Control e Instrumentación de Procesos Químicos P.O. Castro, E.F. Camacho Síntesis, Madrid 1997 ISBN 84-7738-517-3 1997
INDICE
Control e Instrumentación de Procesos Químicos Prólogo Cualquier ingeniero químico que diseñe o que opere plantasquímicas debe tener unos conocimientos mínimos de controlautomático de procesos. En los planes de estudio de Ingeniero Químicode las distintas facultades de Química y escuelas de Ingenieríase incluye esta disciplina. La formación debe orientarse a cubrirdos objetivos educativos de gran importancia:
a) Capacitar al alumno para desarrollar en el futuro una serie de actividadesprofesionales sencillas en este campo, tales como: • Plantear, diseñar y especificar correctamente estrategias sencillasde control (por ejemplo, para plantas de tamaño medio o pequeño) • Analizar y entender estrategias más complejas propuestas por especialistascon años de experiencia. •
Diagnosticar y resolver problemas sencillos del sistema de control de unaplanta en operación.
•
Participar en la gestión de la adquisición de un sistemade control (equipos de control y estrategias) para una planta de tipo medioo pequeño (petición y evaluación de ofertas, discusióncon los suministradores del sistema, etc.)
b) Consolidar una formación básica a partir de la cual elalumno, bien por sí mismo o bien asistiendo a cursos de postgrado,pueda sin problemas hacerse un especialista en la materia. Para alcanzar estos objetivos no es necesario que el alumno egresadode facultades y escuelas domine la moderna y elegante Teoría deControl desarrollada en las últimas dos décadas, que estábasada en planteamientos matemáticos bastante complejos. Por elcontrario, estos objetivos pueden cubrirse con un enfoque mucho máspráctico del Control de Procesos, con la única precauciónde no caer en el extremo opuesto de limitar el proceso formativo al aprendizajede una serie de recetas prácticas más o menos justificadas.El soporte teórico ha de ser el necesario para entender el porqué,el cómo y el cuándo debe aplicarse una técnica decontrol específica a un caso concreto, para entender tambiéncuales son las limitaciones de esa técnica y que calidad de controlcabe esperar de ella, así como para seleccionar justificadamentelos instrumentos más adecuados para su realización física. Con este enfoque mixto se ha escrito este libro, cuyo contenido estáindicado para un curso universitario de 60 a 90 horas lectivas. Esta extensiónposibilita que sea un libro de texto adecuado a los programas docentessobre la materia, de la mayoría de los departamentos universitarios.Contiene el material educativo suficiente para montar la asignatura deControl de Procesos de acuerdo con la visión particular que cadaprofesor tenga sobre la disciplina, tratando con mayor profundidad o extensiónlos temas que juzgue más interesantes. Así por ejemplo, unaasignatura con sólo 6 créditos y con un enfoque eminentementepráctico podría dejar a un lado el modelado del comportamientodinámico de procesos (Capítulo 2) y tratar con menos profundidadlas técnicas de análisis dinámico (Capítulos3, 4 y 5) para centrarse en el diseño de controladores PID (Capítulos7 y 9) y poner énfasis en la instrumentación básicade control (Capítulos 16, 17, 18, 19 y 20). Si bien esta obra estaenfocada, como se ha dicho, a la enseñanza universitaria, la
orientaciónpráctica con la que ha sido concebida, hace que sea útiltambien para profesionales que quieran adquirir o completar una formaciónbásica en control de procesos. El modelado empírico de ladinámica de procesos (Capítulo 6), las reglas de sintonizaciónde controladores (Capítulo 9), la forma de incrementar la calidadde control mediante técnicas avanzadas que hoy en día sontécnicas estándar (Capítulo 10, 11 y 12) o la realizaciónfísica de las estrategias de control mediante computadores de controldistribuido, constituyen temas que tienen una aplicación prácticainmediata. Un enfoque eminentemente aplicado de la disciplina requierecomplementar las clases teóricas con la realización de unamplio conjunto de prácticas que cubran la mayor parte de los temasque se desarrollan. El mejor medio para satisfacer el enfoque prácticode la disciplina es el desarrollar las prácticas sobre alguna plantapiloto, lo que exige una inversión y un mantenimiento considerable.Afortunadamente, la enorme potencia de cálculo de los ordenadorespersonales, unida a la economía de su adquisición y uso,permite la realización de prácticas sobre simulaciones suficientementerealistas de procesos reales. Existe en el mercado abundante "software"especializado en simulación dinámica, que incorpora inclusorutinas de control, con el que se facilita extraordinariamente la tareade montar dichos prácticas. De hecho, buena