UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN Facultad de Procesos Escuela Profesional de Ingeniera !u"ica
Curso# Control del Procesos
Integrantes asistentes# $ Ros os %uli %ulian ano o &os &ose &es &es's 's $ (a)o (a)ona na Suca Sucasa saca ca Sand Sandra ra Roci* Roci* $ A+a,a Al Ale%o Ed Edi$ Cand Canda a .ira .irand nda a (re (rend nda a Este Estefa fan na a -
Turno# .artes /$00 1rs2
Fec3a# 45 de Octu6re del 7405
NOTA 8LOS ALU.NOS !UE NO SE ENCUENTRAN EN ESTA RELACION TA.(IEN 1AN APORTADO EN LA ELA(ORACION DEL INFOR.E9
EVALUACION DEL .:DULO DE CONTROL DE TE.PERATURA Controlador PID
Precisi*n ) E;ciencia en el control ) en el .ane%o de Energa T
Objetivo General: Evaluar el funcionamiento del circuito de control del Módulo baño de Temperatura para determinar la precisión y efectividad de los elementos de control (Sensor, actuador, controlador), y la eficiencia en el manejo térmico.
1.2.
Objetivo Específcos:
eterminar e!perimentalmente el nivel de correspondencia entre el set "oint, el controlador, y el sensor del módulo #año de Temperatura, en el ran$o de temperatura re%uerido. eterminar la eficiencia térmica entre el $enerador de a$ua caliente y el tan%ue emulsificador donde se re%uiere una determinada temperatura en el reactor. "lantear los ajustes necesarios para mantener las operaciones bajo control.
72 !"#$%E"T$&IO" TEO'I&$: 2.1.
Conceptos básicos
CONTROL DE PROCESOS Es el conjunto de sistemas o mecanismos, para lo$rar mantener ciertas variables de los procesos de transformación, dentro de determinados ran$os de valores %ue $aranti&an los mejores resultados. Estudia el comportamiento de los procesos cuando se escapan del estado estacionario deseado. El 'ontrol de procesos permite entonces minimi&ar o eliminar las variaciones en el tiempo de las variables %ue lo determinan. n buen control de procesos industriales, e!i$e tener un conocimiento profundo de los fenómenos de transformación %ue los determinan, as como de las variables y sus interrelaciones, de modo %ue se obten$a la selección m*s adecuada de sensores, controladores y actuadores y el diseño del tipo de control %ue mejor funcione para cada caso.
SISTE.A EN CONTROL DE PROCESOS 'ombinación de componentes %ue act+an interconectados, para cumplir un determinado objetivo. Se representa como un rect*n$ulo o caja ne$ra y variables %ue act+an sobre el sistema.
TIPOS DE SE=ALES EL>CTRICAS Señal analó$ica (n infinito de valores) y %ue tiene una variación continua en el tiempo.
Señal di$ital (n finito de valores) y %ue tiene una variación discreta de valores en el tiempo. Señal di$ital binaria (dos valores concretos, - y ) la señal eléctrica sólo puede adoptar dos niveles de tensión.
VARIA(LE DE PROCESO? PV Es la variable medida %ue se desea estabili&ar (controlar) recibe el nombre de variable de proceso (/process value0) y se abrevia "1.
SET POINT SP O CONSIGNA El valor prefijado (Set "oint, S") es el valor deseado de la variable de proceso, es decir la consi$na. Es el valor al cual el control se debe encar$ar de mantener la "1.
ERROR Se define error como la diferencia entre la variable de proceso "1 y el set point S".
2.2.
Sistemas de Control
n sistema de control de temperatura, obtiene la temperatura del ambiente a medir mediante un sensor, y esta señal e tratada, ya sea di$ital o an*lo$amente (se$+n el tipo de control a tratar). 2 lue$o pasa a un sistema de control el cual activa, desactiva, aumenta, o disminuye el sistema %ue estar* encar$ado de mantener la temperatura.
