Control automático en la industria . Un poco de historia , aspectos generales . La aplicación del principio de realimentación tiene sus comienzos en máquinas e instrumentos muy sencillos , algunos de los cuales se remontan a 2000 años atrás . El aparato mas primitivo que emplea el principio de control por realimentación fue desarrollado por un griego llamado Ktsibios aproximadamente 300 años A.C. . Se trataba de un reloj de agua como el mostrado en la figura el cual medía el pasaje del tiempo por medio de una pequeño chorro de agua que fluía a velocidad constante dentro de un recipiente . El mismo poseía un flotante que subía a medida que el tiempo transcurría . Ktsibios resolvió el problema del mantenimiento del caudal constante de agua inventando un aparato semejante al usado en los carburadores de los motores modernos . Entre el suministro de agua y el tanque colector había una regulación de caudal de agua por medio de una válvula flotante que mantenía el nivel constante . Si el nivel se elevaba ( como resultado de un incremento en la presión de suministro por ejemplo ) , el flotante se elevaba restringiendo el caudal de agua en el recipiente regulador hasta que el flotante volvía al nivel específico . En el siglo IX el regulador de nivel a flotante es reinventado en Arabia . En este caso se usaba para mantener el nivel constante en los bebederos de agua . En el siglo XVI , en Inglaterra se usaba el principio de realimentación para mantener automáticamente las paletas de los molinos de viento en una posición normal a la dirección del viento . En el siglo XVII , en Inglaterra se inventaba el termostato que se aplicaba para mantener la temperatura constante de una incubadora .
En primer uso del control automático en la industria parece haber s ido el regulador centrífugo de la máquina de vapor de Watt en el año 1775 aproximadamente . Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula . Por lo tanto , están presentes todos los elementos de realimentación . Aún cuando el principio de control por realimentación desde muchos años en la antigüedad , su estudio teórico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia . El primer análisis de control automático es la explicación matemática del regulador centrífugo por James Clerk Maxwell en 1868 .
Mas tarde la té i a del regulador se ad judi a otras ui as turbi as a r i i io del siglo XX omenzó la apli ación de reguladores servomecan ismos en reguladores de energía térmica al gobierno de buques . a pr imera teor ía general sobre control automático , per tenece a N quist en el amoso ar tí f amoso tículo ³Teor ía de la regeneración ³. Este estudio sentó las bases para nec esidad de resolver la determinación de la estabilidad de sistemas sin nec erenciales totalmente las ecuaciones dif erenc . Otros desarrollos en servomecan ismos amplificadores eléctr icos dieron or igen a muchas técnicas de f recuenc recuencia lugar geométr ico que se usan hoy en día . as aplicaciones generales al control de procesos no comenzaron hasta la década del ¶ . as técnicas de control se consagraron rápidamente , tal es así que ya en los años uncionaban redes de control relativamente comple jas . ¶4 f unc ases de procesos industr iales se utilizan aparatos de control En casi todas la f ases automático . Se usan corr ientemente en :
- Industr ias de procesamiento como la del petróleo , química , acero , energía y alimentación para el control de la temperatura , presión , caudal y var iables similares . actura de ar tí - Manuf ac tícu los como repuestos o par tes de automóviles , heladeras y radio , para el control del ensamble , producción , tratamiento térmico y operaciones similares . errocarr ililes , aviones , proyectiles y buques . - Sistemas de transpor te , como f errocarr
4- Máquinas herramientas , compresores y bombas , máquinas generadoras de energía eléctr ica para el control de posición , velocidad y potencia . El control automático industr ial .
undido , son Algunas de la muchas venta jas del control automático , ya muy dif und las siguientes : a) Aumentó en la cantidad o número de productos b) Me jora de la calidad de los productos c) Economía de mater iales d) Economía de energía o potencia e) Economía de equipos industr iales f ) Reducción d inversión de mano de obra en tareas no especializadas . actores generalmente contr ibuyen a aumentar la productividad . a Estos f ac dif us usión de la aplicación del control automático en la industr ia ha creado la necesidad de elevar el nivel de la educación de un sector de o brer breros os semiespecializados , capacitándolos para desempeñar tareas de mayor responsabilidad: el mane jo y mantenimiento de equipos e instrumentos de control .
