Departamento de Electricidad
Laboratorio de Instrumentación
y Control
Control de Procesos
Controladores
IUT Cumaná Departamento de Electricidad Km. 4 Carretera Cumaná - Cumanacoa Telf.: (0293) 4672138 • (0293) 4672136 Fax: (0293) 4672153 abril 2004 Prof. Jesús Otero Profesor Agregado e-mail: [email protected]
El lazo de control de temperatura del sol, los
lazos de control de los movimientos de
rotación y traslación de la tierra, los lazos de
control de cada uno de nuestros órganos, son
para mi sencillamente imposibles de imaginar.
Solo lo sabe su diseñador y constructor.
TABLA DE CONTENIDOS
1 DEFINICIÓN DE LOS LAZOS DE CONTROL...4
1.1 INTRODUCCIÓN ...4
1.2 BREVE RESEÑA HISTÓRICA ...4
1.3 ESQUEMAS DE CONTROL ...5
1.4 LAZOS DE CONTROL...9
1.4.1 Sistemas de Control a lazo abierto...9
1.4.2 Sistemas de Control de lazo cerrado...10
1.4.3 Sistemas de Control a Lazo Cerrado TODO-NADA...11
1.4.4 Sistemas de Control a Lazo Cerrado...12
1.5 DEFINICIONES:...19
2 CONTROL DE PRESIÓN Y NIVEL EN SEPARADOR ...21
2.1 CADENA DE SEPARADORES...21
2.2 ESQUEMÁTICO DE YACIMIENTOS Y CONEXIÓN A LA ESTACIÓN...23
2.3 ESTACIÓN DE PRODUCCIÓN PETROLERA...24
2.4 LAZOS DE CONTROL DE PRESIÓN Y NIVEL ...26
2.4.1 Lazo de Control de Presión: ...26
2.4.2 Lazo de Control de Nivel:...29
3 TOPOLOGÍAS DE LOS LAZOS DE CONTROL...33
3.1 CONSIDERACIONES DEL HARDWARE Y SOFTWARE DE LOS PLC PARA IMPLEMENTAR LAS TOPOLOGÍAS DE CONTROL...33
3.2 LAZOS DE CONTROL SIMPLES...37
3.3 LAZOS DE CONTROL EN CASCADA ...39
3.4 CONTROL FEEDFORWARD ...43
3.5 CONTROL CASCADA + FEEDFORWARD...44
3.6 CONTROL SELECTIVO...46
3.7 CONTROL OVERRIDE...47
3.9 CONTROL INFERENCIAL ...55
3.10 CONTROL SPLIT RANGE ...55
4 ANÁLISIS DE LA RESPUESTA EN RÉGIMEN TRANSITORIO ...56
4.1 INTRODUCCIÓN ...56
4.2 IDENTIFICACION DE SEÑALES: ESCALON, RAMPA E IMPULSO...57
4.3 SISTEMA DE PRIMER ORDEN ...61
4.3.1 Repuesta al Escalón ...61
4.3.2 Repuesta a la Rampa...63
4.3.3 Repuesta al Impulso...64
4.4 SISTEMA DE SEGUNDO ORDEN...65
4.4.1 Lazo de Control de un Sistema de Segundo Orden ...68
4.4.2 Repuestas al Escalón Unitario ...71
4.4.3 Especificaciones de Respuesta Transitoria ...73
4.4.4 Repuestas al Impulso Unitario...74
4.4.5 Acciones de Control PID sobre el Sistema de Segundo Orden ...76
5 ENTONACIÓN DE LAZOS DE CONTROL...79
5.1 LAZO DE CONTROL DE PRESIÓN ...79
5.2 LAZO DE CONTROL DE NIVEL ...82
5.3 LAZO DE CONTROL DE CAUDAL...84
5.4 LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA...85
5.5 ENTONACIÓN DEL LAZO DE CONTROL...86
5.5.1 Acción Proporcional ...88
5.5.2 Ajuste Proporcional-Integrativo ...91
5.5.3 Acción Proporcional - Derivativo...93
6 APLICACIONES EN INSTALACIONES PETROLERAS ...96
6.1 CONTROL DE TEMPERATURA EN HORNOS...96
6.2 LAZO DE CONTROL DE PRESIÓN DEL SEPARADOR TRIFÁSICO ...104
6.3 LAZO DE CONTROL TEMPERATURA-CAUDAL (REFLUJO TORRE)...107
1
DEFINICIÓN DE LOS LAZOS DE
CONTROL
1.1 INTRODUCCIÓN
Una de las áreas de aplicación más importantes del control automático, es el control de los procesos industriales usualmente llamada Control de Procesos. Los requerimientos recientes de seguridad en la operación de los equipos, un control más estricto de calidad de los productos, de mayores eficiencias energéticas y la preservación del medio ambiente, hacen necesario contar en las industrias con sistemas de supervisión y control de los procesos cada vez más sofisticados. El sistema de instrumentación de un proceso industrial puede requerir sin embargo, desde instrumentos tan simples como un termómetro o indicador de presión local, hasta sistemas computadorizados distribuidos en la planta para la implantación de esquemas de controles modernos.
Todo lazo se control realimentado simple requerirá como mínimo de un elemento de medición y transmisión del valor de la variable que se desea controlar, un controlador y un elemento final de control debidamente interconectados entre si. Para la selección, instalación y puesta en servicio de los lazos de controles industriales, se requiere conocer entonces sobre los instrumentos disponibles para la medición de las principales variables operacionales a ser controladas en la industria, conocer sobre las válvulas de control, las cuales son el elemento final de control más utilizado y sobre la operación de los controladores de uso industrial, la entonación adecuada de los lazos por estos controlados y los procedimientos para la obtención de la información necesaria del proceso para realizarla.
1.2 BREVE RESEÑA HISTÓRICA
El desarrollo de la teoría de control automático y de los equipos requeridos para su aplicación al control de los procesos industriales, ha sido muy grande desde que James Watt desarrolló su gobernador para controlar la velocidad de una máquina de vapor en 1778, basado en el censor de bolas giratorias inventado por Thomas Mead un año antes.
A continuación se citan algunos de los hitos históricos importantes en el desarrollo de la instrumentación y el control de proceso. Aunque ya en 1912 se utilizaban registradores de temperatura Taylor en la industria lechera, se considera que el inicio de la aplicación de la teoría de control a los procesos industriales conocida como control de procesos, como un campo independiente, se dio en 1930 con la aparición de publicaciones técnicas sobre aplicaciones de los controladores, el efecto del tiempo muerto sobre la estabilidad de los lazos de control y otros temas afines.
El desarrollo de los equipos e instrumentos para los controles de procesos ha sido largo y grande, desde los instrumentos indicadores simples como termómetros, indicadores de presión y otros instalados localmente en el campo, hasta los actuales sistemas de control digital distribuido (DCS). Los controladores PID comerciales actuales tienen su inicio en 1930 cuando Taylor produjo el modelo 10R siendo este el primer controlador proporcional neumático, Foxboro por su parte introdujo en 1934 el controlador proporcional-integral modelo 40 y en 1938 Taylor incorporó el modo derivativo en su modelo 56R poniendo en 1940 en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100. John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942. El desarrollo de nuevos métodos de entonación de controladores propuestos posteriormente ha sido grande y continuo. En 1945 se funda la instrument Society of America (SA ) hoy en día denominada ISA – The Instrumentation Systems and Automation Society. Bedford Associates produce el primer Controlador Lógico Programable (PLC), el Modicon 084, en 1969. A mediados de los años setenta del siglo pasado, Yokowaga y Honeywell introducen los primeros Sistemas de Control Distribuido (DCS).
