GIQ_Guia DocGuia docente Simulacion yGuia docente Simulacion y Control de Procesos

SIMULACIN Y CONTROL DE PROCESOS

Gua Docente:

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

CURSO 2015-2016

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Gua Docente: Simulacin y Control de Procesos

I.- IDENTIFICACIN

NOMBRE DE LA ASIGNATURA: Simulacin y Control de Procesos

NMERO DE CRDITOS: 9

CARCTER: Obligatoria

MATERIA: Ingeniera de la Produccin

Qumica

MDULO: Tecnologa Qumica

TITULACIN: Grado en Ingeniera Qumica

SEMESTRE/CUATRIMESTRE: Anual (tercer curso)

DEPARTAMENTO/S: Ingeniera Qumica

PROFESOR/ES RESPONSABLE/S:

Grupo nico

Teora

Seminario

Tutora

Practicas

Profesor: JOS ANTONIO DELGADO DOBLADEZ

Departamento: Ingeniera Qumica

Despacho: QA-144

e-mail: [email protected]

Profesor: V. ISMAEL GUEDA MAT


Despacho: QP-110


Profesor: PEDRO YUSTOS CUESTA


Despacho: QP-109


Profesora: MARA ISABEL GUIJARRO GIL


Despacho: QA-B70A


Practicas

Profesor: JOS MANUEL TOLEDO GABRIEL


Despacho: QA-B58


Profesor: EMILIO GMEZ CASTRO


Despacho: QP-114


II.- OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

El objetivo principal de la simulacin es la descripcin y utilizacin de una herramienta

fundamental para el ingeniero qumico: la simulacin de procesos. Por otra parte, el

objetivo del control es proporcionar al alumno un conocimiento extenso y profundo

sobre los fundamentos de los sistemas de control automtico y la instrumentacin

industrial.

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OBJETIVOS ESPECFICOS

o Conocer los fundamentos de los programas de simulacin de procesos qumicos. o Aprender a manejar ASPEN PLUS. o Disear y optimizar procesos de la industria qumica en presencia de incertidumbre. o Comprender y dominar las herramientas matemticas utilizadas en la descripcin

de la dinmica de procesos en lazo abierto y lazo cerrado.

o Comprender y dominar los mecanismos y principios bsicos de operacin de la instrumentacin y las caractersticas bsicas de seales estndar usadas en los

sistemas de control analgicos y digitales.

o Saber disear los circuitos y las acciones y lazos de control con las especificaciones de respuesta y estabilidad ms adecuadas.

III.- CONOCIMIENTOS PREVIOS Y RECOMENDACIONES

CONOCIMIENTOS PREVIOS:

Nociones bsicas de informtica (manejo de Windows, Word, PowerPoint) y de

matemticas (ecuaciones diferenciales, transformadas de Laplace).

RECOMENDACIONES:

Se recomienda haber cursado las asignaturas de Fundamentos de Ingeniera Qumica,

Termodinmica Aplicada y Mecnica de Fluidos.

IV.- CONTENIDOS

BREVE DESCRIPCIN DE LOS CONTENIDOS:

Dominio del tiempo. Dominio de Laplace. Dominio de la frecuencia. Especificaciones

y normas. Terminologa. Diagramas P&ID. Instrumentacin analgica y digital.

Instrumentacin virtual. Entorno MATLAB-SIMULINK. Medidores de temperatura,

presin, caudal, nivel. Anlisis industrial. Control. Niveles de automatizacin. Lazo

abierto y lazo cerrado. Acciones de control. Elemento final. Sintonizacin y

estabilidad. Aplicaciones a control de presin y temperatura con programas

informticos comerciales. Modelos. Simulacin de procesos mediante programas.

Optimizacin.

PROGRAMA:

BLOQUE 1: SIMULACIN DE PROCESOS

Tema 1. Introduccin a la Estrategia y Simulacin de Procesos

Conceptos bsicos. Aplicaciones de la simulacin en la industria qumica. Modelos.

