Control automático en la industria . Un poco de historia , aspectos generales .

La aplicación del principio de realimentación tiene sus comienzos en máquinas e instrumentos muy sencillos , algunos de los cuales se remontan a 2000 años atrás .

El aparato mas primitivo que emplea el principio de control por realimentación fue desarrollado por un griego llamado Ktsibios aproximadamente 300 años A.C. . Se trataba de un reloj de agua como el mostrado en la figura el cual medía el pasaje del tiempo por medio de una pequeño chorro de agua que fluía a velocidad constante dentro de un recipiente . 

El mismo poseía un flotante que subía a medida que el tiempo transcurría . Ktsibios resolvió el problema del mantenimiento del caudal constante de agua inventando un aparato semejante al usado en los carburadores de los motores modernos . Entre el suministro de agua y el tanque colector había una regulación de caudal de agua por medio de una válvula flotante que mantenía el nivel constante . Si el nivel se elevaba ( como resultado de un incremento en la presión de suministro por ejemplo ) , el flotante se elevaba restringiendo el caudal de agua en el recipiente regulador hasta que el flotante volvía al nivel específico . En el siglo IX el regulador de nivel a flotante es reinventado en Arabia . En este caso se usaba para mantener el nivel constante en los bebederos de agua . En el siglo XVI , en Inglaterra se usaba el principio de realimentación para mantener automáticamente las paletas de los molinos de viento en una posición normal a la dirección del viento . En el siglo XVII , en Inglaterra se inventaba el termostato que se aplicaba para mantener la temperatura constante de una incubadora .

En primer uso del control automático en la industria parece haber sido el regulador centrífugo de la máquina de vapor de Watt en el año 1775 aproximadamente . Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula . Por lo tanto , están presentes todos los elementos de realimentación . Aún cuando el principio de control por realimentación desde muchos años en la antigüedad , su estudio teórico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia .

El primer análisis de control automático es la explicación matemática del regulador centrífugo por James Clerk Maxwell en 1868 .

Mas tarde la técnica del regulador se adjudicó a otras máquinas y turbinas y a principio del siglo XX comenzó la aplicación de reguladores y servomecanismos en reguladores de energía térmica al gobierno de buques . La primera teoría general sobre control automático , pertenece a Nyquist en el famoso artículo “Teoría de la regeneración “. Este estudio sentó las bases para la determinación de la estabilidad de sistemas sin necesidad de resolver totalmente las ecuaciones diferenciales . Otros desarrollos en servomecanismos y amplificadores eléctricos dieron origen a muchas técnicas de frecuencia y lugar geométrico que se usan hoy en día . Las aplicaciones generales al control de procesos no comenzaron hasta la década del ’30 . Las técnicas de control se consagraron rápidamente , tal es así que ya en los años ’40 funcionaban redes de control relativamente complejas .

En casi todas la fases de procesos industriales se utilizan aparatos de control automático . Se usan corrientemente en :

1- Industrias de procesamiento como la del petróleo , química , acero , energía y alimentación para el control de la temperatura , presión , caudal y variables similares .

2- Manufactura de artículos como repuestos o partes de automóviles , heladeras y radio , para el control del ensamble , producción , tratamiento térmico y operaciones similares .

3- Sistemas de transporte , como ferrocarriles , aviones , proyectiles y buques .

4- Máquinas herramientas , compresores y bombas , máquinas generadoras de energía eléctrica para el control de posición , velocidad y potencia .

Algunas de la muchas ventajas del control automático , ya muy difundido , son las siguientes :
a) Aumentó en la cantidad o número de productos
b) Mejora de la calidad de los productos
c) Economía de materiales
d) Economía de energía o potencia
e) Economía de equipos industriales
f) Reducción d inversión de mano de obra en tareas no especializadas .

Estos factores generalmente contribuyen a aumentar la productividad . La difusión de la aplicación del control automático en la industria ha creado la necesidad de elevar el nivel de la educación de un sector de obreros semiespecializados , capacitándolos para desempeñar tareas de mayor responsabilidad: el manejo y mantenimiento de equipos e instrumentos de control .

