El Verdadero Objetivo de un Sistema de Control

7/26/2019 El Verdadero Objetivo de un Sistema de Control

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El Verdadero Objetivo de un Sistema de Control

Cmo convertir el Monitoreo de Control de Efectividad en unaOptimizacin de Efectividad

El verdadero propsito de los sistemas de control de procesos es maximizar las ganancias de la planta.Enfoque con efectividad los cambios para mejorar: identifique, cuantifique, y priorice los problemas

Por: George Buckbee y Lew Gordon

Esta es una pregunta que no se escucha a menudo: Cul es el propsito del sistema de control

de mi Planta?

A primera vista, la respuesta parece ser tan obvia, que no vale la pena pensar sobre este tema.

Las plantas modernas son simplemente demasiado grandes, complicadas, y peligrosas de operar

sin controles de procesos. Sin controles de procesos, no habra productos para vender y no se

recibira ingresos.

Pero esta respuesta justifica los sistemas de control por lo que ocurrira en su ausencia, y establece

una barrera muy baja para juzgar su efectividad. Es ms til y constructivo, el justificar los controles

en cuanto a lo que ellos contribuyen a las operaciones de una planta.

Los ingenieros de planta responden esta pregunta en trminos tcnicos. Los sistemas de control de

procesos:

Mantienen estabilidad, en las condiciones deseadas Restauran las condiciones del proceso cuando son cambiadas por disturbios Llevan el proceso a nuevas condiciones de operacin, en respuesta a cambios del valor

deseado (Set Point)

Para medir esta contribucin, los ingenieros de control usan mtrica relacionada al control, tales

como error integrado, respuesta a los cambios de carga, y robustez del sistema de control.

Sin embargo, es ms til y significativo responder esta pregunta en trminos econmicos. El realpropsito de un sistema de control de procesos es maximizar la rentabilidad de la planta,

ayudndola a obtener una ptima renta, mediante una combinacin de equipos de procesos,

materiales de entrada, y gasto de energa. En este contexto, el sistema de control es una

herramienta para maximizar la produccin y rendimiento, mientras se minimiza el consumo de

energa y los costos de mantenimiento por unidad de producto. Su efectividad puede, y debera


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medirse, por su contribucin a tasas aumentadas de produccin, mayor rendimiento, ahorros de

energa, economas en costos de mantenimiento, y tiempos mayores de operacin de los equipos.

Un sistema de control que opera con baja efectividad, y no est facilitando la operacin de la planta

en ptimas condiciones,simplemente no est realizando su tr abajo.

Senda para aumentar las ganancias

No es suficiente saber que la efectividad de su sistema de control podra ser mejor. Si se desea

enfocar efectivamente los esfuerzos para mejorarlo, usted debe identificar, cuantificar, y priorizar los

problemas. Usted tambin debera poder seguir la pista, y confirmar los beneficios de cualquier

accin correctiva.

El seguimiento y la confirmacin, proveen la justificacin para enfocarse en otros aspectos. Ms

importante que eso, proveen la necesaria evidencia para mantener el entusiasmo y soporte de la

Gerencia, que incluye el soporte presupuestario.

Un software flexible y capaz de monitorear la efectividad de los lazos de control es el mejor soporte

para este proceso. Este software reside en un Servidor conectado con la red de datos del sistema

de control de la planta. Acumula datos de procesos y de controI en tiempo real, y genera una

historia de mtrica de la efectividad de control. Un software con caractersticas completas, puede

desarrollar diagnsticos y recomendaciones, y proveer herramientas integradas para sintonizacin

de lazos y anlisis de vlvulas.

Partir desde el comienzo

El primer requisito de un sistema de control es que est funcionando. El Factor de Servicio del

Lazo de Control es la primera mtrica que debiera ser un objetivo a mejorar. Para que un

controlador se encuentre en servicio:

La red de comunicaciones entre el proceso y la funcin de control debe estar operandocorrectamente. El sistema no debe marcar los datos recibidos como malos.