Controles de temperatura de lazo simple Este tipo de control es un instrumento %ue compara la señal del sensor, la compara con una señal interna deseada (se llama a este punto setpoint) y ajusta la salida del dispositivo calefactor para mantener, tan cerca como sea posible, el e%uilibrio entre la temperatura medida y la temperatura deseada. 3%u la frase clave es /tan cerca como sea posible0. E!isten varios métodos de control para conse$uir esto. Trataremos de e!plicar brevemente los m*s comunes.
Controladores de temperatura 4os controladores de temperatura, se usan en una variedad de industrias, son el inicio y 5erramientas importantes para el control de temperatura para obtener los resultados deseados en las industrias. 4os controladores de temperatura 3naló$ico6i$ital ("7) , ofrecen un r*pido ajuste y proporcionan una $estión de temperatura precisa y as también el control para una variedad de aplicaciones al ofrecer el mejor precio, diseño y f*cil funcionamiento.
¿Qué es un controlador de temperatura? 'omo el nombre indica, un controlador de temperatura es un instrumento usado para controlar la temperatura. El controlador de temperatura tiene una entrada procedente de un sensor de temperatura y tiene una salida %ue est* conectada a un elemento de control tal como un calentador o ventilador.
¿Cómo funcionan los controladores de temperatura? "ara controlar con precisión la temperatura del proceso sin la participación continua del operador, un sistema de control de temperatura se basa en un controlador, el cual acepta un sensor de temperatura tal como un termopar o 8T como entrada. Se compara la temperatura real a la temperatura de control deseada, o punto de ajuste, y
proporciona una salida a un elemento de control. El controlador solo es una parte del sistema de control, y todo el sistema debe ser anali&ado para ele$ir un controlador adecuado. 4os si$uientes puntos deben ser considerados al seleccionar un controlador9 -. :. ;. <.
Tipo de sensor de entrada (termopar, 8T) y ran$o de temperatura Tipo de salida re%uerida (relé electromec*nico, SS8, salida analó$ica) 3l$oritmo de control necesario (encendido 6 apa$ado, proporcional, "7) =+mero y tipo de salidas (calor, fro, alarma, lmite)
¿Cuáles son los diferentes tipos de controladores y cómo funcionan? >ay tres tipos b*sicos de controles9 ?=6?@@, proporcional y "7. ependiendo del sistema a ser controlado, el operador ser* capa& de utili&ar uno u otro tipo para controlar el proceso.
2.2.1. CO!"O# S$ % O &O'O(() 4a selección del control de temperatura correcta para una aplicación dada, depende del $rado de control re%uerido por la aplicación. 4a solución m*s simple %ue puede necesitar una aplicación dada puede solucionarse con lo %ue se llama control sino (onA off). El control sAno trabaja como el termostato del 5o$ar, o sea la salida del control es - B s o - B no. 4a sensibilidad del control sino (también llamado /5istéresis0 o /banda muerta0) se diseña de modo %ue la salida no cambie de s a no demasiado r*pido. Si el ran$o de 5istéresis es muy an$osto, 5abr* una conmutación demasiado r*pida %ue se conoce como tra%ueteo. Este tra%ueteo 5ace %ue los contactos de los contactores y elementos calefactores ten$an una vida m*s corta. Entonces la 5istéresis deber* ajustarse de modo %ue 5aya un retardo suficiente entre los modos /s0 y /no0. ebido a la necesidad de esta 5istéresis 5abr* siempre lo %ue se llama /overs5oot0 y /unders5oot0. El /overs5oot0 es la ma$nitud en %ue la temperatura rebasa a la del setpoint, el /unders5oot0 es lo contrario. 1ea la fi$ura -a. ebido a la 5istéresis necesaria, esta oscilación de temperatura estar* siempre presente, la ma$nitud de esta oscilación depender* de las caractersticas del sistema térmico en cuestión
2.2.2. CO!"O# *"O*O"C$O+# ,- !$-*O /+"$+0#- &*)
>ay procesos %ue necesitan un control m*s preciso %ue la %ue puede dar el sistema sAno. n control proporcional en el tiempo, trabaja de la misma manera como el control sAno mientras la temperatura del proceso est* por debajo de lo %ue se llama la banda proporcional. Esta banda proporcional es el lu$ar debajo del setpoint en el cual el control proporcional comien&a a actuar o sea %ue la
proporción entre s y no comien&a a cambiar. En la parte baja de la banda proporcional, el tiempo s es muc5o mayor %ue el tiempo no. 3 medida %ue la temperatura se apro!ima al setpoint, el tiempo s disminuye y el tiempo no aumenta. Esto cambia la potencia efectiva y ocasiona una disminución en la velocidad a la cual la temperatura del proceso aumenta. Esta acción contin+a ya %ue se estabili&a en al$+n lu$ar debajo del setpoint. En este punto se obtiene el control. Esta diferencia entre el punto de control y el setpoint se llama /droop0 (cada). (@i$ura -b).