Cibernética
e instrumentación
a ciencia de la cibernética e instrumentación se ocupa de los f en en ómenos ómenos de comunicación y control en la naturaleza , las máquinas o el hombre. Hay dos sectores de traba jo en el campo de la instrumentación e inf ormac ormación a) Estudio de la teor ía de comunicación e inf ormac ormación b) Estudio de la teor ía de control y realiment ación . as leyes impor tantes de comunicación y control tratan de la inf ormac ormación concerniente al estado y compor tamiento de los sistemas y no se ocupan de la energía o de la transf erenc erencia de energía dentro del sistema . El uso de la energía es del orden secundar io para el propósito pr incipal de control o comunicación . a teor ía de la comunicación e inf ormac ormación se basa en el concepto de que todas las ideas pueden expresarse en mensa jes traducibles al lengua je común ormación puede ser d ser d efinida y por lo tanto se puede medir , . a cantidad de inf ormac y en consecuenc ia , se puede enunciar que gobierna la transmisión de la ormación . a tecnología de la medición , telemetr ía , televisión , estructura inf ormac del lengua je , sistemas numér icos y computación automática, em plean las ormación y mane jo y procesamiento de datos . ideas básicas de inf ormac
El campo del control automático desde el punto de vista práctico se puede dividir en r en tres secciones : a) Control de procesos que involucran cambios químicos y de estado . b) Control de manuf ac actura que involucra cambio de f orma orma . c) Control de posición f undamen undamentalmente , con niveles de potencia por encima de unos pocos att .
Sistemas de control. Definición de sistema : a) n ³sistema´es un ordenamiento , con junto o colección de cosas conectadas o relacionadas de manera que constituyan un todo b) n ³sistema´es un ordenamiento de componentes físicos conectados o relacionados de manera que f ormen ormen una unidad completa p que puedan actuar como tal . a palabra ³control´generalmente se usa para designar ³regulación´, dirección o ³comando´. Al combinar las definiciones anter iores se tiene : n sistema de control es un ordenamiento de componentes físicos conectados de tal manera que el mismo pueda comandar , di r igir o regularse a sí mismo o a otro sistema . En el sentido mas abstracto es posible considerar cada ob jeto físico como un sistema de control . Cada cosa altera su medio ambiente de alguna manera , activa o positivamente .
El caso de un espejo que dirige un haz de luz que incide sobre l , puede considerarse como un sistema elemental de control , que controla el haz de luz de acuerdo con la la relación el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia´. En la ingeniería y en la ciencia se restringe el significado de sistemas de control al aplicarlo a los sistemas cuya función principal es comandar , dirigir , regular dinámica o activamente . El sistema ilustrado en la figura a la derecha , que consiste en un espejo pivoteado en uno de sus extremos y que se puede mover hacia arriba o hacia abajo por medio de un tornillo en el otro extremo , se denomina propiamente un sistema de control . En ángulo de la luz reflejada se regula por medio del tornillo . Ejemplos de sistemas de control . Los sistemas de control abundan en el medio ambiente del hombre . Antes de mostrar esto esto , se definirán definirán los t rminos entrada entrada y salida salida que ayudarán ayudarán a identificar o definir al sistema de control . La entrada es el estímulo o la excitación que se aplica a un sistema sistema de c ontrol desde una fuente de energía externa , generalmente con el fin de producir de parte del sistema de control , una respuesta especificada . La salida es la respuesta obtenida del sistema de control . Puede no ser igual a la respuesta especificada que la entrada implica . El objetivo del sistema de control generalmente identifica a define la entrada y la salida . adas stas es posible determinar o definir la naturaleza de los componentes del sistema . Los sistemas de control pueden tener mas de una entrada o salida . Existen tres tipos básicos de sistemas de control : 1.Sistemas de control hechos por el hombre. 