CARRERAIng. Química ASIGNATURA Control Automático de Procesos DISEÑO CURRICULAR: 1995 ORDENANZA C.SUP`. Nº 768 DEPARTAMENTO Química APROBACIÓN C A RES Nº De la CURRICULA ELECTIVA ANUAL 1er. CUATRIMESTRE X 2do. CUATRIMESTRE NIVEL............5 .................................... TOTAL DE HORAS.....128.......... HORAS.SEMANALES....8 ...... OBSERVACIONES Se dicta en forma anual: primer cuatrimestre, 6 horas semanales; segundo cuatrimestre, 2 horas semanales. PROGRAMA SINTÉTICO Contenidos mínimos: Lazos de control. Componentes tecnológicos, Interfase hombre- proceso. Dinámica de procesos. Teoría del control. Estabilidad. criterios de ajuste y performance. Esquemas de control de equipos y procesos industriales. criterios de diseño de lazos de control y operabilidad en plantas de proceso OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA Incorporar los principios teóricos y prácticos, los criterios de selección y los de diseño para introducirse en el control automático de procesos en ,plantas industriales. VIGENCIA desde 1995 EQUIPO DOCENTE DIRECTOR DE CÁTEDRA Guillermo R. Cocha (Prof. Titular Interino DS) NÚMERO DE DIVISIONES 1 PROFESOR A CARGO DE CADA DIVISIÓN G. R. Cocha (Prof. Titular Interino DS) O. Alves (J. T Prácticos DS) ARTICULACIÓN CON OTRAS ASIGNATURAS ASIGNATURAS O CONOCIMIENTOS CON QUE SE VINCULA #4 (primer nivel) #10 #B(segundo nivel ) #18 #C (3er nivel ) #21 #22 (4to nivel) CORRELATIVAS PARA CURSAR CURSADAS.#.21 - 22. (de la ord. 768).........APROBADAS. #14 (de la ord. 768) CORRELATIVAS PARA RENDIR EXAMEN FINAL APROBADAS # 21 – 22 (de la ord. 768) PROGRAMA ANALÍTICO BIBLIOGRAFÍA GENERAL OBLIGATORIA Apuntes redactados por los integrantes de la cátedra y copias de artículos de interés. COMPLEMENTARIA 1- C.A. Smith A.B. Corripio “Control Automático de Procesos “ Noriega Limusa 1era 1991 Mejico 2- A. Creus “Instrumentación Industrial” Marcombo 3ra 1988 España 3 - D.E. Seborg T.F.Edgar D.A. Mellichamp “Process Dynamic and Control” Wiley 1ra 1989 USA 4 -G. Sephanopoulos “Chemical Process Control” Prentice Hall 10a 1984 NJ USA T.E. Marlin “Process Control” McGraw Hill 1a 1995 USA 5 – S. Sklanny C. Beherends “Sistemas Digitales de Control de Procesos” Ed. Control 1a 1994 Arg. 6- Katsuhiko Ogata “Ingeniería de Control Moderna” Prentice Hall Tercera Edición 1999 DESARROLLO UNIDAD TEMÁTICA 1 Introducción al Control Automático CONTENIDOS Reseña histórica. Regulador de Watt. Controladores y servomecanismos. Concepto de Realimentación de la Información. Sistemas en Lazo Abierto y en Lazo Cerrado. Objetivos de Control Simbología: Estudio de la norma correspondiente Documentación en Control. Álgebra de Diagramas en Bloque. Ejemplos y Ejercicios de los Teoremas de Transformación y Reducción. TIEMPO ASIGNADO 12h OBJETIVOS DE LA UT El propósito de la unidad es demostrar la necesidad del Control Automático y los medios para lograrlo, motivando el interés a través de un recorrido por los más relevante hitos en la historia de las aplicaciones. Pasando posteriormente a revisar los conceptos básicos y las herramientas de que se vale el ingeniero de control para presentar y documentar el producto de su trabajo. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Apuntes de cátedra “ Documentación en Control de Procesos “ Cap 1 y apénd. A de Ref Bibliogr. #1 1-3.3 de Ref Bibliogr. #2 Material Audiovisual : Se utilizan transparencias para visualizar la documentación de un proyecto de control - Simbología, Identificación funcional de instrumentos, ejemplos de P&I en papel y proyección de Power Point para ilustrar los conceptos fundamentales de realimentación de la información. Para el tema de diagramas en bloques tiza y pizarrón UNIDAD TEMÁTICA 2 Dinámica de Procesos CONTENIDOS Transformada de Laplace. Repaso general y ejercicios. Tablas de transformadas. Inversión de la transformada. Respuesta de sistemas de primer orden frente a escalón de