INGENIERIA QUIMICA

58

enero 06

o los tiempos de retardo son impor-tantes.

Los módulos de PCR se diseñany se programan de tal manera queson fácilmente integrados en lossistemas de control existente, yasean basados en PLCs o en siste-mas de control distribuido.

La tecnología PCR presenta tresaspectos principales: el modelo, latrayectoria futura deseada y el re-solvedor. A continuación se co-mentan los mencionados aspectos.Luego se comentarán dos aspectosadicionales: la autocompensacióny los bloques de control.

El modelo

El modelo, que está embebidoen el controlador, es una ecuaciónmatemática que calcula la salidadel modelo que es comparable conla salida del proceso PV.

El modelo representa la relaciónentre la(s) entrada(s) del proceso ylas salidas del mismo.

El modelo debe identificarse:los parámetros del modelo se esti-man mediante un algoritmo deidentificación que aprovecha losdatos colectados durante un ensayoexperimental específico.

El modelo se usa para predecirla salida del proceso y calcular laacción de control con el objeto de

2. Descripción de latecnología

El objetivo del presente artículoes presentar, a través de una serie deaplicaciones industriales, la tecnolo-gía que se denomina PCR (Predic-tive Control for Reactors – controlpredictivo de reactores), la cual esuna técnica de control predictivo ba-sado en modelos (MBPC – ModelBased Predictive Control).

La metodología se basa en unmodelo dinámico del proceso a sercontrolado. El modelo estimado,describiendo las relaciones entrelas variables manipuladas (accio-nes) y las variables a controlar, ha-ce posible la predicción del com-portamiento de las últimas y el cál-culo anticipado de las acciones aaplicar a la unidad para su mejorcontrol.

El PCR dispone de una bibliote-ca de módulos de control predicti-vo prediseñados, entre los cualesalgunos son específicos para reac-tores químicos, por ejemplo para elseguimiento de un perfil de tempe-ratura, y otros son genéricos y pue-den ser utilizados con cualquier ti-po de procesos.

Estos módulos de control puedenusarse con particular provecho enlos reactores químicos discontinuos,dado que el desempeño usando elcontrol PID tradicional no suele serel deseado. En otro tipo de procesos,el control predictivo es de gran utili-dad cuando los sistemas son inte-grantes, si se miden perturbaciones

1. Introducción

El control predictivo de reactoresEl control predictivo basado en modelos ayuda a los controladores PID

D. Ruiz Massa, C. Alberto RuizSoteica Europe, S.L.

O. Gerbi y J. Papon Sherpa Engineering

Se presentan los fundamentos deuna tecnología de control

predictivo conocida como controlpredictivo de reactores, con

varios ejemplos de aplicación enindustrias petroquímica, de

refino, alimentaria y siderúrgica.El control predictivo no pretende

reemplazar al tradicionalproporcional-integral-derivativo

(PID), sino aprovechar lainfraestructura ya existente y seruna ayuda en aquellos casos enque la complejidad del procesohace imposible su solución con

un control convencional.También ofrece una relación

coste/beneficio que se consideraatractiva, sobre todo en

comparación con aplicaciones decontrol predictivo multivariable

de gran porte. Las estrategias decontrol predictivo de reactoresimplementadas han permitidoresolver problemas de control

existentes y lograr mejoraseconómicas significativas en

todos los casos. Todas lasaplicaciones se implementaron a

nivel del procesador deaplicaciones de sistemas de

control distribuidos existentes oen PLC convencionales,

ejecutándose con equivalenterobustez y disponibilidad que

cualquier lazo PID regular.

Control de Procesos

Ingeniería Químicawww.alcion.es

en cascada o haciendo el segui-miento del error cuando se persi-gue un perfil especificado de tem-peratura.

Las ecuaciones de control em-bebidas en los bloques de controlPCR son tales que estos aspectosson tenidos en cuenta explícita-mente.

La primera etapa del proyectoconsiste en diseñar la estructuradel modelo dinámico sobre el quese basará el controlador en corres-pondencia con la arquitectura delos equipos de la unidad: intercam-biadores de calor, mezcladores,dispositivos de calentamiento, dis-ponibilidad de válvulas de control,entre otros.

Los valores de los parámetrosdel modelo son entonces estimadosde datos colectados durante prue-bas específicas de planta: movi-mientos voluntarios aplicados a losactuadores, por ejemplo para el ca-lentamiento o enfriamiento. En elcaso de reactores químicos discon-tinuos, es importante destacar queestas pruebas se realizan con el re-actor “apagado”, por ejemplo, car-gado con producto al final de unatanda. Cuando se mide la veloci-dad de adición del reactivo (comoen este caso), para incluir su efectoen la reacción, se considera comovariable de perturbación y se iden-tifica a partir de datos colectadosdurante tandas regulares.