La instrumentación inicialmente neumática, ha evolucionado hasta los actuales instrumentos electrónicos digitales y aunque las señales de transmisión dominantes son todavía analógicas, existe actualmente comunicación digital entre los instrumentos para efectos de calibración, mantenimiento y supervisión. Paulatinamente, y especialmente en los últimos tiempos, parte de los desarrollos de la teoría de control moderno, han encontrando aplicación en el control de procesos y el controlador PID sigue siendo el más empleado. En el año 2000 la Federación internacional de Control (FAC) celebró la cesión de trabajo sobre controladores PID denominada “Digital Control: Past, Present and Future of PID Control” demostrando su total vigencia en el ámbito del control de procesos.
1.3 ESQUEMAS DE CONTROL
En el control de un proceso industrial están envueltas varias variables que entran y salen del mismo proceso industrial, relacionadas entre si por el proceso mismo y por los lazos de control. Las variables controladas son aquellas condiciones que se desean controlar o mantener en un valor deseado y pueden ser caudales, temperaturas, niveles, u otras características necesarias de controlar. Para cada una de estas variables controladas se establecerá un valor deseado también llamado punto de ajuste o set point. Para cada variable controlada existe una cantidad o variable manipulada de entrada asociada a esta y
que llega al controlador a través de la realimentación que proporcionan los transmisores, la variable manipulada se podrá modificar para lograr el objetivo de control. En el control de procesos esta es normalmente alguna razón de flujo que se puede variar empleando una válvula de control.
Las perturbaciones son también entradas al proceso pero sobre las que no se puede actuar y tienden a llevar a las variables controladas fuera de sus condiciones deseadas. Pueden ser cambios en alguna característica del proceso o del medio ambiente. Será necesario entonces contar con algún sistema de control para ajustar las variables manipuladas de manera de mantener las variables controladas en su valor deseado a pesar de las perturbaciones.
Con la finalidad de ir visualizando un proceso donde se identifiquen las variables que entran y salen del mismo, la implementación de sistemas de control basados en Controladores Lógicos Programable (PLC) y las consideraciones de sistemas de control basado en esta arquitectura, se muestra las siguientes figuras, en la primera se presentan como ejemplo una torre de destilación, donde se observan sus diferentes variables de entradas y variables de salida, así como, los diferentes lazos de control que son necesarios para atender los requerimientos del tope de la torre, del fondo de la torre y de la alimentación.
Fig. 1.1
Torre de destilación
En la siguiente figura se muestra el esquemático donde están el conjunto de instrumentos y equipos que conformaran los lazos de control. Se observan los transmisores que están instalados dentro del proceso y que envían hasta los controladores (PLC) unas señales eléctricas directamente proporcionales a la magnitud de las variables manipuladas, posteriormente los controladores (PLC) que comparan las señales que envían los transmisores con las consignas o set point de las variables controladas para aplicar las acciones de control PID, de la salida de los controladores (PLC) se envían unas señales eléctricas que una vez que pasan por los convertidores I/P se convierten en una señal neumática que regularan la apertura del elemento final de control y con ello la magnitud de la variable manipulada. Proceso Industrial TRANSMISORES Elementos finales de control PLC Funciones de la instrumentación • I: Indicar • T: Transmitir • C: Controlar Fig. 1.2
En el esquemático a continuación, se muestra una arquitectura de control conformada por transmisores inteligentes como instrumento de Medición, PLC como arreglo de controladores, conexiones a la sala de control a través del PLC maestro hasta el servidor de la sala de control y posteriormente conexiones desde la sala de control hasta red corporativa que permitirá el acceso a la información desde cualquier PC interconectada.
Fig. 1.3
En el esquemático de la figura anterior se muestra el ultimo nivel en el arte del control de procesos, es decir, transmisores inteligentes que serán calibrados desde la red y que utilizaran un solo par de cables para alimentar eléctricamente varios transmisores, así como utilizar el mismo cable para transmitir las señales de cada transmisor en protocolos de comunicación Modbus o FielBus por ejemplo, se tendrán arreglos de PLC distribuidos a lo largo de las distintas plantas de la empresa e interconectados entre si a través de protocolo ControlNet en arreglos de PLC maestro-esclavos, se tendrán PLC maestros que se interconectan en Ethernet hasta el servidor de la Sala de Control de la empresa e interconexiones de la Sala de Control con la red LAN corporativa a través de TCP/IP.
Sin embargo, en la atención de ir aprendiendo progresivamente sobre los lazos de control, y los controladores que los implementan, se hace necesario partir desde las bases fundamentales, por lo cual se deben definir los conceptos de lazos de control abierto y lazo de control cerrado y el modelo matemático de los lazos de control tal como se presentan a continuación.
1.4 LAZOS DE CONTROL
1.4.1 Sistemas de Control a lazo abierto.
En los sistemas de control a lazo abierto, la salida no tiene efectos sobre la acción de control. La salida ni se mide, ni sé realimenta para ser comparada con la acción de control de entrada, es decir no se compara la variable de salida del proceso con la entrada de referencia, por ello para cada acción de control de entrada corresponde una salida del proceso fijo, tal como los ejemplos que se mencionan a continuación:
• Prender y apagar bombillos. No hay control de intensidad de la luz. • Prender y apagar licuadora. No hay control de velocidad.
• Abrir y cerrar válvula manual. No hay control de caudal, temperatura.
• El semáforo. No tiene control de número de vehículos por vía para determinar la duración de cada uno de sus eventos.
Fig. 1.4
La exactitud del sistema de control en lazo abierto depende de la calibración manual de la válvula, la potencia del bombillo, la selección de velocidad de la licuadora y en presencia de perturbaciones un sistema de control a lazo abierto no cumple adecuadamente con su función.
Se muestra en la siguiente figura un lazo de control abierto, un proceso donde entra agua fría a un intercambiador para salir como agua caliente. Para ello será necesario intercambiar calor con el vapor que entra al intercambiador.
Fig. 1.5 Control PROCESO Acción de Control Salida VAPOR Agua fría Agua caliente
El control de lazo abierto ofrece una forma alterna y conceptualmente diferente de efectuar el control de la variable de interés. En el control de lazo abierto o manual el operador observa (sensa) el valor de la perturbación y basado en este y en el valor deseado de la variable controlada y en su conocimiento del proceso, toma una decisión (controla) y modifica (actúa) el valor de la variable manipulada de manera de contrarrestar el efecto de la perturbación sobre la variable controlada. En el control de lazo abierto, regulado por un operador, lo hace para prevenir la ocurrencia del error, aumentándose considerablemente el conocimiento del proceso que debe tener el operador. El operador debe conocer por adelantado cuales perturbaciones afectan el proceso y tomar previsiones para su corrección.
De no existir un operador que pueda hacer un lazo de control cerrado en forma manual, entonces, en este lazo de control abierto todas las perturbaciones que sufra el sistema bien por cambios en la presión del vapor, cambios en la temperatura del agua entrada, o la suma de todas las perturbaciones, modificara la temperatura del agua caliente se salida, es decir en este lazo abierto cualquier perturbación modificara la magnitud de la variable de salida. En procesos complejos los reflejos de un operador humano no son eficaces, por la precisión del proceso, por la velocidad de las respuestas requeridas, así como, condiciones donde es necesaria la interrelación de varias variables operacionales, por lo que se hace necesario el uso de equipos controladores que actúen sobre el elemento final de control que regula la variable controlada.
1.4.2 Sistemas de Control de lazo cerrado
La siguiente figura muestra un diagrama de control a lazo cerrado:
Fig. 1.6
En un sistema de control a lazo cerrado la señal de la variable de salida S(s), tiene efectos directos sobre la acción de control. Son sistemas realimentados donde el controlador recibe una señal del valor deseado o Set Point VD(s), que compara con el valor de la realimentación de la magnitud de la salida del proceso R(s).
