CPI 1 - clase 1

Control de procesos industriales I

Ing. Ángela Bravo Sánchez M.Sc

¿QUÉ ES UN PROCESO?

CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES I AGOSTO DE 2012

PROCESO

 El término proceso utilizado en control de
procesos, se refiere a cambiar o refinar materias
primas para lograr un producto final.


PROCESO

 La materia prima, que puede o no cambiar de
estado físico durante el proceso, es transferida,
medida, mezclada, calentada, enfriada, filtrada,
almacenada o manipulada de alguna manera
para producir el producto final


PROCESOS INDUSTRIALES

 Ejemplos de procesos industriales


PROCESOS INDUSTRIALES

 Ejemplos de procesos industriales

 Industrias químicas
 Petróleo y gas
 Alimentos y bebidas
 Industria farmacéutica
 Tratamientos de agua
 Generación de energía
 Etc.


¿QUÉ ES UN CONTROL
PROCESOS?


CONTROL DE PROCESOS

 Se refiere a los métodos que son usados para
controlar las variables del proceso

 Por ejemplo:


CONTROL DE PROCESOS

 Se refiere a los métodos que son usados para
controlar las variables del proceso

 Por ejemplo:
 La proporción de un ingrediente a otro
 La temperatura de los materiales
 Lo bien que se mezclan los ingredientes
 La presión aplicada al material

* Todas estas variables pueden afectar significativamente la calidad del
producto final


¿POR QUÉ CONTROLAR
PROCESOS?


¿POR QUÉ CONTROLAR PROCESOS?

 Los fabricantes controlan un proceso de
producción para:

 Reducir la variabilidad del producto final
 Incrementar la eficiencia
 Reducir impacto ambiental
 Mantener el proceso dentro de los límites de
 seguridad que corresponda



 Reducir la variabilidad del producto final

 Al reducir la variabilidad del producto final
garantizamos un producto de alta calidad
constantemente



 Incrementar la eficiencia

 Algunos procesos necesitan ser mantenidos en un
punto de operación específicos para mantener la
eficiencia.
 Por ejemplo: La temperatura a la que una reacción
química tiene lugar. El control preciso de la
temperatura garantiza la eficiencia del proceso.



 Garantizar la seguridad

 Es importante asegurar que el proceso no alcance
situaciones peligrosas o que la calidad del producto
cumpla especificaciones

 Por ejemplo, mantener la presión de la caldera
adecuada es crucial en la prevención de implosiones
de la caldera que claramente puede amenazar la
seguridad de los trabajadores



 Reducir impacto ambiental

 Asegurar el cumplimiento de la normativa de
protección medio-ambiental (los efluentes sólidos,
líquidos y gaseosos no deben superar valores límite
de temperatura, pH ó concentración)


TÉRMINOS EMPLEADOS EN
EL CONTROL DE PROCESOS


Sistema

 Es la combinación de componentes que actúan
conjuntamente y cumplen un determinado
objetivo.


Sistema

 Variable de entrada: es una variable del sistema tal que
una modificación de su magnitud o condición puede
alterar el estado del sistema.

 Variable de salida: es una variable del sistema cuya
magnitud o condición se mide.

 Perturbación: es una señal que tiende a afectar el valor
de la salida de un sistema. Hay perturbación interna y
externa.


Ejemplos de sistemas: Motor DC

 Variables de entrada

 Variables de salida

 Perturbaciones


Ejemplos de sistemas: Motor DC

 Variables de entrada
 Voltaje
 Variables de salida
 Velocidad de giro del
eje
 Posición del eje
 Perturbaciones
 Externa: par de carga
 Interna: temperatura
dentro del motor


Control

Métodos para conseguir que un conjunto de
variables ó parámetros del entorno tengan valores
pre-especificados


Sistema de control

 Un sistema de control es conjunto de elementos
necesarios para conseguir el objetivo de control


Ejemplo de sistemas con control

 Motor DC controlado por armadura

 Objetivo: velocidad o posición deseadas
 Variables de control: voltaje o intensidad de
armadura
 Perturbaciones: par de carga


Variable de proceso

 Son aquellas que pueden cambiar las
condiciones de un proceso.

 Por ejemplo:


Variable de proceso

 Son aquellas que pueden cambiar las
condiciones de un proceso.

 Por ejemplo:
 Presión
 Flujo
 Nivel
 Temperatura
 Densidad
 PH (acidez – alcalinidad)

Setpoint o punto de ajuste

 Valor al que se desea mantener una variable de
proceso

 Por ejemplo:


Setpoint o punto de ajuste

 Valor al que se desea mantener una variable de
proceso

 Por ejemplo:
 El nivel de un tanque no puede exceder 2 metros
=> setpoint=2 metros
 La temperatura de un proceso debe ser de 100°C
=> setpoint = 100°C


Variable controlada y manipulada

Variable controlada

Es la variable que se debe mantener o controlar
dentro de algún valor deseado.

Variable manipulada

Es la variable que se varía para mantener a la
variable controlada en el punto de control

Error

 Es la diferencia entre la variable controlada y el
setpoint o el punto de ajuste. Puede ser positivo
ó negativo.
 Ejemplo:
 variable controlada = 110°C
 Setpoint= 100°C
 Error=+10°C

El objetivo de cualquier sistema de control es
minimizar o eliminar el error

Otras variables

 Perturbación
Cualquier variable que ocasiona que la variable
controlada se desvié del punto de control

 Offset
Es una variación constante de la variable del
proceso respecto al setpoint


CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS
DE CONTROL

 Sistemas de control en lazo abierto
 Sistemas de control en lazo cerrado


Sistemas de control en lazo abierto

 Existen cuando la variable del proceso no es
comparada con el setpoint y se genera una
acción independiente de las condiciones de la
misma

 Por ejemplo:



 Existen cuando la variable del proceso no es
acción independiente de las condiciones de la
misma

 Por ejemplo:

Abrir la válvula de agua refrigerante a un proceso
en un intervalo de tiempo prestablecido
independientemente de la temperatura real.

