Process/Industrial instruments and controls.

Control principles by John Stevenson

In this article the commonly measured process variable temperature is used for the basis of discussion.

The principles being discussed apply also to other process variables, although some may require additional sophisticated attention.

In contrast with manual control, where an operator may periodically read the process temperature and adjust the heating or cooling input up or down in such a direction as to drive the temperature to its desired value, in automatic control, measurement and adjustment are made automatically on a continuous basis. Manual control may be used in noncritical applications, where major process upsets are unlikely to occur, where any process conditions occur slowly and in small increments, and where a minimum of operator attention is required. However, with the availability of reliable low-cost controllers, most users opt for the automatic mode. A manual control system is shown in Fig. 1.

In the more typical situation, changes may be too rapid for operator reaction, making automatic control mandatory (Fig. 2). The controlled variable (temperature) is measured by a suitable sensor, such as a thermocouple, a resistance temperature detector (RTD), a thermistor, or an infrared pyrometer.

The measurement signal is converted to a signal that is compatible with the controller. The controller compares the temperature signal with the desired temperature (set point) and actuates the final control device. The latter alters the quantity of heat added to or removed from the process. Final control devices, or elements, may take the form of contactors, blowers, electric-motor or pneumatically operated valves, motor-operated variacs, time-proportioning or phase-fired silicon-controlled rectifiers (SCRs), or saturable core reactors. In the case of automatic temperature controllers, several types can be used for a given process. Achieving satisfactory temperature control, however, depends on (1) the process characteristics, (2) how much temperature variation from the set point is acceptable and under what conditions (such as start-up, running, idling), and (3) selecting the optimum controller type and tuning it properly.

Process (load) characteristics.

In matching a controller with a process, the engineer will be concerned with process reaction curves and the process transfer function.

Instrumentos de proceso e industriales y controles.

Principios de control por John Stevenson

En este artículo la variable temperatura  de proceso comúnmente medida es usada para la base de la discusión.

Los principios que son discutidos son aplicables además a otras variables de proceso, sin embargo algunas pueden requerir atención adicional sofisticada.

En contraste con el control manual, donde un operario puede leer periódicamente la temperatura de proceso y ajustar la entrada o salida de calor hacia arriba o hacia abajo en una dirección que controle la temperatura a su valor deseado, en el control automático, la medición y el ajuste son hechos automáticamente en una base continua. El control manual puede ser usado en aplicaciones no críticas, donde desajustes mayores en el proceso es poco probable que ocurran, donde cualquier condición de proceso ocurre lentamente y en pequeños incrementos, y donde un mínimo de atención del operario es requerida. Sin embargo, con la disponibilidad de controladores de bajo costo, la mayoría de los usuarios optan por el modo automático. Un sistema de control manual es mostrado en la figura 1.

En una operación mas típica, los cambios pueden ser muy rápidos para la reacción del operario, haciendo al control automático obligatorio (figura 2). La variable controlada (temperatura) es medida por un sensor adecuado, como el caso de una termocupla, un resistor detector de temperatura (RTD), un termistor o un pirómetro infrarrojo.

La señal de medición es convertida a una señal que es compatible con el controlador. El controlador compara la señal de la temperatura con la temperatura deseada (valor de consigna) y acciona el dispositivo de control final. Este último altera la cantidad de calor agregado o quitado al proceso. Los dispositivo de control final, o elementos, pueden tomar la forma de contactores,  sopladores, válvulas operadas por control eléctrico o en forma neumática, variacs operados por motor, rectificadores controladores de fase de silicio o de tiempo proporcional (SCRs) o reactores de núcleo saturable. En el cado de controladores de temperatura automáticos, varios tipos pueden ser usados para un proceso dado. Para alcanzar un control de temperatura satisfactorio, sin embargo, depende de (1) las características del proceso, (2) cuanta variación de temperatura del valor de consigna es aceptable y bajo qué condiciones ( tales como arranque, funcionamiento y marcha en vacio), (3) selección del tipo de controlador óptimo y correcta puesta a punto del mismo.

Características del proceso (carga).

Al adaptar un controlador al proceso, el ingeniero estará ocupado en estudiar las curvas de reacción del proceso y la función de transferencia del proceso.

FIGURE 1 Manual temperature control of a process. (West Instruments.)

Figura 1. Control manual de temperatura de un proceso. (West Instruments.)

FIGURE 2 Automatic temperature control of a process. (West Instruments.)

Figura 2. Control de temperatura automático de un proceso (West Instruments)

Process Reaction Curve

An indication of the ease with which a process may be controlled can be obtained by plotting the process reaction curve. This curve is constructed after having first stabilized the process temperature under manual control and then making a nominal change in heat input to the process, such as 10%.

