Avanzado-modulo 15 Control de Procesos 2010

CONTROL DE PROCESOS Conceptos básicos

Gerencia de Ingeniería de Proceso

Introducción al Negocio y los Procesos de Refinación, Refinación, Junio 2010

Contenido 

Objetivos



Introducción Historia del Control Automático de Procesos Principios de la Automatización Elementos principales del Control de Procesos



Control de procesos Tipos de Control Estrategias de Control Arquitecturas típicas en CRP Ejemplos de Estrategias de Control, Ejercicio



Contenido 

Objetivos



Introducción Historia del Control Automático de Procesos Principios de la Automatización Elementos principales del Control de Procesos



Control de procesos Tipos de Control Estrategias de Control Arquitecturas típicas en CRP Ejemplos de Estrategias de Control, Ejercicio



Introducción



Evolución sistemas de Control Antes de los años 40´s la mayoría de las plantas industriales eran controladas de manera manual (instrumentación de campo)

La intervención humana es requisito principal para manejar la información y efectuar la manipulación de las variables. (Dependencia alta y constante de sentidos y razonamiento humano) Gerencia de Ingeniería de Proceso


Evolución sistemas de Control El control automático de procesos se inicia alrededor de los años 40, con dispositivos mecánicos, hidráulicos y neumáticos. Inicialmente todos los dispositivos fueron instalados dentro de la planta (controladores locales).

Los controladores locales (SISO) permitían el control más rápido y efectivo logrando manejar un mayor número de variables del proceso, pero no solucionaban los problemas que planteaba el hecho de la presencia física del operador en los lugares y momentos necesarios para hacer muchas de las operaciones en planta.


Introducción al Negocio y los Procesos de Refinación, Refinación Junio 2010

Evolución sistemas de Control Para la década de los años 60 la instrumentación electrónica había alcanzado un grado de desarrollo tal que comenzó a sustituir a la neumática, Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eran precisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos.

Todo esto trajo consigo la centralización de la información en las salas de control de la mano de la aparición de ordenadores digitales, en donde se ubicaron los elementos necesarios para realizar la supervisión y el control.

Cabe destacar que la función de control para el momento era realizada por un único equipo el cual ocupaba gran espacio y era costoso, capaz de recibir entradas del proceso (variables), ejecuta los cálculos apropiados. Gerencia de Ingeniería de Proceso


Evolución sistemas de Control A partir de los años 70s, los sistemas de control se estructuraron en torno a dispositivos descentralizados o subsistemas capaces de ejecutar tareas especificas (mini procesadores, sistemas scada),

Mas adelante se introdujo el manejo de dispositivos redundantes, módulos de historia, transferencia de datos hacia otros niveles de la empresa.

El primer DCS fue introducido por Honeywell en 1974Introducción (Solo manejaba Señales al Negocio y los ProcesosAnalógicas) de Refinación, Refinación Junio 2010


Evolución sistemas de Control Diferentes compañías multinacionales alrededor del mundo ofrecen soluciones para sistemas distribuidos de control, SCADAs y de seguridad… Entre ellas se encuentran:



Automatización ⌦

Evitar accidentes o daños a equipos.

⌦

Mantener la calidad de los productos.

⌦

Mantener la producción.

⌦

Maximizar beneficios.

⌦

Minimizar costos.

⌦

Minimizar paradas de plantas.

NIVEL CORPORATIVO

NIVEL DE PLANTA

NIVEL DE CONTROL DE SUPERVISION NIVEL DE CONTROL REGULATORIO

NIVEL DE EQUIPO Gerencia de Ingeniería de Proceso


Elementos del Control Decisión (D): Es la Medición (M): es la determinación de la proporción entre la dimensión o suceso de un objeto y una determinada unidad de medida.

acción sugerida para corregir las desviaciones de la variable medida en relación al punto de ajuste

Set point (SP): ó punto de ajuste, es el valor que se desea controlar

Acción (A): Implementación de la acción definida en el proceso de decisión. Ejecutada a través de un elemento final de control


