0. introducciÓn al control de procesos

INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS

Miguel A. Sánchez Bravo

INTRODUCCION A SISTEMAS DE CONTROL / MASB

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INTRODUCCIÓN

La Ingeniería de Control tiene por objetivo comprender y controlar procesos con el fin de proporcionar productos y servicios económicos útiles para la sociedad. No está limitada a una sola disciplina de la ingeniería. También es aplicable a sistemas sociales, económicos y otros.

Se basa en los fundamentos de la teoría de la realimentación y el análisis de sistemas lineales, e integra los conceptos de las teorías de redes y de comunicación.

El control de un proceso industrial por medios automáticos en lugar de manuales se conoce como automatización. Este concepto es básico para las industrias con el fin de mejorar su productividad sin descuido del medio ambiente.


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DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

El diseño es un proceso en el que el análisis y la creatividad desempeñan un papel fundamental.

Diseño es el proceso de concebir o inventar las formas, partes y detalles de un sistema para lograr un objetivo específico.

Un factor importante en un diseño realista es el tiempo, lo cual es una ventaja competitiva.

Las herramientas de software permiten realizar diseños realizables e implementables en el menor tiempo.

El procedimiento de diseño es iterativo y flexible. A continuación se presentan los pasos a seguir.


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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

MODELADO

DISEÑO DEL CONTROLADOR

SIMULACIÓN

ELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA

IMPLEMENTACIÓN

TEST

EXPLOTACIÓN

PROCESO DE DISEÑO DE SIST. DE CONTROL


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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Comprensión general del problema Conocimiento de la física del proceso. Análisis de datos del proceso. Contexto del proceso: De que otros procesos depende y en

cuales influye. Tipos de variables y sus características:

Variables a controlar. Variables sobre las que actuar para llevar al proceso al

comportamiento deseado. Perturbaciones que pueden presentarse.

Aspectos económicos, sociales, ambientales.


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ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

Definiciones de las especificaciones. Objetivo del sistema de control. Rangos de acción del sistema de control (tiempos, errores,

características de frecuencia)

Traducir las especificaciones a la terminología del Control Automático:

Especificaciones temporales ( tiempos de establecimiento, de retardo, de pico máximo, índices de funcionamiento, porcentaje de sobreimpulso, entre otros).

Especificaciones frecuenciales ( ancho de banda, márgenes de ganancia y de fase, etc.).

Error estacionario.


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MODELADO

Suposiciones válidas de trabajo del proceso ( cálculo del estado de operación ).

Obtención de un modelo simplificado apto para aplicar las técnicas de diseño ( generalmente aplicando técnicas de simulación.

Mediante aplicación de leyes físicas y/o técnicas de identificación.

Validación previa del modelo ( mediante simulación ).


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DISEÑO DEL CONTROLADOR

Técnicas de diseño: Sistemas de regulación y/o seguimiento

Lugar de las raíces. Técnicas en el dominio de la frecuencia. PID empírico ( Ziegler – Nichols, prueba y error, etc ). Variables de estado: control óptimo, adaptivo, etc.

Sistemas de control secuencial Técnicas combinacionales. GRAFCET.

Análisis de sensibilidad a variación de parámetros y perturbaciones externas.


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SIMULACIÓN

Construcción de un modelo en el computador mediante software como MATLAB ( Simulink, Control System, State Flow, Identification,… ), o como LabVIEW ( Control Design, Simulation, Identification, … ). El modelo debe incluir efectos no tomados en cuenta en el diseño del controlador, como no linealidades, saturaciones, ruido, variaciones en las condiciones del entorno.

Optimización: Mediante la simulación se pueden ajustar algunos parámetros del controlador ( ajuste fino ) a fin de mejorar el funcionamiento.

De ser necesario replantear de las cuatro primeras etapas, las que fueran convenientes.


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ELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA

Sensores: Tecnología: eléctricos, mecánicos, ópticos, ultrasonidos, … Características: linealidad, precisión, constante de tiempo, … Economía: precio, disponibilidad, mantenimiento, …

Actuadores: Tecnología: eléctricos, neumáticos, hidráulicos, … Características: potencia, fiabilidad, durabilidad, … Economía: precio, disponibilidad, mantenimiento, …

Controlador: Sistemas de regulación: mecánicos, electrónicos, tecnología

programada (microcontrolador, microprocesador, DSP). Sistemas de control secuencial: con lógica cableada (puertas

lógicas), tecnología programada (PLC, microcontrolador).