El controlador se diseña enton-ces y se aplica sobre una simula-ción del proceso basado en la iden-tificación del modelo dinámico.Las pruebas a lazo cerrado y de ro-bustez se realizan para asegurarque el controlador se mantendráejecutándose con exactitud acepta-ble incluso si hubiera una discor-dancia con el modelo.

Luego de su integración en elsistema de control, el controladordiseñado se valida. Entonces elcontrolador global se aplica pro-gresivamente a la unidad.

3. Etapas de laimplantación

satisfacer un objetivo especificadodado sobre la variable del proceso(PV).

En el caso del PCR, el modelose construye de tal manera que suestructura es muy similar a la ar-quitectura del equipo del proceso(intercambiadores de calor, inyec-ción de vapor, agitadores, nivel detanque que varía, camisa de enfria-miento/calentamiento, etc.). Estaestructura del modelo es muy útildurante la fase de diseño del con-trol del proceso.

Trayectoria deseada futura

En el momento actual (n), la sa-lida del proceso PV es PV(n) y elpunto de consigna es SP(n). La tra-yectoria futura deseada (llamadatrayectoria de referencia) es elcomportamiento deseado de la sa-lida del proceso para moverse des-de el valor presente PV(n) hasta elpunto de consigna SP(n) en el fu-turo.

La trayectoria de referencia seconsidera como un sistema de pri-mer orden (Fig. 1), y el tiempo derespuesta de esta trayectoria es elllamado tiempo de respuesta a lazocerrado: la variable de proceso res-ponderá a un cambio en escalón,alcanzando el punto de consignaen el tiempo de respuesta fijadopor el usuario.

El tiempo de respuesta a lazocerrado es aquí una especificación.Se selecciona un objetivo interme-dio a lo largo de aquella trayectoriaen un momento del futuro (n + H),donde H corresponde al horizontede predicción.

El resolvedor

El resolvedor es la parte delcontrolador que calcula la acciónde control a aplicar, de tal maneraque la salida predicha en el tiempo(n + H) sea igual a la de la trayec-toria de referencia en ese momentofuturo. La acción calculada de con-trol tiene en cuenta las restriccio-nes que limitan los movimientosen la entrada (por ejemplo, los lí-mites máximo, mínimo y de velo-cidad de cambio en la válvula decontrol).

Autocompensación

Algunas variables no medidaspueden perturbar el proceso y tenerun efecto que no puede predecirsecon el modelo (por ser una pertur-bación a la que el controlador notiene acceso). Como resultado deesta situación, suele aparecer unatendencia, principalmente en pro-cesos integrantes. La autocompen-sación que se instala en el contro-lador consiste en un procedimientoque evita que tal tendencia en lavariable del proceso se produzca.

Los bloques de control

Los bloques de control PCR es-tán diseñados para la mayoría delos equipos de proceso que puedenexistir en torno a los reactores quí-micos. Estos bloques incluyen pro-cedimientos muy útiles para resol-ver los problemas clásicos usual-mente encontrados en tales unida-des, tales como las oscilaciones enlos controles en rango partido, lassaturaciones de los actuadores queno son transferidas a los controla-dores “aguas arriba” en un control

Control de Procesos

59

enero 06

Figura 1. Trayectoria de referencia

- Las no linealidades en la va-riable manipulada, lo cual requiereun controlador específico.

La arquitectura del control PCRimplantado se muestra en la figura 3.

Las consecuencias de una mejo-ra en el control de temperaturausualmente son:

- Una mejora en la calidad debi-do a una mayor estabilidad de latemperatura.

- Una menor duración de la tan-da debido a la mayor velocidad deadición de reactivos, posibilitadopor un mejor perfil de temperatura.

- Una mayor disponibilidad dela unidad por la mayor vida útil delas válvulas (menos activadas).

- Una reducción de los costesmarginales a través de un menorconsumo de servicios auxiliares(agua de enfriamiento y vapor).

La mejora en el control de latemperatura del reactor es signifi-cativa (Fig. 4).

Las variaciones se reducen másdel doble y esto hace posible incre-mentar el valor del punto de con-signa más cerca de la restricciónsuperior.

Esta mejora tiene un efecto en di-ferentes aspectos: menos movimien-tos de las válvulas (mayor disponi-

En los siguientes apartados sedescriben brevemente diversasaplicaciones industriales realizadasaplicando el control predictivo ba-sado en modelos descrito previa-mente.

