Diseño, construcción y puesta en marcha de un sistema de control multiproceso

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(1)DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA DE CONTROL MULTIPROCESO. OSCAR RENÉ ARDILA SANABRIA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ, D.C. 2004.

(2) IQ-2004-I-03. Diseño, Construcción y Puesta en marcha De un Sistema de Control Multiproceso. Oscar René Ardila Sanabria Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Químico. Asesor Ingeniero Edgar Mauricio Vargas. Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química Bogotá, D.C. 2004. 2.

(3) IQ-2004-I-03. AGRADECIMIENTOS. Esta tesis ha sido realizada bajo la dirección del Ingeniero Edgar Mauricio Vargas, Catedrático del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia, quien representó el soporte adecuado para el desarrollo de este proyecto, brindándome toda su confianza y apoyo. Quisiera también agradecer a todos los miembros de mi familia que aunque no tuvieron un aporte directo a la información que contiene este documento, se convirtieron en las personas por las cuales quería salir adelante. A mis compañeros de carrera, quienes vieron en mi siempre a un amigo y a un supuesto “buen estudiante”. Muchachos, gracias a todos; no digo nombres para no herir susceptibilidades, pero aún así quisiera nombrar a la persona que más se vinculó a este proyecto conmigo, el Ingeniero John Alexander Segura, de quien me siento orgulloso de conocer, gracias Johncito. Pido excusas por adelantado, por si alguien se me va en este momento, pero quisiera resumirlo en decir que agradezco de corazón a todas las personas que me colaboraron, ellas y ellos saben quienes son.. “Yo he preferido hablar de cosas imposibles, porque de lo posible se sabe demasiado” Resumen de Noticias, Silvio Rodríguez. 3.

(4) IQ-2004-I-03. CONTENIDO INTRODUCCIÓN .....................................................................................................1 1.. OBJETIVOS .....................................................................................................2 1.1 1.2. 2.. MARCO TEORICO...........................................................................................3 2.1 2.2 2.3. 2.4. 2.5. 2.6 2.7. 3.. GENERAL .................................................................................................2 ESPECÍFICOS ..........................................................................................2 APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ....................................3 OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ......................................3 CONTROL BÁSICO...................................................................................5 2.3.1 SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO.........................6 2.3.2 SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO.......................7 2.3.3 CONTROL LINEAL .....................................................................8 CONTROL AVANZADO.............................................................................8 2.4.1 CONTROL EN CASCADA...........................................................9 2.4.2 CONTROL NO LINEAL .............................................................10 TIPOS DE CONTROLADORES...............................................................10 2.5.1 CONTROL ON/OFF ..................................................................11 2.5.2 CONTROL PROPORCIONAL ...................................................11 2.5.3 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL ................................12 2.5.4 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO .........12 SENSORES.............................................................................................13 ACTUADORES........................................................................................14 2.7.1 VÁLVULAS DE CONTROL .......................................................14 2.7.2 BOMBAS DE VELOCIDAD VARIABLE.....................................15 2.7.3 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO ..................................................16. FASES DE INGENIERÍA................................................................................17 3.1 3.2. 3.3. INGENIERÍA CONCEPTUAL...................................................................18 INGENIERÍA BÁSICA ..............................................................................20 3.2.1 PRIMER DISEÑO......................................................................21 3.2.2 SEGUNDO DISEÑO .................................................................25 INGENIERÍA DETALLADA ......................................................................31. 4.. ANÁLISIS DE COSTOS.................................................................................35. 5.. DESCRIPCIÓN DE LOS LAZOS DE CONTROL...........................................38 5.1 5.2 5.3. LAZO DE CONTROL DE NIVEL ..............................................................38 LAZO DE CONTROL DE FLUJO .............................................................40 LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA..............................................41. 4.

(5) IQ-2004-I-03. 5.4 5.5 6.. LAZO DE CONTROL DE PH ....................................................................43 LAZO DE CONTROL DE PRESIÓN.........................................................44. ESPECIFICACIONES DE LA INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA .................48 6.1. SENSORES.............................................................................................48 6.1.1 SENSOR DE TEMPERATURA .................................................48 6.1.2 SENSOR DE NIVEL..................................................................49 6.1.3 SENSOR DE PRESIÓN ............................................................50 6.1.4 SENSOR DE pH........................................................................51 6.1.5 SENSOR DE FLUJO.................................................................52. 7.. CONCLUSIONES...........................................................................................54. 8.. REFERENCIAS ..............................................................................................55. 9.. ANEXOS ........................................................................................................56. 5.

(6) IQ-2004-I-03. LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1: Respuestas Típica de un Sistema de Control...........................................5 Figura 2: Diagrama de Bloques de una operación unitaria sin controlar..................6 Figura 3: Diagrama de Bloques de un Sistema de Control en Lazo Abierto ............6 Figura 4: Diagrama de Bloques para Control por Realimentación ...........................7 Figura 5: Diagrama de Bloques para Control por Adelanto .....................................9 Figura 6: Diagrama de Bloques de un Controlador por Cascada ..........................10 Figura 7: Respuestas de controladores sintonizados P, PI y PID y sin control......13 Figura 8: Diagrama básico de una válvula de globo ..............................................15 Figura 9: Ilustración de una válvula solenoide .......................................................15 Figura 10: Diagrama de bloques inicial del proceso ..............................................19 Figura 11: Diagrama preliminar del primer diseño obtenido ..................................22 Figura 12: Diagrama preliminar del segundo diseño obtenido...............................26 Figura 13: Diagrama preliminar del módulo de presión .........................................26 Figura 14: Diagrama isométrico del sistema de control .........................................32 Figura 15: Comparación de costos de equipos......................................................36 Figura 16: Gráfica de discriminación de gastos .....................................................37 Figura 17: Esquema General del Lazo de Control de Nivel. ..................................39 Figura 18: Esquema General del Lazo de Control de Nivel y Flujo........................41 Figura 19: Esquema General del Lazo de Control de Temperatura.......................43 Figura 20: Esquema General del Lazo de Control de pH. .....................................45 Figura 21: Esquema General del Lazo de Control de Presión...............................47 Figura 22: Sensor de Temperatura ........................................................................49 Figura 23: Sensor de Nivel. ...................................................................................50 Figura 24: Sensor de pH........................................................................................52 Figura 25: Funcionamiento del sensor de Flujo .....................................................53 Figura 26: Sensor de Flujo.....................................................................................53. 6.

(7) IQ-2004-I-03. LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1 Inventario de señales eléctricas................................................................33 Tabla 2 Precios de equipos cotizados ...................................................................35 Tabla 3: Discriminación gastos por elementos......................................................36 Tabla 4: Especificaciones Técnicas del TST-414 ..................................................49 Tabla 5: Especificaciones Técnicas del T PMC-131 ..............................................50 Tabla 6: Especificaciones Técnicas del OrbiPac W CPF-81..................................52 Tabla 7: Especificaciones Técnicas del SW-600 ...................................................53. 7.

(8) IQ-2004-I-03. LISTA DE ANEXOS. Pág. ANEXO A DIAGRAMA DE FLUJO 1......................................................................56 ANEXO B DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN 1 ..............................................57 ANEXO C DIAGRAMA DE FLUJO 2 .....................................................................58 ANEXO D DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN 1 ..............................................59 ANEXO E MATRIZ DE INSUMOS .........................................................................60. 8.

