CONCEPTOS DEL CONTROL AUTOMÁTICO INDUSTRIAL

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CONTROLANDO EL PROCESO .

Al llevar a cabo la función de control , el controlador automático usa la diferencia entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia la válvula . La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medición . Si el transmisor no envía una señal precisa , o si existe un retraso en la medición de la señal , la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada . Al mismo tiempo , el controlador debe recibir una señal de valor de consigna precisa (set-point ) .

En controladores que usan señales de valor de consigna neumática o electrónica generadas dentro del controlador , un falla de calibración del transmisor de valor de consigna resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición a un valor erróneo . la habilidad del controlador para posicionar correctamente la válvula es también otra limitación . Si existe fricción en la válvula , el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una diferencia entre la medición y el valor de consigna .

Intentos repetidos para posicionar la válvula exactamente pueden llevar a una oscilación en la válvula y en la medición , o , si el controlador puede sólo mover la válvula muy lentamente , la habilidad del controlador para controlar el proceso será degradada . Una manera de mejorar la respuesta de las válvulas de control es el uso de posicionadores de válvulas , que actúan como un controlador de  realimentación para posicionar la válvula en la posición exacta correspondiente a la señal de salida del controlador . Los posicionadores , sin embargo , deberían ser evitados a favor de los elevadores de volumen en lazos de respuesta rápida como es el caso de caudal de líquidos a presión .

Para controlar el proceso , el cambio de salida del controlador debe estar en una dirección que se oponga a cualquier cambio en el valor de medición

La figura 3 muestra una válvula directa conectada a un control de nivel  en un tanque a media escala . A medida que el nivel del tanque se eleva , el flotador es accionado para reducir el caudal entrante , así , cuanto mas alto sea el nivel del líquido mayor será el cierre del ingreso de caudal . De la misma manera ,  medida que el nivel cae , el flotante abrirá la válvula para agregar mas líquido al tanque . La respuesta de éste sistema es mostrada gráficamente .

A medida que el nivel va desde el 0% al 100% , la válvula se desplaza desde la apertura total hasta totalmente cerrada . La función del controlador automático es producir este tipo de respuesta opuesta sobre rangos variables , como agregado , otras respuestas están disponibles para una mayor eficiencia del control del proceso .

Definiciones de los elementos en un lazo de control

La figura 1 siguiente grafica los elementos individuales de los bloques en un lazo de control de proceso. El elemento de medición consta de un sensor, un transductor y un transmisor con su propia fuente de alimentación regulada. El elemento de control tiene un actuador, un circuito de control de potencia y su propia fuente de alimentación. El controlador tiene un procesador con memoria y un circuito sumador para comparar el punto de ajuste con la señal detectada para que se pueda generar una señal de error. Luego, el procesador usa la señal de error para generar una señal de corrección para controlar el actuador y la variable de entrada.

Figura 1. Diagrama de bloques de los elementos que componen el trayecto del recorrido de ralimentación de en un lazo de control de procesos.

El lazo de realimentación es el recorrido de la señal desde la salida hasta la entrada para corregir cualquier variación entre el nivel de salida y el nivel ajustado. En otras palabras, la salida de un proceso se monitorea continuamente, se determina el error entre el punto de ajuste y el parámetro de salida, y luego se envía una señal de corrección a una de las entradas del proceso para corregir los cambios en el parámetro de salida medido.

La variable controlada o medida es la variable de salida monitoreada de un proceso. El valor del parámetro de salida monitoreado normalmente se mantiene dentro de límites estrictos.

La variable manipulada es la variable de entrada o parámetro de un proceso que se varía mediante una señal de control desde el procesador a un actuador. Al cambiar la variable de entrada, se puede controlar el valor de la variable a ser controlada.

El punto de ajuste o valor de consigna, es el valor deseado del parámetro o variable de salida que está siendo monitoreado por un sensor. Cualquier desviación de este valor generará una señal de error.

Instrumento es el nombre de cualquiera de los diversos tipos de dispositivos para indicar o medir cantidades o condiciones físicas, rendimiento, posición, dirección y similares.

En términos abstractos, un instrumento es un dispositivo que transforma una variable física de interés (el mensurando) en una forma adecuada para el registro (la medida). Para que la medida tenga un significado amplio y consistente, es común emplear un sistema estándar de unidades mediante el cual la medida de un instrumento se puede comparar con la medida de otro.

