Curso de instrumentacion p&id

01 Introducción.doc 1
1. Instrumentación y Control (Automático) de Plantas Químicas
1. Introducción al Control Automático_______________________________ 1
1.1. La Asignatura ___________________________________________________________________________________________________ 2
1.2. Objetivos del Control _____________________________________________________________________________________________ 5
1.3. Idea de Control __________________________________________________________________________________________________ 8
1.4. Características del Control _______________________________________________________________________________________ 10
1.5. Historia _______________________________________________________________________________________________________ 12
1.6. Los Componentes del Sistema de Control___________________________________________________________________________ 18
1.6.1. El Proceso ________________________________________________________________________________________________________________ 22
1.6.2. Objetivos _________________________________________________________________________________________________________________ 23
1.6.3. Sensores _________________________________________________________________________________________________________________ 24
1.6.4. Los actuadores_____________________________________________________________________________________________________________ 25
1.6.5. Comunicaciones____________________________________________________________________________________________________________ 26
1.6.6. El cómputo ________________________________________________________________________________________________________________ 27
1.6.7. La arquitectura y las interfaces ________________________________________________________________________________________________ 28
1.6.8. Algoritmos utilizados ________________________________________________________________________________________________________ 32
1.6.9. Influencia de las perturbaciones e incertidumbres__________________________________________________________________________________ 34
1.6.10. Coherencia_______________________________________________________________________________________________________________ 34
1.6.11. Análisis de Costos _________________________________________________________________________________________________________ 34
1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto ______________________________________________________________________________________ 35
1.8. El Control como Rama de la Ingeniería _____________________________________________________________________________ 39

1.1. La Asignatura
Nombre: 76.56 Instrumentación y Control de Plantas Químicas
Créditos: 10 (10 horas semanales)
Docentes: Aníbal Zanini e-mail: azanini@fi.uba.ar
Matías Segal
Manuel Remer
Nicolás Galanternik
Sergio Hanela
Horarios: Teoría: Viernes de 18 a 22 hs
Práctica: Lunes de 18 a 22 hs

Metodología: Teórico práctico con prácticos en computadora y planta
Modalidad:
La materia se evalúa mediante:
- un parcial dividido en dos partes a mediado y fin del cuatrimestre
- un trabajo práctico de simulación
- un coloquio integrador final
- El parcial y el trabajo práctico no tienen nota sino que estarán aprobados o des-
aprobados.
- Cada parte del parcial tendrá un recuperatorio.
- Existe un último recuperatorio, que se puede utilizar para aprobar una de las partes
del parcial
- La nota final será la del coloquio integrador.
- Para estar apto para el coloquio se deben tener aprobada las dos partes del parcial
y el Trabajo Práctico.
- La fecha límite de entrega del Trabajo Práctico es una semana antes del último re-
cuperatorio.
- Se deberá tener un 80% asistencia a las clases prácticas

Página: http://materias.fi.uba.ar/7609/
Bibliografía básica:
- Chemical Process Control - Stephanopoulos,G.Prentice-Hall,1988
- Control Automático de Procesos - Smith-Corripio, Limusa,1991
- Control System Design. Goodwin, G. C., Salgado M.E., y Graebe S. F.. Prentice
Hall, 2001.
- Ingeniería de Control Moderna - Ogata, K., Prentice-Hall. 2002
- Process Control - Harriot, P., McGraw-Hill.
- Teoría de Control para Procesos Industriales – Zanini, A. AADECA - 2006
- Apuntes de Clase – ver página web de la materia.

1.2. Objetivos del Control
u
r
G
y
sd


ed


Hacer que la salida (y) sea lo más próxima posible a una referencia (r) calculando
una señal de entrada (u).
Se debe cumplir esto independiente de
- ed perturbaciones de entrada
- sd perturbaciones de salida
- ˆG imprecisión en el conocimiento de la planta ( ˆG G )

 e sy G u d d   [1.1]
Ejemplo:
"mantener el caudal de salida de una bomba teniendo en cuenta variaciones de fric-
ción del fluido con la temperatura, variaciones del caudal de entrada, una medición
poco precisa y que no se conoce exactamente las características de la bomba"

 e sy G u d d   [1.3]
 y s
 G s
 r s
 1
G s
 u s
 y s
 G s
 r s
 K s
 u s
 e s
 ed s  sd s