Elemento Final de Control: Es un mecanismo que altera el valor de la variable controlada. Puede ser una válvula de control, un variador de velocidad, bombas dosificadoras servomotores. etc... Introducción al Negocio y los Procesos de Refinación, Refinación Junio 2010

Control de Procesos



Entradas: Variables de proceso Material crudo Perturbaciones

CAMBIOS EN CONDICIONES... * COMPOSICIÓN * TEMPERATURA * PRESIÓN * FLUJO * NIVEL ** VELOCIDAD

CALIDAD / PRECISIÓN CANTIDAD CONFIABILIDAD SEGURIDAD

PROCESO

Salidas: Variables controladas Material procesado



Grupo de Control de Procesos Desarrollar, implantar y mantener esquemas de control de procesos, suministrar asistencia técnica en la resolución de problemas operacionales, apoyar y participar en los proyectos de automatización y proporcionar la información operacional adecuada para el análisis de la gestión de la refinería.

PT

Log2 SP

OP

PC

OP

Muelles


LS

PC OP

PV

SP

PV

PT

PC

Log1

Cabezal de Aire

CAS

PC

SP

PV

PT

Refinería


Tipos de Control




Manual



Neumático



Análogo electrónico



DDC (Direct Digital Control)



Digital distribuidos


Niveles de Control Jerarquía en los esquemas de control

Optimiz. refinería Optimización

Nivel 3

de unidades Optimización

Nivel 2

de equipos Control de equipo

Nivel 1

Control de una variable

Nivel 1: • Feed-back • Cascadas • Feed-forward Gerencia de Ingeniería de Proceso

Nivel 2: • Control por limitación • Programación lineal • Control multivariable

Nivel 3: • Optimización


Niveles de Control



Regulatorio



Supervisorio



Multivariable





Predictivos



Multivariables



Multi-objetivo

Avanzado/optimización



Niveles de Control Regulatorio 

Mantiene las variables de control en el valor requerido por el operador a través de la instrumentación.



Proporciona la estabilidad necesaria para mantener una operación segura en la unidad.

Supervisorio 

Hace ajustes sobre el control regulatorio a través de un computador permitiendo ahorrar energía.



Maximiza el rendimiento de los productos garantizando la calidad de los mismos.



Niveles de Control Multivariable (MIMO) 

Son técnicas de control avanzado que contemplan varios parámetros importantes.



Estos controles son predictivos, multivariables y multi-objetivos.

Predictivos Utilizan modelos dinámicos del proceso para predecir la respuesta de las variables controladas, basado en los datos históricos del comportamiento de las mismas en función de las variables manipuladas.


Multivariables

Multi-objetivos

Diseñados para manejar interacciones dinámicas entre las variables de los procesos, tomando en cuenta diferentes números de variables controladas, manipuladas o de perturbación.

Cuando exista más de un objetivo en el proceso, permiten asignar una relativa importancia para cada uno, en caso de que exista conflicto entre ellos.


Niveles de Control Avanzado / optimización 

La principal razón de una refinería es generar productos con el mayor valor comercial posible que satisfagan las especificaciones del cliente a un costo óptimo.



Los optimizadores trabajan con la ayuda de los controles avanzados para maximizar beneficios y minimizar regalos de calidad, utilizando para ello los precios de los insumos y productos y los modelos de los procesos.

Las estrategias de control de proceso avanzado: Están

basadas en modelos de simulación para la estimación de calidades y condiciones operacionales en línea y en técnicas de control avanzado. Poseen

un gran impacto tanto operacional como económico.

Han

sido continuamente adecuados para garantizar un alto factor de utilización. Gerencia de Ingeniería de Proceso


Estrategias de Control



Feedback



Cascada



Rampas



Relaciones



Por limitación



Feed-forward



Programación lineal



Estrategias de Control DEFINICIONES BÁSICAS: Variable Controlada (CV): Es la variable medida o calculada que se debe mantener en el valor deseado (Set Point SP). Variable Manipulada (MV): Es la variable que se utiliza para mantener el setpoint. Variable de Perturbación (DV): Son todas aquellas diferentes a la variable manipulada, que afectan la variable controlada.