(9) IQ-2004-I-03. INTRODUCCIÓN. Como es bien sabido, la Universidad de los Andes se ha esmerado en la ampliación de sus instalaciones, y junto con ella se han planteado nuevos proyectos con el fin de mejorar la pedagogía de las clases, además de una forma más práctica de conocer la teoría. El control de procesos es una rama muy importante dentro de la Ingeniería Química, y desafortunadamente el egresado de esta carrera en la Universidad de los Andes no encuentra un verdadero punto de aplicación. Esta falencia en los estudiantes es debido a la falta de infraestructura existente que se acople a las distintas necesidades pedagógicas, como la aplicación de los sistemas de control. Los sistemas de control en procesos industriales son muy importantes en Ingeniería Química como para sólo conocerlos en teoría. Lo ideal es tomar el aspecto práctico para complementar los conocimientos teóricos adquiridos. Dentro de la gama de estos proyectos en infraestructura pedagógica, se han venido realizando proyectos de grado como el de Jhon Alexander Segura, con el diseño, construcción y puesta en marcha de un sistema de medición de pérdidas de presión en tuberías debido a válvulas y accesorios; el de Miguel Ortega con la Torre de Pared Húmeda y finalmente, el de Mauricio Ramírez Nivia y Diana Alvarado con el Intercambiador de Tubos y Coraza para fines educativos de Ingeniería; que junto con este proyecto, servirán a los alumnos de distintas materias de Ingeniería Química (Procesos Industriales, Diseño de Plantas, Laboratorio de Ingeniería Química, etc.). 1.

(10) IQ-2004-I-03. 1. OBJETIVOS. 1.1 GENERAL Diseño, construcción y puesta en marcha de un sistema de control multiproceso, como complemento a la formación de Ingenieros Químicos de la Universidad de los Andes. 1.2 ESPECÍFICOS •. Diseñar el proceso a controlar junto con la Ingeniería pertinente para dicho trabajo (Conceptual, básica, detallada).. •. Montaje y puesta en marcha del sistema de control.. •. Elaboración de protocolos de manejo y mantenimiento (manuales).. •. Elaboración de prácticas de laboratorio.. 2.

(11) IQ-2004-I-03. 2. MARCO TEORICO. 2.1 APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. El uso de los sistemas de control y la ingeniería de control es bastante amplia, ya que podemos encontrar aplicación de estos en procesos industriales, en el transporte, en la generación y transmisión de energía, en la mecatrónica, en la economía y la medicina. En todas estas aplicaciones el objetivo es el mismo, ya que lo que se busca con la optimización de los sistemas de control es [2]: • • • • •. Productos de mayor calidad. Minimización de desperdicios. Protección del medio ambiente. Mayor rendimiento de la capacidad instalada Mayores márgenes de seguridad.. La observación directa de las acciones necesarias para casi todos los procesos no es posible, pero la observación o monitoreo de los parámetros de un proceso, es un aspecto critico para el control. Consecuentemente, los procesos pueden ser monitoreados y controlados a través del uso de varios instrumentos, los cuales se abordarán más adelante.. 2.2 OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. Un sistema de control está compuesto por varios elementos, entre los que podemos encontrar: • •. Controlador: Su función es la de tomar las decisiones que se van a llevar a cabo para lograr estabilizar el proceso. Sensor: Es el encargado de la medición de las distintas variables que se encuentran en el proceso.. 3.

(12) IQ-2004-I-03. • • •. Actuador: Es el elemento que interactúa directamente con el proceso, afectándolo de tal manera que este se logre controlar. Transductores: Traducen la señal (temperatura, presión, calor, ...) que se quiere medir a otro tipo de señal (neumática o eléctrica) que entienda el equipo. Elemento de Registro: Es la parte del sistema de control donde se registran los valores de las variables medidas y pueden estar en campo o en la sala de control.. Antes de empezar a diseñar el sistema de control, diseñando los sensores actuadores o configuraciones de control, es necesario conocer los objetivos del control que queremos montar. Por lo tanto vale la pena hacerse las siguientes preguntas: Qué es lo que se pretende alcanzar? Qué variables deben controlarse para alcanzar los objetivos? Qué nivel de calidad se necesita?. Las respuestas a estas preguntas son las que conducen a la definición de ciertos conceptos que son considerados como los objetivos primordiales de un sistema de control. El objetivo general de cualquier tipo de control es mantener el sistema en cuestión dentro de un comportamiento deseado que satisface las necesidades que estamos buscando, sin importar las distintas actividades que intenten desestabilizar el sistema, o llevarlo a un estado fuera de lo deseado. En control de procesos, este objetivo se reduce a mantener una variable de proceso en un valor determinado, denominado punto de consigna o set point, sin importar los cambios en las demás variables de proceso que puedan llegar a tener cierto efecto sobre la variable que queremos controlar. Desafortunadamente, este objetivo es un tanto ideal y no real, debido a que normalmente alcanzar un control perfecto sobre las variables es un tanto imposible. Para lograr cubrir de la mejor manera estos objetivos en los sistemas de control, se deben cumplir tres aspectos fundamentales, que son más reales, acordes y fáciles de cumplir: 1. Minimizar el overshoot. 2. Minimizar el settling time. 3. Minimizar el offset. El overshoot se refiere a la máxima desviación que puede tener la respuesta del sistema, con respecto al set point establecido; el settling time es el tiempo que demora la respuesta en llegar a tener oscilaciones menores al 2% de la diferencia entre el punto de consigna y el valor inicial. Por último, el offset es el valor de la diferencia entre la respuesta y el set point, una vez ha transcurrido el tiempo de establecimiento o settling time. Para apreciar de una mejor manera estos conceptos, la Figura 1 ilustra el comportamiento normal de una respuesta durante el control de una variable. Adicionalmente en la gráfica podemos observar un. 4.

(13) IQ-2004-I-03. concepto adicional denominado rise time, que corresponde al valor que demora la respuesta en cambiar su valor entre el 10% y el 90% de la misma diferencia establecida para el settling time. Otros aspectos que se deben conservar en un sistema de control son la robustez y el rendimiento. La robustez es “una medida de cómo de pequeño se requiere el cambio en un parámetro del proceso para llevar al lazo de su estado actual al límite de estabilidad”1; mientras que el rendimiento se refiere a la exactitud con la que el controlador es capaz de mantener la variable en el set point con respecto al funcionamiento óptimo de este mismo controlador. Pero hay que tener en cuenta que al aumentar el rendimiento del controlador, se espera que su robustez disminuya, por lo que hay que establecer cierto equilibrio al momento de diseñarlo.. Figura 1: Respuestas Típica de un Sistema de Control. 2.3 CONTROL BÁSICO. La representación en un diagrama de bloques de un proceso cualquiera y de su sistema de control, es la mejor forma para poder comprender tanto los componentes del sistema como las diferencias entre los distintos tipos de control. Imaginemos un proceso, en el cual queremos controlar una variable C, la cual llamaremos variable controlada, y que es la salida de cierta operación unitaria; nuestro objetivo va a ser mantener la variable controlada C en cierto set point S, usando una variable adicional que tiene efecto sobre la variable C, y que llamaremos variable manipulada M. Debido a fuentes y cargas externas llamadas perturbaciones, la variable controlada cambiará su valor, el cual es diferente al set point S. Por lo tanto se hace necesario el uso de un sistema de control que permita a la variable controlada C volver a su estado estacionario en el set point. 1. Perry, Capítulo 8, pág. 8-14. 5.