2.2.. CO!"O#+,O" $!-3"+# Si la cada en el control proporcional en el tiempo, no se puede tolerar en un proceso, se debe a$re$ar la función inte$ral de control. 4a función inte$ral %ue se encuentra en los controladores de corte autom*tico emplea un al$oritmo matem*tico para calcular la ma$nitud de la cada y lue$o ajustar la salida para cortar el control y llevarlo m*s cerca del set point. Esta acción de corte autom*tico tiene efecto solamente dentro de la banda proporcional. Si esta acción se efect+a fuera de la banda proporcional el sistema se 5ace inestable. 4os controles inte$rales est*n preparados para impedir este efecto. En muc5os controles %ue no tienen control autom*tico se sustituye esta función por un potenciómetro %ue ajusta manualmente a la banda proporcional. 1ea las @i$s. :a y :b.
2.2.4. CO!"O#+,O" ,-"$/+,O El sobrepaso de temperatura es cuando el proceso, durante su ciclado, sobrepasa el setpoint. Este sobrepaso puede ser pe%ueño e insi$nificante o lo bastante $rande como para causar problemas con el proceso. El sobrepaso puede ser perjudicial en muc5os procesos por lo %ue debe ser evitado. En todos los tipos de controles considerados 5asta a5ora tienen sobrepaso. 4a función derivada puede usarse en estos casos para prevenir el e!ceso de temperatura. 4a función derivada anticipa con %ué rapide& se lle$a al setpoint. >ace esto midiendo la velocidad de cambio de la temperatura del proceso y for&ando al control a entrar antes en una acción proporcional disminuyendo la velocidad del cambio de la temperatura del proceso. Esto resulta en una temperatura %ue entra al setpoint en forma suave y as previene un sobrepaso e!cesivo al inicio del proceso o cuando el sistema cambia, por ejemplo, cuando la car$a cambia o por la apertura de la puerta del 5orno tiene lu$ar. "or lo com+n, el control m*s e!acto es a%uel %ue es proporcional, tiene control autom*tico y es derivado. Este tipo de control se conoce como "7 ("roporcional, 7nte$ral, erivado). ?bserve la fi$ura :c.
2.2.5. CO!"O#+,O" *$, El control "7 es un mecanismo de control %ue a través de un la&o de retroalimentación permite re$ular la velocidad, temperatura, presión y flujo entre otras variables de un proceso en $eneral. El controlador "7 calcula la diferencia entre nuestra variable real contra la variable deseada. En sistemas de bombeo, re$ularmente nos interesa mantener la presión o flujo constante, por lo tanto, el control "7 mide la diferencia entre la presión en la tubera y la
presión re%uerida y act+a variando la velocidad del motor para %ue podamos tener nuestra presión o flujo constante. El al$oritmo de control incluye tres par*metros fundamentales9 Canancia proporcional ("), 7nte$ral (7) y erivativo (). El par*metro "roporcional (") mide la diferencia entre el valor actual y el setA point (en porcentaje) y aplica el cambio. "ara aplicaciones sumer$ibles, el valor recomendado es DB y para aplicaciones centrfu$as, el valor recomendado es -B. El par*metro 7nte$ral (7) se refiere al tiempo %ue se toma para llevar a cabo acción correctiva. Mientras el valor sea m*s pe%ueño, el ajuste es m*s r*pido pero puede causar inestabilidad en el sistema, oscilaciones, vibración de motor y de la bomba. El valor recomendado para aplicaciones sumer$ibles es de .D se$undos y para aplicaciones centrfu$as es de - se$undo. El par*metro erivativo () emite una acción predictiva, es decir, prevé el error e inicia una acción oportuna. 8esponde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección si$nificativa antes de %ue la ma$nitud del error se vuelva demasiado $rande.