Con el valor deseado VD(s) y la realimentación R(s) el controlador genera la señal de error ε(s) la cual es la diferencia entre el valor deseado y la realimentación:
) ( ) ( ) (s =VD s −R s ε
Controlador INDUSTRIAL PROCESO
Retroalimentación R(s) Variable de salida S(s) Valor deseado o set-point VD(s)
La señal de error ε(s), es procesada por el controlador con la finalidad de corregir el error y llevar que la salida del proceso tome el valor deseado de la entrada de referencia VD(s). Él termino de “lazo cerrado” implica el uso de la realimentación para reducir la diferencia de la magnitud de la variable de salida del proceso con el valor deseado de referencia.
1.4.3 Sistemas de Control a Lazo Cerrado TODO-NADA
En un sistema de control de dos posiciones, el controlador asume solamente dos posiciones fijas, que en muchos casos son simplemente conectado o desconectado, ON o OFF. Sea la señal de salida M(t) y la señal de error e(t), en un control de dos posiciones, la señal M(t) permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la señal de error e(t) sea positiva o negativa.
M(t) = M1 si e(t) > 0 M(t) = M2 si e(t) < 0
Donde M1 y M2 son constantes. Generalmente el valor de M2 es cero. En la siguiente figura se presenta el diagrama de bloques de los controles de dos posiciones.
Fig. 1.7
También se tiene el control de dos posiciones con Banda Diferencial. En el arreglo con Banda Diferencial debe desplazarse la señal de error e(t) hasta los topes de las bandas antes de que se produzca la conmutación. La banda diferencial hace que la salida del control M(t) mantenga su valor hasta que la señal de error e(t) haya pasado levemente al otro nivel de decisión. Normalmente la banda diferencial se ajusta para evitar que la acción de control M(t) actué excesivamente en la acción ON-OFF. En la siguiente figura se presenta el diagrama de bloques de los controles de dos posiciones con banda diferencial, así como, la grafica donde se simula el comportamiento de una variable operacional con Banda Diferencial PROCESO INDUSTRIAL Retroalimentación R(s) S(s) VD(s) e(s) M(s) M2 M1 +
Fig. 1.8
En la práctica se puede reducir o ampliar, la amplitud de oscilación de la salida, modificando la Banda Diferencial. Al reducir la Banda Diferencial se aumentara la cantidad de conmutaciones por minuto del componente de conmutación y con ello la vida útil del mismo. Hay que determinar el valor de la Banda Diferencial entre las consideraciones entre la exactitud deseada y la duración de los componentes de conmutación.
1.4.4 Sistemas de Control a Lazo Cerrado
En la siguiente figura, se muestra un ejemplo de lo que seria un sistema de control a lazo abierto si en el no actúa el operador, y un lazo cerrado manual cuando el operador modifica la apertura de la válvula manualmente, para atender las perturbaciones que pudieran originarse y así mantener la temperatura de agua caliente de salida constante.
Fig. 1.9 PROCESO INDUSTRIAL Retroalimentación R(s) S(s) VD(s) e(s) M(s) M2 Inte gra + Banda Diferencial Tiempo Variable Operacional TT 01 VAPOR Agua fría Agua caliente
De la figura se puede observar que el operador actúa como un controlador, para buscar mantener constante la temperatura del agua caliente, la cual es la variable física de salida. El termómetro indica la temperatura de la salida del agua y el operador observa la temperatura y ajusta la válvula manual para regular la entrada de vapor, para que la variable física de salida del proceso que es la temperatura de agua busque tener el valor deseado.
Fig. 1.10
Si el operador tiene esta habilidad, entonces la variable controlada no variará de su valor deseado, pero si su conocimiento del proceso es incompleto, comete un error o no puede anticipar todas las perturbaciones que pueden afectar el proceso, entonces la variable controlada se desviará de su valor deseado y existirá un error no corregido y hasta desconocido.
Este lazo de control cerrado manual, puede ser reemplazado por un lazo cerrado de control automático, tal como se muestra en la figura siguiente:
Fig. 1.11 VAPOR TT 01 Agua fría Agua caliente TIC 01 TY 01 s(t) Valor deseado Temperatura del sistema
El valor de la magnitud de la temperatura es enviada por el transmisor TT-01 al controlador, en el controlador es comparada la realimentación de temperatura RT(s) enviada por el transmisor con la temperatura deseada o set-point TD(s), generando la señal de error e(s)=TD(s) - RT(s); esta señal de error generada por el controlador es procesada por el mismo para realizar las acciones de control: Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID), la cual una vez como señal de control sale desde el controlador en 4-20 mA, esta señal alimentara al convertidor de corriente-presión (TY-01) que tendrá como salida una señal neumática entre (3-15) PSI para regular la apertura de la válvula de control y con ello la entrada de vapor para mantener la temperatura deseada.
Al observar simultáneamente el sistema de lazo cerrado de control manual accionado por el operador, con el lazo cerrado de control automático se puede comprobar que funcionan de manera similar. Los ojos del operador son análogos al transmisor, la mente del operador es análogo a la parte del controlador automático que genera el detector de error e(t) = TD(t) - RT(t) dado que hace la diferencia entre la orden que le dieron de mantener constante la temperatura de salida TD(t) y el valor de la temperatura que se indica en el termómetro, así mismo la mente del operador es análogo a la parte del controlador automático que ejecuta el procesamiento PID de la señal de error. Los músculos del brazo y las manos del operador son análogos al convertidor I/P TY-01 y del actuador de la válvula de control.
El control realimentado es el esquema que resuelve la gran mayoría de los problemas de control por lo que requiere de mayor atención. Un proceso industrial tendrá una o más variables que se deben controlar y para cada una de estas es necesario seleccionar una variable manipulada asociada para su control. Una variable controlada particular debe emparejarse entonces con una variable manipulada específica por medio del equipo de control realimentado apropiado. El sistema de control que debe implementarse para cada lazo cerrado, requiere conocer el valor deseado para la variable controlada para tomar la acción correctiva al momento de presentarse un error ya sea por el efecto de las perturbaciones o por un cambio en el valor deseado o set-point.
Las siguientes figuras muestran los lazos cerrado de control automático para diferentes procesos y diferentes variables operacionales con aplicaciones en las instalaciones petroleras. La relación entre las diferentes variables operacionales con sus respectivos equipos involucrados en el esquema de control se detalla en los siguientes diagramas funcionales.
Lazo de control automático de presión en un separador Liquido-Gas:
Fig. 1.12
Lazo de control automático de nivel en fondo de torre:
Lazo de control automático de caudal en alimentación de torre:
Fig. 1.14
Lazo de control automático de temperatura de horno vertical:
Lazo de control automático de temperatura de alimentación:
Fig. 1.16
Lazo de control automático en cascada temperatura (Maestro) y caudal (Esclavo) para controlar la temperatura de alimentación:
Fig. 1.17 TT 01 TIC 01 TY 01 TT 0n TT 01 TT 0n FY 01 FT 01 Maestro TIC 01 Esclavo FIC 01 Combustible
Además de los sistemas de control automático se esperan los siguientes requerimientos: • El sistema de control debe ser estable.
• Debe tener una estabilidad relativa razonable, es decir, la velocidad de respuestas debe ser rápida y la respuesta debe presentar un amortiguamiento razonable.
• Debe poder reducir a cero la señal de error.
• Debe ser medianamente compatible la estabilidad relativa del sistema y la exactitud del régimen.
En el control automático deben existir sensores para medir las perturbaciones entrando al proceso. Basado en los valores medidos de las perturbaciones, el valor deseado de la variable controlada y la información del proceso incorporada en el controlador, se calcula el valor requerido de la variable manipulada para eliminar el efecto de las perturbaciones. Es evidente que para las acciones de control PID en los controladores se deben incorporar un conocimiento preciso de los efectos que las perturbaciones generan en el proceso industrial a controlar para poder calcular el valor exacto requerido de los ajustes del PID.
