1.1: Introducción a los controles- Antecedentes y metodología de diseño

Introducción

Los controles de proceso son una mezcla entre la disciplina estadística e ingeniería que se ocupa del mecanismo, las arquitecturas y los algoritmos para controlar un proceso. Algunos ejemplos de procesos controlados son:

• Controlar la temperatura de una corriente de agua controlando la cantidad de vapor agregado a la carcasa de un intercambiador de calor.
• Operar un reactor con camisa isotérmicamente mediante el control de la mezcla de agua fría y vapor que fluye a través de la camisa de un reactor encamisado.
• Mantener una relación establecida de reactivos a añadir a un reactor mediante el control de sus caudales.
• Controlar la altura del fluido en un tanque para asegurar que no se desborde.

Para entender o resolver verdaderamente un problema de diseño es necesario comprender los conceptos clave y la terminología general. En los párrafos siguientes se proporciona una breve introducción a los controles de proceso, así como cierta terminología que será útil en el estudio de los controles. A medida que comiences a ver ejemplos específicos contenidos aquí, así como en otras partes de la wiki, comenzarás a comprender mejor cómo operan y funcionan los controles, así como sus usos en la industria.

Antecedentes de Control de Procesos

El papel del control de procesos ha cambiado a lo largo de los años y está continuamente moldeado por la tecnología. El papel tradicional del control de procesos en las operaciones industriales fue contribuir a la seguridad, minimizar el impacto ambiental y optimizar los procesos manteniendo la variable de proceso cerca de los valores deseados (1). Generalmente, cualquier cosa que requiera monitoreo continuo de una operación implica el papel de un ingeniero de procesos. En años pasados el monitoreo de estos procesos se realizó en la unidad y fueron mantenidos localmente por operador e ingenieros. Hoy en día muchas plantas químicas han pasado a la automatización completa, lo que significa que los ingenieros y operadores son ayudados por DCS que se comunica con los instrumentos en el campo.

¿Cuáles son los beneficios del Control de Procesos?

Los beneficios de controlar o automatizar el proceso están en una serie de áreas distintas en la operación de una unidad o planta química. La seguridad de los trabajadores y la comunidad alrededor de una planta probablemente sea la preocupación número uno o debería serlo para la mayoría de los ingenieros a medida que comienzan a diseñar sus procesos. Las plantas químicas tienen un gran potencial para causar daños graves si algo sale mal y es inherente la configuración del control de procesos para establecer límites en unidades específicas para que no lesionen o maten a trabajadores o individuos en la comunidad.

Los objetivos del control

Se requiere un sistema de control para realizar una o ambas tareas:

1. Mantener el proceso en las condiciones operativas y puntos establecidos

Muchos procesos deben funcionar en condiciones de estado estacionario o en un estado en el que satisfaga todos los beneficios para una empresa como presupuesto, rendimiento, seguridad y otros objetivos de calidad. En muchas situaciones de la vida real, un proceso no siempre puede permanecer estático bajo estas condiciones y, por lo tanto, puede causar pérdidas sustanciales en el proceso. Una de las formas en que un proceso puede alejarse de estas condiciones es cuando el sistema se vuelve inestable, lo que significa que las variables del proceso oscilan de sus límites físicos en un lapso de tiempo limitado. Un ejemplo de esto sería un tanque de agua en un proceso de calentamiento y enfriamiento sin ningún drenaje y se está llenando constantemente de agua. El nivel del agua en el tanque seguirá subiendo y eventualmente desbordándose. Este sistema incontrolado se puede controlar simplemente agregando válvulas de control y sensores de nivel en el tanque que pueden decirle al ingeniero o técnico el nivel de agua en el tanque. Otra forma en que un proceso puede alejarse de las condiciones de estado estacionario puede deberse a diversos cambios en las condiciones ambientales, como la composición de una alimentación, las condiciones de temperatura o el caudal.

2. Transición del proceso de una condición operativa a otra

En situaciones de la vida real, los ingenieros pueden cambiar las condiciones operativas del proceso por una variedad de razones diferentes, como las especificaciones del cliente o las especificaciones del entorno. Si bien, la transición de un proceso de una condición operativa a otra puede ser perjudicial para un proceso, también puede ser beneficioso dependiendo de las demandas de la empresa y del consumidor.

Ejemplos de por qué un proceso se puede mover de un punto de ajuste operativo a otro:

1. Economía
2. Especificaciones del producto
3. Restricciones operacionales
4. Normativa ambiental
5. Especificaciones del consumidor/cliente
6. Normativa ambiental
7. Precauciones de seguridad

Definiciones y Terminología

Al controlar un proceso existen dos tipos de clases de variables.

1. Variable de entrada — Esta variable muestra el efecto del entorno en el proceso. Normalmente se refiere a aquellos factores que influyen en el proceso. Un ejemplo de esto sería el caudal del vapor a través de un intercambiador de calor que cambiaría la cantidad de energía puesta en el proceso. Hay efectos del entorno que son controlables y algunos que no lo son. Estos se desglosan en dos tipos de entradas.

1. Entradas manipuladas: la variable en los alrededores puede ser controlada por un operador o el sistema de control en su lugar.
2. Disturbios: entradas que no pueden ser controladas por un operador o sistema de control. Existen perturbaciones tanto medibles como inconmensurables.