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IMPLEMENTACIÓN

Entorno de trabajo: Ruidos y perturbaciones. Tipo de cableado. Protecciones (agua, térmica, corrosión).

Ubicación y orientación de equipos.

Consideraciones medioambientales.

De ser necesario replantear la etapa anterior.


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TEST

Verificación del rendimiento del prototipo.

Pueden encontrarse modos de funcionamiento insospechados, debido a que la simulación no coincide exactamente con la realidad.



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EXPLOTACIÓN

En esta etapa se prueba al sistema en modo continuado, permitiendo obtenerse:

Estadísticas de uso Desgastes, deterioros paulatinos, tendencias Fatiga térmica, mecánica, eléctrica, …

Ergonomía.



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P&ID

En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir de una forma más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los sistemas de control.

Un sistema de símbolos ha sido estandarizado

por la ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). La siguiente información es de la norma: ANSI/ISA-S5.1-1984(R 1992).


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Las características generales de esta norma son lassiguientes:

a. Cada instrumento se identifica con un sistema de letrasque lo clasifica funcionalmente y números queidentifican el lazo a que pertenece.

b. Las letras de identificación se subdividen en: -Primeras letras: identifican la variable medida con

que se relaciona el instrumento.-Letras sucesivas: se refieren a la función que realizael instrumento.


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c. Los lazos de instrumentos se identifican con unasecuencia de números que puede comenzar por el 1 opor cualquier número que incorpora información delárea de la planta a que pertenece el lazo (ejemplo: ellazo 401 puede significar que pertenece al área 4).


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Primeras Letras Letras Sucesivas Variable medida Letra de

modificación Función de lectura

pasiva Función de salida Letra de

modificación A Análisis Alarma B Llama Libre Libre Libre C Conductividad Control D Densidad o peso específico

Diferencial

E Tensión (fem) Elemento primario F Caudal Relación G Calibre Vidrio H Manual Alto I Corriente eléctrica Indicador J Potencia Exploración K Tiempo Estación de

control


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L Nivel

Luz piloto

Bajo

M Humedad Medio o intermedio

N Libre Libre Libre Libre O Libre Orificio P Presión o vacío Punto de prueba Q Cantidad Integración R Radiactividad Registro S Velocidad o frecuencia Seguridad Interruptor T Temperatura Transmisor U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción V Viscosidad Válvula W Peso o fuerza Vaina X Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar Y Libre Relé o computador

Z Posición Elemento final de control sin clasif.


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Montado en Tablero

Normalmente accesible

al operador

Montado en Campo

Ubicación Auxiliar.

Normalmente accesible

al operador.

Instrumento Discreto o Aislado

Display compartido, Control compartido.

Función de Computadora

Control Lógico Programable

SIMBOLOS GENERAL DE LA INSTRUMENTACIÓN


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Instrumento Discreto

Función de Computadora

Control Lógico Programable

Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel el cual no es

accesible al operador


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La identificación funcional de un instrumento esta hecha de acuerdo a su función y no a su construcción. Un registrador de diferencia de presión usado para medir flujo se identifica como FR; un indicador de presión y un switch actuado a presión conectado a la salida de un transmisor de nivel neumático están identificados por LI y LS, respectivamente. En un lazo de instrumentos, la primera letra de una identificación funcional es seleccionada de acuerdo a la medida y a la variable inicial y no de acuerdo a la variable manipulada. Una válvula de control varía el flujo de acuerdo a lo dictaminado por un controlador de nivel, esto es una LV.


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NÚMERO DE IDENTIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS O TAG

NUMERO DE IDENTIFICACION TIPICO ( NUMERO TAG)

TIC 103T 103103TICTIC

Ø Identificación del instrumento o número de etiquetaØ Identificación de lazoØ Número de lazoØ Identificación de funcionesØ Primera letraØ Letras Sucesivas

NUMERO DE IDENTIFICACION EXPANDIDO

10-PAH-5A10A

Ø Número de etiquetaØ Prefijo opcionalØ Sufijo opcional

Nota: Los guiones son optativos como separadores.

Cada instrumento o función para ser designada está diseñada por un código alfanumérico o etiquetas con números. La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es común a todos los instrumentos o funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para completar la identificación.


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SÍMBOLOS DE LÍNEAS

Conexión a proceso, enlace mecánico, oalimentación de instrumentos.

