OIL REFINERY INSTRUMENT
PROCESS CONTROL
Trabajo de Instrumentación
Refinería de Petróleo - Planta de Coque
Corrección de inestabilidades en el control de
nivel de un domo acumulador de vapor
Copyright: Ing.
Luis Alfredo Presso
Permitida la libre circulación con fines didácticos y pedagógicos.
Indice
• Prólogo
• Objetivo.
• Presentación del domo acumulador de vapor y separador de
condensado.
• Descripción del antiguo lazo de control.
• Causas de las dificultades en el control de nivel.
- Falso nivel.
- Reset Windup.
- Falso nivel más reset windup en el acumulador de
vapor.
• Modelización del sistema.
- Cálculo de valores numéricos para Resistencias y
Capacitancias Equivalentes (R y C).
- Consideraciones respecto del signo de R y C .
- Análisis mediante el método del lugar de raíces.
• Solución propuesta.
• Implementación de la solución con un Controlador Programable
- Bloque de Entradas
- Bloque de Cálculos
- Bloque de Compensación dinámica
- Bloque de Control
• Implementación de la solución
- Compensación dinámica en la estabilidad del sistema
• Itemizado para la Evaluación de costos.
1
Prólogo
A continuación les presento un trabajo que realicé para una Refinería de Petróleo, el
cual solucionó inestabilidades estructurales de un sistema de control de nivel en un domo
recuperador de calor del horno de la planta de Coque.
El lector podrá disponer libremente de este documento para utilizarlo con fines
didácticos y pedagógicos sin realizarme previa consulta.
Si este documento le resultase de utilidad, o si desease ampliar algunos de los temas
tratados, le agradecería que me enviara un email con sus comentarios, aportes o inquietudes a
luispresso@gmail.com.
Muchas gracias.
Saludos cordiales.
Ing. Luis A. Presso
Neuquén - Patagonia Argentina
luispresso@gmail.com
Objetivo
El objetivo de este trabajo es ofrecer una solución eficaz a un inconveniente de
inestabilidad en el control de nivel de condensado en un domo acumulador de vapor. Dicho
domo forma parte del circuito de inyección y generación de vapor en alta presión que recorre
la Refinería de Petróleo, y cumple con la misión de recuperar una parte del calor de los gases
exhaustos del horno de Coque.
La temperatura de salida de los gases es de aproximadamente 400 °C y las presiones
en juego en el sistema mayores a 400 psi, por lo tanto se requiere de un sistema controlado
por medio de un lazo seguro y estable.
En las condiciones iniciales, con el lazo de control inestable, el nivel de condensado
del domo oscilaba con amplitudes tales que frecuentemente se alcanzaba la cota de máximo
nivel, disparando las alarmas. En determinadas circunstancias, bajo supervisión manual, se
lograba un equilibrio inestable.
A continuación se describe el antiguo lazo de control, se analizan las causas que
ocasionaban las dificultades para controlar el nivel del domo, se hace una modelización del
sistema bajo control, y se explican los fundamentos teórico-prácticos que conducen a la
solución definitiva del inconveniente planteado. Finalmente se implementa una solución por
medio de un Controlador Programable.
Presentación del domo acumulador de vapor y separador de condensado
El acumulador de vapor y separador de condensado (domo D-200) forma parte de un
circuito de agua y vapor, que tiene la función de recuperar una parte del calor de los gases de
salida del horno que calienta el producto que ingresa en la planta de coque.
2
El proceso comienza cuando ingresa el agua previamente precalentada por un
serpentín ubicado en la zona de convección del horno. Si el sistema ya se encuentra en
régimen de trabajo, entonces hay cierto nivel de líquido en el fondo del domo, que por
termosifón provocado por un segundo serpentín, genera vapor saturado que ingresa al D-200
en un nivel libre de líquido. Luego el vapor saturado impulsado por la presión interna, fluye
hacia un tercer serpentín que lo transforma en vapor sobrecalentado, previo haber pasado por
una doble malla, donde quedan las gotas de líquido suspendidas en el vapor.
Algunas de las características destacables del acumulador y del sistema son:
•
Generación de 2.500 Kg / hora de vapor a alta presión ( 425 psi).
•
Diámetro interior del acumulador Domo :
86,3 cm.
•
Alto del acumulador Domo:
360 cm.
•
Altura a la base del acumulador respecto del suelo :
16 m.