El valor de la Variable de Proceso (PV) debe estar dentro de su rango calibrado.


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La seal de salida del controlador (CO), sea a un actuador o a otra funcin de control, no

debe encontrarse en sus lmites de operacin.

El controlador debera estar en modo Control, trabajando automticamente.

Estas condiciones bsicas deberan ser las primeras que se verifiquen en un esfuerzo para

mejorar la efectividad.

Errores de comunicacin en la red, pueden indicar fallas o ausencia de equipos en terreno. Mediciones fuera de rango pueden indicar equipos de terreno en necesidad de ser

recalibrados.

Salidas de control normalmente en, o cerca de sus lmites, pueden indicar hacia vlvulascuyos tamaos fueron indebidamente calculados.

Los controladores quedan en posicin Manual por una cantidad de razones, que incluyenactuadores daados, controladores pobremente sintonizados, y diseos inadecuados de lasestrategias de control. Lo que importa es encontrar por qu el Lazo permanece en controlmanual.

Todos los problemas indicados son, en realidad, oportunidades potenciales. Eslabones hacia una

mejor efectividad del sistema de control, y ms alta rentabilidad de la planta.

Inestabilidad es el enemigo

Los productos deben cumplir con sus especificaciones de calidad, y con los objetivos de cantidad de

produccin. No debe existir violacin alguna de los lmites de emisin. Adems, se debe respetar los

lmites de operacin de los equipos.

Tpicamente, la ms alta eficacia de energa y rendimiento ocurre cuando una planta est operando

simultneamente contra las restricciones mencionadas. Cualquier condicin de efectividad de una

planta que no sea ptima, es negativa.

La variacin es el enemigo mortal de la optimizacin de las condiciones de operacin. Sea que la

variacin aparece como ruido aleatorio, ciclos continuos, o pobre reaccin a los cambios de carga, la

consecuencia es la misma: para no violar los lmites de operacin, los valores deseados deben

alejarse una distancia proporcional hacia el lado seguro de la operacin ptima. Este margen

cuesta dinero. Para la mayor efectividad econmica, el alejamiento debera ser mnimo.

Cuando mejora el control y se reduce la variacin, el valor deseado (Set Point) puede ser movido

ms cerca del lmite, sin violar la especificacin del producto. Los ahorros de energa resultantes,

pueden ser impresionantes. En un ejemplo de proceso de secado, una reduccin de slo

US$120/hora, suma ahorros anuales significativos:

US$120/hr x 24 h /d x 350 d/y = US$1,008,000 $/yr


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Lalnea de puntos define el mximo contenido de humedad permitido . Para evitar laviolaci n de este lmite, el valor deseado debe ser ms bajo, de modo que la tpicavariacin del contenido de humedad no exceda este lmite. En promedio, el productoes secado en exceso. El precio pagado por un pobr e control es un mayor consumode energa y desperdicio de slidos.

Este concepto no es menos aplicable a procesos por lotes, los cuales estn a menudo cambiando

de una a otra condicin de operacin. En este caso, es la efectividad a travs del lote la que debiera

ser estable y optimizada. Las transiciones deberan ser tan rpidas como lo permita la calidad del

producto, para mxima razn de produccin. Las variables medidas deberan seguir repetidamente

una trayectoria ptima para mxima eficiencia energtica, rendimiento, y vida del equipo.

Encontrar el problema real

La lista de indicadores y sntomas significativos de pobre efectividad de control, es larga y variada.

Los principales entre ellos son mediciones de variabilidad y error, tales como desviaciones estndar,

variancia, error promedio, error absoluto, error integrado, cruces del valor deseado, entre otros.

Pero un paquete de Monitoreo de Efectividad de Lazos de Control, puede tambin cuantificar la

efectividad de un sistema de control en formas ms sutiles. Algunas de estas mediciones incluyen:

Cambios d e la seal de salida del control ador, bajo operacin Manual . Cambiosgrandes indican un sistema de control en el que un usuario no puede confiar enAutomtico. Por lo tanto, el operador tiene que proveer el control.