Cibernética e instrumentación

La ciencia de la cibernética e instrumentación se ocupa de los fenómenos de comunicación y control en la naturaleza , las máquinas o el hombre. Hay dos sectores de trabajo en el campo de la instrumentación e información.

a) Estudio de la teoría de comunicación e información
b) Estudio de la teoría de control y realimentación .

Las leyes importantes de comunicación y control tratan de la información concerniente al estado y comportamiento de los sistemas y no se ocupan de la energía o de la transferencia de energía dentro del sistema . El uso de la energía es del orden secundario para el propósito principal de control o comunicación .

El caso de un espejo que dirige un haz de luz que incide sobre él , puede considerarse como un sistema elemental de control , que controla el haz de luz de acuerdo con la relación “el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia”. En la ingeniería y en la ciencia se restringe el significado de sistemas de control al aplicarlo a los sistemas cuya función principal es comandar , dirigir , regular dinámica o activamente .

El sistema ilustrado en la figura a la derecha , que consiste en un espejo pivoteado en uno de sus extremos y que se puede mover hacia arriba o hacia abajo por medio de un tornillo en el otro extremo , se denomina propiamente un sistema de control . En ángulo de la luz reflejada se regula por medio del tornillo .

Ejemplos de sistemas de control .

Los sistemas de control abundan en el medio ambiente del hombre . Antes de mostrar esto , se definirán los términos entrada y salida que ayudarán a identificar o definir al sistema de control .
La entrada es el estímulo o la excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa , generalmente con el fin de producir de parte del sistema de control , una respuesta especificada .
La salida es la respuesta obtenida del sistema de control . Puede no ser igual a la respuesta especificada que la entrada implica . El objetivo del sistema de control generalmente identifica a define la entrada y la salida . Dadas éstas es posible determinar o definir la naturaleza de los componentes del sistema .
Los sistemas de control pueden tener mas de una entrada o salida . Existen tres tipos básicos de sistemas de control :
1.Sistemas de control hechos por el hombre.
2.Sistemas de control naturales , incluyendo sistemas biológicos .
3. Sistemas de control cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales .

Ejemplo 1 .
Un conmutador eléctrico es un sistema de control ( uno de los mas rudimentarios ) hecho por el hombre , que controla al flujo de electricidad . Por definición , el aparato o la persona que actúa sobre el conmutador no forma parte de este sistema de control . La entrada la constituye la conmutación del dispositivo tanto hacia el estado de conducción como hacia el de corte . La salida la constituye la presencia o ausencia del flujo ( dos estados ) de electricidad .

Ejemplo 2 .
Un calentador o calefactor controlado por medio de un termostato que regula automáticamente la temperatura de un recinto . La entrada de este sistema es una temperatura de referencia , ( generalmente se especifica graduando el termostato convenientemente ) . La salida es la temperatura del recinto . Cuando el termostato detecta que la salida es menor que la entrada , el calefactor produce calor hasta que la temperatura del recinto sea igual a la entrada de referencia . Entonces , el calefactor se desconecta automáticamente .

Ejemplo 3.
La indicación de un objeto con un dedo requiere de un sistema de control biológico constituido principalmente por los ojos, el brazo , la mano , el dedo y el cerebro de un hombre . La entrada es la dirección precisa del objeto ( en movimiento o no ) con respecto a una referencia , y la salida es la dirección que se indica con respecto a la misma referencia .

Consideraciones sobre la instalación de un control de proceso industrial

La instalación de un control de proceso tiene una serie de requisitos básicos que incluyen precauciones de seguridad y suministros eléctricos, de agua y de aire confiables y bien regulados.

Se requiere un suministro eléctrico para todos los sistemas de control y debe cumplir con todas las normas vigentes en la planta industrial. La integridad del suministro eléctrico es lo más importante. Muchas instalaciones tienen sistemas de respaldo para proporcionar un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) para que se active en caso de pérdida de energía externa. Un corte de energía puede significar el cierre de la planta y la pérdida de ciclos de producción completos. Se debe usar un transformador de aislamiento en las líneas de suministro de energía para evitar que las interferencias electromagnéticas (EMI) generadas por motores, contactores, relés, etc., viajen a través de las líneas de energía y afecten a los instrumentos de control electrónicos sensibles.

