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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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Tema: 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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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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
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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Tema: Introducción al control de procesos
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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
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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Tema: Introducción al control de procesos
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Tema: Introducción al control de procesos
1019 Ejemplo de P&I - ISA
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Tema: Introducción al control de procesos
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Ejemplo P&I ISA
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Tema: Introducción al control de procesos
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LAZO DE CONTROL REALIMENTADO
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Tema: Introducción al control de procesos
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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
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Variables controladas-variables medidas
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Tema: Introducción al control de procesos
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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)
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Tema: Introducción al control de procesos
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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)
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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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
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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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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Tema: Introducción al control de procesos
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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