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CÁTEDRA: “SISTEMAS DE CONTROL”DOCENTE: Prof. Ing. Mec. Marcos A. Golato

FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

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APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROLESQUEMAS USUALES DE SISTEMAS

AUTOMÁTICOS

Cátedra: “Sistemas de Control ” – TEO – 11/15

HORNOS CONTROL DE TEMPERATURA


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HORNOS - DEFINICIÓN:


Esquema básico de un horno

• Son equipos de procesolentos.

Son equipos que forman parte de un proceso, donde se producenunareacción de combustión para generar calor y transferirlo al medio paraaprovechar su energía.

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lentos.

• Tienen pocas variables acontrolar y manipular.

• Típicamente, el objetivode control es latemperatura del producto(Tf).

• En estos casos la entradade energía es lo únicomanipulable.


OBSERVACIONES:


El factor fundamental es el sistemade medición, ya que los retardos poreste motivo son muy significativos.P/Medición de temperatura:

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P/Medición de temperatura:c/Vaina: tiempo de respuesta a un escalón detemperatura de 20 a 40 [seg].c/Bulbo desnudo: tiene una respuesta de 2 a 4[seg].

Para este tipo de proceso es muyútil disponer de acción derivativa.Ajustes típicos son BP = 30 a 60 %, I = 1 a 0,07[1/min] y TD = 1 a 3 [min].


Ejemplo: Control de temperatura en horno. Combustión en lazo abierto.


• Manejo de la combustiónsin

Diagrama P&I

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• Manejo de la combustiónsinmedir caudales ni susresultados.

• El relé auxiliar TY mantienela relación aire combustible.

• Accinamiento paralelo sobreválvulas de aire ycombustible.

• Aplicable a hornos chicoscon pertubaciones delcombustible poco probable.

Diagrama de bloques


Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema en cascada “paralelo con medición”.


• Manejo de la combustiónsin

Diagrama P&I

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• Manejo de la combustiónsinmedir sus resultados.

• El relé auxiliar TY mantienela relación aire combustible.

• Accinamiento paralelo sobreválvulas de aire ycombustible con medicionesde sus caudales.

• Compensa perturbacionesdel lazo interno de ambosflujos.

Diagrama de bloques


Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema con verificación de la combustión.


• Manejo de la combustión

Diagrama P&I

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• Manejo de la combustióncon medición de susresultados.

• Estructura no convenientepara sistemas con manejodel combustible convariaciones frecuentes.

• Tiempo de tránsito en elhorno, menor que el tiempode muestreo y análisis.

• Genera altos periodostransitorios para el controlde aire .

Diagrama de bloques


Ejemplo: Control detemperatura en horno.Sistema con verificación de lacombustión y accióncorrectora y limitadora.


Diagrama P&I

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• Manejo de la combustión conmedición de sus resultados.

• Controla en lazo cerrado lacalidad de la combustión.

• El AC cumple una funcióncorrectora.

• Los relés de alta y de baja(AY), limitan la acción decontrol del AC.

Diagrama de bloques


Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema con verificación de la combustión en avanacción y realimentación negativa.


Diagrama P&I

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realimentación negativa.

• Manejo de la combustióncon medición de susresultados y del flujo decombustible y aire.

• El control en avanacciónentra como SP en el lazointerno del TC.

• El AC cumple una funcióncorrectora, mientras el TYmantiene la relación airecombustible.

Diagrama de bloques


CALDERAS DE VAPOR CONTROL DE LA PRESIÓN DE VAPOR


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Calderas de vapor


Las especificaciones básicas de una caldera de vapor son:

Producción de vapor.

Presión del vapor.

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Presión del vapor.

Temperatura del vapor.

En las calderas la variable clave de control es la presión de vapor

Los sistemas de control deben ser aptos para operarlas adecuadamente entreun 15 y 100% de la capacidad nominal de generación, manteniendo lasvariables dentro de las especificaciones.


Sistemas de control aplicados a calderas de vapor


Control de balance de energía.

Control de hogar.

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Control de nivel de domo.

Control del agua de alimentación.

Control de presión en el hogar.

Control de temperatura del aire primario.

Control de temperatura del vapor sobrecalentado.


Control del balance energético


Existe una relación entre la presión de vapor y el estado de carga de la caldera. Sedebe balancear la energía que demanda el proceso con la energía proveniente de lacombustión.

DEMANDA SUMINISTRO

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DEMANDA ENERGÉTICA

SUMINISTRO ENERGÉTICO

La presión de vapor es un exelente índice del balance energético!!