parte de los ejemploscontenidos en esta obra han sido desarrollados utilizando este tipo deaplicaciones informáticas. El libro se inicia con un capítulo de introducción enel que se hace una descripción general del problema de control deprocesos químicos, de las técnicas de control disponiblesy de la instrumentación necesaria para implementarlas. Es un capítulode lectura obligada, no sólo porque ofrece una panorámicaglobal del contenido de la obra, sino porque en él se definen unaserie de términos y conceptos que se utilizarán con profusiónen la misma y sobre cuyo significado no debe existir la menor duda. Los restantes capítulos del libro se pueden agrupar en trespartes claramente diferencias: dinámica, control e instrumentaciónde procesos. La primera parte (Capítulos 2 a 6 ambos inclusive)tiene por objetivo el estudio del comportamiento dinámico de procesossometidos a perturbaciones exteriores. Este estudio comienza con el desarrollode modelos matemáticos dinámicos de procesos basados en losprincipios físico(químicos que los gobiernan: conservaciónde la materia, la energía y la cantidad de movimiento, leyes cinéticasy ecuaciones de estado. A continuación se aplican técnicasmatemáticas de análisis y transformación de esos modelos,con vistas a su utilización en problemas de control (linealizacióny análisis en el dominio del tiempo, análisis frecuencialy en el dominio de Laplace, funciones de transferencia e identificaciónde procesos para obtener modelos dinámicos empíricos). La segunda parte del texto (Capítulos 7 a 14 ambos inclusive)comienza presentando la idea básica del control por realimentacióny analizando, desde
un punto de vista más descriptivo que formalo puramente matemático, el problema de la estabilidad. Este enfoquepráctico conectado con el hecho físico es una constante quese mantendrá a lo largo de esta segunda parte, preservando únicamenteel soporte teórico indispensable para comprender las distintas técnicasy estrategias de control y justificar sus limitaciones. El concepto decontrol regulatorio básico mediante lazos o bucles de realimentaciónse extiende con la descripción detallada de un lazo de realimentación,que incluye los distintos tipos de controladores (analógicos y digitales)y acciones de control (proporcional, integral, derivativa), asícomo sus criterios de selección y los métodos de sintonización.A continuación se presentan técnicas de control avanzadopara procesos con dinámica difícil (procesos con elevadostiempos muertos y procesos con respuesta inversa) y para casos en los quese exija una mejor calidad de control (control en cascada y control anticipativo).Dentro del conjunto de técnicas avanzadas de control se incluyetambién el control selectivo, para situaciones en las que, ademásde controlar una variable de proceso, se requiere satisfacer simultáneamenteotros objetivos (maximizar una eficiencia, proteger un equipo). El estudiode técnicas de control para procesos continuos finaliza con un capítulodedicado a control multivariable que aborda la problemática de lasinteracciones entre lazos asociados a una misma unidad de proceso, conun planteamiento muy simple, pero también muy ilustrativo y práctico,de una cuestión formalmente compleja. La segunda parte de la obraconcluye tratando dos temas que no suelen incluirse en textos de controlde procesos para estudiantes de ingeniería química. Uno deellos es el control secuencial de procesos cuya aplicación no selimita a la automatización de procesos discontinuos, que tambiénes necesario su concurso en las operaciones de puesta en marcha y paradade procesos continuos. El otro tema versa sobre los sistemas de controldistribuido mediante computadores de control, que es la filosofíade control imperante hoy en día para plantas de tamaño medioy grande. La tercera parte del libro (Capítulos 15 a 20 ambos inclusive)tiene por objetivo presentar los instrumentos necesarios (sensores, transmisoresy actuadores) para implementar las técnicas de control estudiadas.Habida cuenta que la instrumentación involucrada en el control deproceso químicos es extraordinariamente amplia, el estudio se limitaa aquellos instrumentos con los que se miden las variables físicasprincipales (presión, nivel temperatura, caudal y composición).El estudio de esta materia no se reduce a una mera descripción físicade los sensores, sino que incluye también un análisis delos principios físico químicos en los que se fundamentan,la discusión sobre su campo de aplicación y un análisiscomparativo con otros instrumentos que cumplen la misma finalidad. Estatercera pare concluye con un capítulo dedicado a válvulasde regulación, el elemento final de control en la mayoríade los lazos de control de proceso químicos.