1.5 DEFINICIONES:
Se proporciona a continuación una traducción libre de la definición de algunos de los términos más utilizados en instrumentación, pudiéndose encontrar una lista bastante extensa en la norma S51.1
Instrumento: Dispositivo que realiza una función determinada (medir,
indicar, registrar,…)
Instrumentación: Conjunto de instrumentos o su aplicación con el propósito de
observar, medir o controlar
Proceso: Cambio físico o químico de la materia, o conversión de
energía
Control de procesos: Regulación o manipulación de las variables que influyen en
la conducta de un proceso de manera de obtener un
producto de una calidad y cantidad deseadas de una manera eficiente
Señal de referencia de entrada (valor deseado o
punto de ajuste):
Variable de entrada que establece el valor deseado para la variable controlada
Variable controlada
(directa):
Variable cuyo valor es medido para originar una señal realimentada
Señal actuante de error: Diferencia algebraica entre el valor deseado y la señal
realimentada
Variable manipulada: Cantidad o condición que es variada en función de la señal
actuante de error de manera de cambiar el valor de la variable controlada
Perturbación: Cambio no deseado en el proceso el cual tiende a afectar
adversamente el valor de la variable controlada
Señal realimentada: Señal de retorno que resulta de la medición directa de la
variable controlada
Control realimentado: Control en el cual una variable medida es comparada con su
valor deseado para producir una señal actuante de error, la cual actúa de tal manera de disminuir la magnitud del error
Control realimentado (en
avance, en adelanto):
Control en el cual la información relacionada con una o más condiciones que pueden alterar la variable controlada son convertidas, fuera de cualquier lazo de realimentación, en una acción correctiva para minimizar las desviaciones de la variable controlada
Elemento primario: Elemento que convierte la energía de la variable medida en
una forma apropiada para ser medida
Elemento sensor: Elemento responsable del valor de la variable medida
Transmisor: Transductor que responde a una variable medida por medio
de un elemento sensor y la convierte a una señal de transmisión normalizada que es función de la variable medida solamente
Controlador: Dispositivo que opera en forma automáticamente para
regular una variable controlada
Elemento final de control:
Elemento que cambia directamente el valor de la variable manipulada
Válvula de control: Elemento final de control, a través del cual pasa un fluido, en
el cual ajusta el tamaño del pasaje del fluido según lo
indicado por una señal desde el controlador para modificar la razón de flujo del fluido
Sistema de control: Sistema en el cual la guía o manipulación deliberada se
utiliza para al alcanzar un valor prescrito de una variable
Sistema de control automático:
2
CONTROL DE PRESIÓN Y NIVEL
EN SEPARADOR
En la actualidad, los procesos industriales requieren métodos y mecanismos más sensibles y precisos en el campo, es por ello, la implementación de la automatización, ya que esta permite un mejor monitoreo y control de las variables operacionales que intervienen en el mismo, mediante mecanismos y controladores que orientan la información al resultado más efectivo teniendo control de manera considerable sobre los aspectos externos e internos que puedan afectar tal resultado. Todos los métodos de automatización se basan en tres factores fundamentales para su aplicabilidad como son; las mediciones de las variables, la evaluación de cada variable con la intervención de distintos factores, y por último el control necesario para corregir y obtener los resultados deseados.Uno de los elementos básicos que conforma parte de la rama extensa del Automatismo Industrial, es el control mediante correctores (P.I.D.). Los correctores P.I.D. representan un sistema de control en donde se toman en cuenta la intervención de todos los elementos que se disponen dentro del lazo a controlar con el fin de determinar mediante una serie de técnicas la obtención de los valores óptimos de la magnitud de la variable controlada y así, de esta manera mantener el sistema industrial dentro de las condiciones estudiadas.
2.1 CADENA DE SEPARADORES
Con la finalidad de facilitar la compresión de la implementación de los lazos de control en equipos y procesos del común dominio de los profesionales que trabajan dentro de las instalaciones petroleras, se parte del proceso que atiende las estaciones de producción para yacimientos petroleros de alta presión. Con ello se centra la atención en el producto que se esta manejando en cada uno de los equipos que se están controlando en los siguientes objetivos de este curso, y donde la cadena de separadores permite en forma sencilla analizar como se integran un conjunto de equipos que tienen la finalidad de ir quitando presión progresivamente al flujo que llega a los múltiples de entrada de la estación, hasta alcanzar un valor de presión mínima que permite almacenar el crudo en un tanque a presión atmosférica,
además, un análisis a la cadena de separadores permitirá identificar detalladamente cada uno de los elementos que conformaran los lazos de control de Presión y Nivel en cada uno de los separadores, así como, hacer consideraciones de las condiciones de trabajo de los instrumentos necesarios en cada uno de los separadores.
Las estaciones de producción petrolera para yacimientos de alta presión, son aquellas instalaciones donde se conectan los oleoductos que vienen desde los yacimientos en los múltiples de entrada y posteriormente se dispone de una cadena de separadores que permiten en la última etapa almacenar el crudo en tanques a presión atmosférica. En la estación habrá el proceso de separación de los productos que conforman el petróleo entre los que estarán en fase gaseosa, con los productos que se mantendrán en fase liquida según las condiciones de trabajo (Presión-Temperatura) que tendrá cada separador.
En las separaciones liquido–gas que se producen en las estaciones petroleras se hará por medio de unos separadores con sus correspondientes lazos de control (control de nivel y control de presión). Este trabajo pretende explicar la forma en que se realiza este proceso de separación liquido – gas, conocer como están instrumentados los separadores encargados de dicho proceso, además de analizar cual es la función que cumplen cada uno de sus lazos de control, con la finalidad de definir los elementos que conforman los lazos de control, las acciones que ejecutara el controladores en un proceso petrolero sencillo que debe facilitar los términos antes mencionados. Es decir, se busca este ejemplo del funcionamiento del lazo de control de nivel y del lazo de control de presión en un separador por ser las estaciones de producción para yacimientos de alta presión una de las instalaciones mas sencillas de la industria petrolera.
Una vez instrumentado los separadores también se podrá analizar al observar los esquemáticos proceso-instrumentos, la manera en que se protegen las instalaciones por sobrepresión a través de las válvulas de seguridad, y como cuantificar la cantidad de gas que se esté produciendo en la estación.
2.2 ESQUEMÁTICO DE YACIMIENTOS Y CONEXIÓN A LA ESTACIÓN
-Todos los demás
componentes de los Hidrocarburos
2.3 ESTACIÓN DE PRODUCCIÓN PETROLERA
Son aquellas instalaciones donde se conectan los oleoductos que vienen desde los yacimientos. En la estación habrá el proceso de separación de los productos que estarán en fase gaseosa, con los productos que se mantienen en fase liquida. La separación liquido-gas, de los componentes que conforman los hidrocarburos se harán con los productos que se mantendrán en fase gaseosa y los productos que se mantendrán en fase en liquida a las condiciones de trabajo Presión y Nivel que habrán en cada separador. Cada separador liquido–gas tendrá implementado sus respectivos lazos de control de nivel y de presión. El lazo de control de presión definirá la condición de trabajo del separador y el lazo de control de nivel mantendrá constante el nivel en el separador retirando los componentes que se mantienen en fase liquida. En la siguiente figura se muestran los lazos de control de Presión y Nivel que están implementados en cada uno de los separadores de la estación.
Fig. 2.2
Para cada separador se debe considerar que se tienen como parámetros para determinar la fase liquida o la fase gaseosa de los componentes de los hidrocarburos, la presión de trabajo del separador y la temperatura ambiente. En la siguiente figura se disponen de graficas donde se visualizan la condición de fase liquida o fase gaseosa de cada uno de los componentes de los hidrocarburos según la presión y temperatura a que estén sometidos. Se puede observar que dependiendo de la presión y la temperatura a que el componente es expuesto puede tomar fase gaseosa o fase liquida.