(14) IQ-2004-I-03. En la Figura 2 se muestra un diagrama de bloques que ilustra el proceso explicado.. Figura 2: Diagrama de Bloques de una operación unitaria sin controlar.. Las perturbaciones, que ahora llamaremos P, pueden ser un conjunto de variables que afectan la variable controlada de la misma forma que la variable manipulada, o bien, puede ser tan sólo una variable que tiene mayor efecto sobre la variable C. Los cambios que se puedan suceder en la duración, frecuencia y magnitud de las perturbaciones pueden suceder de forma aleatoria o también en forma de escalón. Por lo tanto, cada vez que la perturbación P cambia el valor de la variable C, es necesario hacer un cambio también en la variable M para permitir que la variable controlada vuelva a tomar el valor de S.. 2.3.1 SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO. Un sistema en lazo abierto es aquel en el que las decisiones que se toman para alterar la variable manipulada no se basan en ninguna medida del proceso, como en base a una programación. Este tipo de sistemas de control es utilizado en procesos en los que se encuentran variables con valores fijos y que no presentan perturbaciones de grandes magnitudes y frecuencias [1]. La Figura 3 muestra la estructura básica de un sistema de control en lazo abierto.. Figura 3: Diagrama de Bloques de un Sistema de Control en Lazo Abierto. La respuesta de un sistema en lazo abierto, es lo que se denomina la respuesta dinámica normal del propio proceso. Supóngase que la variable manipulada va a tener un cambio proporcional a la diferencia entre el valor del set point S y la variable controlada C; para el caso de un sistema en lazo abierto, el valor de esta. 6.

(15) IQ-2004-I-03. constante de proporcionalidad va a ser cero, indicando que el error obtenido no va a tener efecto sobre la variable manipulada M.. 2.3.2 SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO. A diferencia de los sistemas de control en lazo abierto, cuando utilizamos un lazo cerrado, las decisiones de cambio en la variable manipulada M se basan en las medidas de una o más variables del proceso, las cuales se logran por medio del uso de sensores de la variable que se quiere medir. Por otro lado, en un lazo de control por realimentación se compara la variable C con el valor del set point P, y según el dato obtenido el controlador tomará las decisiones necesarias para llevar esta diferencia a cero. Según Perry, la acción que se tome es “específicamente la realimentación inversa, en la cual un incremento en la desviación mueve M de tal modo que la desviación se reduzca”2. En la Figura 4 se puede apreciar la representación en diagramas de bloques del control por realimentación. La realimentación es usada para reducir o eliminar el efecto de perturbaciones, la sensibilidad a errores en el modelo planteado o simplemente, para estabilizar un sistema inestable. Pero si se hace una realimentación mal diseñada, añadiendo oscilaciones en una respuesta carente de ellas o generando alta sensibilidad a ruidos en la medición. [2]. Figura 4: Diagrama de Bloques para Control por Realimentación. 2. Perry, Capítulo 8, pág. 8-5. 7.

(16) IQ-2004-I-03. 2.3.3 CONTROL LINEAL. Aunque todos los sistemas reales presentan características no lineales, muchos de estos pse pueden establecer con modelos que sean linealizables (por lo menos en ciertos rangos de operación relevantes) [2]. Como normalmente el sistema de control va a mantener el proceso en un comportamiento deseado, se establece un equilibrio en este comportamiento y es allí donde se hace la linealización correspondiente al modelo. Los sistemas lineales, estacionarios y en tiempo continuo normalmente se describen por medio de ecuaciones diferenciales con la siguiente forma:. 2.4 CONTROL AVANZADO. El control avanzado se hace necesario cuando las especificaciones de una variable son tan estrictas que no dan lugar para una varianza amplia. Para la mayoría de los procesos industriales, ciertas operaciones unitarias se encuentran delimitadas por una restricción como la especificación del producto o el límite de operación de un equipo, y la violación de estas restricciones debe ser muy poco frecuente debido a razones económicas o de seguridad. Por lo tanto es obligatorio el uso de estructuras y estrategias más avanzadas en el control de procesos, que nos permitan establecer el proceso en un punto en el que los objetivos se cumplan sin incluir las restricciones. Una de las características del control avanzado es su capacidad de tomar decisiones a partir no sólo de las medidas tomadas del proceso, sino que usa un modelo de comportamiento previo del sistema para establecer qué acciones llevar a cabo. A continuación se describirán dos métodos de control avanzado que se pueden implementar en cualquier tipo de proceso. En un lazo de control por adelanto se usan las medidas de las variables que están desestabilizando el sistema (la perturbación P), para modificar la variable manipulada M de tal forma que se minimicen al máximo las desviaciones en la variable controlada C. “Al tomar la acción de control basándose en las perturbaciones medidas en vez de en el error de la variable controlada, el controlador puede rechazar las perturbaciones antes de que afecten a la variable controlada C”3. El control por adelanto y el 3. Perry, Capítulo 8, pág. 8-20. 8.

(17) IQ-2004-I-03. control realimentado se suelen combinar para optimizar los resultados en las estrategias de control, minimizando o eliminando las desviaciones resultantes de una medida mal tomada (por error de instrumentación o similares), un cálculo mal hecho, o por componentes de las perturbaciones que no se midieron y que interferirán sobre la variable controlada C [2].. Figura 5: Diagrama de Bloques para Control por Adelanto. 2.4.1 CONTROL EN CASCADA. El control por cascada es una estrategia de control avanzado que es conveniente cuando la variable no puede mantenerse dentro del valor de set point deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso. Una de las desventajas del uso de control por realimentación en estos sistemas radica en que las perturbaciones no se reconocen hasta que la variable controlada se desvía del set point, y su corrección es generalmente lenta con desviaciones prolongadas del punto de consigna. En este caso, como en todos los anteriores, tenemos una variable manipulada pero más de una variable medida, formando un lazo de control interno y otro externo con controladores retroalimentados individuales. El controlador del lazo más externo es también conocido como el maestro o primario; la entrada a este controlador es el valor medido de la variable controlada C, el set point es suministrado por el operador, y pasa la señal de salida al lazo de control interno. El controlador del lazo de control interno es también conocido como esclavo o secundario y mide una segunda variable cuyo valor afecta la variable controlada, su set point es la salida de lazo de control externo, y su señal de salida es enviada a la variable manipulada. En la Figura 6 se puede apreciar el diagrama de bloques correspondiente.. 9.

(18) IQ-2004-I-03. Figura 6: Diagrama de Bloques de un Controlador por Cascada. 2.4.2 CONTROL NO LINEAL. El punto de partida en el análisis de un sistema de control es su representación por un modelo matemático, que se muestra generalmente como un conjunto de ecuaciones diferenciales. La mayoría de los modelos matemáticos del control usados tradicionalmente por teóricos y prácticos, como ya se había dicho, son lineales. De hecho, los modelos lineales son mucho más manejables y sencillos que los modelos no lineales, y suelen representar en una forma bastante aproximada, el comportamiento de sistemas reales en muchos casos útiles. [3] Para el control de los sistemas no lineales, se hacen uso de estructuras más complicadas en los sistemas de control, además de la adición de tecnologías y lógicas más avanzadas. Por ejemplo, se utilizan controladores de lógica difusa, controladores de tipo predictivo; además de estrategias tales como controles en rango dividido, entre otras. Como ejemplos de sistemas no lineales tenemos control de pH en un reactor, un sistema mas-resorte y un sistema de un péndulo.. 2.5 TIPOS DE CONTROLADORES. Como ya se especificó, el controlador es el elemento que tomas las decisiones dentro del sistema de control, y por tal razón debemos tener sumo cuidado al momento de su diseño. Existen distintos tipos de controladores que dependiendo de su diseño, poseen ciertas ventajas y desventajas. A continuación describiremos cada uno de ellos, entre los que podemos encontrar controladores on/off, proporcional, proporcional integral (PI) y proporcional integral derivativo (PID).. 10.