Sistemas de control en lazo cerrado

 Existen cuando la variable del proceso es
acción que permite corregir cualquier desviación

 Por ejemplo:



 Suponga que esta sentado al frente de una chimenea en
una noche fría.
 Empieza a sentir frio, entonces lanza un leño al fuego
para aumentar la temperatura de la habitación.



 Una variable (temperatura) cayo por debajo del punto
de ajuste (su nivel de comodidad) y usted tomo
medidas para que el proceso retorne a la condición
deseada añadiendo mas leña al fuego.


Intercambiador de calor

 La corriente en proceso se calienta mediante vapor de
condensación
 El vapor se suministra al intercambiador de calor en
estado gaseoso, el cual cambia dentro del
intercambiador a estado líquido (condensado) y después
lo abandona.

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/heating-with-steam.html


Objetivo:
 Controlar la temperatura de salida del proceso
para mantenerla en el calor deseado



Objetivo:
 Controlar la temperatura de salida del proceso
para mantenerla en el calor deseado

1. Medir la temperatura de salida T(t)
2. Comparar T(t) con el valor que se desea Td
3. Decidir que se debe hacer para corregir
cualquier desviación



¿Qué variable del proceso permite corregir la
desviación de temperatura?



 Se puede usar el flujo del vapor para corregir la
desviación de temperatura
 Si T(t) < Td abrir la válvula para aumentar el flujo del
vapor
 Si T(t) > Td cerrar la válvula para disminuir el flujo
del vapor


Clasificación de los sistemas de
control a lazo cerrado
 Manuales: controlado por un operador humano


Clasificación de los sistemas de
control a lazo cerrado
 Automático: controlado por un dispositivo


Componentes del lazo de control

1. Elementos primarios o sensores:

Instrumento que está midiendo los cambio en el
proceso y reporta la medición de las variables del
proceso

Ejemplos:



1. Elementos primarios o sensores:

Instrumento que está midiendo los cambio en el
proceso y reporta la medición de las variables del
proceso

Ejemplos:
 Sensores de presión
 Tubos de flujo magnético
 Sensores de temperatura


2. Transductores y convertidores

Transductores : Dispositivos que convierten una
señal mecánica en una señal eléctrica

Convertidores: Convierten un tipo de señal en otra
Ejemplo: Corriente a voltaje --- análogo a digital



3. Transmisor o elemento secundario

Convierte la lectura de un sensor o transductor en
señales estándar para ser transmitidas



4. Controlador

Es un dispositivo que recibe los datos de los
instrumentos de medida compara esos datos con
el setpoint programado. Si es necesario le indica
al elemento final de control la acción correctiva.



5. Dispositivo corrector o elemento final de
control

Es quien actúa físicamente para cambiar la
variable manipulad. Por ejemplo una válvula o un
motor.


Operaciones básicas de un sistema de
control

1. Medición

2. Decisión

3. Acción


Control regulador y servocontrol

 Control regulador: son sistemas diseñados
para compensar las perturbaciones a la que
puede estar sometida la variable controlada

 Servocontrol: Son sistemas diseñados para
que la variable controlada se ajuste al valor del
setpoint


Señales de transmisión

 Señales que se usan para la comunicación
entre instrumentos de un tipo de sistema

 Por ejemplo:


Señales de transmisión

 Señales que se usan para la comunicación
entre instrumentos de un tipo de sistema

 Por ejemplo:

 Señal neumática o presión de aire: abarca entre 3 y
15 psi
 Señal análoga: toma valores entre 4 y 20 mA
 Señal digital o discreta: toma el 1 o el 0


Estrategias de control

 Control por retroalimentación o control feedback

 Control por acción pre-calculada o control
feedforward


Control por retroalimentación

 Es aquel que tiende a mantener una relación
pre-establecida entre la salida y la referencia
(setpoint), comparándolas y utilizando la
diferencia como medio de control.

Variable Perturbación
manipulada
Setpoint Error
Elemento final
Controlador Proceso
de control Variable
Controlada
Variable
Del proceso
Instrumento de medición


Control por acción pre-calculada

 Las perturbaciones se compensan antes de que
afecte a la variable controlada.

 Se miden las perturbaciones antes que entren al
proceso y se calcula el valor que se requiere de
la variable manipulada para mantener la
variable controlada en el valor deseado

 Se divide en: control manual feedforward y
control automático feedforward


Control manual feedforward

 La perturbación que entra al proceso es
detectada y medida por el operador del proceso.
 El operador modifica la variable manipulada por
una cantidad que reduzca al mínimo el efecto de
la perturbación

 Desventaja: Depende de gran medida del
operador y el conocimiento que tiene del
proceso


Control automático feedforward

 Se detecta y mide las perturbaciones que entran
al sistema luego los controladores feedforward
varían el valor de las variables manipuladas de
acuerdo a estas mediciones
Perturbación
Controlador
Setpoint

Proceso
Salida
Variable manipulada

Ejemplo del intercambiador de calor


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