Fig. 2.3
Al observar el múltiple de entrada de la estación de producción se tiene que la salida del mismo alimenta al primer separador el cual tiene definido como condición de trabajo 1200PSI, con esta presión y la temperatura ambiente se definirán a partir de la curva que componentes estarán en fase liquida y que componentes estarán en fase gaseosa. El lazo de control de presión se encargara de mantener la presión constante en el separador regulando la válvula de control de presión y con ello retirando del separador los componentes en fase gaseosa y el lazo de control de nivel mantendrá el nivel constante regulando la válvula de control de nivel retirando como alimentación del segundo separador a los componentes que se mantuvieron en fase liquida.
El segundo y tercer separador trabajaran en forma análoga al primer separador retirando los componentes que están en fase gaseosa y fase liquida en cada uno de ellos pero a las condiciones de trabajo de 600PSI para el segundo separador y de 60PSI para el tercer separador.
2.4 LAZOS DE CONTROL DE PRESIÓN Y NIVEL
2.4.1 Lazo De Control De Presión:Es indispensable que en todo proceso donde interviene presión se establezca un control ya que un sistema operando dentro de rango que no tenga límite de presión provocaría daños irreparables al equipo y daños humanos. La presión no es más que fuerza sobre superficie, midiéndose ésta en PSI (libras por pulgadas cuadradas), kilogramo por centímetro cuadrado, bares, pascal.
En la siguiente figura se muestra el lazo de control de presión que se ha implementado en cada uno de los separadores de la estación.
Fig. 2.4
Tal como se podrá observar en la figura anterior, el lazo de control de presión esta implementado con la integración de cuatro componentes:
1. El Transmisor: se encarga de captar la señal del proceso mediante una captor o censor que alimenta al circuito electrónico, quien convierte las variaciones del captor en una señal eléctrica que será directamente proporcional a la magnitud de la presión. 2. El Controlador: se encarga de grabar el valor deseado o set-point, leer la magnitud
de la presión que envía el transmisor, calcula señal de error e(s) cuando obtiene la diferencia entre el valor deseado de la presión y el valor real que envía el transmisor, ejecutar las acciones de control Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID) de la señal de error e(s) y enviar una señal eléctrica para regular al elemento final de control. 3. El Convertidor I/P: convierte en una relación lineal la señal eléctrica de control que
envía el controlador en una señal neumática y con ella regular la apertura de la válvula de control.
4. La Válvula de Control: es el elemento final de control y regulara la apertura al paso del fluido a partir de la alimentación neumática que proporciona el convertidor I/P. En un sistema de lazo cerrado de control de presión al igual que otro lazo de control cerrado de otros sistemas y otras variables operacionales, se deben establecer los parámetros
indispensables de operación y estabilidad que permitan mantener en forma estable a lo largo del tiempo la magnitud de la variable operacional que se controla. Esto se lograra a través del controlador y de lo preciso y adecuado que se den a las asignaciones y los valores siguientes:
• El SET POINT o valor deseado. • Sensibilidad o ganancia (Kp).
• Ajuste integrativo (Ti).
• Ajuste derivativo (Td).
En el lazo cerrado de control de presión a través del controlador de la variable, se efectúan las funciones necesarias para que la magnitud de la presión dentro del separador maniobre dentro de los rangos preestablecidos, para ello el controlador debe efectuar la comparación entre la medición real que envía el transmisor y el valor deseado (set point) obteniéndose una señal de error de la señal e(s) y además emplear los parámetros PID de corrección para que el funcionamiento del proceso sea estable y preciso.
En la siguiente figura se muestra el esquemático del lazo de control de presión y el modelo matemático del lazo. A través del modelo matemático del lazo de control y de las funciones que ejecuta el controlador se desarrollara la atención PID que este ejecuta para mantener la presión real entre los límites preestablecidos en la calibración del lazo de control.
CONTROL P.I.D.
El corrector P.I.D. (Proporcional – Integrativo – Derivativo) es un tipo de ajuste que permite controlar el comportamiento de una señal con la intervención de tres factores que efectúan la corrección tanto de rapidez de la señal como de amortiguamiento de la misma. El control P.I.D. tal como se puede observar del modelo matemático es la atención PID que se ejecuta sobre la señal de error e(s), tal como se muestra:
e(s): Señal de Error
VD(s): Valor deseado (set-point).
R(s): Realimentación desde el trasmisor.
e(s) = VD(s) – R(s)
La acción de control Proporcional, Integrativo y Derivativo, que calculan y ejecutan los controladores en los lazos de control, viene dada por el siguiente modelo y la siguiente ecuación:
Fig. 2.6
Con la entonación del lazo de control se definen:
Kp: Es el componente que define la sensibilidad del sistema.
Ti: Es el período de la señal (repeticiones por minutos).
Td: Es el período de anticipo (segundos).
El ajuste proporcional o Kp es el ajuste que considera o define la banda o el margen de error
que tendrá el valor real de la presión y que estará por encima y por debajo del valor deseado (set-point), con el fin de establecer un rango que permita que la intervención de las demás acciones de control no hagan que el sistema sea muy sensible ni muy perturbado. Hay que tener claro que un ajuste proporcional muy elevado implica una banda proporcional muy estrecha haciendo que ante cualquier mínima señal de error el sistema se forzará a los extremos (4-20mA) generando que el elemento final de control produzca perturbaciones. Es
+ + ⋅ =
∫
dt t de T dt t e T t e K t M L d i p ) ( ) ( 1 ) ( ) ( Transmisor desde el proceso set-point e(s) PID M(s) Retroalimentación A(s) = A(s)+M(s) + + ⋅ =∫
dt t de T dt t e T t e K t M d i p ) ( ) ( 1 ) ( ) ( Proporcional Derivativa
por ello, que el Kp en la práctica debe considerarse un valor pequeño y compensar el margen de error con los otros elementos del control.
El ajuste integrativo, es la rapidez que toma el controlador para efectuar un cambio en la salida cada vez que la señal de error se mantenga constante, con esta acción se busca atender a la variable controlada antes de que la señal se expanda a los extremos de su rango de trabajo y así se conserve dentro de los valores próximos al set-point. El ajuste derivativo es la acción que por adelanto del tiempo se toma el controlador en anticipar un cambio para que no se produzca una señal forzada a los extremos.
Un control P.I.D. efectúa inicialmente la acción Proporcional-Derivativa y luego la acción Proporcional-Integrativa. Seleccionado los valores adecuados de Kp, Ti, Td, se efectuara una
buena entonación de lazo de control, en cambio si se toman valores ordinarios se desestabilizará el sistemas generando de esta manera perturbaciones constantes y hasta daños al equipo.
En conclusión, una buena entonación de lazo implica:
• Una banda proporcional que tenga un valor adecuado no muy elevado ni muy estrecho, es decir, que una banda muy estrecha produciría una mayor inestabilidad al sistema, y una banda elevada aumentaría de manera considerable el error de offset. • Un ajuste integrativo lo bastante considerable ya que la respuesta va a depender de
las decisiones que tome el controlador por minuto haciendo los cambios necesarios en ese período de tiempo.
• Un ajuste derivativo de valor pequeño/mediano para que la salida del sistema no se limite a los extremos y se mantenga dentro del margen de estabilidad del mismo.
2.4.2 Lazo De Control De Nivel:
Para retirar los componentes que se mantienen en fase liquida dentro del separador se hace necesario implementar un lazo de control de nivel, que al igual que el lazo de control de presión estará conformado por: el Transmisor que se encargara de enviar una señal eléctrica con una magnitud directamente proporcional a la del nivel dentro del separador, el Controlador que grabara el valor del set-point de nivel, recibe la señal de realimentación de nivel del transmisor, calcula la señal de error e(s) y aplica las acciones de control PID a la señal de error, teniendo como salida una señal eléctrica de control que una vez convertida en una señal neumática a través del Convertidor I/P posicionara la Válvula de Control para definir la magnitud del nivel dentro del separador. En la siguiente figura se muestra el lazo de control del nivel, así como, el modelo matemático del lazo de control de nivel.