1.3. Idea de Control
Bases de nuestro curso:
Necesidad del conocimiento del sistema o proceso a controlar
Estudio de técnicas para el control, especialmente dinámico.
Cantidad muy grande de sistemas controlados en forma automática:
Sistemas diseñados por el ser humano:
“La Tecnología Oculta”
control de velocidad, posición, nivel, temperatura
En seres vivos
control de presión de sangre, temperatura, cantidad de azúcar, diámetro de
pupilas.
Control con realimentación: caso especial.
ejemplo heladera o caldera

Históricamente se utilizaba el control automático para reemplazar tareas humanas
Hoy es usado para:
- aumento y constancia (repetitibilidad) en la calidad
- mejor rendimiento
- menor desperdicio y reprocesado de productos
- menos contaminación
- mayor margen de seguridad
- menor consumo de energía
Reducción de 2-10% en los costos operativos representan un monto anual muy
importante.

1.4. Características del Control
- Control con Realimentación
Se usa para:
- Regulación: controlar un sistema para mantener una condición inicial o estado ce-
ro
- Seguimiento de referencia: el sistema debe seguir una trayectoria con cierta espe-
cificación. Muy común en sistemas mecánicos
- Rechazo de perturbaciones: el sistema debe ser inmune a variaciones de carga u
otro tipo de cambios. Común en control de procesos.
- Generalmente se necesita una combinación de todas llegando a un compromiso.
- El conocimiento del procesos es la clave para la solución de los problemas de con-
trol
- Utilizar la lógica para analizar los problemas
- Describir los procesos en diagramas de bloques y modelos
- La técnica de diseño del control (Ziegler-Nichols, LQG, H ) es de relevancia secun-
daria.

- Estabilidad
un sistema es estable cuando es atraído y permanece en un punto de equilibrio
- Estabilidad marginal
el sistema tiene una oscilación sostenida
- Inestabilidad
- el sistema tiene una oscilación creciente o crece constantemente
- El control puede
- estabilizar un sistema inestable o marginalmente estable
- desestabilizar un sistema estable
- mejorar la velocidad de respuesta
- reducir el efecto de las perturbaciones
- reducir el efecto de las incertidumbres

1.5. Historia
- Control de nivel
Sensor y actuador coinciden

- Control de Temperatura (1620)

- Control de Velocidad de Rotación (1788)
se utilizan como sensor de velocidad - varían la salida de vapor

La industria moderna cuenta con sofisticados sistemas de control que son crucia-
les en su operación.
Planta de Reducción Directa

La Ingeniería de Control ha tenido, y tiene, un fuerte impacto social.

- Teoría
J.C. Maxwell – 1868 – On Governors – ecuaciones diferenciales, linealización, es-
tabilidad, ecuación característica.
E. J. Routh – 1877 – gana premio Adams con su criterio de estabilidad.
A. M. Lyapunov – 1892 – estabilidad (recién se utilizó en control a partir de 1958)
H. Nyquist – estabilidad en frecuencia
H. W. Bode (1945) amplificadores realimentados – análisis frecuencial – impacto
de las comunicaciones
Callender (1936) PID para procesos industriales
Wiener (1930) procesos estocásticos
Kalman y Bellman 1950 – optimización y filtrado
Pontryagin – variables de estados (edo) control óptimo
Moscu – 1960 – nace IFAC
AADECA – Argentina – 1960 - miembro fundador de IFAC