Modelos matemticos. Sistemas. Construccin de modelos matemticos. Simuladores

comerciales. Arquitectura de un simulador. Simulacin estacionaria y dinmica.

Tema 2. Simulacin de procesos en rgimen estacionario

Desarrollo del diagrama de flujo para la simulacin. Relacin Modelo / operacin.

Sistemas de Unidades. Componentes. Tipos de Componentes. Sistemas

termodinmicos. Mtodos para la estimacin del equilibrio LV y LL. Grados de

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libertad y especificaciones de diseo. Tipos de problemas relacionados con la

simulacin de procesos. Simuladores secuenciales y simultneos.

Tema 3. La estrategia modular secuencial para la simulacin de procesos en

rgimen estacionario

Mtodos iterativos en simulaciones secuenciales. Resolucin de problemas con reciclo

y especificaciones de diseo Corrientes de corte. Criterio de fin de procesos iterativos.

Ventajas y desventajas de la resolucin secuencial modular. Mtodos para renovacin

de hiptesis (directa, sobrerelajacin, Wegstein, Newton y Broyden)

Tema 4. Simulacin de procesos en estado estacionario con ASPEN PLUS

Caractersticas fundamentales del paquete de "software" comercial ASPEN PLUS.

Utilizacin del "interface" grfico. Requerimientos para llevar a cabo una simulacin

de un proceso. Modelos de operacin unitaria. Estimacin de propiedades fsicas. Tipos

de variables. Anlisis de sensibilidad de variables. Especificaciones de diseo.

BLOQUE 2: CONTROL DE PROCESOS

Tema 5. Dinmica. Dominio del tiempo

Dinmica de sistemas. Sistemas lineales de primer orden. Sistemas lineales de segundo

orden. Sistemas no lineales y linealizacin.

Tema 6. Dominios de Laplace y de la Frecuencia

Transformada de Laplace. Funciones de transferencia. Diagramas de bloques. lgebra

de bloques. Respuesta de frecuencia. Diagramas de Bode.

Tema 7. Lazos de control

Acciones de control. Elemento final de control. Lazos feedback y "feedforward". Estabilidad absoluta y relativa. Aplicaciones a operaciones y procesos.

Tema 8. Instrumentacin

Especificaciones, normas. Instrumentacin analgica. Instrumentacin digital.

Medidores, transmisores, controladores, actuadores e instrumentacin industrial.

V.- COMPETENCIAS

GENERALES:

o CG1-TQ1: Utilizar conceptos para el aprendizaje autnomo de nuevos mtodos y teoras.

o CG5-TQ1: Analizar, disear, simular y optimizar procesos y productos.

ESPECFICAS:

o CE19-IP1: Realizar balances de materia y energa macroscpicos.

o CE21-IP1: Analizar los componentes de un proceso qumico bajo los aspectos preferentes termodinmicos, cinticos y operativos y establecer la

integracin ptima de los mismos.

o CE23-IP1: Saber plantear y optimizar modelos que permitan la simulacin de procesos.

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o CE23-IP2: Utilizar los programas comerciales de simulacin en Ingeniera Qumica.

o CE23-IP3: Utilizar las herramientas matemticas utilizadas en el control dinmico en lazo abierto y lazo cerrado.

o CE23-IP4: Definir, reconocer y contrastar la exactitud y sensibilidad de instrumentos de medida industriales.

o CE23-IP5: Usar paquetes comerciales de supervisin (SCADA) y de I&C, interpretar y definir especificaciones, diagramas de bloques y

esquemas P&ID.

TRANSVERSALES:

o CT1-TQ1: Desarrollar capacidad de anlisis y sntesis.

o CT2-TQ1: Resolver problemas en el rea de la Tecnologa Qumica.

o CT6-TQ1: Utilizar herramientas y programas informticos para calcular, simular y aproximar.

o CT8-TQ1: Demostrar capacidad para el razonamiento crtico y autocrtico.

