1/ Ti
=========================================
• Td tiempo derivativo / Término derivativo (Rate)
– Minutos o segundos.
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Fundamentos de Control de Procesos
Control PID
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Tres formas comunes de control PID
• Paralela
• Estándar, o forma ISA (*la más popular)
• En Serie, o forma Clásica
Fundamentos de Control de Procesos
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Control PID: Forma Paralela
Fundamentos de Control de Procesos
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Control PID - En Serie, o forma Clásica
Fundamentos de Control de Procesos
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Conversión de Control PID -En Serie, o forma Clásica a Estándar
• Si no se usa acción derivativa, entonces las dos formas son iguales
• Las unidades de tiempo de TR y TD deben ser iguales
• Asegúrese de convertir las unidades de los parámetros PID antes de convertir de una forma a otra
Fundamentos de Control de ProcesosControl PID
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Fundamentos de Control de ProcesosControl PID
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Fundamentos de Control de ProcesosControl PID
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Esto significa que existen 3 x 2 x 4 x 2 = 48 combinaciones diferentes de unidades y algoritmos que un controlador pued utilizar!
Fundamentos de Control de Procesos
Controlador
Gp(s)C(s)
100/span
Controlador
W(s)
• Las señales de entrada y salida al controlador suelen expresarse en %
del span del transmisor y del actuador respectivamente.
• La conversión del controlador debe corresponder a calibración del transmisor
•Las dinámicas del actuador y transmisor deben incluirse si son significativas
U(s)
%
%%
+-
Y(s)
100/span
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Acción proporcionalbiasteKtu c )()(
Un error del e % provoca una acción de controldel (Kc*e %) sobre el actuador
bias = manual reset (CV = SP)
Fundamentos de Control de Procesos
Atención!Tener en cuenta las unidades de Kc que normalmente son %CO/%Span
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Acción proporcional
Fundamentos de Control de Procesos
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SP
CV
MV
Time
Time
Offset
Proportional Kick
Error estacionario
Acción directa/inversa
Controlador de acción directa Kc < 0Controlador de acción inversa Kc > 0
Entre mayor Kc, más agresivo es el controlador
considerar el tipo de válvula
Fundamentos de Control de Procesos
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Acción Integral (RESET)
y ysp sp
t t
u
t
u
t
Un controlador P no eliminael error estacionario en procesos autoregulados
La acción integral continua cambiando la u hasta que el error es cero
edT
K
i
c
Fundamentos de Control de Procesos
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Acción Integral Ti tiempo que tarda laacción integral en igualara la acción proporcional(una repetición) si e=cte.
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SP
CV
MV
Time
Time
a
a
Ti
bb
Ti
Acción Integral
Fundamentos de Control de Procesos
• La acción integral elimina el error (offset) que deja la acción proporcional.
• Atención: las unidades del término integral dependen del fabricante. Las más usuales son: segundos/repetición, minutos/repetición, repeticiones/min, o adimensional
Mientras el término proporcional actúa con base en el tamaño del error e(t), la acción integral considera la historia del error, o la cantidad de tiempo en que la variable controlada ha estado alejada del set point.
Integración significa sumar continuamente. La integración del error significa que se suma completamente la historia del error hasta ahora, empezando desde cuando el controlador fue cambiado a AUTOMATICO.
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Acción derivativa
y yw w
t t
u
t
u
t
Un controlador P con gananciaalta para dar respuesta rápidapuede provocar oscilaciones por acción u excesiva
La acción derivativa acelera lau si e crece y la modera si e decrece, evitando oscilaciones
Fundamentos de Control de Procesos
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La acción derivativa actúa sobre el cambio del error en el tiempo… rata de cambio
Acción derivativa
• Con el Error variando linealmente, la acción derivativa da lamisma Salida que la acción proporcional daría Td segundos más tarde
• Acción anticipativa
• No influye en el estado estacionario
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Acción derivativa
y ypv pv
t t
u
t
u
t
Saltos en la w provocanvalores muy altos de u enen instante de cambio
Señales de proceso ruidosasprovocan acciones inadecuadasen la u
Fundamentos de Control de Procesos
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Preguntas sobre Controlador PID
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Curso de Control de Procesos
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Curso de Control de Procesos
Control de Procesos -- El Proceso
“Existen tres (3) requisitos primordiales para realizar buen control de procesos”
(Dr. Carlos Smith, University of South Florida)
Primero, conocer el proceso
Segundo, conocer el proceso!!