A temperature recorder then can be used to plot the temperature versus time curve of this change. A curve similar to one of those shown in Fig. 3 will result.

Two characteristics of these curves affect the process controllability, (a) the time interval before the temperature reaches the maximum rate of change, A, and (2) the slope of the maximum rate of change of the temperature after the change in heat input has occurred, B. The process controllability decreases as the product of A and B increases. Such increases in the product AB appear as an increasingly pronounced S-shaped curve on the graph. Four representative curves are shown in Fig. 3.

The time interval A is caused by dead time, which is defined as the time between changes in heat input and the measurement of a perceptible temperature increase. The dead time includes two components, (1) propagation delay (material flow velocity delay) and (2) exponential lag (process thermal time constants). The curves of Fig. 3 can be related to various process time constants. A single time-constant process is referred to as a first-order lag condition, as illustrated in Fig. 4.

Curva de reacción del proceso.

Una indicación de la facilidad con la cual un proceso puede ser controlado puede ser obtenida trazando la curva de reacción del proceso. Esta curva es construida habiendo primero estabilizado la temperatura de proceso en forma manual y luego haciendo un cambio nominal en la entrada de calor al proceso, como por ejemplo un 10%.

Un registrador de temperatura puede luego ser usado para trazar la curva en función del tiempo de este cambio. Una curva similar a una de esas mostrada en la figura 3 resultará.

Dos características de estas curvas afectan a la controlabilidad del proceso, (a) el intervalo de tiempo antes de que la temperatura alcance el máximo régimen de cambio, A, y (2) la pendiente del máximo régimen de cambio de la temperatura luego de que el  cambio en la entrada de calor haya ocurrido, B. La controlabilidad del proceso disminuye a medida que el producto de A y B se incrementa. Tales incrementos en el producto de AB aparecen como una forma de S con incremento pronunciado en el gráfico. Cuatro curvas representativas son mostradas en la figura 3.

El intervalo de tiempo A es causado por el tiempo muerto, el que es definido como el tiempo entre los cambios en la entrada de calor y la medición de un incremento perceptible de temperatura. El tiempo muerto incluye dos componentes, (1) el retardo de propagación (retardo de velocidad de flujo de material) y (2) retraso exponencial (constantes de tiempo de proceso térmico). Las curvas de la figura 3 pueden estar relacionadas a varias constantes de tiempo de proceso. Un proceso único de tiempo constante es conocido como condición de retraso de primer orden, según lo ilustrado en la figura 4.

FIGURE 3 Process reaction curves. The maximum rate of temperature rise is shown by the dashed lines which are tangent to the curves. The tangents become progressively steeper from I to IV. The time interval before the temperature reaches the maximum rate of rise also becomes progressively greater from I to IV. As the S curve becomes steeper, the controllability of the process becomes increasingly more difficult. As the product of the two values of time interval A and maximum rate B increases, the process controllability goes from easy (I) to very difficult (IV).

Response curve IV, the most difficult process to control, has the most pronounced S shape. Similar curves with decreasing temperature maybe generated by decreasing the heat input by a nominal amount. This may result in different A and B values.

(West Instruments.)

Figura 3. Curvas de reacción de proceso. El máximo régimen de elevación de temperatura es mostrado por líneas punteadas que son tangentes a las curvas. Las tangentes se vuelven progresivamente mas escarpadas de I a IV. El intervalo de tiempo antes de que la temperatura alcance el máximo régimen de elevación se vuelve además progresivamente  mayor desde I a IV. A medida que la curva S se vuelve mas escarpada, la controlabilidad del proceso se vuelve progresivamente mas difícil. A medida que el producto de los dos intervalos de tiempo A y el máximo régimen B se incrementa, la controlabilidad va desde fácil (I) a muy difícil (IV).

La curva de respuesta IV, el proceso mas difícil de controlar, tiene la forma de S mas pronunciada. Curvas similares con temperatura decreciente pueden ser generadas al disminuir la entrada de calor por una entrada nominal. Esto puede resultar en diferentes valores A y B. ( West Instruments)

This application depicts a water heater with constant flow, whereby the incoming water is at a constant temperature. A motor-driven stirrer circulates the water within the tank in order to maintain a uniform temperature throughout the tank. When the heat input is increased, the temperature within the entire tank starts to increase immediately. With this technique there is no perceptible dead time because the water is being well mixed. Ideally, the temperature should increase until the heat input just balances the heat taken out by the flowing water. The process reaction curve for this system is shown by Fig. 5.

