Control e Instrumentación de Procesos QuímicosP.O. Castro, E.F. Camacho Síntesis, Madrid 1997 IS ! "#$77%"$&17$% 1997 INDICE Control e Instrumentación de Procesos Químicos Prólo'o Cualquier ingeniero químico que diseñe o que opere plantasquímicas debe tener unos conocimientos mínimos de controlautomático de procesos. En los planes de estudio de Ingeniero Químicode las distintas facultades de Química y escuelas de Ingenieríase incluye esta disciplina. La formaci n debe orientarse a cubrirdos ob!eti"os educati"os de gran importancia# nfasis en la instrumentaci n básicade control 'Capítulos 7/% 76% 78% 71 y 20$. Esta e*tensi nposibilita que sea un libro de te*to adecuado a los programas docentessobre la materia% de la mayoría de los departamentos uni"ersitarios. &or elcontrario% estos ob!eti"os pueden cubrirse con un enfoque muc+o máspráctico del Control de &rocesos% con la -nica precauci nde no caer en el e*tremo opuesto de limitar el proceso formati"o al aprendi)a!ede una serie de recetas prácticas más o menos !ustificadas.cnica decontrol específica a un caso concreto% para entender tambi. Con este enfoque mi*to se +a escrito este libro% cuyo contenido estáindicado para un curso uni"ersitario de /0 a 10 +oras lecti"as.Contiene el material educati"o suficiente para montar la asignatura deControl de &rocesos de acuerdo con la "isi n particular que cadaprofesor tenga sobre la disciplina% tratando con mayor profundidad o e*tensi nlos temas que !u)gue más interesantes. 9i bien esta obra estaenfocada% como se +a dic+o% a la enseñan)a uni"ersitaria% la .$ • b$ Consolidar una formaci n básica a partir de la cual elalumno% bien por sí mismo o bien asistiendo a cursos de postgrado%pueda sin problemas +acerse un especialista en la materia.ditos y con un enfoque eminentementepráctico podría de!ar a un lado el modelado del comportamientodinámico de procesos 'Capítulo 2$ y tratar con menos profundidadlas t.%el c mo y el cuándo debe aplicarse una t. &ara alcan)ar estos ob!eti"os no es necesario que el alumno egresadode facultades y escuelas domine la moderna y elegante .a$ Capacitar al alumno para desarrollar en el futuro una serie de acti"idadesprofesionales sencillas en este campo% tales como# • &lantear% diseñar y especificar correctamente estrategias sencillasde control 'por e!emplo% para plantas de tamaño medio o pequeño$ • (nali)ar y entender estrategias más comple!as propuestas por especialistascon años de e*periencia. &articipar en la gesti n de la adquisici n de un sistemade control 'equipos de control y estrategias$ para una planta de tipo medioo pequeño 'petici n y e"aluaci n de ofertas% discusi ncon los suministradores del sistema% etc.ncuales son las limitaciones de esa t. • Diagnosticar y resol"er problemas sencillos del sistema de control de unaplanta en operaci n.cadas% que estábasada en planteamientos matemáticos bastante comple!os.eoría deControl desarrollada en las -ltimas dos d. (sí por e!emplo% unaasignatura con s lo / cr.El soporte te rico +a de ser el necesario para entender el porqu.cnicas de análisis dinámico 'Capítulos3% 4 y 5$ para centrarse en el diseño de controladores &ID 'Capítulos6 y 1$ y poner .cnica y que calidad de controlcabe esperar de ella% así como para seleccionar !ustificadamentelos instrumentos más adecuados para su reali)aci n física. orientaci npráctica con la que +a sido concebida% +ace que sea -tiltambien para profesionales que quieran adquirir o completar una formaci nbásica en control de procesos. Los restantes capítulos del libro se pueden agrupar en trespartes claramente diferencias# dinámica% control e instrumentaci nde procesos.cnicasmatemáticas de análisis y transformaci n de esos modelos%con "istas a su utili)aci n en problemas de control 'lineali)aci ny análisis en el dominio del tiempo% análisis frecuencialy en el dominio de Laplace% funciones de transferencia e identificaci nde procesos para obtener modelos dinámicos empíricos$. ( continuaci n se aplican t.soft<are.