FILOSOFIAS DE CONTROL_SEGUNDA EDICION

Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Eléctrica
FILOSOFÍAS DE CONTROL
SEGUNDA EDICIÓN
OSCAR PÁEZ RIVERA
PROFESOR ASOCIADO DEL
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
ACTUALIZADO NOVIEMBRE DE 2015
Filosofías de control
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1. PALABRAS PRELIMINARES
Los sistemas existen independientemente del observador que los estudia,
y sus
propiedades deben ser descubiertas a fin de poder usarlos con algún propósito. Una
de las formas en que usa el hombre a estos conocimientos
es el control de estos
sistemas y en particular interesan los sistemas productivos ya sea de bienes o
suministros.
La palabra control es usada en diferentes contextos, la esencia de ella esta en la
acción de controlar que es lograr que lo que se controla evolucione, actúe de una
forma previamente establecida. Para lograr controlar se requiere al menos la existencia
de un nuevo sistema llamado controlador.
El control supone la interacción entre dos sistemas: el controlador y el sistema
controlado, ambos forman el sistema bajo control. La
interacción ocurre cuando el
controlador usa sus salidas como estímulos para el sistema controlado; a su vez la
respuesta de este sirve como entrada al controlador.
A veces para controlar se
requiere suministrar fuerzas y energías al sistema controlado, en ese caso es
necesario disponer de un amplificador de las salidas del controlador. esto se logra con
otro sistema llamado sistema de actuación el que obtiene la energía de redes de
suministro , por ejemplo de la red eléctrica publica.
En ocasiones, es posible que el controlador y el sistema controlado más el sistema de
actuación formen físicamente un todo, en tal caso se dice que
el sistema en global
presenta un control interno o auto control.
El hombre en sí mismo es un sistema autocontrolado que tiende a controlar a otros
sistemas. En particular ha controlado por siempre a los sistemas que emplea para
procurarse lo que necesita para poder vivir. Tal clase de control se llama manual. Con
el desarrollo de la ciencia e ingeniería estos sistemas productivos artificiales han
llegado a niveles de perfección y complejidad muy altos, el control manual se torna
inadecuado en muchos casos y se hace necesario lograr mejores medios de control de
los procesos productivos.
La solución moderna a lo recién señalado es el desarrollo de los sistemas de control
automático.
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica
Filosofías de control
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Este texto corresponde a las clases de un curso de control automático orientado a
la ingeniería de control e instrumentación que ha dictado el autor por 30 años en el
Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Santiago de Chile.
Oscar Páez Rivera
[email protected]
Ingeniero
Civil
Electricista
de
la
Universidad de Chile y
Magister en Ingeniería
Eléctrica de la misma
casa de estudios. Es
Profesor Asociado del
Departamento
de
Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Santiago
de Chile y Director de la
carrera
Ingeniería de
Ejecución en Electricidad Mención automatización
Industrial Modalidad Vespertina desde 1995 a la fecha.
Actualmente dicta las asignaturas de Ingeniería Civil en
Electricidad: control de sistemas y proyectos en Ingeniería.
En la carrera de Ingeniería de Ejecución dicta:
automatización industrial y Control Automático Industrial.
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica
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2. DEFINICIONES BÁSICAS
Las definiciones que siguen constituyen parte del lenguaje que se requiere en la
Ingeniería de control, en realidad ayudan a entender el METALENGUAJE que se usa
en la disciplina.
Definiciòn 1. Proceso
Conjunto ordenado de transformaciones de la
materia y energía con objeto de producir bienes u obtener suministros
(como por ejemplo suministros de energía eléctrica).
Definiciòn 2. Planta
Configuración de elementos materiales donde
ocurre un proceso.
Definiciòn 3. Instrumento
dispositivo capaz de generar , transmitir, controlar,
registrar y controlar una señal.
Definiciòn 4. Instrumentación industrial
actividad profesional que se dedica
a especificar, montar, configurar
los instrumentos de
plantas
industriales de modo que permiten el adecuado control de sus
procesos. Los procesos se controlan y las plantas se instrumentan
Definiciòn 5. Sensor
variable,
Nombre global de un sistema capaz de detectar una
cambiarla
en
escala
de
magnitud
física,
amplificarla,
linealizarla, filtrarla y acondicionarla como señal estándar de manera
predeterminada. El sensor puede ser separado o integrado con otros
elementos de un lazo de control. El
nombre
sensor
se
asocia
a
variables análogas. El equivalente en señales discretas (on-off) se
acostumbra a llamar detector.
Definiciòn 6. Elemento primario
Parte del sensor que efectúa la
captura de la información asociada a la variable bajo medición.
También, es el que efectúa la primera transducción de variable física a
señal.
Definiciòn 7. Transmisor
Dispositivo que obtiene una variable de
proceso por medio de un sensor y que tiene como salida variados
valores que son sólo una función, predeterminada, de la variable de
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proceso. Este dispositivo puede, o no, estar integrado con el sensor.
Este dispositivo es capaz de comunicar a distancia el estado de una
variable bajo observación.
Definiciòn 8. Elemento final de control
Dispositivo
que
funcionalmente
modula la materia o energía inyectada o extraída del proceso. Por
ejemplo, una válvula de control. En otras palabras, parte del sistema
de actuación encargado de suministrar la fuerza, energía y potencia al
proceso,
son
elementos
finales
de
control
motores,
bombas,
calefactores, quemadores etc. con frecuencia, en el ambiente de
procesos industriales, se considera a las válvulas de control como
elementos finales de control.
Definiciòn 9. Sistema de actuación
Nombre
global
del
sistema
que
permite influir en el proceso con fines de control. En otro sentido, el
sistema de actuación es una parte del sistema de influencia sobre el
proceso. Por ejemplo, sistemas eléctricos, neumáticos, mecánicos, etc.
Este dispositivo, es capaz de suministrar energía modulada al sistema
para su evolución. El sistema de actuación capta la energía desde una
red de energía las que en general son redes estándar de suministros
(eléctricas, neumáticas, etc.) y la modula en base a una señal débil de
mando proveniente de un controlador.
Definiciòn 10. Red de energía
Sistema
capaz
de
suministrar
energía
en
condiciones estándar de funcionamiento. Por ejemplo, redes eléctricas,
neumáticas, petróleo, aceite comprimido, etc. Las redes de energía
funcionan a un valor de gradiente constante, por ejemplo: voltaje
constante de 220 VAC, 24 VDC; presión de aire constante 120 psi;
presión de vapor constante 150 psi.
Definiciòn 11. Constante de proceso
Atributo o propiedad de la materia o
energía que permanece fija en el tiempo.
Definiciòn 12. Parámetro
Atributo o propiedad de la materia o energía que
permanece más o menos fija en el tiempo o, que su variación en el
tiempo es despreciable respecto de las escalas de magnitud de un
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proceso. El parámetro se diferencia de una constante en el sentido que
es
ajustable según diseño. Los parámetros pueden depender de la
geometría, en tal caso los sistemas se llaman de parámetros
distribuidos. Y, cuando no dependen de la geometría los sistemas se
llaman de parámetros concentrados.
Definiciòn 13. Variable
Atributo o propiedad de la materia o energía que
cambia su valor debido al cambio que ocurre en otra propiedad de la
materia o energía; tras esta definición subyace el concepto de causa –
efecto; una cantidad es variable porque depende de otras cantidades y
cambia junto con ellas. Es frecuente asociar la variable con la función
matemática que describe su evolución en el tiempo.
Definiciòn 14. Variable análoga
Variable definida en todo instante y que
puede tomar todos los valores de su escala de amplitud.
Definiciòn 15. Variable de fuerza
Se dice que una variable es de fuerza o
es una variable fuerte cuando su valor no se altera cuando el sistema a
la que pertenece se interconecta con otro y hay una significativa
cantidad de energía transferida entre ambos sistemas.
Definiciòn 16. Variable débil
Se dice que una variable es una variable
debil cuando su valor se altera notablemente cuando el sistema a la
que pertenece se interconecta con otro y hay una significativa cantidad
de energía transferida entre ambos sistemas.
Definiciòn 17. Señal
Especial clase de variable débil asociada a la salida de
un instrumento de transducción. Lo esencial de una señal es que es
una variable que se presta para representar a otras variables gracias a
su facilidad para ser captada, almacenada y procesada. En control e
instrumentación, finalmente se han establecido rangos de magnitud
física que permiten hablar de señales estándares de control. Esos
rangos son: corriente de 4 - 20 [mA]; voltaje de 1 - 5 [volts] y presión de
aire comprimido de 3 - 15 [Psi].
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Definiciòn 18. Variable salida de control
es aquella variable que si se
controla garantiza el buen funcionamiento del fenómeno y a veces del
proceso. Este tipo de variable será señalada por la letra Y
Definiciòn 19. Perturbación
Variable de fuerza no controlada y cuya aparición
puede tener una cierta probabilidad de ocurrencia. Las perturbaciones
alteran el desempeño de un sistema bajo control y no son útiles en
ningún sentido. Este tipo de variable será señalada por la letra P
Definiciòn 20. Variable
de Carga
Variable de fuerza programable o
considerada en el diseño desde el punto de vista de su demanda de
energía. Las cargas representan la interacción del sistema controlado
con su entorno, si bien alteran el desempeño del sistema bajo control,
muchas veces representan la finalidad del sistema. Como
ejemplo
puede mencionarse la corriente de línea de un sistema autógeno de
electricidad Este tipo de variable será señalada por la letra L
Definiciòn 21. Variable
de Actuación
Variable de fuerza manejada por el
controlador. La variable de actuación es la respuesta del sistema de
actuación
y es aquella variable capaz de equilibrar el efecto
perturbador de la variable de carga o de una perturbación sobre la
variable salida de control. Este tipo de variable será señalada por la
letra X
Definiciòn 22. Ruido Variable débil no deseada e inmanejable desde el punto de
vista de su generación. El ruido puede ser importante a nivel de las
señales de control y de detección.
