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Instrumentación Y Control de Procesos
IX B Instrumentación y Control de Procesos
IX Ciclo
Universidad Nacional “San Luis Gonzaga de Ica”
CONTROL AUTOMÁTICO Elementos Básicos
DOCENTE: Ing. Marcos Mendoza Melgar CURSO: Instrumentación y Control de Procesos CICLO: Noveno “B” ALUMNO: Medrano Soriano, Wiliam Abel
ICA-PERÚ 2012
Instrumentación y Control de Procesos
IX Ciclo
Introducción Hoy día, más que nunca, es necesario disponer de alternativas que ayuden a hacer más competitivas a las empresas, es decir, que puedan producir con mayor calidad, a bajos costos, y en las cantidades requeridas para satisfacer la demanda del mercado. Desde luego, dichas alternativas no deben presentar peligro alguno para el medio ambiente. En el campo industrial, una de las alternativas que brinda la posibilidad de alcanzar altos niveles de competitividad es la “automatización industrial”. Con la automatización industrial se transfieren tareas realizadas por operadores humanos a componentes que hacen uso de la tecnología y que no requieren la intervención humana para su funcionamiento. En un sistema automatizado los operadores humanos pasan a realizar tareas de monitoreo y / o supervisión. Un ejemplo que muestra la aplicación de la automatización es el uso de robots para el traslado de piezas o para procesos de soldadura. La automatización industrial presenta una serie de ventajas que justifican su uso. Con la AI se mejora la productividad de la empresa reduciendo los costes de producción y mejorando la calidad de los productos, se mejoran las condiciones de trabajo del personal suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad, se reduce el impacto negativo sobre el medio ambiente, se pueden realizar tareas imposibles de controlar intelectual o manualmente, etc.
Instrumentación y Control de Procesos
IX Ciclo
1. ¿Qué debemos entender cuando hablamos de control?
En los discursos diarios, el término “control” y sus muchas acepciones, es frecuentemente usado. Podemos controlar una situación, tal y como un policía controlando el tráfico, o un bombero controlando un fuego. O un argumento puede salirse de control, o algo nos puede suceder debido a circunstancias fuera de nuestro control.
El término “control” implica obviamente la restauración de un estado deseado el cual ha sido perturbado por influencias internas o externas. Control también es usado para garantizar el desarrollo de un proceso de acuerdo a un plan definido (secuencia de etapas) por el ingeniero de control, por ejemplo, el proceso de llenado de botellas de leche.
El control de procesos existe en las más diversas áreas. En la naturaleza, por ejemplo, el control de procesos sirve para proteger a las plantas y a los animales de variaciones en las condiciones ambientales. En economía, la oferta y la demanda controlan el precio y el tiempo de entrega de un producto.
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En cualquiera de estos casos, pueden ocurrir perturbaciones cambiando el estado establecido originalmente. La función del sistema de control, para este tipo de situaciones, es reconocer el estado perturbado y corregirlo mediante los medios adecuados. Control, aplicado a circuitos de control, es un término muy amplio que puede significar cualquier cosa desde un simple interruptor que controla el encendido de una bujía, un circuito cableado, hasta el más complejo computador de proceso o el piloto automático de un avión.
2. Automatización Industrial El control de un proceso industrial (fabricación, producción, etc.) por medios automáticos en vez de humanos se conoce como automatización industrial. Con la automatización se transfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de componentes que utilizan diferentes tecnologías y que no requieren de la intervención humana para su operación. Actualmente la automatización es un aspecto básico de la sociedad industrial y una herramienta de mucha utilidad cuando se requiere alcanzar altos niveles de competitividad.
3. Ventajas de la automatización industrial Para automatizar un proceso de producción se requiere de una inversión económica, la cual muchas veces es vista como un simple gasto por parte de los dueños de las industrias. Sin embargo, la automatización industrial presenta una serie de ventajas que justifica cualquier inversión. Algunas de ellas son:
Mejora de la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y mejora de la calidad de los productos
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Mejora de las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad.
Realización de tareas imposibles de controlar intelectual o manualmente.
Mejora de la disponibilidad de los productos, para poder proveer las cantidades necesarias en el momento preciso.
Disminución del impacto negativo sobre el medio ambiente
Desde luego, la automatización industrial también presenta algunas desventajas. Sin embargo, las ventajas son mayores y si el uso de la automatización industrial se hace de forma planificada, los efectos negativos se pueden minimizar (por ejemplo, minimizar el despido de obreros reubicándolos en otras áreas).
4. Estudio de los sistemas automatizados El estudio de los sistemas automatizados se aborda, generalmente, dividiendo el sistema en dos partes: la parte operativa y la parte de mando. Parte Operativa: La parte operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Esta compuesta de los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación. Forma parte de ella los accionadores de las máquinas como son:
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-
Motores de corriente continua Motores de corriente alterna Cilindros neumáticos
-
Accionadores hidráulicos Compresores Bombas
Parte de Mando: La parte de mando esta a cargo del controlador. En un sistema de producción automatizado el controlador está en el centro del sistema. El controlador determina las acciones a realizar sobre el sistema de producción basado en la lógica de control, en base a las señales de los sensores, y en base a las órdenes que provengan del operador. El controlador debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes del sistema automatizado.
5. ¿Qué es un sistema? Existen diferentes definiciones de Sistema. En nuestro curso consideraremos un sistema como una combinación de componentes físicos que actúan juntos para realizar una función que no sería posible con cualquiera de las partes individuales. Algunos ejemplos de sistemas son: -
Un amplificador electrónico compuesto de muchos componentes. Un satélite de comunicaciones orbitando la tierra. Una lavadora de botellas.
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En una forma más general, el término sistema, es usado para describir una combinación de componentes los cuales no todos son necesariamente físicos. Como ingenieros, estamos interesados tanto en el análisis como en el diseño de sistemas. En nuestro caso, sistemas de control. De hecho, el diseño de sistemas es la parte realmente creativa de la ingeniería. Al igual que en muchos esfuerzos creativos, primero debemos aprender como analizar sistemas antes de proceder con el diseño de estos. Existen diferentes formas de estudiar un sistema. El análisis de un sistema puede ser dividido en tres aspectos: -
El desarrollo de un modelo matemático adecuado para el problema físico de interés. Después que el modelo adecuado es obtenido, se resuelven las ecuaciones resultantes para obtener soluciones en varias formas. Se relaciona o interpreta la solución al modelo matemático en términos del problema físico.