Cambios de Modo:En forma similar una gran cantidad de transferencias indica hacia

controladores que no pueden manejar disturbios y/o cambios de valor deseado. En amboscasos, puede requerirse sintonizacin y/o cambios de estrategia.

Mediciones de oscilacin:el Monitoreo de Efectividad de Lazos de Control puede usaranlisis de Fourier para detectar componentes peridicas sostenidas en la seal de unavariable de proceso. Mediante referencia con otra informacin, tal como las existentesconstantes de sintonizacin, el software puede diagnosticar la causa raz del ciclo.

Recorrido totalizado de las vlvulas y de sus cambios de direccin:Valores altos ybajos indican cuales actuadores necesitan mantenimiento, y cules no lo necesitan. Estapercepcin puede acortar cambios y evitar cierres no-planificados de la planta.


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Parmetros de Modelo de Proceso:Mediante la observacin de la respuesta del proceso

ante acciones normales del operador, el Monitoreo de Efectividad de lazos de control puede

parametrizar el modelo del proceso en trminos de tiempo muerto, tiempos de retraso de

capacidad, y ganancias en estado estacionario. Esto puede demostrar una necesidad para

re-sintonizar, sintonizacin adaptiva, y/o caracterizacin no-lineal.

Toda esta informacin puede ser de importancia crtica para el diagnstico de las causas reales de

una pobre efectividad del control. Una confirmacin puede obtenerse de un anlisis directo de la

historia de datos de un lazo.

Algunos de los problemas comunes que los usuarios pueden encontrar son los siguientes:

Solucin de problemas de oscilacin: Una oscilacin sostenida bajo control automtico, es el

ejemplo ms dramtico de pobreza de control. Cuando esto ocurre, puede existir un sinnmero de

razones, incluyendo actuadores daados, controladores mal sintonizados, ganancias variables de

lazo, lazos que interactan, e inadecuado diseo de estrategias de control.

Oscilaciones en expansin son tan inaceptables en operaciones normales, que nunca se debe

tolerar controladores con ganancias suficientemente altas como para causar oscilaciones en

expansin. El usuario necesita corregirlas inmediatamente (o colocar el controlador en manual

permanentemente). Ms a menudo, el problema es de oscilaciones variables, que aparecen y

desaparecen con cambios en la razn de alimentacin y/o punto de operacin.

Esto es siempre una fuerte pista de que alguna otra ganancia en el lazo es variable. Dos

posibilidades son:

Ganancia variable de la vlvula.La relacin entre la posicin de la vlvula y el caudal es amenudo no-lineal, por lo que la ganancia de la vlvula cambia con su punto de operacin. Uncompensador no-lineal es a menudo la solucin.

Ganancia variable del proceso. Las ganancias del proceso varan a menudo con laproduccin y/o otras condiciones de operacin. Ejemplos incluyen lazos de pH, y control denivel en estanques de formas irregulares. Sintonizacin programada o adaptiva es a menudola solucin.

Solucionando problemas de las vlvulas:Oscilaciones de amplitud constante son a menudo la

consecuencia de la condicin fsica del actuador final.


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El registro muestra la tendencia de un lazo en osci lacin. La tendenciablanca es la PV. La tendencia verde es la CO. Este ciclo no se est

expandiendo ni decayendo. Por lo tanto, el problema no es desintonizacin, y los intentos para eliminar la oscilacin cambiando la

sintonizacin van a fracasar. La pista est en la forma distorsionada de latendencia de la PV, en comparacin con la tendencia sinusoidal de la CO.Las secciones planas en las partes superiores e inferiores de los ciclos

indican perodos en los que la PV no est cambiando aunque la seal a la

vlvula est cambiando. Esta es una clsica indic acin de histresis y/ofriccin y estancamiento (Stiction ) en el mecanismo de la vlvula. Ungrfico de PV versus CO de estos pnto s de datos, puede confirmar este

diagnstico.