Definiciòn 23. Control
Término
genérico
que
alude
a
las
acciones
de
vigilancia, supervisión, manipulación, manejo, etc.
Definiciòn 24. Variable controlada
una variable está bajo control cuando
evoluciona de una manera previamente definida
Definiciòn 25. Control de procesos industriales
actividad profesional que se
dedica a controlar los procesos industriales de modo que estos ocurran
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respetando ciertos estándares de producción. Los procesos se
controlan y las plantas se instrumentan
Definiciòn 26. Lazo
Una combinación de dos o más instrumentos o
funciones de control conectadas de tal manera que las señales pasen
de una a otra con el fin de controlar o medir una variable de proceso.
Definiciòn 27. Lazo de control
cadena de instrumentos que se emplean para
ejecutar una estrategia de control, un lazo comienza en una variable de
proceso y finaliza en un elemento final de control.
Definiciòn 28. Controlador
Instrumento
que
realiza
la
función
de
controlar. Este, puede ser integrado con otros elementos funcionales
de un lazo de control.
Definiciòn 29. Estrategia de control
principio funcional mediante el cual es
posible controlar un sistema
Definiciòn 30. Lazo cerrado
Es un lazo en el cual la desviación de la salida es
ocupada para la corrección de la entrada.
Definiciòn 31. Set-point
Una señal
de entrada, que coloca el valor
deseado de una variable bajo control. El set-point puede ser colocado
en forma manual, automática o programada.
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3. DEFINICIONES COMPLEMENTARIAS
Las definiciones que siguen constituyen parte del lenguaje que se requiere en la
Ingeniería de control, en realidad ayudan a entender el METALENGUAJE que se usa
en la disciplina. Algunas de estas definiciones están establecidas por la ISA.
Def 1. Binario
Termino aplicado a una señal o dispositivo que tiene sólo dos
posiciones discretas o estados. El término denota un estado "alto-bajo", "onoff", etc.
Def 2. Dispositivo inteligente
Def 3. Configurable
Dispositivo basado en un microprocesador.
Término aplicado a un dispositivo o sistema cuyas
características funcionales pueden ser cambiada mediante hardware o software
que no afectan su estructura básica.
Def 4. Estación (sala) de control
Lugar en que residen los equipos para la
supervisión y control de un proceso. Esta estación automático-manual tiene la
característica que desde ella la salida del lazo de control se puede manejar en
forma manual, por lo cual está provista de una serie de indicadores, luces, y
otros elementos. Esta estación, además, posee un interruptor para intercambiar
entre el modo de control manual y el modo de control automático del lazo de
control.
Def 5. Conversor
Un dispositivo que recibe información de un instrumento
con una determinada forma de señal y proporciona en su salida una señal de
otra forma física. Cabe señalar si, que un instrumento el cual cambia la salida
de un sensor a una señal estándar es designado como un transmisor.
Def 6. Monitor
En general, es un instrumento o sistemas de instrumentos
usados para medir o sensar el estado o magnitud de una o más variables con
el propósito de obtener información de éstas. El término monitor es muy poco
específico, a veces es tomado como analizador, indicador o alarma. Incluso
puede ser usado como un verbo (monitorear).
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Def 7. Panel
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Una estructura que tiene un grupo de instrumentos montados
en él asequible al operador de proceso, teniendo cada uno única designación.
El panel puede constar con una o más secciones, consolas, etc.
Def 8. Luz piloto
Una luz que indica la existencia de una condición normal de
un sistema o de un dispositivo. La luz piloto NO es una luz de alarma. La luz de
alarma debe destacarse y tiene que actuar en forma intermitente.
Def 9. Soft-display
Dispositivo que entrega información acerca del proceso
de control por medio de un software.
Def 10. Switch
Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transforma
uno o más circuitos y que no está diseñado como un controlador, relay o
válvula de control.
Def 11. Transductor
El término, en general, se refiere a un dispositivo que
recibe información de una o más variables físicas, modifica la información y/o
su forma, si es requerido, y produce en la salida la señal resultante.
Dependiendo de la aplicación, el transductor puede ser un elemento primario,
un transmisor, relay, conversor u otro aparato.
Def 12. Controlador de lógica programable (PLC)
Un controlador, usualmente,
con múltiples entradas y salidas que contiene un programa alterable y que
básicamente, desarrolla control lógico.
Def 13. Relay
Dispositivo que produce cambios de estados, de salida, en si
mismo por acción directa de alguna variable de entrada. Por ejemplo, relay
electromecánico (variable: corriente), relay térmico (variable: temperatura),
presostato (variable: presión), límite de carrera (variable: desplazamiento), etc.
Def 14. Controlador digital
Dispositivo basado en microprocesadores capaz
de implementar uno o más lazos de control digital.
Def 15. Control digital
asincronico
Filosofía de control basada en el muestreo sincrónico o
de la variable bajo control para su corrección. Las acciones de
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control se toman en dichos instantes y se mantiene la salida de control hasta el
próximo periodo de muestreo.
Def 16. Control lógico
Conjunto
de
acciones
básicamente
digitales,
del
tipo
combinacional y secuencial, que permiten ordenar la ocurrencia de un
procedimiento.
Def 17. Control modulante
Se refiere al clásico lazo de control con variables
análogas.
Def 18. Control distribuido
Técnica
de
control,
la
cual,
estando
funcionalmente integrada, consta de subsistemas los cuales pueden estar
físicamente separados y ubicados remotamente desde uno a otro. En un
control distribuido se concentra la supervisión y se distribuye la inteligencia de
control.
Def 19. Control muestreado
Técnicas de control que permiten trabajar con
muestras en el tiempo de la variable de proceso. La acción de control ocurre en
los instantes de muestreo.
Def 20. Variable muestreada
Variable análoga en sus valores, pero discreta en
los instantes de cambio. Estos cambios pueden ser sincrónicos o asincrónicos.
La variable muestreada asume los valores de la variable original en los
instantes de muestreo y es nula en el resto del tiempo.
Def 21. Función
Acción o propósito que ejecuta un dispositivo.
Def 22. Identificación del ...
Secuencia de letras o dígitos, o ambos, usados para
designar un instrumento o u lazo en forma individual.
Def 23. Alarma
Cualquier dispositivo o función que señale la existencia de
una condición anormal por medio de un sistema audible o visible, o ambos, que
intenta atraer la atención.
Def 24. Local
Control en terreno próximo al elemento primario.
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Def 25. Remoto
Control desde una estación o sala de control o de
cualquier otro centro de mando.
Def 26. Variable digital
Variable definida en todo instante de tiempo, pero que
sólo puede tomar dos valores de amplitud (1 ó 0). Por ejemplo, 0 [ V ] ó 5 [ V ];
4 [mA] ó 20 [mA]; etc.
Def 27. Estación manual
Dispositivo o función, en el cual, su salida es
manualmente ajustable y que es usada para actuar sobre uno o más aparatos
remotos. La estación manual es una parte de la sala o estación de control.
Def 28. Medición
La determinación de la existencia de una magnitud o variable.
Def 29. Programa
Una secuencia de acciones que definen el estado de la salida
como una relación fijada por un set de entradas.
Def 30. Muestreo
Acción de tomar valores, de una manera predeterminada, de
un número de variables en forma intermitente. La función de un dispositivo
muestreador, es obtener frecuentemente el estado o valor de una variable.
Def 31. Soft-controller
Es un lazo de control implementado por software.
Def 32. Hard-controller
Es un lazo de control implementado por dispositivos
físicos.
Def 33. Hard-display
Dispositivo destinado a desplegar información acerca
del control del proceso por un número de avisos en el comando del operador.
Def 34. Automatización Se llama automatización al proceso de incorporar autómatas
a la tarea en cuestión.
Def 35. Autómata Un autómata es un sistema artificial construido con un objetivo
definido. Para cumplir con su tarea, el autómata esta dotado de los recursos de
hardware y software adecuados, dispone del suministro de energía suficiente
para su funcionamiento. Además, sí el objetivo final es el control, entonces, el
autómata debe estar conectado al sistema, de modo que puede recibir y dar
las señales que se necesitan para controlarlo.
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4 GENERALIDADES SOBRE EL CONTROL AUTOMÁTICO
El interés del empresario esta en posicionarse bien en el mercado, para ello requiere
obtener productos de calidad, económicos y atractivos. El control automático ayuda a
lograr esos objetivos. Mediante el control automático es posible ahorrar materias
primas y energías.
Los productos se generan en una infraestructura llamada planta. En la planta ocurren
los procesos necesarios para generar los productos.
El autómata que realiza el control se llama controlador
Para poder controlar el proceso que ocurre en la planta es necesario instrumentarla
agregando los sistemas de actuación y sensores necesarios. Se llama sistema de
control automático al conjunto dado por el controlador, el sistema de actuación y
sensores.