Estrategias de Control Feedback 

Es la forma de control más sencilla, se basa en comparar la variable de proceso con el valor deseado a punto de ajuste, y en función de su diferencia o error, calcular la salida del controlador.



Generalmente se utiliza el algoritmo PID para calcular la salida, éste tiene tres parámetros o constantes de entonamiento que permiten ajustar la respuesta del controlador: - Ganancia (K) - Tiempo Integral (TI) - Tiempo Derivativo (TD)

PID

SP


PID

MV

Proceso


Estrategias de Control Cascada

En ciertos casos el mejor control no se logra manipulando directamente una válvula, sino que es necesario configurar estrategias de control en cascada. Estas consisten en elementos encadenados hasta llegar al último secundario que manipula una válvula. SP

PID

MV

Proceso

Rampas

Permite modificar lentamente el valor de una variable, fijando el punto al que se le quiere llevar y el tiempo en que se desea que ésta lo alcance. SP=f(t)


SP

PID

MV

Proceso


Estrategias de Control Relaciones

En algunos casos se logra mayor estabilidad en las variables al mantener constante el cociente entre dos variables (una manipulada y otra libre), a este cociente se le llama relación. De esta forma al ocurrir una perturbación en la variable se ajusta el valor de la variable manipulada manteniendo constante la relación.

R= Controlled Flow vvvvvvWild Flow

Por limitación

Algunas veces es deseable operar alguna unidad de proceso contra un límite mínimo o máximo. Para ello se diseñan estrategias de control que verifican todas las posibles limitaciones y maximizan o minimizan el punto de ajuste de una variable hasta que alcance su limitación. Gerencia de Ingeniería de Proceso


Estrategias de Control Feed-forward 

Existen variables controladas que son muy sensibles a perturbaciones externas “cuantificables” y de las que se conoce su interrelación. En estos casos se configuran estrategias de control que al ocurrir una perturbación, toman acción antes de que la variable controlada sea afectada.

FT

LC

LT


FC

FT


Estrategias de Control Programación lineal 

Al diseñar esquemas de control es posible conseguir que existen interacciones entre algunas variables controladas. Es necesario en estos casos “romper” estas interacciones o desacoplarlas.



Una de las técnicas que se puede usar para conseguir esto es la programación lineal (LP). Para ello se plantea una tabla de LP con una función objetivo y dos o más ecuaciones de control.



La función objetivo permite dar prioridades a cada una de las variables controladas con todas y cada una de las variables manipuladas.

1,1x1 +

1,2x2 <

b1 a 2,1x1 + a2,2x2 < b2 a 3,1x1 + a3,2x2 < b3 a

a



Estrategias de Control Control Multivariables (MIMO)

Un controlador multivariable posee un modelo dinámico del proceso, a partir del cual predice el comportamiento futuro del mismo y determina como ajustar las variables manipuladas (MV’s) para mantener las variables controladas (CV’s) dentro de los límites permitidos a pesar de variaciones que pudieran darse en las variables de perturbación (DV’s). Adicionalmente, si todas las variables controladas se encuentran dentro de los límites permitidos, el controlador posee variables de optimización (PVO’s) con la finalidad de ajustar el proceso para maximizar la producción de los productos de mayor valor comercial o minimizar los costos de operación (vapor, gas, etc)



Arquitecturas SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDOS EN CRP Cardón :

Honeywell (TDC-3000, TPS, Experion)

Amuay:

Honeywell (TDC-3000, TPS, Experion) I/A Foxboro (Suministro y FKAY)



Arquitecturas •EST 01

• APP 40

•EST 02

•EST 08

•EST 21

• APP 41

•PHD 30

LAN

WAN

FTE - Fault Tolerant Ethernet

•US 37 •US 38 •US 39

Experion Servers ESVT A/B

BQ- 11

SISTEMA TPS

•LCN •HM 17

•AM 13

•HM 18

•AM 24

•CG 28

•HM 33

Controladores HPM

Controladores Básicos

HWY’S Gerencia de Ingeniería de Proceso

UCN

Controladores HPM

UCN Introducción al Negocio y los Procesos de Refinación, Refinación Junio 2010

Arquitecturas



Arquitecturas RESUMEN DE ESTRUCTURAS AUTOMATIZADAS CAMPO

EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN DE CAMPO Medidores de Flujo, Presión, temperatura, Analizadores, etc Válvulas de Control, Bombas de Velocidad variable, etc.