(19) IQ-2004-I-03. 2.5.1 CONTROL ON/OFF. El controlador on/off es utilizado para sistemas que poseen variables manipuladas de solo dos estados, con acción o sin acción. Debido a la acción cíclica de este tipo de controladores, el control on/off es satisfactorio solo en sistemas en los que son aceptables los ciclos lentos, es decir en aquellos sistemas en los cuales el control no es tan estricto ni requiere de una alta exactitud. Un controlador on-off es una forma sencilla de implementar un control en realimentación con alta ganancia [2]. 2.5.2 CONTROL PROPORCIONAL. La base de un controlador de este tipo radica en que la salida es proporcional a la diferencia entre el valor de la respuesta y el set point, la cual consideraremos de ahora en adelante como error. La salida normalmente se expresa como [1]: u = K *e + b. donde, u = valor de la variable de salida. K = constante de propocionalidad. e = error, diferencia entre el set point y el valor de la respuesta. b = bías de salida o reajuste manual. Al diseñar un controlador proporcional hay que definir un sólo parámetro, la ganancia del controlador. Está claro que cuanto mayor sea la ganancia, mayor será la sensibilidad de la señal de actuación del controlador ante desviaciones del error. Los controladores proporcionales son diseñados para mantener una continua relación entre la variable controlada y la posición del elemento final de control. En el caso de una válvula de control, ésta puede estar en posición abierta, cerrada, o en cualquier otra posición intermedia, es decir que también será posicionada en proporción a la desviación. “El controlador proporcional no es un buen regulador, porque cualquier cambio en la salida para equilibrar un movimiento en la carga produce el movimiento correspondiente en la variable controlada”4. El efecto desestabilizador de la acción integral radica en en un corrimiento de fase agregado.. 4. Perry, Capítulo 8, pág. 8-15. 11.

(20) IQ-2004-I-03. 2.5.3 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL. Es un complemento al control proporcional, el cual corrige la desviación ya explicada, por medio del movimiento de la salida del controlador a una velocidad proporcional a la velocidad de desviación del set point. Su ecuación de modelaje es la siguiente [1]: u = K (e +. 1. τi. ∫ e * dt ) + C. o. donde, τi = constante de tiempo integral. Co = constante de integración. La constante de tiempo integral se refiere al tiempo que necesita el controlador para repetir la acción inicial de control proporcional en su salida. La acción de control integral es adicionada al controlador para proveer una acción de amortiguamiento o filtración para el lazo. El controlador proporcional integral puede regresar la variable del proceso al set point tan rápido como sea posible, sin provocar grandes oscilaciones en el sistema. Esta acción de control puede ser ajustada de la misma manera que la acción proporcional, además, el control integral no puede ser usado para estabilizar un proceso, ya que está diseñado simplemente para la eliminación del offset. En pocas palabras, además de tener en cuenta la magnitud del error, el controlador proporcional integral añade el tiempo del error, mejorando la respuesta que se logra obtener.. 2.5.4 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO. El controlador PID presenta la ventaja del modo derivativo, el cual mueve la salida con respecto a la velocidad del cambio de la variable controlada, incrementando aún más la velocidad de respuesta con respecto al controlador proporcional integral PI. Su ecuación es la siguiente [1]: u = K (e +. 1. τi. ∫ e * dt + τ. 12. D. *. dc ) + Co dt.

(21) IQ-2004-I-03. donde, τD = Constante de tiempo derivativo. La acción derivativa tiene la desventaja en que amplifica las señales de ruido y puede llegar a saturar el actuador; además es eficaz sólo por períodos transitorios, por lo que nunca se aplica por sí sola.[2] Para poder establecer las ventajas y desventajas de cada uno de los diferentes tipos de controlador, la Figura 7 compara simultáneamente las respuestas de lazo típicas para controladote P, PI y PID con el caso en el que no tenemos ningún tipo de control.. Figura 7: Respuestas de controladores sintonizados P, PI y PID y sin control5. 2.6 SENSORES. Su función es producir una señal relacionada con la magnitud que se quiere medir, convirtiendo la magnitud física a medir en otra magnitud física que pueda ser utilizada en un acondicionador de señal o directamente en un visualizador. Los sensores son los “ojos” del controlador, por lo que cualquier defecto significativo, o error en la medición tendrá un impacto significativo en el desempeño global del sistema. Las principales dificultades asociadas a los sensores tienen origen en el ruido, el cual es inherente a la medición, y en las restricciones en la dinámica del sensor en sí.. 5. Grafica recuperada del Manual del Ingeniero Químico.. 13.

(22) IQ-2004-I-03. El elemento acondicionador de la señal, que poseen los sensores, se encarga de tomar las señal proveniente del proceso y la convierte en una señal para la visualización o para enviar al controlador del sistema de control. Las señales más utilizadas son de tipo eléctrico, y pueden ser: •. Señales de voltaje o tensión:. 0 a 10 V. 5 a 10 V. •. Señales de amperaje o corriente:. 0 a 20 mA. 4 a 20 mA. 2.7 ACTUADORES. Los actuadores, como ya se había explicado, son los elementos del sistema que realizan la acción de control directamente sobre el proceso. Los tipos de actuadores más comunes son las válvulas de control y las bombas de velocidad variable; también podemos encontrar distintas clases de actuadores como resistencias, compresores, relevadores, ventiladores con aspas ajustables, entre otros.. 2.7.1 VÁLVULAS DE CONTROL. En el control automático de los procesos industriales, la válvula de control juega un papel muy importante en el lazo de control, ya que realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. El tipo de válvula más común es la válvula de globo denominada así por la forma de la cavidad que se encuentra alrededor del puerto. “En general, el puerto es cualquier camino de paso del fluido, pero a menudo se denomina al paso que es bloqueado por el dispositivo de cierre o tapón, cuando la válvula está cerrada.”6 Otro tipo de válvulas de control son las válvulas solenoides, las cuales tienen entrada electrónica y tienen dos estados de salida, ya sea totalmente abiertas o totalmente cerradas. Al suministrarse la corriente eléctrica, el tapón de la válvula se mueve contra un muelle hasta una posición extrema, dependiendo del diseño de la válvula (normalmente abierta o normalmente cerrada). Cuando la corriente eléctrica se deja de alimentar, la válvula vuelve a su estado normal. Este tipo de válvulas se utiliza para sistemas de control on/off y aplicaciones de paradas de emergencia.. 6. Perry, Capítulo 8, pág. 8-82.. 14.

(23) IQ-2004-I-03. Figura 8: Diagrama básico de una válvula de globo. Figura 9: Ilustración de una válvula solenoide. La gran variedad de válvulas no termina allí, ya que en el ámbito industrial podemos encontrar distintos tipo de válvulas de control, entre ellas: válvulas en ángulo, válvulas de tres vías, válvulas de jaula, válvulas en y, válvulas Saunders, válvulas de mariposa, válvulas de bola, entre otras.. 2.7.2 BOMBAS DE VELOCIDAD VARIABLE. En una planta, el costo de las válvulas puede llegar a convertirse en un problema, debido a la gran cantidad de este tipo de actuadores y a su mantenimiento. Para evitar esta clase de problemas, una buena solución es el uso de una bomba de velocidad variable, que ahorra el uso de una válvula de control por restricción. Para el cambio de velocidad de la bomba, se alteran directamente las turbinas,. 15.

(24) IQ-2004-I-03. motores magnéticos o eléctricos, o el impulsor que le de funcionamiento a la bomba. Todos los métodos de cambio de velocidad presentan gran cantidad de ventajas en ahorro de energía y en rendimiento dinámico, comparando con un sistema que usa como elemento final de control una válvula. Para el control de la velocidad de bombas, la configuración más utilizada es la que incluye una bomba centrífuga que es accionada por un motor eléctrico, el cual tiene velocidad variable, operado por un controlador de velocidad electrónico que genera el voltaje que necesita el motor para hacer que su velocidad siga la señal de entrada que proviene del controlador del sistema de control. 2.7.3 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO. “Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito eléctrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR se entenderá un producto construido y comprobado en una fábrica, no un dispositivo formado por componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito impreso.”7 La estructura de un relé de estado sólido es la siguiente:. 7. •. Circuito de entrada o control: Suele ser un diodo solo o acompañado por una resistencia o con un diodo en antiparalelo.. •. Acoplamiento: se realiza por medio de un optoacoplador o por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma magnética con el circuito de disparo del Triac.. •. Circuito de conmutación o salida: Contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su correspondiente circuito excitador.. Recuperado de http://www.uv.es/~marinjl/electro/reles.html el día 20 de Julio de 2004.. 16.