1.6. Los Componentes del Sistema de Control
Automatización Típica
- nivel proceso

Nivel Planta

PDY
1305
TY
1928
TIC
1928
TT
1928A
TT
1928B
HS
1928
PSL/L
1322A
FS 1320B
FS 1320A
100561
PCV
1322B
PSL/L
1322B
100563
PSH/H
1322
100562
FT
1322
PCV
1322A
SV
1322A
SV
1322B
SV
1322C
FT
1924B
PCV
1323
SV
1323A
SV
1323B
SV
1323C
PSH/H
1323
100403
PSL/L
1323B
100404
FY
1924
HIC
1924B
FS
1309
Temp.
Techo
TY
1903
TT
2308/1
TIC
2308/A1
TY
2308A
TY
2308B
TT
2308/11
TT
2308/29
TT
2308/2
<
TT
2308/30
TT
2308/12
<TV
2308B
TV
2308A
HV
2309
HV
1309A
PY
1918
PIC
1918
PT
1918
FT
1923B
PV
1918
Top Gas
Scrubber
FS-1303
HV
1307
FV
1921B
AV
1912
FT
1921A
FIC
1921B
FT
1921B
FY
1921B
FFY
1921
FT
1312A
FIC
1921A
AY
1912
AIC
1912
HS
1912
HIC
1307
FS
1304-2
FS
1305
FS
1304-1
PDT
1304/1
PDT
1304/2
PT
1304/1
TT
1304/1
PT
1304/2
TE
1304/2
By
Pass
By
Pass
PDT
1305
PT
1305
TT
1305
By
Pass
By
Pass
Silencer
1304-2
Silencer
1304-1
Silencer
1305
FV
1919A
FY
1921
PT
1919
SV
xxxx
SV
xxxx
Reformed
Gas Cooler
FS-1315
HY
1914A
HV
1914A
TY
1914B
TV
1914B
TT
1914B
TT
1914A
HIC
1914A
TIC
1914B
FT
1939
HV
1938
FY
1938
HIC
1938
AV
1937
AY
1937
AIC
1937
HS
1937
AT
1912A
[CO2]
Cooling
Zone
Scrubber
FS-1314
FS
1313
Silencer
1313 Cooling
Zone Mist.
Eliminator
FS 1327
PDT
1313
PT
1313
TT
1313
FV
1914C
FY
1914C
FIC
1914C
FT
1914C
TIC
2308/A2
TIC
2308/B1
TIC
2308/B2
PDY
1304
PDIC
1304/1
PDIC
1304/2
Auxiliary Burners
Main Burners
AT
1912C
[CO2]
AT
1937A
[CH4 ]
AT
1937B
[CH4 ]
FV
1933
FY
1933
ZS
1933
TE
1949
FT
1933
AT
1979
[CO]
FIC
1933
FIC
1978
FY
1978
FV
1978
FT
1978
Gas Reformado
GasReductor
AT
1988
[H2]
AT
1913B
[CH4]
AT
1913A
[CH4]
Gas de Tope
Gas de Tope
Combustible
Gas de
Proceso
Gas Mezcla
AT
1902
PT
1980A
AT
2332-1
[O2]
AT
2335-1
[CO]
AT
2335-3
[CO]
AT
2332-2
[O2]
AT
2335-2
[CO]
AT
2332-4
[O2]
AT
2335-4
[CO]
AT
2332-5
[O2 ]
AT
2335-5
[CO]
P & I Proceso
Reduccion Directa
PV
2333
FS
1333
PY
2333
PT
2333A
PT
2333B
PIC
2333
FT
2003
TE
2003
FIC
2003
PT
2003
FY
2003
SV
2003
N2
O2
FIC
1979
FY
1979
FV
1979
FT
1979
PT
1915B
PT
1980F
PT
1915A
TT
1917/7C
TT
1917/7B
TT
1917/7A
TT
1948C
FT
1921C
FT
1302
SV
1302B
SV
1302A
SV
1302C
TE
1302
PT
1302
CH4
PC 1918
PDC 1304-1
PDC 1304-2
PC 1919
FC 1921A
AC 1912
HC 1307
FC 1921B
Gas de Proceso
TC 1914B
HC 1914
AC 1937
FC 1938
FC 2003
Gas Reformado
FC 1914C
FC 1933
Gas
Enfriamiento
FC 1978
Gas Natural a
Horno Reductor
FC 1979
TC 1903
Reformador
FC 1924
TC 2308-A1
Recuperador
TC 2308-A2
FC 1934
FC 1309
TC 1928
PC 2333
TC 2308-B1
TC 2308-B2
Auxiliary Blowers
Main Blower
Aire de Dilucion
Aire y Gas
Natural a Gas
de Sello
Aire Secador
Gas de Sello
Gasde Sello
[CO2]
300223300183
300335
300336 300092
300225
300226 3xxxxx
300109
300106 300093
300222300245
300270
300202
300262
300403
300242 300263
A1
G1
H1
Humos a
Gas de Sello
FT
1915
HY
1915
HV
1915
HIC
1915
ZT
1915
FV
1914D
FY
1914D
FIC
1914D
FT
1914D
TC 1915
FC 1914D
Plano: 01 PI 1001
Automático
Manual
TV
1928
Variable de control
Control en PLC
TV
1924A
HV
1924B
FIC
1934
FY
1934
HIC
2309
FV
1934
HS
1925
FIC
1309
FY
1309
HV
1919
HIC
1919
relacionador
1:8
FY
1919
300256
METANO A GAS
REFORMADO300257
Adición CH4
a zona de
enfriamiento
300390
Adición CH4
a zona de
transición
300255
300013
300014
temp
humos
temp
humos
HV
1928
300290 300291
temp
aire
recuper
temp
aire
recuper
300015
300016
400003
300198 300199
Reciclo FS-1313
(Gas Enfriamiento)
Gas de Enfriamiento
a Gas Reformado Frío
Gas Enfriamiento a
Gas de Proceso
Caudal de
Oxígeno
Venteo
Gas de Tope
Combustible
Control Presión Sistema
Presión Diferencial
Compresores
Primera Etapa
Presión Diferencial
Compresor
Segunda Etapa
Caudal
Gas de Proceso
(Fino)
Caudal
Gas de Proceso
(Grueso)
Caudal Gas Natural
a Proceso (Grueso)
CO2 en Gas
Reformado
(Caudal CH4)
Presión Horno
Reformador
Caudal
Aire
Dilución A
Caudal
Aire
Dilución B
Temperatura
Gas Reductor
Temperatura
Combustión
Auxiliar
Temperatura
Combustion
Principal
300009
300010
Caudal
Gas de
Proceso
Caudal CH4
a Quemadores
Principales
Damper 1309
Bloqueo
Aire
Dilución
Caudal Aire
a Combustión
Principal
300153
300376
300258
300145 300151
300021
300152
AT
2332-3
[O2 ]
300020
300019
400001
400002
Caudal Control
de Temperatura
Gas Reductor
Adición de Metano a
Gas Reductor(Grueso)
Adición de Metano a
Gas Reductor(Vernier)
FV
2003
PDV
1304
PDV
1305
HV
1305
HV
1304
SV
2003A
SV
2004
SV
2003B
SV
2003C
PT
1323A
PT
XXXX
ZSO
1932A2
ZSO
1932A1
ZSC
1322C
10/1
ZS
1309A
FT
1322A
HV
2307
000244 000244
000249
TIC
1924A
FT
1934
PT
1323A
300204
FIC
2003