2.Sistemas de control naturales , incluyendo sistemas biológicos . 3. Sistemas de control cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales . Ejemplo 1 . Un conmutador conmutador el ctrico es un sistema de de control control ( uno de los mas mas rudimentarios ) hecho por el hombre , que controla al flujo de electricidad electricidad . Por definición , el aparato o la persona que actúa sobre el conmutador no forma parte de este sistema de control . La entrada la constituye la conmutación del dispositivo tanto hacia el estado de conducción como hacia el de corte . La salida la constituye la presencia o ausencia del flujo ( dos estados ) de electricidad . Ejemplo 2 . Un calentador o calefactor controlado por medio de un termostato que regula automáticamente la temperatura de un recinto . La entrada de este sistema es una temperatura de referencia , ( generalmente se especifica graduando el termostato convenientemente ) . La salida es la temperatura del recinto . Cuando el termostato detecta que la salida es menor que la entrada , el calefactor produce calor hasta que la temperatura del recinto sea igual a la
entrada de referencia . Entonces , el calefactor se desconecta automáticamente . Ejemplo 3. La indicación de un objeto con un dedo requiere de un sistema de control biológico constituido principalmente por los ojos, el brazo , la ma no , el dedo y el cerebro de un hombre . La entrada es la dirección precisa del objeto ( en movimiento o no ) con respecto a una referencia , y la salida es la dirección que se indica con respecto a la misma referencia . Variables y señales de medición oda industria que maneja procesos requiere cuantificar las cantidades de productos que entran o salen de un recipiente, tubería o sencillamente de un espacio limitado por bordes virtuales, en plantas de procesos por lo general hay que medir medir tambi n las propiedades propiedades (temperatura, (temperatura, presión, presión, masa, densidad densidad,, etc.). La medición de las cantidades involucradas permite controlar el proceso, agregando otro componente a la mezcla, reduciendo o incrementando la temperatura y/ o la presión, en fin, permite tomar decisiones acerca del paso siguiente para lograr un objetivo. La cuantificaci cuantificación ón de las cantidades cantidades se realiza realiza a trav s de dispositivos dispositivos que emiten señales dependientes por lo general del cambio en la cantidad involucrada, involucrada, defini defini ndose entonces entonces la la señal como un est est imulo externo externo o interno interno a un sistema que condiciona su comportamiento. Matemáticamente la señal se representa como una función de una o mas variables independientes que contienen información acerca de la naturaleza o comportamiento de algún fenómeno, los sistemas responden a señales particulares produciendo otras señales. Para citar un ejemplo cotidiano, cuando el conductor de un automóvil presiona el pedal del acelerador, el automóvil responde incrementando la velocidad del vehículo. En este caso, el sist ema es el automóvil, la presión sobre el pedal del acelerador es la entrada del sistema y la velocidad del automóvil es la respuesta.
