INSTRUMENTACION CONTROL DE PROCESOS

Las bases del control de procesos Qué es control de procesos ? La habilidad para medir, indicar, grabar y controlar una variable producida en una aplicación industrial Los métodos más comunes del control de procesos: Control de procesos continuo Control de procesos por Batch

Las bases del control de procesos La instrumentación de procesos es el conjunto de dispositivos usados para medir y controlar las variables del proceso. (Ejemplo RTD, medidor de flujo, transmisores) Las 4 variables más comunes Presión Nivel Flujo Temperatura

Las bases del control de procesos Hay tres pasos básicos en un control de procesos Medir la variable del proceso Decidir si es igual al setpoint Ejecutar una acción ajustando el elemento final de control

Las bases del control de procesos Todo lazo de control realimentado requiere de cuatro componentes básicos: Sensores Transmisores Controladores Elementos Finales de Control

Diagrama de un lazo sencillo de control de procesos realimentado Toma Acción Contactor Bomba Dámper Válvula VFDEl SCR’s SP Punto de consigna PV Mide Temp Presión Nivel Flujo Velocidad Humedad Conductividad Densidad O Control Transmisor Elemento Final de Control Sensor Proceso Variable Controlada Variable Manipulada Amperaje, Flujo, Velocidad, Voltaje

Control de procesos Qué miden los sensores en un proceso ? Miden la variable del proceso en un sistema de control como: temperatura, presión, flujo, nivel, pH, conductividad, velocidad, densidad, entre otros. Por qué se necesitan los sensores ? Dan la información medida en forma de señal análoga a un transmisor o controlador. Cuales son las señales más comunes en los sensores ? 4-20mA, 0-20mA, 0-10mV, 0-100mV, 1-5V, 0-10V

Control de procesos Cuál es la función de un transmisor ? Toman la señal medida del proceso y la convierten en una señal eléctrica o neumática. La señal de salida del transmisor se muestra y se envía al controlador

Control de procesos Cuál es la función del controlador? Recibe la señal del sensor o transmisor Compara la señal medida del procesos (PV) con el setpoint (SP) Manipula la señal medida (PV), y calcula una salida (O) Envía la señal de salida (O) para posicionar el elemento final de control

Control de procesos Cuál es la función del elemento final de control? Tomar cualquier acción requerida por el controlador para corregir la desviación que presente el proceso del setpoint, posicionando el elemento final de control

Control de procesos Hay dos formas mediante las cuales se puede posicionar el elemento final de control Eléctricamente Válvulas solenoides, relés, bombas, motores, variadores de velocidad Neumáticamente Válvulas de control neumáticas, actuadores, dámperes.

Control de procesos Posicionador electrónico Recibe una señal 4-20mA de un Controlador, envía una señal neumática generalmente de 3- 15 psi al actuador Posicionador neumático Recibe una señal 3-15psi de un Controlador, envía una señal neumática generalmente de 3- 15 psi al actuador.

Control de procesos Hay cuatro tipos diferentes de control De dos posiciones:On/Off Proporcional :Gain Integral: Reset Derivativo : Rate Cual modo no ajusta continuamente la variable manipulada del controlador para eliminar el error?

Ejemplo del control PID

Ejemplo del control PID Aplicación Enfriar-Calentar Lazo de control realimentado Monitorea la temperatura en un tanque El controlador aplica el PID para mantener la temperatura especifica del producto en el tanque Ajusta las válvulas de entrada de agua fría y caliente

Qué es control proporcional ? Es un tipo de control más fino que el On/Off Hay una relación directa entre la variable controlada y la posición del elemento final de control Aplica si la variable controlada cambia constantemente (si no es así use On/Off) Reduce la oscilación de la variable controlada.

Términos de un control proporcional Ganancia Banda proporcional y BP es la cantidad de cambio en el error (e) necesaria para producir un cambio full en la salida (O) La respuesta del controlador depende del tamaño de la banda proporcional Respuesta menos sensible: Banda amplia: Ganancia baja Respuesta más sensible: Banda angosta: Ganancia alta

Cambio de la banda-Cambio de Respuesta Respuesta más sensible Banda angosta: Ganancia alta 20% P-Band = 1/5=.20=20% Gain =100/20 =5.0 Proceso Temp Entrada 0% Válvula agua fría 100% Cerrada Salida Abierta

Banda amplia: Baja ganancia Cambio de la banda-Cambio de Respuesta Menos sensible Banda amplia: Baja ganancia G=2.5 40% P-Band = 1/2.5=.40=40% Gain =100/40 =2.5 G=5.0 20% 0% Válvula agua fría 100% Cerrada Salida Abierta

Diagrama del control proporcional Respuesta más sensible Banda angosta (rápida) 2300 1260 SP 1000 PV 740 -300 Tiempo

Diagrama del control proporcional Respuesta menos sensible Banda amplia (lenta) 2300 1520 SP 1000 480 PV -300 Tiempo