• Instrumentación industrial. Normas.

La conexión a tierra es una consideración muy importante en una instalación eléctrica industrial por razones de seguridad. Cualquier variación en el potencial de tierra entre equipos electrónicos puede causar grandes errores en los niveles de señal. Cada equipo debe estar conectado a un bus de cobre de gran sección que esté debidamente conectado a tierra. Los lazos de tierra también deben evitarse conectando a tierra las pantallas de los cables y las líneas de retorno de señal en un solo extremo. En algunos casos, puede ser necesario utilizar aisladores de señal para aliviar los problemas de conexión a tierra en dispositivos y equipos electrónicos.

Se requiere un suministro de aire comprimido para impulsar los actuadores neumáticos en la mayoría de las instalaciones. El aire para instrumentos en el equipo neumático debe cumplir con los estándares de calidad, el aire debe estar libre de suciedad, aceite, contaminantes y humedad. La humedad congelada, la suciedad y otros pueden bloquear total o parcialmente las secciones y boquillas estrechas, dando lecturas falsas o fallas totales del equipo. Los compresores de aire están equipados con secadores de aire y filtros, y tienen un tanque de reserva con una capacidad lo suficientemente grande para un suministro de varios minutos en caso de falla del sistema. Se suministrará aire seco y limpio a una presión de 90 psig (630 kPa.g) y con un punto de rocío de 20 °F (10 ° C) por debajo de la temperatura mínima de funcionamiento en invierno a presión atmosférica. Se puede encontrar información adicional sobre la calidad del aire para instrumentos en ANSI / ISA-7.0.01-1996, Estándar de calidad de aire para instrumentos.

El suministro de agua es necesario en muchas operaciones de limpieza y enfriamiento, y para la generación de vapor. Los suministros de agua domésticos contienen grandes cantidades de partículas e impurezas y pueden ser satisfactorios para el enfriamiento, pero no son adecuados para la mayoría de las operaciones de limpieza. El filtrado y otros procesos similares pueden eliminar algunos de los contaminantes haciendo que el agua sea adecuada para algunas operaciones de limpieza, pero para el agua ultrapura puede ser necesario un sistema de ósmosis inversa.

Se debe considerar la instalación y el mantenimiento al ubicar instrumentos, válvulas, etc. Cada dispositivo debe ser de fácil acceso para su mantenimiento e inspección. También puede ser necesario instalar válvulas manuales para que el equipo pueda ser reemplazado o reparado sin una parada completa de la planta. Puede ser necesario contratar el mantenimiento de ciertos equipos o hacer que el proveedor instale el equipo, si las habilidades necesarias no están disponibles internamente.

La seguridad es la máxima prioridad en una instalación. Se debe usar el material correcto en la construcción de contenedores, plomería, sellos y empaquetaduras para evitar la corrosión y fallas que provoquen fugas y derrames de materiales peligrosos. Todo el equipo eléctrico debe instalarse correctamente según el código con disyuntores. Los sistemas eléctricos deben tener el retardante de fuego correcto para su uso en caso de incendios eléctricos. Puede encontrar más información en ANSI / ISA-12.01.01-1999, Definiciones e información relacionada con instrumentos eléctricos en ubicaciones peligrosas.

Variables y señales de medición

Toda industria que maneja procesos requiere cuantificar las cantidades de productos que entran o salen de un recipiente, tubería o sencillamente de un espacio limitado por bordes virtuales, en plantas de procesos por lo general hay que medir también las propiedades (temperatura, presión, masa, densidad, etc.). La medición de las cantidades involucradas permite controlar el proceso, agregando otro componente a la mezcla, reduciendo o incrementando la temperatura y/ o la presión, en fin, permite tomar decisiones acerca del paso siguiente para lograr un objetivo.

La cuantificación de las cantidades se realiza a través de dispositivos que emiten señales dependientes por lo general del cambio en la cantidad involucrada, definiéndose entonces la señal como un estimulo externo o interno a un sistema que condiciona su comportamiento.