• Serpentín sobrecalentador:
Número de tubos :
Temperatura de entrada de los gases :
Temperatura de salida de los gases :
Temperatura de entrada del vapor saturado:
Temperatura de salida del vapor sobrecalentado. :
• Serpentín generador:
Número de tubos :
Temperatura de entrada de los gases :
Temperatura de salida de los gases :
Temperatura de entrada del líquido :
Temperatura de salida del vapor saturado. :
• Serpentín precalentador o economizador:
Número de tubos :
Temperatura de entrada de los gases :
Temperatura de salida de los gases :
Temperatura de entrada del líquido :
Temperatura de salida del líquido. :
2
393 °C
377 °C
242 °C
331 °C
24
377 °C
256 °C
242 °C
242 °C
6
256 °C
220 °C
120 °C
242 °C
4
3
Descripción del antiguo lazo de control
El esquema que presentaba inconvenientes en el control de nivel del Domo (D200), es como indica la siguiente figura :
Su funcionamiento puede resumirse :
El controlador de presión (PIC) abre la válvula automática cuando la presión
interna del acumulador supera un set, y descarga el vapor generado sobre el anillo de alta
presión.
La salida del control de nivel (LIC) actúa como set point remoto del control de
caudal (FIC) de agua, que acciona la válvula automática de entrada.
Cuando el nivel de agua es bajo, la salida del LIC aumenta el set del FIC, que
incrementa el caudal de entrada. A la inversa si el nivel es alto.
4
Causas de las dificultades en el control de nivel
Antes que el acumulador fuera sacado de servicio, se había encontrado un punto de
funcionamiento aparentemente estable, restringiendo el ingreso del agua de alimentación,
mediante el cierre parcial de una válvula manual de bloqueo ubicada antes que la válvula
automática de entrada. De esta manera se permitía ingresar un caudal tal que por esta última
abierta al 100%, pasase solo el agua que inmediatamente después de ingresada se convertía en
vapor saturado, manteniendo el nivel en valores bajos pero aproximadamente constantes.
Esta forma de funcionamiento presentaba el inconveniente de recortar el rango de acción
de la válvula automática, imposibilitándola de actuar cuando por un aumento en las llamas de los
quemadores se vaporizaba una mayor cantidad de agua, bajando el nivel hasta condiciones
críticas. Cuando las llamas de los quemadores disminuían, se vaporizaba menos, aumentando el
nivel hasta que comenzaba a oscilar debido a las falencias del lazo de control.
Se llega a la conclusión de que la inestabilidad del nivel se debe principalmente a dos
fenómenos combinados: " falso nivel" y "reset windup", que se explican a continuación.
Falso nivel:
Consideremos la situación en que, a causa del incremento de presión en el interior del
acumulador y por la apertura de la válvula automática correspondiente, aumenta la salida de vapor
al anillo. Como el tamaño del D-200 relativo a la presión que genera es pequeño, la descarga del
delta-P de vapor se realiza en forma brusca, con la consecuente caída de presión. Una cierta
cantidad de agua se convierte rápidamente en burbujas de vapor, las cuales incrementan el nivel
aparente. Con la caída de presión también se produce una expansión en el volumen de las
burbujas existentes, incrementando aún más el falso nivel.
Reset Windup:
Este fenómeno ocurre con frecuencia en sistemas donde la variable medida tiene un cierto
retardo y la acción de control contiene un término integral.
Cuando la señal error = set point - variable medida, es importante en magnitud,
probablemente se sature el elemento final de control. Como consecuencia de trabajar en régimen
alineal, el error no será corregido inmediatamente sino que permanecerá con valores altos. La
acción de control aumentará con la integral del error en el tiempo.
Una vez que el sistema retorna a la zona lineal y que la señal error cruza por cero, es
posible que el término integral necesite de un error de signo opuesto para anularse, y haga que la
salida genere un sobrepico.
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Falso nivel + Reset Windup en el D-200
Supongamos que el nivel está estable y que la presión del acumulador superó el set del
PIC. Cuando se abre la válvula de presión y se despresuriza el D-200, las burbujas de vapor
generan un falso nivel ( región AB de la figura 2-a). El LIC setea un menor caudal sobre el FIC que
restringe la entrada de agua (acción que contribuirá a bajar aún más el nivel real, cuando se
supere el transitorio).