Un sistema se puede ver como algo que produce una transformación de señales. Es decir, un sistema tiene una señal de entrada y una señal de salida la cual está relacionada con la entrada a través de la transformación del sistema.
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De forma breve, podemos decir que mediante el análisis de un sistema obtenemos información respecto al funcionamiento del mismo. En el diseño, del cual hablaremos posteriormente, se determinan los diferentes componentes necesarios para que un sistema cumpla con un conjunto de requerimientos.
6. Clasificación de los Sistemas Son muchas las formas en que pueden clasificarse los sistemas. Se presentan a continuación una clasificación sobre la base de ciertas características: 6.1. Sistemas continuos y discretos: Un sistema de tiempo continuo es aquel en el que las señales de entrada de tiempo continuo son transformadas en señales de salida de tiempo continuo. Esta clase de sistemas se pueden describir (modelo) mediante ecuaciones diferenciales. Los sistemas de tiempo continuos se suelen representar mediante el siguiente diagrama:
Un sistema de tiempo discreto es aquel que transforma entradas de tiempo discreto en salidas de tiempo discreto. Estos sistemas que involucran señales de datos muestreados, señales digitales y posiblemente señales en tiempo continuo, se pueden describir mediante ecuaciones en diferencias.
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6.2. Sistema lineal y no-lineales: Un sistema es clasificado como lineal si el principio de superposición es aplicable. Dicho principio establece que la respuesta producida por la aplicación simultánea de dos diferentes señales de entrada es la suma de dos respuestas individuales. Entonces, para el sistema lineal, la respuesta a varias entradas simultáneas puede ser calculada considerando una entrada a la vez y sumando los resultados. Un sistema es no-lineal si el principio de superposición no es aplicable. Es decir, para un sistema no-lineal la respuesta a dos entradas no puede ser calculada considerando una entrada a la vez y sumando los resultados. Aunque muchas relaciones físicas son comúnmente representadas por ecuaciones lineales, en la mayoría de los casos las relaciones verdaderas no son lineales. En la práctica, muchos sistemas electromecánicos, hidráulicos, neumáticos y otros, involucran relaciones no-lineales entre las variables. Por ejemplo, la salida de un componente se puede saturar para señales de entrada grandes. Puede existir lo que se conoce como un espacio muerto que afecta a las señales pequeñas. El espacio muerto de un componente es un pequeño rango de variaciones de la entrada para el cual el componente es insensitivo. Algunos sistemas de control son no-lineales para señales de cualquier tamaño. Por ejemplo, en sistemas de control ON-OFF, no existe una relación lineal entre la entrada del sistema y su salida.
7. Sistemas de Control Un sistema de control es una interconexión de componentes (mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc.) que forman una configuración determinada, la cual proporcionará la respuesta deseada del sistema. Se muestra el diagrama de un sistema de control de temperatura (control mediante computadora) Como se puede ver en la figura, para implementar dicho sistema se requiere de la interconexión de una serie de elementos cada uno de los cuales realiza una función específica y todos en su conjunto logran que se controle la temperatura del horno. Los sistemas de control son un componente integral de cualquier sociedad industrial y son necesarios para la producción de bienes requeridos por una población mundial creciente. Casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana son afectados por algún tipo de sistema de control. Por ejemplo, los sistemas de control para la calefacción y los aires acondicionados regulan la temperatura y la humedad de los hogares y edificios para lograr una vida cómoda.
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Los sistemas de control también existen de forma natural: por ejemplo, en nuestros cuerpos existen numerosos sistemas de control los cuales garantizan que nuestro cuerpo funcione como debe y que reaccione de tal forma que asegure la supervivencia.
8. Variables en un Sistema de Control La variable controlada es una variable (temperatura, presión, nivel, flujo, etc.) que deseamos que su valor permanezca constante. Todo proceso tiene una o más variables controladas (dinámicas.) Una variable manipulada es una variable (flujo, corriente eléctrica, etc.) cuyo valor es cambiado para regular el proceso. Específicamente, la variable manipulada nos permite mantener constante a la variable controlada. Los procesos también tienen una o más variables manipuladas (también llamadas agentes de control) Finalmente, cada sistema de control de procesos tiene una o más perturbaciones; las cuales tienden a cambiar el valor de la variable controlada. Una de las funciones del sistema de control es regular el valor de la variable controlada cuando dicho valor es afectado por las perturbaciones. Un ejemplo donde podemos apreciar como se manifiestan estas tres variables, es el manejo de un automóvil. Imagínese que está conduciendo su automóvil en una carretera completamente plana y que desea viajar a una velocidad constante (variable controlada) digamos de 100 Km/hora. Presiona el acelerador y la velocidad comienza a incrementarse hasta alcanzar los 100 km/hora.
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De repente, la carretera presenta una pendiente (perturbación) y la velocidad del vehículo comienza a disminuir. Si se quiere mantener constante la velocidad debemos presionar aún más el acelerador, lo cual permitirá que se entregue una mayor cantidad de combustible (variable manipulada) y como consecuencia se obtiene un aumento en la velocidad del automóvil.
9. Componentes de un Sistema de Control Otro ejemplo que puede ayudarnos en la identificación de los componentes de un sistema de control es un sistema en el cual se calienta leche hasta la temperatura de pasteurización.
En este sistema, la temperatura de la leche es la variable controlada. El vapor fluye a través de los tubos, transfiriendo su calor a la leche. El flujo de vapor controla la temperatura de la leche. Por lo tanto, el flujo de vapor es la variable manipulada. La temperatura ambiente que rodea al tanque puede ser considerada como una perturbación. Por ejemplo, si la temperatura ambiente disminuye, la temperatura de la leche eventualmente disminuirá. Si se quiere regular el valor de la temperatura de la leche sin intervención de un operador, la misma debe ser medida continuamente mediante el uso de un sensor. Todo el control industrial depende de la capacidad de medir con exactitud y rapidez el valor de la variable controlada. Si la temperatura disminuye por debajo de los límites permisibles, el controlador hará todo lo necesario para tratar de llevar la temperatura al valor deseado.