Matemáticamente la señal se representa como una función de una o mas variables independientes que contienen información acerca de la naturaleza o comportamiento de algún fenómeno, los sistemas responden a señales particulares produciendo otras señales. Para citar un ejemplo cotidiano, cuando el conductor de un automóvil presiona el pedal del acelerador, el automóvil responde incrementando la velocidad del vehículo. En este caso, el sistema es el automóvil, la presión sobre el pedal del acelerador es la entrada del sistema y la velocidad del automóvil es la respuesta.

Fig.: Representación gráfica de señales de (a) tiempo continuo y (b) tiempo discreto

2 Definición de variable

Las cantidades o características que se miden (las cuales sirven de base de control) se denominan variables, frecuentemente reciben el nombre de variables de medición, variables de instrumentación o variables de proceso. Existen variables dependientes e independientes. Las fórmulas siguientes ilustran la relación entre variables

3 Clasificación de las variables

Las características que se miden, las variables de medición, se han clasificado según el campo a la cual están dedicados, así entonces se pueden establecer:

a. Variables térmicas

Las variables térmicas se refieren a la condición o carácter de un material que depende de su energía térmica. Para cuantificar la energía térmica de un material se requiere conocer las condiciones:

- Temperatura: Se define como la condición de un cuerpo o material que determina la transferencia de calor hacia o desde otros cuerpos.

- Calor específico: Es la propiedad de un cuerpo que define la relación entre el cambio de temperatura y la variación del nivel de energía térmica.

- Variables de energía térmica: Se evalúan a partir de la entalpía y entropía relacionadas con la energía térmica total y la disponible en un cuerpo.

- Valor calorífico: Representa la característica de un material que determina la cantidad de energía térmica (calor) que se produce o absorbe por un cuerpo sometido a condiciones específicas.

b. Variables de radiación

Las variables de radiación se refieren a la emisión, propagación y absorción de energía a través del espacio o de algún material en la forma de ondas; y por extensión, la emisión, propagación y absorción corpuscular. Deben incluir las variables fotométricas (color, brillo, reflectancia, etc.) relacionadas con la luz visible y las variables acústicas que incluyen los sonidos perceptibles y las ondas imperceptibles que se propagan a través de cualquier medio, tales como las ondas ultrasónicas.

- Radiación nuclear: Es la radiación asociada con la alteración del núcleo del átomo.

- Radiación electromagnética: El espectro de radiación electromagnética incluye la energía radiante desde la emisión a frecuencias de potencia pasando por las bandas de transmisión de radio; calor radiante, luz infrarroja, visible y ultravioleta y los rayos X y cósmicos. Una forma de radiación electromagnética son los rayos gamma procedentes de fuentes de suministro nucleares.

c. Variables de fuerza

Las variables de fuerza son aquellas cantidades físicas que modifican la posición relativa de un cuerpo, la modificación puede incluir hasta la alteración de las dimensiones en forma permanente (deformaciones plásticas) o en forma transitoria (deformaciones elásticas), las fuerzas pueden tener un carácter estático (peso propio) o dinámico. Las pueden producir desplazamientos y/o deformaciones lineales, flexionantes y/o torsionantes.

Las cargas que representan interés son las fuerzas totales, momentos flexionantes, momentos o par de torsión, la presión o vacío (variable dependiente de la fuerza y del área sobre la que actúa).

d. Variables de velocidad

Estas variables están relacionadas con la velocidad a la que un cuerpo se mueve hacia o en dirección opuesta a un punto de referencia fijo. El tiempo siempre es uno de los componentes de la variable velocidad, el término velocidad se asocia a un fluido a través del flujo o caudal, en caso de cuerpos se puede apreciar la rapidez con que el cuerpo recorre una medida por unidad de tiempo, la medida puede ser lineal o angular. La variable velocidad puede también cambiar en el tiempo dando origen a otra variable representada por la aceleración.

