Tema 1. INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS

Tema 1. INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS
1.1 Conceptos y objetivos
El objetivo del presente texto es el control de las llamadas “plantas de proceso”, bajo cuya
denominación podrían inscribirse típicamente las plantas de Refino, Petrolquímica y Química pero
también las de Farmacia, Alimentación o Química fina. Dentro de estos grupos de plantas se
pueden encontrar tanto procesos continuos como discontinuos o por cargas pero serán raros los
procesos discretos, más propios de la industria manufacturera, que por tanto quedarán fuera del
contenido del texto.
El control de una planta de proceso continuo se efectúa mediante un conjunto de actuaciones
orientadas al mantenimiento de unas condiciones estacionarias, es decir, constantes con el tiempo,
de ciertas variables de proceso. En un proceso discontinuo por cargas el objetivo de dichas
actuaciones puede complementarse con el mantenimiento de una cierta sucesión de parámetros y
operaciones, acorde con una secuencia previamente definida, habitualmente denominada receta. El
establecimiento tanto de dicha receta como de las consignas de ciertas variables se orienta en
general a conseguir y mantener una determinada capacidad de producción y una cierta calidad de
el o los producto/s. En ambos casos, procesos continuos y discontinuos, los sistemas de control se
ocupan simultáneamente de mantener las variables de control dentro del rango adecuado de
seguridad, si bien la vigilancia exhaustiva y exclusiva de los aspectos de seguridad suelen estar
encomendados a sistemas específicos de enclavamientos basados en programación lógica de
actuaciones todo-nada concatenadas de acuerdo con secuencias de disparo. El tratamiento
específico de estos sistemas de enclavamientos que constituyen los “Sistemas Instrumentados de
Seguridad”, denominadas normalmente por sus siglas SIS, también se ha excluido del texto, así
como los destinados a gestionar las paradas de urgencia no programadas, o ESD de “Emergency
Shutdown”, que son una parte específica de los anteriores.
En los procesos, tanto continuos como discontinuos, es con frecuencia necesario atender además a
la dinámica del cambio, es decir a las condiciones transitorias por las que atraviesa el proceso para
pasar de unas condiciones estacionarias a otras distintas. Cambio generado, por ejemplo, por un
cambio de consigna en un proceso continuo o bien por el transcurso de un paso al siguiente dentro
de una operación por cargas. Normalmente no existe una única solución técnica que solucione una
determinada necesidad de control sino varias. La elección entre las distintas soluciones técnicas se
plantea frecuentemente como un caso de optimización económica, es decir, la opción idónea es la
que resulta más favorable en términos económicos.
La dificultad de mantener estables las condiciones de operación estriba en la existencia de diversas
perturbaciones que tienden a desviar el sistema de sus condiciones estacionarias. Además pueden
darse cambios deliberados de consigna debidos a cambios en la especificación de los productos o
en la capacidad de producción, por razones tanto de planificación, de mercado, de legislación, etc.,
o por mejoras introducidas en el proceso. La capacidad del sistema de control para resolver
satisfactoriamente la influencia de esas perturbaciones o esos cambios de consigna se denomina
robustez y, obviamente, se debe intentar que los sistemas de control sean lo más robustos posible.
Los sistemas de control habrán de tener también en cuenta ciertas limitaciones o restricciones de
funcionamiento. Estas restricciones pueden ser de orden físico: no intentar superar el caudal
máximo que es capaz de proporcionar una bomba o la presión de diseño de un recipiente, o de
orden normativo: no violar los máximos establecidos por la legislación medio-ambiental o los
mínimos requeridos por las especificaciones de los productos.
Por último, los sistemas de control también deben buscar lo que se denomina normalmente
operabilidad aunque debería llamarse, más correctamente en castellano, maniobrabilidad, que
alude a la facilidad con que la planta puede ser conducida por el operador hacia las condiciones
deseadas. Esta virtud, enraizada en la problemática de la existencia de perturbaciones, se relaciona
con la robustez pero se orienta más al comportamiento en condiciones normales de operación
mientras que aquella se refiere al comportamiento frente a circunstancias especiales.