Cuando el nivel alcanza su valor real, la señal error se incrementa repentinamente haciendo que
el lazo pida el máximo caudal a la entrada. EI control se va de la zona lineal y la válvula se satura
(región BC, fig.2-a).EI nivel del D-200 comenzará a incrementarse lentamente, hasta el límite en que el
caudal requerido puede ser regulado por la válvula que comanda el FIC. En este momento el error se
reduce rápidamente hasta que cruza por cero (región CD, fig.2-a).
Durante el tiempo que el sistema trabajó en zona alineal, el término de la acción de control que
integra el error en el tiempo, acumuló un valor de área bastante mayor al que habría acumulado con el
sistema trabajando en zona lineal, como consecuencia de que el error tiene valores muy altos, y no se
puede hacer nada para reducirlo más rápido (región BC, fig.2-c).
(Hubiera sido deseable que la acción integral no actuara mientras la válvula está saturada, ya
que la acción proporcional pura bastaría para tender a corregir el error, pero con esta configuración eso
no es posible).
Analizando la situación en el punto D :
• El nivel es igual al set point, por lo tanto el error vale cero
• Si el error es cero entonces la acción proporcional del control deja de actuar.
• La acción integral del control, está pidiendo que el nivel suba tanto como para generar
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un error de signo contrario, que cancele las áreas bajo la curva del error.
En la región DE se produce el sobrepico de nivel (fig.2-a), que produce el área bajo la curva del
error (fig 2-b), necesaria para llevar la acción integral a cero (fig. 2-c).
Concluimos que el fenómeno de falso nivel sumado al reset windup, son factores de
inestabilidad que no podrán ser eliminados por completo en un esquema de control como el
implementado, y con las condiciones de trabajo que se le exigen al D-200.
Modelización del sistema
Para analizar el fenómeno del falso nivel y discernir sobre su responsabilidad en la inestabilidad
del sistema, plantearemos un modelo basado en una analogía con un sistema eléctrico.
Usaremos una analogía de impedancias, donde :
• Caudal es análogo a corriente eléctrica.
• Presión es análogo a tensión.
En el estudio de este problema nuestra atención se concentrará en la interfase del líquido .
Por un lado observaremos el caudal sobre la interfase de agua y vapor. Por otra parte será de
nuestro interés la altura en el nivel de la interfase medida a través de un elemento sensor de presión
diferencial (D / P cell), que entrega una magnitud (presión neumática o corriente) proporcional a la
diferencia de presión entre los puntos donde se toman los sensores del D / P cell. De esta manera
tenemos una magnitud proporcional a la altura del nivel de la interfase, pues consideramos que el peso
específico del agua es constante.
Es decir:
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Teniendo en cuenta que, el falso nivel solo ocurre transitoriamente cuando se despresuriza el
interior de acumulador, realizaremos un análisis basado en los diferenciales de caudal y diferenciales
de presión.
Partimos de la base en que el diferencial de caudal es análogo a diferencial de corriente
eléctrica, y que diferencial de presión es análogo a diferencial de tensión. Demostramos la validez del
modelo comparando las unidades de potencia:
Como la magnitud a controlar es la altura del nivel de líquido y está relacionada directamente
con la presión a través de Roe ( p ), en lugar de usar diferenciales de presión usaremos diferenciales
de altura.
Luego incorporando a la ecuación de potencia del sistema la constante Roe y el Dif. de Altura
tenemos :
Como nuestro modelo no intenta llegar al detalle de valores numéricos precisos, sino que
pretende mostrar cualitativamente el comportamiento dinámico del sistema cuando ocurre el falso nivel,
plantearemos un modelo en el que:
el producto del flujo a través de un elemento del circuito multiplicado por la caída que éste
genera, es igual a la potencia real dividido Roe ( p ):
[ Dif. de Caudal ] x [ Dif. de Altura ] =
[ Watt ] / [ p ]
Tomaremos el diferencial de caudal (∆q ) sobre la interfase como el caudal de agua que ingresa
( qi ) menos el que se convierte en vapor ( qo ). El diferencial de altura (∆h ) será la variación de esta
última ocasionada por el incremento o decremento del caudal en la interfase.
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El modelo eléctrico análogo para el estado transitorio es :
Encontraremos la ecuación de transferencia de nuestro interés. Suponiendo el valor de R y C
constantes en el instante en que realizamos el análisis, la función buscada relaciona la variable a
controlar (∆h ) con la única variable que podemos gobernar a voluntad ( qi ).
