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en Departamento de Ingeniería Química. University ofS outh Florida. Departamento de Ingeniería Química "Gordon A. and Mary Cain ". Louisiana State University Smith, Carlos A. Control automático de procesos : Teoría y práctica 1 Carlos A. Smith, Armando B. Corripio. --2a. ed. - México : Limusa Wiley, 2014 xx; 766 pp.: il.; 23 x 17 cm. ISBN: 978-607-05-0721-2 Rústica 1. Control de prm::esos químicos --Automatización l. Corripio, Armando B., cout. Dewey: 660.281 '5 1 22 / S6421 c LC: TP155.75 VERSIÓN AUTORIZADA EN ESPAÑOL DE LA EDICIÓN EN INGLÉS, DISEÑO DE PORTADA: FERNANDO RODRÍGUEZ SÁNCHEZ PUBLICADA CON EL TÍTULO: DISEÑO DE INTERIORES: SERVICIOS CORPORATIVOS LIMUS, S.A. DE C.V. PRINCIPLES ANO PRACTICE OF AUTOMATIC PROCESS CONTROL LA PRESENTACIÓN Y DISPOSICIÓN EN CONJUNTO DE ©JOHN WILEY & SONS, INC. COLABORACIÓN EN LA TRADUCCIÓN: CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS. TEORÍA Y PRÁCTICA MARCO E. SANJUÁN INGENIERO MECÁNICO POR LA UNIVERSIDAD DEL NORTE, SON PROPIEDAD DEL EDITOR. NINGUNA PARTE DE ESTA OBRA BARRANQUILLA, COLOMBIA. PUEDE SER REPRODUCIDA O TRANSMITIDA, MEDIANTE NINGÚN MAESTRÍA Y PH. D. EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA POR LA SISTEMA O MÉTODO, ELECTRÓNICO O MECÁNICO (INCLUYENDO UNIVERSITY OF SOUTH FLORIDA, TAMPA, FLORIDA. EL FOTOCOPIADO, LA GRABACIÓN O CUALQUIER SISTEMA PROFESOR Y DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE RECUPERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN), SIN MECÁNICA, UNVERSIDAD DEL NORTE, BARRANQUILA, COLOMBIA. CONSENTIMIENTO POR ESCRITO DEL EDITOR. ALESSANDRO ANZALONE DERECHOS RESERVADOS: INGENIERO QUÍMICO POR LA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA "ANTONIO JOSÉ DE SUCRE", BARQUISIMERO, © 2014, EDITORIAL LIMUSA, SA DE C.V. VENEZUELA. GRUPO NORIEGA EDITORES MAESTRÍA POR EL POLYTECHNIC INSTITUTE QF NEW YORK BALDERAS 95, MÉXICO, D.F. UNIVERSITY. C.P. 06040 PH. D. EN INGENIERÍA QUÍMICA POR LA UNIVERSITY OF SOUTH 'E"/ (55) 51 30 07 00 FLORIDA, TAMPA, FLORIDA. l=l 01 (800) 706 91 00 PROFESOR Y DIRECTOR DE INGENIERÍA QUÍMICA, DIRECTOR DE LA ""'1 (55) 51 12 29 03 OFICINA DE INVESTIGACIÓN DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE <i/f¡¡ [email protected] PUERTO RICO, SAN JUAN PUERTO RICO. www.noriega.com.mx CANIEM Núm. 121 SEGUNDA EDICIÓN EN ESPAÑOL HECHO EN MÉXICO ISBN: 978-607-05-0721-2 Este libro está dedicado con todo nuestro amor a Dios, nuestro Seño1~ que con sus bendiciones diarias lo ha hecho posible. A los Smith: Para la "nueva generación": Sophia Cristina y Steven Christopher Livingston; Carlos Alejandro y Nicolás Santos Smith. Para la "vieja generación": Tim y Cristina Livingston; Carlos y Jennifer Smith. Para la "generación más vieja": René y Terina Smith y.familia, quienes siempre están dispuestos a ayudmé y, Para la "generación más querida": Mimi, con mi amor eterno y agradecimiento por ser lo mejor que me ha sucedido en la vida. Para la nueva generación de los Corripio: Nicholas, Robert, Garrett, David y Roman. A la memoria de nuestro mentor, Charles E. Janes, J1é Y a nuestra querida patria, Cuba. Esta nueva edición presenta algunos cambios, como la reorganización de material, nuevo mate rial añadido y la eliminación de algunas partes. Sin embargo, el objetivo del libro continúa siendo el mismo: presentar los fundamentos de la teoría de control y la práctica del control automático de procesos. CON ESTE LIBRO LOS ESTUDIANTES • Desarrollar modelos matemátic~s de procesos dinámicos para el análisis, diseño y ope ración de sistemas de control. Entender cómo funcionan los componentes básicos de los sistemas de control. • Diseñar y sintonizar controladores por retroalimentación. • Aplicar diversas técnicas para mejorar el control por retroalimentación, entre las que se incluyen control en cascada, control de relación, control override, control selectivo, con trolfeedforward, control multivariable e interacción entre lazos de control. • Dominar los fundamentos de la simulación dinámica de los sistemas de control utilizan do MATLABMR y Simulink:MR. • Se ha ampliado la exposición sobre el desarrollo de balances dinámicos (capítulo 3). Presentamos y explicamos cómo desanollar modelos dinámicos para sistemas físicos relacionándolos con los balances de estado estacionario, que conocen bien los estudian tes. Esta presentación ayuda a familiarizar a los estudiantes con las ecuaciones diferen ciales y aumenta su