Fig. 2.7
Modelo Matemático del Lazo de Control de Nivel:
El modelo matemático del lazo de control se muestra en la siguiente figura:
A(s) = A(s)+M(s) H1(s) H2(s) H3(s)
H4(s) Función Transferencia Proceso e(s) RL(s) Acción de Control PID LD(s) LIC 01 Realimentación (LT-01) Fig.2.8 LIC 01
Donde:
LD(s): Valor Deseado del Nivel (Set Point). RT(s): Realimentación del Nivel.
e(s): Señal de Error
e(s) = LD(s) – RL(s) e(s) = L [e(t)]
Acción de control PID:
La señal de error e(s) es calculada por el controlador electrónico y es la diferencia de lo que se quiere (set-point) con lo que se tiene (Realimentación). Posteriormente el controlador ejecuta la acción Proporcional, Integrativa y Derivativa a la señal de error. El resultado del tratamiento PID de la señal de error es guardado en una memoria la cual una vez convertido este valor en una señal eléctrica (4-20mA por ejemplo) sale del controlador hasta el convertidor Corriente-Presión quien se encargara finalmente de regular la válvula de control para tener dentro del separador que busque estar próximo al valor deseado o set-point. En las siguientes graficas se muestra la acción del controlador, así como, el modelo de la acción de control PID que este ejecuta.
Fig. 2.9
Con la entonación del lazo de control se definen:
+ + ⋅ =
∫
dt t de T dt t e T t e K t M L d i p ) ( ) ( 1 ) ( ) ( Transmisor desde el proceso set-point e(s) PID M(s) Retroalimentación A(s) = A(s)+M(s) F1(s) F2(s) F3(s)Función Transferencia del Proceso Industrial e(s) R(s) VD(s) Realimentación Transmisor N(s) Kp
∫
e )(t dt i T 1 dt t de )( d T M(s) A(s) = A(s)+M(s) 15 días + + ⋅ =∫
dt t de T dt t e T t e K t M d i p ) ( ) ( 1 ) ( ) (
Ti: Es el período de la señal (repeticiones por minutos).
Td: Es el período de anticipo (segundos).
La buena entonación del lazo de control se consigue cuando se asignan los términos adecuados de los valores de la Ganancia (Kp), determinar el ajuste integrativo (Ti) y el ajuste
Derivativo (Td).
Para visualizar el comportamiento de un lazo de control y observar como puede comportarse la variable operacional ante diferentes valores de la entonación del lazo de control se muestra como ejemplo un lazo de control de nivel en un separador liquido-gas.
Fig. 2.10
Para el ejemplo el valor deseado o set-point del nivel es de 50% en el separador y será un valor constante en el tiempo. Del ejemplo se observa el comportamiento de la variable operacional Nivel a lo largo del tiempo bajo tres condiciones diferentes de la entonación del mismo lazo de control. Se ve el comportamiento de un lazo bien entonado donde la variable operacional esta siempre muy próxima al set-point, se observa un comportamiento no muy estable de la variable operacional en el tiempo para un lazo de control mal entonado, así como se observa un comportamiento errático de la variable operacional a lo largo del tiempo para un lazo de control pésimamente entonado. En los tres casos el transmisor el controlador, el convertidor I/P y la válvula de control son el mismo.
El comportamiento del control dependerá únicamente de la adecuada definición de la sensibilidad (Kp), el ajuste Integrativo de las repeticiones por minutos (Ti) y el ajuste Derivativo del tiempo (Td).
3
TOPOLOGÍAS DE LOS LAZOS DE
CONTROL
3.1 CONSIDERACIONES DEL HARDWARE Y SOFTWARE DE LOS PLC
PARA IMPLEMENTAR LAS TOPOLOGÍAS DE CONTROL
El desarrollo de la teoría de control automático y de los equipos requeridos para su aplicación al control de los procesos industriales, ha sido muy grande desde su inicio hasta el momento actual. Ya en 1912 se utilizaban registradores de temperatura Taylor en la industria lechera, y se considera que el inicio de la aplicación de la teoría de control a los procesos industriales conocida como control de procesos, se dio en 1930 con la aparición de publicaciones técnicas sobre aplicaciones de los controladores, el efecto del tiempo muerto sobre la estabilidad de los lazos de control y otros temas afines.
El desarrollo de los equipos e instrumentos para los controles de procesos ha sido largo y grande, desde los instrumentos indicadores simples como termómetros, indicadores de presión y otros instalados localmente en el campo, hasta los actuales sistemas de control digital distribuido (DCS). Los controladores PID comerciales actuales tienen su inicio en 1930 cuando Taylor produjo el modelo 10R siendo este el primer controlador proporcional neumático, Foxboro por su parte introdujo en 1934 el controlador proporcional-integral modelo 40 y en 1938 Taylor incorporó el modo derivativo en su modelo 56R poniendo en 1940 en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100. John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942. En 1945 se funda la instrument Society of America (SA) hoy en día denominada ISA – The Instrumentation Systems and Automation Society. Bedford Associates produce el primer Controlador Lógico Programable (PLC), el Modicon 084, en 1969. A mediados de los años setenta del siglo pasado, Yokowaga y Honeywell introducen los primeros Sistemas de Control Distribuido (DCS).
La instrumentación inicialmente neumática, ha evolucionado hasta los actuales instrumentos electrónicos digitales y aunque las señales de transmisión dominantes son todavía analógicas, existe actualmente comunicación digital entre los instrumentos para efectos de calibración, mantenimiento y supervisión. Paulatinamente, y especialmente en los últimos tiempos, parte de los desarrollos de la teoría de control moderno, han encontrando aplicación en el control de procesos y el controlador PID sigue siendo el más empleado. En el año 2000 la Federación internacional de Control (FAC) celebró la cesión de trabajo sobre controladores PID denominada “Digital Control: Past, Present and Future of PID Control” demostrando su total vigencia en el ámbito del control de procesos.
Con la instrumentación neumática con la que en 1940 Taylor incorporó en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100 y con los mismos criterios con que John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942, se definieron las topologías de control que hoy se tienen, ha saber:
• Lazos de Control Simples. • Lazos de Control en Cascada. • Lazos de Control Feedforward.
• Lazos de Control Feedforraed+Cascada. • Lazos de Control de Control selectivo. • Lazos de Control Override.
• Lazos de Control de Rango Partido. • Lazos de Control Split Range. • Lazos de Control Inferencial.
En el pasado cuando todos los controladores eran neumáticos, se aprovechaban las salidas y las entradas neumáticas de los controladores para implementar las topologías de control, bloqueando, regulando, sumando, el aire de instrumentos o el aire de control, en unos arreglos de control totalmente neumáticos y locales. Estas consideraciones son adecuadas para tener presente que cambiaron las tecnologías para realizar el control, no cambiaron las topologías. Es por ello que para el análisis de las topologías de control que hoy se ejecutan en las instalaciones petroleras se debe maximizar la atención de las herramientas que se disponen en el hardware y el software de los Controladores Lógicos Programables PLC. Se debe eliminar el concepto de usar las señales neumáticas para implementar las topologías y considerar que los arreglos del hardware permiten recibir todas las señales de campo hasta la Sala de Control, tal como se muestra en la siguiente figura donde se observa un arreglo de control de procesos implementadas con PLC, que permite recibir desde campo todas las señales discretas que sean necesarias, todas las señales analógicas que sean necesarias, todas las comunicaciones seriales que sean necesarias entre transmisores inteligentes y el PLC, conexiones entre PLC, conexiones entre PLC y Sala de Control, así como, todas las conexiones necesarias desde los PLC o desde la sala de Control hasta el campo, por lo que no se hace necesario ningún arreglo neumático local para facilitar ninguna
de las topologías de control antes reseñadas. Estas conexiones de hardware desde el campo hasta los PLC y desde los PLC hasta el campo se muestra en la siguiente figura.