Del circuito surge inmediatamente la función G(s) que será objeto de nuestro estudio :
Como el control que se ejerce sobre el nivel es del tipo proporcional integral ( Pl ), el diagrama
en bloques del lazo completo es el siguiente :
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Haciendo álgebra de bloques, dejamos el diagrama listo para un posterior análisis por el método del
lugar de raíces :
Cálculo de valores numéricos para R y C:
Plantearemos la resistencia y el capacitor equivalentes recordando que en nuestro modelo
propusimos que el flujo a través de un elemento del circuito sea ∆q, y que la caída sobre dicho
elemento sea ∆h :
De acuerdo a los datos de diseño del acumulador, sabemos que genera 2.500 Kg / hora
de vapor a alta presión ( 425 psi ), y que su diámetro interno es 86,3 cm. En base a estos valores,
encontraremos algún valor numérico para R y C que nos permita un posterior análisis aproximado
en un diagrama de lugar de raíces.
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Suponemos ahora que no hay una gran variación en el peso específico del agua, pues el
factor de corrección por expansión térmica es aproximadamente la unidad. Por lo tanto podemos
afirmar sin mucho error que ingresan al acumulador unos 2, 5 m3 de agua por hora, en lugar de
2.500 kg / h.
Teniendo en cuenta que el falso nivel puede durar varios segundos, una buena
aproximación al diferencial de caudal (∆q ) será considerar el caudal medio por segundo :
Ahora calculamos el diferencial de altura que produce sobre el nivel el ingreso de ∆q :
∆ volumen = ∆h x Área = ∆q x 1 seg
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Finalmente obtenemos los valores para R y C :
Notas :
El valor numérico de R es en realidad el valor medio de todos los posibles valores que puede
tomar. Es una estimación que nos permitirá tener una idea de la ubicación de los polos del sistema
El valor del capacitor C coincide con el del área transversal del acumulador, o sea que depende de la
geometría del mismo.
Consideraciones respecto del signo R y C:
Haremos algunas consideraciones respecto de los signos de R y C :
El capacitor C es igual a el área transversal del acumulador y por lo tanto permanece constante
en valor y signo durante todas las instancias de nuestro análisis, C = 0,58 m 2 .
Respecto del signo de R podemos distinguir dos casos :
•
Sin falso nivel.
•
Con falso nivel.
En la figura vemos como de acuerdo a la convención tomada, si el caudal de agua entrante a la
interfase ( q ¡ ) es mayor que el caudal que se evapora ( q 0 ) entonces ∆q definido como q ¡ menos q 0
es positivo.
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En condiciones normales un ∆q que ingresa al acumulador produce un elevamiento del nivel
(∆h) de la superficie, que consideraremos positivo por ser el efecto de un ∆q positivo. Luego de
acuerdo a la definición :
De la misma manera, si el caudal que ingresa a la interfase ( q ¡ ) es menor que el que se
evapora ( q
0
) , entonces el ∆q es menor que cero y como consecuencia de haber disminuido el nivel,
el ∆h es negativo.
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En la figura vemos como debido a la despresurizaron del interior del acumulador se produce
el burbujeo del líquido, al mismo tiempo que se va en forma de vapor una cantidad q 0. Esta cantidad
de agua que se vaporiza , es posible que sea mayor que la cantidad que ingresa ( q ¡ ), pues ni bien
se detecta un aumento de nivel en la superficie, por acción del controlador se restringe el ingreso de
agua, de acuerdo a como el error pasado a través del proporcional integral lo pida.
Por lo tanto como consecuencia del falso nivel hay un incremento importante en la altura de la
interfase ( ∆h > 0), mientras que el agua que se evapora ( q 0 ) es mayor que la que ingresa ( q ¡ ) y
entonces el ∆q < 0 . Luego por la definición de R tenemos:
Análisis mediante el método del lugar de raíces
Estudiaremos al sistema de acuerdo a su estado :
•
Sin falso nivel.
•
Con Falso nivel.
Sin falso nivel :
Considerando los valores ya calculados para R y C , y suponiendo que el tiempo integral Ti
= 10 seg, el diagrama en bloques del lazo es el siguiente :
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Utilizando el programa de control CC , encontramos que para una ubicación segura de los
polos de lazo cerrado la ganancia Kp es igual a 1,3 10 - 1 . Esta ganancia se encuentra
empíricamente cuando se ajusta el controlador Pl, asignándole un valor fijo a la banda
proporcional Bp. En la figura se ve la ubicación de los polos de lazo cerrado ( en la posición del
cursor ). Se puede observar que no hay problemas de inestabilidad pues los polos están en el
semiplano izquierdo.