Despus de dibujar un grfico de PV versus CO para confirmar el diagnostico, en el cual los pares

de datos PV/CO mostrarn la histresis en el actuador, el mantenimiento fsico del actuador es a

menudo la solucin. A veces, el agregar una pequea cantidad de derivativa a un controlador de

caudal, puede sobrepasar el efecto de friccin y estancamiento.

Trabajando con restricciones: Los Controladores operan a menudo en condiciones con

restricciones operacionales. Si la condicin es temporal, o cclica, un lazo a menudo oscilar contra

esta restriccin aumentando la inestabilidad del proceso. Si persiste la condicin, entonces existe

una restriccin permanente en el proceso, y una prdida de control para esta variable.

El adecuado clculo del tamao de la vlvula, o configuracin del controlador con seales para

inicializacin y seguimiento es a menudo la solucin. Esto puede envolver integracin con otras

funciones de control usando selector y/o esquemas lgicos para una adecuada transferencia de

automtico a manual.

Desenredando interacciones del proceso: Una tpica unidad de proceso t iene una buena cantidad

de lazos de control. Es raro encontrar un lazo cuya PV no siente tambin el efecto de influencias

adems de su propia CO. En forma similar, una salida de controlador afecta tpicamente a mltiples

mediciones.

En este ambiente, las oscilaciones en un lazo a menudo aparecen tambin en otros lazos, sea

directamente o por interacciones recprocas. En forma similar, cuando existen disturbios en

variables no-controladas, ellas tambin aparecen como variaciones en diversas PV que son

afectadas. Esas son las fuentes de muchas oscilaciones sin explicacin.

El software de Monitoreo de Efectividad de los Lazos de Control , puede ayudar mediante la

identificacin de los lazos que estn oscilando con frecuencias similares. Esto puede identificar el

lazo que es la fuente del problema.

Otra herramienta de este software, para resolver problemas de interaccin es el Mapa de

Interacciones del proceso. Esta herramienta ilustra el grado de interaccin, y el relativo

desplazamiento en el tiempo de la interaccin. Se puede determinar la causa raz como una fuerte

influencia (color intenso) en el lado de adelanto del diagrama.


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Cuando usted descubre estas interacciones, modificaciones del sistema de control, tales como pre-

alimentacin o controles de desacoplamiento, son a menudo la solucin.

Sin importar cul es el tema, el problema ms fundamental est, sin embargo, a menudo no en la

tecnologa de los sistemas de control. El mayor obstculo para la optimizacin de un sistema de

control se encuentra en la naturaleza humana. Problemas de efectividad pueden existir durante

aos sin que alguien se interese en enfrentarlos. Los usuarios terminan clasificando esos

problemas como normales, y est slo en la naturaleza humana aceptarlos como tal, en vez de

arriesgarse a las inciertas consecuencias de un cambio.

Sin embargo, con suficiente voluntad y perseverancia, la recompense puede ser significativa.

Rentables oportunidades para mejorar la efectividad del sistema de control se encuentran en

mltiples lugares de una planta de produccin. Tpicamente, no hay escasez de frutos que cuelgan

cerca de la mano, que rendirn grandes beneficios econmicos, a cambio de relativamente

pequeas inversiones de tiempo y esfuerzo.

SOBRE LOS AUTORES:

George

Buckbee,

P.E.:VicePresidentedeDesarrollodeProductosenExperTuneInc.

Suemailes:[email protected].

Lew Gordon:Ingeniero principal de aplicaciones en Invensys.

Su e-mail es:[email protected].

Recursos

Mejorar la Efectividadwww.isa.org/InTech/20081105

Poder de la Gentewww.isa.org/InTech/20070204

Convergencia de IT, Automatizacinwww.isa.org/InTech/200801web

Control Avanzado Desatado: Administracin de efectividad de la planta para ptimo beneficiowww.isa.org/link/ACU_bk

Traductor:

RodolfoVillalnH.,P.E.:CentrodeEstudiosyPerfeccionamientoIndustrial,(CEPI)Ltda.Representante de ExperTune.Su e-mail es: [email protected]

El Verdadero Objetivo de un Sistema de Control

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