En resumen pueden destacarse los siguientes factores como objetivos de los sistemas de control:
Mantener la Estabilidad y la Seguridad, asegurando la Calidad y una Dinámica adecuada sin
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Pág. 1.1
Tema 1. Introducción al control de procesos
violación de las Restricciones existentes y con la mayor Maniobrabilidad, Robustez y
Rentabilidad posibles.
A partir de la década de los 90 la tecnología puso a disposición de los especialistas de control
nuevas técnicas y potentes herramientas que permiten llevar a cabo más eficazmente los objetivos
de control mencionados e incluso efectuar simultáneamente una cierta Optimización. A estas
técnicas y herramientas se les dio el nombre de Control Avanzado; aunque su posterior uso
generalizado ha hecho perder algo de sentido a la discriminación entre control convencional y
avanzado, se mantiene conceptualmente en este texto por resultar didácticamente más
conveniente, si bien debe aclararse que, hoy en día, control avanzado es sencillamente el control
que debe aplicarse en cualquier nuevo diseño y el que se encuentra en cualquier fábrica existente
medianamente modernizada. Como introducción basta comentar que bajo ese concepto se pueden
agrupar acciones de control que pueden tener por objetivos últimos tanto la reducción de costes
como el aumento de capacidad, la mejora de especificaciones o el incremento de la estabilidad y/o
seguridad de operación. En alguna de sus aplicaciones, especialmente en el llamado control
multivariable, se puede efectuar la mencionada optimización para lo que se han de tener en cuenta
factores económicos como costes actualizados de servicios y materias primas, grados de calidad
mínimos exigidos, revalorización de los productos por mejora de especificación, y en general
cualquier factor que minimice los costes de operación y/o sus riesgos.
El presente texto atiende a la definición de los esquemas de control para que cumplan todos los
anteriores objetivos, principalmente en plantas de proceso continuo. Se tratarán más escuetamente
los problemas específicos de las plantas de proceso por cargas y se soslaya la problemática
inherente a las plantas de procesos discretos, que deben afrontarse con procedimientos específicos
más cercanos a la planificación que al control de procesos.
La definición de dichos esquemas depende y se basa en el conocimiento del proceso y en la
relación existente entre las variables que intervienen en el mismo, por lo cual se relaciona
principalmente con conocimientos de Ingeniería Química y Físico-Química. El diseño de los
elementos que físicamente permiten ejecutar ese control se relaciona esencialmente con el área de
la Regulación Automática y/o la Instrumentación, sobre los que existen excelentes y numerosos
textos y no serán tratados en éste.
El temario que ahora se inicia debería una vez concluido permitirnos contestar las siguientes
preguntas clave: ¿Qué?, ¿Cómo? y ¿Por qué? controlar.
El control de procesos afecta a todas las etapas del ciclo de vida de una planta de proceso, desde
la etapa de diseño básico hasta la de operación pasando por las de diseño de detalle, comisionado
y puesta en marcha. Es fundamental también para las actividades de Optimización, que transcurren
fundamentalmente en las etapas de Diseño y durante la operación.
El enfoque que a las respuestas a las anteriores preguntas se pretende dar en este texto obedece a
la óptica del Ingeniero de Procesos, de forma que se prestará especial atención no sólo a la obvia
importancia de la relación entre control y operación sino también a la relación entre el control y el
diseño, tanto en la etapa de ingeniería básica como en la mencionada optimización. Se tratará
especialmente de investigar aquellos aspectos del control que son relevantes en esas etapas.
La definición de un sistema de control requiere inicialmente la definición del grado de
automatización. Los criterios para definir el grado de automatismo son de índole tanto económica
como de seguridad y suelen depender del presupuesto existente y de las preferencias del cliente u
operador.