Señal Eléctrica

Señal Hidráulica

Señal Neumática

Señal electromagnética o sónica (guiada)

Señal electromagnética o sónica (noguiada)

Señal neumática binaria


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SÍMBOLOS DE LÍNEAS

Señal eléctrica binaria

Tubo capilar

Enlace de sistema interno (software oenlace de información)

Enlace mecánico


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ABREVIATURAS SUGERIDAS PARA EL TIPO DE ALIMENTACIÓN

AS Alimentación de aire. ES Alimentación eléctrica. GS Alimentación de gas. HS Alimentación hidráulica NS Alimentación de nitrógeno. SS Alimentación de vapor. WS Alimentación de agua.


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DESIGNACIÓN DE BLOQUE DE FUNCIONES

TABLA 3


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El FT101 representa un transmisor de flujo, montado en el campo, conectado por señales eléctricas (línea punteada) con un controlador indicador de flujo FIC101 localizado en un control/display compartido.

Una extracción de la raíz cuadrada de la señal de entrada es aplicada como parte de la funcionalidad del FIC101.

1-4

EJEMPLO


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• La salida del FIC101 es una señal eléctrica que va a TY101 que es una señal neumática (línea con dos marcas cruzadas) haciendo a TY101 un I/P (convertidor electro-neumático). TT101 y TIC101 son similares a FT101 y a FIC101 pero están midiendo, indicando y controlando temperatura.

2-4


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• Las salidas del TIC101 están conectadas vía enlace de sistema interno de software ó de información (líneas con burbujas) a un Set Point (SP) de FIC101 para formar un control estratégico en cascada.

• Un YIC típico está provisto de una válvula ON/OFF que es controlada por una válvula solenoide y es alimentada con switches limitadores para indicar las posiciones (ZSH) abierto y (ZSL) cerrado. 3-4


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• Todas las entradas y salidas están cableadas al PLC que es accesible al operador. (diamante dentro de un cuadrado con una línea horizontal).

• La letra ‘Y’ indica un evento, estado, ó presencia. La letra ‘I’ refiere a que la indicación está provista, y la letra ‘C’ significa que el control se lo toma desde este aparato.

4-4


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Instrumentos de campo y de panel


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PIC127

FR128

PR129

TRC130

TAH131

EJERCICIO: Describa el siguiente diagrama


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Lazos Neumáticos Los diagramas de lazo están organizados de tal forma que puedan ser leídos indiferentemente de la fuente de suministro. Los diagramas lazos neumáticos son similares a los lazos electrónicos. La mayoría si no es que todos utilizan el mismo tipo de simbología. A continuación se muestra un ejemplo. Interpretación de los lazos neumáticos por medio de los símbolos de instrumentación La información general se presenta en el titulo del dibujo mientras que las notas están en la parte inferior. Como en los lazos electrónicos, la información se lee generalmente de izquierda a derecha.


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OBJETIVO DEL CONTROL DE PROCESOS

Es mantener en un determinado valor de operación las variables del proceso, tales como temperaturas, presiones, flujos, entre otras.

Todo proceso es de naturaleza dinámica y siempre está sujeto a cambios y si no se emprenden las acciones pertinentes, las variables no cumplirán con los valores de diseño.

Las variables del proceso se relacionan con la calidad de los productos, índices de producción, seguridad y contaminación ambiental.


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VARIABLES DEL PROCESO

Variables controladas: Son aquellas que deben mantenerse en un rango de variación acotado, con el fin de que los productos cumplan con las normas de calidad, costo, cantidad, etc. Si el rango de variación es pequeño, el objetivo es mantener la variable controlada próxima a una referencia.

Variables manipuladas: Son aquellas que pueden variarse con el fin de mantener las variables controladas en rangos predefinidos.

Perturbaciones: Son variables que varían en el tiempo en forma independiente. Afectan a las variables controladas.


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VARIABLES DEL PROCESO

PROCESO

Perturbaciones (z)

Variablesmanipuladas (u)

Variablescontroladas (y)


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EFECTO DE LAS VARIABLES MANIPULADAS Y DE LAS PERTURBACIONES

Cambios en las variables manipuladas o en las perturbaciones originan alteraciones en las variables controladas. Estas alteraciones pueden ser de dos tipos: transitorias o permanentes.

Los efectos transitorios, aunque desaparecen con el tiempo, pueden generar problemas de rebalses, sobrecargas, pérdidas de calidad, etc.

La respuesta permanente o estacionaria indica con que precisión la variable controlada sigue a la referencia.