VI. HORAS DE TRABAJO Y DISTRIBUCIN POR ACTIVIDAD

Actividad Presencial

(horas)

Trabajo

autnomo

(horas)

Crditos

Clases tericas 42 63 4,2

Seminarios 18 27 1,8

Laboratorio 30 22,5 2,1

Tutoras 3 4,5 0,3

Preparacin de trabajos y exmenes 6 9 0,6

Total 99 126 9

VII.- METODOLOGA

El tiempo lectivo del curso se divide en clases tericas, seminarios, laboratorios, y tutoras.

Las clases tericas se desarrollarn en un solo grupo, formado por el conjunto de todos los

alumnos matriculados en la asignatura. Consistirn, de forma mayoritaria, en lecciones

magistrales en las que se expondrn conocimientos tericos generales sobre la simulacin

y control de procesos. Mediante esta metodologa se plantea desarrollar en el alumno las

siguientes competencias: CG1-TQ1, CE21-IP1, CE23-IP2, CE23-IP3, CE23-IP4 y CE23-

IP5.

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Las clases de seminario se realizarn en aulas de informtica. En estas clases se explicar

el manejo del programa ASPEN PLUS y herramientas matemticas empleadas en el

control, centrndose en los elementos que se requieran para resolver los casos prcticos

asignados a los alumnos. Mediante esta metodologa se plantea desarrollar en el alumno las

siguientes competencias: CG5-TQ1, CE19-IP1, CE23-IP2, CE23-IP5, CT1-TQ1, CT2-

TQ1, CT6-TQ1 y CT8-TQ1

En el laboratorio de la parte de simulacin de procesos los alumnos resolvern el caso

prctico asignado con ASPEN PLUS con el asesoramiento del profesor. Los alumnos

harn tambin una prctica de control (presin y temperatura) dotada de SCADA.

Mediante esta metodologa se plantea desarrollar en el alumno las siguientes competencias:

CE23-IP2, CE23-IP4, CE23-IP5, CT1-TQ1, CT6-TQ1, CT8-TQ1.

En las tutoras se supervisar el progreso de los alumnos, resolviendo sus dudas sobre lo

aprendido en las clases tericas, y sobre la resolucin de los casos prcticos planteados.

Mediante esta metodologa se plantea desarrollar en el alumno la competencia CT8-TQ1.

Se utilizar el Campus Virtual como instrumento para poner a disposicin de los alumnos

el material que se utilizar en las clases tericas y prcticas, y como medio de

comunicacin entre el profesor y los alumnos.

VIII.- BIBLIOGRAFA

BSICA:

o ASPEN PLUS, Manuales de usuario del programa.

o OLLERO DE CASTRO, P., Control e Instrumentacin de los procesos qumicos. Ed Sntesis, 2006.

o LUYBEN, W. L., Process Modelling, Simulation, and Control for Chemical Engineers, 2nd ed., McGraw-Hill, 1990.

o OGATA, K., Ingeniera de Control Moderna, 5 ed., Prentice Hall, 2010.

COMPLEMENTARIA:

o RAMIREZ, W.F., Computational Methods for Process Simulation, Butterworths, 1989.

o EIDER, WARREN D.; SEADER, J.D. y LEWIN, DANIEL R., Process Design Principles. Synthesis, Analysis and Evaluation, John Wiley & Sons, Inc. New York, 1999.

o ALEXANDRE C. DIMIAN, Integrated Design and Simulation of Chemical Processes, Elsevier, 2003.

o CREUS, A., Instrumentacin Industrial, Marcombo-Boixareu, 1993.

o OGATA, K., Sistemas de Control en Tiempo Discreto, 2 ed., Prentice Hall, 1996.

o ACEDO, J., Instrumentacin y control avanzado de procesos, Daz de Santos, 2006.

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IX.- EVALUACIN

La evaluacin del rendimiento del alumno y de las competencias adquiridas en la

asignatura se llevar a cabo mediante una evaluacin global, que considerar por una parte

los exmenes que se realicen y por otra las actividades dirigidas y el trabajo personal

efectuado por el alumno.

