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SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS
Un sistema de control de procesos es un tipo de sistema que se caracteriza por la
presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema.
La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las
variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen
unos valores prefijados (consigna). Éste permitirá una operación del proceso más fiable y
sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda
desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste.
Las principales características que se deben buscar en un sistema de control de
procesos serán:
Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.
Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua.
Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas.
Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.
La implantación de un adecuado sistema de control de proceso, que se adapte a las
necesidades de nuestro sistema, significará una sensible mejora de la operación y traerá
consigo los siguientes beneficios:
Incremento de la productividad
Mejora de los rendimientos
Mejora de la calidad
Ahorro energético
Control medioambiental
Seguridad operativa
Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo
Fácil acceso a los datos del proceso
ESQUEMA DE UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS
Figura nº 1. Esquema general de un sistema de control de procesos
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS DE
ACUERDO A SU COMPORTAMIENTO
- Sistema de control de lazo cerrado
La acción de control se calcula en función del error medido entre la variable
controlada y la consigna deseada. Las perturbaciones, aunque sean desconocidas son
consideradas indirectamente mediante sus efectos sobre las variables de salida. Este tipo de
estrategia de control puede aplicarse sea cual sea la variable controlada. La gran mayoría de
los sistemas de control que se desarrollan en la actualidad son en lazo cerrado.
Figura nº 2. Esquema de control lazo cerrado
Donde:
P: Perturbaciones
P’: Perturbaciones estimadas
y: Variable controlada
Yc: Consigna
u: Acción de control
- Sistema de control lazo abierto
La acción de control se calcula conociendo la dinámica del sistema, las consignas y
estimando las perturbaciones. Esta estrategia de control puede compensar los retrasos
inherentes del sistema anticipándose a las necesidades del usuario. Sin embargo, el lazo
abierto generalmente es insuficiente, debido a los errores del modelo y a los errores en la
estimación de las perturbaciones. Por ello, es común la asociación de lazo cerrado-lazo
abierto, de modo que el lazo cerrado permite compensar los errores generados por el lazo
abierto.
Figura nº 3. Esquema control lazo abierto
COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS
Transductores
Son dispositivos capaces de transformar una variable física en otra variable física
diferente con el propósito de medirla más fácilmente. Por lo general esta segunda variable
es eléctrica debido a su conocida versatilidad en los procesos de medición. Los
transductores son especialmente importantes para que los medidores puedan detectar
magnitudes físicas. Normalmente, estas magnitudes, como por
ejemplo temperatura, presión, humedad del aire, presión s onora , caudaloluz, se convierten
en una señal normalizada. Las ventajas de la transformación son por un lado la flexibilidad,
ya que muchos medidores soportan la transformación de señales normalizadas. Por otro
lado, las magnitudes medidas pueden ser leídas a grandes distancias sin prácticamente
pérdida alguna. Cuando se usan transductores, la unidad de evaluación debe recibir sólo el
rango de medición, pues a partir de ahí, se calculan desde la señales eléctricas las
magnitudes eléctricas. Algunos transductores ofrecen adicionalmente una separación
galvánica entre la señal de entrada y de salida.
Las características de los transductores se pueden agrupar en dos grandes bloques:
Características estáticas: describen la actuación del sensor en régimen permanente o con
cambios muy lentos de la variable a medir. Dentro de éstas se encuentran:
o Rango de medida: el conjunto de valores que puede tomar la señal de
entradacomprendidos entre el máximo y el mínimo detectados por el sensor con una
toleranciade error aceptable.
o Resolución: indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos
dela variable de entrada. Indica que variación de la señal de entrada produce una
variacióndetectable en la señal de salida.
o Precisión: define la variación máxima entre la salida real obtenida y la salida teóricadada
como patrón para el sensor.
o Repetitibilidad: Indica la máxima variación entre valores de salida obtenidos al
medirvarias veces la misma entrada con el mismo sensor y en idénticas
condicionesambientales.
o Linealidad: un transductor es lineal si existe una constante de proporcionalidad únicaque
relaciona los incrementos de la señal de salida con los respectivos incrementos de laseñal
de entrada en todo el rango de medida.
o Sensibilidad: indica la mayor o menor variación de la señal de salida por unidad de
lamagnitud de entrada. Cuanto mayor sea la variación de la señal de salida producida
poruna variación en la señal de entrada, el sensor es más sensible.
o Ruido: cualquier perturbación aleatoria del propio sistema de medida que afecta la
señalque se quiere medir.
Características dinámicas: describen el comportamiento del sensor en régimen transitorio.