Control e Instrumentación de Procesos Químicos Temario 1. INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOS QUIMICOS. 1.1. Introducción 1.2. Un ejemplo introductorio 1.3. Definiciones y conceptos básicos relativos a los sistemasde control de procesos 1.4. Señales e instrumentos de un sistema de control de procesos 1.5. Niveles de control de procesos 1.6. Diseño del sistema de control 2. MODELIZACION DEL COMPORTAMIENTO DINAMICO DE PROCESOS QUIMICOS. 2.1. Introducción 2.2. Consideraciones generales acerca del modelado matemáticode procesos químicos 2.3. Ecuaciones de conservación y tipos de modelos 2.4. Las ecuaciones de conservación en la formulaciónde modelos de parámetros globalizados 2.5. Las ecuaciones de conservación en la formulaciónde modelos de parámetros distribuidos 2.6. Ejemplos de modelos dinámicos de procesos químicos 3. ANALISIS DE LA DINAMICA DE PROCESOS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO 3.1.Introducción 3.2.Linealización de sistemas dinámicos 3.3. Sistemas de primer orden 3.4. Sistemas de segundo orden 3.5. Sistemas de orden superior 4. ANALISIS DINAMICO EN EL DOMINIO DE LAPLACE: FUNCIONES DE TRANSFERENCIA
4.1. Introducción 4.2. La transformada de Laplace 4.3. Resolución de ecuaciones diferenciales lineales 4.4. Funciones de transferencia y modelos entrada-salida 4.5. Análisis cualitativo del comportamiento dinámicode un sistema y concepto de estabilidad 4.6. Diagramas de bloques 5. ANALISIS DINAMICO EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA: RESPUESTA FRECUENCIAL 5.1. Introducción 5.2. Respuesta en frecuencia 5.3. Respuesta en frecuencia de sistemas constituidos por varias funcionesde transferencia en serie 5.4. Sistemas de fase no mínima 6. MODELOS DINAMICOS EMPIRICOS PARA CONTROL DE PROCESOS 6.1. Introducción 6.2. Metodología general 6.3. El método de la curva de reacción 6.4. Métodos estadísticos 6.5. Observaciones finales y conclusiones 7. CONTROL POR REALIMENTACION: CONTROLADORES PID 7.1. Introducción 7.2. Instrumentación de un lazo simple de control 7.3. Controladores analógicos PID 7.4. Controladores digitales 7.5. Selección de las acciones de control 8. ANALISIS DINAMICO Y DISEÑO DE LAZOS DE REALIMENTACION 8.1. Introducción 8.2. Diagrama de bloques y respuesta de un lazo simple de control 8.3. Criterios de estabilidad en lazo cerrado 8.4. Efecto de las acciones básicas proporcional, integral yderivativa sobre la
respuesta en lazo cerrado 9. SINTONIZACION DE CONTROLADORES PID 9.1. Introducción 9.2. Sintonización de controladores de realimentación 9.3. Criterios de calidad de respuesta 9.4. Selección del tipo de controlador 9.5. Métodos de sintonización de controladores 10. CONTROL REGULATORIO AVANZADO DE PROCESOS CON GRANDES TIEMPOS MUERTOSO RESPUESTA INVERSA 10.1. Introducción 10.2. El problema de control de procesos con elevado tiempo muerto 10.3. El Predictor de Smith 10.4. El Predictor de Smith y los errores de modelado 10.5. El predictor