TERCERO, CONOCER EL PROCESO!!!
El Proceso
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Curso de Control de Procesos
• Desde el punto de vista del controlador, el proceso es todo lo que está entre la señal que entra al bloque PID por la conexión PV y la señal que sale por CV (o OUT).
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El Proceso
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Curso de Control de Procesos
Dos tipos de Proceso desde el punto de vista del controlador:
• Proceso Auto-Regulado
• Proceso Integrante
El método de sintonización del controlador PID es muy diferente dependiendo del tipo de proceso !
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El Proceso Auto-regulado
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Curso de Control de Procesos
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El Proceso Integrante
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Curso de Control de Procesos
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Fundamentos de Control de Procesos
Dinámica de Procesos - Identificación del ProcesoPROCESO
• El proceso debe ser entendido antes de diseñar un sistema de control
• El comportamiento dinámico del proceso es de crítica importancia a la hora de diseñar, analizar, e implementar un lazo de control (o sistema de control).
• En lo que respecta al controlador, la variable controlada es aquella señal que le llega por la conexión del PV o CV.
• En lo que respecta al controlador, la variable manipulada es aquella señal que sale por la conexión CO o OUT o CD, etc.
• En lo que respecta al controlador, el proceso comprende todo aquello que sucede entre la variable manipulada y la variable controlada.
• La dinámica de los diferentes procesos físico-químicos cambia de proceso a proceso. Incluso cambia con el tiempo.
• Ejemplo: la respuesta de un lazo de temperatura es diferente a la respuesta de uno de nivel.
• El comportamiento de un proceso se puede modelar mediante la utilización principios físico-químicos, balances de materia y energía, correlaciones, etc.
• En forma más sencilla se puede modelar un proceso como si respondiera en un modelo de primer orden: ganancia, constante de tiempo, y tiempo muerto.
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Fundamentos de Control de Procesos
Dinámica de Procesos - Identificación del Proceso
DINAMICA DEL PROCESO
• El diseño e ingeniería de un proceso requiere el conocimiento detallado de la operación del equipo de proceso cuando las entradas son constantes.
•El control automático requiere el conocimiento detallado de la operación del equipo de proceso cuando las entradas cambian en el tiempo.
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Fundamentos de Control de Procesos
El proceso se puede conocer mejor si se analiza la
respuesta de la variable controlada a un paso escalón
en la salida del controlador
tt
YU
UY
Proceso
Modelo
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Fundamentos de Control de Procesos
Para un proceso auto-regulado
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Kp = Ganancia de Proceso
τ = Constante de Tiempo,segundos
Td = Tiempo Muerto,segundos
Fundamentos de Control de Procesos
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Tiempos de muestreoTiempo de muestreo práctico y último para sintonía conservadora y agresiva, respectivamente
Fundamentos de Control de Procesos
Para un proceso integrante – como nivel de un tanque
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Kp = Ganancia de ProcesoIntegrante
Td = Tiempo Muerto,segundos
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Grados de Libertad para Controlar un Proceso
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• Al desarrollar el sistema de control para un proceso, es importante conocer en forma precisa el número de variables de proceso que el diseñador del sistema intenta controlar, comúnmente llamadas los grados de libertad del proceso.
• El máximo número de grados de libertad para cualquier proceso es el número total de corrientes en el proceso, incluyendo las corrientes para calentar y enfriar.
