REGULACIÓN DE PRESIÓN EN UN PROCESO INDUSTRIAL DE LIMPIEZA DE VÁLVULAS

REGULACIÓN DE PRESIÓN EN UN PROCESO INDUSTRIAL DE

LIMPIEZA DE VÁLVULAS

Jesús Arce Hernando, Óscar Fernández Urresti, Juan M. Pérez Oria arce@teisa.unican.es / airtelnet@kastle.com / oria@teisa.unican.es Departamento de Tecnología Electrónica e Ingeniería de Sistemas y Automática

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación Universidad de Cantabria

Avd. Los Castros s/n. Santander. Cantabria

Resumen

La elección de los elementos integrantes de un lazo de control es siempre una labor delicada cuando nos estamos refiriendo a procesos industriales que ya se encuentran en funcionamiento.

En este caso se trata de una instalación auxiliar al proceso de producción, pero de cuyo buen funcionamiento depende el que se mantenga un buen nivel de producción.

Se ha realizado en primer lugar un rediseño del sistema auxiliar, seguidamente se ha identificado mediante la utilización de históricos de las variables adecuadas, la función de transferencia que describe el comportamiento del sistema, se ha utilizado esta información para ajustar un regulador PID, mediante simulación, que integrado en el sistema de control distribuido de la factoría, permite obtener un comportamiento del sistema auxiliar dentro de los márgenes de seguridad requeridos por la empresa.

Palabras Clave : Identificación en línea,

simulación del proceso, ajuste lazo de

control.

1

INTRODUCCIÓN

1.1 NECESIDADES

El proceso para el que ha sido realizada esta regulación se encarga de bombear un producto muy denso a un colector general, que a su vez transporta este producto a otro proceso de fabricación. El producto es impulsado desde la red principal hasta el colector general por medio de un grupo de bombas, tal y como muestra la figura 1.

Figura 1: Esquema general del proceso. Dada la alta densidad del producto impulsado por estas bombas, se produce una decantación del mismo en las compuertas de las válvulas de impulsión y aspiración de las mismas. Esto dificulta la circulación normal del producto, llegando incluso a impedir el paso de éste.

Para evitar el problema anterior ha sido necesario realizar una segunda instalación encargada de efectuar la limpieza de estas válvulas. Esta instalación de limpieza se encarga de inyectar, por medio de unas bombas y a través de unos orificios existentes alrededor del cuerpo de las válvulas, un chorro de agua, de modo que elimine los restos de producto que pudiera haber en el obturador de estas válvulas, de forma que en ningún caso se llegue a dar la situación indeseada de tener que llegar a detener el proceso de producción.

De esta forma, realizando esta limpieza periódicamente, se soluciona el problema antes mencionado. Sin embargo, esta inyección de agua en la red principal ha de ser realizada bajo una serie de condiciones de seguridad encaminadas a proteger la instalación.

1.2 CONDICIONES DE SEGURIDAD.

En función de estas medidas de seguridad se dividen las ocho válvulas en las que se va a realizar la limpieza en dos grandes grupos.

Por un lado tenemos el grupo formado por las válvulas de impulsión encargadas de trasladar el producto al colector general. La condición que ha de cumplirse para realizar el lavado de este grupo de válvulas es únicamente que la presión a la que se inyecta el agua sea superior a la que posee el colector general al que es bombeado el producto. Con esta condición se evita el reflujo desde el colector general hacia el circuito de limpieza. La figura 2 muestra el esquema de la limpieza de las válvulas de impulsión, así como las condiciones de seguridad.

Una vez descritas las condiciones de seguridad que han de cumplir el primer grupo de válvulas, se pasa a enumerar las que ha de tener el grupo segundo, que esta formado por las cuatro válvulas de aspiración de las bombas.

Las condiciones de seguridad de este segundo grupo son algo más estrictas que las del primero, ya que la presión que ha de tener el agua de limpieza ha de estar comprendida entre una presión mínima (2,5 bar), por debajo de la cual entraría producto en el circuito de limpieza, dañando las bombas de impulsión del agua; y una presión máxima (7,5 bar), que de ser superada destruiría las tapas de las bombas encargadas de impulsar el producto al colector general, ya que su presión de trabajo en el momento de realizar la limpieza es la propia del producto más la del agua, y superaría su presión máxima.