Con falso nivel:
Ahora consideramos la situación en que el valor de R es negativo, C permanece constante
y el tiempo integral Ti = 10 seg.
Como la ganancia Bp del controlador en el momento que ocurre el falso nivel sigue siendo
la misma, entonces en el gráfico que nos muestra el programa CC, ubicaremos el cursor en el
lugar que resulte de hacer la ganancia Kp = 1,3 10-1 :
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Finalmente vemos que los polos de lazo cerrado están en el semiplano derecho y
por lo tanto el sistema en su conjunto ( planta más controlador) es inestable.
Propuesta
La raíz de los problemas en el control de nivel del acumulador, es que la variable sensada no
posee información completa del proceso.
Midiendo solamente nivel nunca podremos discriminar entre un verdadero nivel ocasionado por
la entrada de agua, y uno falso provocado por burbujas de vapor, debidas a una despresurización.
Una buena manera de anticiparse a lo que va a ocurrir, será sensar el caudal másico de vapor
que se va, e inmediatamente introducir la misma cantidad en Kg. de agua, manteniendo constante el
balance de masas, y como consecuencia el nivel.
Como es más sencillo medir caudales con una placa orificio, proponemos realizar un balance
de caudales (vapor de salida vs. agua de entrada) en lugar de un balance de masas; y de manera
secundaria, reajustar las variaciones de nivel que no compense el balance.
En la figura de la página siguiente está esquematizado el control de nivel propuesto. Como
puede observarse, hay un reemplazo de instrumentación neumática por electrónica.
Se efectúan los siguientes cambios :
 Reemplazo de los controladores FIC y LIC de acción neumática por uno de acción
electrónica (761CNA FOX ).
 Reemplazo de dos transmisores de presión diferencial neumáticos por dos de 4 - 20 ma.
( D/P cell 823 u 863 FOX ).
Se agrega :
 Placa orificio a la salida de vapor.
 Transmisor de presión diferencial ( D/P cell 823 u 863 FOX ).
 Trasductor de 4 -20 ma. a presión 3-15 psi. ( E69F FOX).
Se utiliza de lo existente :
 Dos entradas libres del registrador YEW, para nivel y caudal de agua.
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

Queda en funcionamiento:
El controlador neumático de presión PIC.
El transmisor neumático de presión.
En la parte inferior de la figura anterior, vemos las entradas y salidas del 761CNA:
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• 11 es la señal electrónica que lleva información del caudal al cuadrado de vapor a la salida.
• 12 es la señal electrónica que lleva información del caudal al cuadrado de agua a la entrada.
• 13 es proporcional al nivel.
• Q1 es la acción de control en 4 - 2 0 ma. que comanda la válvula automática de entrada.
• Q2 salida que corresponde al nivel, que en el 761 CNA va de 0 - 10v, con conexión directa al
registrador YEW.
• Q3 es la salida que corresponde a caudal de entrada, ídem anterior.
El lazo de control que se propone, funciona de la siguiente manera:
Dentro del controlador es simple realizar la linealización de los caudales, por medio de una
operación matemática, que se esquematiza con los bloques de extracción de raíz cuadrada. A la salida
de ellos la señal es linealmente proporcional al caudal que representan.
Si el caudal de vapor es mayor que el caudal de agua, entonces la salida del primer bloque
sumador tiene un valor distinto de cero y positivo, que contribuye a aumentar el SET, sumándose al
BIAS o "polarización" prefijada del nivel. De esta manera la válvula de entrada deja pasar un caudal tal
que equilibre el vapor que salió, ingresando agua a menor temperatura, que en parte disminuye el
fenómeno del falso nivel.
Si el caudal de vapor que sale es menor al del agua que entra, entonces la salida del primer
sumador hace un aporte negativo sobre el BIAS, reduciendo el SET . En consecuencia la válvula de
entrada restringe el paso de agua para lograr el equilibrio de caudales. Es importante destacar que
cuando se ajusten los parámetros del controlador, se deberá tener en cuenta que la relación entre
caudal de agua y de vapor es (para los DP/cells en 100 in.H20):
Por último si los caudales son similares, el SET queda impuesto por el BIAS, y cualquier
desviación significativa del nivel que no se deba a un desequilibrio de caudales, será corregida por la
acción proporcional-integral, que actuará sobre el error del nivel sensado respecto del SET.