4.1. Aumento de laproducción en un reactorquímico discontinuo—–––––––––––––––––––––––––––––

El control dinámico de la tem-peratura en un reactor químicoexotérmico frecuentemente difi-culta la operación, ya que limita laadición de reactivos.

Luego de un estudio de viabili-dad, Repsol YPF decidió aplicarun controlador predictivo basadoen modelos a un reactor de produc-ción de polioles. Los detalles de laimplantación se presentan en [1].

Este reactor se opera de modosemicontinuo: Un primer productose carga al reactor y se calienta.Luego, mientras diferentes reactivosse inyectan, la reacción exotérmicarequiere un enfriamiento eficientecon el objeto de respetar el punto deconsigna y evitar que se alcance unlímite superior determinado, porquepueden aparecer reacciones secun-darias indeseables.

La figura 2 muestra un diagra-ma esquemático del proceso.

La principal consecuencia de lamejora en el control de temperatu-ra ha sido un incremento importan-te de la producción.

El punto de consigna de la tem-peratura está dado por la siguientesolución de compromiso:

- El más alto valor posible porqueincrementa la velocidad de reaccióny, por lo tanto, acelera la produc-ción.

- Lo suficientemente bajo paramantener la temperatura alejadadel límite superior por las usualesvariaciones de temperatura.

El producto se calienta con va-por mediante un serpentín interiordel tanque reactor. El enfriamiento

4. Aplicacionesdel producto se obtiene medianteun intercambiador de calor por elque circula agua de enfriamiento.

Los actuadores (válvula de va-por y válvula de agua de enfria-miento) tienen un efecto dinámicomuy diferente sobre la temperaturadel reactor.

Una vez que el producto se ca-lienta en el tanque, se adicionan losreactivos produciéndose una reac-ción exotérmica.

La temperatura del reactor debecontrolarse en un valor del puntode consigna durante la adición dereactivos. En caso de que la tempe-ratura se eleve demasiado, la velo-cidad de adición debe reducirse.

El objetivo especificado es me-jorar el desempeño del control dela temperatura.

La dificultad en el control de latemperatura se debe a distintos fac-tores:

- La relación entre los actuado-res y las temperaturas es integrantecon tiempos de retardo.

- Las acciones de calentamientoy enfriamiento afectan a la tempe-ratura del reactor con dinámicasmuy diferentes, que limitan el de-sempeño del control en rango par-tido convencional.

INGENIERIA QUIMICA

60

enero 06

Figura 2. Diagrama simplificado del proceso con los lazos de control de temperatura

bilidad del proceso), y la elimina-ción de las acciones competitivasentre el calentamiento y el enfria-miento (ahorro de energía).

Aunque los mencionados aspec-tos tienen un impacto nada despre-ciable en los ahorros, el beneficiomás significativo claramente pro-viene del hecho que ha sido posibleponer el proceso en sus límites gra-cias al desempeño del controladorPCR.

La duración total de la tanda sereduce debido al incremento delcaudal de adición de los reactivos.Tal incremento es ahora posible por-que las desviaciones de la tempera-tura se han reducido. En consecuen-cia, una temperatura promedio ma-yor es alcanzable ahora gracias alcontrolador PCR, que da más flexi-bilidad a la válvula de agua paraproveer el enfriamiento necesario.

Dependiendo de la receta, el in-cremento de la producción que selogra al poder trabajar a un punto deconsigna mayor se encuentra entreun 17 y 20%.

Otra consecuencia de la mejoroperación de la unidad es la capa-cidad de obtener condiciones ope-rativas reproducibles para las dife-rentes tandas, y entonces se obtie-ne una mayor uniformidad en lacalidad del producto.

El controlador PCR ha sido im-plantado en un sistema de controldistribuido Honeywell TDC 3000™,programándose las rutinas de con-trol en el lenguaje CL, propio delsistema. No fue necesario ningúnprocesador de control adicional a losya existentes.

4.2. Control de nivel en un proceso continuo conretardo–––––––––––––––––––––––––––––––

El control clásico del nivel delfondo de una columna de destila-ción se realiza usualmente con uncontrolador PID sencillo que actúasobre el caudal del fondo de la co-lumna. Pero, como es primordialeliminar las perturbaciones a lasplanas aguas abajo, se decidió con-trolarlo manipulando el caudal decarga a la unidad (Fig. 5).