Para poder realizar la evaluacin global de la asignatura y presentarse al examen final, el

estudiante deber haber participado al menos en el 70% de las actividades presenciales de

aula (teora, seminarios y tutoras). La asistencia a todas las sesiones de laboratorio es

obligatoria.

El rendimiento acadmico y la calificacin final sern el resultado de las calificaciones

obtenidas en el Bloque de Simulacin de Procesos (45%), y en el Bloque de Control de

Procesos (55%), ponderadas de la siguiente forma en cada uno de los bloques:

Simulacin de Procesos:

Examen: 30%

Actividades dirigidas: 35%

Prcticas de laboratorio: 35%

Control de Procesos:

Examen: 70%

Actividades dirigidas: 15%

Prcticas de laboratorio: 15%

Ser necesario obtener una calificacin mnima de cuatro en cada bloque para realizar la

media.

Las calificaciones de las actividades previstas para la evaluacin de la asignatura

(exmenes parciales, laboratorios, tutoras, entrega de problemas) se comunicarn a los

estudiantes con la antelacin suficiente antes de la realizacin del examen final, para que

puedan planificar adecuadamente el estudio de sta u otras asignaturas.

En especial, las notas de los exmenes parciales se comunicarn en un plazo mximo de 20

das, salvo en el caso del segundo parcial, en el que el plazo puede ser menor para

adaptarse al examen final.

En todo caso, se respetar el plazo mnimo de siete das entre la publicacin de las

calificaciones y la fecha del examen final de la asignatura, aunque podra verse alterado en

funcin de la planificacin anual de los laboratorios del tercer curso.

EXAMEN ESCRITO: 52%

La evaluacin de las competencias adquiridas en la asignatura (CG1-TQ1, CE21-IP1,

CE23-IP2, CE23-IP3, CE23-IP4 y CE23-IP5) se realizar mediante dos exmenes

parciales escritos, de carcter principalmente prctico en el Bloque de Simulacin de

Procesos, uno al final de cada semestre, as como un examen final, en las convocatorias

ordinaria (junio) y/o extraordinaria (septiembre), que consistir en un conjunto de

cuestiones de desarrollo o aplicacin directa de teora y de problemas numricos.

Los alumnos que superen los dos exmenes parciales no estarn obligados a

presentarse al examen final. La calificacin obtenida en los exmenes parciales, o en su

caso en el examen final, representar el 52% de la evaluacin global. En el caso de

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realizar el examen final, ser necesario alcanzar una nota mnima de 4 puntos para

acceder a la evaluacin global de la asignatura.

En el bloque de Control el examen tanto parcial como final consta de dos partes, teora

y problemas, siendo necesario obtener una calificacin mnima de 4 puntos en cada una

para poder hacer nota media.

En el caso de no superar la asignatura realizando el examen final en la convocatoria

ordinaria, se podr efectuar ste en la convocatoria extraordinaria. En este caso, a

efectos de la evaluacin global, el examen representar igualmente un 52% de la

calificacin, aplicndose la misma evaluacin para las restantes actividades realizadas

en el curso.

TRABAJOS DIRIGIDOS Y PARTICIPACIN EN SEMINARIOS: 24%

La evaluacin de las actividades dirigidas permitir conocer el grado de consecucin de

las competencias CG5-TQ1, CE19-IP1, CE23-IP2, CE23-IP5, CT1-TQ1, CT2-TQ1,

CT6-TQ1 y CT8-TQ1. Para la convocatoria extraordinaria se mantendr la calificacin

de las actividades dirigidas.

Los alumnos han de entregar, segn plazos que se fijen a principio del curso, una

coleccin de problemas y un trabajo dirigido en el Bloque de Control de Procesos para

medir el grado de consecucin de las competencias y destrezas en la realizacin del

ejercicio desde las especificaciones del problema hasta los resultados obtenidos tanto

en el bloque de Simulacin como en el bloque de Control de Procesos.