En la figura 3 se puede ver el esquema de la limpieza de este grupo de válvulas, y los valores entre los que ha de estar comprendida la presión del circuito de limpieza.

2

CIRCUITO DE LIMPIEZA.

El circuito de limpieza realizado está dividido en dos partes claramente diferenciadas, dependiendo de las condiciones de presión a la que se ha de realizar el lavado. De esta forma, una primera parte va a ser la encargada de limpiar las válvulas de impulsión, y una segunda parte va a efectuar el lavado del grupo de válvulas de aspiración. Una bomba, común a estos dos grupos alimenta de agua con suficiente presión a la instalación de limpieza. La figura 4 muestra el esquema del circuito de limpieza.

Figura 4: Esquema del circuito de limpieza. Como se puede apreciar, la parte correspondiente al lavado de las impulsiones no requiere ningún tipo de regulación, dado que el margen de presión de lavado es amplio, siendo únicamente necesario comprobar que la presión del agua supera a la del colector general.

Sin embargo, el circuito de lavado de las aspiraciones posee un sistema de regulación. La función del mismo es mantener la presión del agua de lavado en el estrecho margen impuesto por las condiciones de seguridad. El lazo de control lo forman un medidor de presión, un controlador PID integrado en el Sistema de Control Distribuido, y una válvula de control, que al variar su apertura modifica la presión del agua de lavado.

Al realizar la puesta en servicio de la instalación anterior, se observa que las condiciones de presión que requiere el primer grupo de válvulas se logran fácilmente. Sin embargo, la regulación del segundo Figura 3: Esquema de la limpieza de las

válvulas de aspiración. Figura 2: Esquema de la limpieza de las

grupo de válvulas no funciona correctamente. La causa de este mal funcionamiento hay que buscarla en el propio diseño de la instalación, ya que cuando todas las electroválvulas de limpieza están cerradas, se forma un circuito cerrado lleno de agua (fluido incompresible), con lo que la presión va a ser la misma en todos los puntos de la instalación, y de un valor igual al de la entrada (presión de la bomba). La instalación no permite de este modo el control de su presión, ya que la apertura y cierre de la válvula de control no influye sobre la presión de la instalación, al ser un circuito cerrado.

2.2 SOLUCION ADOPTADA.

La solución adoptada pasó por lograr que el circuito tenga un cierto caudal aún estando todas las electroválvulas cerradas, de esta forma, la válvula de control sí podrá variar el caudal, y con ello regular la presión del agua. Por otra parte, es deseable que el agua que circule por esa conducción no sea desperdiciada, sino que pueda ser reciclada.

La solución encontrada consiste en introducir una pequeña tubería que une la salida de la válvula reguladora con la aspiración de la bomba de agua. Con la instalación de esta tubería se ha logrado, por un lado que halla un consumo de caudal en la instalación, aún estando todas las electroválvulas cerradas, y por otro lado no desperdiciar el agua, ya que esta es impulsada de nuevo por la bomba. Esta tubería posee una válvula manual que ha sido ajustada de modo que, estando todas las electroválvulas cerradas, la válvula de control este regulando en torno a la mitad de su carrera. Con esta tubería queda solucionado este problema, siendo posible realizar así la regulación de presión.

3 IDENTIFICACION EXPERIMENTAL

DEL PROCESO Y AJUSTE DEL

SISTEMA.

Previamente a la realización de una prueba real de la instalación simulamos su comportamiento mediante el programa SIMULINK de MATLAB. Con esta simulación conseguimos por un lado observar el comportamiento de la variable a controlar con el fin de corregir posibles errores que podrían darse en la instalación real., y por otro lado ajustar correctamente los parámetros del controlador empleado, logrando así un primer ajuste del controlador a la hora de hacer pruebas reales.

3.1 ANALISIS EXPERIMENTAL.

Para poder realizar la simulación del sistema, hemos de tener previamente un conocimiento del

comportamiento tanto estático como dinámico del mismo; es decir, tenemos que obtener la función de transferencia de las válvulas.

La obtención de esta función de transferencia se va a realizar considerando el proceso como un recinto cerrado o “caja negra” en el que se introducen las señales de entrada adecuadas y se analizan las respuestas obtenidas en la salida.