Topologias de Controladores
Ing. Jesús Enrique Otero Ramos
Interconexión de PLC con Proceso Industrial
C ont ro lN e t FL EX/ Flex Ex ControlNet PLX52 PLX52 1757 - FIM 2 4 v dc 5 09 -BOD T
ControlNet or Ethernet High Ala rmLow Ala rm Comm. Err.
Fieldbus Linking Device
Remote 1756 I/O
fig. 3.1
Las mismas consideraciones aplican para el software, dado que los fabricantes de los Controladores Lógicos programables PLC, ofrecen un conjunto de librerías de aplicaciones, un conjunto de bloques de aplicaciones como herramientas que tendrá el programador para elaborar sus programas de automatización y control justo a la medida, o justo a las necesidades del proceso industrial. Las facilidades que ofrecen los fabricantes de PLC para el desarrollo de programas usando los software de que disponen estos equipos hace innecesaria usar las señales de campo para arreglos locales que faciliten la implementación de alguna de las topologías de control. Es por ello que cualquiera que sea el tipo de control que se implemente en cualquiera instalación petrolera, la misma se debe hacer desde el programa de automatización y control sin tener que utilizar ninguna conexión neumática local como ayuda para la implementación de la misma.
En las siguientes figuras se muestran las aplicaciones que ofrece un fabricante de PLC y que sirve como ejemplo de las aplicaciones que se pueden disponer desde el software y que a través de ella posibilitar desde los programas cualquiera de los arreglos de control que se reseñaran en este capitulo.
Topologias de Ing. Jesús Enrique Otero Ramos
Un controlador que lo hace todo
El editor de BloquesFuncionales y las instrucciones de control de Procesos le proveen las herramientas para usar el mismo
controlador y el software de programación para todas las aplicaciones de su planta
SOFTWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES INDUSTRIALES
Prof. Cesar de Prada. ISA. UVA 45
Caldera de vapor FTFC FF FC FT PT PC Aire Gas Humos Vapor LC LT C o m bu sti bl e fig. 3.2 Topologias de Controladores
Ing. Jesús Enrique Otero Ramos
42 nuevas instrucciones que le proveerán de las herramientas necesarias para diseñar sofisticados controles de procesos y drives. Conjunto de instrucciones equivalente a un DCS y mejor que PLC.
Instrucciones Procesos • Alarma • PID reforzado • Rampa • Balanza • Posición Proporcional • Tiempo Proporcional • Llevar-retraso • Generador de función • Totalizador • Tiempo-muerto • Dispositivo de 2 y 3 Estados Discretos Instrucciones de Drives • Multiplicador del pulso • Simulación de la Curva • PI • Integrator • Controlador de Segundo Orden • Acumulador Instrucciones Filtro • Filtro Paso/Alto • Filtro Paso/Bajo • Filtro de Banda • Segundo Orden • Retrazos • Derivativos Instrucciones Estadisticas • Promedio de Movimiento • Desviación Normal • Captura Mínima • Captura del máximo
Instrucciones Logicas • And Booleana • Or Booleana • Or Exclusivo • Inversor NOT • D Flip Flop • JK Flip Flop Instruc. Select/Limit • Seleccion • Selección Negativa • Multiplexer • LimitesH/L
SOFTWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES INDUSTRIALES
fig. 3.3
También los arreglos de automatización y control de los que hoy se disponen permiten que el hardware y software puedan estar configurados en forma redundante lo que además de garantizar la automatización y el control del proceso industrial tener los equipos que
garanticen el cumplimiento de sus funciones indistintamente la eventualidades que puedan presentarse, incluso la que pueda salir del servicio algunos de los PLC que ejecutan los programad de control.
Topologias de Controladores
Ing. Jesús Enrique Otero Ramos
REDUNDANCIA en Controllogix
Allen-Bradley A-B Qua lity ControlNE T CHA CHB OK A#01Redu n dan cy Mo d ule
PRI COM OK
PRIM
RUN REM PROG
Logix 5555™ RUN OK RS23 2 BAT I/O
2. Adicione 1 procesador Logix5555.
3. Adicione 1 o más Tarjetas ControlNet (Ser. D). 4. Adicione un Módulo de sistema Redundante 5. Prepare un segundo sistema identico 6. Conecte los módulos SRMs
7. Adicione I/O, interfaces operador , y otros equipos a la red(es) ControlNet (máx 5). 1. Inicie con un chasis estandar Controllogix
Allen-Bradley A-B Qua lity ControlNE T CHA CHB OK A#01
Redu n dan cy Mo d ule
PRI COM OK
PRIM
RUN REM PROG
Logix 5555™ RUN OK RS23 2 BAT I/O
HARDWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES REDUNDANTES
fig. 3.4
3.2 LAZOS DE CONTROL SIMPLES
Son lazos de control que atienden directamente una sola variable operacional, en el lazo de control simple, se conecta el transmisor directamente sobre la salida de la variable operacional a ser controlada, la señal del transmisor se conecta al controlador quien ejecutara las acciones de control PID sobre la señal de error y la salida del controlador regulara al elemento final de control de la variable controlada. En la siguiente figura se muestra el lazo de control simple para un intercambiador de calor. Este calentara un producto con poco calor al intercambiarlo térmicamente con un componente caliente (Vapor de agua como ejemplo), en este lazo de control se regula el paso de vapor de calentamiento para determinar la temperatura del producto que entra a calentarse.
Fig. 3.5-a
Diagrama en Bloques:
Fig. 3.5-b
El diagrama de bloques muestra un controlador que regula el flujo de vapor para intercambiar el calor con el flujo a calentarse que entra al intercambiador de calor. Se observa que la única variable Temperatura, dispone del transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control como los elementos que conforman el lazo de control.
En Las siguientes figuras se observan varios esquemáticos donde se muestran varios lazos de control simples. TT 01 TIC 01 TY 01 FV: Flujo de Vapor FC: Flujo a calentar Controlador PID Maestro TD(s) PLC Transmisor Temperatura Temperatura De Salida Intercambiador De Calor Vapor Producto a Calentar Vapor para calentamiento
Fig. 3.6-a
Fig. 3.6-b
3.3 LAZOS DE CONTROL EN CASCADA
Son lazos de control donde se combinan dos variables operacionales que están integradas en la misma función de transferencia del proceso controlado, para que su acción conjunta regule la posición del elemento final de control. En este arreglo habrá un lazo de control
esclavo que trabajara en forma análoga a un lazo de control simple pero cuyo set-point será
corregida por la variable operacional maestra. Los lazos de control en cascada tendrán como TT 01 TIC 01 TY 01 TT 0n
variables esclavas variables auxiliares para detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones sobre la variable maestra. En la siguiente figura se muestra el lazo de control en cascada Temperatura (Maestro) – Caudal (Esclavo) que regula el paso de vapor que alimenta un intercambiador de calor para calentar otro componente.
Fig. 3.7-a Diagrama en bloques: Fig. 3.7-b TT 01 FY 01 FV: Flujo de Vapor FC: Flujo a calentarse FT 01 FIC 01 TIC 01 Maestro Esclavo Controlador PID Maestro VD(s) Intercambiador De Calor Transmisor Caudal Transmisor Temperatura Controlador PID Maestro PLC VAPOR FD(s) TS(s) Producto a Calentarse Vapor para calentamiento
Del lazo de control en cascada se puede observar como existen dos controladores regulando un único elemento final de control. De las dos variables controladas una variable es la Maestra y la otra variable es la Esclava. En el intercambiador de calor, la variable esclava (Caudal) regula el paso del vapor para mantener la temperatura del flujo que entra a calentarse entre los rangos deseados, para ello la variable Maestra tendrá la función de modificar el set point de la variable esclava cada vez que exista variaciones en la señal de error de la variable Maestra(Temperatura).