Curvas de Respuesta del Control Proporcional

Qué es control integral ? También se conoce como offset or reset Cuál es la función del control integral ? Es la acción de corregir el error para eliminar la desviación prolongada del setpoint asociada con el control proporcional. Responde a la duración del error después de que el controlador ha entrado en estado estacionario

Diagrama de la acción integral Resultado de la acción proporcional SP≠ PV Tiempo Error: Offset Efecto de la acción integral SP=PV Tiempo

Cuando se usa la acción integral en un proceso Está diseñada para eliminar el error estacionario (offset) Es aplicado cuando en el proceso existe un tiempo de retardo (por ejemplo lazos de control con respuesta lenta)

Qué es control derivativo ? También se le llama acción de velocidad o rata Similar al cambio de aceleración a frenado Responde a cuán rápidamente se está desviando el proceso (rata de cambio) del setpoint. Cual es la función del control derivativo ? Compensar los retardos del proceso Reducir las oscilaciones y sobrepasos causadas por los disturbios en el proceso

Lazos de control con arranques frecuentes La acción derivativa es muy usada en dos tipos de aplicaciones de control de procesos Los lazos son muy lentos para responder y requieren control adicional al control PI Lazos de control con arranques frecuentes

Curvas de respuesta de la acción derivativa

Cuál es el impacto de los ajustes del PID en el control de un proceso? ON/OFF - Responde a la presencia del error Proporcional - Responde a la magnitud del error Integral - Responde a la duración del error Derivativa - Responde la rata de cambio del error

Estrategias avanzadas de control de procesos Qué es un control multilazo ? Es el uso de dos o más lazos de control realimentado para controlar una variable en un proceso Hay tres estrategias de control avanzado tipo multilazo: 1. Cascada (Cascade) 2. En adelanto (Feedforward) 3. Relación (Ratio)

Estrategias avanzadas Por qué es mejor una estrategia tipo cascada que un control de lazo sencillo? Es más precisa porque usa una segunda variable del lazo de control que permite al usuario identificar los disturbios en el proceso más rápidamente

Estrategias avanzadas: Cascada Qué es un control tipo cascada ? Es la habilidad para monitorear y controlar dos variables del proceso usando dos lazos de control sencillos para controlar una variable en un proceso El control tipo cascada es un lazo de control realimentado instalado dentro de otro lazo de control realimentado.

Ejemplo del control tipo cascada

Ejemplo del control tipo cascada 2 Lazos de control PID Lazo #1-Lazo externo o primario - Controla la temperatura del producto en el tanque Lazo #2- Lazo interno o secundario-controla la temperatura del agua/vapor que entra al tanque ajustando las válvulas

Estrategias avanzadas Feedforward Qué es un control Feedforward ? Es la habilidad de monitorear dos variables del proceso para anticipar un disturbio en un lazo realimentado antes que éste disturbio afecte la variable controlada del proceso. Por qué se usa un segundo sensor ? Para monitorear el disturbio en el proceso

Ejemplo de control Feedforward

Ejemplo de control Feedforward 2 Lazos de control un PID y un Feedforward lazo 1- Controla temperatura lazo 2- Monitorea la rata de flujo, la variable Feedforward La rata de flujo es el disturbio Otras aplicaciones Temperatura de alimentos Flujo de combustible en calderas

Estrategias avanzadas Ratio Qué es control de ratio ? Es la habilidad de un controlador de procesos para mantener una relacion predeterminada entre dos o más variables del proceso. Cuál variable de proceso es en la que más se usa esta estrategia? Flujo

Ejemplo de control ratio

Dos ratas de flujo a controlar: Mezcla de materiales Dos ratas de flujo a controlar: Flujo A es la rata controlada Flujo B es la rata libre. El control monitorea el flujo B para controlar el flujo A Controla la razón de A/B. Otras aplicaciones Food Processing-Ingredients Combustion Control-Fuel/Air

Customer Survey For Process Control Applications

Diez preguntas claves para seleccionar un controlador Q1: El proceso requiere un lazo sencillo o un lazo doble? Cuantas entradas/salidas al procesos ? Q2: Cuantas variables del proceso serán controladas en este lazo. Cuales son? Qué tipo de sensor se va a usar? Q3: Como se arranca el proceso, manual o automático o por entradas on/off ? Q4: Se requiere que el controlador arranque o pare equipos remotos en la planta ? Cuantos ?

Diez preguntas claves para seleccionar un controlador Q5 Cuál es el período de muestreo deseado en este lazo de control ? (ej. 50mS, 100mS, 200mS, 500mS) Q6: Qué protección a la humedad deberá tener el controlador ? Q7: Se requiere que el controlador se comunique con un computador, o interfaz de operador ? Q8: Qué tamaño debe tener el controlador ?

Diez preguntas clavespara seleccionar un controlador Q9: Se requiere que el setpoint tenga un perfil de rampa-sostenido ? Q10: Qué tipos de modos de control se requieren en este lazo en particular ?