Se llama sistema bajo control al conjunto dado por la planta y el sistema de control
automático
En general: las plantas se instrumentan y los procesos se controlan
4.1 reglas de oro del control
Existen unas reglas de oro sobre el control automático, originadas en terreno, estas
reglas están planteadas en el sentido negativo y son las siguientes:
Regla del conocimiento:
No se puede controlar lo que no se conoce
Regla de la medición:
No se puede controlar lo que no se puede medir
Regla de la potencia
No se puede controlar si no se dispone de la potencia necesaria
De la regla del conocimiento
Esta regla es obvia, pero ¿que se necesita conocer para poder controlar un proceso?
Se necesita una cantidad restringida de conocimiento que se organiza en algo llamado
Modelo del proceso o simplemente Modelo
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Un modelo de un proceso es una representación simplificada del mismo en términos
de las constantes, parámetros y variables que intervienen en su desarrollo.
El modelo no es el proceso, pero funciona como el proceso.
Entonces, la regla del conocimiento puede enunciarse en términos positivos de la
siguiente forma
Para controlar un proceso se necesita un modelo del mismo
De la regla de la medición
La Ingeniería moderna se basa en las ciencias exactas, importan las cantidades, para
los seres humanos las cantidades provenientes de proceso se obtienen de
indicadores, los que despliegan números en forma digital o análoga ( agujas y relojes
de medición) Sin embargo, en el control automático, son artefactos los que realizan el
control automático. Estos artefactos (instrumentos) se comunican por medio de
señales, las que son generadas por otros instrumentos; de allí a que no es puede
controlar si no existe la adecuada instrumentación de las plantas.
Entonces, la regla de la medición puede enunciarse en términos positivos de la
siguiente forma
Para controlar un proceso se necesita instrumentar la planta en que se
desarrolla.
De la regla de la potencia
Esta regla se relaciona con las variables X_L_Y del modelo para control de un
proceso.
El modelo matemático de un proceso es un conjunto de ecuaciones para las variables
que intervienen en su desarrollo. Lo que se ha aprendido en la práctica es que cuando
una variable se controla adecuadamente el proceso entero ocurre bien. Esta es la
variable salida de control designada por la letra Y: sin embargo, La variable de carga L
(o una perturbación P) puede afectar el comportamiento de la variable de salida de
control; pero si existe una variable de fuerza X que pueda balancear los efectos de L o
P, entonces es posible controlar el proceso
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5 DEL MODELO X_L_Y
Como se ha señalado, el modelo X_L_Y corresponde a un modelo del fenómeno o
proceso orientado a su control automático.
A continuación se muestran algunos de estos modelos
MOTOR
5.1 Fenómeno o proceso de mezcla
n1 = Velocidad del motor
Vt = Velocidad
tangencial
Tm= Torque motriz
Tr= Torque resistente
El proceso de mezcla es muy usado en las
industrias químicas. En el reactor se aloja un
ancla que es rotada a través de un motor y un
GEAR
tren de engranajes (GEAR) se tienen las
n2 = Velocidad de agitación
siguientes variables y parámetros:
Ti
= Torque impulsor
n1 velocidad de rotación del motor
TL
= Torque de carga
n2 velocidad de agitación
R1 radio del engranaje primario
R2 radio del engranaje secundario
Figura M1
Puesto que en el punto de contacto de ambos
engranajes, la velocidad tangencial Vt es la
misma, entonces
n1 R1=n2 R2 de donde
n1 R2

n2 R1
a
sea
R1
R2
es decir
n1 1

n2 a
por conservación de la energía Tm n1= Ti n2, de donde
Tm 1

Ti
a
Figura
M1_a
L TL
a
Tm
X+ -
-

t
2
1/a JL

2
a BL
la ecuación de equilibrio mecánico
en el lado del mezclador es:
n1
Y
a
n2
Tm  aTL  (a2 JL )
Desde
dn1
 (a2BL )n1
dt
el lado del motor (n1;Tm), el tren de
engranajes reduce la velocidad de giro es
decir a<1 con lo que tanto el torque de carga,
como la inercia de carga y el roce de carga se ven reducidos desde el eje primario.
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El Diagramas de bloques
que le corresponde es el de la Figura M1_a se puede
reconocer a este proceso de agitación con un modelo X_L_Y en el cual Y=n2; X=Tm
L=TL
L=TL
Figura
M1_b
Y=n2
X=Tm
5.2 Fenómeno o proceso de acumulación
El proceso de acumulación de líquidos en estanques o reactores es muy usado en las
industrias. Desde
el estanque se saca un flujo Fs. Al estanque llega un flujo de
reposición Fe. se tienen las siguientes variables y parámetros:
V volumen ocupado por el liquido (variable)
A área transversal del estanque (constante)
Figura
M2
H altura del liquido en el estanque (variable)
Fe flujo volumétrico de reposición
Fs Flujo Volumétrico de consumo
Y= H
Se tienen las siguientes ecuaciones
Conservación del volumen (líquidos incompresibles)
L=Fs
X=Fe
Fe  Fs 
dV
dt
t
H
 Fe  Fs
0
A
H0
Evidentemente la variable salida de control es la altura
del
estanque; la variable de carga es el flujo de
consumo y la variable de actuación
reposición.
Figura
M2_b
L=Fs
es el flujo de
X=Fe
Y=H
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6 SOBRE COMO CONTROLAR UN PROCESO:
En la actualidad existen varias formas de como controlar un sistema. En todas ellas se
hace interactuar la planta con un controlador, como las salidas del controlador son solo
señales, se emplea como amplificador un sistema de actuación. En un sistema de
control se reconocen dos aspectos
La estructura física o instrumentación de control.
La filosofía de control.
Una filosofía de control es un conjunto de decisiones basadas en conceptos que
permiten alcanzar de una forma específica objetivos previamente definidos.
La instrumentación de control
se adapta a la filosofía de control. Un poco más
adelante se mencionan los principios de control que permiten construir filosofías de
control clásicas.
6.1 Instrumentación.
Los sistema de control industriales son modulares y los módulos se llaman
instrumentos. La arquitectura de estos sistemas se representa mediante planos; para
el dibujo de estos se usan normas; en instrumentación la norma más aceptada es la
dada por la ISA (Instrument Society of América), y que es la que se usa en este texto.
Los sistemas de control automático están estructurados en base a la interconexión de
los siguientes instrumentos:
transmisor; sistema de actuación
;controlador, por
favor revise las definiciones del punto 2.
El controlador acepta como entradas posibles a señales del estado real del proceso
que provienen de terreno a través de los transmisores y las señales de ordenes que
provienen del operador ( set point local) y las señales de ordenes que provienen de
otros instrumentos ( set point remoto)
El controlador genera el mando al sistema de actuación; este funciona como un
amplificador de poder al transformar la señal manipulada m en una fuerte variable de
actuación X.
En términos generales los sistemas de control cuentan
con interfases para
comunicarse desde y hacia el operador . En las figuras señaladas se ha omitido la
representación de tales interfaces, así, todas las variables y señales allí representadas
corresponden al dominio exclusivo de las maquinas.
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7. ESTRATEGIAS DE CONTROL
Considérese un modelo general de procesos que relacione la salida Y con las variables
de actuación X y de carga L. En dicho modelo el problema general de control consiste
en como adecuar el valor de X de modo que Y evolucione como se desea a pesar
de la influencia de L.
Recuérdese que algo muy importante es la elección de la variable de salida , de todas
las variables posibles del sistema real, la que se elige como salida es aquella que al
ser controlada logra el mejor desempeño del proceso.
A continuación se estudian 5 estrategias de control de uso frecuente en la industria
que buscan resolver distintos problemas que se presentan en la solución del problema
recién enunciado.
7.1 Lazo abierto
CONTROL EN LAZO ABIERTO
m
PROGRAMADOR
SISTEMA DE
ACTUACIÓN
L
X
Y
PROCESO
Figura 1
En la Figura 1se muestra el diagrama de bloques que representa a esta filosofía es
una cadena directa de transformaciones de señales y variables.
En esta estrategia
se busca proveer una curva X(t), según el conocimiento de la
demanda de carga L(t). Por tanto se trata de una programación temporal. Usualmente,
el valor de X esta relacionado con el flujo de energía o el flujo de materias al proceso.
La idea detrás de un control en lazo abierto es la confianza y el equilibrio, es decir, se
supone que las condiciones de diseño se mantienen y, por lo tanto, los aportes de
energía al sistema se programan según una condición de equilibrio dada.
Esta estrategia debe tomarse como la primera aproximación al problema de lograr que
Y(t) tenga una trayectoria definida en el tiempo. Se trata de una solución simple,
apropiada para el manejo de muchas variables simultáneas, adecuada al caso de
consumos L(t) estables y bien definidos.
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La principal ventaja de esta estrategia es que los sistemas que la llevan a cabo son
simples, fáciles de comprender y mantener. En cambio, su principal desventaja es una
alta sensibilidad al cambio de las condiciones de diseño, por lo que el conjunto no
puede compensar el efecto de perturbaciones no consideradas. El problema de
fondo consiste en que el programador no se entera del resultado de su acción y
no tiene incorporado una forma de corrección.
Ejemplos:
E11 Considérese una lavadora automática, en su programador se cargan varios
programas de limpieza. El usuario selecciona el más adecuado según su experiencia,
el programa se ejecuta independiente si la ropa está más sucia o más limpia.
E12 Se tiene que
controlar el nivel de un estanque que es difícil de medir, pero en el
que se conoce el consumo diario promedio que este tiene, se programa su reposición.
