CFGM En Planta Química – UDT 1 – PDF

CFGM EN PLANTA QUÍMICA MÓDULO: CONTROL DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES (2º PQ) PROFESOR: JOSÉ FDEZ. CLASROOM: jytlkrp 24/25 1  MÓDULO: CONTROL DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES. UDT 1.- CONTROL EN LA INDUSTRIA...

CFGM EN PLANTA QUÍMICA MÓDULO: CONTROL DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES (2º PQ) PROFESOR: JOSÉ FDEZ. CLASROOM: jytlkrp 24/25 1  MÓDULO: CONTROL DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES. UDT 1.- CONTROL EN LA INDUSTRIA DE PROCESOS 2  GUION 1.INTRODUCCIÓN. ¿QUÉ ES UN SISTEMA? 2.LAZO O SISTEMA DE CONTROL 3.ETAPAS DE ACTUACIÓN DE UN LAZO DE CONTROL 4.TERMINOLOGÍA BÁSICA EN UN SISTEMA DE CONTROL 5.TIPOS DE LAZO DE CONTROL A. LAZO DE CONTROL ABIERTO. B. LAZO DE CONTROL CERRADO. C. VENTAJAS Y DESVENTAJAS. 6. ELEMENTOS DE LOS LAZOS DE CONTROL. A. SENSORES. B. CONTROLADORES. C. ACTUADORES. D. REGISTRADORES. 3 1.INTRODUCCIÓN - ¿QUÉ ES UN SISTEMA? DEFINICIÓN: de manera sencilla, podemos definir un sistema como una ESTRUCTURA compuesta por DISTINTOS ELEMENTOS que pueden ser de origen natural o artificial que permiten su funcionamiento. “El Sistema informático de un ordenador”. Este es un ejemplo de sistema de origen artificial. EJEMPLOS: El ordenador está compuesto entre otras cosas por un conjunto de elementos que permiten el funcionamiento del mismo “Nuestro Sistema Circulatorio”. Este es un ejemplo de sistema de 4 origen natural. “La Ducha”. Otro ejemplo de sistema de origen artificial.  Lo podemos aplicar a cualquier rama:  Ingeniería “Tanque de agua  Industria que distribuye el  Salud agua a distintos puntos de la casa”  etc.  Ejemplo de la “DUCHA”: “Tanque de agua que distribuye el agua a distintos puntos de la casa”. ¿CUÁLES SON LOS ELEMENTOS DE NUESTRO SISTEMA “DUCHA” 5  Nuestro SISTEMA DUCHA va a estar compuesto por los siguientes elementos principales:  El TANQUE.  El conjunto de TUBERÍAS que distribuyen el agua (tanto fría como caliente).  Las VÁLVULAS (comúnmente llamadas grifos). TÉCNICAMENTE, ¿CÓMO REPRESENTAMOS UN SISTEMA?  Un sistema consta de las siguientes partes:  El SISTEMA propiamente dicho.  ENTRADAS: algo que perturba (produce cambios) en el sistema.  SALIDAS: resultados que se obtienen como consecuencia de las perturbaciones que ocurren en un sistema debido a las entradas. 6  ENTRADAS SALIDAS SISTEMA ¿CÓMO SERÍA EN NUSTRO SISTEMA DE LA DUCHA?  El SISTEMA: en este caso estaría formado por el tanque, las tuberías y las válvulas.  La ENTRADA: algo que perturba el sistema para que salga el agua desde el tanque  válvula accionada a través de la manivela del grifo.  ¿QUÉ CONSEGUIMOS CON ESTO?  que el sistema esté siendo perturbado por una entrada (válvula)  producen cambios en el sistema (agua del tanque, tuberías, etc).  La SALIDA: es el resultado que se obtiene como consecuencia de las perturbaciones que ocurren en un sistema debido a una entrada. En nuestro caso, el resultado es el flujo de agua que sale por la alcachofa 7 de la ducha y nos permite comenzar la ducha.  ¿CÓMO REPRESENTARÍAMOS NUSTRO SISTEMA DE LA DUCHA? ENTRADA SALIDA (válvula [grifo]) SISTEMA (flujo de agua) (tanque de agua + tuberías) Un SISTEMA NO TIENE por qué tener el MISMO NÚMERO DE ENTRADAS que de SALIDAS. Así, podemos encontrarnos.  Igual número de entradas que de salidas.  Más entradas que salidas (por ejemplo, en nuestro caso de la ducha, que existiese una válvula para el agua fría y otra para el agua caliente, tendríamos que regular ambas para que saliese agua a la temperatura requerida). 