MEDIOS DE COMUNICACIÓN

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN ENVÍO DE SEÑALES DESDE Y HACIA EL CAMPO (Fibra Óptica, Inalámbricos, etc)

PROCESADORES DE CONTROL

Procesamiento de Algoritmos de Control Optimización Tratamiento de Señales

CUARTO DE CONTROL Gerencia de Ingeniería de Proceso


Consecuencias de Fallas CAMPO

EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN DE CAMPO Medidores de Flujo, Presión, temperatura, Analizadores, etc Válvulas de Control, Bombas de Velocidad variable, etc.

MEDIOS DE COMUNICACIÓN

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN ENVÍO DE SEÑALES DESDE Y HACIA EL CAMPO (Fibra Óptica, Inalámbricos, etc)

PROCESADORES DE CONTROL

Procesamiento de Algoritmos de Control Optimización Tratamiento de Señales

CUARTO DE CONTROL Gerencia de Ingeniería de Proceso


Ejemplos de Estrategias CONTROL DE NIVEL 3 ELEMENTOS C8F105

C8F101

C8LT101

SP

PV PV

C8L101



Ejemplos de Estrategias CONTROL DE CONDUCTIVIDAD C8AG101

OP

PV

C8A101

C8AV101

C8FT108



Ejemplos de Estrategias CONTROL 95% Nafta P3 P101 PA

P3 T101 CASC

PA

D-2

P3

P3

L101

F118 CASC

T 1 X

P3 F135

PA

P3 AC101

P3 A101 VP PUNTO DE

P3 AG101

AJUSTE PA

OPERADOR

COMP



Ejemplos de Estrategias CONTROL COMBUSTIÓN EN CALDERAS Aplicación FXGas

Cálculo Relación

PID PV

PEYC 323

PEY323

PEYY 323

SGPC 956

PEH323

RATIOCTL

Salida FKP956

Maestro PEP603

FXGas Disponible

< OP s a r e d l a c s a r t o A

PEH322

PEF308 C

Comb requerido

+

PEF307 A

s a G i x e l F

OP

<

FXG requerido

PEF307 B

PEFY 303

SP PEF303

PV

+ PEF308 D

SW

-

PEF303 HS

G X F r e u q e R b m o C = R G

X PEF303 F

0,1

GR=10%FXG

> PEF305 F

a í r e n i f e r

OP PEFY 305

SP

e d s a G

PEF305

PV

+ PEF305 D

+ >

PEF305 E

PEFY 308

SP PEF308

PV

n ó i t s e r u i A b m o C

PID PV

PEA302

DIAGRAMA LÓGICA DE COMBUSTIÓN CALDERAS BLOQUE 29 CASO BASE: CALDERA 13


PEAC 302

PEH308

PEF308 B

Caracterizador de Aire

Analizador O2

Aplicación O2


Ejercicio 1 Misión: Controlar el Nivel del Tanque USTED DISPONE DE: 1 Válvula de Control 2 Transmisores ( Uno de Flujo y Otro de Nivel) Posibilidad de configurar controladores PID

COLOQUE EN EL ESQUEMA LA ESTRATEGIA DE CONTROL A CONFIGURAR Es posible controlar con el Agua de Alimentación o con el Agua de Salida? Que cambiaría en el esquema de control?



Ejercicio 1 Que puedo hacer con el Medidor de Flujo? Qué estrategia de Control puedo configurar?

LT


LC

LT

LC


PREGUNTAS



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