(fortunadamente% la enorme potencia de cálculo de los ordenadorespersonales% unida a la economía de su adquisici n y uso%permite la reali)aci n de prácticas sobre simulaciones suficientementerealistas de procesos reales. De +ec+o% buena parte de los e!emploscontenidos en esta obra +an sido desarrollados utili)ando este tipo deaplicaciones informáticas. La segunda parte del te*to 'Capítulos 6 a 74 ambos inclusi"e$comien)a presentando la idea básica del control por realimentaci ny anali)ando% desde . La primera parte 'Capítulos 2 a / ambos inclusi"e$tiene por ob!eti"o el estudio del comportamiento dinámico de procesossometidos a perturbaciones e*teriores. El me!or medio para satisfacer el enfoque prácticode la disciplina es el desarrollar las prácticas sobre alguna plantapiloto% lo que e*ige una in"ersi n y un mantenimiento considerable.cnicas a"an)adas que +oy en día sont. E*iste en el mercado abundante . El modelado empírico de ladinámica de procesos 'Capítulo /$% las reglas de sintoni)aci nde controladores 'Capítulo 1$% la forma de incrementar la calidadde control mediante t.cnicas de control disponiblesy de la instrumentaci n necesaria para implementarlas.ticasy ecuaciones de estado.rminos y conceptos que se utili)arán con profusi nen la misma y sobre cuyo significado no debe e*istir la menor duda.l se definen unaserie de t. El libro se inicia con un capítulo de introducci n enel que se +ace una descripci n general del problema de control deprocesos químicos% de las t.especiali)ado en simulaci n dinámica% que incorpora inclusorutinas de control% con el que se facilita e*traordinariamente la tareade montar dic+os prácticas. Es un capítulode lectura obligada% no s lo porque ofrece una panorámicaglobal del contenido de la obra% sino porque en .cnicas estándar 'Capítulo 70% 77 y 72$ o la reali)aci nfísica de las estrategias de control mediante computadores de controldistribuido% constituyen temas que tienen una aplicaci n prácticainmediata. :n enfoque eminentemente aplicado de la disciplina requierecomplementar las clases te ricas con la reali)aci n de unamplio con!unto de prácticas que cubran la mayor parte de los temasque se desarrollan. Este estudio comien)a con el desarrollode modelos matemáticos dinámicos de procesos basados en losprincipios físico'químicos que los gobiernan# conser"aci nde la materia% la energía y la cantidad de mo"imiento% leyes cin. El otro tema "ersa sobre los sistemas de controldistribuido mediante computadores de control% que es la filosofíade control imperante +oy en día para plantas de tamaño medioy grande. Este enfoquepráctico conectado con el +ec+o físico es una constante quese mantendrá a lo largo de esta segunda parte% preser"ando -nicamenteel soporte te rico indispensable para comprender las distintas t.n el control selecti"o% para situaciones en las que% ademásde controlar una "ariable de proceso% se requiere satisfacer simultáneamenteotros ob!eti"os 'ma*imi)ar una eficiencia% proteger un equipo$.cnicas de control estudiadas.n muy ilustrati"o y práctico%de una cuesti n formalmente comple!a. La tercera parte del libro 'Capítulos 75 a 20 ambos inclusi"e$tiene por ob!eti"o presentar los instrumentos necesarios 'sensores% transmisoresy actuadores$ para implementar las t.Dentro del con!unto de t.El estudio de esta materia no se reduce a una mera descripci n físicade los sensores% sino que incluye tambi. Estatercera pare concluye con un capítulo dedicado a "ál"ulasde regulaci n% el elemento final de control en la mayoríade los la)os de control de proceso químicos. La segunda parte de la obraconcluye tratando dos temas que no suelen incluirse en te*tos de controlde procesos para estudiantes de ingeniería química.un punto de "ista más descripti"o que formalo puramente matemático% el problema de la estabilidad. . El estudiode t.