Control de Procesos

61

enero 06

Figura 3. Arquitectura de control. La temperatura del reactor se controla a través de controladores PCR en cascadade acuerdo con la propia arquitectura del proceso

Figura 4. Mejora del control de temperatura en el reactor discontinuo

Figura 5. Esquema de la planta con control de nivel en el fondo de la columna de destilación

A colector gascombustible

Reciclo H2 a Hidrobon

Carga a platforming

A colector gascombustible

signa y es más agresivo cuando seva fuera de la zona definida. Esteprocedimiento es apreciado gran-demente por los usuarios, porquelas acciones correctivas son mu-cho más suaves cuando el nivelestá dentro del rango aceptable.

El controlador PCR ha sidoimplantado en un sistema de con-trol distribuido Foxboro IA™,programándose las rutinas decontrol en el lenguaje HLBL, pro-pio del sistema. No fue necesarioningún procesador de control adi-cional a los ya existentes.

4.3. Control de humedad en un secadero industrialde lecho móvil–––––––––––––––––––––––––––––––

En el siguiente caso de aplica-ción en la industria de la alimen-tación, se necesita controlar pre-cisamente la humedad de un pro-ducto para evitar que el mismo secompacte y para optimizar su va-lor. Cuanto más cerca de la espe-cificación de humedad se puedaoperar, más rentable será la pro-ducción, evitándose lo que se co-noce como “regalo de calidad”.

El producto se seca a medidaque es empujado hacia la cintatransportadora, como puede verseen la figura 7.

La complejidad del control pro-viene de varias causas:

- Gran tiempo de retardo.- Acoplamiento (efectos cruza-

dos).- Diferentes familias de produc-

tos (con distintas especificacio-nes).

- Pocos sensores disponibles.

El control con PCR predice lahumedad y calcula las consignasde los controladores de tempera-tura a aplicar a lo largo de la cin-ta transportadora. La estructuraglobal ha sido implantada comouna cascada de controladores.

El diseño del controlador fuellevado a cabo a partir de un proce-so simulado a partir del modeloidentificado. La estructura de con-

En la práctica, no era posiblemantener en automático el con-trol del nivel en base a dicha va-riable, y los operadores se veíanforzados a intervenir el lazo enmanual, con frecuentes correccio-nes al caudal y el riesgo cierto deperder el control del nivel.

Las principales dificultadespara sintonizar un control PIDvienen del efecto integrante, porun lado, y del tiempo de retardolargo, por otro. Estos dos aspec-tos afectan de tal manera al siste-ma que un control PID conven-cional no muestra rendimientosaceptables.

El controlador PCR implemen-tado tiene en cuenta el caudal defondo que sale de la columna yque alimenta la unidad aguas aba-jo. Este caudal de fondo es unafuerte perturbación para el con-trol del nivel.

Más detalles de esta aplicaciónse han presentado en [2].

El modelo del controlador hasido identificado a partir de datoscolectados durante la prueba deplanta, en la que se ha perturbadovarias veces la variable manipula-da (caudal de alimentación) paraver su efecto sobre la variablecontrolada (nivel).

Como detalle importante puededestacarse el hecho que el ajustedel control se realiza no mediante

un conjunto de parámetros de sin-tonía (como los factores P, I y D enlos controladores PID regulares),sino con la especificación directadel tiempo de respuesta del sistemaa lazo cerrado.

La arquitectura de control esuna cascada de dos controladores:el controlador PCR predice elcomportamiento del nivel y cal-cula el caudal de carga necesariopara satisfacer el objetivo especi-ficado en el primero.

La acción calculada es luegoenviada a un FRC (PID clásico)que actúa sobre la posición de laválvula correspondiente.

El objetivo especificado en elnivel se define en términos derango, porque no es necesariocontrolar este nivel apretadamen-te en un valor dado, sino que pue-de tener permitido moverse en unrango dado alrededor de su puntode consigna nominal. La figura 6muestra cómo el nivel ha podidocontrolarse, en contraposicióncon las variaciones que sufría an-tes de la implantación del controlpredictivo PCR.

Un módulo del controladorPCR se dedica a calcular el tiem-po de respuesta a lazo cerrado es-pecificado para el controlador apartir de límites definidos por elusuario. El control es suave cuan-do la variable controlada se en-cuentra cerca de su valor de con-

INGENIERIA QUIMICA

62

enero 06

Figura 6. Control del nivel antes y después de haber sido implementación el PCR

La reducción de las fluctuacio-nes de humedad ha permitido mo-ver el punto de consigna muchomás cerca de la especificación realdel producto, sin aumentar los re-chazos por falta de especificación.

El incremento de un 1% corres-ponde a 100 por tonelada de pro-ducto, en una fábrica que produce2.000 toneladas por año. Una ven-taja adicional es que el procesoahora requiere menor atención porparte de los operadores, debido aque no deben gastar su tiempo enintentar manejar el proceso y man-tener la calidad del mismo.