La gráfica de la salida del sistema ante un cambio de entrada (escalón), es el camino empleado para realizar la identificación del proceso. Y a través de esta gráfica identificaremos el proceso como un sistema de primer orden con retardo.

Para realizar esta identificación realizamos los siguientes pasos:

- Se coloca el regulador en manual. - Se fija la apertura de la válvula al 50%

de su valor máximo.

- Se procede a aplicar una señal escalón sobre la válvula de control.

- Se obtienen las gráficas de entrada y salida del sistema.

La respuesta obtenida tras realizar los anteriores pasos es similar a la que muestra la figura 5:

Figura 5: Respuesta de un sistema de primer orden con retardo.

A partir de esta gráfica se realiza la medida de una serie de parámetros, que van a permitir caracterizar el comportamiento de la válvula cuya función de transferencia se está tratando de obtener, que como ya se aprecia se va a asociar a un sistema de primer orden.

Se comienza, por tanto, midiendo el retardo existente desde el instante de aplicación del escalón de entrada hasta la primera reacción del sistema, en la gráfica anterior es denominado θ.

A continuación se mide el valor de la constante de tiempo del sistema (S), por último se obtiene el valor de la ganancia estática del proceso. Para ello se miden los valores de los incrementos de entrada (∆) y salida (δ), obteniendo el cociente de lo mismos, tal y como muestra la ecuación 1:

Obtenidos todos los parámetros de la respuesta se puede identificar ésta con la que posee un sistema de primer orden con un retardo, obteniendo así la siguiente función de transferencia:

3.2 OBTENCION DE LA RESPUESTA DELPROCESO REAL.

Una vez descrito el proceso de obtención de la función de transferencia se procede a realizar la prueba en la planta real. Para ello abrimos la válvula de control un 50% de su carrera. En estas condiciones realizamos una apertura de un 20% de la válvula; es decir, aplicamos una entrada escalón al sistema. Transcurrido el tiempo suficiente para que se estabilice el mismo, se realiza el cierre de ese 20% de esa válvula, volviendo de este modo al punto de partida.

Durante el tiempo que ha durado el ensayo anterior se obtuvieron las gráficas de la presión y el punto de consigna, tal y como muestra la figura 6:

Figura 6: Respuesta del sistema en lazo abierto. A partir de la anterior gráfica vamos a obtener la función de transferencia del proceso, pero para ello vamos a obtener un detalle del intervalo de subida para medir las diferentes constantes del sistema con mayor precisión:

Figura 7: Detalle de la respuesta del sistema. Una vez obtenido el valor de los diferentes parámetros se ha de calcular la ganancia estática del proceso:

Con este valor, el tiempo de retardo (5,294) y la constante de tiempo del sistema (3,70) se deriva la función de transferencia:

3.3 SIMULACION DEL PROCESO Y AJUSTE DEL REGULADOR.

Una vez obtenida la función de transferencia, se procede a simular el sistema trabajando en lazo cerrado con un regulador incorporado (figura 8).

Figura 8: Proceso simulado.

El regulador empleado es un PID, sin embargo va a carecer de acción derivativa. La razón por la que este tipo de acción no es empleada se debe a la rapidez que posee la variación de presión. Por lo que no es necesario el uso del termino derivada en el regulador. Para realizar la sintonización del regulador se emplea en este caso el método de ganancia límite. Este método se basa en estrechar gradualmente la banda

(3) 7 , 3 1 71 , 3 ) ( 29 . 5 s e s G s + ⋅ = −

(2)

)

(

1

)

(

s

S

e

g

s

G

+

⋅

=

(1)

δ

∆

=

g

proporcional con los ajustes integral y derivativo en su valor más bajo, mientras se crean pequeños cambios en el punto de consigna, hasta lograr que el proceso comience a oscilar de manera continua. Una vez obtenida la respuesta oscilatoria del sistema se mide la banda proporcional a la que se producen estas oscilaciones. Esta banda se denomina banda proporcional límite (Pbu). A continuación medimos el periodo del ciclo de las oscilaciones Pu en minutos.