Fig.: epresentación gráfica de señales señal es (b)tiempo discreto
de (a) tiempo con tiempo
Definición de var iable as cantidades o caracter ísticas que se miden las cuales sirven de base de control) se denominan var iables, f recuentemente reciben el nombre de var iables de medición, var iables de instrumentación o var iables de proceso. Existen var iables dependientes e indepe ndientes. as f órmulas siguientes ilustran la relación entre var iables
Clasificación
de las var iables
as caracter ísticas que se miden, las var iables de medición, se han clasificado según el campo a la cual están dedicados, así entonces se pueden estab lecer : a. Var iables térmicas as var iables térmicas se refieren a la condición o carácter de un mater ial que depende de su energía térmica. Para cuantificar la energía térmica de un mater ial se requiere conocer las condiciones:
- Temperatura: Se define como la condición de un cuerpo o mater ial que determina la transf erencia de calor hacia o desde otros cuerpos. - Calor específico: E s la propiedad de un cuerpo que define la relación entre el cambio de temperatura y la var iación del nivel de energía térmi ca. - Var iables de energía térmica: Se evalúan a par tir de la entalpía y entropía relacionadas con la energía térmica total y la disponible en un cuerpo. - V alor calor ífico: Representa la caracter ística de un mater ial que determina la cantidad de energía térmica calor) que se produce o absorbe por un cuerpo sometido a condiciones específicas. b. Var iables de radiación as var iables de radiación se refieren a la emisión, propagación y absorción de energía a través del espacio o de algún mater ial en la f orma de ondas; y por extensión, la emisión, propagación y absorción corpuscular . Deben incluir las var iables f otométr icas color , br illo, reflectancia, etc.) relacionadas con la luz visible y las var iables acústicas que incluyen los sonidos perceptibles y las ondas imperceptibles que se propagan a través de cualquier medio, tales como las ondas ultrasónicas.
- Radiación nuclear : Es la radiación asociada con la alteración del núcleo del átomo. - Radiación electromagnética: El espectro de radiación electromagnética incluye la energía radiante desde la emisión a f recuencias de potencia pasando por las bandas de transmisión de radio; calor radiante, luz inf rarro ja, visible y
ultravioleta y los rayos X y cósmicos. na f orma de radiación electromagnética son los rayos gamma procedentes de f uentes de suministro nucleares. c. Var iables de f uerza as var iables de f uerza son aquellas cantidades físicas que modifican la posición relativa de un cuerpo, l a modificación puede incluir hasta la alteración de las dimensiones en f orma permanente def ormaciones plásticas) o en f orma transitor ia def ormaciones elásticas), las f uerzas pueden tener un carácter estático peso propio) o dinámico. as pueden producir desplazamientos y/o def ormaciones lineales, flexionantes y/o torsionantes. as cargas que representan inter és son las f uerzas totales, momentos flexionantes, momentos o par de torsión, la presión o vacío var iable dependiente de la f uerza y del área sobre la que actúa). d. Var iables de velocidad
Estas var iables están relacionadas con la velocidad a la que un cuerpo se mueve hacia o en dirección opuesta a un punto de ref erencia fijo. El tiempo siempre es uno de los componentes de la var iable velocidad, el término velocidad se asocia a un fluido a través del flu jo o caudal, en caso de cuerpos se puede apreciar la rapidez con que el cuerpo recorre una medida por unidad de tiempo, la medida puede ser lineal o angular . a var iable velocidad puede también cambiar en el ti empo dando or igen a otra var iable representada por la aceleración. as var iables de cantidad se refieren a la cantidad total de mater ial que existe dentro de cier tos límites específicos, así por e jemplo: la masa es la cantidad total de mater ia d entro de límites específicos. En este caso, el peso es la medida de la masa en base a la atracción de la gravedad.