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.2
Tema 1. Introducción al control de procesos
Un primer paso en la selección del
esquema de control es la selección de las
variables controladas (CV’s). En esta
selección, además de consideraciones
Temperatura
respecto a las conveniencias de proceso,
Presión
pH
que variarán para cada operación básica
Nivel
Viscosidad
Caudal
o reactor, se habrá de tener en cuenta
Peso
Densidad
Composición
que la posibilidad de medir la variable es,
Voltaje
Conductividad
en
general,
imprescindible
(como
Velocidad
eléctrica
excepción se verán casos en los que el
Caudal
valor de la variable se infiere a través de
Variables que cumplen los preotros valores), por lo que se ha de intentar
Tabla 1. 1
requisitos
seleccionar variables cuya medida sea lo
más sencilla, fiable, económica e
inmediata posible. Entre las, no muchas, variables que cumplen estos requerimientos pueden
citarse las incluidas en la Tabla 1. 1
Como medida
directa
Como medida
indirecta
Con reservas
1. 2 Representación
El código de identificación de los distintos elementos de control y su representación dentro de un
diagrama de proceso, PFD’s, y en los de tuberías e instrumentos, P&ID’s (siglas en ambos casos
correspondientes a su denominación en inglés: Process Flow Diagrams y Pipe and Instruments
Diagrams, respectivamente) siguen universalmente las directrices de la norma ANSI/ISA S5.1 [Ref.
1]. Las siguientes Tabla 1. 2, Tabla 1. 3 y Tabla 1. 4 resumen algunos de los criterios fundamentales
de dicha norma. Los distintos instrumentos o funciones requeridos para el control se designan
dentro de los PFD’s y P&ID’s mediante un código que consta de unas siglas y un número cardinal
circunscritos por alguno de los símbolos de la tabla siguiente.
Localizado en
sistema principal
Montado en campo
Localizado en
sistema auxiliar o
secundario
Instrumentos
independientes
Elementos de un sistema
de control distribuido
Función desarrollada por
un ordenador
Elementos de un autómata
programable (PLC)
1. El tamaño puede variar según las necesidades del usuario y el tipo de documento.
2. Pueden usarse abreviaturas adicionales, escogidas por el usuario, sobre los símbolos cuando sea necesario para
especificar la localización de un elemento determinado.
3. La línea divisoria es continua si el elemento es accesible al operador y discontinua si no lo es (montaje tras el panel).
Tabla 1. 2
Símbolos para la representación de instrumentos o funciones
Las siglas identificativas se describen en el epígrafe siguiente y se insertan en la mitad superior de
cada símbolo. El cardinal es un número correlativo dentro de los distintos instrumentos con el
mismo código de letras y que sirve para identificar unívocamente cada instrumento dentro de un
área y sección determinada de la planta y se inserta en la mitad inferior del símbolo.
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.3
Tema 1. Introducción al control de procesos
Conexión a proceso
o instrumento
X
Señal neumática
Señal eléctrica
Válvula de compuerta
Válvula de asiento
Señal de software
o data link
X
Tubo capilar
Válvula de mariposa
Válvula con actuador
M
motorizado
Válvula con actuador neumático
Tabla 1. 3
Válvula con actuador
eléctrico de solenoide
Válvula de tres vías
Símbolos para la representación de válvulas y conexiones
Todos los instrumentos vinculados a un determinado lazo de control suelen, preferentemente,
identificarse con el mimo cardinal. El conjunto de siglas identificativas y el cardinal constituye el código
identificativo del instrumento habitualmente denominado “tag” y que es utilizado en todos los
documentos del proyecto. Cuando un instrumento contiene más de una función, se representan dos
símbolos tangentes, cada uno con el código definitorio de cada función. La conexión de los distintos
instrumentos entre sí y/o con el proceso se representa mediante líneas que siguen la
representación de la Tabla 1. 3.
Identificación
Los distintos instrumentos se identifican mediante un código de letras, ver Tabla 1.4, que hacen
referencia a su funcionalidad. La primera letra define la variable medida como T (temperatura), P
(presión), etc. La letra o letras sucesivas definen la función realizada, por ejemplo I (indicador), T
(Trasmisor), C (Controlador), etc. Pueden aparecer también letras modificadoras de la variable o de
la función, por ejemplo d (diferencial) o H (alto).