8  Más salidas que entradas.  Ejemplo 2: “Invernadero. Objetivo: mejorar el crecimiento de las plantas” ENTRADAS:  Pulverizador (entrada 1): controla la cantidad de agua (humedad) que tendrá el invernadero (la Tª también controla la humedad del invernadero).  Calefactor (entrada 2): controla la temperatura (Tª) del invernadero. SALIDAS: Humedad (salida 1) y temperatura (salida 2) son dos variables que van a permitir alcanzar nuestro objetivo, hacer crecer a las plantas. ENTRADA 1 SALIDA 1 (pulverizador) SISTEMA (humedad) (invernadero con plantas) ENTRADA 2 SALIDA 2 9 (calefactor) (temperatura)  TÉCNICAMENTE, ¿CÓMO DEFINIRÍAMOS UN SISTEMA? Conjunto de dispositivos que presenta unas entradas que van a administrar, dirigir, ordenar, regular, etc) el sistema con el fin de reducir o minimizar al máximo las probabilidades de fallo del sistema (errores) y provocar unas salidas para poder obtener los resultados esperados. 2. SISTEMA O LAZO DE CONTROL. Es un grupo de componentes (electrónicos, mecánicos, neumáticos, hidráulicos, etc.) que se utilizan en conjunto para lograr un objetivo deseado. Es decir, que, a partir de un OBJETIVO DE CONTROL FIJADO, el SISTEMA DE CONTROL actúe sobre el sistema que se va a controlar de forma que la SALIDA de éste se ajuste al objetivo de control. 10  ¿CÓMO REPRESENTARÍAMOS UN SISTEMA O LAZO DE CONTROL? PERTURBACIONES OBJETIVO DE SISTEMA DE ENTRADA 1 SISTEMA SALIDA 1 CONTROL CONTROL que se va a controlar AJUSTE “A partir de un OBJETIVO DE CONTROL FIJADO, el SISTEMA DE CONTROL actúe sobre el sistema que se va a controlar de forma que la SALIDA de éste se ajuste al objetivo de control” 11 3. ETAPAS DE ACTUACIÓN EN UN LAZO DE CONTROL. Principalmente tenemos TRES: A. ETAPA 1: medir la variable de salida que se desea controlar. B. ETAPA 2: decidir a partir de la comparación entre el valor real que se ha medido y el valor u objetivo de control. C. ETAPA 3: actuar sobre el sistema que se va a controlar en función del resultado de la comparación. 1. MEDIR 2. DECIDIR 3. ACTUAR ACTUAR MEDIR OBJETIVO DE SISTEMA DE ENTRADA 1 SISTEMA SALIDA 1 que se va a CONTROL CONTROL controlar DECIDIR 12 AJUSTE 4. TERMINOLOGÍA BÁSICA DE UN SISTEMA DE CONTROL. A. SET POINT (VARIABLE DE REFERENCIA [W] O PUNTO DE CONSIGNA): es el valor deseable de la variable regulada (el objetivo que queremos). Ésta puede ser:  Constante: lo más habitual  Variable con el tiempo. B. ENTRADA: señal que viene desde el set point y que va hacia el controlador. C. CONTROLADOR: elemento que va a actuar sobre el ACTUADOR. A la señal o salida del controlador se le denomina VARIABLE MANIPULADA (Y o MV) y es quien manipula las señales del actuador. D. ACTUADOR: recibe las órdenes del controlador y modificará en el caso 13 de que fuera necesario el SISTEMA. E. SALIDA O VARIABLE CONTROLADA (VC): es el resultado final del sistema de control. Deberá ser chequeada para saber si cumple con el objetivo (set point). Para ello se usa el SENSOR, que mide la variable controlada y envía una señal hacia el COMPARADOR que lo que hace es comparar entre la VC y el set point. Llegados a este punto, pueden ocurrir dos cosas:  Que la señal de la variable controlada (salida) y el set point sean IGUALES. En este caso, el proceso es correcto. Puede o continuar o finalizar según se necesite.  