2..
!-"O"-S$S!-C$+6
4os materiales %ue se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el n%uel. El platino es el elemento m*s adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero también es el m*s caro. 4a sonda m*s utili&ada es la "tA- (resistencia de - o5mios a '). El n%uel es m*s barato %ue el platino y posee una resistencia m*s elevada con una mayor variación por $rado, sin embar$o tiene la desventaja de la falta de linealidad en su relación resistenciaAtemperatura. El cobre es barato y estable pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Se adjunta una tabla de termoresistencias como ejemplo. Tabla =- Termoresistencias
@2 $"$(ISIS #E V$'I$B(ES Tabla =: 3n*lisis de 1ariables
/+"$+0#- 7 S$0O#O
!$*O
Volumen de agua en tanque del Baño de Manipulable T° Volumen de agua en tanque del Manipulable emulsificador Temperatura en sensor del tanque
ependient e
Temperatura en sensor externo leída en el sensor interno
ependient e ependient Temperatura en el controlador e Temperatura en las paredes del tanque ependient emulsificador e Temperatura en el líquido del ependient emulsificador e Tiempo de respuesta a la acción de ependient control de la resistencia e Set Point en controlador Manipulable
$/-#-S ,/+"$+C$O 1#-9FDB 1#:9DB 1E-9FDB 1E:9DB
lleno lleno lleno lleno
$S!"8-! O "robeta "robeta
"or eterminar
Termocupla instalada permanente
"or eterminar
Termocupla
"or eterminar
Termocupla
"or eterminar
Termocupla
"or eterminar
Termocupla
"or eterminar
'ronometro
S"-9GD'
'ontrolador
2 %$TE'I$(ES ) E*!I+OS
Módulo de 'ontrol de Temperatura. Termocupla. Termómetro "robeta 'inta Metrica Harra de :4t 3$ua li%uida 'ronometro
B2 +'O&E#I%IE"TO -) ?bservar los materiales y e%uipos :) Elaborar un es%uema detallado del módulo. ;) @amiliari&arse con el manejo de los instrumentos en función de los objetivos de la pr*ctica. <) 4lenar el Tan%ue #año a un nivel predeterminado. D) Establecer el Set "oint
G) na ve& alcan&ada la temperatura en el baño, conectar la bomba para llevar a$ua caliente al emulsificador. F) 4o$rar estado estacionario en el sistema con el tan%ue emulsificador vaco. I) 4lenar el tan%ue del emulsificador y evaluar el calentamiento. J) 'uidar en todo momento la se$uridad en la operación.
52 ES*!E%$ #E( +'O&ESO
2 'E&OJO #E #$TOS E,+E'I%E"T$(ES
Tabla =G >oja de 8ecojo de atos T senso r " Tie/po intern pre 0/into o e ba s tan3 e ba4o
T &$!# senso $( r 0c/67 &ontrola e5ter s or Set no e point tan3 e ba4o 19.9; 1.9 ; 9
1
9.9
2
6.9
2
2.9
;
6
=.6
>.9
;
=
.1
1
=.9
;
;.9
=
6.9
;
;
<.9
.9
;
69.9
2>.<
26>.= 66.9
=9.;6
<=. ?;.>
2;9.<
19.=2 <
<=.