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SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO

Operador

SISTEMADE

CONTROL

PLANTAo

PROCESO

Consigna Entrada Salida

Operador

SISTEMADE

CONTROL

PLANTAo

PROCESO

ConsignaSeñales de

mando Salida

Potencia

AC

TU

AD

OR

ES

DISPOSITIVOS DE SEÑAL DISPOSITIVOS DE POTENCIA

Sistema de Control genérico


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SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO

Operador

SISTEMADE

CONTROL

PLANTAo

PROCESO

ConsignaSeñales de

mando

Perturbaciones

AC

TU

AD

OR

ES

Nodosuma

+ -

Señal deerror

Variable regulada

Lazo de realimentación

Salida

Sistema de Control realimentado o en lazo cerrado

SENSOR


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CONTROL EN ADELANTO (FEEDFORWARD)

Cont.

Proceso

Perturbación

Ref.

Variable manipulada Variablecontrolada


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CONTROL EN CASCADA

Cont.Prim.

Cont.Sec.

Act. ysubproc.

Subproc.

Sensor

Sensor

Perturbaciones

R Y


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COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL

Sensor: Conocido también como elemento primario. Mide la variable controlada.

Transmisor: Conocido como elemento secundario. Capta la salida del sensor y la convierte en una señal adecuada para transmitirla al controlador.

Controlador: Compara el valor de la variable controlada con el valor deseado, y según el resultado decide que hacer para mantener la variable controlada en el valor deseado.

Elemento de control final: Realiza la acción sobre la variable manipulada que mantiene a la variable controlada en el valor deseado. También denominado actuador.


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COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL

Convertidores A/D y D/A: En los sistemas de control digital es necesario realizar conversión de señales para poder realizar la interfaz entre el proceso que generalmente es analógico y el controlador digital. La conversión A/D utiliza un dispositivo de muestreo y retención para mantener el nivel de la señal hasta que llegue la siguiente muestra. La conversión D/A utiliza un dispositivo de retención de datos o filtro pasabajos.

Multiplexor: Permite acoplar varias señales a un procesador con la finalidad de compartir el tiempo del procesador entre todas las señales que llegan a él.


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CONTROL DIGITAL DE PROCESOS P

RO

CE

SO

CONTROLADOR

Visualizador

SENSOR A CONDICIONAMIENTO

A CTUADOR

TRANSMISOR

RECEPTOR

Señal

eléctricaVariablefísica

Señalmedida

Señalmando

Medio detransmisión

SISTEMA DE MEDIDA

D/A A/DProcesador

Digital


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SEÑALES DE TRANSMISIÓN

Las señales entregadas por los sensores y recibidas por los actuadores (elementos de control final) están normalizadas.

Señales neumáticas (presión de aire): 3 a 15 psi.

Señales eléctricas o electrónicas: 4 a 20 mA, 1 a 5 V.

Señales digitales: 8 o 12 bit (256 o 4096 niveles).


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CONTROL REGULADOR Y SERVOCONTROL

Regulador: Sistema de control cuya referencia se mantiene fija en el tiempo.

Servocontrol: Sistema de control cuya referencia evoluciona con el tiempo. La variable controlada debe seguir a la referencia por lo que se le denomina modo de seguimiento de referencia.


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APLICACIÓN

Control de temperatura en un intercambiadorde calor

Líq. Frio

Ti , qLíq. Caliente

T , q

VaporqV

El objetivo es calentar el líquido y mantener-lo en la temperatura T, aún en presencia deperturbaciones.


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APLICACIÓN

Control de temperatura en un intercambiadorde calor

Variable controlada: La temperatura T del líquidoVariable manipulada: Se selecciona el flujo de vapor qV, dado que esta varia-ble tiene efecto directo sobre la temperatura T.Perturbaciones: Las variaciones de la temperatura del líquido a la entrada, del flu-jo del líquido, de la temperatura del vapor. Tam-bién las condiciones ambientales, la composicióndel líquido.


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APLICACIÓN

Control de temperatura en un intercambiadorde calor mediante realimentación

Líq. Frio

Ti , qLíq. Caliente

T , q

VaporqV

TT

TC


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INTEGRACIÓN DE SISTEMAS

Los primeros sistemas de control, desarrollados a principios del siglo XX, se basaron en componentes mecánicos y electromecánicos (engranajes, palancas, relés, pequeños motores).

A partir de los años cincuenta empezaron a utilizarse los semiconductores, obteniendo sistemas de menor tamaño y consumo, más rápidos.

En la década de los setenta, gracias al empleo de circuitos integrados se inicia el desarrollo de sistemas basados en microprocesadores. Empieza también el desarrollo de las computadoras digitales, cuyo empleo en el control de procesos quedaba restringido por su alto costo y poca facilidad de interconexión (interfaz) con el proceso.