( continuaci n se presentan t.todos de sintoni)aci n. El concepto decontrol regulatorio básico mediante la)os o bucles de realimentaci nse e*tiende con la descripci n detallada de un la)o de realimentaci n%que incluye los distintos tipos de controladores 'anal gicos y digitales$y acciones de control 'proporcional% integral% deri"ati"a$% asícomo sus criterios de selecci n y los m.nes necesario su concurso en las operaciones de puesta en marc+a y paradade procesos continuos.cnicas de control para procesos continuos finali)a con un capítulodedicado a control multi"ariable que aborda la problemática de lasinteracciones entre la)os asociados a una misma unidad de proceso% conun planteamiento muy simple% pero tambi.=abida cuenta que la instrumentaci n in"olucrada en el control deproceso químicos es e*traordinariamente amplia% el estudio se limitaa aquellos instrumentos con los que se miden las "ariables físicasprincipales 'presi n% ni"el temperatura% caudal y composici n$.cnicas a"an)adas de control se incluyetambi.n un análisis delos principios físico químicos en los que se fundamentan%la discusi n sobre su campo de aplicaci n y un análisiscomparati"o con otros instrumentos que cumplen la misma finalidad.cnicas de control a"an)adopara procesos con dinámica difícil 'procesos con ele"adostiempos muertos y procesos con respuesta in"ersa$ y para casos en los quese e*i!a una me!or calidad de control 'control en cascada y control anticipati"o$. :no deellos es el control secuencial de procesos cuya aplicaci n no selimita a la automati)aci n de procesos discontinuos% que tambi.cnicasy estrategias de control y !ustificar sus limitaciones. Introducci n 7.4. *E P)OCESOS E! E. Introducci n 2.*E P)OCESOS Q+IMICOS.3./. Diseño del sistema de control .4.CO!()O.Control e Instrumentación de Procesos Químicos (emario 1.MIE!(O *I!. 7.Introducci n 3. I!()O*+CCIO! .-ISIS *E -. . :n e!emplo introductorio 7.MICO E! E. Las ecuaciones de conser"aci n en la formulaci nde modelos de parámetros globali)ados 2.5. MO*E-I/.(IEMPO 3./.MIC.5. 9eñales e instrumentos de un sistema de control de procesos 7. Ni"eles de control de procesos 7. Ecuaciones de conser"aci n y tipos de modelos 2.2.!.5. 9istemas de segundo orden 3.*OMI!IO *E. 9istemas de orden superior #.CE0 F+!CIO!ES *E (). *I!.Lineali)aci n de sistemas dinámicos 3.CIO! *E.!SFE)E!CI..7. E!emplos de modelos dinámicos de procesos químicos %.2. 2.7. . Las ecuaciones de conser"aci n en la formulaci nde modelos de parámetros distribuidos 2.MICO *E P)OCESOS Q+IMICOS. 9istemas de primer orden 3.4.!.-ISIS *I!.3.2. ..7. Consideraciones generales acerca del modelado matemáticode procesos químicos 2. Definiciones y conceptos básicos relati"os a los sistemasde control de procesos 7.*OMI!IO *E -.COMPO)(.P-.3. !. Bbser"aciones finales y conclusiones 7.PO) )E.5. 9elecci n de las acciones de control ". CO!()O.4.7. MO*E-OS *I!. Diagrama de bloques y respuesta de un la)o simple de control 8./. Introducci n 8.-IME!(. Aetodología general /.MICO 2 *ISE3O *E -.7.3.CIO!0 CO!()O-.MICOS EMPI)ICOS P.2.-ISIS *I!. Diagramas de bloques &. >espuesta en frecuencia de sistemas constituidos por "arias funcionesde transferencia en serie 5. La transformada de Laplace 4. (nálisis cualitati"o del comportamiento dinámicode un sistema y concepto de estabilidad 4. ?unciones de transferencia y modelos entrada@salida 4.4.7. Introducci n /. 9istemas de fase no mínima 1.5. CO!()O.3. Controladores digitales 6. Efecto de las acciones básicas proporcional% integral yderi"ati"a sobre la . F)EC+E!CI. F)EC+E!CI.4. Criterios de estabilidad en la)o cerrado 8.5. Controladores anal gicos &ID 6.*O)ES PI* 6.-IME!