• El número de grados de libertad de control es el número de variables que pueden ser controladas. Es igual al número de variables manipuladas (el número de válvulas de control en el proceso).
• Por supuesto, es crítico que se sigan buenas prácticas de ingeniería al instalar todas las válvulas de control. Por ejemplo, no deben existir dos válvulas de control en serie en una línea llena de líquido.
Implementación del Control PID
Algoritmos PID en Sistemas de Control
Allen Bradely
ABB
Otros
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Fundamentos de Control de Procesos
Error = SP - PV
u = salida del controlador PID
Implementación del Control PID
Algoritmos PID en Sistemas de Control
Allen Bradely
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Fundamentos de Control de Procesos
Implementación del Control PID
Algoritmos PID en Sistemas de Control
Allen Bradely
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Fundamentos de Control de Procesos
Implementación del Control PID
Algoritmos PID en Sistemas de Control
ABB
TI: sec/rep
TD: sec
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Fundamentos de Control de Procesos
Implementación del Control PID
Algoritmos PID en Sistemas de Control
Otros
IA Foxboro
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Fundamentos de Control de Procesos
Fundamentos de Control de ProcesosControl PID
Block Execution - PID Function Block (DeltaV)Control Proporcional (P) + integral (I) + derivative (D). Dos formas de ecuación PID
La forma “estádar” es una implementación discreta de:
La forma en “serie” es un implementación discreta de:
Para L = OUT (igual a OUT no limitado) y P = D = E las ecuaciones se reducen a:
La forma convencional “Estádar” de PID con feedforward,
Y la forma “Serie” PID con filtro aplicado solamente en la action derivativa, con feedforward,
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Sintonía de Lazos…
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Fundamentos de Control de Procesos
La sintonización de un lazo de control es el último paso en la implementación, comisionamiento, u optimización de un lazo.
NO ES EL PRIMER PASO
Una vez que cada uno de los componentes del lazo ha sido optimizado, entonces el lazo puede ser sintonizado para obtener mejores resultados
Es necesario reconocer el lazo como parte de una unidad de proceso, el cual es parte de una planta, la cual es parte de un negocio.
Hay que establecer una metodología antes de iniciar el proceso de sintonización.
Existe interacción de lazos?
Si tengo auto-tuner, funcionará bien con el lazo?
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Sintonización Comprensiva de PlantaLazos de Control
Método de Sintonización
Hay varios métodos de sintonía de lazos, cuál escoger?
Cual es el objetivo que espero del comportamiento de mi lazo?
Afecta la respuesta de este lazo otros lazos que de pronto son más críticos o importantes?
El lazo puede tener overshoot?
Qué velocidad de respuesta necesito para el lazo?
Mi proceso puede aceptar oscilaciones?
Qué tanta variabilidad puede aceptar mi proceso de este lazo?
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Fundamentos de Control de Procesos
Mitos en Sintonización
Mito 1:
Siempre es imperativo utilizar un solo método de sintonía
Mito 2:
Se pueden calcular los parámetros del controlador PID en forma precisa
Mito 2:
Un lazo de control rápido es bueno.
Dato:
Aproximadamente el 75% de los lazos de control generan más variabilidad cuando están en automático
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Fundamentos de Control de Procesos
Sintonía Comprensiva de Lazos
• El proceso es autoregulado? (flujo, presión, temperatura, etc)
• El proceso es integrante? (nivel, exotermico, etc.)
• Existe interacción de lazos?
• Un auto-sintonizador realizará el trabajo?
• Cuál es el objetivo del tipo de respuesta del lazo?
• Afectará la respuesta de este lazo a otros lazos que tal ves con más críticos y más
importantes?
• Se puede aceptar overshoot en este lazo?
• Cuál debe ser la velocidad de respuesta de este lazo?
•
• Se puede aceptar oscilaciones en el proceso o en el lazo?