Las variables de cantidad se refieren a la cantidad total de material que existe dentro de ciertos límites específicos, así por ejemplo: la masa es la cantidad total de materia dentro de límites específicos. En este caso, el peso es la medida de la masa en base a la atracción de la gravedad.

f. Variables de tiempo

Las variables de tiempo son las medidas del lapso transcurrido, es la duración de un evento en unidades de tiempo, la cantidad de periodos que se repiten en una unidad de tiempo se define como la frecuencia, la cual por lo general se mide en Hertz.

g. Variables geométricas

Estas se refieren a la posición o dimensión de un cuerpo. Las variables geométricas están relacionadas con el estándar fundamental de longitud. Se puede apreciar como variable la posición de un cuerpo con respecto a una referencia, se puede dimensionar un cuerpo tomando la distancia relativa entre dos puntos, se puede determinar la superficie de un cuerpo partiendo del área encerrada por al menos tres puntos de distancias entre sí conocida. Se puede apreciar la forma, el contorno según la localización relativa de un grupo de puntos representativos de la superficie que se mide. Dentro de las variables geométricas debe considerarse al nivel de un líquido o sólido representado por la altura o distancia desde la referencia base.

h. Variables de propiedades físicas

Las variables de propiedades físicas se refieren a las propiedades físicas de sustancias, sin considerar aquellas que están relacionadas con la masa y la composición química. Por ejemplo:

- Densidad y Peso Específico: Por definición la densidad es la cantidad de masa de una materia contenida en una medida de volumen unitario, mientras que el peso específico es la relación entre la densidad del material y la densidad del agua a condiciones especificadas.

- Humedad: Es la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. La humedad absoluta es el peso de agua en la unidad de volumen, en algunas ocasiones se expresa en términos de la presión del vapor de agua. La humedad relativa es la relación entre la presión existente del vapor de agua en cierta atmósfera y la presión del vapor de agua saturado a la misma temperatura. El contenido de humedad es la cantidad de agua libre que se encuentra en una sustancia.

- Viscosidad: Es la resistencia que ofrece un fluido a su deformación por corte.

- Características estructurales: Son las propiedades cristalinas, mecánicas o metalúrgicas de las sustancias. Dureza, ductilidad, estructura metalúrgica, etc.

i. Variables de composición química

Son las propiedades químicas de las sustancias referidas a su composición, a su acidez o alcalinidad.

j. Variables eléctricas

Las variables eléctricas son las necesarias para evaluar energía eléctrica, por ejemplo: diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, corriente eléctrica que circula por un conductor (impedancia), resistencia que ofrece un elemento al paso de corriente (resistividad), capacidad de un cuerpo en retener energía eléctrica (capacitancia) o inducir campos magnéticos (inductancia).

4 Clasificación por señal de medición

Para la mayoría de las mediciones el cambio en la variable que se mide se transforma en el cambio de alguna otra variable (señal de medición), la cual a su vez opera el dispositivo e inicia la acción de control o puede convertirse en una señal de medición. Así por ejemplo, la medición de flujo utilizando una placa orificio o un tubo Venturi (elemento primario) desarrolla una presión diferencial (señal de medición), la cual puede operar directamente un indicador, registrador o puede convertirse en una segunda señal de medición (neumática o eléctrica) que operará al dispositivo. La señal (analógica) eléctrica o neumática en los dispositivos modernos se convierte en una señal digital que a su vez puede enviarse a una computadora u otro dispositivo de control. La señal analógica se remite a un transductor que es un dispositivo que tiene la misión de recibir energía de una naturaleza eléctrica, mecánica, acústica, etc., y suministrar otra energía de diferente naturaleza, pero de características dependientes de la que recibió, como ejemplo: un convertidor analógico - digital (A/D C).

El uso de señales de medición permite la medición de todas las diferentes variables mediante una combinación de transductores primarios especializados, junto con un número pequeño de sistemas de respuesta asociados con un pequeño número de señales de medición.

Las señales de medición se incluyen dentro de diez divisiones sencillas:

a. Movimiento

Todas las manifestaciones del valor de la variable medida están basadas en alguna forma de movimiento, el cual es una entrada singular a los transductores, controladores, computadoras y otros sistemas de respuesta a la medición.