PI 10.6. Control de procesos con respuesta inversa 11. CONTROL REGULATORIO AVANZADO CON VARIABLES AUXILIARES 11.1. Introducción 11.2. Control en Cascada 11.3. Control anticipativo 11.4. Control selectivo o control con restricciones 11.5. Control de gama partida 12. CONTROL DE PROCESOS MULTIVARIABLES 12.1. Introducción 12.2. Descripción de Sistemas Multivariables 12.3. Los problemas de las interacciones 12.4. Medidas de las Interacciones 12.5. Evaluación aproximada del comportamiento dinámicode un sistema multivariable 12.6. Limitaciones en el uso de desacopladores explícitos 12.7. Matriz de transferencia en bucle cerrado 12.8. Desacoplo de sistemas no lineales
13. CONTROL POR COMPUTADOR 13.1. Introducción 13.2. Ventajas e inconvenientes del control por computador 13.3. Funciones de los computadores en el control y la supervisiónde procesos 13.4. Instrumentación específica para el control porcomputador 13.5. Características del software de los sistemas de controlpor computador 13.6. Estructuras de los sistemas de control por computador 13.7. Señales muestreadas 14. CONTROL SECUENCIAL DE PROCESOS 14.1. Introducción 14.2. Ejemplo ilustrativo 14.3. Ecuaciones lógicas 14.4. Sistemas lógicos combinacionales y secuenciales 15. INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS 15.1. Introducción 15.2. El proceso de medida 15.3. Clasificación de los instrumentos de medida 15.4. Definiciones y conceptos básicos 15.5. La transmisión de la medida 15.6. Instrumentación inteligente 15.7. Calibrado 15.8. Diagramas de tuberías e instrumentos 16. MEDIDORES DE TEMPERATURA 16.1. Introducción 16.2. Factores involucrados en la medición de la temperatura 16.3. Clasificación de los sensores de temperatura 16.4. Termopares 16.5. Termoresistencias (sondas de resistencia) 16.6. Termistores 16.7. Pirómetros de radiación 16.8. Selección del sensor de temperatura 17. MEDIDORES DE PRESION Y DE NIVEL
17.1. Introducción 17.2. Conversión mecánica-eléctrica 17.3. Elementos primarios para la medida de presión 17.4. Medidores de nivel 17.5. Medidas de niveles en depósitos de sólidos. 18. MEDIDORES DE CAUDAL 18.1. Introducción 18.2. Medidores de presión diferencial 18.3. Medidor de impacto 18.4. Caudalímetros electromagnéticos 18.5. Medidores de inserción 18.6. Medida del caudal másico con medidores volumétricos 18.7. Medidores de caudal másico 19. ANALIZADORES DE PROCESO 19.1. Introducción 19.2. Análisis en línea o en tiempo real 19.3. Características básicas de los analizadores 19.4. Analizadores en línea 19.5. Sistemas de muestreo y acondicionamiento 20. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL : VALVULAS DE REGULACION AUTOMATICA 20.1. Ecuaciones de flujo a través de válvulas para líquidosy gases 20.2. Fórmulas de cálculo de Kvs y Cv 20.3. Corrección por viscosidad 20.4. Mezclas líquido-gas 20.5. Mezclas líquido-vapor 20.6. Cavitación y “flashing” 20.7. Criterios de dimenisonamiento de una válvula de regulación
