Sistemas avanzados de control de proceso para eficiencia industrial

Sistema de control de proceso

Un proceso se define ampliamente como una operación que usa recursos para transformar entradas en salidas. Es el recurso el que provee la energía necesaria para la transformación. En contexto industrial, el término "proceso" en "control de proceso" refiere a métodos de transformación y refinamiento de materias primas que permanecen en estado sólido, líquido, gaseoso, fluido o slurry para crear productos finales de propiedades especificadas. Las materias primas durante el proceso se transfieren, miden, mezclan, calientan o enfrían, filtran, almacenan o manejan de modo que se obtenga la salida deseada. Durante el proceso, las materias primas sufren cambios físicos y químicos para su conversión en productos finales. Normalmente una industria opera varios procesos, cada uno con comportamiento dinámico (variable en tiempo) particular que gobierna la transformación. Este comportamiento dinámico está determinado por propiedades físicas y químicas de las entradas, el recurso y el proceso mismo.

Definición y objetivos del control de proceso

El control de proceso refiere a los métodos empleados para controlar las variables del proceso o procesos usados en la fabricación de un producto. Es el acto de controlar un elemento de control final para cambiar la variable manipulada y mantener la variable de proceso en un punto de consigna (set point) deseado. Estas variables pueden estar en entradas, parámetros o salidas del proceso. El control se hace para reducir variabilidad y lograr: calidad de producto consistente, mejorar tasas de producción, aumentar eficiencia, proteger ambiente y asegurar seguridad de personal y equipos.

Una corolario: un proceso controlable debe comportarse de manera predecible. Para un cambio dado en la variable manipulada, la variable de proceso debe responder de forma predecible y consistente.

Un sistema de control de proceso tiene los siguientes objetivos:

• Central para mantener calidad del producto: mantiene parámetros dentro de límites estrechos para obtener productos de especificaciones consistentes. Sin control, la calidad puede variar y el producto rechazarse.
• Preservar seguridad de personal, equipos y ambiente.
• Cumplir y maximizar productividad de equipos y producción.
• Asegurar que consumo de materias primas, energía y servicios permanezca dentro de normas de consumo especificadas.
• Mantener coste de producción bajo control superando restricciones ambientales, sin comprometer seguridad y calidad.

Estabilidad, perturbaciones y variables

Para dar la salida deseada, un proceso debe operar dentro de parámetros establecidos. Se dice que está en operación estable si opera dentro del rango especificado. Sin embargo, pueden ocurrir desviaciones llamadas perturbaciones (disturbances), causadas por cambios no controlados en entradas: condición de alimentación, presión/temperatura de suministro de servicios, actividad de catalizador, eficiencia de transferencia de calor, etc. Cuando un proceso experimenta perturbaciones, hay desviaciones en variables de proceso y este se vuelve inestable.

Los procesos industriales son normalmente dinámicos, por lo que un sistema de control suele tener doble tarea: el operador (i) monitorea indicadores de condiciones del proceso y (ii) induce cambios en variables apropiadas para mejorar condiciones. El control se ejerce manteniendo condiciones deseadas ajustando variables seleccionadas. Se usa un valor o rango específico como valor deseado para la variable a controlar. Siempre es mejor usar el sistema de control más simple que logre los objetivos. El diseño del proceso determina cómo responderá dinámicamente y cómo puede controlarse.

Un proceso tiene normalmente cuatro tipos de variables:

• Variables de entrada (Input variables): estimulan independientemente el sistema e inducen cambios en condiciones internas. Pueden ser variables manipuladas o de perturbación.
• Variables de salida (Output variables): por las que el operador obtiene información sobre el estado interno.
• Variables de control (Control variables): usadas por el operador para manipulación y mantener el proceso bajo control.
• Variables de estado (State variables): conjunto mínimo esencial para describir completamente el estado interno del proceso.

Monitoreo, instrumentación y elementos de control

El proceso debe ser monitoreado para asegurar operación estable y salida deseada. Para monitorear, se miden condiciones (parámetros) del sistema. El operador depende de instrumentos. Cada sistema tiene un cálculo de control (algoritmo); sus resultados se implementan para el correcto funcionamiento. Instrumentos para control: sensores, transmisores, controladores y elemento de control final.

• Sensores: realizan funciones de visión, audición, etc. Miden temperatura, nivel, flujo, composición, etc. Ej.: termopares, medidores de presión diferencial, analizadores de gases.
• Transmisores: como neuronas, transmiten señales (neumáticas, eléctricas, etc.).
• Controladores: funcionan como cerebro. Pueden ser neumáticos, electrónicos o computadoras digitales.
• Elemento de control final: funcionan como músculos. Válvulas de control, bombas, compresores, transportadores, relés, etc.

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de los elementos de control.

Figura 1: Diagrama de bloques mostrando diversos elementos de control

Razones para el control

Dos razones principales:

1. Mantener la variable medida en su valor deseado cuando ocurren perturbaciones.
2. Responder a cambios en los valores deseados de parámetros de proceso. Los valores deseados son los necesarios para que el proceso corra estable produciendo producto especificado de forma económica y segura sin afectar adversamente el ambiente.

Influencia del diseño, calibración y tipos de control

El diseño de planta y equipos influye grandemente en actividades de control. Es esencial que el proceso provea buen desempeño dinámico. Todos los instrumentos y equipos de ensayo deben calibrarse periódica y correctamente, con trazabilidad a normas nacionales. Los sensores deben ser correctos, rápidos y con capacidades acordes a equipos y proceso. Un proceso puede controlarse manual o automáticamente con instrumentación necesaria. La mayoría de controles automáticos se implementan con equipos electrónicos que usan niveles de corriente/voltaje para representar valores a comunicar.

Para buen control, el sistema debe ser responsivo y tener pocas perturbaciones. En sistema responsivo, variables controladas responden rápido a ajustes en variables manipuladas; la frecuencia de perturbaciones también se reduce. Recuerde: un operador solo puede controlar un parámetro si se mide; por tanto, ubicación y selección de sensores son muy importantes. Los sensores deben medir variables rápida, fiable y precisamente.