entrada, frente a una rampa y Sinusoide. Definición de función de transferencia. Significado de la constante de tiempo en sistemas mecánicos, eléctricos, térmicos, etc. y su importancia en los sensores. Análisis de la respuesta temporal de sistemas de primer orden en serie e interactuantes. Sistemas de segundo orden. Respuesta oscilante. Respuestas del sistema de segundo orden frente a señal escalón, rampa, impulso y periódicas. Sistemas no lineales. Linealización de sistemas de nivel. . TIEMPO ASIGNADO (24 horas) OBJETIVOS DE LA UT El propósito de la unidad es el de ejercitar al alumno en el manejo de la herramienta matemática que le permita en la obtención de las funciones de transferencia básicas y permitirle reconocer los distintos tipos de respuestas dinámicas, como un primer paso hacia la modelización dinámica de los procesos . MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Apuntes “ Transformada de Laplace” “Resp de 1er Ord. “ “ 2do Orden y sup” Cap 2 de Ref Bibliogr. #6 Cap 2 de Ref Bibliogr. #1 Cap.3 de Ref Bibliogr. #3 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón Se utilizan transparencias para visualizar las respuestas teóricas y ejemplos de respuestas típicas y proyección de Power Point para ilustrar las respuestas UNIDAD TEMÁTICA 3 Estabilidad CONTENIDOS Relación entre raíces de la ecuación característica de la función de trans ferencia y la respuesta temporal. Definición en estabilidad-Criterios en es tabilidad, estabilidad absoluta. Método de Routh. Estabilidad Relativa. TIEMPO ASIGNADO (9 horas). OBJETIVOS DE LA UT Una consecuencia importante derivada de la aplicación de los sistemas de control realimentado, es que pueden llegar a hacer oscilatorio, el proceso al cual se aplican . Las oscilaciones pueden ó no ser aceptables pero la estabilidad del proceso no es negociable. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Apuntes de clase Cap 6 de Ref Bibliogr. #1 Cap.9 de Ref Bibliogr. #2 Cap.4 de Ref Bibliogr. #6 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón, proyección de Power Point para ilustrar los conceptos UNIDAD TEMÁTICA 4 Acciones de Control CONTENIDOS Sistemas de control ON-OFF, Proporcional, integral, flotante, proporcional más derivativo, P.I., P.I.D., etc. Respuesta temporal Respuesta temporal del proceso más el controlador. Control de relación. Control en cascada. Avanación, ejemplos de aplicación. TIEMPO ASIGNADO (12 horas) OBJETIVOS DE LA UT Habiendo considerado previamente el comportamiento dinámico de los procesos mas representativos, y los problemas referentes a la estabilidad, se está en posición de analizar el comportamiento temporal de los distintos tipos de controladores.. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Apuntes de clase “modos de Control” Cap 5 de Ref Bibliogr. #1 Cap.8 de Ref Bibliogr. #3 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón, proyección de Power Point para ilustrar los conceptos respuestas temporales etc. UNIDAD TEMÁTICA 5 Ajuste de Controladores CONTENIDOS Criterios para el ajuste optimo. Criterio de la integral del error, del error cuadrático, IAE, ITAE, etc.. Ajuste por métodos empíricos. Método de las oscilaciones sostenidas. Métodos de las oscilaciones amortiguadas. Método de la curva de reacción del proceso. Procesos con retardo de transporte. TIEMPO ASIGNADO (9 horas) OBJETIVOS DE LA UT Se ha considerado previamente la forma en que los ajustes del controlador afectan la estabilidad de los procesos, por otra parte el sistema de lazo cerrado será estable para una gama de valores de sintonía quedando por lo tanto un margen aprovechable de mejoras posibles , según las características y objetivos del proceso. Se analizan los diferentes criterios de evaluación de performance y métodos de sintonía. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Apuntes de clase “Sintonía de Controladores” Cap 6 – 3 de Ref Bibliogr. #1 Cap.12 de Ref Bibliogr. #3 Cap 16 de Ref Bibliogr. #4 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón, proyección de Power Point para ilustrar las diversas respuestas temporales etc. y utilización del simulador dinámico Tutsim ó Simulink según disponibilidades de PC. UNIDAD TEMÁTICA 6 Versión Tecnológica de Controladores CONTENIDOS Breve reseña de sistemas mecánicos, neumáticos, electrónicos etc de detección y amplificación. Fuentes de alimentación neumática, especificación de consumos y calidad de aire. Fuentes de alimentación eléctrica, sistemas con respaldo de ba terias (UPS).. TIEMPO ASIGNADO (3 horas) OBJETIVOS DE LA UT Se ha considerado previamente la forma en que los ajustes del controlador afectan la estabilidad de los procesos, por otra parte el sistema de lazo cerrado será estable para una gama de valores de sintonía quedando por lo tanto un margen aprovechable de mejoras posibles , según las características y objetivos del proceso. Se analizan los diferentes criterios de evaluación de performance y métodos de sintonía. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Cap 9 de Ref Bibliogr. #2 Cap 5 de Ref Bibliogr. #5 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón - transparencias UNIDAD TEMÁTICA 7 Microprocesadores Aplicados al Control de Procesos. CONTENIDOS Distintas formas de aplicación de la computadora al control. Sistemas de adquisición de datos (Data Loggers). Control digital directo. Control Supervisor Control Avanzado. Arquitectura de microprocesores Interfases, conversores A/D y D/A. Siste mas de entrada-salida digital. Sistemas de control distribuido, distintas configuraciones. Software de control de procesos. Confiabilidad. Nociones de control lógico. Álgebra de Boole, circuitos secuenciales. TIEMPO ASIGNADO (9 horas) OBJETIVOS DE LA UT La presente UT tiene un propósito informativo y se pretende familiarizar al alumno con las diferentes tecnologías en uso . MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Cap 6 de Ref Bibliogr. #5 Cap 4 de Ref Bibliogr. #5 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón – transparencias utilización del simulador “Distill” (en la medida de disponibildad de las PC ) UNIDAD TEMÁTICA 8 Medición de Variables de Proceso. CONTENIDOS Sensores, calidad de la medición, campo de medida. Alcance, zona muerta, etc. Sistemas por balance de movimiento, de fuerzas y por deformación del ele mento sensible. Medición y control de temperatura. Sistemas de bulbo lleno, bimetálicos. Termocuplas. Termómetro de resistencia. Medición de Presión y Presión diferencial: a piston, de columna liquida, por deformación (de diafragma, fuelle, o Bourdon) Medición de nivel: Visual, por desplazamiento (flotador, desplazador)- por presión hidrostática (diferencial, burbujeo, etc.) Medición de caudal: Medidores volumetricos (por presion diferencial, por grea variable, por velocidad, otros)- Medidores másicos (térmico, momento y por presión diferencial). Cálculo de un elemento primario (Placa Orifi cio). Otras mediciones: pH, densidad, 02, etc. Analizadores en línea. TIEMPO ASIGNADO (18 horas) OBJETIVOS DE LA UT La presente UT tiene un propósito informativo y formativo : se presentan ideas y conceptos claves en la práctica de la instrumentación. las tecnologías de medición son muy cambiantes en el tiempo pero los conceptos básicos de calidad de la medición siempre son válidos. Temperatura, Caudal, Presión y Nivel son las variables más medidas en la industria de Procesos y por ello son las que analizan con más profundidad. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Cap 2,3,4 y 5 de Ref Bibliogr. #2 Material Audiovisual : Tiza y pizarrón – transparencias y Power Point UNIDAD TEMÁTICA 9 Elementos Finales de Control. CONTENIDOS Diversos tipos, válvulas y actuadores. Análisis de los diversos tipos de válvulas desde El punto de vista constructivo. Característica de flujo. Calculo y selección. TIEMPO ASIGNADO (6 horas) OBJETIVOS DE LA UT En la presente UT se trata otro de los bloques del lazo de control comenzando con reguladores de velocidad como elemento final de control y haciendo especial énfasis en las válvulas de control. Se analizan distintos tipos constructivos, características de flujo según aplicación, dimensionamiento etc. MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Cap 8 de Ref Bibliogr. #2 Manuales de Fabricantes: Masoneilan, Fisher , Groth etc Material Audiovisual : transparencias y Power Point UNIDAD TEMÁTICA 10 Instrumentación por Equipos. CONTENIDOS Hornos, Intercambiadores, compresores, torres de destilación, calderas, etc. Diseño del sistema de control de la unidad, objeto del proyecto. TIEMPO ASIGNADO (18 horas) OBJETIVOS DE LA UT En la presente UT se analiza el estado del arte de control de los principales equipos, Calderas, Intercambiadores, compresores, torres de destilación etc. Comprende la realización de un seminario a cargo de cada una de las comisiones de alumnos MATERIALES CURRICULARES Bibliografía : Cap 8 de Ref Bibliogr. #2 Manuales de Fabricantes: Masoneilan, Fisher , Groth, , etc Material Audiovisual : transparencias y Power Point y material preparado por los alumnos. Ensayo de Laboratorio N° 1: Modelización de sistemas físicos. • Sistema de control de líquidos. • Sistema térmico. Modelización del sistema en función de las ecuaciones diferenciales a través de la medición de los parámetros del sistema. Obtención de la Función de transferencia. Verificación de la validez del modelo de Función de Transferencia para distintos tipos de sistemas. Analizar y graficar la respuesta del sistema ante una entrada escalón. Implementar el modelo en Simulink y reproducir las experiencias por simulación numérica. Elaboración de Informe. Ensayo de laboratorio N°2 Control de sistemas a través de un controlador PID. • Sistema de control de líquidos. • Sistema térmico. Evaluación de la respuesta del sistema.Sintonización de parámetros. Implementar el modelo en Simulink y reproducir las experiencias por simulación numérica. Elaboración de Informe. PLANIFICACIÓN DE CÁTEDRA C L A S E Fecha tentativa CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS Primer cuatrimestre:6 horas semanales Teórico Práctico Seminario 2 semanas Introducción al Control Automático. Reseña histórica. Regulador de Watt. x Controladores y servomecanismos. Concepto de Realimentación x de la Información. Sistemas en Lazo Abierto y en Lazo Cerrado. x Objetivos de Control x x Simbología: Estudio de la norma correspondiente x Documentación en Control. x x Álgebra de Diagramas en Bloque. Ejemplos y Ejercicios de los x Transformación y Reducción. x (12 h.) 4 semanas- Dinámica de Procesos Transformada de Laplace. Repaso general y ejercicios. x Tablas de transformadas. Inversión de la transformada. x x Respuesta de sistemas de primer orden frente a escalón de entrada, x a una rampa y Sinusoide. x Definición de función de transferencia. Significado de la constante de x po en sistemas mecánicos, eléctricos, térmicos, etc. y su importancia en x sensores. x Análisis de la respuesta temporal de sistemas de primer orden en serie e x teractuantes. x Sistemas de segundo orden. Respuesta oscilante. x Respuestas del sistema de segundo orden frente a señal escalón, x y periódicas. x x Sistemas no lineales. Linealización de sistemas de nivel. x (24 horas) 0,5semanas Ensayo de Laboratorio Nº1 x 1,5 semanas Estabilidad Relación entre raíces de la ecuación característica de la función de trans x ferencia y la respuesta temporal. Definición en estabilidad-Criterios en es x tabilidad, estabilidad absoluta. Método de Routh. x x Estabilidad Relativa. x 9 (horas) 2 semanas Acciones de Control Sistemas de control ON-OFF, Proporcional, integral, flotante, x más derivativo, P.I., P.I.D., etc. Respuesta temporal x Respuesta temporal del proceso más el