(.2.7.0 )ESP+ES(. El m.7.todos estadísticos /. >espuesta en frecuencia 5.2. A. >esoluci n de ecuaciones diferenciales lineales 4.4.-ISIS *I!.2.2.).*OMI!IO *E -./OS *E )E.*E P)OCESOS /. .MICO E! E. Introducci n 4. .5.4.CIO! 8.3.!. Introducci n 6. Instrumentaci n de un la)o simple de control 6.3.4. Introducci n 5.todo de la cur"a de reacci n /.3. El problema de control de procesos con ele"ado tiempo muerto 70.4.+7I-I.*O CO! 6.4. CO!()O.7. 9intoni)aci n de controladores de realimentaci n 1.2. A. 70.5.5.3. Aatri) de transferencia en bucle cerrado 72. 9elecci n del tipo de controlador 1. CO!()O. Aedidas de las Interacciones 72. Control anticipati"o 77. SI!(O!I/.)ES 77. Limitaciones en el uso de desacopladores e*plícitos 72.2. I!6E)S.2.5. Control de gama partida 1.4. -ES .5./.!/. Los problemas de las interacciones 72.7. Introducci n 70.4. Introducci n 72..)I.6.CIO! *E CO!()O-.2. Introducci n 77. Control de procesos con respuesta in"ersa 11. Control selecti"o o control con restricciones 77. El &redictor de 9mit+ y los errores de modelado 70.!/.todos de sintoni)aci n de controladores 14.)I.)E5+-.7. Introducci n 1.*O)ES PI* 1. -ES 72.8.3. El &redictor de 9mit+ 70.(O)IO .6.*O *E P)OCESOS CO! 5). CO!()O.7. Desacoplo de sistemas no lineales .!*ES (IEMPOS M+E)(OSO )ESP+ES(.3.respuesta en la)o cerrado 9. El predictor &I 70./.(O)IO .3. Criterios de calidad de respuesta 1.6. E"aluaci n apro*imada del comportamiento dinámicode un sistema multi"ariable 72. Control en Cascada 77.*E P)OCESOS M+-(I6. Descripci n de 9istemas Aulti"ariables 72.)E5+-. 2./.1%.5. 9elecci n del sensor de temperatura 17.ermoresistencias 'sondas de resistencia$ 7/. E!emplo ilustrati"o 74. Introducci n 73. ME*I*O)ES *E (EMPE).4. Características del soft<are de los sistemas de controlpor computador 73. I!S()+ME!(.7. CO!()O. Centa!as e incon"enientes del control por computador 73. Clasificaci n de los instrumentos de medida 75. Clasificaci n de los sensores de temperatura 7/.3. ME*I*O)ES *E P)ESIO! 2 *E !I6E- . &ir metros de radiaci n 7/.(+). -. I!()O*+CCI8! . CO!()O. El proceso de medida 75.3. Introducci n 74.8. 9istemas l gicos combinacionales y secuenciales 1&.PO) COMP+(.7.CI8! *E P)OCESOS Q+IMICOS 75.SEC+E!CI. Definiciones y conceptos básicos 75.2./.4. .5.*E P)OCESOS 74. Diagramas de tuberías e instrumentos 11. .ermopares 7/. 9eñales muestreadas 1#.2. Estructuras de los sistemas de control por computador 73. Instrumentaci n específica para el control porcomputador 73.*O) 73.7..7.8.4.3. 7/.6.2. .4./. ?unciones de los computadores en el control y la super"isi nde procesos 73. Instrumentaci n inteligente 75.6.3. ?actores in"olucrados en la medici n de la temperatura 7/. Ecuaciones l gicas 74. Calibrado 75. Introducci n 7/.ermistores 7/.5. Introducci n 75. La transmisi n de la medida 75.6. ? rmulas de cálculo de D"s y C" 20. Elementos primarios para la medida de presi n 76. Ae)clas líquido@gas 20.78.ctrica 76. ME*I*O)ES *E C.7.!. 1". Aedida del caudal másico con medidores "olum.+*.5. Correcci n por "iscosidad 20.2.3.2. Introducci n 78.-I/. Ca"itaci n y Eflas+ingF 20.7.*O)ES *E P)OCESO 71.7.5. Aedidores de presi n diferencial 78.0 6./. Introducci n 71. Con"ersi n mecá[email protected] *E )E5+-. E-EME!(OS FI!.7.4.CIO! .6. 9istemas de muestreo y acondicionamiento . Ecuaciones de flu!o a tra". 20.-ES *E CO!()O./.5. Criterios de dimenisonamiento de una "ál"ula de regulaci n . Aedidores de inserci n 78.tricos 78.-6+-. Características básicas de los anali)adores 71.s de "ál"ulas para líquidosy gases 20. Aedidor de impacto 78.6.3.4. . (nali)adores en línea 71.4.4. (nálisis en línea o en tiempo real 71.76.4. Ae)clas líquido@"apor 20.5.2.(IC. Aedidores de caudal másico 19.2.3.ticos 78.3. Aedidas de ni"eles en dep sitos de s lidos. Introducci n 76. Caudalímetros electromagn.+(OM. Aedidores de ni"el 76.
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