Realizamos el proceso anterior en el sistema simulado, y obtenemos la siguiente respuesta:

Figura 9: Oscilaciones del sistema en el punto de ganancia límite.

La banda proporcional Pbu a la que se producen estas oscilaciones es del 37,8%. Por otro lado, las oscilaciones del sistema tienten un periodo de 14,28 segundos, que transformado en minutos es 0,238, luego Pu tiene un valor de 0,238.

Aplicando las expresiones que establece el método se obtienen los siguientes valores:

Se introducen los valores obtenidos en el regulador, y a continuación se simula el proceso, y obteniendo la repuesta que aparece representada en la figura 10. Esta salida sería muy válida en este proceso, sin embargo, y dado el estrecho margen de presiones que imponen las normas de seguridad de la instalación, se ha preferido que el sistema tenga un comportamiento más lento (el tiempo de limpieza de las válvulas no es un factor crítico), pero más robusto. Es decir, se ha optado por un controlador con una mayor insensibilidad ante cambios o perturbaciones que puedan presentarse en el proceso.

Figura 10: Salida simulada tras ajuste inicial del PID

Para obtener este comportamiento lo que hacemos es disminuir el valor del término integral en un factor de 10, obteniendo de este modo la siguiente respuesta:

Figura11: Respuesta final del sistema una vez sintonizado el PID.

Como se puede observar el comportamiento del sistema ante una entrada escalón es la deseada, es decir, se comporta como un sistema de segundo orden sobreamortiguado, que ofrece una mayor robustez frente al subamortiguado a cambio de un mayor tiempo de respuesta.

4 PRUEBA EN PLANTA DEL

SISTEMA DE CONTROL.

Una vez realizada la simulación del proceso, se realizó una prueba real del mismo. En primer lugar se sintonizó el regulador con los parámetros obtenidos en la simulación anterior.

Una vez sintonizado el regulador, se fijó el punto de consigna de la simulación en 6,25 bar. Es esta presión la que el sistema trata de mantener.

1,2 Ti 198 , 0 2 , 1 238 , 0 ) / ( gra int 2 , 1 % 3 , 83 8 , 37 2 , 2 (%) = ⇒ = = = ⇒ = ⋅ = rep min l e Banda K al proporcion Banda

Observamos que la regulación funciona correctamente con todas las válvulas de limpieza cerradas, es decir, está regulando a través de la tubería que une la válvula con la aspiración de la bomba. Esta es por tanto una regulación “en vacío”, ya que el sistema no recibe perturbaciones externas. Sin embargo el ciclo de lavado real, como anteriormente se explicó, si va a recibir perturbaciones. Estas son producidas al realizar la apertura y cierre de las electroválvulas encargadas de realizar la inyección de agua.

Para comprobar el funcionamiento de la regulación en condiciones reales se forzó la apertura de una de estas electroválvulas, tal y como se produce en un ciclo de lavado real. Y se obtuvo el gráfico de la presión y el porcentaje de apertura de la válvula frente al tiempo:

Figura 12: Respuesta real del sistema ante la apertura de una válvula.

Como se puede apreciar, el sistema tiene el comportamiento deseado, dado que su respuesta es la de un sistema de segundo orden sobreamortiguado, careciendo así de sobreimpulso.

Se presenta, por último, el comportamiento del sistema ante el cierre de esta misma válvula, obteniendo la siguiente respuesta.

Figura 13: Respuesta real del sistema ante el cierre de una válvula.

5 CONCLUSIONES.

Como se refleja en las gráficas presentadas, la respuesta obtenida en el proceso real es muy similar a la prevista por la etapa de simulación. Esto significa que el método de obtención de la función de transferencia, aún siendo aproximado, es perfectamente válido en el proceso que nos ocupa. Es además importante destacar que este sistema de regulación fue implantado y ajustado con el sistema de producción en funcionamiento.

Referencias.

[1] Antonio Creus Solé, “Instrumentación Industrial”, Ed. Marcombo. (1998).

[2] J.W. Hutchinson. “ISA Handbook of Control Valves”.2nd Edition. Instrument Society of America (1990)

[3] Thomas E. Marlin. “Process Control. Dessining Processes and Control Systems for Dynamic Performances”. McGraw-Hill. Chemical Engineering Series. (1995)