Implementación de la solución con el controlador 761 CNA FOX
El controlador electrónico 761 CNA - Fabricado por FOXBORO - CONTROLLER MICRO
SINGLE STATION está organizado en ocho bloques funcionales y configurables por un menú de
software, como muestran las copias que se encuentran en la páginas siguientes. Cada uno de estos
bloques, con sus correspondientes entradas y salidas pueden tratarse como módulos
independientes. En el esquema de la página siguiente se observan dos tipos de conexiones en cada
bloque:
•Las representadas con un círculo son conexiones de entrada o salida con el exterior.
•Las representadas con un cuadrado son conexionables entre sí mediante software durante
el proceso de configuración del controlador.
Concentrando nuestra atención sólo en los bloques que intervienen en la configuración de
nuestra estrategia de control, podemos esquematizar sus interconexiones de la siguiente manera :
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Bloque de Entradas
Al bloque de entradas llegan tres conexiones del exterior, una es la señal I1 en 4 - 20 ma.,
proporcional a la diferencia de presión que hay entre ambos lados de la placa orificio que sensa el
caudal de vapor a la salida. Otra de iguales características que mide el caudal de entrada de agua
(I2). La tercera entrada del exterior es proporcional a la diferencia de presión que genera la altura del
nivel de líquido entre las tomas del DP/cell (I3).
En este bloque realizamos el acondicionamiento de las señales como está indicado en la
siguiente figura :
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20
21
22
A manera de ejemplo demostraremos como se puede configurar con el menú de software el
acondicionamiento de la señal I1 , de forma tal que a la salida del bloque Entradas, la conexión A sea
igual a la raíz cuadrada de I1 multiplicada por el factor 2,01 que relaciona los caudales másicos de
vapor y agua.
Con el controlador encendido pulsamos la tecla TAG del panel frontal. De esta manera pasamos
del modo de operación Normal al modo READ y SET. Observando las copias correspondientes, y como
en este ejemplo deseamos configurar la conexión A , debemos elegir el modo SET. Esto lo realizamos
posicionándonos con el cursor de movimientos verticales ( ) en la opción SET y luego pulsando
ACK. Luego pasando por la opción SECURE y eligiendo de un menú local 3 caracteres
predeterminados del PASSCODE, podemos seleccionar el modo CONFIG. Una vez dentro de esta
última opción y sabiendo que la conexión A tiene correspondencia única con la entrada I1 , elegimos
INPUTS para luego entrar en A donde se nos ofrece un menú con 5 opciones:
1.
FILTER : Filtro Butterworth ajustable entre 0 y 10 minutos. En nuestro
caso no queremos filtrar I1 y por lo tanto lo dejamos en 0 minutos.
Luego en base a la ecuación
A = [( FORMATed I1 + INBIAS ) x GAIN] + OUTBIAS tenemos las
restantes cuatro opciones :
2.
OUTBIAS : es una constante cuyo valor lo seteamos a cero.
3.
GAIN : constante que en nuestro caso relaciona el caudal de agua con el de vapor y
vale 2,01.
4.
INBIAS : constante de valor cero en este ejemplo.
5.
FORMAT : Esta opción nos permite aplicarle a I1 la raíz cuadrada, eligiendo del
menú la opción SQROOT
Finalmente con estos valores logramos la conexión A queda acondicionada de la siguiente
manera :
A = [( SQROOT I1 + 0 ) x 2,01] + 0
Análogamente obtenemos las conexiones B y C.
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Bloque de Cálculos
En
el
bloque
de
cálculos
realizamos
la
resta
de
caudales
ya acondicionados:
La programación de esta operación matemática se realiza de análogamente al caso del
bloque de entradas, mirando las copias del manual del controlador que se encuentran en las
páginas anteriores.
Bloque de Compensación dinámica
Antes de pasar al detalle de la programación de este bloque para nuestro esquema de
control, explicaremos brevemente el tratamiento que podemos dar a una señal en este bloque.
El resultado de CALC 3 puede ser pasado a través de un compensador dinámico compuesto
por las funciones que en el menú de software figuran como DEADTIME y LEADLAG. La primera es
simplemente el agregado de un tiempo muerto a la señal que ingresa como entrada al bloque. La
segunda nos permite aumentar el efecto de un cambio inicial mediante el factor de ganancia GAIN, y
al mismo tiempo este efecto de aumento, ve retrasada su desaparición conforme a una constante de
tiempo, que en el menú figura como TIME.