Entonces podría aplicarse un sistema de control de un solo elemento, como ser uncontrolador de presión, para atender este posible desbalance.


Sistema de control de hogar (Avanacción + Cascada Presión-Caudal).


Diagrama P&I

Accionamiento Registro VTF

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Registro VTF


Sistema de control de hogar (Avanacción + Cascada Presión-Caudal).


Diagrama de bloques

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Sistema de control de hogar con exceso de aire en los transitorios(Cascada Presión-Caudal):


Diagrama P&I

Accionamiento Registro VTF

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Registro VTF



Sistema de control de hogar con exceso de aire en los transitorios(Cascada Presión-Caudal):

Diagrama de bloques

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Este control permite mantener el nivel de agua en el domo dent ro deestrechos límites, pues variaciones del mismo tanto en defe cto comoen exceso son perjudiciales.

Control de nivel de domo


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Nivel de domo

Bajo

Alto

Ocasiona bajarefrigeraciónen los tubos

Ocasiona arrastrede agua a la líneade vapor


Balance másico en el domo


DOMO

Wa (agua alimentación)

Ws (demanda vapor)

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Wp (Purga)

Un nivel de agua permanece constante cuando:Wa = Ws + Wp

Si consideramos que: γa = peso específico del agua en el domo en [kg/m3].

S = superficie del espejo en [m2].

Entonces: S . γa . dh = [Wa – (Ws + Wp)] . dt

Representa la variación del nivel.

dh

dt=

[Wa – (Ws + Wp)]

S . γa


Balance másico en el domo


Suponiendo que hN = nivel normal p/ t = 0: dh dt=[Wa – (Ws + Wp)]

S . γa

ht t

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hN 0

Entonces: h(t) - hN =[Wa – (Ws + Wp)]

S . γa 0

t

. T =[Wa – (Ws + Wp)]

S . γa

. t

Ahora si t = Tt y h(t) = hmín p/ Wa = 0:

h(t) - hN =– (Ws + Wp)

S . γa

. Tt hN - hmín =(Ws + Wp)

S . γa

. Tt


Constante de transición de la caldera


(Tiempo de transición o cte de transición de la caldera).

Si llamamos H = (hN - hmín) (Ws + Wp)H . S . γaT t =

Es el tiempo que transcurre desde el momento en que se suspendió la

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Es el tiempo que transcurre desde el momento en que se suspendió laalimentación de agua ( Wa = 0) hasta el momento en que el nivel alcanzó suvalor mínimo (h mín.), estando originalmente el nivel en su valor normal ( hN).

La constante “T t”, condiciona el tiempo de reacción de los controladores

P/ Calderas pequeñas T t = 10 a 50 [seg]P/ Grandes calderas modernas T t = 20 a 140 [seg]


Observaciones


Analizando la ecuación se observa que lasvariaciones de nivel son de signo contrario alas de consumo .

dh

dt=

[Wa – (Ws + Wp)]

S . γa

Variaciones del nivel en función del consumo:

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las de consumo .

Respuesta inversa:Ws

th(t)

t∆t

Ante una variación brusca de lademanda, en un intervalo ∆t el signo dela variación de W s es el mismo que elde h (t).

Al aumentar bruscamente el consumo de vapor,baja la presión y en consecuencia se produce unasúbita ebullición en el seno del líquido que daexternamente una imagen falsa del nivel. .


MEDICIÓN DE NIVEL DE AGUA EN DOMOS DE CALDERAS


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Configuración del transmisor de presión diferencial electrónico conseñal de salida analógica variable de 4mA (0%) a 20mA (100%):Presión máxima = -500 [mmCa ]p/ nivel mínimo (0%) la PD = -500[mmCa]p/ nivel máximo (100%) la PD = 0[mmCa]p/ PD = -250 [mmCa] la señal del transmisor es 50% (12mA).


Sistema de control de nivel de un elemento.


En este sistema de control, el nivel es la única señal que se us a para regular el aguade alimentación al domo de la caldera.

• Se adopta en calderaspequeñas y lentas (p/tiempo de residencia > 8 a10 [mín]) .

Diagrama P&I

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10 [mín]) .

• También en calderas consuaves variaciones de lapresión del agua dealimentación y del consumode vapor.

• Utilizadas en calderashumotubulares y encalderas antiguas degrandes domos > 1,5m dediámetro.

Diagrama de bloques


Sistema de control de nivel de dos elementos.