Una vez obtenida esta calificacin se mantendr en todas las convocatorias en ambas

partes.

PRCTICAS: 24%

Con el fin de fomentar el aprendizaje cooperativo se organizarn grupos reducidos.

La asistencia a todas las sesiones de laboratorio es obligatoria. La evaluacin en la

convocatoria ordinaria se realizar teniendo en cuenta la aptitud y actitud del alumno

en las sesiones prcticas, sus respuestas a cuestiones concretas planteadas por el

profesor, as como la calidad del informe escrito presentado por grupo de trabajo sobre

la resolucin del caso prctico y de la prctica de laboratorio. Dicho informe se

entregar a los profesores de la asignatura para su evaluacin.

La evaluacin permitir conocer el grado de consecucin de las competencias CE23-

IP2, CE23-IP4, CE23-IP5, CT1-TQ1, CT6-TQ1 y CT8-TQ1. En la convocatoria

extraordinaria, aquellos alumnos que tengan una nota inferior a 4 debern repetir el

informe escrito. Las prcticas de laboratorio representan el 24% de la evaluacin

global.

En la parte correspondiente al bloque de simulacin, para poder recibir calificacin del

caso prctico el alumno debe obtener una calificacin mnima (3) en el examen escrito.

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PLANIFICACIN DE ACTIVIDADES CRONOGRAMA

BLOQUE ACTIVIDAD HORAS GRUPOS INICIO FIN

1. SIMULACIN DE PROCESOS Teora 18 2

1 semana 13 semana Seminario 8 2

2. CONTROL DE PROCESOS Teora 24 1

14 semana 30 semana Seminario 10 2

BLOQUE 1 y 2. Tutoras programadas* 3 4 Semanas 13, 23, 30

1. SIMULACIN DE PROCESOS Laboratorio 15 4 9 semana 13 semana

2. CONTROL DE PROCESOS Laboratorio 15 10 26 semana 30 semana

* Las tutoras programadas estn sujetas a posibles modificaciones segn la planificacin conjunta del curso.

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Actividad

docente

Competencias

asociadas Actividad Profesor Actividad alumno Procedimiento de evaluacin P NP Total C

Clases de teora

CG1-TQ1 CE21-IP1

CE23-IP1 CE23-IP2

CE23-IP3 CE23-IP4

CE23-IP5

Exposicin de los

conocimientos

tericos necesarios

para resolver los casos

prcticos

Toma de apuntes 42 63 105 -

Seminarios

CG5-TQ1, CE19-IP1,

CE23-IP2, CE23-IP5,

CT1-TQ1, CT2-TQ1,

CT6-TQ1, CT8-TQ1

Explicacin del

manejo de ASPEN

PLUS

Toma de apuntes

Manejo del ordenador

Evaluacin del programa

entregado para resolver el

caso asignado 18 27 45 24%

Laboratorios CE23-IP2, CE23-IP4,

CE23-IP5, CT1-TQ1,

CT6-TQ1, CT8-TQ1.

Asesoramiento a los

alumnos en los casos

prcticos asignados.

Realizacin de

prcticas de

laboratorio

Aplicacin de los

conocimientos adquiridos en

las clases tericas y

seminarios. Manejo de

equipos comerciales de

control

Evaluacin del informe sobre

el caso asignado y de las

aptitudes en el laboratorio 30 22,5 52,5 24%

Tutoras CT8-TQ1 Supervisin del

progreso de los

alumnos

Preparacin de las preguntas

para el profesor, asimilacin

y aplicacin de las

explicaciones recibidas

3 4,5 7,5 -

Exmenes CG1-TQ1, CE21-IP1,

CE23-IP3

Propuesta, vigilancia y

correccin del

examen. Calificacin

del alumno

Estudio y realizacin Examen sobre los contenidos

expuestos en las clases

tericas 6 9 15 52%

P : Presenciales; NP: no presenciales (trabajo autnomo); C: calificacin

RESUMEN DE LAS ACTIVIDADES

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