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El controlador es la parte de un sistema que decide que tanto ajuste necesita el sistema para regresar la variable controlada al valor deseado. Esto se logra, en un sistema automático, comparando la variable controlada con el valor deseado (set point) y ejerciendo una acción correctiva de acuerdo con el valor del error (VC –SP) Por ejemplo, el controlador puede enviar un comando que garantice una mayor apertura de la válvula de control del vapor, causando que leche sea calentada y llevada a la temperatura requerida. Esta válvula es el elemento final de control del sistema de control. El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el caudal de vapor o agente de control. Un sistema de control, en general, puede contener: -
Un elemento sensor Un transmisor Un controlador Un elemento final de control El proceso (o planta)
Para que el sistema de control satisfaga los requerimientos establecidos, cada uno de los componentes antes mencionados (de estar presente en el sistema de control) debe funcionar a plena capacidad y efectivamente.
10. Planta (Proceso) Una planta puede ser una pieza de equipo, quizás un grupo de piezas de máquina funcionando juntas, el propósito de las cuales es realizar una operación particular. Llamaremos planta a cualquier objeto (tal como un dispositivo mecánico, un horno, un reactor químico, un avión) físico que deba ser controlado.
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Un ejemplo de planta es una caldera de vapor. Estas se utilizan en la mayoría de las industrias debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor en t/h a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica. A la caldera se le exige, pues, mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo.
Otro ejemplo es un tanque de almacenamiento donde muchas veces existe la necesidad de regular tanto la temperatura del producto en el tanque así como el nivel de éste. La cerveza antes de ser embotellada es almacenada en tanques y debe ser mantenida a una temperatura de aproximadamente -1.5 °C. Si la temperatura cae por debajo de dicho valor la cerveza se congela y debe desechada.
11. Sensores Generalmente, se mide para revelar una condición y posiblemente alertar al . También medimos para cuantificar la magnitud de un fenómeno. Probablemente más importante, medimos para controlar los procesos. Sin las mediciones, la ingeniería sería imposible, y la ciencia sería filosofía. Una medición es información acerca de una cantidad física, y para hacer mediciones se necesita un sensor. El papel del sensor es facilitar la transferencia de información acerca de la cantidad física hacia una pantalla, un controlador, una computadora, un registrador o hacia un pedazo de papel donde se puede tener a ella.
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Temperatura
Presión
Nivel
En la ingeniería de sistemas de control, los sensores juegan un papel crítico suministrando mediciones para retroalimentación. El ingeniero de sistemas de control debe determinar que variables deben ser medidas y que tan bien deben ser medidas para alcanzar el funcionamiento deseado del sistema de control. Sin mediciones no se puede controlar nada. Hoy día, los ingenieros de control de procesos pueden encontrar en el mercado una amplia variedad de sensores. Desde sensores que pueden ser considerados convencionales hasta los llamados sensores inteligentes.
Características Estáticas: Describen la actuación de un sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. a) Exactitud: Grado de conformidad de la salida de un instrumento de medida con el valor ideal de la variable medida. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, la exactitud debe establecerse como exactitud de referencia. b) Rango de medida: Es el campo de medidas de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, como una tolerancia de error aceptable. c) Precisión: La precisión es la tolerancia de medida del instrumento (intervalo donde es isible la magnitud de medida), y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado. d) Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.
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e) Error: Expresa la diferencia de magnitud medida y la lectura instrumental. En toda aplicación se desearía que el error fuese cero; sin embargo, todos los instrumentos modifican su comportamiento a lo largo de su vida y es común calibrarlos de cuando en cuando. f) Linealidad: Un sensor se dice que es lineal, si existe una constate de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de señal de salida con los correspondientes incrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida. g) Error de linealidad: Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayoría de los sistemas instrumentales comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del instrumento. h) Incertidumbre de una medida: La incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. i) Receptibilidad: Característica que indica la capacidad de reproducción de salida del sensor al medir repetidamente valores idénticos de la variable de entrada, con el mismo sensor y en idénticas condiciones de servicio, y en el mismo sentido de navegación. j) Sensibilidad: Característica que indica la mayor o menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. k) Resolución: Indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir. l) Fuera de rango: Cualquier exceso en el valor de la variable medida, ya sea por encima del límite superior del rango o por debajo del límite inferior del rango. m) Ruido: Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifican la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. n) Histéresis: Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace se con los datos, de subida y los datos de bajada de la entrada, al representar los gráficamente los datos de la medida.
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Características Dinámicas: Son aquellas que describen al instrumento en régimen transitorio a base de dar una respuesta temporal ante determinados estímulos estándar, e indicar las constantes de tiempos relevantes. a) Velocidad de respuesta: Mide la capacidad de un sensor para que la señal de salida siga sin retrasos las variaciones de la señal de entrada. b) Tiempo de retardo: Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada hasta que la salida alcanza el 100% de su valor permanente. c) Tiempo de subida: Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el 10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90% de dicho valor. d) Tiempo de establecimiento: Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que la respuesta alcanza el régimen permanente, con una tolerancia de +/-1 %.} e) Tiempo muerto: Intervalo de tiempo desde el momento en que la señal aparece en la entrada de un componente, y el momento en que la respuesta correspondiente, aparece en la salida.
12. Transmisores En muchas ocasiones, el cuarto de control esta físicamente alejado del proceso y es necesario transmitir el valor de la variable medida. Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso (variable controlada) y la transmiten a distancia en forma de señal neumática (3 a 15 psi) o electrónica (4 a 20 mA) a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos.
Temperatura
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Presión
Nivel
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Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor. Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100 % de la variable. Los transmisores electrónicos generan la señal estándar de 4-20 mA (corriente directa), a distancias de 200 m a 1 Km, según sea el tipo de instrumento de transmisor. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas y emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje. La señal digital consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor. Honeywell presentó en 1986 el primer transmisor con señal de salida enteramente digital, lo cual facilita las comunicaciones enteramente digitales entre el transmisor y el controlador o receptor. Esta digitalización de las señales y su envío a los sistemas de control, si bien es diferente en cada fabricante de instrumentos, está experimentando un proceso de normalización. El microprocesador se utiliza en la transmisión por las ventajas que posee de rapidez de cálculo, pequeño tamaño, fiabilidad, precio cada vez más competitivo y ser apto para realizar cálculos adicionales.