The system is referred to as a single-capacity system. In effect, there is one quantity of termal resistance R1 from the heater to the water and one quantity of thermal  capacity C1, which is the quantity of water in the tank. This process can be represented by an electrical analog with two resistors and one capacitor, as shown in Fig. 6. RLOSS represents the thermal loss by the flowing water plus other conduction, convection, and radiation losses.

It should be noted that since the dead time is zero, the product of dead time and maximum rate of rise is also zero, which indicates that the application would be an easy process to control. The same process would be somewhat more difficult to control if some dead time were introduced by placing the temperature sensor (thermocouple) some distance from the exit pipe, as illustrated in Fig. 7. This propagation time delay introduced into the system would be equal to the distance from the outlet of the tank to the thermocouple divided by the velocity of the exiting water. In this case the reaction curve would be as shown in Fig. 8. The product AB no longer is zero. Hence the process becomes increasingly more difficult to control since the thermocouple no longer is located in the tank.

A slightly different set of circumstances would exist if the water heater were modified by the addition of a large, thick metal plate or firebrick on the underside of the tank, between the heater and the tank bottom, but in contact with the bottom. This condition would introduce a second-order lag, which then represents a two-capacity system. The first time constant is generated by the thermal resistance from the heater to the plate and the plate heat capacity. The second time constant comes from the thermal resistance of the plate to the water and the heat capacity of the water. The system is shown in Fig. 9. The reaction curve for the system is given in Fig. 10. There is now a measurable  time interval before the maximum rate of temperature rise, as shown in Fig. 10 by the intersection of the dashed vertical tangent line with the time axis. The electrical analog equivalent of this system is shown in Fig. 11. In the diagram the resistors and capacitors represent the appropriate thermal resistances and capacities of the two time constants. This system is more difficult to control than the single-capacity system since the product of time interval and maximum rate is greater.

Esta aplicación describe un calentador de agua con flujo constante, donde el agua que ingresa está a una temperatura constante. Un agitador impulsado a motor recircula el agua dentro del tanque para mantener una temperatura uniforme en todo el tanque. Cuando la entrada de calor es incrementada, la temperatura dentro de todo el tanque comienza a incrementarse inmediatamente. Con esta técnica no hay tiempo muerto perceptible debido a que el agua es mezclada. Idealmente, la temperatura debería incrementarse hasta que la entrada de calor alcance a balancear el calor tomado por el agua fluyendo. La curva de reacción de proceso para este sistema es mostrada en la figura 5. El sistema es conocido como sistema de capacidad única. En efecto, hay una cantidad de resistencia térmica R1 del calentador al agua y una cantidad de capacidad térmica C1, que es la cantidad de agua en el tanque.  Este proceso puede ser representado por una analogía eléctrica con dos resistores y un capacitor, como se muestra en la figura 6. Rloss representa la pérdida térmica por el agua fluyendo mas otras pérdidas por conducción, convección  y radiación.

Se debe destacar que desde que el tiempo muerto es cero, el producto del tiempo muerto y el máximo régimen de elevación es además cero, lo que indica que la aplicación sería un proceso fácil de controlar. El mismo proceso sería un poco difícil de controlar si el mismo tiempo muerto fuera introducido al colocar el sensor de temperatura (termocupla) a alguna distancia de la cañería de salida en la figura 7. Esta propagación del tiempo de retardo introducida en el sistema sería igual a la distancia de la salida del tanque a la termocupla dividida por la velocidad del agua saliente. En este caso la curva de reacción sería como la mostrada en la figura 8. El producto de AB deja de ser cero. Por lo tanto el proceso se vuelve aún mas difícil de controlar dado que la termocupla ya no está en el tanque.

Un ligeramente diferente juego de circunstancias existiría si el calentador de agua fuera modificado por la adición de una placa de metal gruesa mas grande o ladrillo refractario en la parte inferior del tanque, entre el calentador y la base del tanque, pero en contacto con la base. Esta condición introduciría un retraso de segundo grado, que entonces representa un sistema de dos capacidades. La constante de primera vez es generada por la resistencia térmica desde el calentador a la placa y la capacidad de calor de la placa. La segunda constante de tiempo proviene de la resistencia térmica de la placa al agua y la capacidad de calor del agua. El sistema es mostrado en la figura 9. La curva de reacción para el sistema es dado en la figura 10. Hay ahora un intervalo de tiempo mensurable antes del máximo régimen de elevación de temperatura, según se muestra en la figura 10 por la intersección de la línea punteada tangente vertical con el eje de tiempo. El equivalente eléctrico analógico de este sistema es mostrado en la figura 11. En el diagrama los resistores y los capacitores representan las resistencias térmicas apropiadas y capacidades de las dos constantes de tiempo. Este sistema es mas difícil de controlar que el sistema de capacidad única dado que el producto del intervalo de tiempo y el régimen máximo es mayor.