El éxito en la ingeniería de control está en la visión multidisciplinaria (holística) del
problema. Algunos elementos que intervienen son los siguientes:
- El proceso a controlar
- Los objetivos buscados
- Los sensores disponibles o a utilizar para acceder a las variables a medir
- Los actuadores
- Las comunicaciones
- El cómputo
- La arquitectura y las interfaces
- Algoritmos utilizados y modelos
- La influencia de las perturbaciones e incertidumbres

1.6.1. El Proceso
Proceso: grupo de elementos interactuantes que le dan al conjunto (o sistema) de-
terminadas cualidades dinámicas o temporales.
Proceso y sistema: proceso es un sistema, pero en el que sus elementos pueden
ser solo materia, energía o información.
El proceso cambia de instante a instante pasando de un estado a otro.
Variables de salida: variables que reflejan el estado de un proceso (accesibles).
Variables de control: elementos que afectan el comportamiento o estado del pro-
ceso y pueden ser comandadas por nosotros
Perturbaciones: elementos que afectan el comportamiento o estado del proceso y
no pueden ser comandadas por nosotros
La disposición y las funciones de cada elementos de un proceso (layout) es una
parte fundamental del problema de control.
El ingeniero de control debe tener una relación familiar con la física del proceso
en estudio.
Esto incluye un conocimiento básico de los balances de masa y energía y los flujos
de materiales o energía en el sistema.