Dentro de éstas se encuentran:
o Velocidad de respuesta: mide la capacidad del sensor para que la señal de salida siga sin
retraso las variaciones de la señal de entrada.
o Respuesta en frecuencia: mide la capacidad del sensor para seguir las variaciones de la
señal de entrada a medida que aumenta la frecuencia, generalmente los sensores
convencionales presentan una respuesta del tipo pasabajos.
o Estabilidad: indica la desviación en la salida del sensor con respecto al valor teórico
dado, al variar parámetros exteriores distintos al que se quiere medir (condiciones
ambientales, alimentación, entre otros).
Transmisores
El transmisor es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a
distancia a un instrumento indicador o controlador; siendo la función primordial de este
dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el
instrumento receptor, es así como un transmisor capta señales tanto de un sensor como de
un transductor, cabe resaltar que todo transmisor es transductor más no un transductor
puede ser un transmisor.
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 son dispositivos mecánicos que
convierte un desplazamiento mecánico en variaciones proporcionales de presión; por su
parte, los transmisores electrónicosson aquellos que utilizan como energía señales eléctricas
de 4-20 mA; y los transmisores digitales emiten una señal digital, que consiste en una serie
de impulsos (señal de muy pequeña duración) en forma de bits.
Características:
o Es la interfase entre el proceso y el sistema de control.
o Miden una propiedad específica del proceso.
o Son capaces de comunicar a distancia el estado de una variable bajo observación.
o Es un transductor que convierte las variables del proceso a una señal de control
equivalente.
Estación manual
Muchos lazos de control de procesos han sido provistos de un control manual para
que el operador humano pueda ejercer control durante la puesta en marcha, parada o
emergencias del proceso.
La estación manual es un dispositivo o función, en el cual, su salida es manualmente
ajustable y que es usada para actuar sobre uno o más aparatos remotos. La estación manual
es una parte de la sala o estación de control.
Características:
o Genera su propia salida.
o La salida se ajusta manualmente.
o Se utiliza para el ajuste de válvulas y controladores de temperaturas de forma manual.
o Se utiliza generalmente en casos de emergencia.
Controlador
Es el encargado de decidir el tipo de acción sobre el elemento final de control. El
controlador tiene dos funciones esenciales:
• Comparar la variable medida con la de referencia deseada (punto de operación o Set
Point), para determinar el error que existe entre ellas.
• Enviar una señal al elemento final de control con el objeto de modificar su acción en el
sentido adecuado para reducir el error.
Características:
o Elabora la señal de control que permita que la variable controlada corresponda a la señal
de referencia.
o Constituye el elemento fundamental en el sistema de control.
o Condiciona la acción del elemento actuador en función de error obtenido.
o Estabiliza el sistema realizando el ajuste necesario.
Elemento final de control
Dispositivo que controla directamente los valores de la variable manipulada en un
lazo de control, modula la materia o energía inyectada o extraída del proceso.
Generalmente el elemento final de control es una válvula de control. En otras palabras, es
parte del actuador encargado de suministrar la fuerza, energía y potencia al proceso.
Características:
o En la mayor parte de los procesos industriales aparecen lazos de control formados por
tres elementos típicos: transmisor, regulador y válvula.
o Realiza la interfase entre el proceso y el otro extremo del lazo de control.
o Garantiza una operación controlada y eficiente de la planta junto con otros equipos
automáticos.
o Modula la energía y es pieza clave para la eficacia de un sistema de control.
Válvula de control
Son los elementos finales de control más usados en los procesos, son encargadas de
regular el flujo que circula a través de ellas.
En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un
papel muy importante en el lazo de regulación. Realiza la función de variar el flujo de la
variable manipulada, para con ello modificar el valor de la variable controlada.
Figura nº 4. Partes de una válvula de control
El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos, está
provista de rosca o bridas para conectarla con la tubería. El obturador es quien realiza la
función de control de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien
tener un movimiento rotativo. Está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del
cuerpo y que es accionado por el servomotor.
La válvula debe tener una “posición a falla”, en la que se coloca cuando ocurre una
falla en el suministro de la energía de accionamiento. Para determinar cual es su posición
en el momento de una falla, se debe tomar en cuenta el factor seguridad, es decir, cuando
por razones de seguridad se requiere que al ocurrir una falla la válvula se cierre, se dice que
la válvula es “Falla Cerrada” (FC – FailClose) o también conocida como “Aire para Abrir”
(AA) ; por el contrario, cuando se necesita que la válvula se abra al ocurrir una falla se dice
que es “Falla Abierta” (FA o FO - Fail Open) o “Aire para Cerrar” (AC).
Características:
o Regula el flujo de una corriente manipulada.
o Se cierran o se abran completamente al anular la presión o voltaje.
o Su acción depende del efecto de la variable manipulada sobre el proceso.
o La velocidad de flujo a través de una válvula de control depende del tamaño de la
válvula, la caída de presión a través de la válvula, la posición del vástago y las propiedades
del fluido.
o A mayor tamaño de la válvula de control, menor caída de presión.