Diseño de controladores para el manejo de las operaciones industriales

Abstract

En la industria química se desarrollan múltiples operaciones industriales, las cuales requieren ser optimizadas para maximizar la eficiencia, asegurar que el proceso permanezca dentro de los límites de seguridad predefinidos, reducir la variabilidad del producto final, reducir el impacto ambiental, entre otros objetivos; por lo cual, se han desarrollado múltiples investigaciones para implementar un control efectivo de dichas operaciones industriales. El aumento notable en la necesidad de agua apta para el consumo humano y su inminente escasez en los próximos años, a causa de la existencia limitada de agua dulce, genera una problemática que puede encontrar una alternativa de solución viable si se aprovechan las vastas reservas de agua marina para obtener agua para múltiples propósitos, mediante la desalación por ósmosis inversa. Este proceso se caracteriza por utilizar variables de control como la cantidad y la conducción de la corriente eléctrica del permeado, que sirven para analizar las características del agua obtenida, y se establecen como variables manipuladas del agua a su ingreso, al pH y a la presión. El control automático cuando se desarrolla la tecnología de ósmosis inversa utiliza controladores óptimos que permiten obtener agua que cumpla con las condiciones establecidas de conductividad y con la producción requerida, bajo diferentes condiciones de operación. Actualmente, en Perú se cuenta con una planta desarrollada en pos de obtener agua potable a través del proyecto Provisur, que se encarga del sistema de saneamiento para las poblaciones de Lima Sur, con una producción máxima de 34560 m3/día; por ello, se considera que la técnica para eliminar la sal del agua de mar mediante ósmosis inversa es una tecnología emergente y da lugar a que los aspectos del control de estas operaciones tengan gran importancia y sean objeto de investigaciones. La incorporación de un control eficiente para este proceso se basa en los siguientes fundamentos técnicos: caracterización y reconocimiento de la dinámica de funcionamiento de un sistema de ósmosis inversa, diseño de controladores adecuados a cada condición de operación, simulaciones que reflejen el proceso real, implementación práctica de los controladores diseñados y adaptabilidad frente a los diversos escenarios de operación. A lo largo del presente informe se van a considerar modelos matemáticos para la caracterización de una unidad de ósmosis inversa además del diseño de sistemas de control óptimos para este proceso. Todo ello con el fin de facilitar una visión adecuada durante el diseño de controladores para el manejo de operaciones industriales.

In the chemical industry, multiple industrial operations are developed, which need to be optimized to increase efficiency, ensure that the process remains within predefined safety limits, reduce the variability of the final product, reduce environmental impact, among other objectives; therefore, multiple investigations have been developed to implement an effective control of said industrial operations. The notable increase in the necessity of having access to safe drinking water and its imminent scarcity in the coming years, due to limited existence of fresh water reserves, generates a problem that can find a viable alternative solution if the vast reserves of seawater are used to obtain water suitable for various uses, by removing salts using reverse osmosis technology. This process is characterized by using control variables such as the quantity and the análisis of permeate conductivity are employed to characterize the properties of the produced water and are established as manipulated variables at pH and pressure of the inlet water. The automatic control of reverse osmosis using optimal controllers allows obtaining water that meets the established conductivity conditions and the required production, under different operating conditions. Currently, in Peru there is a plant for obtaining drinking water developed through the Provisur Project, which is responsible for the management of the sanitation system serving the southern Lima population, with a maximum production of 34560 m3/day; for this reason, this is the technique to remove salt from seawater through reverse osmosis is an emerging technology and gives rise to the control aspects of these operations being of great importance and being the subject of investigations. The incorporation of an efficient control system in this process is based on the following technical foundations: characterization and recognition of the operating dynamics of a reverse osmosis module, design of controllers appropriate for each operating condition, simulations that reflect the real process, practical implementation of the designed controllers, and adaptability to various operating scenarios. Throughout this report, mathematical models will be considered for the purpose of identifying a suitable reverse osmosis unit and to the design of optimal control systems for this process. All this in order to facilitate an adequate vision during the engineering of control solutions for industrial operations.