La Figura 1. 1, muestra un ejemplo de representación tomado de la revista Control Engineering
[Ref. 3] en donde se han combinado diferentes elementos y señales de control. El FT-101
representa un transmisor de flujo localizado en campo conectado vía una señal eléctrica (línea de
trazos) a un indicador controlador de caudal FIC-101 localizado en un sistema de control distribuido.
A la señal del transmisor se le extrae la raíz cuadrada como parte de la funcionalidad del FIC-101.
La salida del FIC-101 es una señal eléctrica que va al TY-101, localizado en un punto detrás del
panel normalmente no accesible al operador, donde se convierte en una señal neumática (línea con
dobles marcas inclinadas). El TY-101 es pues un transductor intensidad / presión (I/P). El TT-101 y
TIC-101 son similares al FT-101 y FIC-101 pero para la medida, indicación y control de la
temperatura. La salida del TIC-101 se conecta vía software (línea con circulitos) al punto de
consigna o set-point (SP) del FIC-101 para formar lo que se llama una estrategia en cascada.
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.4
Tema 1. Introducción al control de procesos
Ejemplo de P&ID
A menudo los P&ID’s incluyen en una leyenda o en página separada
una definición de términos, símbolos, sistemas de numeración, etc.,
típicos. En la misma figura anterior se ha incluido un montaje típico de
YIC como podría aparecer en dicha leyenda. En él se muestra una
válvula todo-nada controlada por una solenoide vinculada con sendos
interruptores de límite de carrera para indicar las posiciones de
abierto (ZSH) y cerrado (ZSL). Todas las entradas y salidas se
cablean a un autómata programable que es accesible al operador
(rombo circunscrito por un cuadrado con línea continua en la
mediana). La letra “Y” indica un evento, estado o presencia. La letra
'I' refleja que se visualiza la información, y la letra 'C' significan que el
control se ejecuta en este dispositivo.
Las válvulas de control también deben identificarse con unas siglas y
un cardinal, aunque no aparezca así en el ejemplo de figura. Así la
válvula de control de caudal de temperatura del lazo mostrado
debería nombrarse como TV-101. En ocasiones pueden encontrarse
Figura 1. 1
válvulas autorreguladoras, es decir, válvulas que ejercen funciones
de control sin necesidad de recibir señales de un controlador. Dentro de esta funcionalidad eran
frecuentes las autorreguladoras de presión PCV’s, si bien la reducción del coste de los
controladores hace cada vez más infrecuente este tipo de solución.
La siguiente tabla extracta los códigos dados por ISA para la identificación de instrumentos.
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.5
Tema 1. Introducción al control de procesos
Primera letra
Variable medida o iniciadora
Letras sucesivas
Modificativo
Función pasiva o
de lectura
Función de
salida
Modificativo
A seleccionar
por el usuario
A
Análisis
Alarma
B
Quemador, combustión
A seleccionar por el A seleccionar
usuario
por el usuario
C
A seleccionar por el usuario
D
A seleccionar por el usuario
E
Voltaje
F
Caudal
G
A seleccionar por el usuario
H
Manual
I
Intensidad (eléctrica)
J
Potencia
K
Velocidad de
Tiempo, planificación de tiempo cambio de
tiempo
L
Nivel
M
A seleccionar por el usuario
N
A seleccionar por el usuario
A seleccionar por el A seleccionar
usuario
por el usuario
O
A seleccionar por el usuario
Orificio, restricción
P
Presión, vacío
Punto (conexión de
prueba)
Q
Cantidad
R
Radiación
S
Velocidad, frecuencia
T
Temperatura
U
Multivariable
V
Vibración, análisis mecánico
W
Weight, force
X
No-clasificado
Eje X
Y
Evento, estado, o presencia
Eje Y
Relé,
ordenador,
convertidor
Z
Posición, dimensión
Eje Z
Driver, actuador
Tabla 1. 4
Control
Diferencial
Sensor (elemento
primario)
Ratio (fracción)
Vidrio, dispositivo
visual
Alto
Indicación
Barrido (scan)
Estación de
control
Luz
Bajo
Medio,
intermedio
Momentáneo