controlador. x x Control de relación. Control en cascada. Avanación, ejemplos de x (12horas) 1,5 semanas Ajuste de Controladores Criterios para el ajuste optimo. Criterio de la integral del error, del x error cuadrático, IAE, ITAE, etc.. x Ajuste por métodos empíricos. Método de las oscilaciones sostenidas. x Métodos de las oscilaciones amortiguadas. Método de la curva de x del proceso. x Procesos con retardo de transporte. x x x (9 horas) 0,5semanas Ensayo de Laboratorio Nº2 x 0,5 semanas Versión Tecnológica de Controladores. Breve reseña de sistemas mecánicos, neumáticos, electrónicos etc de x y amplificación. x Fuentes de alimentación neumática, especificación de consumos y x de aire. Fuentes de alimentación eléctrica, sistemas con respaldo de ba x terias (UPS). x (3 horas) 1 semana Microprocesadores Aplicados al Control de Procesos. Distintas formas de aplicación de la computadora al control. x Sistemas de adquisición de datos (Data Loggers). x Control digital directo. Control Supervisor.Control Avanzado x Arquitectura de microprocesores Interfases, conversores A/D y D/A. x mas de entrada-salida digital. x Sistemas de control distribuido, distintas configuraciones. x Software de control de procesos. x Confiabilidad. x Nociones de control lógico. Álgebra de Boole, circuitos secuenciales. x x (9 horas) 3 semanas Medición de Variables de Proceso. Sensores, calidad de la medición, campo de medida. x Alcance, zona muerta, etc. x Sistemas por balance de movimiento, de fuerzas y por deformación del x mento sensible. x Medición y control de temperatura. x Sistemas de bulbo lleno, bimetálicos. x Termocuplas. Termómetro de resistencia. x Medición de Presión y Presión diferencial: a piston, de columna liquida, x por deformación (de diafragma, fuelle, o Bourdon) x Medición de nivel: Visual, por desplazamiento (flotador, desplazador)- x Presión hidrostática (diferencial, burbujeo, etc.) x Medición de caudal: Medidores volumétricos. Medidores másicos. x Cálculo de un elemento primario x Otras mediciones: pH, densidad, oxigeno, etc. Analizadores en línea x .(18 horas) Segundo cuatrimestre: 2 horas semanales 1 semana Consulta 1 semana Primer parcial 3semanas Elementos Finales de Control. Diversos tipos, válvulas y actuadores. x Análisis de los diversos tipos de válvulas desde El punto de vista cons- tructivo. x Característica de flujo. Calculo y selección. x (6 horas) x 9semanas Instrumentación por Equipos. Hornos, Intercambiadores, etc. ,torres de destilación, calderas, compresores x Diseño del sistema de control de la unidad, objeto del proyecto. x Seminario de equipos x (18 horas) x 1 semana Consulta. x 1 semana Segundo parcial PLANIFICACIÓN DE CÁTEDRA METODOLOGÍA DIDÁCTICA Estrategias de enseñanza clases teórico-prácticas, estudio de casos con aplicación de simuladores dinámicos sujeto a la disponibilidad de PC . Modalidad de agrupamientos pequeños grupos fijos o flexibles según el ejercicio y la disponibilidad de PC Ensayos de Laboratorio como forma de comprobación de los conceptos fundamentales del curso. Consultas : semanales, durante ó después de clase a pedido del alumno. Organización de espacios dentro del ámbito universitario. con la utilización de programas de simulación. EVALUACIÓN Instrumentos y modalidades de la evaluación – Régimen de promoción . a) Diagnóstica, continua, final. b) Actividades: participación en clases teóricas, prácticas , seminarios. Realización de prácticas de simulación con programas especiales. c) Regularidad: 1er parcial escrito 2da Seminario con exposición por grupos . d) Aprobación: con examen final. La cursada debe aprobarse dentro del ciclo lectivo en el cual se cursó la materia , realizándose la evaluaciones, en horario y días asignados a la cátedra RECURSOS AUXILIARES NECESARIOS Tiza y pizarrón, proyector de transparencias , computadoras y software especializado, revistas técnicas, videos, libros de ingeniería.