f. Var iables de tiempo as var iables de tiempo son las medidas del lapso transcurr ido, es la duración de un evento en unidades de tiempo, l a cantidad de per iodos que se repiten en una unidad de tiempo se define como la f recuencia, la cual por lo general se mide en Her tz. g. Var iables geométr icas
Estas se refieren a la posición o dimensión de un cuerpo. as var iables geométr icas están relaci onadas con el estándar f undamen tal de longitud. Se puede apreciar como var iable la posición de un cuerpo con respecto a una ref erencia, se puede dimensionar un cuerpo tomando la distancia relativa entre dos puntos, se puede determinar la super ficie de un cuerpo par tiendo del área encerrada por al menos tres puntos de distancias entre sí conocida. S e puede apreciar la f orma, el contorno según la localización relativa de un grupo de puntos representativos de la super ficie que se mide. Dentro de las var iables
geométr icas debe considerarse al nivel de un líquido o sólido representado por la altura o distancia desde la ref erencia base. h. Var iables de propiedades físicas as var iables de propiedades físicas se refieren a las propiedades físicas de sustancias, sin considerar aquellas que están relacionadas con la masa y la composición química. Por e jemplo:
- Densidad y Peso Específico: Por definición la densidad es la cantidad de masa de una mater ia contenida en una medida de volumen unitar io, mientras que el peso específico es la relación entre la densidad del mater ial y la densidad del agua a condiciones especificadas. - Humedad: Es la cantidad de vapor de agua en la atmósf era. a humedad absoluta es el peso de agua en la unidad de volumen, en algunas ocasiones se expresa en términos de la presión del vapor de agua. a humedad relativa es la relación entre la presión existente del vapor de agua en cier ta atmósf era y la presión del vapor de agua saturado a la misma temperatura. El contenido de humedad es la cantidad de agua libre que se encuentra en una sustancia. - Viscosidad: Es la resistencia que of rece un fluido a su def ormación por cor te. -
Caracter ísticas
estructurales: Son las propiedades cr istalinas, mecánicas o metalúrgicas de las sustancias. D ureza, ductilidad, estructura metalúrgica, etc.
i. Var iables de composición química Son las propiedades químicas de las sustancias ref er idas a su composición, a su acidez o alcalinidad. j. Var iables eléctr icas as var iables eléctr icas son las necesar ias para evaluar energía eléctr ica, por e jemplo: dif erencia de potencial eléctr ico entre dos puntos, corr iente eléctr ica que circula por un conductor impedancia), resistencia que of rece un elemento al paso de corr iente resistividad), capacidad de un cuerpo en retener energía eléctr ica capacitancia) o inducir campos magnéticos inductancia).
4 Clasificación por señal de medición Para la mayor ía de las mediciones el cambio en la var iable que se mide se transf orma en el cambio de alguna otra var iab le señal de medición), la cual a su vez opera el dispositivo e inicia la acción de control o puede conver tirse en una señal de medición. Así por e jemplo, la medición de flu jo utilizando una placa or ificio o un tubo Ventur i elemento pr imar io) desarrolla u na presión dif erencial señal de medición), la cual puede operar directamente un indicador , registrador o puede conver tirse en una segunda señal de medición neumática o eléctr ica) que operará al dispositivo. a señal analógica) eléctr ica o neumática en l os dispositivos modernos se convier te en una señal digital que a
su vez puede enviarse a una computadora u otro dispositivo de control. a señal analógica se remite a un transductor que es un dispositivo que tiene la misión de recibir energía de una natura leza eléctr ica, mecánica, acústica, etc., y suministrar otra energía de dif erente naturaleza, pero de caracter ísticas dependientes de la que recibió, como e jemplo: un conver tidor analógico - digital A/D C).
El uso de señales de medición permite la medici ón de todas las dif erentes var iables mediante una combinación de transductores pr imar ios especializados, junto con un número pequeño de sistemas de respuesta asociados con un pequeño número de señales de medición. as señales de medición se incluyen dentr o de diez divisiones sencillas: a. Movimiento
Todas las manif estaciones del valor de la var iable medida están basadas en alguna f orma de movimiento, el cual es una entrada singular a los transductores, controladores, computadoras y otros sistemas de respuesta a la medición.