A seleccionar
por el usuario
Integrador,
totalizador
Registro
Interruptor,
contacto
Seguridad
Trasmisor
Multifunción
Multifunción
Multifunción
Válvula, damper
Vaina
No-clasificado
No-clasificado
No-clasificado
Letras identificativas
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.6
Tema 1. Introducción al control de procesos
1. 3 El lazo de control
El control básico o regulatorio, es decir el nivel fundamental de control de un proceso, se basa en el
denominado lazo o bucle de control realimentado. Éste consta de un circuito cerrado de
información que mide en el proceso el valor de una variable (variable controlada) que interesa por
razones de proceso mantener en un punto determinado (punto de consigna). La diferencia entre
ambos efectuada por un comparador, valor medido menos valor deseado, determina un error. Un
elemento denominado controlador calcula, mediante un cierto algoritmo, cuál debería ser la
modificación de otra variable del proceso, denominada variable manipulada (MV), para que el error
detectado tienda a cero. La definición efectuada se refiriere a un lazo en realimentación con una
sola variable controlada y una variable manipulada, denominado a veces SISO por sus siglas en
inglés para “entrada única y salida única”. Una vez definido este núcleo básico se podrán construir
lazos múltiples más complejos con más de una variable de entrada y/o salida.
El ejemplo más sencillo de un lazo de control realimentado se puede dar en el calentamiento de un
depósito de agua mediante la inyección de vapor a través de un serpentín. La temperatura se mide
mediante el termómetro adecuado, su magnitud se compara con el valor de consigna deseado y, en
función del error, se introduce más o menos vapor por el serpentín. El algoritmo, de hecho el
elemento inteligente del proceso, deberá establecer en qué cantidad es preciso modificar el caudal
de vapor para corregir el potencial error en la temperatura, pero aunque el cálculo no fuese
adecuado el propio sistema evolucionaría hacia la resolución del problema mediante la captación
del error no corregido. El funcionamiento de un lazo en realimentación es independiente de la causa
del posible error, tanto se deba a un cambio de consigna como al efecto de una perturbación, el
controlador puede maniobrar el proceso adecuadamente. Esta universalidad es una de sus
principales ventajas que han hecho de este sistema el paradigma de los lazos de control. La
desventaja más evidente es que el lazo sólo comienza a actuar cuando se ha producido la
desviación de la variable controlada respecto al punto de consigna.
La selección de las parejas de variables respectivamente controladas y manipuladas no siempre
resulta evidente ni intuitiva. Tampoco puede considerarse tipificable, en el sentido de que, dentro de
una misma operación básica, el emparejamiento óptimo de variables puede ser distinto en cada
caso concreto, al influir en su decisión múltiples consideraciones. Esta decisión, que se denominará
en adelante definición de la estrategia de control, constituye el punto crucial del control de un
proceso y requiere, en general, el conocimiento detallado de las relaciones que existen entre las
diversas variables entre sí. Su estudio se acomete siguiendo una cierta metodología cuyo detalle
se aborda más adelante y que es el objeto principal del presente texto. La definición del controlador,
de la que, como se ha comentado queda excluida del alcance aquí pretendido, afectaría
específicamente a la definición del algoritmo a utilizar y su adecuada sintonización.
La naturaleza del vehículo de transmisión utilizado en el citado circuito cerrado puede ser neumática
o eléctrica, y dentro de estas últimas puede ser analógica o digital. Independientemente debe
considerarse la naturaleza de la señal transmitida que puede ser a su vez analógica (valores
continuos) o digital (valores todo-nada).