Queda claro que si hubiera un cambio en el consumo de agua de este estanque, se
perderá el nivel deseado.
E13 En un edificio inteligente se programa el encendido y apagado de las luces según
el calendario ( control
de la iluminación). También se programa el encendido y
apagado de los acondicionadores de aire por oficina según el calendario ( control del
clima). Para ello el programador debe contar con un canal de tiempo
real y un
algoritmo lógico que constituye su estrategia de control. Queda claro que si hubiera un
cambio en las condiciones ambientales ( “ y las hay ¡) tanto la iluminación como el
confort del clima no serian satisfactorios.
7.2Control en lazo cerrado.
CONTROL EN LAZO CERRADO
L
Esta estrategia aparece
como
r
CONTROLADOR
FB
SISTEMA DE
ACTUACIÓN
Y
X
PROCESO
evolución
natural del control en
lazo
c
una
abierto.
En
implementación,
SENSOR
Figura 2
su
el
programador se cambia
por un controlador de
lazo cerrado
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica
Filosofías de control
pagina 20
m
r
+
-
+
e
y se agrega un sensor el Diagrama de bloques
FB
de este controlador se muestra en la Figura 2_a;
H(s)
en un controlador de lazo cerrado(FB) existen
c
dos entradas y una salida, Una de las entradas
Figura 2_a
es una señal de referencia r y la otra entrada c
proviene del transmisor. El controlador dispone
de un comparador que realiza la diferencia
e  r  c , la nueva variable e error es
procesada por H(s) para obtener la salida m.
Es frecuente emplear un algoritmo PID para obtener m
m  Kc[e  Td
de 1

e
dt Ti 
].
La filosofía del lazo cerrado es la desconfianza, se duda de que lo calculado y
ejecutado alcance lo que se desea. Además, utiliza la desviación del valor actual
de la salida Y con el valor deseado de la misma para corregir la evolución del
sistema.
Este método es conocido como el principio de control por realimentación. Al observar
el diagrama de bloques que le corresponde, Figura 2, se aprecia que la Información
sigue una cadena cerrada; por tal razón se le conoce por sistema de control en lazo
cerrado. Hay un factor de diseño que es necesario comentar: se emplea con
frecuencia un rango de 4 a 20 mA para las señales de instrumentación, en este caso
para la referencia r y la salida c del transmisor. El transmisor se diseño de modo que
el rango (Ya, Yb) de la variable actual de salida YA se corresponda con el rango de 4
a 20 mA de la señal c
Por otra parte, la referencia r se hace corresponder con la variable de salida deseada
YD de forma similar, esto se muestra en la Figura 2_c. El funcionamiento optimo del
lazo de control se consigue si e=0 , lo que significa r=c y por lo tanto que la salida
deseada es igual a la salida actual.
En
Figura 2_c
r
tipo
estrategia,
c
20mA
este
de
el
controlador le cree en
20mA
un 100% al sensor por
lo que este debe ser
lineal,
4mA
YD
Yb
y
de muy buena calidad
4mA
Ya
instantáneo
YA
Ya
Yb
constructiva.
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La
Filosofías de control
pagina 21
desconexión de la realimentación es desastrosa porque el controlador lo interpreta
como una caída del valor actual de la salida Y produciendo un aumento continúo de m
y por lo tanto un aumento continúo de la salida actual.
Cabe señalar, que todo sistema de control realimentado se diseña a partir de una
condición calculada en lazo abierto; lo que corresponde a un diseño estático de
trabajo ; a este esquema se superpone una realimentación.
El
controlador
de
un
sistema realimentado, puede ser definido como un autómata diseñado para mantener
la señal de error e ( e= r- c) en cero todo el tiempo que sea posible.
En resumen, la estrategia de realimentación esta construida para corregir en términos
de la desviación actual e instantánea entre lo que se desea y lo que esta ocurriendo ;
sin embargo ,a pesar de ello el proceso puede ser perturbado y estar fuera del rango
aceptable para la salida (fuera de control ) una cantidad de tiempo significativa.
Ejemplos:
E21
Considérese
el
regulador
centrifugo de velocidad de Maxwell, en
él, el paso de combustible se obstruye
cuando aumenta la velocidad debido a
que la fuerza centrifuga desplaza dos
masas en el sentido de cerrar el flujo
de combustible. Una disminución de la
velocidad genera el efecto contrario. El
conjunto oscila entorno de la velocidad
de diseño a pesar de las fluctuaciones
de la carga.
E22 La realimentación fue descubierta en el campo de la biología y luego extendida a
otros campos, entre ellos la Ingeniería, considere el mecanismo de regulación de la
glucosa en el ser humano: Después de digerir harina o azúcar queda en la sangre un
alto contenido de glucosa, sin embargo el organismo no puede usarla sin una cuota
adecuada de insulina. El organismo puede detectar el exceso de glucosa y mandar al
páncreas a liberar la dosis de insulina que se requiere. Por otra parte el organismo
puede detectar la falta de glucosa en la sangre y generar la sensación de hambre para
que se pueda obtener de nuevo glucosa.
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Filosofías de control
pagina 22
SPL_10
LT
10
LC
10
E23 Se tiene que
controlar el nivel Y de
un estanque (constituye la variable de
salida de control). Para ello se agrega la
Y
VC
10
I/P
x
Ps
instrumentación de la Figura 4 a . La
carga para este proceso es el flujo L de
consumo que
vacía
el estanque, la
variable de actuación es también un flujo
L
X que rellena el estanque. En el dibujo
Figura 4 a
de la Figura 4 a
procesos
e
está
el diagrama de
instrumentación
que
corresponde. En el dibujo de la Figura 4
b el diagrama de bloques
corresponde.
Figura 4 b
r
m
LC
10
que
L
CIRCUITO
HIDRÁULICO
c
X
ESTANQUE
El lazo cerrado es evidente en el
Y
diagrama
diagrama
de
de
bloques,
en
procesos
instrumentación
LT
10
el
e
debe
razonarse como sigue: El nivel
actual Y es detectado por el transmisor de nivel LT 10; la señal c que se genera llega
al controlador realimentado LC 10; este genera la señal m que conecta al conversor
corriente – presión de la válvula de control ; en el conversor se amplifica la señal de 4
a 20 mili amperes en otra de 3 a 15 psi, la que mueve el actuador de la válvula.
Según las características del circuito hidráulico, es el monto del aumento del flujo X;
por último este aumento se traduce en un cambio en el nivel cerrando así el lazo.
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Filosofías de control
pagina 23
7.3 Control en prealimentado
Hay
Figura 5
sistemas
en
los
cuales
la
variable bajo control no puede estar
L
fuera de rango por más de un tiempo
SENSOR DE LA
CARGA
determinado y si a esto se suma que
CONTROLADOR
FF
m
Y
X
SISTEMA DE
ACTUACIÓN
algunos procesos existen fenómenos
de transporte a su interior; el efecto
PROCESO
de
una
perturbación
puede
ser
grave. Esto se debe a que los efectos de la nueva situación demoran en reflejarse en
la salida y por tanto no son detectados por el sensor en forma inmediata de modo de
comenzar una corrección. Por la misma razón de la demora en manifestarse los
efectos de la carga o perturbación, es posible una gran demora en notarse los efectos
de la corrección.
Cuando se inicia la corrección el efecto de la variable de actuación X tiene un tiempo
de transporte. Ese tiempo puede ser demasiado para el sistema bajo control.
Es por eso que se utiliza el control prealimentado
Figura 5_a
m
L
H(s)
que es, en palabras simples significa: anteponerse
FF
a los efectos de la perturbación, para ello se utiliza
un lazo de control para detectar y corregir el efecto
de la
perturbación cuando esta ocurriendo. El
sistema de control responde en forma inmediata a la ocurrencia de la perturbación,
generando, la respuesta necesaria para anular o al menos atenuar el efecto en la
salida bajo control.
El esquema general del control prealimentado se muestra en la figura 5. Es importante
destacar, que el control prealimentado es del tipo lazo abierto, vale decir que no se
mide la variable bjo control ; si aparece otra perturbación no sensada, es decir no
considerada para esta filosofía de control
entonces no existe compensación a sus
efectos.
El controlador prealimentado (FF) es un filtro que afecta a la señal de carga, y por
ello tiene solamente una entrada y una salida(Figura 5_a). En el filtro está
considerada una ganancia estática y una respuesta transitoria a un escalón de la
variable L
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pagina 24
Ejemplos:
E31 Otro ejemplo de la biología. El organismo de un animal detecta un peligro posible,
anteponiéndose al posible efecto, ordena secretar adrenalina que
eleva el tono
muscular; aumenta la concentración
y la presión sanguínea. El fenómeno se llama estrés.
E32 El control de nivel de un estanque, en el cual se utiliza
la salida del estanque
como la perturbación del sistema. Este ejemplo se muestra en la
Figura
6.Obsérvese que el flujo L detectado se traduce en un flujo de reposición X , la idea
es ingresar el mismo flujo que se saca, se está controlando Y sin medirlo;
esto
confirma la naturaleza de lazo abierto de esta filosofía de control.
L
FT
20
x
I/P
Y
LC
20
L
FT
20
m
CIRCUITO
HIDRÁULICO
Y
X
ESTANQUE
LC
20
Figura 6
LT
10
LC
10
+
Y
I/P
x
L
FT
20
LC
20
Figura 7
Es usual mezclar la prealimentación con la
realimentación a fin de generar sistemas muy
estabilizados y precisos de control.