Transmisores Inteligentes Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a las de transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de medida, diagnosticar averías, calibración y cambio de margen de medida. Algunos transmisores gozan de auto-calibración, autodiagnóstico de componentes electrónicos; su precisión es de 0.075%.
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Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios, posee bajos costes de mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rápidas puede presentar problemas y para el desempeño en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir, no es intercambiable con otras marcas. Podemos encontrar en el mercado diferentes tipos de transmisores, según sea la variable que se esté midiendo. Tenemos entre los más comunes los siguientes: -
Transmisores de Presión Transmisores de Temperatura Transmisores de Flujo Transmisores de Nivel
La figura muestra un transmisor de presión de la marca Siemens. Información acerca de este transmisor y de los otros tipos mencionados puede ser encontrada en las páginas WEB de empresas tales como: -
Siemens Honeywell Rockwell ABB
13. Controladores En cualquier sistema industrial, los circuitos de control constantemente reciben y procesan información acerca de las condiciones en el sistema. Esta información representa datos tales como las posiciones mecánicas de partes móviles; temperaturas en lugares diversos; presión existente en tuberías, ductos y cámaras; velocidades de flujo de fluidos; fuerzas aplicadas a varios dispositivos de detección; velocidades de movimiento, etc. Los sistemas de circuitos de control deben recoger toda esta información empírica y combinarla con la información suministrada por los operadores. La información introducida por el operador representa la respuesta deseada del sistema.
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Con base en la comparación entre la información del sistema y la aportada por los operadores, los circuitos de control toman decisiones las cuales están relacionadas con la próxima acción del sistema mismo, como, por ejemplo, arrancar o apagar un motor, aumentar o disminuir la velocidad de un movimiento mecánico, abrir o cerrar una válvula de control, o incluso apagar totalmente el sistema debido a una condición de inseguridad.
Controladores eléctricos y los controladores neumáticos Los controladores neumáticos son dispositivos que operan usando la presión del aire. Los controladores eléctricos operan usando señales eléctricas. Controladores neumáticos son usados en las industrias químicas y petroquímicas por razones de seguridad. Son menos caros y más simples que los controladores eléctricos. Sin embargo, los controladores neumáticos son difíciles de interfacear con las computadoras digitales. Los controladores son clasificados también de acuerdo al tipo de control que ellos realizan. Algunos ejemplos son: -
Controlador ON-OFF Controlador Proporcional Controlador Proporcional + Integral Controlador Proporcional + Derivativo Controlador Proporciona + Integral + Derivativo
Los controladores también pueden ser clasificados en dos grandes grupos según su nivel de flexibilidad: -
Sistemas Cableados (poco adaptables Sistemas Programables (muy adaptables)
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Los primeros realizan una función de control fija, que depende de los componentes que lo forman y de la forma en que han sido interconectados. Por tanto, la única forma de alterar la función de control es modificando sus componentes o la forma de interconectarlos.
Sistema de control cableado Los sistemas programables, en cambio, pueden realizar distintas funciones de control sin alterar su configuración física, sino sólo cambiando el programa de control.
Controlador programable Un sistema de control de procesos puede ser definido como las funciones y operaciones necesarias para cambiar un material, ya sea, física o químicamente. Control de procesos se refiere normalmente al procesamiento o manufactura de productos en la industria.
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Los procesos pueden ser clasificados como secuenciales (batch) y continuos. El control de procesos secuenciales es aquel en el cual un evento sigue a otro hasta que el trabajo es completado. Estos tipos de procesos pueden ser subdivididos en dos grandes clases: -
Control de procesos secuenciales basados en eventos y Control de procesos secuenciales basados en el tiempo
Un proceso secuencial basado en eventos es aquel en el cual la ocurrencia de un evento causa que una determinada acción tome lugar. En este tipo de procesos, la acción del controlador está siendo gobernada por eventos externos al controlador. Un proceso secuencial basado en el tiempo es aquel en el cual los eventos ocurren en una secuencia específica, no de la forma aleatoria. La acción del controlador en este tipo de procesos está determinada por el programa en el controlador y no por ocurrencias externas.
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14. Elementos Finales de Control Los elementos finales de control son componentes que enlazan las salidas de los elementos de control con sus procesos. Estos son considerados los músculos y tendones de los controles automáticos. El elemento final de control provee la amplificación de potencia necesaria entre los bajos niveles de energía de los controladores y los niveles de energía más altos del proceso necesarios para realizar su función. La mayoría de los elementos finales de control son dispositivos de aplicación general tales como válvulas, bombas, motores, calentadores eléctricos, y dampers. Válvulas y dampers tienen realizan funciones similares. Las válvulas regulan la razón de flujo de un líquido mientras que los dampers regulan el flujo de aire y gases. Las bombas, al igual que las válvulas, pueden ser usadas para controlar el flujo de un fluido. Los calentadores son usados para controlar la temperatura.
En los procesos industriales altamente sofisticados, tales como hornos, tratamientos térmicos, máquinas de extrusión, etc., la regulación precisa de la variable controlada (suele ser la temperatura) obliga a controlar la potencia entregada a las resistencias finales de calefacción. El rectificador controlado de silicio ha representado una revolución en el control de potencia por sus dimensiones reducidas y por trabajar con una alta densidad de corriente. Características que entre otras hacen que sea el más utilizado actualmente. Este elemento se comporta en forma parecida a una válvula de control: varían la corriente en la línea de alimentación a la carga en la misma forma en que una válvula cambia el caudal de fluido en una tubería.
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En el ejemplo de la pasteurización de la leche, el elemento final de control es una válvula que regula la cantidad de vapor, de acuerdo a la señal recibida del controlador, que debe circular por el calentador.
15. Referencias
Instrumentación Industrial, 6ta Edición, Antonio Creus, Capitulo 2.
Industrial Electronics, Third Edition. James T. Humphries & Leslie P. Sheets
www.fec.uni.edu/docentes/amendez/RevistasyEmpresas
The Evolving of History of Control, Control Systems (IEEE), Volume 16.
Instrumentación Industrial, 6ta Edición, Antonio Creus, Apéndice A.
What is advanced Control?
Control Systems (IEEE), Volume 13 Number 3, June 1993
Historia del Control Automático.