Un ejemplo de un instrumento básico es una regla. En este caso, el mensurando es la longitud de algún objeto, y la medida es el número de unidades (metros, pulgadas, etc.) que representan la longitud.

Los sensores son dispositivos que pueden detectar variables físicas, tales como la temperatura, la intensidad de la luz o el movimiento, y tienen la capacidad de dar una salida medible que varía en relación con la amplitud de la variable física. El cuerpo humano tiene sensores en los dedos que pueden detectar la aspereza, la temperatura y la fuerza de la superficie. Un termómetro es un buen ejemplo de sensor escala visible, ya que proporcionará una indicación visual precisa de la temperatura. En otros sensores, como un sensor de presión de diafragma, puede ser necesario un transductor de deformación para convertir la deformación del diafragma en una señal eléctrica o neumática antes de que pueda medirse.

Como se discutió anteriormente, los sensores convierten variables físicas en variables de señal. Los sensores son a menudo transductores en el sentido de que son dispositivos que convierten la energía de entrada de una forma en energía de salida en otra forma. Los sensores se pueden categorizar en dos grandes clases dependiendo de cómo interactúan con el entorno que están midiendo. Los sensores pasivos no agregan energía como parte del proceso de medición pero pueden quitar energía en su operación. Un ejemplo de un sensor pasivo es un termopar, que convierte una temperatura física en una señal de voltaje. En este caso, el gradiente de temperatura en el ambiente genera un voltaje termoeléctrico que se convierte en la señal variable. Otro transductor pasivo es un manómetro en el que la presión que se mide ejerce una fuerza sobre un sistema mecánico (diafragma, aneroide o manómetro de Bourdon) que convierte la fuerza de presión en un desplazamiento, que se puede utilizar como señal variable. Por ejemplo, el desplazamiento del diafragma se puede transmitir a través de un sistema de engranajes mecánicos al desplazamiento de una aguja indicadora en la pantalla del indicador. Los sensores activos agregan energía al entorno de medición como parte del proceso de medición. Un ejemplo de un sensor activo es un sistema de radar o sonar, donde la distancia a algún objeto se mide enviando activamente una onda de radio (radar) o acústica (sonar) para reflejarse en algún objeto y medir su alcance desde el sensor.

Los transductores son dispositivos que pueden cambiar una forma de energía a otra, por ejemplo, un termómetro de resistencia convierte la temperatura en resistencia eléctrica o un termopar convierte la temperatura en voltaje. Ambos dispositivos dan una salida que es proporcional a la temperatura. Muchos transductores se agrupan bajo la denominación de sensores.

Los convertidores son dispositivos que se utilizan para cambiar el formato de una señal sin cambiar la forma de energía, es decir, un cambio de una señal de voltaje a una de corriente.

Los actuadores son dispositivos que se utilizan para controlar una variable de entrada en respuesta a una señal de un controlador. Un actuador típico sería una válvula de control de caudal que puede controlar el régimen de flujo de un fluido en respuesta proporcional a la amplitud de una señal eléctrica del controlador. Otros tipos de actuadores son los relés magnéticos que activan el paso y cortan la energía eléctrica. Algunos ejemplos son los actuadores que controlan la energía de los ventiladores y el compresor en un sistema de aire acondicionado en respuesta a las señales de los sensores de temperatura ambiente.

Los controladores son dispositivos que monitorean las señales de los transductores y toman las acciones necesarias para mantener el proceso dentro de los límites especificados de acuerdo con un programa predefinido de ajustes activando y controlando los actuadores necesarios.

Los controladores lógicos programables (PLC) se utilizan en aplicaciones de control de procesos y son sistemas basados ​​en microprocesadores. Son sistemas pequeños que tienen la capacidad de monitorear varias variables y controlar varios actuadores, con la capacidad de expandirse para monitorear 60 o 70 variables y controlar un número correspondiente de actuadores, como puede ser requerido en una refinería petroquímica. Los PLC, que tienen la capacidad de usar información de entrada analógica o digital y emitir señales de control analógicas o digitales, pueden comunicarse globalmente con otros controladores, se programan fácilmente en línea o fuera de línea y proporcionan una cantidad sin precedentes de datos e información al operador. Las redes de escalera se utilizan normalmente para programar los controladores.

Una señal de error es la diferencia entre el punto de ajuste y la amplitud de la variable medida.

Una señal de corrección es la señal usada para controlar la potencia del actuador para fijar el nivel de la variable de entrada.