21;.9 6;.9 6=.=>
>.6;1
19=. 6
1>;.2 =9.9
;.99
19.2 ;
>1.?
1=? =.9
.99
?.;21
<=.
?.<1
*T 0&$(O' GE"E'$# * 0&$(O' T O E" ($ GE"E'$#O li3i EI&IE" 'ESISTE"& E" T$"*!E o &I$ Ia8 E%!(SII&$# E/l TE'%I&$ O' s.
1=1. =;.9 2.;6
<
<.=
9
;.9
;
>
>.6
<.9
;
?
?.6
2
<.9
;
19
19.6
=
<.9
;
11
11.2
1
<.9
;
12
12.1
<.
;
16
16.9
<.9
;
1=
1
1;
1=.9
1.9
1;.6
9
=
=
<.
>.9
<.9
<.
;
1>
1?.6
>.9
;
1?
21.9
<.9
;
<.9
<=.
19.99 9
?;.>
12;.; =>.9
<;.=<
19.;; <
>1.?
11?.2 =?.9
;>.<
?.;1
19=. 6
12;.; =>.9
>2.6
19.29 >
<=.
16=.1 =<.9 .;
?.;?9
<=.
12;.; =>.9 >.>2
?.>99
111. <
11?.2 =?.9
?6.<
?.>9=
>1.?
12;.; =>.9
;=.<1
?.=99
>1.?
1=1. =;.9
<.>?
19.99 9
19=. 6
122.?2 =>.
>=.>
11.6 6 19.;2 >
;
1
=
11.;1 1
;
1>.9
22.6
;
1<
29
?.=26
111. <
;
19.?9 9
>>.2=
16=.1 =<.9 .;
<=.
11?.2 =?.9 ;2.9
<=.
122.?2 =>. ;9.;1
>1.?
9. '34'4?S MK G.F; 4itros de a$uaL-$6cm;L
C+#C8#O ,- ,-S$,+, ,- SO#8C$: 6 ρ=
12;.; =>.9
m v
C+#C8#O ,- C+8,+# ,- SO#8C$:6
111.< 9.9
<6.66
q=
•
V t
C+#O" 3--"+,O - #+ "-S$S!-C$+9
Q =m °∗Cp∗∆ T Q = ρ∗q∗Cp∗∆ T
Qresistencia = ρ∗q∗Cp∗( Tset point − Tresistencia ) ónde9 9 calor $enerado en resistencia ρ 9 ensidad %9 caudal 'p.9 capacidad calorfica •
C+#O" -!"-3+,O - !+Q8- -8#S$($C+,O"9
Q =m °∗Cp∗∆ T
Q = ρ∗q∗Cp∗∆ T Qliquido emulsificado= ρ ∗q∗Cp∗( Tset point −Ttanque emulsificado ) ónde9 9 calor $enerado en resistencia ρ 9 ensidad %9 caudal 'p.9 capacidad calorfica •
'alculo de Eficiencia térmica9
ε=
Qresistencia Qliquido emulsificado
;. 8ES4T3?S ,atos +dicionales9 #$TOS:
&+ a@a: ensia:
1.99 1.99
cal7@r Ac @r7c/6
C83@7'? =-9 Temperaturas diversas 1ersus Tiempo de operación
Comentario6 la temperatura de la resistencia oscila continuamente entre ran$os de G AGD', y en un inicio se salió de ese ran$o posiblemente por efecto de subida de potencial eléctrico repentino en el sistema eléctrico. Mientras %ue la temperatura del li%uido emulsificador se 5ace constante a medida %ue el tiempo pasa de :I min, lo$rando una temperatura de emulsión por debajo del set point.
C83@7'? =:9 'omportamiento del 'alor $enerado en el módulo de emulsiones
Comentario9 El calor %ue el tan%ue emulsificador recibe de la resistencia se 5ace constante a medida %ue el tiempo transcurre, dando como resultado de ello una
tendencia lineal, lo cual indicara %ue la emulsion esta siendo calentada uniformemente en todo su contenido.