(25) IQ-2004-I-03. 3. FASES DE INGENIERÍA En cualquier proyecto de ingeniería, ya sea de diseño o de construcción, se deben tener claros los fines ligados a la obtención del objetivo, ya sea un producto, proceso o servicio el cual es necesario generar a través de diversas actividades. Algunas de estas actividades pueden agruparse en fases porque globalmente contribuyen a obtener un producto intermedio o entregable, necesario para continuar hacia el producto final y facilitar la gestión del proyecto. Dentro de cada fase general de un modelo de ciclo de vida, se pueden establecer una serie de objetivos y tareas que lo caracterizan. Pero nos encontramos con una caracterización general con sus respectivas actividades, la cual tiene la siguiente estructura: 1. FASE DE DEFINICIÓN • • • •. Estudio de viabilidad. Conocer los requisitos que debe satisfacer el sistema (funciones y limitaciones de contexto). Asegurar que los requisitos son alcanzables. Realizar una planificación detallada.. 2. FASE DE DISEÑO •. Identificar soluciones tecnológicas para cada una de las funciones del sistema. • Asignar recursos materiales para cada una de las funciones. • Proponer (identificar y seleccionar) subcontratar. • Establecer métodos de validación del diseño. • Ajustar las especificaciones del producto. 3. FASE DE CONSTRUCCIÓN • • •. Generar el producto o servicio pretendido con el proyecto. Integrar los elementos subcontratados o adquiridos externamente. Validar que el producto obtenido satisface los requisitos de diseño previamente definidos y realizar, si es necesario, los ajustes necesarios en dicho diseño para corregir posibles lagunas, errores o inconsistencias.. Normalmente en ingeniería, teniendo en cuenta que se agregan algunas, estas fases se denominan de la siguiente manera:. 17.

(26) IQ-2004-I-03. 1. 2. 3. 4. 5. 6.. Ingeniería conceptual. Ingeniería básica. Ingeniería detallada. Gestión de compras. Construcción. Puesta en marcha.. A continuación se describirán de forma descriptiva cada una de estas etapas, al momento de ser llevadas a cabo en el proyecto que nos confiere en este documento. 3.1 INGENIERÍA CONCEPTUAL La ingeniería conceptual es la etapa de ingeniería donde se crea la idea del producto final, se establecen los objetivos que se desean cumplir, y finalmente se desarrolla el concepto del diseño final. Como entregables de esta etapa tenemos las bases del diseño de proceso, una idea de la filosofía de control e instrumentación, y un estimado global del costo total del proyecto. Para este proyecto se contaba con una idea preliminar, la cual fue el objeto de la realización de éste. Se pensó inicialmente en un equipo de pequeñas proporciones que fuera capaz de mostrar al estudiante la forma como se realiza el control sobre alguna variable de proceso. En cuanto a pequeñas proporciones, se pensaba en una serie de instrumentos que se pudieran instalar sobre un área de no más de un metro cuadrado, pero que fuera lo suficientemente ilustrativo como para que el estudiante fuera capaz de comprender los diferentes conceptos, actividades y estrategias de un sistema de control típico. Las primeras ideas arrojaban muy buenos resultados, pero la restricción del espacio ocasionaba que no se pudiera abordar el control de más de una sola variable de proceso. Por lo tanto se inició una etapa de investigación bibliográfica, en la que se buscaba encontrar ejemplos de equipos pedagógicos de este tipo para luego apropiarse de la tecnología encontrada. Desafortunadamente, este tipo de referencias bibliográficas es muy escasa y solo se reduce a catálogos de muy pocas empresas en las que se aprecian imágenes y descripción de la instrumentación utilizada. El catálogo más empleado fue el de la empresa Elettronica Veneta, más específicamente el catálogo 25-A llamado Controles de procesos industriales. Observando este tipo de catálogos se apreció que el control multivariable, objetivo primordial del proyecto, no se podía restringir a tamaños pequeños sino que se debían utilizar dimensiones más grandes a las que en comienzo se pensaron. Por lo tanto los impedimentos de espacio no se tomaron tan pequeños y se dio un margen más grande en cuanto a tamaño se refería. Una vez establecido este. 18.

(27) IQ-2004-I-03. aspecto, se avanzó a detallar un poco más el objetivo principal, determinando qué variables se querían controlar y de qué manera. Como una de las características principales del proyecto es mostrar la aplicación de los sistemas de control en plantas industriales, el estudiante debe observar el control de las variables de proceso más importantes que son temperatura, flujo, nivel y presión. Además, pretendiendo mostrar otros detalles del control de procesos, el equipo debe poseer instrumentación típica de un lazo de control retroalimentado, como por ejemplo sensores, válvulas, bombas, y demás. Por lo tanto, la idea básica y principal fue la adopción de un proceso no reactivo en el que se pudieran controlar las cuatro variables de una forma sencilla e ilustrativa. La no reactividad del sistema se decidió debido a que la manipulación por parte de los estudiantes, convierte al equipo en un riesgo potencial de accidentes; al querer usar una reacción determinada se deben usar reactivos que pueden ser peligrosos, o la misma reacción puede llegar a ser peligrosa al salirse de control, por lo tanto la opción de un sistema reactivo no se tomó en cuenta para la idea final. La idea que se tenía hasta el momento constaba entonces de un proceso no reactivo en el que se pudieran alterar y controlar las cuatro variables principales, que tuviera instrumentación típica y que fuera fácil de apreciar y entender. Para estos efectos se debían utilizar vessels o vasijas de proceso, además de los elementos necesarios para alterar las variables del proceso (calentadores, válvulas, bombas, entre otros). El diagrama de bloques obtenido en esta etapa se puede apreciar en la Figura 10.. Figura 10: Diagrama de bloques inicial del proceso. El vessel inicial se pensó con el objeto de control de nivel, simulando un tanque de almacenamiento; mientras que el vessel del final se situó de manera que se pudiera controlar la temperatura del producto, simulando una situación similar. Como filosofías de control iniciales se pensó en lo siguiente: •. Nivel: En el recipiente donde se esté almacenando el líquido, se abrirá una válvula que drenará el recipiente hasta obtener el nivel deseado.. 19.

(28) IQ-2004-I-03. •. Flujo: Una válvula de globo se encargará de la regulación del flujo en tubería, según el set point impuesto.. •. Temperatura: Por medio de una resistencia de inmersión se calentará el fluido hasta obtener la temperatura deseada.. •. Presión: Se presionará un tanque y se regulará la presión con el uso de una válvula que desfogue al ambiente.. En cuanto a aspectos económicos se refiere, se estimó un máximo de 40 millones de pesos ($ 40.000.000) para la realización de este proyecto, incluyendo la construcción y puesta en marcha del equipo. Este dato fue bastante heurístico, calculado sin ningún diseño existente hasta el momento, el cual sirvió como límite al presupuesto destinado para el proyecto. El tiempo empleado en la ingeniería conceptual de este proyecto duró aproximadamente 2 meses, debido a la poca información a la que se podía recurrir en cuanto a equipos pedagógicos de este tipo se refiere. Este tiempo en realidad es un poco largo, teniendo en cuenta el tamaño del proyecto, pero debido a que los objetivos se quisieron cumplir de la mejor manera, no se escatimó en la inversión de tiempo necesario para es te fin. El objetivo principal de la ingeniería conceptual de un proceso es tomar una decisión en cuanto a apoyar la decisión de inversión o desistimiento de llevar a cabo el proyecto, y en lo que refirió a este proyecto, se vio que el proyecto era viable, sus objetivos se podrían alcanzar con un muy buen trabajo de diseño y además el presupuesto usado significaba un mayor atractivo para este equipo. Por lo tanto, se tomó la decisión de continuar con la etapa de ingeniería conceptual.. 3.2 INGENIERÍA BÁSICA. En la etapa de ingeniería básica se definen con precisión los criterios técnicos de diseño entre los que podemos contar los flujos de proceso con sus respectivos balances de materia, los diagramas de flujo (PFD) e instrumentación (P&ID), la ubicación general de las zonas y/o áreas, y de equipos, entre otras. Para la elaboración de estos entregables, se deben llevar a cabo extensas tareas como las siguientes: • • •. Bases de diseño. Diagramas de control de proceso. Listado de equipos.. 20.