Al observar el diagrama de bloques del intercambiador de calor que se utiliza como ejemplo, se podrá apreciar que la variable esclava, así como la variable Maestra forman parte integral del diagrama de bloques del proceso controlado. Es la variable esclava, una variable más rápida que la variable Maestra y es por ello que en los lazos en control en cascada se aprovechan del menor tiempo de respuesta que tiene la variable esclava para regular el único elemento final de control que tiene el proceso controlado, las perturbaciones que existan en el proceso se reflejaran en cambios de la magnitud de la variable maestra, la cual tendrá la potestad de corregir el set point de la variable esclava cada vez que esto ocurra. En las siguientes figuras se muestran como ejemplos algunos de los lazos de control en cascada que usualmente se utilizan en instalaciones petroleras.
EJEMPLOS Fig. 3.8-a FCI 01 FT 01 FY 01 TT 01 TCI 01
Fig. 3.8-b FT FC FF FC FT PT PC
Aire
Gas
Humos
Vapor
LC LT Fig. 3.8-c TT 01 TT 0n FY 01 FT 01 TIC 01 Esclavo FIC 01 Combustible Maestro
3.4 CONTROL FEEDFORWARD
• En la topología de control en arreglo Feedforward, se consideran las perturbaciones medibles de otras variables que no se encuentran en el lazo de control de la variable controlada. Sin Feedforward el lazo de control actúa para regular una variable controlada que interviene en la magnitud de la variable de salida, sin embargo, este lazo de control no actúa para corregir las perturbaciones que otra variable de efecto no controlable directamente, hacen sobre la magnitud de la variable de salida. Por ello las perturbaciones que genera la variable externa no se corrigen, hasta que las mismas se reflejan a la salida del proceso.
• Con Feedfordward se mide a través de un transmisor la magnitud de la variable
externa al lazo de control y que origina las perturbaciones de la señal de salida. La magnitud de la variable externa se suma con la señal controlada para que el efecto conjunto del controlador y la magnitud de la señal externa actúen sobre la válvula. • En la topología de control en arreglo Feedforward, se necesita instrumentación y
cálculo adicional.
• En la topología de control en arreglo Feedforward, se tiene una compensación en lazo abierto que debe emplearse normalmente junto a un regulador en lazo cerrado.
Para efectos del ejemplo se tiene un intercambiador de calor, en arreglo de control en Feedfordward y por ello tiene un transmisor de caudal para medir el flujo de la variable externa al lazo de control, de esta manera cualquier cambio en la magnitud del Flujo a Calentarse (FC) y que tendería a modificar el valor de la señal de salida, pueda ser corregida en forma temprana al sumar la magnitud del Flujo de la variable externa al lazo de control con la salida del controlador de temperatura TIC-01. La suma de la señal del transmisor FT-01 con la salida del controlador TIC-FT-01 alimentara al convertidor I/P TY-FT-01 que regulara la válvula de control de vapor para calentamiento en el intercambiador. Este arreglo de control permite tener una respuesta ante los cambios de caudal de la señal externa.
Fig. 3.9 TY 01 FV: Flujo de Vapor FC: Flujo a calentar TT 01 TIC 01 PLC FT 01
La salida que sale del PLC para alimentar al convertidor I/P, se modifica de acuerdo a los cambios del caudal externo al lazo de control para compensar su efecto en la Temperatura. Diagrama de bloques Feedforward:
Fig. 3.10
La observación del diagrama de bloques del intercambiador de calor con arreglo de control en Feedforward permite identificar el lazo de control cerrado de temperatura y como a la salida del controlador se le suma la señal del transmisor de la variable externa, de cuyo resultado sale la señal para regular la entrada del vapor que alimenta al intercambiador.
3.5 CONTROL CASCADA + FEEDFORWARD
El arreglo de control Cascada+Feedforward es aquel que permite tener un lazo de control en cascada con las variables Maestra y Esclava asociadas al diagrama de bloques del proceso conjuntamente con la medición de una variable externa al diagrama de bloques del proceso controlado. En este arreglo Cascada+Feedforward la salida del controlador Maestro de la cascada se suma con la señal del transmisor de la variable externa, cuyo resultado es la señal que alimentara al convertidor I/P que regulara la válvula de control para el paso del vapor de calentamiento, el cual definirá la temperatura de salida del proceso.
En el PLC se reciben las señales de los transmisores del lazo de control en cascada, así como, la del transmisor de la variable externa. Con el software de los PLC se implementan los controladores maestro y esclavo, y la salida del controlador maestro se suma con la magnitud de la variable externa, la cual será la señal que corregirá el set point de la variable esclava, y con ello se regulara la variable esclava con la atención de la variable maestra conjuntamente con la magnitud de la variable externa. En la siguiente figura a modo de ejemplo se muestra el arreglo de control Cascada+Feedforward aplicado en un intercambiador de calor. La observación de este arreglo de control permite validar los conceptos antes mencionados.
Vapor FV: Flujo de Vapor Intercambiador De Calor FC: Flujo a Calentarse Temperatura De Salida Transmisor Caudal Controlador PID TD(s) Transmisor Temperatura PLC
Fig. 3.11
Diagrama de bloques Cascada+Feedforward:
Fig. 3.12
Al observar el diagrama de bloques del intercambiador de calor que se utiliza como ejemplo, se podrá apreciar que la variable esclava, así como la variable Maestra forma parte integral del diagrama de bloques del proceso controlado por el lazo de control en cascada. La variable esclava, es una variable más rápida que la variable Maestra y es por ello que en los
FV: Flujo de Vapor FC: Flujo a calentar T(s) Transmisor De Flujo 2 Controlador PID Maestro TD(s) Intercambiador De Calor Transmisor De Flujo 1 Transmisor Temperatura Controlador PID Esclavo VAPOR PLC PLC FT 02 TT 01 FY 01 FV: Flujo de Vapor FC: Flujo a calentarse FT 01 FIC 01 TIC 01
lazos en control en cascada se aprovechan del menor tiempo de respuesta que tiene la variable esclava para regular el único elemento final de control que tiene el proceso controlado. Las perturbaciones que podrían existir con los cambios del flujo a calentarse FC se corrigen al sumarle a la salida del controlador maestro la magnitud que envía el transmisor del flujo por calentarse, de este modo como se observa en el diagrama de bloques, la corrección del set point de la variable esclava es la suma de la salida del controlador maestro mas la magnitud de la variable externa.
Feedforward en alimentación de torre:
34 LC LT FT FC
Vapor
PT PC LT LCD
FC FTAlimentación
F
V
B
R
TT TC TT TCRefrigerante
FT FYControl básico
típico de una
columna de
destilación
Fig. 3.133.6 CONTROL SELECTIVO
El control selectivo se da para aquellos procesos que aunque no tienen variaciones en su funcionamiento, presentan medición de sus variables operacionales a lo largo de todo el diagrama de bloques del proceso. Esta particularidad puede permitir cambiar los puntos de realimentación y con ello poder seleccionar los nuevos set point en relación con las nuevas realimentaciones. Se podrá seleccionar con el arreglo de control selectivo nuevas condiciones de trabajo que podrán estar ajustándose a los requerimientos operacionales que pueda estar considerando el operador. El operador podrá cambiar las condiciones de trabajo del proceso desde la sala de control y sin estar haciendo ninguna modificación ni del proceso, ni del hardware y software de los PLC.
En la siguiente figura se muestra como ejemplo una torre de destilación que tiene dispuesta en cada una de sus bandejas transmisores de temperatura y con ello tener la posibilidad de