• Cuánta variabilidad de proceso puede aceptarse en este lazo?
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Metodología de Sintonización
1. Reconocer el papel del lazo en la unidad de proceso
2. Verificar estado de cada uno de los componentes del lazoa. Elemento Final de Control: Válvula de Control, VFD, Damper, Bomba Dosificadora, etc.
b. Elemento Primario de Control:Sensor/Transmisor
c. El Controlador PID y la estrategia de control
d. El proceso que el controlador controlai. Proceso Auto-Regulado
ii. Proceso Integrante
3. Identificación de la Dinámica del Procesoa. Planeación de las pruebas – En lazo abierto o en lazo cerrado
b. Bump Tests – Pruebas del proceso con Paso Escalón
c. Tamaño del paso escalón (step size)
d. Número de bump tests
e. Análisis de los resultados de identificación
f. Selección del modelo (primer orden más tiempo muerto (FOPDT), segundo orden, integrante, etc.)
4. Selección del Método de Sintonía1. Cálculo de los Parámetros de sintonía
2. Simulación
3. Análisis de los resultados: estabilidad, variabilidad, etc.
4. Implementación de la nueva sintonía
5. Pruebas en Lazo Cerrado1. Cambios de SP
2. Respuesta a perturbaciones
3. Medición de la variabilidad
Control de ProcesosSintonización comprensiva de lazos de control
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Metodología de Sintonización –Estándar en OXY
OXY - ha decidido utilizar el Método Lambda para sintonízar los lazos
Sin overshoot, o con mínimo overshoot
Controla la velocidad del lazo mediante la selección óptima de Lambda (λ), la constante de tiempo en lazo cerrado
Esto implica:
Utilizar el algoritmo PID Dependiente en Allen-Bradley
Manejo óptimo de los filtros en el sistema de control e instrumentación
Coordinar la velocidad de respuesta de los lazos para minimizar interacción y variabiliad de proceso
Utilizar los límites para seguridad en lo posible, y no para control contínuo
Control de ProcesosSintonización comprensiva de lazos de control
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Proceso Autoregulado? O Proceso Integrante? (nivel)
(flujo, presión, temp, etc.)
Fundamentos de Control de ProcesosSintonización comprensiva de lazos de control
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Fundamentos de Control de Procesos
)as(s
Ka
U(s) Y(s)
t
y(t)
Proceso Integrante (o integrador): Control de nivel
q
LC
w
u
LT
qi
h
Identificación del Proceso
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Cómo quiere su respuesta? Cuál es la mejor respuesta para su proceso?
4. Sin overshoot y estable
Fundamentos de Control de Procesos
Sintonización comprensiva de lazos de control
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λ λ λ λ λ
Cambio de SP
Sintonización comprensiva de lazos de control
Sintonización por Método Lambda Identificación de la Dinámica de Proceso – Proceso Auto Regulado
Primer orden más tiempo muerto (FOPDT)
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Fundamentos de Control de Procesos
Ganacia del Proceso:Kp = Cambio en PV/Cambio CV
Constante de Tiempo :Tiempo que le toma a la PV en alcanzar el 63% de todo el cambio en MANUAL
Tiempo Muerto: Tiempo que se toma la PV para empezar a reaccionar
Sintonización por Método Lambda
Proceso Autoregulado
Respuesta en lazo cerrado es de primer orden
Lambda es la constante de tiempo de la respuesta
Sin acción derivativa
Respuesta es sin overshoot
Sin oscilaciones
La velocidad de respuesta la selección el usuario
Primer orden más tiempo muerto (FOPDT)
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Fundamentos de Control de Procesos
Sintonización comprensiva de lazos de control
Sintonización por Método Lambda
Proceso Integrante
Tiempo muerto = td
Ganancia de procesoCO
tPVtPVKp
%
)/%()/%( 1122
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Fundamentos de Control de Procesos
Sintonización por Método Lambda
Proceso Integrante
Ya tiene acción integral, así que sólo se debe agregar muy poca acción integral
Tiempo muerto = td
Ganancia de proceso
Sintonía
tCO
PVKp
*
Fundamentos de Control de Procesos
Sintonización comprensiva de lazos de control
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Fundamentos de Control de Procesos
Identificación del Proceso
Primer Orden más Tiempo Muerto
• Ganancia del Proceso (sensibilidad, Kp)= – 1.03
%Span/%OUT (– 0.53 °C/% OUT )
• Constante de Tiempo (velocidad de respuesta, τ),= 1.3 min
• Tiempo muerto (retraso), td = 0.8 min