(29) IQ-2004-I-03. • • • • •. Dimensionamiento de líneas. Sumario de utilidades. HAZOP Especificaciones y criterios de diseño en instrumentación. Especificaciones básicas de instrumentos.. Una vez se tenía un diagrama de bloques preliminar (Figura 10), se podría trabajar sobre éste e ir desarrollando aún más la idea, e ir especificando cada uno de los equipos e instrumentos que se iban a utilizar en el proyecto. De este momento en adelante, el proceso puede llegar a ser tedioso debido a la retroalimentación continua a la que se someten cada uno de los diseños propuestos. Además, que cada diseño debe ser revisado no sólo por un ingeniero, sino que por el contrario, deben participar por lo menos tres (3) ingenieros diferentes; esto puede llegar a complicar la etapa de diseño, debido a que pueden encontrarse contradicciones entre una y otra revisión, por lo que es necesario un rediseño total del proceso. Para este proyecto, los ingenieros que continuamente participaron en la revisión de estos diseños fueron Edgar Mauricio Vargas, Felipe Muñoz y John Alexander Segura. 3.2.1 PRIMER DISEÑO El primer enfoque de la etapa de ingeniería básica de este proyecto fue establecer un diagrama de flujo provisional, y trabajar sobre este diagrama. La tarea consistió entonces en la transformación de los bloques del diagrama anterior en operaciones unitarias o equipos que realizaran acciones de control en el proceso. Debido a los objetivos del proyecto, enfatizando la pedagogía brindada, se pensó que la operación unitaria más conveniente para este equipo era el intercambio de calor por medio de un equipo especializado para esto. Esta decisión se tomó pensando en que con tan solo un equipo se podía optimizar el control multivariable; como variables de proceso relevantes en un intercambiador de calor se encuentran las temperaturas y los flujos, y en el ámbito industrial es de uso común el control sobre estas dos variables en intercambiadores de tubo y coraza. Pero debido a la complejidad que implicaba el uso de un intercambiador de este tipo, se decidió utilizar un equipo de doble tubo, el cual representaba una buena opción en cuanto a presupuesto y simplicidad. Otra de las personas que se vio involucrada con el proyecto fue el Ingeniero Mauricio Duque, quien con sus ideas aportó un módulo adicional al equipo; como se explicó anteriormente en la sección 2.4.2, en el ámbito de la industria, abundan los sistemas no lineales y tanto las estructuras del sistema de control como las estrategias a adoptar, son diferentes. Por lo tanto, este sistema de control multiproceso debía contar con un módulo que tuviera un control no lineal, y se decidió controlar la variable de pH en un recipiente de los que se había estimado previamente.. 21.

(30) IQ-2004-I-03. En la Figura 11 se puede apreciar el diagrama de flujo preliminar que se elaboró, plasmando las ideas previamente expuestas además de ciertos parámetros adicionales que vale la pena mencionar.. Figura 11: Diagrama preliminar del primer diseño obtenido. Los líquidos que se iba a utilizar eran agua y ácido, con el fin de simplificar el sistema y para no utilizar reactivos que representaran alguna clase de peligro para los estudiantes. El abastecimiento del agua se hacía directamente desde el acueducto, por lo que el lugar debía contar con un suministro de agua; el ácido, por el contrario, se almacenaba en un pequeño tanque que incluía el sistema. Para entender un poco más el diseño, es necesario entrar en detalle de cada uno de los lazos de control: •. Nivel: El control de nivel se hacía en el primer vessel, denominado TK-101 y para este efecto se tomaba el agua directamente de la fuente de abastecimiento. Con el objetivo de evitar rebosamientos en el recipiente, se pensó en un control manual adicional del flujo que ingresaba al vessel, por medio de la válvula V-101. Además se instalaría un rotámetro que indicaría el flujo de entrada de agua, el cual se debía mantener durante toda la práctica. Para el control del nivel dentro del recipiente, se instalaría un sensor, una bomba centrífuga (para efectos de drenaje) y una válvula como elemento final de control. Estos elementos fueron denominados P-101 y. 22.

(31) IQ-2004-I-03. AO-101. Cuando el nivel sobrepasara el punto de consigna, la válvula se abriría (de tipo normalmente cerrada) y permitiría la evacuación del líquido directamente hacia el drenaje. Para aislar el módulo de control del resto del equipo, la válvula V-102 debía permanecer cerrada. •. pH: El control de esta variable se realizaría en el mismo recipiente que el control de nivel, y de igual manera se aislaría del resto del equipo. Se emplearía un sensor, además de una bomba dosificadora que actuaría como elemento final de control, denominada en este diseño DP-101. El punto de consigna de este lazo de control se impondría de tal manera que se quisiera una solución ácida, debido a la ausencia de una base para realizar la neutralización. Como aspecto adicional, este lazo de control se podría combinar con el control de nivel, para efectos de seguridad, y así no tener posibilidad de accidentes en el equipo.. •. Presión: Para este lazo de control se hacía uso del segundo recipiente, denominado TK-102 y como ya se dijo, el objetivo es presionar este vessel y por medio de una válvula desfogar a la atmósfera. La presión sobre el tanque se hacía con vapor, por lo que era necesario añadir un elemento de calentamiento para efectos de obtención de vapor de agua; este elemento sería una resistencia de inmersión que fuera capaz de elevar la temperatura del agua hasta el punto de ebullición. Debido a que la evaporación del agua representaba pérdida de agua líquida, era necesario mantener un flujo de entrada que garantizara que siempre existiría un nivel dentro de este tanque; por lo tanto, era necesario el uso de la bomba centrífuga P-102, cuya función sería bombear el líquido hasta el recipiente en cuestión. El control de flujo se podría hacer por medio de la válvula V-103, la cual es de tipo globo y de accionamiento manual. El sistema de control constaba de un sensor de presión, junto con una válvula de tipo normalmente cerrada. Cuando la presión alcanzaba el punto de consigna, la válvula de desfogue (denominada AO-102) se abría permitiendo que el vapor saliera y la presión dentro del recipiente se estabilizaría.. •. Flujo: El flujo se controlaría en la línea de salida del primer vessel, línea que se dirige a su vez a la entrada del intercambiador de calor. La bomba P-102 impulsaba el líquido, y este llegaba hasta el segundo recipiente; la estructura del sistema de control contaba con un sensor de flujo y una válvula de control como actuador sobre el proceso. La apertura de la válvula de globo AC-101, dependía del punto de consigna que se deseaba alcanzar.. •. Temperatura: El lazo de temperatura sería el más complicado de todo el sistema, ya que incluiría de lleno el intercambiador de calor de doble tubo y la resistencia como elemento final de control; además actuaría junto con el. 23.