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La demanda en la industria de un sistema económico, robusto, flexible, fácilmente modificable, hizo que se desarrollen los autómatas programables industriales (API) o controladores lógicos programables (PLC).

Los PLC actuales han mejorado sus prestaciones respecto a los primeros, a base de incorporar un juego de instrucciones más potente, mejorar la velocidad de respuesta y de dotarlo de la capacidad de comunicación. Todo ello ha permitido su aplicación masiva al control industrial.

Por otro lado las computadoras se han adaptado al ambiente industrial adicionando su capacidad de cálculo y programación, permitiendo en primer lugar la adquisición y gestión de datos y después la supervisión y control de procesos.


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Actualmente en las plantas automatizadas, todos los equipos digitales, como PLC’s, computadoras, sensores y actuadores inteligentes están integrados en red bajo el concepto de producción asistida por computadora (CIM).

Evolución de las prestaciones de los PLCCIM -

Redes -

Visualizad. -

Sustitución -de relés

1970 1980 1990 2000


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La interconexión de los diversos componentes requiere el uso de sistemas de comunicación.

Una planta típica va a tener cientos de señales diferentes a transmitir. Así el diseño de sistemas de comunicación y sus protocolos asociados es un aspecto cada vez más importante de la ingeniería de control moderna.

Esta interconexión se realiza a través de una gama de dispositivos de cómputo, que incluyen DCS, PLC, PC, etc.

Existen buenas razones por las que no conviene llevar todas las señales a un punto común, es decir se trabaja con control descentralizado basado en jerarquías.


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SALA DE CONTROL

Panel de Control Control por computador


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CONTROL POR COMPUTADOR

Las señales de planta van a armarios con convertidores A/D y D/A y son procesadas por uno o varios computadores en forma de tarjetas alojadas también en otros armarios de control

D/A

A/D

ProcesoP


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DIVERSIDAD DE SISTEMAS

Autómatas Programables (PLC) Secuencias y funciones lógicas (S7, Allan Bradley,…)

SP 45PV 45.5

Sistemas SCADA Supervision, Control And Data Adquisition (Fix, InTouch, PI, …)

Señales de contactos y analógicas


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CONSOLAS de OPERACION- CONTROL

AVANZADO- DMC’s

- SISTEMAS DE INFORMACION

PROCESO

ARMARIOS DE CONTROL: CONTROLADORESde PROCESO + TARJETAS DE E/S ANALOGICAS Y DE CONTACTOS

LCN(RED LOCAL DE CONTROL)

Sistemas de Control Distribuido: (TDC-3000, Delta-V, PCS7,..)

SALASDE

CONTROL

IMPRESORAS deALARMAS


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LABORATORIOPRODUCTOSCRUDOSENERGIASBALANCES

CONSOLAS de OPERACION- CONTROL

AVANZADO- DMC’s

- SISTEMAS DE INFORMACION

PROCESO

ARMARIOS DE CONTROL

CONEXIONREMOTA

ETHERNET

(RED GESTION DE LA PRODUCCION)

LCN(RED LOCAL DE CONTROL)

- CENTRAL- CENTROS REMOTOS

OFICINAS

Sistemas de Control de Planta

SALASDE

CONTROL

MANTENIMIENTOALMACEN

SEGURIDADUSUARIOS

IMPRESORAS deALARMAS


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FUNCIONES DEL ORDENADOR

SP 45PV 45.5

SP 45PV 45.5

Monitorización:

Gráficos, Esquemáticos, Históricos, señalización de alarmas,...

Supervisión: Monitorización, gestión de alarmas, cambio de consignas o secuencias, sintonía, ...


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FUNCIONES DEL ORDENADOR

D/A, A/D

SP 45PV 45.5

Control Digital Directo DDC

Control del proceso: se recibe información, se calcula la señal de control y se envía al proceso


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RESUMEN

La Ingeniería de Control está presente en todos los sistemas modernos de ingeniería.

El control es la clave tecnológica para lograr: Productos de mayor calidad Protección del medio ambiente Mayor rendimiento de la capacidad instalada Mayores márgenes de seguridad

El control es multidisciplinario (incluye sensores, actuadores, comunicaciones, cómputo, algoritmos, etc).

El diseño de control tiene como meta lograr un nivel de rendimiento deseado frente a perturbaciones e incertidumbre.

0. introducciÓn al control de procesos

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