Figura - Ciclo de adquisición y tratamiento de señales de medición.

- Movimiento mecánico: El desplazamiento de un indicador, plumilla de registro o de otro elemento sólido es la forma mas usual del efecto que se mide. El movimiento mecánico (lineal o angular) se toma también como un efecto de entrada a otros sistemas de respuesta.

- Desplazamiento líquido: Se emplea como manifestación en los termómetros con vástago de vidrio, los manómetros con tubo de vidrio y otros similares. También se emplea como señal de transmisión en los sistemas de termómetro llenos de líquido y de tubo metálico, y en otros sistemas.

- Movimiento de una luz o haz de electrones: Se emplea como manifestación en los osciloscopios, oscilógrafos, galvanómetros de haz de luz y otros semejantes. También se utiliza como elemento sensible de posición en algunas aplicaciones donde se requiere que la fuerza de reacción del elemento sensible sea despreciable.

b. Fuerza

Es un tipo común de señal utilizada en la conversión, transmisión y utilización de las mediciones.

• Fuerza mecánica total: Se usa con frecuencia como entrada de control, como elemento de conversión en los dispositivos de fuerzas balanceadas y para la transmisión de señales a distancias medidas en unidades de longitud. Se puede derivar y convertir en movimiento, o en presión diferencial o estática.

• Presión: La fuerza por unidad de área en los fluidos es una señal de medición que emplea para la transmisión de la medición. Se utiliza tanto como presión estática como la diferencial con valores que varían desde presiones diferenciales de pulgadas de agua, las cuales se desarrollan mediante una placa orificio, hasta presiones de 1.000 lb./pulg² desarrolladas en sistemas con termómetro lleno de gas y sellados. Las presiones neumáticas que se aceptan como estándar son 3 a 15 lb./pulg² (poco usual de 3 a 27 lb./pulg²) para la transmisión neumática de las señales de medición y control.

c. Señales eléctricas

Se dispone de transductores para transformar prácticamente todas las variables a las señales de medición eléctricas correspondientes, la cual, en la actualidad, en la casi totalidad de los instrumentos modernos se convierte en una señal digital que muestra una pantalla adicionada al instrumento o es enviada a una computadora para su evaluación, procesamiento, toma de decisiones.

• Señal de voltaje o corriente: Las señales de voltaje o corriente tienen una relación fija entre la variable medida y la señal de voltaje o de corriente.

• Señal de relación de voltaje y corriente: Las señales de relación de voltaje y corriente son aquellas en que la relación entre el voltaje y la corriente es la característica significativa de la señal de medición. Cuando el cambio en la variable que se mide produce un cambio de impedancia en el circuito de medición, la relación entre el voltaje y la corriente, o entre los voltajes o corrientes de entrada y de salida, define el valor medido.

d. Señales de medición de tiempo modulado

Para la transmisión de las mediciones, particularmente a grandes distancias se utiliza cierto número de señales de tiempo modulado del tipo “abierto – cerrado”.

• Señal de duración de un pulso: Generalmente operan con la duración de un ciclo constante que varía entre 1 y 15 segundos, en donde la relación entre el tiempo que el circuito esta cerrado y el tiempo en que el circuito se encuentra abierto, durante cada ciclo, representa el valor de la variable. Las señales con duración de un pulso también se utilizan para la integración, sin que importe la distancia de transmisión.

• Señal de frecuencia: La señal de la frecuencia representa el cambio del valor de la variable que se mide, se emplean con frecuencia para la transmisión de la medición, particularmente sobre circuitos portadores y circuitos radiotransmisores.

La velocidad rotacional a veces se transforma a frecuencia como señal de medición, sin que tenga importancia la distancia de transmisión.

• Señal de modulación de pulsos clave: La señal de medición puede ser simplemente la cuenta del número de pulsos dentro de cierto intervalo de tiempo, o puede ser una señal binaria totalmente codificada o decimal binaria. Los pulsos clave se utilizan frecuentemente en las computadoras digitales, en los registradores que operan con datos digitales.