Introduccin

Para un anlisis y/o diseo efectivo de un sistema de control, es necesario conocer tanto los componentes del sistema as como la terminologa empleada. En este documento se presenta la terminologa alrededor de los sistemas de control y se analizan los componentes bsicos que lo conforman. Variables en un sistema de control

La variable controlada es una variable (temperatura, presin, nivel, flujo, etc.) que deseamos que su valor permanezca constante. Todo proceso tiene una o ms variables controladas (dinmicas.) Una variable manipulada es una variable (flujo, corriente elctrica, etc.) cuyo valor es cambiado para regular el proceso. Especficamente, la variable manipulada nos permite mantener constante a la variable controlada. Los procesos tambin tienen una o ms variables manipuladas (tambin llamadas agentes de control) Finalmente, cada sistema de control de procesos tiene una o ms 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 cmo se manifiestan estas tres variables, es el manejo de un automvil. Imagnese que est conduciendo su automvil 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. De repente, la carretera presenta una pendiente (perturbacin) y la velocidad

del vehculo comienza a disminuir. Si se quiere mantener constante la velocidad debemos presionar an ms el acelerador, lo cual permitir que se entregue una mayor cantidad de combustible (variable manipulada) y como consecuencia se obtiene

un aumento en la velocidad del automvil. Componentes de un sistema de control bsico

Otro ejemplo que puede ayudarnos en la identificacin de los componentes de un sistema de control es un sistema en el cual se calienta leche hasta la temperatura de pasteurizacin. Un esquema simplificado de dicho sistema es mostrado en la figura 1.

Ilustracin 1

En este sistema, la temperatura de la leche es la variable controlada. El vapor fluye a travs 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 perturbacin. Por ejemplo, si la temperatura ambiente disminuye, la temperatura de la leche eventualmente disminuir. Si se quiere regular el valor de la temperatura de la leche sin intervencin 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 lmites permisibles, el controlador har todo lo necesario para tratar de llevar la temperatura

al valor deseado. 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 automtico, comparando la variable controlada con el valor deseado (set point) y ejerciendo una accin 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 vlvula de control del vapor, causando que leche sea calentada y llevada a la temperatura requerida. Esta vlvula es el elemento final de control del sistema de control. El elemento final de control recibe la seal del controlador y modifica el caudal de vapor o agente de control. Un sistema de control, en general, puede contener los cinco elementos listados a continuacin: Ver figura 2. un elemento sensor un transmisor un controlador un elemento final de control el proceso (o planta)

Ilustracin 2

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. Planta (Proceso) Una planta puede ser una pieza de equipo, quizs un grupo de piezas de mquina funcionando juntas, el propsito de las cuales es realizar una operacin particular. Llamaremos planta a cualquier objeto (tal como un dispositivo mecnico, un horno, un reactor qumico, un avin) fsico que deba ser controlado. Un ejemplo de planta es una caldera de vapor. Estas se utilizan en la mayora de las industrias debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de produccin de vapor en t/h a una presin especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo

de la fbrica. A la caldera se le exige, pues, mantener una presin de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo.

Ilustracin 3.

Otro ejemplo es un tanque de almacenamiento donde muchas veces existe la necesidad de regular tanto la temperatura del producto en el tanque as como el nivel de ste. La cerveza antes de ser embotellada es almacenada en tanques y debe ser mantenida a una temperatura de aproximadamente -1.5o C. Si la temperatura cae por debajo de dicho valor la cerveza se congela y debe desechada.

Ilustracin 4.

Sensores Generalmente, se mide para revelar una condicin y posiblemente alertar al usuario. Tambin medimos para cuantificar la magnitud de un fenmeno. Probablemente ms importante, medimos para controlar los procesos. Sin las mediciones, la ingeniera sera imposible, y la ciencia sera filosofa.

Ilustracin 5.