confianza. Se pone un mayor énfasis en la seguridad y la calidad del producto en los ejemplos y pro blemas, especialmente en los capítulos 9, 10 y 11 y en el apéndice E sobre estudios de casos operativos. • En todo el libro se han integrado problemas y ejemplos de modelaje y simulación por computadora. Para una fácil identificación, los problemas que requieren simulación se identifican con el icono de una computadora. • El capítulo 13 presenta la simulación dinámica, los principios de la simulación de proce sos y los componentes de control y de instrumentación. La mayoría de los problemas al final de este capítulo proporcionan soluciones de simulación alternativas a los problemas identificados con el icono de una computadora a lo largo del libro. En el sitio del libro en la Red, el estudiante tiene a su disposición ejercicios de sintoni zación muy realistas (apéndice D). • Una presentación sobre el diseño de los sistemas de control a nivel de planta (plantwide control) así como las instrucciones para su implementación con dos estudios de caso nue vos (capítulo 12 y apéndice B). • Dos estudios de caso nuevos sobre diseño (apéndice B). Prefacio Estudios de casos operativos (apéndice E). • Una exposición más extensa sobre los sistemas de control distribuidos por sus siglas en inglés) en el capítulo 10. • El empleo de los símbolos recomendados por la Instrnmentation, Systems and Automa tion Society (ISA) para diagramas conceptuales, los cuales eliminan la necesidad de dife renciar entre la instrnmentación neumática, eléctrica o digital de los diversos esquemas de control. • Se ha eliminado en esta edición el material sobre control de computadora (capítulos 14 y 15) que incluye la transfonnada z, controladores discretos y la estabilidad de los sistemas de control por muestreo porque se considera que son conceptos para un nivel superior. Los cambios que hemos hecho en esta edición están más orientados a la práctica e implementa ción de estrategias de control en la gran mayoría de las industrias. PARA LA DE CONTROLADORES El apéndice D describe algunos procesos para practicar la sintonización de controladores por retro alimentación, controladores en cascada, controladores feedforward, y el apareamiento y sintoniza ción de controladores en sistemas de control multivariable. Estas prácticas han sido utilizadas por los autores en cursos universitarios y en cursos especiales para ingenieros en la industria durante muchos años; las prácticas (Control Tuning Labs) están disponibles en el sitio del libro en la Red. SIMULACIONES La simulación dinámica de procesos es una técnica muy útil y realista para estudiar el compor tamiento y desempeño de los sistemas de control de procesos. Muchos problemas en el libro están marcados con el icono de una computadora que indica que pueden resolverse por medio de la simulación. En el capítulo 13 se explica cómo desarrollar simulaciones dinámicas con base en la técni ca de modelaje dinámico desarrollada en los capítulos 3 y 4, y en los modelos de instrnmenta ción desarrollados en el capítulo 5. Se presentan dos métodos: • Simulaciones de sistemas lineales utilizando la representación de funciones de transfe rencia. • Simulación de sistemas de control utilizando modelos basados en principios físicos. Los ejemplos que se presentan utilizan el programa SimulinkMR que fonna parte de MATLABMR porque es uno de los programas de simulación en bloque más poderosos, común mente disponible para estudiantes e ingenieros. Todas las simulaciones en el libro, así como otras en las que hemos utilizado VisSimrvrR, están disponibles en el sitio del libro en la Internet. Prefacio ix DEL CONTENIDO El capítulo 1 explica cómo surge la necesidad del control automático de procesos, así como las definiciones de algunos ténninos usados en el campo y los conceptos de control por retroali mentación y control feedforward, sus ventajas y desventajas. El capítulo 2 presenta las herramientas matemáticas usadas en el análisis y diseño de los sis temas de control de procesos, la transfomrnda de Laplace y la linealización. Se hace énfasis en la determinación de las características cuantitativas de la respuesta de los procesos -tiempo de asentamiento, frecuencia de oscilación y razón de amortiguamiento-en vez de en la detennina ción exacta de la respuesta analítica. Este enfoque permite al estudiante analizar la respuesta de los sistemas dinámicos sin tener que llevar a cabo la tediosa evaluación de los