En este sistema de control, las señales para regular el agua d e alimentación,provienen del nivel de domo y del consumo de vapor.

• Compensa variacionesrápidas de consumo devapor, midiendo estaperturbación.

Diagrama P&I

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perturbación.

• Se adopta para calderasmedianas con presiónconstante del agua dealimentación y variacionesno bruscas del consumo devapor.

• La avanacción de la señalde caudal, modifica en elsentido adecuado la aperturade la válvula del agua dealimentación.

Diagrama de bloques


Sistema de control de nivel de tres elementos (1 controlador).


Las señales para regular el agua de alimentación, provienen del nivel de domo, del consumo devapor y del caudal de agua de alimentación.

Diagrama P&I

• El FY, aplica un factorde sensibilidad a lasuma de las señales decaudales.

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Diagrama de bloques

caudales.

• El LT ajustadiferencias en lasmediciones de loscaudales debido apérdidas y a las purgas.

• El FC recibe una señalcompensada que corrigesobre el lazo de caudalde agua dealimentación.


Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores).


Diagrama P&I

• Sistema de controlcascada nivel-caudal +avanacción caudal.

Con avanacción en lazo primario

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Diagrama de bloques

• La avanacción entraen el lugar adecuado,entre los lazos externo einterno.

• Permite factibilidadde ajuste en lacompensación y en lasacciones de control.


Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores).


• Sistema de controlcascada nivel - caudal +avanaccióncaudal.

Diagrama P&I Con avanacción en lazo secundario

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Diagrama de bloques

avanaccióncaudal.

• La variable de lazointerno es la diferencia dede caudales de agua yvapor.

• El FY es empleadosobre el lazo de nivelpara la corrección de lasdiferencias.


Permite controlar la capacidad volumétrica de impulsión de una ovarias bombas, para lograr mantener regularidad en el servi cio dealimentación de agua al domo.

Control de agua de alimentación


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Tipos de bombasnormalmente utilizadas:• Centrífugas 99,0 %• Helicoidales 0,7 %• Volumétricas a engranajes 0,2 %• Alternativas 0,1 %

Tipos de accionamientos:• Motor eléctrico 75%• Turbina a vapor 25%


Curva característica de la bomba


Para modificar el caudal dela bomba se incorpora unaválvula de control queaporta una pérdida de cargaconcentraday variable.

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Pto A: Equilibrio único si la únicaresistencia fuese la pérdida decarga de la instalación.

concentraday variable.

Pto B: La válvula toma parte de lapérdida de carga total (se adoptaun 30% de HA o 50% de HN).

Pto C: La válvula toma gran partede la pérdida de carga total (seadopta de 7 a 10% de QA).


Esquema básico de control


Caso común de control de la capacidad impulsora de una bomba centrífuga accionada por motor eléctrico, mediante

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por motor eléctrico, mediante lazo de control de caudal con válvula estrangulando la salida.


Control de bombas en paralelo


Control de baja presión en el colector de agua de alimentación.- P/ estado estable: bomba 1 encendida.

Control de bombas centrífugas accionadas por motor eléctrico, según la

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encendida.

- P/ aumento de la demanda de vapor: Presión colec. agua disminuye, arranca bomba 2.

Control para consumo inicial alto.- P/ estado estable: bomba 1 + bomba 2 en marcha.

- P/ régimen normal (demanda de vapor nominal o baja): El PSH se encarga de sacar de servicio la bomba 2.

contrapresión con bajo o alto consumo inicial.

PSL: Presostato de baja presión.

PSH: Presostato de alta presión.

PZY: Interruptor eléctrico (contactor).


Observaciones


Estos sistemas de control deben ser aptos para trabajar entr e el 15% y el100% de su capacidad en automático.

La capacidad de una caldera de vapor, es sinónimo de producci ón devapor y su equivalente en caudal de agua de alimentación .

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vapor y su equivalente en caudal de agua de alimentación .

La caldera es un equipo que aumenta la pérdida de carga con laproducción, por lo que la presión del agua de alimentación a l a entrada deldomo debe ser por lo menos un 20% mayor a la presión de vapor máx ima dela caldera.

Muchas veces, cuando existen grandes variaciones en el cons umo devapor, el servicio de agua de alimentación debe ser provisto por dos o tresbombas, independientes de las consideradas de reservas o au xiliares.


Control de presión en el hogar de la caldera


Este sistema de control, permitemantener constante la presión enel interior del hogar de la caldera.