En la Figura 7 se muestra la realización para el
control del nivel del estanque . en esta solución,
el flujo de reposiciòn X es manejado por la
válvula de control. Como esta válvula es
accionada por aire comprimido, se emplea un
conversor de corriente a presión (i / p) el que
transforma la señal de corriente en presión .este
conversor es manejado por la señal de salida de
un instrumento que suma la salida del
controlador de lazo cerrado de nivel y la salida de
prealimentaciòn del controlador LC -20
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7.4 Control en cascada.
Figura 8 CONTROL EN CASCADA
El control en
L
r
CONTROLA mm
DOR
MAESTRO
CONTROLA
DOR
ESCLAVO
ms
SISTEMA DE
ACTUACIÓN
x
PROCESO
cs
SENSOR
ESCLAVO
cm
SENSOR
MAESTRO
Y
cascada
es
utilizado
normalmente para
los casos en que
la
variable
actuación
de
es
afectada por algunos problemas como los siguientes.
Fluctuaciones notables en la red de suministro; Severas no linealidades del sistema
de actuación.
Estos problemas se traducen en que la variable de actuación no sigue a la señal de
mando del controlador en forma apropiada (no hay proporcionalidad entre un
incremento del mando m con el incremento en X)
La solución para esta dificultad se muestra en la Figura
se emplea un lazo de control
realimentado para mejorar el desempeño del sistema de actuación y la red de
suministro a la cual esta conectado. La referencia para este lazo (lazo esclavo) es la
señal manipulada del controlador principal ( lazo maestro)
La esencia de un esquema de control en cascada es que un lazo de control
esclavo (frecuentemente realimentado) es manejado por la salida de uno o más
controladores maestro(s)
Ejemplo 41 En la Figura 9 se muestra una aplicación al control de nivel, en este caso,
además de linealizar la característica de la válvula, se soluciona el efecto de bajas de
presión en la línea de alimentación (X)
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LT
10
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LC
10
FC
20
r
FC
20
I/P
Y
LC
10
mm
cs
FT
20
cm
L
ms
CIRCUITO
HIDRÁULICO
x
L
Y
ESTANQUE
FT
20
LT
10
x
Figura 9
7.5 Control de razón.
EL control de razón se debe utilizar en los casos en que se requiera que dos o
más reactivos, u otros elementos, se tengan que mezclar en una cierta proporción
instante a instante (no es posible pesar uno y luego el otro para juntarlos de una vez).
Un control de razón se puede obtener de variadas maneras:
Empleando un instrumento construido expresamente para ello (solución por
hardware)
Empleando una macro programada expresamente para ello (solución por software)
Empleando un sistema de control en lazo abierto
Empleando un sistema de control en lazo cerrado
 instrumento : Hay fabricantes que
diseñan instrumentos para aplicaciones
especificas como ser el control de combustión
 software
Hay controladores por software incorporados en computadores
industriales
 control de razón en lazo abierto. Considere el diagrama de bloques de la Figura
10 . En ella se muestra un sistema de control en lazo abierto que busca seguir a
una fracción de la variable principal; esta solución tiene todos los defectos del lazo
abierto, no hay certeza que el cuociente U/Ya sea el deseado.
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VARIABLE
PRIMARIA
SENSOR
Figura 10 CONTROL DE RAZÓN DE LAZO ABIERTO
FACTOR DE
RAZÓN
m
CONTROLA
DOR
SISTEMA
DE
ACTUACIÓN
L
X
Y
PROCESO
Control de razón en lazo cerrado.
Figura 11
FLUJO
MAESTRO
U
FACTOR DE
RAZÓN
SENSOR
r
CONTROLADOR
FB
L
m
SISTEMA DE
ACTUACIÓN
Y
X
FLUJO
ESCLAVO
PROCESO
c
SENSOR
Considere el diagrama de bloques de la Figura 11. En ella se muestra un sistema de
control en lazo cerrado para que un flujo esclavo Y pueda seguir al flujo maestro U. Sí
el control
es bueno entonces la relación U/Y puede aproximarse a un valor a
previamente definido en forma aceptable.
Ejemplo 51 En un proceso químico se debe lograr mezclar los flujos U e Y de modo
que U/Y = 
FC
20
U
I/P
U FLUJO
MAESTRO
FT
10
Y FLUJO
FT
20
ESCLAVO
FT
10
FC
20
CIRCUITO
HIDRÁULICO
VC
20
Y
FLUJO
ESCLAVO
VC 20
FT
20
Figura 12_a
.
En el diagrama de procesos e instrumentación
de la Figura 12_a se muestra la
solución generada en base a un sistema de control en lazo cerrado. Se desea que el
flujo esclavo Y siga al flujo maestro U. La proporción entre los flujos queda dada por
las ganancias de los sensores de flujo.
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Ejemplo 52 Control de la combustión
En la Figura 12_b se presenta un sistema de calentamiento controlado de modo de
lograr combustión óptima, el flujo de petróleo es manejado por la válvula VC-10, este
manejo es hecho por otro instrumento mediante una señal remota. El transmisor de
flujo FT-10 genera una señal que es ajustada por una estación manual HK-10 de
modo que
r20  s1
0,5    1,5
el set-point generado hace que el flujo de aire (controlado por FC-20) siga al flujo de
petróleo en una proporción previamente definida y que optimiza la combustión.
F igura 12_b
Señal
remota
I/P
VC
10
FT
10
P etróleo
s1
Estación manual de
ajuste
QUEMADOR
HK
10
r20
Set point
FC
20
FT
20
m20
I/P
VC
20
Aire
V_20 Damper
8 LAZOS DE CONTROL
En proyectos y en la disciplina de instrumentación y control se habla mucho de lazos
de control, paradójicamente los Ingenieros de terreno entienden cosas diferentes por
lazo de control, en esta sección se plantea una definición de lazo de control que más o
menos incluye lo que en terreno se alude como lazo de control.
Definición: Un lazo de control es la cadena de instrumentos que se origina en un
sensor y finaliza en una válvula de control o en un lazo de control esclavo.
Cada lazo de control corresponde a una estrategia de control y en general puede ser
útil establecer el Diagrama de Procesos e Instrumentación del lazo, su cadena y una
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Filosofías de control
pagina 29
tabla de los instrumentos involucrados. Aprovechando el desarrollo del próximo punto
se verán ejemplos de lo señalado.
9. CONTROL DE VARIABLES DE PROCESO
En los procesos industriales es frecuente la necesidad de controlar las siguientes variables
Nivel
Presión
Flujo
Temperatura
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Filosofías de control
pagina 30
9.1 control de nivel
9.1.a
En la industria se emplean estanques y reactores como parte de los
procesos, con frecuencia se requiere mantener nivel constante a pesar
Figura
13
Y= H
de los consumos que se conectan a estos recipientes.
Problema
L=Fs
X=Fe
Se tiene el estanque de la Figura 13, se desea mantener constante
el nivel H, se sabe que el flujo de consumo es muy variable.
Modelo X_L _Y
LC
10
LT
10
S
00
Si V0 designa el volumen inicial se tiene que
t
+
0
Y
V
00
I/P
x
L
A * Y  V0   X  L
Esto refleja la conservación del volumen del líquido.
Luego para que Y sea constante se requiere que
X=L la mayor parte del tiempo. En la Figura 13_b se
FT
20
LC
20
Figura 13_b
V
01
muestra
un
Diagrama
de
Procesos
e
Instrumentación simplificado para la solución de
este problema, ya que la válvula V_01
genera
grandes variaciones de flujo L, entonces el lazo de prealimentación dado por: FT-20
LC-20 –S-00 produce una compensación instantánea por el flujo de carga. Como
esta compensación no es absolutamente exacta, el lazo dado por:
LT-10 LC- 10 S-00 produce una señal de compensación mientras exista error, es
decir hay una acción de compensación mientras el nivel actual no sea igual al nivel
deseado. Esto es particularmente cierto si el controlador de lazo cerrado LC-10
incluye una acción integral, por ejemplo del tipo proporcional- integral. Para poder
controlar efectivamente el nivel, es necesario disponer de un circuito hidráulico de
reposición (que permite generar el flujo X de actuación) dicho circuito hidráulico es
en realidad el sistema de actuación y con frecuencia el elemento del mismo que
permite la interconexión con el sistema de control es la válvula de control.
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pagina 31
9.1.b1 Control prealimentado de nivel en cascada
Problema
Se tiene el estanque de la Figura 13, se desea
LC
10
LT
10
S
00
mantener constante el nivel H, se sabe que el
flujo de consumo es muy variable y asu vez la
+
presión del circuito hidráulico de reposición es
FC
30
Y
V
00
muy variable.
I/P
x
L
El lazo de prealimentación representado en
FT
30
la Figura 13 y la Figura 13_a ayuda a que
X=L ocurra la mayor parte del tiempo
FT
20
LC
20
El lazo prealimentado para el control de
nivel funciona de la siguiente manera: el
Figura 13
flujo de carga L (demandado mediante la
V
01
válvula manual V-01 es detectado por el
sensor FT-20; la salida de este sensor cL alimenta al controlador FF (Feed Forward)
LC-20; la salida de este controlador es una entrada del sumador S-00 el que
finalmente maneja la válvula de control V-00 mediante un flujo( control en cascada).