El sistema de transmisión neumático fue históricamente el primero en utilizarse y alcanzaba a todos
los elementos del bucle. Actualmente sólo los elementos finales de control (válvulas automáticas)
mantienen elementos de naturaleza neumática, siendo el resto de comunicaciones entre el resto de
elementos del bucle de naturaleza eléctrica. Esto implica la necesidad de dotar la entrada a las
válvulas de convertidores eléctrico - neumáticos denominados convertidores I/P. La coexistencia de
elementos del lazo digitales (hoy en día todos los controladores y transmisores) con una
comunicación eléctrica analógica, todavía hoy frecuente, obliga a su vez a dotar los sistemas de
control de convertidores analógico-digitales (A/D).
En cualquier caso la transmisión está normalizada, siendo la neumática de 3 ÷ 15 psi y la eléctrica
analógica de 4 ÷ 20 mA. La no utilización del valor cero psi o mA como rango inferior obedece al
interés en diferenciar una señal de 0% del rango definido, de la rotura del cable o tubo de
transmisión de presión, que daría valor nulo. La transmisión eléctrica digital sigue determinados
protocolos denominados HART o bus de campo, como se detallarán más adelante.
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.7
Tema 1. Introducción al control de procesos
Figura 1. 2
Elementos básicos del lazo de control realimentado
1. 4 Tipos de Instrumentos
Los distintos instrumentos que forman parte o pueden formar parte del lazo de control descrito
anteriormente pueden clasificarse como: Elementos de Medida, Controladores, elementos Finales y
elementos Auxiliares. Las tablas siguientes proporcionan una clasificación y descripción de las
características generales de cada uno de estos grupos.
VARIABLES
MEDIDAS
Presión (P)
Nivel (L)
CaudaL (F)
Temperatura (T)
Peso (W)
Composicion (A)
pH (pH)
Conductividad (K)
Densidad (D)
Viscosidad (V)
Tabla 1. 5
FUNCIÓN
EJEMPLO
Elemento primario (E)
Placa orificio (FE)
Termopar (TE)
Indicación local (I)
Manómetro (PI)
Termómetro (TI)
Rotámetro (FI)
Totalizador (Q)
Caudal acumulado (FQ) Instrumentos
específicos para totalizar sustituidos
por
integración
de
valores
instantáneos
Transmisión señal (T)
De presión (PT)
De presión diferencial (dPT)
Registro (R)
En
desuso
como
instrumento
independiente.
Sustituido
por
historización sobre soporte magnético
Convertidor (Y)
Convertidor eléctrico / neumático (#Y)
Interruptor
Activación contacto (S)
Termostatos (TS)
Presostatos (PS)
Limites de carrera
Nivel max/min (LS)
Alarma (A)
Alarma de alto nivel (LAH)
Alarma de bajo caudal (FAL)
ELEMENTOS DE MEDIDA
Los elementos de medida, que se verán en detalle en el siguiente tema, constan o pueden constar
de tres distintos componentes: 1) El elemento primario o sensor, que es el que está en contacto con
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.8
Tema 1. Introducción al control de procesos
el proceso, mide la variable en cuestión y genera una señal representativa de la magnitud de la
misma 2) el Transmisor que consta a su vez de un transductor que convierte la señal del sensor en
una señal normalizada y el transmisor propiamente dicho que amplifica la señal del transductor para
permitir su envío a distancia a través del circuito de comunicación y 3) el elemento encargado de
visualizar la señal medida, Indicador, Registrador, Alarma, etc., que forma parte de la interfaz
hombre-máquina. En general los anteriores elementos se pueden clasificar de acuerdo con la Tabla
1. 5
Respecto a los Controladores cabe efectuar la siguiente clasificación general y definición básica,
que se completará y concretará en el tema 4.
Tipo
Comentario
Analógicos (neumático o Actualmente en desuso. Se localizaban aislados o en paneles de
electrónico)
control, tradicionales en los 60’s.
Multilazo digital
Para pequeñas instalaciones. Control simultáneo y programable
de cierto número de lazos independientes
Control distribuido (DCS) Sistema de control digital configurable que consta de 1) Tarjetas
de microprocesadores que ejecutan el algoritmo de control de un
nº limitado de lazos (8, 16, 64…), 2) Tarjetas de E/S de datos A/D
3), Interfaz con el operador basada en pantalla + teclado y 4)
Canal de comunicaciones.