(32) IQ-2004-I-03. lazo de control de flujo en una estrategis de control bastante complicada. Lo primero que se hacía era fijar un flujo de entrada, el cual se realizaría con el control automático de flujo en la línea de salida del primer recipiente. Una vez hecho esto, el objetivo era controlar dos (2) temperaturas diferentes: la temperatura de entrada de la corriente caliente y la temperatura de salida de la corriente fría. La estructura de control de la primera de ellas, consistía simplemente en un sensor de temperatura y la resistencia de inmersión como elemento actuador; dependiendo del set point impuesto por el usuario, la resistencia emitiría más o menos energía. En cuanto al control de la segunda, se esperaba usar el intercambiador de doble tubo de la siguiente manera: ya especificados la temperatura de entrada de ambas corrients (fría y caliente) y el flujo de entrada de la corriente fría, la temperatura de salida de la corriente fría dependería de la variación del flujo de entrada de la corriente caliente. Por lo tanto la estructura de este control consistía en un sensor de temperatura y una válvula de control, denominada AC-102; esta válvula cambiaría su apertura dependiendo de la temperatura que se tenga y el punto de consigna que se puso. Una vez el agua de proceso abandonaba el intercambiador de calor de doble tubo, se arrojaba directamente al drenaje del lugar. Como se puede apreciar, el sistema era bastante sencillo y cumplía con los objetivos planteados en la etapa de ingeniería conceptual, pero tras múltiples revisiones se encontraron ciertas falencias y problemas con este diseño preliminar. La lista de inconvenientes presentados por este diseño se muestra a continuación: •. La relación de altura diámetro de los recipientes se diseñó con un valor de 1.5, por razones de espacio. Esta relación no era suficiente para establecer un buen nivel dentro de los tanques, ya que las alturas obtenidas con estas relaciones eran muy bajas. Además los flujos tendrían que ser muy bajos para que el nivel no se viera drásticamente afectado por esta otra variable.. •. Como se explicó, en el lazo de control de pH se tenía un set point que establecía una solución ácida, la cual se desechaba directamente al drenaje. Esto podría ocasionar problemas ambientales, además de poder incurrir en problemas legales por desechos reactivos. Además, el uso único de soluciones ácidas obligaba tener sumo cuidado a la hora de la elección de los materiales de construcción.. •. Para la obtención de vapor en el lazo de control de presión era necesario que la temperatura del agua se elevara a aproximadamente 90 grados centígrados, lo cual constituye una gran posibilidad de riesgo debido a que la manipulación va a ser realizada por los estudiantes. En una posible. 24.

(33) IQ-2004-I-03. situación fuera de control, tener líquidos a tan altas temperaturas podría ocasionar lesiones. •. Junto con las altas temperaturas del líquido, existía el problema de las altas temperaturas del vapor. La situación típica en el control, consistía en el desfogue de este vapor desde el recipiente presionado, pero evacuar el vapor de agua a tan altas temperaturas podría llegar a ocasionar lesiones severas a los estudiantes.. •. El intercambiador de doble tubo, a la hora de ser diseñado, no resultó ser una buena opción. La longitud que implicaba tener en el intercambiador para obtener un cambio de temperatura de 5 grados centígrados, ascendía a más de 2 metros de intercambiador, por lo que necesitaríamos un gran espacio para el equipo. Para obtener una longitud razonable, el cambio en temperaturas era de aproximadamente 2 grados centígrados lo cual no constituía un gran cambio para las prácticas que se querían realizar.. •. El uso excesivo de bombas representó otra de las dificultades que presentó este diseño. Consideramos excesivo el uso de cuatro (4) bombas, debido a que la vibración causada por ellas podría poner en riesgo la correcta operación del equipo; los sensores podrían obtener lecturas incorrectas o se podrían generar accidentes, como rompimiento de tuberías.. 3.2.2 SEGUNDO DISEÑO. Teniendo en cuenta todas las dificultades que ocasionaba el anterior diseño, se rediseñó nuevamente todo el proceso, obteniendo un sistema de control multiproceso totalmente renovado, con todas las correcciones necesarias para obtener un trabajo muy buen realizado. Las Figuras 12 y 13 ilustran los diagramas de flujo obtenidos en esta nueva etapa del proyecto. Para un mejor entendimiento, se recurrirá nuevamente a la descripción de los lazos tal y como se establecerían en este diseño, junto con las mejoras que se hicieron en este nuevo sistema. •. Como primera medida se decidió no tomar el agua directamente desde el acueducto, sino que se utilizarán tanques de almacenamiento. Esta decisión también fue debida al gran volumen de agua que se podría estar desperdiciando en cada práctica, y con el uso de los tanques, es posible establecer una línea de recirculación, disminuyendo el consumo de agua en el laboratorio.. 25.

(34) IQ-2004-I-03. Figura 12: Diagrama preliminar del segundo diseño obtenido. Figura 13: Diagrama preliminar del módulo de presión. •. El uso de tan sólo un vessel de proceso se decidió por cuestiones de espacio, ya que dos recipientes de proceso podrían convertirse en demasiados para un proceso de baja escala. Otra de las razones tiene que ver con el lazo de control de nivel, ya que al tener una configuración de columna, la relación altura diámetro aumenta y así es más fácil obtener un nivel de líquido apreciable para su control.. •. Para el lazo de control de pH ya no sólo se van a usar soluciones ácidas, sino que por el contrario se van a utilizar ácidos y bases de baja concentración. Al tener ambas clases de soluciones, se podrá neutralizar el pH de la solución resultante y así no tener problemas a la hora de desechar en el acueducto del lugar. Vale la pena aclarar que la concentración de. 26.

(35) IQ-2004-I-03. ácido y base debe ser lo suficientemente baja como para no crear la posibilidad de accidentes graves en la manipulación del equipo. •. Uno de los cambios más significativos fue la eliminación del intercambiador de doble tubo debido a los inconvenientes que conllevaba su inclusión. Aunque se perdió el aporte de una operación unitaria en el equipo, operación por cierto muy común en el ámbito industrial, se ganó en simplicidad y por ende la construcción del equipo se hace más fácil y posible.. •. Otro de los cambios más drásticos que se generaron en este nuevo diseño fue el aislamiento total del módulo de presión, ya que no se encuentra en la misma línea de proceso de los demás lazos de control. Esta decisión se tomó debido a que no era recomendable presionar el vessel de proceso, porque allí se encontraba la mayoría de la sensórica del sistema y además por problemas de seguridad; se quería que el vessel de proceso estuviera construido en un material transparente para poder observar lo que pase dentro de él, y las mejores opciones de material eran vidrio y acrílico. Presionar este tipo de materiales es bastante peligroso, así que se decidió utilizar un recipiente adicional.. •. Para la presión de este último recipiente ya no se va a hacer uso de altas temperaturas para la obtención de vapor, por el contrario se va a hacer uso de un compresor que brindará como servicio adicional aire para presionar el tanque adicional. Con el uso de aire, se eliminan los problemas de accidentes por líquidos y vapores a alta temperatura, optimizando las funciones del equipo.. •. La simplicidad del anterior diseño incurría en que las estrategias de control utilizadas fueran muy obvias o no tuvieran una complejidad apropiada para cierto tipo de situaciones. Por esta razón se hizo uso de una estrategia de control avanzado, comúnmente usada en el ámbito de los procesos industriales, como lo es el control en cascada. Este control avanzado le añade al equipo un aspecto pedagógico más completo que le muestra al estudiante nuevas lógicas del control de procesos.. •. El objetivo pedagógico del equipo es la característica de mayor realce en el sistema, por lo tanto se añadieron distintos tipos de control por medio del uso de diferentes válvulas como de tipo solenoide, de tipo globo de accionamiento manual y de tipo globo de accionamiento automático.. •. Se redujo el número de bombas, permitiendo que la vibración en la estructura del equipo se disminuyera al máximo, contando con tan sólo dos. 27.