Obsérvese que el
controlador FF es de nivel a pesar que recibe señal de un
transmisor de flujo. Además obsérvese que la suma es inteligente ya que el
resultado queda dado por: s00= [m20 -4] +[m30 -4] + 4
Figura 13_a
L
FT
20
c 20
LC
20
m
20
S
00
s
00
FC
30
m 30
V
00
z 00
9.1.b.2 Control de nivel realimentado en cascada.
Para que el nivel del estanque Y no sea afectado, X debiera ser igual a L en todo
instante, pero, como eso no es exactamente posible, se hace trabajar el lazo de
control realimentado representado en la Figura 13 ; en la Figura 13_b se muestra la
cadena de instrumentos empleados.
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Figura 13_b
Y
LT
10
c10
m
LC
10
10
S
00
s00
FC
20
m20
V
00
z00
r 10
El lazo cerrado de control de nivel funciona así: El nivel actual Y es detectado
mediante el transmisor de nivel LT-10, la señal c10 que genera se compara con la
referencia r10 al interior del controlador LC-10, la señal de corrección generada m10
pasa a la estación de suma S-00 y de allí al lazo de control esclavo de flujo que
maneja a la variable de actuación X
Tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e Instrumentación
(empleados en el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
13.)
Tag
Tipo
Variable medida o válvula de función de la señal o
control accionada o lazo de
clase de set point
control esclavo manejado.
LT_10
transmisor de nivel
Nivel estanque
Sensa variable bajo control
FT_20
transmisor de flujo
Flujo L
Sensa variable de carga L
FT_30
transmisor de flujo
Flujo esclavo de control en
Sensa variable esclava en
cascada
lazo de control esclavo de
flujo
LC_10
Controlador maestro de lazo
Lazo de control esclavo de flujo
Set point local
Lazo de control esclavo de flujo
Set point remoto
cerrado de nivel del estanque
bajo control
LC_20
Controlador prealimentado de
nivel del estanque bajo control
proveniente de la estación
de suma.
FC_30
controlador esclavo de control
V 00
remoto
Flujo esclavo de control en
No aplica
de nivel del estanque
S-00
Estación de suma
cascada
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pagina 33
9.2 Control de presión
9.2.a Control serial de presión
Figura 14
Estanque
madre
Consumo
VC
10
Pc
Pb
Qc
PT
10
I/P
La presión de suministro Pc a un
consumo
es
una
requiere
control
variable
en
que
algunos
procesos. Considérese la Figura
14. A pesar de que se trata de un
suministro de un líquido, lo que se
verá también se aplica para gases
PC
10
Bomba
centrifuga
en los cuales no ocurran grandes
cambios de densidad. El esquema
de control de la Figura
14 es
llamado serial porque el caudal por la válvula de control y el consumo es el mismo.
Modelo X_L _Y
Se tiene que la diferencia DPv de presión en los extremos de la válvula de control
VC-10 esta dada por
DPv= Pb- Pc
Donde
DPv: diferencia de presión en la válvula de
control
Pb: presión de salida de la bomba centrifuga
(Figura 14_A)
Pb
Figura 14_A
Pc1
Pc2
Pc0
Pc: presión del consumo(variable con el caudal
Qc demandado)
Qc: flujo de consumo
La curva de la Figura 14_a indica que la presión
Qc1
Qc2
Qb
de la bomba centrifuga varía con el caudal que
debe impulsar. En este proceso, la variable Y salida de control es PC; la carga está
dada por el caudal variable Qc que puede demandar el consumo. La variable de
actuación X es la diferencial de presión Dp que ocurre en la válvula de control y que
es manejable por la señal m10 (variable manipulada por el controlador PC-10. si la
carga debe trabajar a una presión Pc0 a pesar de que el consumo varia entre Qc1 y
Qc2 , entonces el valor máximo de DPv es Pc1- Pc0 y el valor mínimo de DPv es
Pc2-Pc0
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pagina 34
9.2.b Control paralelo de presión
La presión de suministro Pc a un consumo puede controlarse también mediante un
caudal fantasma que se deriva al estanque madre como lo muestra la Figura 15. El
principio de funcionamiento se origina en la curva de la bomba
centrifuga
(Figura
15_a). Puesto que la presión de la bomba Pb es la misma que la presión del
consumo Pc, entonces para que esta sea constante, el caudal por la bomba
centrifuga debe ser constante y del valor que la curva determine.
Sea Pc0 el valor deseado para la presión de salida, entonces por la bomba debe
salir un caudal Qb0, para que se mantenga la presión debe cumplirsela siguiente
relación
Qb0=Qc+Qv2
La válvula de control debe ajustarse de modo que si la presión disminuye de lo
deseado, entonces debe disminuir el caudal que pasa por ella.
Pc
Pb
Qc
Qb
PT
10
Consumo
I/P
VC
10
PC
10
Figura 15
Pb
Figura 15_A
Pc0
Qv2
Bomba
centrifuga
Qc1
Qc2
Qb0
Qv2
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pagina 35
9.3 Control de flujo
9.3.a control de flujo con válvula de control
FC
20
Figura 16_A
I/P
VC
20
Pb
Consumo
FT
20
Pb
Figura 16
Pc
Pc
Qb
Qc
Qc
Se desea controlar el flujo suministrado a un consumo, este consumo presenta una
presión de carga Pc a ese valor de flujo. Considérese la Figura 16. A pesar de que
se trata de un suministro de un líquido, lo que se verá también se aplica para gases
en los cuales no ocurran grandes cambios de densidad. El esquema de control de la
Figura 16 emplea una válvula de control para modular la diferencia de presión entre
la bomba y el consumo.
Modelo X_L _Y
Se tiene que la diferencia DPv de presión en los extremos de la válvula de control
VC-20 esta dada por
DPv= Pb- Pc
Donde
DPv: diferencia de presión en la válvula de control
Pb: presión de salida de la bomba centrifuga (Figura 16_A)
Pc: presión del consumo(variable con el caudal Qc controlado)
Qc: flujo de consumo
La curva de la Figura 16_a indica que la presión de la bomba centrifuga varía con
el caudal que debe impulsar. En este proceso, la variable Y salida de control es Qc;
la carga está dada por la presión variable Pc que resiste al caudal. Para que este
proceso pueda funcionar es necesario que la presión de la bomba sea siempre
mayor que la presión de carga La variable de actuación X es la diferencial de presión
Dp que ocurre en la válvula de control y que es manejable por la señal m20 (variable
manipulada por el controlador FC-20. la válvula de control debe disminuir su
diferencia de presión cuando el flujo disminuye del valor deseado cuando la presión
de carga aumenta.
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pagina 36
9.3.b control de flujo con variador de frecuencia.
En algunos casos, para el control del flujo, se emplea por motivos de seguridad, un
variador de frecuencia como lo muestra la Figura 17. El variador de frecuencia se
usa para cambiar la velocidad a la cual el motor M mueve a la bomba y con ello
cambia la curva de operación de la misma, Figura 17_A . En una bomba
centrifuga
la presión de salida es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro y su caudal
es proporcional a la velocidad de giro. La condición de equilibrio es a un Qc tal que
Pc=Pb, es decir debe existir una velocidad n que garantice eso; por ello esta forma
de control solo es posible cuando la característica del consumo tiene una forma
similar a la de la Figura 17_B
n4
Figura 17
Figura 17_B
Pb
Pc
n3
FT
40
Pb
n2
Qc
n1
M
SC
40
FC
40
Consumo
Pc
n
Qb
Qc
Figura 17_A
Qc
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pagina 37
9.4 Control de temperatura
9.4.1 Control de temperatura con llama
Se tiene el proceso de calentamiento de la
VH
Figura 18. Se tiene además un lazo de
FT
20
Qe
Figura 18
control de nivel no dibujado que mantiene
razonablemente el nivel a pesar del flujo Qe
de entrada al estanque.
TC
10
contiene un agitador que homogeniza la
I/P
temperatura de la fase liquida
TT
10
TC
10
+
El estanque
Se desea controlar la temperatura de la fase
S
10
liquida por lo tanto la variable bajo control es
la temperatura T. Claramente una carga es
VC
10
el flujo de liquido que ingresa al estanque. La
QUEMADOR LPG
variable de actuación es el flujo de calor
aportado por la combustión del gas licuado.
La instrumentación mostrada en la Figura 17 corresponde a un esquema de control
de lazo cerrado más una prelimentación con el flujo de ingreso al estanque.
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pagina 38
9.4.2 Control de temperatura con intercambiador de calor
TC
20
FT
20
TC
10
TT
10
Figura 19
AGUA
CALIENTE
Condensado
+
I/P
VC
10
Agua fría
VAPOR
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
En la Figura 19 se presenta un proceso de calentamiento para obtener agua caliente
por medio de un intercambiador vapor_ agua. La variable bajo control es la
temperatura del ducto de salida la que se detecta mediante el transmisor de
temperatura TT-10, este instrumento
se conecta con el controlar de lazo cerrado
TC-10 (con set point local) a la acción de este controlador se suma la del controlador
de prealimentación TC-20.
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pagina 39
10 Errores en instrumentación y control de procesos industriales
A veces se aprende más de los errores, en lo que sigue se muestran algunas
equivocaciones.
Flujo Fb
Flujo Fa
10.1 conflicto entre controladores
Problema
tk1
Se tienen dos estanques tk1 y tk2 en ambos debe
mantenerse el nivel constante. En tk1 deben mezclarse
Flujo
F:1-2
Fa a

los flujos A ; B en la proporción Fb 1
tk2
Con a>>10.
