Aplicación de control en cascada de Temperatura-Temperatura en un reactor de una planta piloto

Armando Morales Sánchez
Instituto Mexicano del Petróleo, México, armando.morales@isamex.org

InTech México Automatización,
Edición Marzo – Mayo 2017.

RESUMEN

En algunas aplicaciones de control de procesos; los lazos de control cerrados con controladores tipo P, PI y PID (Proporcional (P), Integral(I), Derivativo(D)) no son lo suficientemente apropiados debido a las características que presentan ciertos procesos. Por ejemplo.- Las grandes constantes de tiempo, las perturbaciones frecuentes en diferentes puntos del proceso, las variables independientes con altas variaciones que pueden medirse pero no pueden ser controladas,entre otros; por lo que es necesario aplicar técnicas de control compuesto, tal como el control en cascada.

PALABRAS CLAVES: Caso práctico, control PID, control en cascada, sintonización, reactor, temperatura.

INTRODUCCIÓN

En este artículo, se presenta la aplicación para controlar la temperatura en el lecho catalítico de un reactor de una Planta Piloto ubicada en el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP); se incluye la descripción de los principios básicos de un control en cascada, su sintonía y la comparación entre la respuesta del controlador PID convencional y el control en cascada propuesto.

EL PROBLEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA EN EL REACTOR

Sea el sistema de control de lazo cerrado para un reactor de la planta piloto [1] (ver figura 1). El control de temperatura cuenta con tres zonas de medición de calentamiento: superior, medio e inferior.

Figura 1. Control PID de temperaturas de pared superior, media e inferior con indicaciones de temperaturas axiales o internas del reactor.

El elemento de control son resistencias eléctricas térmicas colocadas a lo largo de las tres regiones de la pared externa del reactor; esto con el fin de obtener un calentamiento uniforme. Inicialmente, las resistencias eléctricas térmicas fueron configuradas para ser controladas por tres lazos de control con un algoritmo de tipo proporcional-integral-derivativo (PID), con la opción a escoger como la variable de proceso a la temperatura de pared o a la temperatura axial.

Durante las pruebas a temperaturas por debajo de 400 °C; el sistema de control funciono adecuadamente; a medida que se requirió incrementar la temperatura, buscando obtener mayor rendimiento de la reacción, iniciaron los problemas de inestabilidad del sistema control con sobre disparos de alta temperatura generando una alarma de temperatura y obligando al operador a ejercer el control manual para estabilizar el proceso y para mantener las temperaturas en el punto de referencia establecido (ver figura 2).

Figura 2. Respuesta del control de temperatura de las tres zonas, donde se muestra la inestabilidad de las temperaturas de pared externa y de las tres temperaturas axiales del reactor.

El comportamiento inestable del sistema de control fue corregido modificando los parámetros de sintonía; pero aún, con estos cambios, la inestabilidad persistió cuando se tenían temperaturas axiales superiores a los 400 °C; esto debido a las características de la reacción. La temperatura de pared mostraba inestabilidad al presentarse incrementos muy grandes con respecto a los rangos limites, sobre todo en las secciones superior e inferior del reactor. Por lo que, al estabilizar la temperatura de pared, fue posible controlar la temperatura interna o axial del proceso.

CARACTERÍSTICAS DE UN CONTROL EN CASCADA

El control en cascada es un arreglo de dos lazos de control conformados con controladores de tipo PID; donde el primer controlador (maestro o primario) le establece al segundo controlador (esclavo o secundario) su señal de referencia (set-point) (ver figura 3).

Figura 3. Diagrama de Bloques de un Control de Cascada.

El control en cascada se aplica cuando el control retroalimentado simple, como es el caso de la configuración inicial (ver figura 1), no tiene un desempeño satisfactorio a lazo cerrado; debido a que existen perturbaciones que afectan directamente a la variable controlable de proceso. Siendo la función principal del control en cascada reducir al m´ınimo los efectos de una perturbación no controlada. En general, el control en cascada tiene ventajas significativas cuando se aplica, sobresaliendo las siguientes [3]:

  • Cualquier perturbación que afecte la variable esclavo es detectada y compensada por el controlador esclavo, antes de que afecte la variable de proceso maestra o primaria.
  • La controlabilidad del lazo externo o maestro es mejorada, debido a que el lazo interno o esclavo acelera la respuesta de los elementos del proceso, entre el elemento final de control y la variable esclava.
  • Las no linealidades del proceso en el lazo interno o esclavo son manejadas por ese lazo y removidas del lazo externo o maestro.

SOLUCIÓN PROPUESTA

La aplicación del control en cascada fue propuesta como solución para el control de la temperatura axial, tanto superior como inferior. Aquí, el control maestro es aplicado a la variable de proceso de la temperatura axial y el control esclavo es utilizado en la mayor perturbación presentada en la temperatura de pared. Esto llevó al arreglo utilizado para la aplicación (ver la figura 4).

Figura 4. Estrategia de control de temperatura de las tres zonas: control en cascada temperatura axial-temperatura de pared en las zonas superior e inferior y control de temperatura de pared en la zona media.

La configuración de los lazos de control en cascada se pueden describir de la siguiente manera; la señal del TE-301 se conecta a la entrada PV del controlador maestro TIC-301, y su salida, como entrada al punto de referencia remoto del controlador esclavo TIC-310. La salida del TE-310B se conecta como PV al TIC-310 y la salida del TIC-301 al convertidor de corriente a voltaje TY-301 y este a la resistencia de la pared superior TZ-310. Dentro de las características más importantes de la configuración del controlador maestro TIC-301, se seleccionan algoritmo PID, con acción inversa en un rango de PV y de SP de 0-500 °C y en un rango de salida de 0-100%. De igual forma, para el controlador esclavo TIC-310B, se selecciona un algoritmo PID, con acción inversa en un rango de PV y de SP de 0-500 °C y en un rango de salida limitado de 0 a 20%, porque la potencia máxima requerida en la resistencia para alcanzar 400 °C es aproximadamente de 15%.