igura - Ciclo de adquisición y tratamiento de señales de medición. - Movimiento mecánico: El desplazamiento de un indicador , plumilla de registro o de otro elemento sólido es la f orma mas usual del ef ecto que se mide. El movimiento mecánico lineal o angular) se toma también como un ef ecto de entrada a otros sistemas de respuesta. - Desplazamiento líquido: Se emplea como manif estación en los termómetros con vástago de vidr io, los manómetros con tubo de vidr io y otros similares. También se emplea como señal de transmisión en los sistemas de termómetro llenos de líquido y de tubo metálico, y en otros sistemas. - Movimiento de una luz o haz de electrones: Se emplea como manif estación en los osciloscopios, oscilógraf os, galvanómetros de haz de luz y otros seme jantes. También se utiliza como elemento sensible de posición en algunas
aplicaciones donde se requiere que la f uerza de reacción del elemento sensible sea despreciable. b. uerza
Es un tipo común de señal utilizada en la conversión, transmisión y utilización de las mediciones. uerza mecánica total: Se usa con f recuencia como entrada de control, como elemento de conversión en los dispositivos de f uerzas balanceadas y para la transmisión de señales a distancias medidas en unidades de longitud. Se puede der ivar y conver tir en movimiento, o en presión dif erencial o estática.
P resión: a f uerza por unidad de área en los fluidos es una señal de medición que emplea para la transmisión de la medición. Se utiliza tanto como presión estática como la dif erencial con valores que var ían desde presiones dif erenciales de pulgadas de agua, las cuales se desarrollan mediante una placa or ificio, hasta presiones de . lb./pulg2 desarrolladas en si stemas con termómetro lleno de gas y sellados. as presiones neumáticas que se aceptan como estándar son a lb./pulg2 poco usual de a 27 lb./pulg2) para la transmisión neumática de las señales de medición y control. c. Señales eléctr icas
Se dispone de transductores para transf ormar prácticamente todas las var iables a las señales de medición eléctr icas correspondientes, la cual, en la actualidad, en la casi totalidad de los instrumentos modernos se convier te en una señal digital que muestra una pant alla adicionada al instrumento o es enviada a una computadora para su evaluación, procesam iento, toma de decisiones. S eñal de volta je o corr iente: as señales de volta je o corr iente tienen una relación fija entre la var iable medida y la señal de volta je o de corr iente. S eñal de relación de volta je y corr iente: as señales de relación de volta je y corr iente son aquellas en que la relación entre el volta je y la corr iente es la caracter ística significativa de la señal de medición. Cuando el cambio en la var iable que se mide produce un cambio de impedancia en el circuito de medición, la relación entre el volta je y la corr iente, o entre los volta jes o corr ientes de entrada y de salida, define el valor medido. d. Señales de medición de tiempo modulado
Para la transmisión de las mediciones, par ticularmente a grandes distancias se utiliza cier to número de señales de tiempo modulado del tipo ³abier to ± cerrado´. S eñal de duración de un pulso: Generalmente operan con la duración de un ciclo constante que var ía entre y segundos, en donde la relación entre el tiempo que el circuito esta cerrado y el ti empo en que el circuito se encuentra
abier to, durante cada ciclo, representa el valor de la var iable. as señales con duración de un pulso también se utiliza n para la integración, sin que impor te la distancia de transmisión.
S eñal de f recuencia: a señal de la f recuencia representa el cambio del valor de la var iable que se mide, se emplean con f recuencia para la transmisión de la medición, par ticularmente sobre circuitos por tadores y circuitos radiotransmisores. a velocidad rotacional a veces se transf orma a f recuencia como señal de medición, sin que tenga impor tancia la distancia de transmisión.
S eñal de modulación de pulsos clave: a señal de medición puede ser simplemente la cuenta del número de pulsos dentro de cier to intervalo de tiempo, o puede ser una señal binar ia totalmente codificada o decimal binar ia. os pulsos clave se utilizan f recuentemente en las computadoras digitales, en los registradores que operan con datos digitales.
NCION DE
CONTRO
A TOM ATICO.
a idea básica de lazo realimentado de control es más f ácilmente entendida imaginando qué es lo que un operador tendr ía que hacer si el control automático no existiera.
a figura muestra una aplicación común del control automático encontrada en muchas plantas industr iales, un intercambiador de calor que usa calor para calentar agua f rí a. En operación manual, la cantidad de vapor que ingresa al intercambiador de calor depende de la presión de aire hacia la válvula que regula el paso de vapor . Para controlar la temperatura manualmente, el operador observar ía la temperatura indicada, y al comparar la con el valor de temperatura deseado, abr ir ía o cerrar ía la válvula para adm itir más o menos
vapor . Cuando la temperatura ha alcanzado el valor deseado, el operador simplemente mantendr ía esa regulación en la válvula para mantener la temperatura constante. Ba jo el control automático, el controlador de temperatura lleva a cabo la m isma f unción. a señal de medición hacia el controlador desde el transmisor de temperatura o sea el sensor que mide la temperatura) es continuamente comparada con el valor de consigna set -point en Inglés) ingresado al controlador . Basándose en una compar ación de señales , el controlador automático puede decir si la señal de medición está por arr iba o por deba jo del valor de consigna y mueve la válvula de acuerdo a ésta dif erencia hasta que la medición tempe ratura ) alcance su valor final.
CLASI
IC ACIÓN DE LOS SISTEM AS DE CONTROL.
sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abier to y a lazo cerrado. La distinción la determina la acción de control, que es la que activa al sistema para producir la salida. Los
n sistema de control de lazo abier to es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida. n sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la acción de control es en cier to modo dependiente de la salida. Los
sistemas de control a lazo abier to tienen dos rasgos sobresalientes:
a) La habilidad que éstos tienen para e jecutar una acción con exactitud está determinada por su calibración. Calibrar significa establecer o restablecer una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistem a la exactitud deseada. b) Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad, que presentan los de lazo cerrado. sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación o retroacción). Los
Ejemplo
tostador automático es un sistema de control de lazo abier to, que está controlado por un regulador de tiempo. El tiempo requer ido para hacer tostadas, debe ser anticipado por el usuar io, quien no f orma par te del sistema. El control sobre la calidad de la tostad a salida) es interrumpido una vez que se ha determinado el tiempo, el que constituye tanto la entrada como la acción de control. Un
Ejemplo 2 mecanismo de piloto automático y el avión que controla, f orman un sistema de control de lazo cerrado por realimen tación). Su ob jetivo es mantener una dirección específica del avión, a pesar de los cambios atmosfér icos. El sistema e jecutará su tarea midiendo continuamente la dirección instantánea del avión y a justando automáticamente las super ficies de dirección del mismo timón, aletas, etc.) de modo que la dirección instantánea coincida con la especificada. El piloto u operador , quien fija con anter ior idad el piloto automático, no f orma par te del sistema de control. Un
EL L AZO REALIMENTADO El lazo de control realimentado simple sirve para ilustrar los cuatro elementos pr incipales de cualquier lazo de control, figura 2).
medición debe ser hecha para indicar el valor actual de la var iable controlada por el lazo . Mediciones corr ientes usadas en la industr ia incluyen caudal, presión, temperatura , medi ciones analíticas tales como pH, ORP, conductividad y muchas otras par ticulares específicas de cada industr ia . La
Realimentación : Es la propiedad de una sistema de lazo cerrado que permite que la salida o cualquier otra var iable controlada del sistema ) sea comparada con la entrada al sistema o con una entrada a cualquier componente interno del mismo con un subsistema ) de manera tal que se pueda establecer una acción de control apropiada como f unción de la dif erencia entre la entrada y la salida . Más generalmente se dice que existe realimentación en un sistema cuando existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y ef ecto ente las var iables del sistema .
El concepto de realimentación está claramente ilus trado en el mecanismo del piloto automático del e jemplo dado . entrada es la dirección especificada, que se fija en el t ablero de control del avión y la salida es la dirección instantánea determinada por los instru mentos de navegación automática . Un dispositivo de comparación explora continuamente la entrada y la salida . La
los dos coinciden , no se requiere acción de control . Cuando ex iste una dif erencia entre ambas , el dispositivo de comparación suministra una señal de acción de control al control ador , o sea al mecanismo de piloto automático . El controlador suministra las señales apropiadas a las super ficies de control del avión , con el fin de reducir la dif erenc ia entre la entrada y la salida . La realimentación se puede ef ectuar por medio de una conexión eléctr ica o mecánica que vaya desde los instrumentos de navegación que miden la dirección hasta el dispositivo de comparación . Cuando
Caracter ísticas
de la realimentación .