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IX B Instrumentación y Control de Procesos
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CONTROL AUTOMÁTICO Elementos Básicos
DOCENTE: Ing. Marcos Mendoza Melgar CURSO: Instrumentación y Control de Procesos CICLO: Noveno “B” ALUMNO: Medrano Soriano, Wiliam Abel
ICA-PERÚ 2012
Instrumentación y Control de Procesos
IX Ciclo
Introducción Hoy día, más que nunca, es necesario disponer de alternativas que ayuden a hacer más competitivas a las empresas, es decir, que puedan producir con mayor calidad, a bajos costos, y en las cantidades requeridas para satisfacer la demanda del mercado. Desde luego, dichas alternativas no deben presentar peligro alguno para el medio ambiente. En el campo industrial, una de las alternativas que brinda la posibilidad de alcanzar altos niveles de competitividad es la “automatización industrial”. Con la automatización industrial se transfieren tareas realizadas por operadores humanos a componentes que hacen uso de la tecnología y que no requieren la intervención humana para su funcionamiento. En un sistema automatizado los operadores humanos pasan a realizar tareas de monitoreo y / o supervisión. Un ejemplo que muestra la aplicación de la automatización es el uso de robots para el traslado de piezas o para procesos de soldadura. La automatización industrial presenta una serie de ventajas que justifican su uso. Con la AI se mejora la productividad de la empresa reduciendo los costes de producción y mejorando la calidad de los productos, se mejoran las condiciones de trabajo del personal suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad, se reduce el impacto negativo sobre el medio ambiente, se pueden realizar tareas imposibles de controlar intelectual o manualmente, etc.
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1. ¿Qué debemos entender cuando hablamos de control?
En los discursos diarios, el término “control” y sus muchas acepciones, es frecuentemente usado. Podemos controlar una situación, tal y como un policía controlando el tráfico, o un bombero controlando un fuego. O un argumento puede salirse de control, o algo nos puede suceder debido a circunstancias fuera de nuestro control.
El término “control” implica obviamente la restauración de un estado deseado el cual ha sido perturbado por influencias internas o externas. Control también es usado para garantizar el desarrollo de un proceso de acuerdo a un plan definido (secuencia de etapas) por el ingeniero de control, por ejemplo, el proceso de llenado de botellas de leche.
El control de procesos existe en las más diversas áreas. En la naturaleza, por ejemplo, el control de procesos sirve para proteger a las plantas y a los animales de variaciones en las condiciones ambientales. En economía, la oferta y la demanda controlan el precio y el tiempo de entrega de un producto.
Instrumentación y Control de Procesos
IX Ciclo
En cualquiera de estos casos, pueden ocurrir perturbaciones cambiando el estado establecido originalmente. La función del sistema de control, para este tipo de situaciones, es reconocer el estado perturbado y corregirlo mediante los medios adecuados. Control, aplicado a circuitos de control, es un término muy amplio que puede significar cualquier cosa desde un simple interruptor que controla el encendido de una bujía, un circuito cableado, hasta el más complejo computador de proceso o el piloto automático de un avión.
2. Automatización Industrial El control de un proceso industrial (fabricación, producción, etc.) por medios automáticos en vez de humanos se conoce como automatización industrial. Con la automatización se transfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de componentes que utilizan diferentes tecnologías y que no requieren de la intervención humana para su operación. Actualmente la automatización es un aspecto básico de la sociedad industrial y una herramienta de mucha utilidad cuando se requiere alcanzar altos niveles de competitividad.
3. Ventajas de la automatización industrial Para automatizar un proceso de producción se requiere de una inversión económica, la cual muchas veces es vista como un simple gasto por parte de los dueños de las industrias. Sin embargo, la automatización industrial presenta una serie de ventajas que justifica cualquier inversión. Algunas de ellas son:
Mejora de la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y mejora de la calidad de los productos
Instrumentación y Control de Procesos
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Mejora de las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad.
Realización de tareas imposibles de controlar intelectual o manualmente.
Mejora de la disponibilidad de los productos, para poder proveer las cantidades necesarias en el momento preciso.
Disminución del impacto negativo sobre el medio ambiente
Desde luego, la automatización industrial también presenta algunas desventajas. Sin embargo, las ventajas son mayores y si el uso de la automatización industrial se hace de forma planificada, los efectos negativos se pueden minimizar (por ejemplo, minimizar el despido de obreros reubicándolos en otras áreas).
4. Estudio de los sistemas automatizados El estudio de los sistemas automatizados se aborda, generalmente, dividiendo el sistema en dos partes: la parte operativa y la parte de mando. Parte Operativa: La parte operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Esta compuesta de los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación. Forma parte de ella los accionadores de las máquinas como son:
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Motores de corriente continua Motores de corriente alterna Cilindros neumáticos
-
Accionadores hidráulicos Compresores Bombas
Parte de Mando: La parte de mando esta a cargo del controlador. En un sistema de producción automatizado el controlador está en el centro del sistema. El controlador determina las acciones a realizar sobre el sistema de producción basado en la lógica de control, en base a las señales de los sensores, y en base a las órdenes que provengan del operador. El controlador debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes del sistema automatizado.
5. ¿Qué es un sistema? Existen diferentes definiciones de Sistema. En nuestro curso consideraremos un sistema como una combinación de componentes físicos que actúan juntos para realizar una función que no sería posible con cualquiera de las partes individuales. Algunos ejemplos de sistemas son: -
Un amplificador electrónico compuesto de muchos componentes. Un satélite de comunicaciones orbitando la tierra. Una lavadora de botellas.
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En una forma más general, el término sistema, es usado para describir una combinación de componentes los cuales no todos son necesariamente físicos. Como ingenieros, estamos interesados tanto en el análisis como en el diseño de sistemas. En nuestro caso, sistemas de control. De hecho, el diseño de sistemas es la parte realmente creativa de la ingeniería. Al igual que en muchos esfuerzos creativos, primero debemos aprender como analizar sistemas antes de proceder con el diseño de estos. Existen diferentes formas de estudiar un sistema. El análisis de un sistema puede ser dividido en tres aspectos: -
El desarrollo de un modelo matemático adecuado para el problema físico de interés. Después que el modelo adecuado es obtenido, se resuelven las ecuaciones resultantes para obtener soluciones en varias formas. Se relaciona o interpreta la solución al modelo matemático en términos del problema físico.