De uso en plantas con predominancia de controles de variables
continuas (variables analógicas), es decir, caudales, temperaturas,
presiones, etc.
Autómata
programable Sistema de control digital programable que consta de:
(PLC)
1) CPU que ejecuta un ciclo (del orden de ms) de medidas acciones de acuerdo con una secuencia programada 2) Tarjetas
de E/S de datos A/D
De uso en plantas con predominancia de control de variables todonada (variables digitales), es decir, arranque y parada de motores,
cierre y apertura de válvulas, etc.
Control por PC
Ordenadores personales con tarjetas de entrada/salida. Algoritmo
de control ejecutado por el PC. Para pequeñas instalaciones con
riesgos de interrupción limitados (plantas piloto)
Tabla 1. 6 TIPOS DE CONTROLADORES
Los elementos finales, que se verán en detalle en el tema 3, pueden clasificarse en principio de
acuerdo con la siguiente tabla.
TIPO
Válvula Automática
Válvula Solenoide
Posicionador
COMENTARIO
Neumática
Eléctrica (motorizada)
Actuador eléctrico directo (solenoide) para
pequeños diámetros (< ¾”)
Neumático
Electroneumático
Digital
Servomotor
Variador de velocidad
Convertidor de frecuencia
Tabla 1. 7
ELEMENTOS FINALES
Dentro del concepto de elementos auxiliares se incluyen aquellos que se requieren para posibilitar o
añadir prestaciones a algunos de los elementos anteriores. La representación dentro de un
diagrama suele hacerse con el símbolo correspondiente circunscrito por un cuadrado. Entre éstos
pueden destacarse los siguientes:
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.9
Tema 1. Introducción al control de procesos
TIPO
Convertidores (#Y)
COMENTARIO
Transforma una señal analógica en digital
(A/D) y viceversa.
Tratamiento interno de las señales entre
Integradores (∫)
instrumentos
Proporcional (K)
Multiplica la señal de entrada por una
constante fija o ajustable exteriormente
Multiplicador (x)
La señal de salida es el producto de las
dos de entrada
La señal de salida es el cociente de las de
Divisor (÷)
dos de entrada
La señal de salida es raíz de la de entrada
Raiz cuadrada (√)
Amplificadores
En largas distancias
Selectores de señal (> ó <)
Selección de máxima o mínima
Tabla 1. 8
ELEMENTOS AUXILIARES
Respecto a la comunicación entre los distintos elementos del lazo de control puede establecerse la
siguiente clasificación atendiendo a la naturaleza de la señal de transmisión
TIPO
Neumático (3-15 psi)
COMENTARIO
En desuso salvo para actuación de válvulas de control. Requiere
suministro de aire de instrumentos a un mínimo de 20 psi
Electrónico analógico (4- Habitual para las comunicaciones entre los controladores y los
20 mA)
instrumentos de campo (a pesar de que ambos funcionan en base a
electrónica digital, lo que supone sendos convertidores A/D entre ambos)
Electrónico Digital
Implantado para la comunicación entre microprocesadores (Ethernet,
(Bus de campo)
TCP/IP)
La comunicación entre elementos de campo y controladores a través de
protocolos llamados “bus de campo” (Profibus, Fieldbus Foundation) ha
comenzado a ser realidad a nivel industrial en plantas de proceso sólo a
partir de los 2000. La principal ventaja se fundamenta en el ahorro de
cableado y el aumento de prestaciones, entre otras las indicadas para el
protocolo HART.
Protocolo HART
En adelanto a la estandarización total del bus de campo ha permitido
añadir prestaciones digitales a la comunicación analógica 4-20 mA (para,
por ejemplo, aprovechar las capacidades de los transmisores SMART).