Figura 20
Flujo
F:2-0
FC
20
Debe
transferirse
por gravedad el resultado de la mezcla al
estanque tk2 . Finalmente el flujo de salida
I/P
FT
20
FT
21
de tk2(F:2-0) es demandado como consumo
por otro proceso.
Flujo fa
V c30
LT
20
En la Figura 21 se muestra la solución dada
tk1
al problema. Esta solución tiene el error de:
Conflicto entre lazos de control: se
esta empleando el mismo flujo como
variable de actuación para controlar el
nivel del estanque tk1. los lazos de
Flujo fb
LC
20
I/P
Flujo
F:1-2
Vc 20
LC
10
I/P
V c10
control de nivel 20. y 10 disputan entre
si.
LT
10
Figura
21
tk2
Flujo
F :2-0
NO SE PUEDE USAR UNA MISMA
VARIABLE DE ACTUACIÓN PARA CONTROLAR 2 FENÓMENOS
SIMULTÁNEAMENTE
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pagina 40
En la Figura 22 se muestra la solución correcta
FC
20
Flujo fa
I/P
V c21
Vc30
FT
21
I/P
FT
20
Flujo fb
LT
30
tk1
LC
10
I/P
LT
10
V c10
LC
30
Flujo
1-2
tk2
Figura
22
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pagina 41
10.2 instrumentos innecesarios
Figura 23
vapor
PT
20
FT
40
Agua fría
I/P
condensado
FC
40
TC
20
TT
10
SPT 10
Agua
caliente
TC
10
S
Problema
Se tiene un calentador industrial de agua de proceso en base a vapor, se sabe
que la presión de suministro de vapor es muy variable. Se desea controlar la
temperatura del agua calentada.
En la Figura 23 se muestra la solución al problema planteado. Esta solución
considera un lazo realimentado de control de la temperatura de salida con set point
local
SPT-10.
A
la
acción
correctiva
de
este
lazo
se
ha
agregado
una
prealimentación de la presión del vapor. Esta solución presenta exceso de
instrumentos.
vapor
I/P
FT
40
TC
10
PT
20
I/P
condensado
FC
40
SPT 10
Agua fría
Figura 24
TT
10
Agua
caliente
Agua fría
vapor
condensado
Figura 25
TC
20
TT
10
SPT_10
S
Agua
caliente
TC
10
En la Figura 24 y 25 se muestran dos soluciones, en la primera se ha empleado un
control en cascada de la temperatura, el lazo esclavo maneja el flujo de vapor hacia
el intercambiador de calor. En la segunda solución, además de la realimentación se
ha considerado una prealimentación con la presión del suministro de vapor.
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EJERCICIOS PROPUESTOS
SPL_10
LT
10
LC
10
Y
I/P
x
VC
10
Ejercicio 1) Considere el sistema de control automático
Ps
de la Figura 4 a.
L
Figura 4 a
Se tiene un comportamiento insatisfactorio del sistema
bajo control y se ha logrado determinar que la presión
de suministro Ps se cae notablemente cuando se conectan otros consumos a
dicho punto.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo
control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
X
Figura E1
Ejercicio 2) Considere el sistema de control automático de la
Figura 4 a. Se tiene un comportamiento insatisfactorio del
sistema bajo control y se ha logrado determinar que la
relación entre la variable de actuación X y la salida m10 del
m10
controlador de nivel LC-10 es fuertemente no lineal , tal
como lo muestra la Figura E1.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo
control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
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Ejercicio 3)
Considere el sistema de control
automático de la Figura 4 a Se pide predecir el
SPL10
LT
10
LC
10
comportamiento del sistema bajo control cuando por
accidente se desconecta el lazo de corriente que va
desde el transmisor de nivel LT_10 al controlador
de nivel LC-10.
S
10
+
sm10
Y
Ejercicio 4)
Considere el sistema de control
automático de la Figura 4 a. Se pide generar un
I/P
x
L
FT
20
Ps
esquemático de las conexiones eléctricas
neumáticas involucradas en dicha Figura
y
LC
20
Ejercicio 5) Considere
Figura E2
sistema
de
el
control
X
automático
de
la
Figura
E2.
A
prealimentación
y
realimentación
pesar
se
de
tiene
la
FiguraE2_a
un
comportamiento insatisfactorio del sistema bajo control y
se ha logrado determinar que la presión de suministro Ps
se
cae
notablemente
cuando
se
conectan
otros
sm10
consumos.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar los
Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
Ejercicio 6) Considere el sistema de control automático de la Figura E2. Se tiene un
comportamiento insatisfactorio
del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que la relación entre la variable de actuación X y la salida sm10 del
Sumador S-10 es fuertemente no lineal , tal como lo muestra la Figura E2_a.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo
control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
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Ejercicio 7)
pagina 44
Considere el sistema de control automático de la Figura E2. Se pide
generar un esquemático de las conexiones eléctricas y neumáticas involucradas en dicha
Figura
Ejercicio 8) Considere el sistema de control automático de la Figura 12b
Se pide:
1 establecer los lazos de control involucrados en la Figura y dibujar los
Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos de la Figura
F igura 12_b
Señal
remota
I/P
VC
10
FT
10
P etróleo
s1
Estación manual de
ajuste
QUEMADOR
HK
10
r20
Set point
FC
20
FT
20
m20
I/P
VC
20
Aire
V_20 Damper
Ejercicio 9)
Considere el sistema de control automático de la Figura 12b Se pide
generar un esquemático de las conexiones eléctricas y neumáticas involucradas en dicha
Figura
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Ejercicio 10)
pagina 45
Considere el sistema de control automático de la Figura E3, este
sistema de control pretende obtener combustión óptima del petróleo. Se tiene un
comportamiento insatisfactorio
del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que la presión de suministro Ps se cae notablemente cuando se
conectan otros quemadores.
Señal
remota
Figura E3
I/P
VC
10
FT
10
Petróleo
s1
Estaciónmanual de
ajuste
QUEMADOR
HK
10
hm10
I/P
Ps
VC
20
Aire
V_20 Damper
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo
control ante las caídas de presión Ps del soplador.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
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Ejercicio 11)
pagina 46
Considere el sistema de control automático de la Figura E3, este
sistema de control pretende obtener combustión óptima del petróleo. Se tiene un
comportamiento insatisfactorio
del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que el flujo de aire no sigue adecuadamente al flujo de petróleo.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo
control ante las caídas de presión Ps del soplador.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
Ejercicio 12)
X
FiguraE3_a
Considere el sistema de control automático de
la Figura E2. Se tiene un comportamiento insatisfactorio
del
sistema bajo control y se ha logrado determinar que la relación
entre la variable de actuación X y la salida hm10 de la estación
manual de trabajo HK-10 es fuertemente no lineal , tal como lo
muestra la Figura E3_a.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del
sistema bajo control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
hm10
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pagina 47
Consumo 1
Considere el sistema de
Ejercicio 13)
control automático de la Figura E4. Se
Consumo 2
tiene un comportamiento insatisfactorio
del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que la relación entre la variable
Consumo n
de actuación X=DPv y la salida m10 del
+ DPv -
controlador
Pc
I/P
VC
10
presión
Se pide:
1
agregar
la
instrumentación
que
mejore
el
desempeño del sistema bajo control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la
solución final y dibujar los Diagramas de bloques
correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución
Estanque
madre
Ejercicio 14)
es
la Figura E4_a.
Consumo
PC
10
Bomba
centrifuga
PC_10
fuertemente no lineal , tal como lo muestra
PT
10
Pb
de
Figura E4
X=DPv
Figura E4_a
m10
Considere el sistema de control automático de la Figura E4. Se tiene
un comportamiento insatisfactorio
del sistema bajo control y se ha logrado
determinar que la presión de la bomba
centrifuga
Pb se cae notablemente
cuando se conectan otros consumos.
Se pide:
1 agregar la instrumentación que mejore el desempeño del sistema bajo
control.
2 establecer los lazos de control involucrados en la solución final y dibujar
los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de la solución final
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Ejercicio 15)
pagina 48
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E5. Se desea determinar el comportamiento del sistema bajo control.
Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control..
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
LC
1
LT
1
tk1
Figura
E5
i/p
F5
F1
FT
3
FT
2
F3
FC
2
I/P
FT
6
F2
I/P
tk2
LT
4
LC
4
+
LC
6
S
4
F4
FT
5
LC
5
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Ejercicio 16)
pagina 49
Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E6. Se desea el
siguiente comportamiento del sistema bajo control. Los estanques tk1 y tk2 deben
funcionar a nivel constante. Los flujos F4 y F5 son manejados por otros procesos.
Por cada litro de F3 que ingresa a tk2 , deben ingresar 10 litros de F2.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
tk1
H1
F1
F5
Figura
E6
F3
F2
Vc
5
H2
tk2
F4
Vc
4
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pagina 50
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
Ejercicio 17)
E7. Se desea determinar el comportamiento del sistema bajo control.
Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control..