1.6.2. Objetivos
Antes de especificar sensores y actuadores, o de diseñar estrategias de control es
necesario definir cuál es el objetivo a alcanzar con el proyecto de control. Esto incluye:
- Qué se quiere alcanzar (reducción de energía, aumento del rendimiento, etc).
- Qué variables se necesitan controlar para lograr esos objetivos
- Qué comportamiento se necesita (precisión, velocidad, etc)

1.6.3. Sensores
Los sensores son los ojos del control. Permiten ver qué está pasando. Común-
mente se dice:
- Si lo puedes medir, lo puedes controlar o,
- No se puede controlar lo que no se puede medir

1.6.4. Los actuadores
Una vez definidos los sensores que reportarán el estado del proceso, el paso si-
guiente es definir la forma en que afectaremos o actuaremos sobre el sistema.
Los actuadores son los elementos que moverán el proceso del estado actual hacia
el estado deseado.
Un problema típico de control industrial involucra una serie muy variada de actua-
dores

1.6.5. Comunicaciones
La interconexión de los sensores, actuadores y el resto de elementos, involucra
un sistema de comunicaciones.
Una planta industrial puede tener miles de señales que se envían a grandes dis-
tancias.
El diseño del sistema de comunicación y sus protocolos asociados toman una re-
levante importancia en la ingeniería de control moderna.

1.6.6. El cómputo
En un sistema de control moderno, la conexión entre sensores y actuadores se
hace a través de un elemento de cálculo digital.
Este elemento digital o computador es parte del diseño global.
Los sistemas de control actuales utilizan una gran variedad de elementos digitales,
incluyendo DCSs (distributed control systems), PLCs (programmable logia controllers),
PCs (personal computers), PECs (power electronic controllers), etc.

1.6.7. La arquitectura y las interfaces
El problema de conectar qué cosa con qué otra no es algo trivial en el diseño del
sistema de control.
Uno está tentado a pensar que la mejor solución es llevar todas las señales a un
punto central. En ese caso cada acción de control estará basada en la máxima infor-
mación (esto es lo que se llama control centralizado).
Rara vez, esta es la mejor solución en la práctica.
Hay muchas buenas razones por las que no sería conveniente llevar todas las se-
ñales a un único punto. Estas razones incluyen costo, complejidad, tiempo de cómpu-
to, confiabilidad, etc.

- Control Jerárquico Típico

Nivel Descripción Objetivo Frecuencia de muestreo Herramienta de diseño
4 Optimización de toda la
planta
Conjugar órdenes de
compras con programa-
ción de la producción
Una vez al día Optimización estática
3 Optimización del estado
estacionario en una uni-
dad operativa
Operación eficiente de
una unidad individual (por
ejemplo línea de CND)
Cada hora Optimización estática
2 Control dinámico en una
unidad operativa
Lograr los presets o valo-
res de referencia impues-
tos por el nivel 3 lo más
rápido posible e indepen-
diente de las condiciones
operativas
Cada minuto Control multivariable, por
ejemplo control predictivo
basado en modelos
1 Control dinámico de los
actuadotes
Alcanzar los caudales o
temperaturas especifica-
das en el nivel 2 manipu-
lando válvulas, motores,
etc.
Cada segundo Control individual por va-
riable, por ejemplo PID

1.6.8. Algoritmos utilizados
Finalmente, llegamos al corazón de la ingeniería de control: los algoritmos que co-
nectan los sensores con los actuadores.
Es fácil de subestimar este aspecto del problema.
Un ejemplo es el juego de tenis al máximo nivel internacional. Se necesita buena
vista (los sensores), músculos fuertes (actuadores), pero esto no es suficiente. La co-
ordinación ojo-brazo (esto es el control) es crucial también para el éxito.
- Mejores sensores, dan una mejor visión
- Mejores actuadores, dan mejores músculos
- Mejor control, da una mayor destreza y combinación más inteligente de los sensores
y los actuadores.