C83@7'? =;9 Eficiencia Térmica
Comentario6 se puede observar %ue 5ay momentos en los cuales se obtiene una eficiencia del JDB. ebido a %ue la temperatura del l%uido emulsificador es i$ual a la temperatura del l%uido %ue se encuentra en el tan%ue de calentamiento del l%uido calefactor.
042 &$(&!(OS CALCULO DE CAUDAL DE SOLUCI:N# q=
V t
CALOR GENERADO EN LA RESISTENCIA: Q =m °∗Cp∗∆ T Q = ρ∗q∗Cp∗∆ T
Qresistencia = ρ∗q∗Cp∗( Tset point − Tresistencia ) ónde9 9 calor $enerado en resistencia ρ 9 ensidad %9 caudal 'p.9 capacidad calorfica
CALOR ENTREGADO EN TAN!UE E.ULSIFICADOR: Q =m °∗Cp∗∆ T Q = ρ∗q∗Cp∗∆ T
Qliquido emulsificado = ρ ∗q∗Cp∗( Tset point −Ttanque emulsificado ) ónde9 9 calor $enerado en resistencia
ρ 9 ensidad %9 caudal 'p.9 capacidad calorfica
CALCULO DE EFICIENCIA T>R.ICA# ε=
Qresistencia Qliquido emulsificado
002 #IS&!SIO" 4a variable a controlar es la temperatura del a$ua del tan%ue de baño a
recircular 4as variables manipulables sonN el volumen del tan%ue, la recirculación
(caudal), la resistencia E!iste perturbaciones en el sistema %ue se deben controlar, mencionando
al$unas est*nN la temperatura del l%uido en el tan%ue emulsificador, la temperatura del ambiente, el caudal de la recirculación (variable manipulable, pero por defecto de la bomba, se considera como perturbación), la lon$itud de las man$ueras de la recirculación (en donde se observó %ue se pierde calor, por ende, baja la temperatura), etc. El controlador, a pesar de no encontrarse calibrado, funciona efectivamente, ya
%ue ante una perturbación en el sistema (variación del set point) act+a inmediatamente, prendiendo o apa$ando la resistencia =o se pudo determinar un adecuado balance ener$ético por%ue el flujo de la
bomba 5aca la c5a%ueta del reactor no era el adecuado, perdiendo calor y no lle$ando a la temperatura deseada en el tan%ue emulsificador (e!ista una variación de temperatura muy $rande entre la temperatura del tan%ue de baño y la temperatura recirculada)
072 &O"&(!SIO"ES
Se evaluó el funcionamiento del circuito de control del Módulo baño de TemperaturaN e!iste una efectividad en los elementos de control (Sensor, actuador, controlador)N mas no se encuentra calibrado, %ue dificulta el trabajo.
Se determinó %ue el controlador funciona adecuadamente, actuando inmediatamente ante una variación en el set point 4a eficiencia térmica es Se necesita calibrar el sensor, para un mejor manejo del sistema
0@2 S!GE'E"&I$S Es indispensable evaluar el funcionamiento de un circuito de control con un controlador calibrado, para as anali&ar el sistema correctamente y evaluar la din*mica de dic5o sistema.
•
•
=uestra evaluación del módulo comien&a con la medición de una variable. 4a temperatura del fluido del proceso fuera de la c5a%ueta la cual tendramos un mayor control si tuviéramos sensores de temperatura en los puntos señalados para poder calcular la transferencia de calor del l%uido caliente en la emulsión y en la pared del tan%ue. También seria de muc5a ayuda un @lujostato di$ital para poder determinar el flujo de a$ua %ue entra al tan%ue a cierta temperatura y determinar as la transferencia de calor %ue e!iste.
02 BIB(IOG'$I$ • • •
•
Introducción a los sistemas de control. Introducción al modelado de Sistemas de Control. Sensores !ctuadores. Martne& 8eyes Huan 'esar. niversidad 3utónoma de San 4uis. Sensores !ctuadores Industriales.