Un sistema se puede ver como algo que produce una transformación de señales. Es decir, un sistema tiene una señal de entrada y una señal de salida la cual está relacionada con la entrada a través de la transformación del sistema.
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De forma breve, podemos decir que mediante el análisis de un sistema obtenemos información respecto al funcionamiento del mismo. En el diseño, del cual hablaremos posteriormente, se determinan los diferentes componentes necesarios para que un sistema cumpla con un conjunto de requerimientos.
6. Clasificación de los Sistemas Son muchas las formas en que pueden clasificarse los sistemas. Se presentan a continuación una clasificación sobre la base de ciertas características: 6.1. Sistemas continuos y discretos: Un sistema de tiempo continuo es aquel en el que las señales de entrada de tiempo continuo son transformadas en señales de salida de tiempo continuo. Esta clase de sistemas se pueden describir (modelo) mediante ecuaciones diferenciales. Los sistemas de tiempo continuos se suelen representar mediante el siguiente diagrama:
Un sistema de tiempo discreto es aquel que transforma entradas de tiempo discreto en salidas de tiempo discreto. Estos sistemas que involucran señales de datos muestreados, señales digitales y posiblemente señales en tiempo continuo, se pueden describir mediante ecuaciones en diferencias.
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6.2. Sistema lineal y no-lineales: Un sistema es clasificado como lineal si el principio de superposición es aplicable. Dicho principio establece que la respuesta producida por la aplicación simultánea de dos diferentes señales de entrada es la suma de dos respuestas individuales. Entonces, para el sistema lineal, la respuesta a varias entradas simultáneas puede ser calculada considerando una entrada a la vez y sumando los resultados. Un sistema es no-lineal si el principio de superposición no es aplicable. Es decir, para un sistema no-lineal la respuesta a dos entradas no puede ser calculada considerando una entrada a la vez y sumando los resultados. Aunque muchas relaciones físicas son comúnmente representadas por ecuaciones lineales, en la mayoría de los casos las relaciones verdaderas no son lineales. En la práctica, muchos sistemas electromecánicos, hidráulicos, neumáticos y otros, involucran relaciones no-lineales entre las variables. Por ejemplo, la salida de un componente se puede saturar para señales de entrada grandes. Puede existir lo que se conoce como un espacio muerto que afecta a las señales pequeñas. El espacio muerto de un componente es un pequeño rango de variaciones de la entrada para el cual el componente es insensitivo. Algunos sistemas de control son no-lineales para señales de cualquier tamaño. Por ejemplo, en sistemas de control ON-OFF, no existe una relación lineal entre la entrada del sistema y su salida.
7. Sistemas de Control Un sistema de control es una interconexión de componentes (mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc.) que forman una configuración determinada, la cual proporcionará la respuesta deseada del sistema. Se muestra el diagrama de un sistema de control de temperatura (control mediante computadora) Como se puede ver en la figura, para implementar dicho sistema se requiere de la interconexión de una serie de elementos cada uno de los cuales realiza una función específica y todos en su conjunto logran que se controle la temperatura del horno. Los sistemas de control son un componente integral de cualquier sociedad industrial y son necesarios para la producción de bienes requeridos por una población mundial creciente. Casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana son afectados por algún tipo de sistema de control. Por ejemplo, los sistemas de control para la calefacción y los aires acondicionados regulan la temperatura y la humedad de los hogares y edificios para lograr una vida cómoda.
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Los sistemas de control también existen de forma natural: por ejemplo, en nuestros cuerpos existen numerosos sistemas de control los cuales garantizan que nuestro cuerpo funcione como debe y que reaccione de tal forma que asegure la supervivencia.
8. Variables en un Sistema de Control La variable controlada es una variable (temperatura, presión, nivel, flujo, etc.) que deseamos que su valor permanezca constante. Todo proceso tiene una o más variables controladas (dinámicas.) Una variable manipulada es una variable (flujo, corriente eléctrica, etc.) cuyo valor es cambiado para regular el proceso. Específicamente, la variable manipulada nos permite mantener constante a la variable controlada. Los procesos también tienen una o más variables manipuladas (también llamadas agentes de control) Finalmente, cada sistema de control de procesos tiene una o más perturbaciones; las cuales tienden a cambiar el valor de la variable controlada. Una de las funciones del sistema de control es regular el valor de la variable controlada cuando dicho valor es afectado por las perturbaciones. Un ejemplo donde podemos apreciar como se manifiestan estas tres variables, es el manejo de un automóvil. Imagínese que está conduciendo su automóvil en una carretera completamente plana y que desea viajar a una velocidad constante (variable controlada) digamos de 100 Km/hora. Presiona el acelerador y la velocidad comienza a incrementarse hasta alcanzar los 100 km/hora.
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De repente, la carretera presenta una pendiente (perturbación) y la velocidad del vehículo comienza a disminuir. Si se quiere mantener constante la velocidad debemos presionar aún más el acelerador, lo cual permitirá que se entregue una mayor cantidad de combustible (variable manipulada) y como consecuencia se obtiene un aumento en la velocidad del automóvil.
9. Componentes de un Sistema de Control Otro ejemplo que puede ayudarnos en la identificación de los componentes de un sistema de control es un sistema en el cual se calienta leche hasta la temperatura de pasteurización.
En este sistema, la temperatura de la leche es la variable controlada. El vapor fluye a través de los tubos, transfiriendo su calor a la leche. El flujo de vapor controla la temperatura de la leche. Por lo tanto, el flujo de vapor es la variable manipulada. La temperatura ambiente que rodea al tanque puede ser considerada como una perturbación. Por ejemplo, si la temperatura ambiente disminuye, la temperatura de la leche eventualmente disminuirá. Si se quiere regular el valor de la temperatura de la leche sin intervención de un operador, la misma debe ser medida continuamente mediante el uso de un sensor. Todo el control industrial depende de la capacidad de medir con exactitud y rapidez el valor de la variable controlada. Si la temperatura disminuye por debajo de los límites permisibles, el controlador hará todo lo necesario para tratar de llevar la temperatura al valor deseado.