Que la señal de la VC y el set point sea DISTINTA. En ese caso, es necesario que controlador envíe una señal (variable manipulada) al ACTUADOR para que este ejecute los cambios y la variable controlada (salida) cumpla con el objetivo marcado (set point) 14  F. PERTURBACIÓN: cualquier cosa que altere la variable manipulada o la variable controlada (salida). Esta variable perturbadora puede ser:  Interna: dependen del propio sistema y pueden deberse al mal funcionamiento del sistema.  Externa: ajenas al sistema. G. ERROR: es el resultado de comparar la VC con el set point. No siempre existe. ¿CÓMO REPRESENTARÍAMOS ESTE LAZO DE CONTROL CON TODOS LOS ELEMENTOS QUE HEMOS VISTO?: PERTURBACIÓN COMPARADOR SET ERROR POINT +- CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC 15 SENSOR  ¿CÓMO REPRESENTARÍAMOS NUESTRO EJEMPLO DE LA DUCHA COMO UN LAZO DE CONTROL?: ENTRADA SALIDA (válvula grifo) SISTEMA (flujo de agua) (tanque de agua + tuberías) “no es lo mismo calentar agua en pleno invierno (es más complicado) que en PERTURBACIÓN verano” Tª AMBIENTE SET POINT COMPARADOR CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC Tª PERSONA ERROR PERSDONA QUE SE VÁLVULAS DE TANQUE DE AGUA, Tª DEL AGUA CALIENTE Y TUBERIAS, AGUA QUE SE ESTÁ ESTÁ DUCHANDO FRÍA VÁLCULAS, ETC AGUA DUCHANDO 27ºC SENSOR 16 PERSONA QUE SE ESTÁ DUCHANDO 5. TIPOS DE LAZOS DE CONTROL. La existencia de diferentes lazos de control se debe a si está presente en el lazo de control unos de los elementos que ya hemos visto, el SENSOR. Recordemos que el sensor medía la VC y enviaba una señal al comparador para detectar si point set y VC coinciden y se cumple con el objetivo. Así, podemos tener: A. LAZO DE CONTROL ABIERTO.  Su principal característica es la AUSENCIA de sensor. B. LAZO DE CONTROL CERRADO O RETROALIMENTADO.  Su principal característica es la PRESENCIA de sensor. 17  LAZO DE CONTROL ABIERTO Un sistema de control de lazo abierto se caracteriza por que no recibe ninguna información o retroalimentación sobre el estado de la variable.  NO tiene SENSOR. ¿CUÁLES SON LOS ELEMENTOS DE ESTE TIPO DE LAZOS DE CONTROL? PERTURBACIÓN SET CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC POINT En este sistema, tenemos un objetivo (set point) que se ejecuta en nuestro sistema, cuando se produce la salida (VC). Como no dispone de un sensor, el sistema no sabe si el resultado final (la salida o variable 18 controlada) cumple con el objetivo.  VEAMOS UN EJEMPLO DE SISTEMA DE LAZO ABIERTO  LAVADORA SET POINT VC SU SALIDA SERIA UNA ELEGIR QUE VEZ FINALIZADO EL QUEREMOS QUE PROGRAMA EL ACABAR HAGA LA LAVADORA EL LAVADO (EL PROGRAMA DE LA LAVADORA LAVADO) ES NUESTRO SISTEMA En este ejemplo, la lavadora no sabe nunca si la ropa ha acabado su lavado con el resultado que nosotros queríamos, por ejemplo:  Si se nos ha olvidado echar el detergente, la lejía, el suavizante, la lavadora habrá ejecutado el programa completo, pero no habrá lavado la ropa, simplemente la habrá enjuagado.  Si falla el conducto de entrada de agua fría, caliente o ambos, tampoco se produciría un lavado correcto, pero la lavadora inicia y 19 acaba el programa igualmente.  Otros ejemplos: “Un microondas o una tostadora” Al hacer una tostada, se coloca el tiempo que suponemos suficiente para que el pan salga con el grado de tostado que queremos, pero la tostadora no puede decidir si ya está suficientemente tostado o no. ¿QUÉ CARACTERÍSTICAS TIENE UN SISTEMA ABIERTO?  Ser sencillos y de fácil mantenimiento.  La salida no se compara con la entrada.  Puede verse afectado por las perturbaciones. Estas pueden ser tangibles o intangibles.  