4.4. Control de una plantade servicios auxiliares–––––––––––––––––––––––––––––––

Se ha mejorado el control deunas cuantas variables de procesoen la planta de servicios auxiliares(Fig. 9) de la siderúrgica Arcelor,Fos sur Mer, Francia. Se ha mejo-rado el control del vapor producidoen calderas, el nivel de cabeza delas calderas y la presión del colec-tor de vapor.

Todos los lazos de control pre-dictivo PCR se implementaron encontroladores embebidos en PLCsMomentum de Schneider Electric.

Las calderas generadoras de va-por pueden quemar diferentes tiposde combustible. Cuando se cambiade una combinación de gases pro-ducidos en el proceso siderúrgico auna mezcla de gasóleo y otroscombustibles, la temperatura delvapor se ve perturbada grandemen-te. En el extremo, cuando la tem-peratura del vapor no se respeta, elgenerador de vapor puede ser for-zado a una parada de emergenciapor los sistemas de protección au-tomáticos.

El control de la temperatura delvapor se realiza por medio de unacascada de dos controladores PCR,actuando sobre el valor de consig-na del caudal de agua inyectada.Este valor de consigna se envía aun FRC (controlador PID regular).

Otro aspecto a destacar en estaaplicación es que el nivel de los

trol se ha embebido directamente enun PLC de Schneider Electric™,debido a que la tecnología PCRutiliza los mismos módulos genéri-cos disponibles en el PLC.

Las fluctuaciones de la hume-dad se han reducido en una rela-ción mayor de 2, como se muestraen la figura 8.

En la situación previa, represen-tada en color naranja, se necesitabafijar un valor de consigna para la

humedad bastante lejano del valorde la especificación del producto,de manera tal para poder satisfacersiempre la calidad del mismo. Estoera debido a la gran variabilidaddel sistema de control previo.

Si el producto se seca más de loespecificado, tiene dos costes:

- El proceso consume mayorenergía.

- Se extrae agua que puede servendida a precio de producto.

Control de Procesos

63

enero 06

Figura 7.Secadero delecho móvildonde se hacontrolado lahumedad

Figura 8.Mejoras en elcontrol de lahumedad en elsecadero

len quedar fuera de juego para loscasos de control que hemos ejem-plificado.

[1] A.Sanz, A. Cardete, R. Lucio, R. Martínez, S.Muñoz, D. Ruiz, C. Ruiz, O. Gerbi and J. Papon“Cómo aumentar la producción en un reactor quí-mica discontinuo. Aplicación del control predicti-vo basado en modelos”, INGENIERÍA QUÍMICA,Marzo, 104-107 (2005).

[2] C. Ruiz, A. Molina y D. López “Control predic-tivo de nivel con retardo. Aplicación a un caso in-dustrial”, INGENIERÍA QUÍMICA, Julio/Agosto,109-115 (2001).

6. Referencias

generadores de vapor (nivel de ca-beza de las calderas) debe ser man-tenido en un rango de ± 10% de suvalor de consigna, a pesar de quelos cambios en la demanda de va-por pueden ser muy bruscos. Estecontrolador actúa sobre la alimen-tación del agua de calderas.

La última aplicación está rela-cionada con el control de las pre-siones de entrada a las turbinas, enlos colectores de vapor de alta pre-sión. Los controladores PCR actúansobre los valores de consigna delos combustibles quemados en lascalderas, por medio de una casca-da, para controlar la presión en elvalor deseado.

Toda la estructura de control fuediseñada sobre un proceso simula-do construido en el ambiente Mat-lab/Simulink™. Luego, la estruc-tura del controlador se copió alambiente CONCEPT, parte de cu-

yo diagrama se muestra en la figu-ra 10, volcado al PLC desde dondese ejecuta el control PCR.

La tecnología de control predic-tivo PCR tiene la particularidad depoder ser implantada en diversasplataformas de control existentes,sin requerir la adición de nuevosequipamientos.

Ha sido aplicada a un ampliorango de industrias, desde el refinoy la petroquímica hasta la alimen-taria, pasando por la química fina yreactores discontinuos.

La relación coste/beneficio, tan-to de la tecnología como de la im-plantación, es muy atractiva en re-lación a las aplicaciones de controlpredictivo basado en modelos mul-tivariables de gran porte, que sue-

5. Conclusiones

INGENIERIA QUIMICA

64

enero 06

Figura 9. Esquema de la planta de servicios auxiliares

Figura 10. Esquema modular de una parte de la implementación en el PLC Momentum