Una medicin es informacin acerca de una cantidad fsica, y para hacer mediciones se necesita un sensor. El papel del sensor es facilitar la transferencia de informacin

acerca de la cantidad fsica hacia una pantalla, un controlador, una computadora, un registrador o hacia un pedazo de papel donde se puede tener acceso a ella. En la ingeniera de sistemas de control, los sensores juegan un papel crtico suministrando mediciones para retroalimentacin. 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 da, 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. Transmisores

En muchas ocasiones, el cuarto de control esta fsicamente 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 seal neumtica (3 a 15 psi) o electrnica (4 a 20 mA) a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinacin de estos.

Ilustracin 6.

Existen varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, digitales, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en la industria son las tres primeras, las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilmetros entre el transmisor y el receptor. Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100 % de la variable. Los transmisores electrnicos generan la seal estndar de 4-20 mA (corriente directa), a distancias de 200 m a 1 Km, segn sea el tipo de instrumento de transmisor. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas y emplea slo dos hilos que no precisan blindaje. La seal digital consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (cdigo binario), y representa el paso (1) o no (0) de una seal a travs de un conductor. Honeywell present en 1986 el primer transmisor con seal de salida enteramente digital, lo cual facilita las comunicaciones enteramente digitales entre el transmisor y el controlador o receptor. Esta digitalizacin de las seales y su envo a los sistemas de control, si bien es diferente en cada fabricante de instrumentos, est experimentando un proceso de normalizacin. El microprocesador se utiliza en la transmisin por las ventajas que posee de rapidez de clculo, pequeo tamao, fiabilidad, precio cada vez ms competitivo y ser apto para realizar clculos adicionales.

Transmisores Inteligentes

Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a las de transmisin de la seal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de medida, diagnosticar averas, calibracin y cambio de margen de medida. Algunos transmisores gozan de auto-calibracin, autodiagnstico de componentes electrnicos; su precisin es de 0.075%. Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios, posee bajos costes de mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rpidas puede presentar problemas y para el desempeo en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir, no es intercambiable con otras marcas. Podemos encontrar en el mercado diferentes tipos de transmisores, segn sea la variable que se est midiendo. Tenemos entre los ms comunes los siguientes: Transmisores de Presin Transmisores de Temperatura Transmisores de Flujo Transmisores de Nivel La figura 7. muestra un transmisor de presin de la marca Siemens.

Ilustracin 7.

Informacin acerca de este transmisor y de los otros tipos mencionados puede ser encontrada en las pginas WEB de empresas tales como:

Siemens Honeywell Rockwell ABB Otras

En la pgina WEB de Honeywell, buscar un transmisor de temperatura y / o presin. Imprimir la hoja que presenta las principales caractersticas del transmisor y estudiarlas. Controladores En cualquier sistema industrial, los circuitos de control constantemente reciben y procesan informacin acerca de las condiciones en el sistema. Esta informacin representa datos tales como las posiciones mecnicas de partes mviles; temperaturas en lugares diversos; presin existente en tuberas, ductos y cmaras; velocidades de flujo de fluidos; fuerzas aplicadas a varios dispositivos de deteccin; velocidades de movimiento, etc. Los sistemas de circuitos de control deben recoger toda esta informacin emprica y combinarla con la informacin suministrada

por los operadores. La informacin introducida por el operador representa la respuesta deseada del sistema. Con base en la comparacin entre la informacin del sistema y la aportada por los operadores, los circuitos de control toman decisiones las cuales estn relacionadas con la prxima accin del sistema mismo, como, por ejemplo, arrancar o apagar un motor, aumentar o disminuir la velocidad de un movimiento mecnico, abrir o cerrar una vlvula de control, o incluso apagar totalmente el sistema debido a una condicin de inseguridad. La figura 8. describe, de forma general, el proceso descrito.

Ilustracin 8.