Los transmisores son dispositivos que se utilizan para amplificar y formatear señales de modo que sean adecuadas para su transmisión a largas distancias con una pérdida nula o mínima de información. La señal transmitida puede estar disponible en uno de los varios formatos, es decir, neumático, digital, voltaje analógico, corriente analógica o como una señal modulada por radiofrecuencia (RF). La transmisión digital es preferida en los sistemas más actualizados porque el controlador es un sistema digital, y como las señales analógicas se pueden digitalizar con precisión, las señales digitales se pueden transmitir sin pérdida de información. El controlador compara la amplitud de la señal del sensor con un punto de ajuste predeterminado, que en la figura 1.1b siguiente es la amplitud de la señal del sensor de agua caliente.

Fig. 1.1b. Control automático de un lazo de proceso de intercambiador de calor

 

El controlador luego enviará una señal que es proporcional a la diferencia entre la referencia y la señal transmitida al actuador diciéndole al actuador que abra o cierre la válvula que controla el flujo de vapor para ajustar la temperatura del agua a su valor establecido en el valor de consigna.

SELECCIÓN DE LA ACCIÓN DEL CONTROLADOR .

Dependiendo de la acción de la válvula , un incremento en la medida puede requerir incrementos o disminuciones del valor de salida para el control . Todos los controladores pueden ser conmutados entre acción directa o reversa .

· La acción directa significa que cuando el controlador ve un incremento de señal desde el transmisor , su salida se incrementa . · La acción reversa significa que un incremento en las señales de medición hacen que la señal de salida disminuya .

Para determinar cuál de estas salidas es la correcta , un análisis debe ser llevado a cabo en el lazo . El primer paso es determinar la acción de la válvula . En la figura 1 , por razones de seguridad la válvula debe cerrar si existe un fallo en el suministro de aire de la planta . Por lo tanto , esta válvula deber ser normal abierta con aire , o normal cerrada sin aire . Segundo , considere el efecto de un cambio en la medición . Para incrementar la temperatura el caudal de vapor hacia el intercambiador de calor debería ser reducido , por lo tanto , la válvula deberá cerrarse . Para cerrarse ésta válvula , la señal del controlador automático hacia la válvula debe disminuir , por lo tanto el controlador requiere acción de disminución/incremento reversa . Si se eligiera la acción directa el incremento de señales desde el transmisor daría como resultado en un aumento del caudal de vapor , haciendo que la temperatura se incremente aún mas . El resultado sería un descontrol en la temperatura . Lo mismo ocurriría en cualquier disminución de temperatura causando una caída de la misma . Una selección incorrecta de la acción del controlador siempre resulta en un lazo de control inestable tan pronto como el mismo es puesto en modo automático . Asumiendo que la acción correcta sea seleccionada en el controlador , cómo sabe el dispositivo cuando la salida correcta ha sido alcanzada ? , en la figura 3 , por ejemplo , para mantener el nivel constante , el controlador debe manipular el ingreso de caudal igual al de salida , según se demande . El controlador lleva a cabo su trabajo manteniendo éste balance en un estado permanente , y actuando para restaurar este balance entre el suministro y la demanda cuando el mismo es modificado por alguna variación .

VARIACIONES

Cualquiera de los siguientes tres eventos podría ocurrir requiriendo un caudal diferente para mantener el nivel en el tanque . Primero , si la posición de la válvula manual de salida fuera abierta ligeramente , entonces un caudal mayor saldría del tanque , haciendo que el nivel caiga . Este es un cambio bajo demanda , y para restaurar el balance , la válvula de entrada de caudal debe ser abierta para proveer un mayor ingreso de líquido . Un segundo tipo de condición de desbalance sería un cambio en el valor de consigna . El tercer tipo de variación sería un cambio en el suministro , si la presión de salida de la bomba se incrementara , aún si la válvula de entrada se mantuviera en su posición , el incremento de presión causaría un mayor caudal , haciendo que el nivel comience a elevarse . Al madir el incremento , el controlador de nivel debería cerrar la válvula en la entrada para mantener el nivel a un valor constante . De igual manera , cualquier controlador usado en el intercambiador de calor mostrado en la figura 1 debería balancear el suministro de calor agregado por el vapor con el calor arrastrado por el agua . La temperatura sólo se puede mantener constante si el caudal de calor entrante iguala al calor que sale .