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137
Fundamentos de Control de ProcesosRespuesta de la presión de descarga con Sintonía Lambda
Variabilidad de Proceso
Manejo de Variabilidad:
Identificar y cuantificar variabilidad
Identificar las fuentes de variabilidad
Establecer desempeño óptimo o mínimo
Implementar correcciones
Lograr un nuevo nivel mejorado de variabilidad
Mantener el desempeño mediante un monitoreo rutinario y en línea
Recuperar el desempeño a niveles óptimos o mínimos en caso de deterioro
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Variabilidad de ProcesoStandard Deviation, Variance, Variability
Mean
2Sigma
2Sigma as % of Mean
Variance is Sigma squared σ2
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Administración de Variabilidad
Después de ejecutar programas de optimización de variabilidad, algunos
gerentes de planta han manifestado que se logró lo siguiente:
Mejore entendimiento del proceso
Conocimiento más a fondo de los equipos
Percepción e identificación del desempeño de los sistemas de
control y del proceso
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VA
RIA
BL
E D
E P
RO
CE
SO
Limite Inferior
Limite Superior
Restricción
(Limite espec.)
Setpoint
Setpoint óptimo
2-si
gm
ara
ng
o2-
sig
ma
ran
go
Reducción de la Variabilidad del
Proceso
Permite la Alteración del Setpoint y
Mayor Rendimiento.
Rango2-sigma
Rango 2-sigma
Oportunidades de Mejorar las Utilidades
Un mejor desempeño del Lazo de Control puede generar oportunidades de rendimiento.
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Variabilidad Total = V1 + V2 + V3 +.......
¡Mejora laProductividad!
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Los Fundamentos“No se olviden de los fundamentos de control de
procesos”
“Never forget the fundamentals of process controls”
http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=ViewPoint1&template=/ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=69745
(ISA–InTech: The Final Say, Don’t Forget the Fundamentals of Process Controls, June 2008).
Author: Fernando Otero, CAP (www.optimogrp.com)
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Agenda …Día 2: .. Continuación
Interacción de Lazos de Control
La operación y el control automático de procesos
Discusión de casos y aspectos de ejemplos de las plantas de OXY.Análisis y estudio de casos.
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Estructuras de control
Modificaciones de lazos de control convencionales para mejorar:
Rechazo de perturbaciones
Mantenimiento de proporciones
Operación con varios objetivos
Operación con varios controladores
Operación con varios actuadores
Etc.
Fundamentos de Control de Procesos
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Control basado en PID
Fundamentos de Control de Procesos
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En el momento de toma de estas imágenes el set point de la presión del anillo esta a 1920psi
Lazo de control simple
TT
uTC
sp
q T
Condensado
pa
Fv
Respuesta ante cambios en la presión de alimentación: Su efecto se traduce a un cambio de T que es corregido por el controlador modificando u
Fundamentos de Control de Procesos
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Diagrama de bloques
usp T
pa
Cont Vapor Intercambiador
q
Fv
TT
TC
T
Condensado
Fundamentos de Control de Procesos
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Controladores en Cascada
TT
TC
sp
q T
Condensado
pa
Fv
FC
FT
El controlador externo (TC) fija la consigna del controlador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente
Fundamentos de Control de Procesos
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Controladores en cascada
sp T
pa
TC Vapor Cambiador
q
FvFC
El controlador externo (TC) fija la consigna (SP) del controlador interno (FC) el cual corrige el efecto del cambio en pa sobre Fv antes de que alcancen al cambiador significativamente
Fundamentos de Control de Procesos
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Controladores en cascada
sp T
pa
TC Vapor Cambiador
q
FvFC
Proceso principal (TC-Cambiador) lento (5 veces más lento que el secundario) Proceso secundario (FC-Vapor) rápido (5 veces más rápido que el primario) Perturbaciones sobre el proceso secundario de efecto controlable Mas instrumentación
Fundamentos de Control de Procesos
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Sintonía/Operación
spR1 G2 G1R2
y
Sintonizar primero los lazos interiores, luego los exteriores.
En general, un sistema en cascada resulta mas rápido que uno simple. Si un lazo está en manual, todos los externos a el deben estar en manual
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Cascada Temperatura-Presión
TT
TC
sp
q T
Condensado
pa
Fv
PC
PT
El controlador interno (PC) de presión corrige mas perturbaciones y de forma mas eficaz
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Controladores en cascada
sp T
pa
TC Vapor Cambiador
q
psPC
El controlador externo (TC) fija la consigna del controlador interno (PC) el cual corrige el efecto de los cambios en pa sobre ps antes de que alcancen al cambiador
Fundamentos de Control de Procesos
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Control de nivel
q
LC
sp
u
LT
qi
h
Respuesta ante cambios en la presión en la línea de descarga: Su efecto se traduce a un cambio de h que es corregido por el controlador modificando u
ps
Fundamentos de Control de Procesos
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Control en cascada
q
FC
sp
u
LT
qi
h
LC
FT
El controlador externo (LC) fija la consigna del controlador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito
ps
Fundamentos de Control de Procesos
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Cascada Nivel-caudal
sp h
ps
LC Caudal Depósito
qi
qFC
El controlador externo (LC) fija la consigna del controlador interno (FC) el cual corrige las perturbaciones sobre q antes de que alcancen significativamente al nivel del depósito
Fundamentos de Control de Procesos
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Saturación en los instrumentos
q
Todos los actuadores y señales de salida de los reguladores tienen un rango limitado de operación (0 - 100 %)
4-20 mA
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Fundamentos de Control de Procesos
Transferencias auto/man
w
y
eu
+
-PID
manual
auto
En los cambios de modo puede haber cambios bruscos en u
Transferencias suaves auto/man y man/auto (bumpless)
Cambios de valor de los parámetros sin saltos bruscos
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Compensación en adelanto (Feedforward)
TT
uTC
sp
q T
Condensado
pa
Fv
Respuesta ante cambios en el caudal q ó en Ti: El controlador solo empieza a corregir cuando T se ha modificado.
Ti
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TT
uTC
sp
q T
Condensado
pa
Fv
Feedforward
Respuesta ante cambios en el caudal q : La salida del controlador se modifica de acuerdo a los cambios de q para compensar su efecto en T
FT
FY
Fundamentos de Control de Procesos
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Feedforward
U(s) Y(s)
P(s)GF
G
Gp
Producir a través de GF y G un cambio en Y(s) igual y de sentido contrario al que se produce a través de GP al cambiar P(s) para compensar este
Fundamentos de Control de Procesos
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Feedforward
Perturbaciones medibles y de efecto no controlable directamente
Necesita instrumentación y cálculo adicional
GP debe ser mas lenta que G
Es una compensación en lazo abierto que debe emplearse normalmente junto a un controlador en lazo cerrado
Fundamentos de Control de Procesos
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Control de proporciones (control de relación)
Producto A Producto B
Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla
RCFT FTFY
FAFB/FA
FB
r
Fundamentos de Control de Procesos
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Control de relación
Producto A Producto B
Objetivo: Mantener la proporción (r) de B y A en la mezcla
r
FCFT FTFF
F rF
Mejores características dinámicas
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Control Override (Sobrecomando)
Control de Bombeo
PT
PICPIC
PT
<
PTSuction
Pressure
Case
Pressure
Discharge
Pressure
PT
PIC <
SuctionPressure
Discharge
Pressure
PIC
FIC
FTPT
PT
HoldingPressure
PIC
FT
Tank
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Fundamentos de Control de Procesos
166
Control Override (sobrecomando)
q
LC
wL
u
LT
qi
h
FT FC
wF
LS
wL
<Requisitos : wL nivel mínimo a mantener
Flujo cte.