La precisión depende de la previa calibración del sistema. Debe estar muy 20 bien calibrados para que la salida sea exacta y cumpla el objetivo.  LAZO DE CONTROL CERRADO Se caracteriza porque HAY una COMPARACIÓN ENTRE LA VARIABLE CONTROLADA (CV) y la de REFERENCIA (Set point). ¿CÓMO FUNCIONA?:  El CONTROLADOR se realimenta con el valor de la variable de salida gracias a que el SENSOR capta la señal de salida (VC) y la envía al comparador.  El COMPARADOR, calcula el error entre la variable de referencia y la de salida o controlada.  A partir del valor de este error el controlador envía una señal al ACTIVADOR para que minimice (igualarlo a cero) el error.  Permiten tener una gran sensibilidad a las perturbaciones. PERTURBACIÓN COMPARADOR SET ERROR POINT +- CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC 21 SENSOR  VEAMOS UN EJEMPLO DE SISTEMA DE LAZO CERRADO  AIRE ACONDICIONADO PERTURBACIÓN COMPARADOR SET ERROR POINT +- CONTROLADOR ACTUADOR VC variable Tª A 22ºC ELEGIR UNA manipulada Tª DE 29ºC EL APARATO DE AIRE ACONDICIONADO ES NUESTRO SISTEMA SENSOR En este ejemplo, queremos que la Tª del aire salga a 29º. Gracias a que la máquina tiene un sensor que mide la Tª ambiente y lo puede comparar con el set point (el objetivo nuestro es que esté a 29ºC), la máquina estará en funcionamiento mientras la Tª de la habitación no alcance los 29ºC que queremos. 22  SISTEMA DE LAZO ABIERTO PERTURBACIÓN SET CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC POINT SISTEMA DE CONTROL SISTEMA DE LAZO CERRADO PERTURBACIÓN COMPARADOR SET ERROR POINT +- CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC SENSOR 23 SISTEMA DE CONTROL  VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE AMBOS SISTEMAS DE CONTROL. SISTEMA DE LAZO ABIERTO  Son sistemas mucho menos costosos.  Son convenientes cuando la VC es difícil de medir.  Se necesita una muy buena calibración del sistema para cumplir el objetivo ya que el sistema no tiene retroalimentación del resultado final.  Cualquier perturbación provoca errores importantes en la VC (salida). SISTEMA DE LAZO CERRADO  Son sistemas mucho más costosos.  Requieren un mayor número de componentes.  Las perturbaciones les afectan menos ya que pueden modificar el sistema para cumplir con el set point. 24  Son muy exactos. 6. ELEMENTOS DE LOS LAZOS DE CONTROL. En este apartado vamos a estudiar un poco más en profundidad cada uno de los elementos que hemos ido nombrando en los lazos de control. Así, nos encontramos con: A. SENSOR. B. CONTROLADOR. C. ACTUADOR. D. REGISTRADOR. A. SENSORES DEFINICIÓN: es un dispositivo capaz de DETECTAR magnitudes físicas o químicas llamadas variables de instrumentación y TRANSFORMARLAS en variables eléctricas (una señal). En nuestro caso, siempre hemos hablado de una en concreto, la variable controlada (VC o salida). 25  ¿QUÉ TIPOS DE VARIABLES DE INSTRUMENTACIÓN SON LAS MÁS FRECTUENTES?  Pueden ser:  Temperatura.  Distancia.  Intensidad lumínica. OTRAS:  Aceleración.  Inclinación.  Presión.  Desplazamiento.  pH.  Fuerza. 26  ¿QUÉ TIPOS DE SEÑAL PROPORCIONAN LOS SENSORES?  Pueden ser:  DIGITAL.  ANALÓGICA. SENSORES DIGITALES  SEÑAL DIGITAL La proporcionan los sensores digitales que son los más sencillos. Los sensores digitales solo tienen dos estados de salida  el 0 y el 1, a veces también podemos encontrarlos como ON y OFF. Por ejemplo, los detectores de movimiento que enciende las luces, cuando detecta movimiento, se enciende la luz, cuando no hay movimiento se quedan apagadas. Las puertas que se abren automáticamente al detectar la presencia de personas también son un ejemplo. Los valores de 0 y 1 o de ON y OFF corresponden a “encendido” 27 y “apagado” SENSORES ANALÓGICOS  SEÑAL ANALÓGICA La señal analógica es la que producen los sensores analógicos. Los sensores analógicos son aquellos que, como salida, emiten una señal comprendida por un campo de valores que puede variar a lo largo del tiempo.  