Entre esas prestaciones pueden indicarse la calibración desde sala de
control para adaptarse a distintos productos en circulación, menor
necesidad de mantenimiento in situ, capacidad de compensación de
temperatura o presión barométrica, monitorización de datos, integración
en control avanzado, ampliación de rangos, etc.
Óptica
Independientemente del protocolo de transmisión permite ampliar la
distancia, intensidad
y “claridad” de la transmisión en base a
convertidores adecuados
Tabla 1. 9
SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE SEÑALES
1. 5 Bibliografía general
1. J. Corrales y otros, “Manual de Instrumentación y Control de Procesos”, Alción 1998
2. P. Ollero de Castro y E. Fernández, “Control e Instrumentación de Procesos Químicos”,
Síntesis 1997
3. W.L. Luyben, B.D. Tyréus y M.L. Luyben, “Plantwide Process Control”, McGraw-Hill 1998
4. W.Y. Svrcek, D.P. Mahoney y B.R. Young, “A Real-time approach to Process Control”, John
Wiley & Sons 2000
5. A.B. Corripio,“Design and Application of Process Control Systems”, ISA 1998
6. F.G. Shinskey, “Sistemas de Control de Procesos”, McGraw-Hill 1996
7. J. Acedo, “Control Avanzado de Procesos: Teoría y Práctica”, Díaz de Santos 2002
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
Pág. 1.10
Tema 1. Introducción al control de procesos
1.6 Referencias del capítulo
Ref. 1 – ISA – 5.1 – 1984 (R1992)
Ref. 2 – J. Corrales, “Introducción”, Manual de Instrumentación y Control de Procesos,1998, p-9-15
Ref. 3 – D. Harrold, “How to read P&Ids”, Control Engineering, August 2000
ANEXO. GLOSARIO DE SIGLAS
El gran número de siglas utilizadas en la terminología habitual de control, su universal proveniencia
de la terminología anglo-sajona y la celeridad de cambio hace muchas veces difícil su
interpretación. La tabla siguiente pretende facilitarla aunque requerirá frecuente actualización.
AI
APC
CIM
CV
DCS
DDC
DMC
DV
ESD
IMC
LP
MBPC
MPC
MIMO
MIS
MISO
MMI
MV
OP
PIMS
Artificial Intelligent
Advanced Process Control
Computer Integrated Manufacture
Controlled Variable
Distributed Control System
Direct Digital Control
Dinamic Matrix Controller
Disturbance Variable
Emergency Shutdown
Internal Model Control
Linear Programming
Model Based Predictive Control
Multivariable Predictive Control
Multiple Input Multiple Output
Management Information System
Multiple Input Single Output
Man-Machine Interface
Manipulated Variable
Output Variable
Plant Information Management Systems
PLC
Programmable Logic Controller
PV
QP
SCADA
Process Variable
Quadratic Programming
Supervisory Control And Data Adquisition
Inteligencia Artificial
Control Avanzado de Procesos
Fabricación Integrada por Ordenador
Variable Controlada
Sistema de Control Distribuido
Control Digital Directo
Controlador Matricial dinámico
Variable de Perturbación
Parada de urgencia (no programada)
Control de Modelo Interno
Programación lineal
Control Predictivo Basado en Modelos
Control Multivariable Predictivo
(Lazo de) Entradas y Salidas Múltiples
Sistema de Información de la Dirección
(Lazo de) Múltiples Entradas y Salida Única
Interfase Hombre-Máquina
Variable Manipulada
Variable de Salida
Sistemas de Gestión de Información de
Planta
Autómata Lógico Programable
Variable de Proceso
Programación Cuadrática
Software para Control de Supervisión y
Adquisición de Datos
Sistema Instrumentado de Seguridad
SIS
ó Instrumented Safety System
ISS
SISO
Single Input Single Output
(Lazo de) una Entrada y una Salida
SP
Set Point
Punto de Consigna
SPC
Statistical Process Control
Control Estadístico de Procesos
SQP
Sequencial Quadratic Technology
Tecnología Cuadrática Secuencial
Tabla 1. 10
SIGLAS HABITUALES EN CONTROL DE PROCESOS
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
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