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
TC
21
TC
22
VC
20
Fvp
Vapor
I/P
FC
30
TT
20
TT
22
Fsf
fría
FT
21
Solución
Vapor
condensad
o
VC
10
INTERCAMBIADOR DE
CALOR
LC
10
I/P
Fsh
caliente
Figura E7
I/P
VC
30
FT
30
Fr reactivo
LT
10
H
TK1
Solución
Fl Consumo
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pagina 51
Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E8. Se desea el
Ejercicio 18)
siguiente comportamiento del sistema bajo control. El estanque tk1 debe funcionar
a nivel constante. Elo flujo Fl es manejado por otro proceso. Por cada litro de Fsh
que ingresa a tk1 , deben ingresar 5 litros de Fr. la temperatura de Fsh debe ser
constante. Se sabe que la presión disminuye al conectarse otros consumos al punto
Ps . se sabe que la temperatura de Fsf es muy variable y se sabe que el consumo Fl
es también muy variable.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
Fr Reactivo
Vapor
Ps
Fsf
fría
Solución
Fsh
caliente
Solución
H
TK1
Intercambiador
de
calor
Vapor - Solución
Figura E8
Fl Consumo
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Ejercicio 19)
pagina 52
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E9. Se tiene un insatisfactorio desempeño del sistema bajo control.
Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
5. modificar el Diagrama de Procesos e Instrumentación a fin de lograr
que la presión del consumo PC sea fija a pesar de las variaciones de flujo
de carga Q30 y la caída de la presión de la bomba centrifuga debido a la
demanda de caudal Q31 de otros consumos.
Figura E9
Q 31
A OTROS
CONSUMOS
Pb
Bomba
centrifuga
FT
5
i/p
Z 31
Z 30
Pc
VC
6
FC
5
PT
6
Q 30
Z 33
Z 35
Σ
Z 32
Ejercicio 20)
+ ΔP6 -
CONSUMO
FC
6
Z 34
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E10. Se pide:
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pagina 53
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
f1
FT
11
FC
20
f
2
tk1
VC
10
VC
20
I/P
H1
I/P
I/P
FT
20
LC
10
f12
FT
30
tk2
H2
f 13
FT
21
VC
21
FC
21
FC
21
I/P
FT
40
FT
21
VC
40
FC
40
VC
21
I/P
f 23
tk3
H3
LC
40
LT
40
Figura E10
Ejercicio 21)
f3
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E10. Se pide:
1 explicar el efecto de la desconexión de cada uno de los transmisores;
efectuar el análisis desconectándolos de a uno.
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Ejercicio 22)
pagina 54
Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E11. Se desea el
siguiente comportamiento del sistema bajo control. Los 3 estanques
deben
funcionar a nivel constante. El flujo F3 es manejado por otro proceso. Por cada litro
de F13 que ingresa a tk2 , deben ingresar 5 litros de F23. . se sabe que la fuente de
suministro de F1 es muy variable en su presión. Y se sabe que el consumo F3 es
también muy variable.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
f1
H1
f2
H2
f13
f23
Figura E11
H1
f3
Ejercicio 23)
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E10. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
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Filosofías de control
pagina 55
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
En un Proyecto de Control
Ejercicio 24)
Automático
Industrial, el cliente desea
disponer
agua
de
caliente usando
Agua
caliente
un
intercambiador vapor - agua de la Figura
Condensado
Figura
E13
E13, la instrumentación debe considerar
que:
Agua fría
VAPOR
La caldera que suministra el vapor tiene caídas
de su presión cuando se conecta este y otros consumos (caldera chica).
El caudal de agua fría es muy variable.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
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Ejercicio 25)
pagina 56
Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E14; Se desea
controlar el proceso de modo que ingresen 10 litros de agua tibia por cada litro de
reactivo Q5 y de modo que se mantenga el nivel H constante . Para entibiar el
agua fría se debe controlar el intercambiador de modo que la temperatura del
flujo Q2 sea constante e independiente de la temperatura del agua fría y el caudal
Q1 demandado por otro proceso.
Q5
Vaporr
Q4
Q2
Agua
Fría
H
Agua Tibia
Q3
Intercambiador
de calor Vapor Agua
Q1
Figura E14
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
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Filosofías de control
pagina 57
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
Ejercicio 26)
E15. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
FT
10
PT
10
I/P
PC
10
LC
20
LT
20
TT
30
I/P
FC
10
CONSUMO
TC
30
FC
TC
30
40
I/P
F1 AGUA PRECALENTADA
FT
40
QUEMADOR
PETROLEO
FC
TC
30
50
Figura
E15
I/P
AIRE
FT
50
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Ejercicio 27)
pagina 58
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E16. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
5 detectar si hay instrumentación innecesaria
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Ejercicio 28)
pagina 59
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E17. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
5 detectar si hay instrumentación innecesaria
FC
10
TC
10
TT
10
ALQUITRAN
Figura E 17
I/P
FC
10
PT
00
XT
00
LT
10
XC
00
I/P
LC
10
+
COMBUSTIBLE
XC
01
Ejercicio 29)
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
E18. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
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Filosofías de control
pagina 60
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
5 detectar si hay instrumentación innecesaria
Ejercicio 30)
Considere el Diagrama de procesos de la figura E19; Se desea
controlar el proceso de modo que ingresen 10 litros de agua tibia por cada litro de
reactivo Q5 y de modo que se mantenga el nivel H constante . Para entibiar el
agua fría se debe controlar el intercambiador de modo que la temperatura del
flujo Q2 sea constante e independiente de la temperatura del agua fría y el caudal
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pagina 61
Q1 demandado por otro proceso. La combustión debe ajustarse con a litros de
aire por cada b litros de gas.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
FIGURA
E19
AGUA
FRIA
AIRE
X
AGUA
CALIENTE
h0
GAS
REACTOR
y
ESTANQUE PRODUCTO FINAL
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Filosofías de control
Ejercicio 31)
pagina 62
Considere el Diagrama de procesos de la figura E20; Se desea
controlar el proceso de modo que ingresen 10 litros de f13
por cada litro del
reactivo f23 y de modo que se mantenga el nivel H3 constante. Los niveles H1 y
H2 también deben permanecer constantes. Para calentar los estanques tk1 y tk2
se emplean calefactores eléctricos de potencia w1 y w2 respectivamente. Se
desea que los estanques tk1 estén a las temperaturas T1 y T2 respectivamente.
El producto f3 es desmandado por otro proceso.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
f1
f2
H2
H1
w1
w2
tk1
tk2
f13 f23
H3
tk3
Figura E20
f3
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica
Filosofías de control
Ejercicio 32)
pagina 63
Considere el Diagrama de Procesos de la Figura E21. Se trata de
un calentador a presión para proveer agua caliente para el estanque tk3 y vapor
saturado para calentar el reactivo del estanque tk2. El calor requerido para
calentar el calentador a presión tk1 proviene de un calefactor eléctrico de
potencia W variable mediante un controlador de potencia.
En el estanque tk3 debe mezclarse el agua caliente con el reactivo en una razón
dada de 1 litro de agua caliente por ½ litro de reactivo. el tamaño de los estanques
guarda relación con la proporción de mezcla.
Un sistema de control propio, no representado en la Figura mantiene constante el
nivel del estanque tk2.
Se desea diseñar los lazos de control necesarios para obtener que H1 y H2, sean
constantes. También para que que las temperatura T1 y T2 sean constantes e igual
a aun valor preestablecido diferente para cada una.. El flujo Fd de demanda es
manejado por otro proceso.
Se pide:
1 Desarrollar la instrumentación necesaria en un Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas de bloques correspondientes a cada uno de los
lazos de control involucrados en la solución.
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación del punto 1
M
Fv: vapor
Calentador
a presión
tk1
Agua
caliente
H1, T1
Agua fría
reposición
F0
tk2
F ac
M
W
H2,
T2
M
Fr
Reactivo
A
condensado
H3, T3
Fd
tk3
Demanda
Figura E21
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica
Filosofías de control
Ejercicio 33)
pagina 64
Considere el Diagrama de procesos de la figura E22; Se desea
controlar el proceso de modo que: Los estanques TK1, TK2
y
TK3, deben
funcionar a nivel constante. El flujo L1 no puede ser controlado, debe ser
procesado según aparezca. El flujo W1 debe seguir a L1 de modo que W1/L1 = a.
El flujo W3 debe seguir a W2 de modo que W3/W2 = b. El flujo z1 debe seguir a
z2 de modo que z1/z2 = c. Se debe emplear el flujo de vapor V1 para lograr que
la temperatura T1 del estanque TK1 sea constante a pesar del efecto
flujos L1-W1.Se debe emplear el flujo de agua caliente
de los
F1 para lograr que la
temperatura T3 del estanque TK3 sea constante a pesar del efecto de los flujos
Z1 – Z2.
Se pide:
1
Desarrollar
la
instrumentación
necesaria
en
un
Diagrama de Procesos e
Instrumentación
2 dibujar los Diagramas
de
bloques
correspondientes a cada
uno de los lazos de
control involucrados en
la solución.
3 construir la tabla de
instrumentos
del
Diagrama de Procesos e
Instrumentación
del
punto 1
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica
Filosofías de control
pagina 65
Considere el Diagrama de Procesos e Instrumentación de la Figura
Ejercicio 34)
E23. Se pide:
1 explicar el funcionamiento de la planta bajo control.
2 establecer los actuales lazos de control y dibujar los Diagramas de
bloques correspondientes a cada uno de ellos
3 construir la tabla de instrumentos del Diagrama de Procesos e
Instrumentación de Figura E5
4 .detectar si existen conflictos en instrumentación
5 detectar si hay instrumentación innecesaria
FC
50
i/P
FT
50
LT
51
VC
51
TK50
Q52
LC
51
Q 53
FC
52
1/P
B50
1/P
VC
52
h51
Q50
PT
52
Q51
h50
MANUAL
TK51
Figura E23
TK52
Oscar Páez Rivera Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica