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Tema: Introducción al control de procesos

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Tema 1. Introducción al control de procesos

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Control de procesos y plantas químicas

Esquema de control:

§  Relación ente las variables del esquema de control

§ Diseño de los elementos de control Ingeniería Química

Regulación Automática

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Conceptos y objetivos

Industrias: Refinerías, químicas, petroquímicas, farmaceúticas,… Procesos: Continuos y por lotes

Ámbito de aplicación

Objetivos

• Mantener variables en condiciones estacionarias ante: • Perturbaciones • Cambios de puntos de consigna

• Mantener las variables dentro de un rango de seguridad • Robustez • Cumplir las restricciones (físicas o normativas) • Funcionar con la mayor operabilidad • Buscar la mejor solución

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Conceptos y objetivos

Industrias: Refinerías, químicas, petroquímicas, farmaceúticas,… Procesos: Continuos y por lotes

Ámbito de aplicación

Objetivos

• Mantener variables en condiciones estacionarias ante: • Perturbaciones. Dinámica • Cambios de puntos de consigna. Calidad

• Mantener las variables dentro de un rango de seguridad • Robustez • Cumplir las restricciones (físicas o normativas) • Funcionar con la mayor operabilidad • Buscar la mejor solución. Economía

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Representación ISA Símbolos para la representación de instrumentos o funciones

Localizado en sistema principal Montado en campo

Localizado en sistema auxiliar o secundario

Instrumentos independientes

Elementos de un sistema de control distribuido

Función desarrollada por un ordenador

Elementos de un autómata programable (PLC)

1. El tamaño puede variar según las necesidades del usuario y el tipo de documento. 2. Pueden usarse abreviaturas adicionales, escogidas por el usuario, sobre los símbolos cuando sea necesario para especificar la localización de un elemento determinado. 3. La línea divisoria es continua si el elemento es accesible al operador y discontinua si no lo es (montaje tras el panel).

Tabla 1. 1

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Representación de líneas y válvulas ISA

Símbolos para la representación de válvulas y conexiones

Conexión a proceso o instrumento

Señal neumática

Señal eléctrica

X X

Tubo capilar

Señal de software

o data link

Válvula de compuerta

Válvula de asiento

Válvula de mariposa

Válvula de control con actuador

neumático

Válvula con actuador eléctrico. Solenoide

Válvula motorizada

Válvula de tres vías

Tabla 1. 1

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Letras ISA (1) Letras identificativas Primera letra Letras sucesivas

Variable medida o iniciadora Modificativo Función pasiva

o de lectura Función de salida Modificativo

A Análisis Alarma

B Quemador, combustión A seleccionar por el usuario

A seleccionar por el usuario


C A seleccionar por el usuario Control

D A seleccionar por el usuario Diferencial

E Voltage Sensor (elemento primario)

F Caudal Ratio (fracción)

G A seleccionar por el usuario Vidrio,

dispositivo visual

H Manual Alto

I Intensidad (electrica) Indicación

J Potencia Barrido (scan)

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Letras ISA (2) Letras identificativas

Primera letra Letras sucesivas

Variable medida o iniciadora Modificativo Función pasiva

o de lectura Función de salida Modificativo

K Tiempo, planificación

de tiempo Velocidad de cambio de tiempo Estación de

control

L Nivel Luz Bajo

M A seleccionar por el usuario Momentáneo Medio,

intermedio

N A seleccionar por el usuario A seleccionar

por el usuario A seleccionar por el usuario


O A seleccionar por el usuario Orificio,

restricción

P Presión, vacío Punto (conexión de prueba)

Q Cantidad Integrador, totalizador

R Radiación Registro

S Velocidad, frecuencia Seguridad Interruptor, contacto

T Temperatura Trasmisor

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

V Vibración, análisis mecánico Válvula, damper

W Weight, force Vaina

X No-clasificado Eje X No-clasificado No-clasificado No-clasificado

Y Evento, estado, o presencia Eje Y Relé, ordenador,

convertidor

Z Posición, dimensión Eje Z Driver, actuador

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1019 Ejemplo de P&I - ISA

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1119

Ejemplo P&I ISA

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LAZO DE CONTROL REALIMENTADO

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1319

Selección de variables

Variables que cumplen los pre-requisitos

Como medida directa

Como medida indirecta Con reservas

Temperatura Presión Nivel Peso Voltaje Velocidad Caudal

Caudal Composición

pH Viscosidad Densidad Conductividad eléctrica

Tabla 1. 1

Variables controladas-variables medidas

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1419

Tipos de elementos de medida ELEMENTOS DE MEDIDA VARIABLES MEDIDAS

FUNCIÓN EJEMPLO

Elemento primario (E) Placa orificio (FE) Termopar (TE)

Indicación local (I) Manómetro (PI) Termómetro (TI) Rotámetro (FI)

Totalizador (Q)

Caudal acumulado (FQ) Instrumentos específicos para totalizar sustituidos por integración de valores instantáneos

Transmisión señal (T) De presión (PT) De presión diferencial (dPT)

Registro (R) En desuso como instrumento independiente. Sustituido por historización sobre soporte magnético

Convertidor (Y) Convertidor electrónico/neumático (#Y)

Interruptor Activación contacto (S)

Termostatos (TS) Presostatos (PS) Limites de carrera Nivel max/min (LS)

Presión (P) Nivel (L) CaudaL (F) Temperatura (T) Peso (W) Composicion (A) pH (pH) Conductividad (K) Densidad (D) Viscosidad (V)

Alarma (A) Alarma de alto nivel (LAH) Alarma de bajo caudal (FAL)

Tabla 1. 1

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1519

Tipos de controladores TIPOS DE CONTROLADORES Tipo Comentario Analógicos (neumático o electrónico)

Actualmente en desuso. Se localizaban aislados o en paneles de control, tradicionales en los 60’s.

Multilazo digital Para pequeñas instalaciones. Control simultáneo y programable de cierto número de lazos independientes

Control distribuido (DCS) Sistema de control digital configurable que consta de 1) Tarjetas de microprocesadores que ejecutan el algoritmo de control de un nº limitado de lazos (8, 16, 64…), 2) Tarjetas de E/S de datos A/D 3), Interfaz con el operador basada en pantalla + teclado y 4) Canal de comunicaciones. De uso en plantas con predominancia de controles de variables continuas (variables analógicas), es decir, caudales, temperaturas, presiones, etc.

Autómata programable (PLC)

Sistema de control digital programable que consta de: 1) CPU que ejecuta un ciclo (del orden de ms) de medidas - acciones de acuerdo con una secuencia programada 2) Tarjetas de E/S de datos A/D De uso en plantas con predominancia de control de variables todo-nada (variables digitales), es decir, arranque y parada de motores, cierre y apertura de válvulas, etc.

Control por PC Ordenadores personales con tarjetas de entrada/salida. Algoritmo de control ejecutado por el PC. Para pequeñas instalaciones con riesgos de interrupción limitados (plantas piloto)

Tabla 1. 1

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1619

Tipos de elementos finales

ELEMENTOS FINALES TIPO COMENTARIO Válvula Automática Neumática

Eléctrica (motorizada) Válvula Solenoide Actuador eléctrico directo (solenoide) para

pequeños diámetros (< ? ”) Posicionador Neumático

Electroneumático Digital

Servomotor Variador de velocidad Convertidor de frecuencia Tabla 1. 1

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Transmisión señal SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE SEÑALES TIPO COMENTARIO Neumático (3-15 psi) En desuso salvo para actuación de válvulas de control Electrónico analógico (4-20 mA)

Habitual para las comunicaciones entre los controladores y los instrumentos de campo (a pesar de que ambos funcionan en base a electrónica digital, lo que supone sendos convertidores A/D entre ambos)

Electrónico Digital Implantado para la comunicación entre microprocesadores (Ethernet, TCP/IP) La comunicación entre elementos de campo y controladores a través de protocolos llamados “bus de campo” (Profibus, Fieldbus Foundation) ha comenzado a ser realidad a nivel industrial en plantas de proceso sólo a partir de los 2000. La principal ventaja se fundamenta en el ahorro de cableado y el aumento de prestaciones.

Protocolo HART En adelanto a la estandarización total del bus de campo ha permitido añadir prestaciones digitales a la comunicación analógica 4-20 mA (para, por ejemplo, aprovechar las capacidades de los transmisores SMART)

Óptica Independientemente del protocolo de transmisión permite ampliar la distancia, intensidad y “claridad” de la transmisión en base a convertidores adecuados

Tabla 1. 1

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1819

Tipos de el. auxiliares

ELEMENTOS AUXILIARES TIPO COMENTARIO Convertidores (#Y) Transforma una señal analógica en digital

A/D y viceversa. Integradores (∫) Tratamiento interno de las señales entre

instrumentos Proporcional (K) Multiplica la señal de entrada por una

constante fija o ajustable exteriormente Multiplicador (x) La señal de salida es el producto de las

dos de entrada Divisor (÷) La señal de salida es el cociente de las de

dos de entrada Raiz cuadrada (√) Idem Amplificadores En largas distancias Selectores de señal (> ó <) Selección de máxima o mínima Tabla 1. 1

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Ganancias del lazo de control Ganancia DefiniciónElemento cualquiera - K

Δ salida / Δ entrada

Proceso - KP Δ MV / Δ CVTrasmisor - KT Δ CV / Δ PVControlador - KC Δ PV / Δ OPVálvula - KV ΔOP / Δ MVLazo - KL KP . KT . KC . KV = 1

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2019

Bibliografía

1. J. Corrales y otros, “Manual de Instrumentación y Control de Procesos”, Alción 1998 2. P. Ollero de Castro y E. Fernández, “Control e Instrumentación de Procesos Químicos”, Síntesis 1997 3. W.L. Luyben, B.D. Tyréus y M.L. Luyben, “Plantwide Process Control”, McGraw-Hill 1998 4. W.Y. Svrcek, D.P. Mahoney y B.R. Young, “A Real-time approach to Process Control”, John Wiley & Sons 2000 5. A.B. Corripio,“Design and Application of Process Control Systems”, ISA 1998 6. F.G. Shinskey, “Sistemas de Control de Procesos”, McGraw-Hill 1996 7. J. Acedo, “Control Avanzado de Procesos: Teoría y Práctica”, Díaz de Santos 2002

tema 1. introducción al control de procesos - … · conexión a proceso o instrumento señal...

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