coeficientes mediante la expansión en fracciones parciales. El capítulo también presenta las respuestas de los sistemas de primer orden, segundo orde'n y de orden superior. Los capítulos 3 y 4 presentan el área general de la dinámica de procesos. La práctica del control automático de procesos requiere, antes que nada, una comprensión cabal del comporta miento dinámico y de estado estacionario de los procesos; éste es el primer objetivo de estos capítulos. El desarrollo de los modelos matemáticos dinámicos de procesos -modelaje-es una herramienta importante para el análisis, diseño y operación de los sistemas de control; el mode laje es el segundo objetivo de los capítulos 3 y 4. Se ha añadido a este capítulo una sección donde se demuestra a los estudiantes que el desarrollo de los modelos dinámicos o de estado no estacionario se basa en los balances de estado estacionario que ya han aprendido anteriormente en el curso de su formación como ingenieros. El desarrollo de estos modelos requiere el uso de todos los aspectos de la ingeniería de procesos. El capítulo 5 hace una breve presentación sobre sensores, transmisores y válvulas de con trol, y una presentación muy detallada sobre los controladores por retroalimentación. Este capi tulo se debe estudiar en conjunto con el apéndice donde se presentan los principios de operación de los sensores, transmisores y válvulas de control más comunes. Los capítulos 6 y 7 presentan el diseño y la sintonización de los controladores por retroali mentación. El capítulo 6 también hace un análisis de la estabilidad de los lazos de control por retroalimentación. Recalcamos el método de sustitución directa para determinar la ganancia últi ma y el periodo último del lazo. Manteniendo el mismo espíritu del capítulo 2, los ejemplos y problemas están relacionados con la detenninación de las características de la respuesta del lazo, y no con la respuesta analítica exacta. En varios ejemplos y problemas se emplea la simulación. El capítulo 8 hace una breve introducción a la técnica del lugar de las raíces y una presen tación detallada de la técnica de respuesta de frecuencia así como su uso para el análisis y estu dio de la estabilidad en los sistemas de control. Los capítulos 9 a 12 examinan a detalle varias técnicas de control que complementan y opti mizan el control por retroalimentación. El capítulo 9 ofrece una descripción detallada del con trol en cascada, la cual incluye consideraciones de estabilidad, la sintonización del controlador maestro y consideraciones para su implementación efectiva y exitosa. Esta técnica de control se utiliza muy a menudo como parte de otras estrategias. El capítulo 1O presenta las estrategias de control de relación, control override (o sobre mando) y control selectivo; todas estas estrategias se presentan utilizando ejemplos industriales. X Prefacio Este capítulo establece con claridad que el control overríde y el control selectivo se utilizan comúnmente como estrategias de protección para mantener las variables del proceso dentro de los límites para garantizar la seguridad del personal y del equipo, así como la calidad del producto. También se presenta un ejemplo de control de relación para demostrar los aspectos de la seguridad de un proceso de combustión. Todos los ejemplos al final del capítulo son resultado de nuestra experiencia en la industria. También se presentan en este capítulo los sistemas de control distri buidos (DCS, por sus siglas en inglés) y las diferentes maneras de programarlos o configurarlos. El capítulo 11 presenta un análisis completo del control feedforward. Contiene una expli cación detallada de los controladores feedforward lineales y no lineales. Incluye muchos ejem plos de procesos industriales donde esta estrategia ha sido exitosa. El capítulo 12 presenta los temas de control multivariable y la interacción del lazo de con trol. La presentación sobre el cálculo de la matriz de ganancias relativas (RGM, por sus siglas en inglés) y el diseño de desacopladores es igual a la exposición presentada en la edición ante rior. La sección 12-6 es nueva y plantea la necesidad del control a nivel de planta; aquí se des criben algunos lineamientos cuyo objetivo es reducir la tarea del diseño de sistemas de control a nivel de planta. En al apéndice B se describen algunos procesos más para llevar a la práctica estos lineamientos en el diseño de sistemas de control de un proceso completo. El capítulo 13 presenta los