Por ejemplo: un termopar.  El termopar es un sensor que se usa para medir la temperatura. Por ejemplo, los llevan incorporados los hornos de casa. Al medir la Tª, esta puede cambiar constantemente, no con un valor de ON u OFF o de 0 o 1, si no que tiene muchos más valores. 28 29 30 B. CONTROLADORES DEFINICIÓN: es un instrumento que tiene como función mantener la variable controlada (salida o VC) lo más cerca posible del valor de la referencia (set point, objetivo), comparando constantemente ambos valores. ¿DÓNDE TIENE LUGAR TODO ESTO? “EN NUESTRO ESQUEMA HABITUAL, TODO ESTÁ ENMARCADO EN EL RECUADRO AZUL, HAY QUE TENER EN CUENTA QUE EL SISTEMA QUE CONTROLA EL LAZO, ESTÁ FORMADO POR SENSOR, COMPARADOR, CONTROLADOR Y PERTURBACIÓN ACTUADOR” COMPARADOR SET ERROR POINT +- CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA VC SENSOR 31 SISTEMA DE CONTROL  En base a esa comparación, calcula un ERROR (es la diferencia entre el valor medido (VC) y el valor deseado (set point)) para luego actuar con el objetivo de subsanar ese error en el caso de que lo hubiese. Será el actuador el que, en caso de cambiar el sistema, actúe. En resumen: LEE la información que le llega de los SENSORES, la PROCESA y realiza las acciones oportunas a través del ACTUADOR. TIPOS DE CONTROLADORES Nos encontramos principalmente dos tipos: 1. DE ACCIÓN INVERSA. 2. DE ACCIÓN DIRECTA. 32 1. Controlador con acción inversa: es aquel que, ante un INCREMENTO de la variable controlada (VC), produce una DISMINUCIÓN en la variable manipulada (es decir, lo contrario). ACCIÓN INVERSA (e = VC – SET POINT)  Ejemplo: intercambiador de calor  si sube la Tª de salida, el controlador debe reducir la apertura de la válvula de gas para restablecer la temperatura de salida. Intercambiador de calor 33 2. Controlador de acción directa: la variable controlada y manipulada evolucionan en el mismo sentido.  Ejemplo: control del nivel de un SENSOR depósito mediante una válvula de fondo: (cuando el nivel aumenta por CONTROLADOR encima del set point  válvula se abre más; si el nivel disminuye  la válvula se cierra más) +- COMPARADOR Control del nivel de un depósito mediante válvula ACTUADOR de fondo 34  C. ACTUADOR: el elemento final Es quien actúa sobre el sistema (la variable controlada) en función de la señal que ha recibido del controlador. Son los que llevan a cabo las acciones para las que ha sido diseñado el sistema de control. LEDS (utilización de señales luminosas) ZUMBADOR VÁLVULAS DE CONTROL (utilizan el sonido o la (realizan un control vibración, ya sea de mediante el caudal, permite manera continua o controlar variables como intermitente) presión, temperatura, 35 nivel…. D. REGISTRADORES Son equipos que muestran la evolución del valor de la variable controlada (VC) que capta el sensor. Existen 2 tipos:  Registrador mediante papel.  Registrador digital (mediante pantalla). Hoy en día un registrador está completamente informatizado, el papel está en desuso. 36  ¿QUÉ PERMITE A UN OPERADOR EL USO DE UN REGISTRADOR?  Conocer el estado de todos los equipos de la unidad en tiempo real.  Visualizar la evolución de las variables  pudiendo actuar en caso de no ser la prevista. 37