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 .

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. >

>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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