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Control override
FT
FC
SC
PT
ST
PC
CompresorMotor
LS
wP
Requisitos: Flujo tan constante como sea posible, sin que se sobrepase una presión máxima wP en la linea a pesar de las demandas variables
Fundamentos de Control de Procesos
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Control override
FT
FC
SC
PT
ST
PC
CompresorMotor
LS
wP
p
F
wP
Fundamentos de Control de Procesos
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Control Override
FC
FT
TC
TT
LS
TCTT
wTMantener la temperatura T sin que se sobrepase una temperatura máxima wT en los humos del horno
T
Gas
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Control OverrideFundamentos de Control de Procesos
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P6252
P6251
PCV62521
PCV62512
PIT62521
FIT62521 FO
FO
Está por presión
en
por rampa y pasos
PIT62511
PCV62511
FO
FO
PIA-6
P6251/52
P6257/58
P6255/56
P6253/54
P6259
PIT62512
SP from
operator
1850 psi
SP=1800???
Presion descarga
mínima
PCV62522
PIT62513
No existe un bloque PID
SP = 2150 psig ???
Presión descarga
máxima, o
correspondiente
flujo minimo 27000
FIT62511
No existe un
bloque PID
Alarma en 2200
Alarma
en 2200
PSV calibrada a
2244 psig
PSV
calibrada a
2244 psig
PIC62512
SP=1800???
Presion descarga
mínima
SP = 2150 psig
??? Presión
descarga máxima,
o correspondiente
flujo minimo
27000
Selector <
PIC62512
PIC-Anillo
PIC62511
PIC62522
PIC62521
Sleectro <
Alarma
en 33000
Alarma
en 33000
PT-YYY
PT en
campo
Señal
Feedforward
Lead/Lag
Control OverrideFundamentos de Control de Procesos
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Control de HornoFundamentos de Control de Procesos
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TIC-8204TI-8204
FH-82001
PIC-8215PT-8215
V-1
I-7
SP = 340ºF
SP = 17 psig
Low
Selector
Notas:
Set del trip por presión = 20 psig
FH-82001Hot Water Direct Fired
Heater
Circuito de agua caliente
Gas combustible
CV
CV
PI
O2CO
Presión Cámara de
Combustión
Exceso de Oxígene (debe
estar entre 2.0% y 3.0%)Monóxido de Carbono
(debe estar entre 100 ppm
y 400 ppm – trip at 1000
ppm)
PIC
Nueva
instrumentación
y control de
combustión
Control de rango dividido
q
u
FT
FC
wFv1 v2
u
v1
v2
v1
v2
Tabla
Fundamentos de Control de Procesos
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Control de rango dividido
Reactor gaseoso
PT
PC
UY
v1v2
v1 v2
u
u
Split range
v1
v2
Fundamentos de Control de Procesos
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Control split range
uTT TC
TT TC UYReactor
Agua
Refrigerante
v1v2
u
v1
v2
v2
v1
Fundamentos de Control de Procesos
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Preguntas sobre Estructuras de Control y la Operación
Fundamentos de Control de Procesos
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Discusión sobre casos específicos de las plantas de OXY
Fundamentos de Control de Procesos
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Fin del Curso -- Gracias
Fundamentos de Control de Procesos
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