SINTONIZACIÓN

El ajuste del control en cascada se realizó sintonizando el lazo de control esclavo al considerarlo como un lazo de control cerrado convencional. El control esclavo TIC-310 se sintonizo con el método de prueba y error, tomando los parámetros de sintonía preconfigurados y efectuando los ajustes necesarios, buscando que el sistema de control respondiera de manera lenta. Se tomó en cuenta que un cambio de salida del 1% con temperaturas por arriba de 400 °C provocaría disparos no deseados de temperatura considerables alrededor de 100 °C/minuto. La práctica común, para este método, consiste iniciar el control en modo proporcional con una ganancia de 1.0 o con una banda proporcional del 100%, donde un porcentaje de variación del error resultará en un porcentaje de salida de igual magnitud. La respuesta fue probada con incrementos graduales de 10 °C, de donde se obtuvo el mínimo de error en estado estacionario con una ganancia de 0.9. El siguiente paso fue encontrar el valor del parámetro del modo integral; este se consiguió incrementando el reajuste automático hasta disminuir el error en estado estacionario al mínimo, lográndose esto con un reinicio de 7.0. Por ´ ultimo, se selecciono el modo derivativo o anticipatorio con un valor óptimo de 1.75 minutos.

Para la sintonía del controlador maestro TIC-301, se utilizó el método de oscilaciones sostenidas de Ziegler-Nichols, aprovechando la respuesta oscilatoria que presento el sistema en los puntos cercanos a la temperatura máxima de operación, como lo indica este método al tener una oscilación sostenida, ver la figura 5.

Figura 5. Respuesta de oscilación sostenida del control de temperatura axial del reactor.

Los parámetros utilizados para el cálculo son tomados del método de oscilaciones sostenidas de Cohen [2]. Este método indica que la ganancia calculada Kc debe ser igual a 0.45 de la ganancia Kcu cuando sucede la oscilación y el tiempo de la integral calculado debe ser de 0.83 del periodo de la oscilación Pu.

La oscilación sostenida se obtuvo con una ganancia Kcu de 1.8 y un periodo de oscilación Pu de 8.9 minutos (ver figura 5).

Al efectuar el cálculo, de acuerdo a las formulas dadas por el método, el valor de ganancia y del tiempo de integral es:

Kc = (0.45)∗Kcu = (0.45)∗(1.8) = 0.81 (1)

Ti = (0.83)∗Pu = (0.83)∗(8.9) = 7.4 minutos (2)

RESULTADOS

La prueba se realizo iniciando desde una temperatura ambiente de 25 °C hasta 490 °C en dos periodos. Esto permitió verificar las relaciones entre los controladores maestros TIC-301, TIC-305 y del TIC-300 y observar el comportamientodelasalidaOPdeloscontroladoresesclavosTIC-310yTIC-320 a través del desplegado de control de temperatura del reactor, ver figura 6.

Figura 6. Desplegado de control de temperatura del reactor.

La figura 7 muestra las tendencias para la temperatura en los puntos configurados en el panel de control con la implementación de un control convencional de tipo PID de acuerdo a la rampa entre 450 °C y 490 °C.

Figura 7. Tendencias para la temperatura.

Como se puede observar en la figura 8, la implementación del control en cascada mejoró el perfil de respuesta de temperatura del reactor, la cual eliminó las perturbaciones al presentarse incrementos de temperatura superiores a 400 °C, mejorando la contabilidad del control de temperatura en el reactor. El ajuste de los parámetros de sintonización logró mejorar los valores para el control maestro TIC 301, disminuyendo drásticamente las oscilaciones presentadas.

Figura 8. Respuesta del control en cascada al cambiar los parámetros desintonía calculados en el controlador maestro.​

CONCLUSIONES

Con los ajustes pertinentes a los parámetros de sintonía, no sólo se solución o el problema de inestabilidad del control de temperatura del reactor al superar los 400 °C; sino que también se logró evitar que la reacción se disparara a temperaturas más altas, provocando la carbonización del catalizador. La comprobación de la mejora del sistema de control al implementarse una estrategia de control en cascada no representó algún gasto adicional en la instrumentación y control; pues a pesar de utilizar dos lazos de control, solo se cambio la configuración, direccionando las señales de indicación de temperatura a los lazos de control. La sintonización fue comprobada con el método de oscilaciones sostenidas, generando los resultados esperados en la sintonía del lazo de control maestro, permitiendo un funcionamiento estable.

REFERENCIAS

[1] Plantas Piloto, Soporte Experimental de las Tecnologías del IMP (Disponible en: http://petroquimex.com/010210/articulos/9.pdf Consultado en mayo de 2015).

[2] Tuning of Industrial Control Systems. Corripio Armando B.Ed. Instrument Society of America 1990

[3] HC900 Hybrid Control Designer Function Block Reference Guide, Honeywell, Revision 11.

ACERCA DEL AUTOR

M. en C. Armando Morales Sánchez es Maestro en Ciencias en Ingeniería de Cómputo con especialidad en Sistemas Digitales y Técnico Certificado en Sistemas de Control(CCST) por ISA USA. Laboró durante 34 años en el Instituto Mexicano del Petróleo como Responsable del Área en Instrumentación y Control y actualmente es Presidente de ISA Sección Central México durante el período 2017-2018.

 

 

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