En la copia del manual del controlador 761 de la página siguiente se esquematiza la
función LEADLAG del bloque de compensación dinámica :
24
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En nuestra estrategia de control la resta de caudales ( A - B ) lleva la siguiente información :
• ( A - B ) aproximadamente cero : significa que el balance de caudales es el correcto y por lo
tanto no está ocurriendo el fenómeno del falso nivel.
• ( A - B ) < 0 : indica que el caudal de vapor saliente es menor que el entrante, lo cual sugiere
que no hay falso nivel.
• ( A - B ) > 0 : en este caso el caudal de vapor que se va es sensiblemente mayor al caudal de
agua que ingresa, y como una fuga de vapor implica despresurizacion del interior del D-200, entonces
se produce el falso nivel. Este es el caso que nos interesa detectar para tomar la acción correctiva
correspondiente . Dicha corrección consiste en que una vez que fue detectada la causa que produce el
falso nivel ( A positivo en A - B ), se intercale en el SET POINT la función (A - B) x ( DYNC ), de esta
manera se demanda al controlador un ingreso extra de agua que equipara el balance de caudales.
En la configuración correspondiente a la operación
( A - B ) x (DYNC) no setearemos el DEADTIME, tampoco
pondremos el BIAS que nos ofrece el menú de software
en esta instancia de la programación. La opción TIME la
pondremos inicialmente en el orden de los 20 segundos
(duración estimada del falso nivel), y el factor de ganancia
GAIN será en una primera prueba mayor que la unidad,
para que con este exceso inicial, se recupere el agua que
salió como vapor antes que la válvula de ingreso de agua
comience el movimiento de apertura. Finalmente a la
opción IMPULSE la setearemos en POSITIVE, pues
queremos que la compensación dinámica sólo actúe
en presencia del falso nivel, o sea cuando exista un A
positivo en A - B.
Esquematizando el bloque de compensación dinámica
tenemos :
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Bloque de Control
El bloque de control tiene como entradas conexionables por software a la señal C
(representativa del nivel), y la señal ( A - B ) x ( DYNC ) que debemos superponer al SET point
cuando ocurra el falso nivel.
(A-B)
La configuración de este bloque por el menú de software se realiza una vez pasada la
secuencia : PASSCODE CONFIG CTRL PRIMARY . Hecho esto y ubicados en la jerarquía
PRIMARY entraremos en seis de los submenúes que se nos ofrecen para realizar los siguientes
pasos:
1.
En SET PT pasando a través de TYPE indicamos que el set puede ser local o remoto
con R/L, y que la fuente del mismo será el resultado de la compensación dinámica que llega a través
de SOURCE CALC3, con un 50% de INBIAS. Dentro de la jerarquía SET PT indicamos que la señal
del set debe tomarse tal cual viene seleccionando FORMAT LINEAR.
2.
Para indicar la fuente de la señal con la que realimentamos el controlador debemos
recorrer confirmando con ACK la secuencia MEAS SOURCE C . De la misma manera para indicar
que la realimentación es lineal con C transitamos la secuencia MEAS FORMAT LINEAR .
3.
Para que el control pueda ser pasado de automático a manual a voluntad del operador
debemos asegurarnos de que confirmemos con ACK la opción NONE del nivel A/M.
4.
Cuando el set crece también lo debe hacer la acción de control, y esto se logra con
ACTION INC/INC.
5.
El tipo de control proporcional integral lo indicamos recorriendo TYPE Pl . Observando
las copias del manual vemos que la banda proporcional y el tiempo integral pueden ser seteados por
el menú SET OPTUNE ALLTUNE MODES P; que no requieren atravesar el password del
PASSCODE y están al alcance de los instrumentistas.
6.
Por último y de acuerdo al tipo de válvula que actúe como elemento final de control,
seleccionaremos alguna opción del menú luego de atravesar OUTPUT FORMAT.
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Modelización de la solución
La acción de control que se ejerce sobre la planta depende de las características de la señal
error y de los valores asignados a la banda proporcional y al tiempo integral del Pl. Pero el éxito del
sistema de control depende casi exclusivamente de la capacidad que tiene la señal error ( e ) de
contrarrestar eficazmente el fenómeno del falso nivel.