• Control sencillo de la presión en el hogar,

Diagrama P&I

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• Control sencillo de la presión en el hogar,mantiene saltos de presión constante entreel medidor y el registro del aire.

• Naturalmente da lugar a que la presión enel hogar varíe indeseablemente.

• Debido a las magnitudes de presiones conque se opera, el costo operativo es elevado.

• Provoca consumos mayores, entre el 5 y el10%, de potencia en el motor del VTF poraumento de la densidad interna del aire enel ventilador.

Diagrama de

bloques




• Control básico de independencia de loscontroles de manejo de aire de combustión ypresión de hogar.

• El control de presión de hogar actúa sobreel VTI .

Diagrama P&I

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el VTI .

• Para demanda de energía, el FC abre elregistro del VTF, lo que aumenta la presióndel hogar. El PC debe equilibrar estapresión.

• Provoca oscilaciones continuas por lainteracción entre los lazos de caudal de airey presión del hogar.

• Un modo de disminuir el efecto eslentificar el sistema, retardando unos de loslazos.

Diagrama de

bloques




• Control con la acción de doscontroladores. El FCA sobre amboselementos finales (registro VTI yVTF), y el PC con accióncomplementaria sobre el registro

Diagrama P&I

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complementaria sobre el registrodel VTI.

• El FCA maneja ambos registros sininteracciones, respondiendosimultáneamente al control dehogar.

• El PC suma su salida en formacomplementaria a la del FCA sobreel VTI, dando eventuales reaccionesdel control de caudal, de menormagnitud, que se atenúanrápidamente.

Diagrama de

bloques


Control de temperatura del aire de combustión


• El lazo de control de temperaturadel aire al hogar, es lento y dependede las áreas de intercambio de calor.

• Este ejemplo posee una correcciónen base a la perturbación de la

Diagrama

P&I

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en base a la perturbación de latemperatura ambiente. Los cambiosambientales son también lentos.

• El FY aporta sensibilidad al TT deTa, dando la función de compensarlos cambios cíclicos de Tamb.

• No tiene en cuenta los cambios decalor suministrado por el calentadorde aire (ICQ).

Diagrama de

bloques


Control de temperatura del aire de combustión


• Este sistema de control tiene encuenta las variaciones detemperatura en el ICQ, debidas a lasoscilaciones propias del control dehogar.

Diagrama

P&I

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hogar.

• Además, posee una corrección porla perturbación de la temperaturaambiente.

• La señal proveniente del TDT, sesuma a la de Tamb. e ingresa al lazode control del registro del VTI,ajustándolo para corregir lasvariaciones de Ta.

Diagrama de

bloques


Control de temperatura del vapor sobrecalentado


Este control permite controlar la temperatura del vapor a la salida de lacaldera. Normalmente se realiza por medio de la atemperación.

Factores que influyen en la temperatura final de vapor:

- Exceso de aire.

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- Temperatura del agua de alimentación.

- Tipo de combustible.

- Ensuciamiento de la superficie de calefacción.

Atemperación Indirecta:

Se basa en producir modificaciones en las condiciones del lado de los gases (variación de la radiaciónde los quemadores o desviación de la circulación de gases a través del sobrecalentador).

Atemperación Directa:

Este método se basa en la disminución de la temperatura del vapor sobrecalentado por medio delintercambio térmico por contacto directo o indirecto del vapor con otro fluido de menor temperatura.


Atemperación directa


• El método universalmente demayor utilización se basa enla inyección directa de aguadentro de la corriente devapor sobrecalentado .

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vapor sobrecalentado .

• Este circuito se caracterizapor contar con una rápidarespuesta ante las variacionesde temperatura.

• La desventaja de estemétodo radica en lanecesidad de inyectar agua dealta pureza entre dos etapassucesivas desobrecalentamiento.


Control de temp. de vapor sobrecalentadoCaldera Mellor Goodwin VU40 – 120 [tnvapor /h]


• Control de la temperatura delvapor sobrecalentado: CascadaTemp.-Caudal + Avanacción pura(diferencia de temp. Sobrec.Primario).

Diagrama P&ID

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• Sistema con condensador para elcalentamiento del agua dealimentación a la caldera.

• Acción diferencial de la temp. deentrada y salida delsobrecalentador primario (TDT),sobre el lazo de control del agua deatemperación.

• Se tiene en cuenta el efecto de loscambios en el control de hogar ybalance de energía.


Control de temp. de vapor sobrecalentadoCaldera Mellor Goodwin VU40 – 120 [tnvapor /h]


Diagrama de bloques

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