Relación del instrumento y el control de procesos

La figura siguiente muestra como es posible controlar el proceso de giro de un motor al conocer la posición de salida sensada por la variación de la posición de un cursor sobre una resistencia variable. Otro forma simple es sensar la presión y/o temperatura de un proceso con las cuales se puede determinar a partir de la ecuación de estado la variable dependiente y comparar el valor obtenido con un valor de referencia (set point), de esta forma se puede alterar controlando con una válvula la entrada de mas o menos vapor que dará incrementos de temperatura hasta alcanzar el valor de referencia.

También simplemente se puede leer de un termómetro una temperatura que auxiliará al operador a tomar decisiones.

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>Fig. Ilustración del sensado de la variable desplazamiento.

Señales de medición para las variables

La Tabla 1 ilustra las variables y las señales de medición apropiadas para cada caso, se incluyen notas aclaratorias.

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Notas aclaratorias de la tabla 1

1. La temperatura se mide por radiación. Todos los cuerpos radian y absorben energía de ondas electromagnéticas, dependiendo de su temperatura, la relación entre la temperatura y la radiación no implica el uso de algún transductor, sin embargo, la radiación se emplea para medir la temperatura, especialmente para las altas temperaturas.

2. La masa se mide casi siempre por el efecto de la gravedad, por su peso.

3. La humedad se mide por la temperatura del punto de rocío. Esto se aplica a la medición directa de la temperatura del agua pura cuya presión de vapor es igual a la presión de vapor que se va a medir y también a la presión del vapor del cloruro de litio saturado en elementos saturados con cloruro de litio.

4. No existe ningún transductor simple para la medición de calor específico, valor calorífico, entropía, entalpía y otras variables similares. Cualquiera de estas mediciones se derivan de cálculos basados en mediciones de otras variables, o se utiliza equipo especializado para mantener constantes cierto número de condiciones, en tal forma que una de las variables, por lo general, la temperatura, se altere en una relación predeterminada con respecto a los cambios de la variable que se mide.

5. Las variables fotométricas y acústicas incluyen diversas variables diferentes. El elemento sensible para la mayoría de las variables fotométricas es algún tipo de foto celda. El elemento sensible para muchas de las variables acústicas es cierto tipo de micrófono. Ambas tienen salidas analógicas (eléctricas). La relación entre la variable, el elemento sensible, el equipo asociado y la señal de medición, varía con la medición en particular.

6. La dimensión y el contorno definidos como la posición relativa entre varios puntos, casi siempre se miden en términos de una posición en que el punto seleccionado de la dimensión o contorno mantiene cierta relación predeterminada con respecto a un punto de referencia en la posición del sistema de medición.

7. Las variables que se refieren a las características estructurales incluyen un grupo tan variado y amplio de tales factores que se haría demasiado extenso la discusión de una sola de las características estructurales.

8. Las variables de composición química se encuentran en el mismo caso que las variables de la nota anterior.

Sistemas de control

Algunas aplicaciones de los instrumentos de medida pueden caracterizarse por tener esencialmente una función de monitorización. Los termómetros, barómetros y anemómetros sirven para ese propósito, simplemente indican la condición del medio ambiente y sus lecturas no sirven como función de control en sentido ordinario, al igual los medidores de agua, gas y electricidad del hogar cuentan las cantidades que se consumen de esos fluidos para poder cancelar el monto a pagar por el usuario. En el caso de las empresas que trabajan con elementos radioactivos, sus trabajadores deben llevar consigo una película que sirve para acusar la exposición acumulativa del portador.

Todos estos elementos de medición reportan beneficios, pero no sirven para poder controlar procesos dinámicos como los empleados hoy por cualquier industria. En este caso, al sistema de control se le llama de lazo abierto, ejemplo de ello esta ilustrado en la figura siguiente, el elemento final de control puede ser una válvula que se abre o cierra cuando se desea controlar el fluido.

 

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>Figura - Lazo abierto de control.

Cuando se desea controlar un proceso, se debe realizar una comparación de las medidas de salida (variable controlada) con las referencias deseada y ajustar entonces las variables de entrada para poder alcanzar la meta deseada. La figura siguiente ilustra un ciclo de lazo cerrado.

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>Figura - Lazo cerrado de control.

El control en cascada

El control en cascada del sistema

En algunos procesos, dos o más variables de proceso afectan igualmente al comportamiento de la otra, donde una es controlada con la combinación de control de otra. Para este tipo de proceso se utiliza el control en cascada.