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El controlador es la parte de un sistema que decide que tanto ajuste necesita el sistema para regresar la variable controlada al valor deseado. Esto se logra, en un sistema automático, comparando la variable controlada con el valor deseado (set point) y ejerciendo una acción correctiva de acuerdo con el valor del error (VC –SP) Por ejemplo, el controlador puede enviar un comando que garantice una mayor apertura de la válvula de control del vapor, causando que leche sea calentada y llevada a la temperatura requerida. Esta válvula es el elemento final de control del sistema de control. El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el caudal de vapor o agente de control. Un sistema de control, en general, puede contener: -
Un elemento sensor Un transmisor Un controlador Un elemento final de control El proceso (o planta)
Para que el sistema de control satisfaga los requerimientos establecidos, cada uno de los componentes antes mencionados (de estar presente en el sistema de control) debe funcionar a plena capacidad y efectivamente.
10. Planta (Proceso) Una planta puede ser una pieza de equipo, quizás un grupo de piezas de máquina funcionando juntas, el propósito de las cuales es realizar una operación particular. Llamaremos planta a cualquier objeto (tal como un dispositivo mecánico, un horno, un reactor químico, un avión) físico que deba ser controlado.
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Un ejemplo de planta es una caldera de vapor. Estas se utilizan en la mayoría de las industrias debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor en t/h a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica. A la caldera se le exige, pues, mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo.
Otro ejemplo es un tanque de almacenamiento donde muchas veces existe la necesidad de regular tanto la temperatura del producto en el tanque así como el nivel de éste. La cerveza antes de ser embotellada es almacenada en tanques y debe ser mantenida a una temperatura de aproximadamente -1.5 °C. Si la temperatura cae por debajo de dicho valor la cerveza se congela y debe desechada.
11. Sensores Generalmente, se mide para revelar una condición y posiblemente alertar al . También medimos para cuantificar la magnitud de un fenómeno. Probablemente más importante, medimos para controlar los procesos. Sin las mediciones, la ingeniería sería imposible, y la ciencia sería filosofía. Una medición es información acerca de una cantidad física, y para hacer mediciones se necesita un sensor. El papel del sensor es facilitar la transferencia de información acerca de la cantidad física hacia una pantalla, un controlador, una computadora, un registrador o hacia un pedazo de papel donde se puede tener a ella.
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Temperatura
Presión
Nivel
En la ingeniería de sistemas de control, los sensores juegan un papel crítico suministrando mediciones para retroalimentación. El ingeniero de sistemas de control debe determinar que variables deben ser medidas y que tan bien deben ser medidas para alcanzar el funcionamiento deseado del sistema de control. Sin mediciones no se puede controlar nada. Hoy día, los ingenieros de control de procesos pueden encontrar en el mercado una amplia variedad de sensores. Desde sensores que pueden ser considerados convencionales hasta los llamados sensores inteligentes.
Características Estáticas: Describen la actuación de un sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. a) Exactitud: Grado de conformidad de la salida de un instrumento de medida con el valor ideal de la variable medida. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, la exactitud debe establecerse como exactitud de referencia. b) Rango de medida: Es el campo de medidas de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, como una tolerancia de error aceptable. c) Precisión: La precisión es la tolerancia de medida del instrumento (intervalo donde es isible la magnitud de medida), y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado. d) Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.
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e) Error: Expresa la diferencia de magnitud medida y la lectura instrumental. En toda aplicación se desearía que el error fuese cero; sin embargo, todos los instrumentos modifican su comportamiento a lo largo de su vida y es común calibrarlos de cuando en cuando. f) Linealidad: Un sensor se dice que es lineal, si existe una constate de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de señal de salida con los correspondientes incrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida. g) Error de linealidad: Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayoría de los sistemas instrumentales comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del instrumento. h) Incertidumbre de una medida: La incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. i) Receptibilidad: Característica que indica la capacidad de reproducción de salida del sensor al medir repetidamente valores idénticos de la variable de entrada, con el mismo sensor y en idénticas condiciones de servicio, y en el mismo sentido de navegación. j) Sensibilidad: Característica que indica la mayor o menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. k) Resolución: Indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir. l) Fuera de rango: Cualquier exceso en el valor de la variable medida, ya sea por encima del límite superior del rango o por debajo del límite inferior del rango. m) Ruido: Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifican la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. n) Histéresis: Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace se con los datos, de subida y los datos de bajada de la entrada, al representar los gráficamente los datos de la medida.
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Características Dinámicas: Son aquellas que describen al instrumento en régimen transitorio a base de dar una respuesta temporal ante determinados estímulos estándar, e indicar las constantes de tiempos relevantes. a) Velocidad de respuesta: Mide la capacidad de un sensor para que la señal de salida siga sin retrasos las variaciones de la señal de entrada. b) Tiempo de retardo: Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada hasta que la salida alcanza el 100% de su valor permanente. c) Tiempo de subida: Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el 10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90% de dicho valor. d) Tiempo de establecimiento: Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que la respuesta alcanza el régimen permanente, con una tolerancia de +/-1 %.} e) Tiempo muerto: Intervalo de tiempo desde el momento en que la señal aparece en la entrada de un componente, y el momento en que la respuesta correspondiente, aparece en la salida.
12. Transmisores En muchas ocasiones, el cuarto de control esta físicamente alejado del proceso y es necesario transmitir el valor de la variable medida. Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso (variable controlada) y la transmiten a distancia en forma de señal neumática (3 a 15 psi) o electrónica (4 a 20 mA) a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos.
Temperatura
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Presión
Nivel
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Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor. Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100 % de la variable. Los transmisores electrónicos generan la señal estándar de 4-20 mA (corriente directa), a distancias de 200 m a 1 Km, según sea el tipo de instrumento de transmisor. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas y emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje. La señal digital consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor. Honeywell presentó en 1986 el primer transmisor con señal de salida enteramente digital, lo cual facilita las comunicaciones enteramente digitales entre el transmisor y el controlador o receptor. Esta digitalización de las señales y su envío a los sistemas de control, si bien es diferente en cada fabricante de instrumentos, está experimentando un proceso de normalización. El microprocesador se utiliza en la transmisión por las ventajas que posee de rapidez de cálculo, pequeño tamaño, fiabilidad, precio cada vez más competitivo y ser apto para realizar cálculos adicionales.