Obviamente, no hay ningn raciocinio real en la toma de decisiones hecha por los circuitos de control. Los circuitos de control solamente reflejan los deseos del diseador que previ todas las condiciones posibles de entrada e incluy en el diseo las respuestas apropiadas de los circuitos. Los controladores pueden ser clasificados en diferentes formas. Por ejemplo, ellos pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de energa que ellos usan. Dos tipos comunes en esta categora son los controladores elctricos y los controladores neumticos. Los controladores neumticos son dispositivos que operan usando la presin del aire. Los controladores elctricos operan usando seales elctricas. Controladores neumticos son usados en las industrias qumicas y petroqumicas por razones de seguridad. Son menos caros y ms simples que los controladores elctricos. Sin embargo, los controladores neumticos son difciles de interfacear con las computadoras digitales. Los controladores son clasificados tambin 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 tambin pueden ser clasificados en dos grandes grupos segn su nivel de flexibilidad: 1. Sistemas Cableados (poco adaptables) 2. Sistemas Programables (muy adaptables) Los primeros realizan una funcin de control fija, que depende de los componentes que lo forman y de la forma en que han sido interconectados. Por tanto, la nica forma

de alterar la funcin de control es modificando sus componentes o la forma de interconectarlos.

Ilustracin 9. Sistema de control cableado

Los sistemas programables, en cambio, pueden realizar distintas funciones de control sin alterar su configuracin fsica, sino slo cambiando el programa de control.

Ilustracin 10. Sistema de control programable

Un sistema de control de procesos puede ser definido como las funciones y operaciones necesarias para cambiar un material, ya sea, fsica o qumicamente. Control de procesos se refiere normalmente al procesamiento o manufactura de productos en la industria. 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 accin tome lugar. En este tipo de procesos, la accin del controlador est 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 especfica, no de la forma aleatoria. La accin del controlador en

este tipo de procesos est determinada por el programa en el controlador y no por ocurrencias externas.

Ilustracin 11.

Ilustracin 12.

Indagar que es un proceso continuo y listar algunas caractersticas de stos. Se deben presentar algunos ejemplos de este tipo de procesos. 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 msculos y tendones de los controles automticos. El elemento final de control provee la amplificacin de potencia necesaria entre los bajos niveles de energa de los controladores y los niveles de energa ms altos del proceso necesarios para realizar su funcin. La mayora de los elementos finales de control son dispositivos de aplicacin general tales como vlvulas, bombas, motores, calentadores elctricos, y dampers. Las vlvulas y dampers realizan funciones similares. Las vlvulas regulan la razn de flujo de un lquido mientras que los dampers regulan el flujo de aire y gases. Las bombas,

al igual que las vlvulas, pueden ser usadas para controlar el flujo de un fluido. Los calentadores son usados para controlar la temperatura.

Ilustracin 13.

En los procesos industriales altamente sofisticados, tales como hornos, tratamientos trmicos, mquinas de extrusin, etc., la regulacin precisa de la variable controlada (suele ser la temperatura) obliga a controlar la potencia entregada a las resistencias finales de calefaccin. El rectificador controlado de silicio ha representado una revolucin en el control de potencia por sus dimensiones reducidas y por trabajar con una alta densidad de corriente. Caractersticas que entre otras hacen que sea el ms utilizado actualmente. Este elemento se comporta en forma parecida a una vlvula de control: varan la corriente en la lnea de alimentacin a la carga en la misma forma en que una vlvula cambia el caudal de fluido en una tubera. En el ejemplo de la pasteurizacin de la leche, el elemento final de control es una vlvula que regula la cantidad de vapor, de acuerdo a la seal recibida del controlador, que debe circular por el calentador La figura 14 muestra una vlvula real. Informacin acerca de elementos finales de control puede ser encontrada en la direccin antes mencionada.

Ilustracin 14.

Referencias: 1. Instrumentacin Industrial, 6ta Edicin, Antonio Creus, Capitulo 2. 2. Industrial Electronics, Third Edition. James T. Humphries & Leslie P. Sheets