El control en cascada es un tipo de terminología de control en el que una variable de proceso es controlada por la combinación de los controles de dos variables de proceso. En el control en cascada dos variables de proceso son controladas por un único elemento de control final. En este sistema de control un controlador es reconocido como controlador maestro y el otro como controlador esclavo. El controlador maestro se fija en un punto de ajuste (valor de consigna o set point) por el operador y su salida se convierte en el punto de ajuste del controlador esclavo y salida del controlador esclavo va al elemento de control final. Entonces, cualquier cambio de alguna de las variables de proceso crea el cambio en la posición del elemento de control final, por lo tanto el proceso es controlado por una combinación de ambas variables de proceso.

A continuación se da un tipo de control en cascada. (En este sistema la temperatura se controla mediante el control del flujo) Aquí el controlador de temperatura del quemador se utiliza como controlador principal y el controlador de flujo de combustible se utiliza como el controlador esclavo, donde la salida del controlador de temperatura se convierte en punto de ajuste del controlador de flujo y, finalmente, la salida del controlador de flujo va hacia la válvula de control de flujo de combustible. Por lo tanto controlando el flujo de combustible se controla la temperatura del quemador.

Figura: Control de temperatura de un incinerador

 

CARACTERISTICAS DEL PROCESO Y CONTROLABILIDAD .

El controlador automático usa cambios en la posición del actuador final para controlar la señal de medición , moviendo el actuador para oponerse a cualquier cambio que observe en la señal de medición . La controlabilidad de cualquier proceso es función de lo bien que una señal de medición responde a éstos cambios en la salida del  controlador ; para un buen control la medición debería comenzar a responde en forma rápida , pero luego no cambiar rápidamente . Debido al tremendo número de aplicaciones del control automático , caracterizando un proceso por lo que hace , o por industria , es una tarea engorrosa . Sin embargo , todos los procesos pueden ser descriptos por una relación entre las entradas y las salidas . La figura 4 ilustra la respuesta de la temperatura del intercambiador de calor cuando la válvula es abierta incrementando manualmente la señal de salida del controlador .

Al comienzo , no hay una respuesta inmediata en la indicación de temperatura , luego la respuesta comienza a cambiar , se eleva rápidamente al inicio , y  se aproxima al fina a un nivel constante . El proceso puede ser caracterizado por dos elementos de su respuesta , el primero es el tiempo muerto (dead time en Inglés ) , o sea el tiempo antes de que la medición comience a responder , en éste ejemplo , el tiempo muerto se eleva debido a que el calor en el vapor debe ser conducido hasta el agua antes de que pueda afecta a la temperatura , y luego hacia el transmisor antes de que el cambio pueda ser percibido . El tiempo muerto es una función de las dimensiones físicas de un proceso y cosas tales como las velocidades de correas y regímenes de mezcla . Segundo , la capacidad de un proceso es el material o energía que debe ingresar o abandonar el proceso para cambiar las mediciones , es , por ejemplo , los litros necesarios para cambiar el nivel , las calorías necesarias para cambiar la temperatura , o los metros cúbicos de gas necesarios para cambiar la presión . La medición de una capacidad es su respuesta para un paso de entrada . Específicamente , el tamaño de una capacidad es medida por una constante de tiempo , que es definido como el tiempo necesario para completar el 63% de su respuesta total . La constante de tiempo es una función del tamaño del proceso y del régimen de transferencia de material o energía .Para este ejemplo , cuanto mas grande sea el tanque , y menor el caudal de vapor , mayor será la constante de tiempo . Estos números pueden ser de tan sólo algunos segundos , y tan largos como varias horas . Combinados con el tiempo muerto , los mismos definen cuanto tiempo lleva para que la señal responda a cambios en la posición de la válvula . Un proceso puede comenzar a responder rápidamente , pero no cambiar muy rápido si su tiempo muerto es pequeño y su capacidad muy grande . En resumen , cuanto mayor sea la constante de tiempo de la capacidad comparada con el tiempo muerto , mejor será la controlabilidad del proceso .

TIPOS DE RESPUESTAS DE CONTROLADOR .

La primera y mas básica característica de la respuesta del controlador ha sido indicada como la acción directa o reversa . Una vez que esta distinción se ha llevdo a cabo , existen varios tipos de respuestas que pueden ser usadas para controlar un proceso . Estas son :

 

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