Transmisores Inteligentes Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a las de transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de medida, diagnosticar averías, calibración y cambio de margen de medida. Algunos transmisores gozan de auto-calibración, autodiagnóstico de componentes electrónicos; su precisión es de 0.075%.
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Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios, posee bajos costes de mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rápidas puede presentar problemas y para el desempeño en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir, no es intercambiable con otras marcas. Podemos encontrar en el mercado diferentes tipos de transmisores, según sea la variable que se esté midiendo. Tenemos entre los más comunes los siguientes: -
Transmisores de Presión Transmisores de Temperatura Transmisores de Flujo Transmisores de Nivel
La figura muestra un transmisor de presión de la marca Siemens. Información acerca de este transmisor y de los otros tipos mencionados puede ser encontrada en las páginas WEB de empresas tales como: -
Siemens Honeywell Rockwell ABB
13. Controladores En cualquier sistema industrial, los circuitos de control constantemente reciben y procesan información acerca de las condiciones en el sistema. Esta información representa datos tales como las posiciones mecánicas de partes móviles; temperaturas en lugares diversos; presión existente en tuberías, ductos y cámaras; velocidades de flujo de fluidos; fuerzas aplicadas a varios dispositivos de detección; velocidades de movimiento, etc. Los sistemas de circuitos de control deben recoger toda esta información empírica y combinarla con la información suministrada por los operadores. La información introducida por el operador representa la respuesta deseada del sistema.
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Con base en la comparación entre la información del sistema y la aportada por los operadores, los circuitos de control toman decisiones las cuales están relacionadas con la próxima acción del sistema mismo, como, por ejemplo, arrancar o apagar un motor, aumentar o disminuir la velocidad de un movimiento mecánico, abrir o cerrar una válvula de control, o incluso apagar totalmente el sistema debido a una condición de inseguridad.
Controladores eléctricos y los controladores neumáticos Los controladores neumáticos son dispositivos que operan usando la presión del aire. Los controladores eléctricos operan usando señales eléctricas. Controladores neumáticos son usados en las industrias químicas y petroquímicas por razones de seguridad. Son menos caros y más simples que los controladores eléctricos. Sin embargo, los controladores neumáticos son difíciles de interfacear con las computadoras digitales. Los controladores son clasificados también de acuerdo al tipo de control que ellos realizan. Algunos ejemplos son: -
Controlador ON-OFF Controlador Proporcional Controlador Proporcional + Integral Controlador Proporcional + Derivativo Controlador Proporciona + Integral + Derivativo
Los controladores también pueden ser clasificados en dos grandes grupos según su nivel de flexibilidad: -
Sistemas Cableados (poco adaptables Sistemas Programables (muy adaptables)
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Los primeros realizan una función de control fija, que depende de los componentes que lo forman y de la forma en que han sido interconectados. Por tanto, la única forma de alterar la función de control es modificando sus componentes o la forma de interconectarlos.
Sistema de control cableado Los sistemas programables, en cambio, pueden realizar distintas funciones de control sin alterar su configuración física, sino sólo cambiando el programa de control.
Controlador programable Un sistema de control de procesos puede ser definido como las funciones y operaciones necesarias para cambiar un material, ya sea, física o químicamente. Control de procesos se refiere normalmente al procesamiento o manufactura de productos en la industria.
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Los procesos pueden ser clasificados como secuenciales (batch) y continuos. El control de procesos secuenciales es aquel en el cual un evento sigue a otro hasta que el trabajo es completado. Estos tipos de procesos pueden ser subdivididos en dos grandes clases: -
Control de procesos secuenciales basados en eventos y Control de procesos secuenciales basados en el tiempo
Un proceso secuencial basado en eventos es aquel en el cual la ocurrencia de un evento causa que una determinada acción tome lugar. En este tipo de procesos, la acción del controlador está siendo gobernada por eventos externos al controlador. Un proceso secuencial basado en el tiempo es aquel en el cual los eventos ocurren en una secuencia específica, no de la forma aleatoria. La acción del controlador en este tipo de procesos está determinada por el programa en el controlador y no por ocurrencias externas.
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14. Elementos Finales de Control Los elementos finales de control son componentes que enlazan las salidas de los elementos de control con sus procesos. Estos son considerados los músculos y tendones de los controles automáticos. El elemento final de control provee la amplificación de potencia necesaria entre los bajos niveles de energía de los controladores y los niveles de energía más altos del proceso necesarios para realizar su función. La mayoría de los elementos finales de control son dispositivos de aplicación general tales como válvulas, bombas, motores, calentadores eléctricos, y dampers. Válvulas y dampers tienen realizan funciones similares. Las válvulas regulan la razón de flujo de un líquido mientras que los dampers regulan el flujo de aire y gases. Las bombas, al igual que las válvulas, pueden ser usadas para controlar el flujo de un fluido. Los calentadores son usados para controlar la temperatura.
En los procesos industriales altamente sofisticados, tales como hornos, tratamientos térmicos, máquinas de extrusión, etc., la regulación precisa de la variable controlada (suele ser la temperatura) obliga a controlar la potencia entregada a las resistencias finales de calefacción. El rectificador controlado de silicio ha representado una revolución en el control de potencia por sus dimensiones reducidas y por trabajar con una alta densidad de corriente. Características que entre otras hacen que sea el más utilizado actualmente. Este elemento se comporta en forma parecida a una válvula de control: varían la corriente en la línea de alimentación a la carga en la misma forma en que una válvula cambia el caudal de fluido en una tubería.
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En el ejemplo de la pasteurización de la leche, el elemento final de control es una válvula que regula la cantidad de vapor, de acuerdo a la señal recibida del controlador, que debe circular por el calentador.
15. Referencias
Instrumentación Industrial, 6ta Edición, Antonio Creus, Capitulo 2.
Industrial Electronics, Third Edition. James T. Humphries & Leslie P. Sheets
www.fec.uni.edu/docentes/amendez/RevistasyEmpresas
The Evolving of History of Control, Control Systems (IEEE), Volume 16.
Instrumentación Industrial, 6ta Edición, Antonio Creus, Apéndice A.
What is advanced Control?
Control Systems (IEEE), Volume 13 Number 3, June 1993
Historia del Control Automático.
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