fundamentos de la simulación dinámica de los sistemas de con trol de procesos utilizando MATLAB. Se presentan dos métodos diferentes: la simulación de las funciones de transferencia lineales de procesos y controladores, y la simulación más básica de los modelos matemáticos de procesos en el dominio del tiempo. Este último método enfatiza la importancia de usar las condiciones iniciales correctas para que la respuesta de proceso comien ce en estado estacionario. Muchos profesores de control automático de procesos utilizan el curso como un oportunidad para enseñar a los estudiantes las elegantes e interesantes manipulaciones algebraicas que el uso de la transformada de Laplace nos ofrece, pero muchos otros prefieren concentrarse en los aspectos, igualmente interesantes, del análisis y diseño de los sistemas de control, evitando el álgebra. Probablemente los profesores del segundo grupo prefieran presen tar primero el capítulo 13 y utilizar luego la simulación en vez del álgebra para estudiar la res puesta de los procesos de los capítulos 3 y 4, y de los sistemas de control de los capítulos 7, 1O , 11 y 12. Para facilitar este enfoque, los ejemplos y problemas en el capítulo 13 tienen como base la simulación de procesos en los ejemplos y problemas de todo el libro. Todas estas simulacio nes están disponibles en el sitio del libro en la Red. Al igual que en la edición anterior, el apéndice A presenta los símbolos y nomenclatura que se utilizan comúnmente en la instrumentación y en los diagramas de control. En este libro empleamos los símbolos recomendados por la Instrumentation Society of America para los diagramas conceptuales, evitando de esta manera diferenciar entre las aplicaciones de siste mas neumáticos, eléctricos y basados en computadora de los diferentes esquemas de control. Por lo tanto, todas las señales relacionadas con la instrumentación se expresan en porcentaje del rango en vez de en mA o psig. El apéndice B continúa con el tema del control a nivel de planta que se aborda en la sec ción 12-6. El apéndice comienza con un ejemplo donde se detalla la puesta en práctica de los Prefacio Xi criterios que se describen en la sección 12-6; enseguida se exponen varios estudios de caso para practicar el diseño de sistemas de control para procesos completos. El apéndice D así como el sitio del libro en la Red presentan diversos procesos para prac ticar las técnicas descritas en los capítulos 7, 9, 11y12; es decir, ejemplos para sintonizar con troladores por retroalimentación, controladores en cascada, controladores feedforward y las técnicas de control multivariable. Estas prácticas, desanolladas con Lab VIEWMR, están dispo nibles en el sitio del libro en la Red. El apéndice E presenta cinco casos que integran el material presentado en los capítulos 5, 6 y 7. Estos casos están escritos para reflejar una situación industrial a la que pudiera enfrentarse un joven ingeniero. RECURSOS DISPONIBLES PARA ,EL ESTUDIANTE Los estudiantes que adquieran este libro tienen a su disposición los siguientes recursos en la dirección www.noriegadigital.com. • Simulaciones: simulaciones de los ejemplos en el libro y otras utilizando VisSimMR. Prácticas para la sintonización de controladores los autores han desanollado varios procesos (descritos en el apéndice D) para practicar la sintoniza ción de controladores por retroalimentación, controladores en cascada, controladores feedforward, y el apareamiento y la sintonización de controladores en un sistema multi variable. Estas prácticas han sido utilizadas por los autores durante muchos años en cur sos universitarios y de capacitación para ingenieros en la industria. Fueron desanolladas utilizando LabVIEWMR, un producto de National InstrnmentsMR. El sitio del libro en la Red ofrece un Lab VIEW PlayerMR gratuitamente para que los estudian tes puedan visualizar las prácticas. RECURSOS DISPONIBLES PARA LOS PROFESORES Todas las simulaciones del libro, los ejemplos y soluciones de los problemas, al igual que las simulaciones que utilizan VisSimMR están disponibles en el sitio del libro en la Red. Asimismo, los profesores que adopten este libro para sus cursos tienen a su disposición: Manual de soluciones • Galería de con las del texto • Ilustraciones del texto en formato PowerPoint • Prácticas para la sintonización de controladores Estos recursos están protegidos. Visite el sitio del libro en la Red para registrarse y obtener un password para acceder a estos recursos.