2. Variable de salida - También conocida como la variable de control Estas son las variables que son salidas de proceso que afectan al entorno. Un ejemplo de esto sería la cantidad de gas CO2 que sale de una reacción de combustión. Estas variables pueden o no ser medidas.

Como consideramos un problema de controles. Somos capaces de observar dos grandes estructuras de control.

1. Entrada única-salida única (SISO) - para una variable de control (salida) existe una variable de manipulación (entrada) que se utiliza para afectar el proceso
2. Múltiple entrada-salida múltiple (MIMO) - Hay varias variables de control (salida) que se ven afectadas por varias variables manipuladas (entrada) utilizadas en un proceso dado.

• Cascada: Un sistema de control con 2 o más controladores, un bucle “Master” y “Slave”. La salida del controlador “Maestro” es el punto de ajuste para el controlador “Esclavo”.
• Tiempo muerto: La cantidad de tiempo que tarda un proceso en comenzar a cambiar después de una perturbación en el sistema.
• Control derivado: La parte “D” de un controlador PID. Con acción derivada, la salida del controlador es proporcional a la tasa de cambio de la variable de proceso o error. *
• Error: En los controles de proceso, el error se define como: Error = setpoint - variable de proceso.
• Control Integral: La parte “I” de un controlador PID. Con acción integral, la salida del controlador es proporcional a la cantidad y duración de la señal de error.
• Controlador PID: Los controladores PID están diseñados para eliminar la necesidad de atención continua del operador. Se utilizan para ajustar automáticamente las variables del sistema para mantener una variable de proceso en un punto de ajuste. El error se define anteriormente como la diferencia entre el punto de ajuste y la variable de proceso.
• Control Proporcional: La parte “P” de un controlador PID. Con acción proporcional la salida del controlador es proporcional a la cantidad de la señal de error.
• Punto de ajuste: El punto de ajuste es donde le gustaría que estuviera una variable de proceso controlada.

Metodología de Diseño para Control de Procesos

1. Entender el proceso: Antes de intentar controlar un proceso es necesario entender cómo funciona el proceso y qué hace.
2. Identificar los parámetros de operación: Una vez que se entiende bien el proceso, se deben identificar parámetros de operación como temperaturas, presiones, caudales y otras variables específicas del proceso para su control.
3. Identificar las condiciones peligrosas: Para mantener una instalación segura y libre de riesgos, se deben identificar las variables que puedan causar problemas de seguridad y pueden requerir un control adicional.
4. Identificar los mensurables: Es importante identificar los mensurables que se corresponden con los parámetros de operación para controlar el proceso.

Los mensurables para sistemas de proceso incluyen:

• Temperatura
• Presión
• Caudal
• pH
• Humedad
• Nivel
• Concentración
• Viscosidad
• Conductividad
• Turbidez
• Redox/Potencial
• Comportamiento eléctrico
• Inflamabilidad

5. Identificar los puntos de medición: Una vez identificados los mensurables, es importante ubicar dónde se medirán para que el sistema pueda ser controlado con precisión.

6. Seleccionar métodos de medición: Seleccionar el tipo adecuado de dispositivo de medición específico para el proceso asegurará que se elija el método más preciso, estable y rentable. Hay varios tipos de señal diferentes que pueden detectar diferentes cosas.

Estos tipos de señal incluyen:

• Eléctrico
• Neumática
• Luz
• Ondas de radio
• Infrarrojos (IR)
• Nuclear

7. Seleccionar método de control: Para controlar los parámetros de operación, el método de control adecuado es vital para controlar el proceso de manera efectiva. El encendido/apagado es un método de control y el otro es el control continuo. El control continuo involucra los métodos Proporcional (P), Integral (I) y Derivada (D) o alguna combinación de esos tres.

8. Seleccionar sistema de control: Elegir entre un sistema de control local o distribuido que se ajuste bien al proceso afecta tanto al costo como a la eficacia del control general.

9. Establecer límites de control: Comprender los parámetros operativos permite definir los límites de los parámetros medibles en el sistema de control.

10. Definir lógica de control: Elegir entre feed-forward, feed-back, cascada, ratio u otra lógica de control es una decisión necesaria basada en el diseño específico y los parámetros de seguridad del sistema.

11. Crear un sistema de redundancia: Incluso el mejor sistema de control tendrá puntos de falla; por lo tanto, es importante diseñar un sistema de redundancia para evitar fallas catastróficas al tener controles de respaldo en su lugar.

12. Definir un sistema a prueba de fallas: Las cajas de seguridad permiten que un sistema vuelva a un estado seguro después de una falla del control. Esta seguridad permite que el proceso evite condiciones peligrosas que de otro modo podrían ocurrir.

13. Establecer criterios de lead/lag: Dependiendo de la lógica de control utilizada en el proceso, puede haber tiempos de retraso asociados con la medición de los parámetros operativos. Establecer tiempos de plomo/retraso compensa este efecto y permite un control preciso.

14. Investigar los efectos de los cambios antes/después: Al investigar los cambios realizados al implementar el sistema de control, se pueden identificar y corregir problemas imprevistos antes de que creen condiciones peligrosas en la instalación.

15. Integrar y probar con otros sistemas: La integración adecuada de un nuevo sistema de control con los sistemas de procesos existentes evita conflictos entre múltiples sistemas.

Referencias

1. Romagnoli, Jose A. Introducción al Control de Procesos. s.l.: CRC press, 2006.