(36) IQ-2004-I-03. (2) bombas; el mínimo número de bombas necesarias es ese, ya que tan sólo debemos contar con dos impulsos, el de llenado y el de vaciado. Las mejoras que se le realizaron a este nuevo diseño se hicieron debido a la realimentación típica que surgía en cada una de las revisiones, además de aportes adicionales que plasmaron los proveedores de la instrumentación. Al conocer ellos un poco más de esta clase de procesos, se hacía muy interesante toda la información que pudieran añadir respecto al proyecto. Una de las señales más importantes en el control de procesos son las perturbaciones, ya que son las que obligan a que el sistema de control entre en acción. Por lo tanto para este proyecto, también era necesario establecer las perturbaciones necesarias para cada uno de los loops de control. A continuación se explican los lazos de control del nuevo diseño: •. Nivel: Para el control de la variable de nivel, se va a manipular la entrada del líquido a la columna del equipo, el cual viene impulsado por la bomba centrífuga llamada P-101; además, se cuenta con un rotámetro en la misma línea que tiene la función de indicar el flujo de líquido que está pasando. Como ya se especificó, debido a que se quieren realizar varias prácticas, se utilizan una válvula de aguja (V-102), una válvula solenoide (V-103) y finalmente una válvula de control (V-104), esto con el objetivo que el estudiante comprenda la labor de una válvula de control, y que analice la velocidad de respuesta con un control ON-OFF. La estrategia de control es muy simple, ya que sencillamente la válvula modificará su apertura dependiendo de la señal que arroje el sensor que se encuentra en el vessel. La perturbación que se pensó para esta variable fue aumentar el flujo en la línea de entrada, por medio de la válvula V-102, lo cual obligaba a la válvula de control a realizar un cambio en su apertura para mantener el nivel en el punto de consigna.. •. Temperatura: Lo que se desea con este lazo es mantener la temperatura del agua en cierto valor constante, utilizando para ello la resistencia eléctrica ubicada en la columna principal, sin cambiar demasiado con respecto al primer diseño. El lazo lo conforma el sensor de temperatura junto con la resistencia eléctrica, la cual se verá modificada por el uso de un relé de estado sólido. Se decidió mantener en continuo el proceso, razón por la cual es necesario usar el rotámetro ubicado después de la columna, para alterar el flujo de salida manualmente, asegurando un mayor tiempo de residencia del líquido en la columna. Este flujo es debido a la acción de impulso de vaciado de la bomba P-102, la cual se encuentra en la línea de salida del recipiente. La recirculación del líquido se hace muy importante porque gracias a ella, no se malgastarán volúmenes tan altos de agua y la práctica se hace un poco más larga en duración. La perturbación a este. 28.

(37) IQ-2004-I-03. lazo se hará desde el tanque de alimentación (TK-101 o 102), agregando hielo que permita la disminución de la temperatura de entrada del agua; al disminuir la temperatura de entrada del líquido, la resistencia deberá entrar en acción para alcanzar nuevamente el punto de consigna de este lazo. •. pH: La variable a controlar es el pH del líquido almacenado mediante la manipulación de la bomba dosificadora localizada entre el TK-103 y la columna central, tal y como se hacía desde el primer diseño. Al contrario de lo que sucedía antes, en los tanques de almacenamiento TK-101 y TK-102 se encuentran las soluciones ácidas (bastante diluidas, por cierto), mientras que en el tanque de almacenamiento TK-103 se encuentra guardada la solución básica, la cual también es muy diluida. La bomba modificará su flujo de dosificación de base, dependiendo de la señal arrojada por el sensor de pH ubicado en la columna. El set point de este controlador se puede ubicar en un pH neutro o aproximado, para evitar posibles problemas de contaminación al momento de desechar al acueducto las soluciones obtenidas. Se pensó en la posibilidad de acoplar este lazo a los demás lazos (flujo y nivel), permitiendo involucrar más de dos variables en un solo control. Se usan dos tanques de almacenamiento de soluciones ácidas, debido a que utilizaremos dos distintas soluciones a diferentes concentraciones como perturbación al sistema. De acuerdo a la señal brindada por el sensor de pH, la bomba dosificadora alterará su flujo hasta obtener un pH de 7. Vale la pena indicar que no existirá recirculación del líquido, por que se contaminarían las soluciones iniciales; por lo tanto la válvula V-107 se manipulará de tala manera que no se recircule el líquido sino que se envíe directamente al drenaje del lugar.. •. Flujo: En este lazo de control el objetivo real es mantener el nivel de líquido dentro del recipiente de proceso; para el control de nivel, lo que se realizará es controlar el flujo de la corriente de salida. El lazo de control está conformado por un sensor de flujo ubicado en la línea de salida del vessel, junto con la bomba P-102 y la válvula V-106; aunque no hace parte de la estructura del lazo de control, también se encuentra un rotámetro en la misma línea, que se encarga de registrar e indicar el flujo de salida del agua. A medida que la columna se vaya llenando, se hará un control en cascada que permita manipular la válvula y así mantener el nivel deseado. El control maestro será el de nivel, mientras que el controlador de flujo será el esclavo. Lo que se hace en este control en cascada es lo siguiente (Ver Figura 13): Se mide el nivel dentro de la columna, el controlador de nivel se encargará de comparar la señal del sensor con su set point y de calcular la salida. La salida de este controlador será el set point del controlador secundario (flujo), y dependiendo de la señal emitida por el sensor de flujo, se manipulará la apertura de la válvula V-106. Otro de los objetivos de este control en cascada, es que el estudiante analice la respuesta del control de. 29.

(38) IQ-2004-I-03. nivel obtenida por este método, y la obtenida por el método anterior (realimentación convencional). La perturbación que se puede establecer para este lazo de control consiste en la manipulación manual de la válvula V-105 o V-102, la cual variará el flujo ya sea de salida o de entrada, obligando al sistema de control a entrar en acción. •. Presión: El lazo de control de presión es totalmente independiente y lo que busca es mantener presionado el tanque TK-104 en un valor determinado, el cual no debe ser tan alto para poder trabajar en condiciones no tan extremas (aprox. 30 psi). Está conformado por un sensor de presión, una válvula de control (V-110) y una válvula de alivio; esta última calibrada a altas presiones para evitar problemas de seguridad para el estudiante. Cuando la presión dentro del tanque alcance el set point, la válvula se abrirá dejando escapar el aire y aliviando la presión dentro del tanque; además se cuenta con un manómetro que cumplirá la función de sensor indicador, mostrándole al estudiante la presión dentro del tanque y convirtiéndose en la primera señal en caso de alguna falla de control.. Comparando el primer diseño con este último, las mejoras se notaron bastante y además los problemas se disminuyeron al máximo, permitiendo utilizar el segundo diseño como el entregable de la ingeniería básica y a partir de él obtener el diseño detallado. En cuanto a los diagramas que resultaron de esta etapa de la ingeniería del proyecto, no se anexan debido a que en la retroalimentación utilizada en la siguiente etapa se arreglaron ciertos aspectos que cambiaron un poco el diseño obtenido en la ingeniería básica. A la par que se realizaban este tipo de actividades, se adelantaron cotizaciones con empresas que se encargan de la comercialización de equipos de tipo pedagógico, pero el resultado de estas cotizaciones se mostrará en una sección más adelante de este documento. En cuanto al presupuesto que se pudo calcular de este diseño, se llegó a un valor muy aproximado al que ya se había estimado previamente (40 millones de pesos) y haciendo un presupuesto preliminar basado en la instrumentación especificada, se llegó a la conclusión que el proyecto no costaría más de treinta y cinco millones de pesos ($35.000.000). En términos de tiempo, esta etapa de ingeniería también se tardó bastante debido a las constantes revisiones y retroalimentaciones a las que se sometía el diseño. Siendo más preciso, la etapa de ingeniería básica transcurrió por aproximadamente 60 días, teniendo en cuenta desde el momento en que culminó la etapa de ingeniería conceptual.. 30.