La industria tiene músculos y ojos
El control brinda la destreza para manejar esos músculos

1.6.9. Influencia de las perturbaciones e incertidumbres
La ciencia del control se hace interesante porque los procesos reales están per-
turbados por fenómenos no contemplados o no controlados.
Estos factores pueden tener una influencia muy importante en el comportamiento
del sistema.
Ejemplos: la variación de la carga en un horno de TT o las olas del baño en un
EAF.
1.6.10. Coherencia
La bondad del sistema de control en su conjunto, está dada por la calidad del es-
labón más débil.
Al diseñar un sistema de control se debe pensar en que todos los elementos, plan-
ta, sensores, actuadotes, comunicaciones, interfaces, algoritmos, sean de una preci-
sión y calidad comparable.
1.6.11. Análisis de Costos
Debemos tener presente que todo proyecto de automatización y control, como to-
do otro proyecto, debe estar justificado económicamente.
Esto requiere un análisis de costo-beneficio

1.7. Lazo Cerrado y Lazo Abierto
- Lazo Abierto
más estable
adecuado cuando se conoce el sistema y las perturbaciones de antemano
necesita menos potencia
más económico

- Lazo Cerrado

Usa realimentación
menos sensible a perturbaciones
tendencia a sobre corregir errores y a inestabilizar el sistema

1.8. El Control como Rama de la Ingeniería
- No es fácil controlar un proceso
- La entrada afecta a la salida pero la salida afecta la entrada
- Es fácil y barato obtener un control de bajo rendimiento
Un control de alto rendimiento es caro y requiere:
- conocimiento acabado del proceso
- conocimiento de su dinámica
- comprensión de la teoría de control
- buenos sensores
- computadoras rápidas
Muchas veces no se sabe cuánto cuesta pasar de un control simple a uno más so-
fisticado

- ¿Cuáles son los impedimentos para lograr un buen control?
 Hardware (no es un problema)
- comunicaciones rápidas
- velocidad de procesamiento
- flexibilidad
- software amigable
 Sensores y Actuadores ( sí es un problema)
- muchas veces no se comprende lo importante que es esto
- a veces no existen sensores
- o son muy lentos
 Tiempo (si)
- se necesita muchas horas hombre calificadas para estudiar el problema
- diseño, implementación, ajuste es tiempo calificado

 Cultura (si)
- Nivel gerencial
o hay que demostrar que se gasta 100K$ para ahorrar 500K$/año
o es difícil cuantificar y clasificar el beneficio
o los gastos en control no se ven (algoritmos, líneas de código, teoría)
- Gente de Proceso y Control
o el control no es fácil
o se debe pensar más allá del pensamiento actual
o a veces las herramientas de diseño no son fáciles de usar
- Operadores
o el nuevo control no te va a echar, te va a hacer la vida más fácil
o hay que hacer las cosas diferentes para conseguir mejores resultados
- Docentes
o ir más a la práctica
o unir la teoría sofisticada con la aplicación

El ingeniero de control está pasando de diseñar controladores
a diseñar procesos

Beneficios del Control
- Baja escala: mejoras de bajo costo para muchos reguladores de bajo nivel
o gasto en educación básica de control
o gasto de horas-hombres de personal de control y procesos
- Alta escala: cambios costosos para pocos lazos pero con un alto rendimiento.
o regulación compleja
o supervisión
o optimización
- Recordar: hay que cuantificar los beneficios!!
- Cálculo de la tasa de retorno. Deseable: < a un año

- ¿Cómo abordar un problema de control complejo?
- Conformar un equipo de trabajo
o multidisciplinario: procesistas, controleros, instrumentistas, operadores,
gerentes.
- - Definir la situación actual:
o ¿qué comportamiento exactamente tenemos hoy en día? ¿cómo lo medi-
mos?
- Listar las mejoras a introducir
o ¿cuál es la mínima mejora aceptable?
- Cuantificar los beneficios
o ponerlos en cifras $$
o calcular la tasa de retorno
- Elegir un método de diseño y solución acorde
o hay muchos para elegir
o el método en sí no influye en el costo pero puede traer dolores de cabeza
- Implementación

o pensar en una rápida prototipación para reducir costos y tiempo
o pensar en herramientas para depuración (graficación, acceso a variables)
- Verificación de resultados
o importante para futuros proyectos
o escribir todo
o hacerlo circular entre gerentes y supervisores

La industria tiene músculos
El control brinda la destreza para manejar esos músculos

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