Observando el bloque de control resulta :
e = | ( A - B ) x ( DYNC ) + INBIAS | - C
Para mostrar como actúa el error graficamos :
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En la figura anterior observamos que cuando existe falso nivel, el término del error ( A - B ) x
(DYNC) es el que debe prevalecer frente a C, para que se logre un error tal que solicite al controlador
un incremento en el ingreso de agua. Una vez que ésta comienza a entrar, se produce un efecto de
"planchado" en las burbujas, pues baja la temperatura del líquido que se está evaporando, y en
consecuencia también lo hace el vapor que se genera. Esto último está representado en el gráfico
como una caída exponencial del falso nivel, y sería deseable que este decaimiento tenga la misma
constante de tiempo que la extinción de la compensación dinámica.
Cuando no existe falso nivel la compensación dinámica no actúa y en consecuencia el error es
simplemente el set impuesto por INBIAS menos la medición del nivel C.
Análisis del efecto de la compensación dinámica en la estabilidad
del sistema
Cuando la compensación dinámica detecta que el caudal de agua que se va como vapor es
mayor que el caudal que ingresa, entonces inmediatamente hace su aporte sobre la señal error para
que ordene el ingreso de agua. Entonces la acción de control ( salida del Pl ) ataca al elemento final de
control que es el conjunto válvula más posicionador. Hasta que el posicionador inyecta sobre el motor
de la válvula la presión de aire suficiente como para responder a la orden recibida, y que el obturador
de esta última vence el roce y se desplaza a su nueva posición, pueden transcurrir unos pocos
segundos que consideraremos como un tiempo muerto.
Desde el comienzo hasta la extinción del tiempo muerto el polo de la planta D-200 se traslada
del semiplano izquierdo al derecho. Luego comienza el ingreso de agua y retorna a la zona donde el
sistema vuelve a ser estable, como está indicado en la siguiente figura:
29
La trayectoria del polo ( S + 1/ RC ) puede explicarse como sigue :
En el punto 1 como consecuencia de la apertura de la válvula de salida de vapor, se
produce la despresurización del interior del acumulador. En ese instante se generan burbujas de
vapor que comienzan a elevar el nivel (∆h > 0 ). Como en el análisis de este caso suponemos que
el sistema parte de ser estable, esto implica que para ser consistentes consideremos inicialmente
el ∆q > 0 , pero con una tendencia decreciente.
En el punto 2 el caudal de vapor de salida iguala al caudal de agua en la entrada, por
consiguiente el polo de la planta coincide con el origen de coordenadas de los ejes σ jω:
En el punto 3 el falso nivel está en su máxima expresión pues debido al tiempo muerto
aún no ingresó agua, entonces la magnitud del ∆q < 0 es importante . Esto conduce a que el polo
esté ubicado en el semiplano derecho :
En el punto 4 finaliza el tiempo muerto y se incrementa el caudal de entrada de agua al D200, luego el ∆q a pesar de seguir siendo negativo comienza a decrecer.
1
En el punto 5 ocurre algo similar al punto 2 :
Finalmente en el punto 6 debido a que el ∆q es mayor que cero y que el
Ah también es positivo debido al ingreso de agua, el sistema vuelve a ser estable. En este
momento dejará de actuar la compensación dinámica, y el controlador regulará el nivel por el
método convencional.
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Itemización para la Evaluación de costos
ítem
Cantidad
Descripción
1
2
1
1
Controlador 761CSA-FOXBORO
Convertidor l/P E69F-TI2-RS
CURRENT TO AIR CONVERTER
TRANSDUCER
3
3
Transmisor electrónico
823-DP-I3K1NM2-AM
Precio Unit.
Precio Total
Differential Pressure
Transmitter
4
3
5
xx
6
7
4
xx
8
3
9
1
10
xx
11
xx
12
xx
13
xx
14
xx
Manifold de acero al carbono
marca Abac modelo M4
Metro de caño galvanizado 3/4
pulgadas para tendido de cables
del panel al campo.
Condulet ( boca de registro)
Metro de cable 1 par para
instrumentos (4-20 ma.)
Montaje de DP/cell (material
más mano de obra).
Instalación de placa orificio a la
salida de vapor (material más mano
de obra).
Hora - hombre de trabajo para
montaje de caños en campo,
(hasta panel de control).
Hora - hombre de trabajo para
tendido de cables
Día - cuadrilla 4 hombres (9 hs.)
para armado y desarmado de
andamios).
Soportería más gastos de
pintura.
Misceláneos
PRECIO TOTAL (sin I.V.A.)
NOTA: se dejan las celdas en blanco para que puedan ser completadas de acuerdo a los
actuales precios del mercado.
FIN DEL DOCUMENTO
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