rasgos mas impor tante que la presencia de realimentación impar te a un sistema son: Los
a) Aument o de la exactitud . Por e jemplo , la habilidad para reproducir la entrada fielmente . b) Reducción de la sensibilidad de la salida , correspond iente a una determinada entrada , ante var iaciones en las caracter ísticas del sistema . c) Ef ectos reducidos de la no linealidad y de la distorsión . d) Aumento del intervalo de f recuencias de la entrada ) en el cual el sistema responde satisf actor iamente aumento del ancho de bada ) e) Tendencia a la oscilación o a la inestabilidad .
El actuador final .
Por cada proceso debe haber un actuador final, que regule el suministro de energía o mater ial al proceso y cambie la señal de medición . Mas a menudo éste es algún tipo de válvula , pero puede ser además una correa o regulador de valocidad de motor , posicionador , etc .
El proceso tipos de procesos encontrados en las plantas industr iales son tan var iados como los mater iales que producen . Estos se extienden desde lo simple y común , tales como los lazos que controlan caudal, hasta los grandes y comple jos como los que controlan columnas de destilación en la industr ia petroquímica . Los
El controlador automático . El último elemento del la zo es el controlador automático , su traba jo es controlar la medición. ³Controlar´ significa mantener la medici ón dentro de límites aceptables. En éste ar tículo , los mecanismos dentro del controlador automático no serán considerados . Por lo tanto , los pr incipios a ser tratados pueden ser aplicados igualmente tanto para los controladores neumáticos como para los electrónicos y a controladores de todos los f abr icantes . Todos los controladores automáticos usan las mismas respuestas generales, a pesar de que los mecanismos internos y las definiciones dadas para estas respuesta pueden ser ligeramente dif erentes de un f abr icante al otro . concepto básico es que para que el control realimentado automático exista , es que el lazo de realimentación esté cerrado . Esto significa que la inf ormación debe ser continuamente transmitida dentro del l azo . El controlador debe poder mover a la válvula, la válvula debe poder af ectar a la medición , y la señal de medición debe ser repor tada al controlador . Si la conexión se rompe en cualquier punto , se dice que el lazo está ab ier to. Tan pronto como el lazo se abre, como e jemplo , cuando el controlador automático es colocado en modo manual, l a unidad automática del controlador queda imp osibilitada de mover la válvula. Así las señales desde el controlador en respuesta a las condic iones cambiantes de la medición no af ectan a la válvula y el control automático no existe. Un
CONTROL ANDO
EL PROCESO .
Al llevar a cabo la f unción de control, el controlador automático usa la dif erencia entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia la válvula. La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para cont rolar correctamente la medición. Si el transmisor no envía una señal precisa, o si existe un ret raso en la medición de la señal, la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada . Al mismo tiempo, el controlador debe recibir una señal de valor de consigna precisa set-point ). En controladores que usan señales de valor de consigna neumática o electrónica generadas dentro del controlador , un f alla de calibración del transmisor de valor de consigna resultará necesar iamente en que la unidad de control automático llevará a la medic ión a un valor erróneo . la habilidad del controlador para posicionar correctamente la válvula es también otra limitación . Si existe f ri cción en la válvula, el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una dif erencia entre la medición y el valor de consigna. Intentos repetidos para posicionar la válvula exactamente pueden llevar a una oscilación en la válvula y en la medición, o , si el controlador puede sólo mover la válvula muy lentamente , la habilidad del controlador para cont rolar el proceso será degradada . Una manera de me jorar la respuesta de las válvulas de control es el uso de posicionadores de válvulas , que actúan como un controlador de realimentación para posicionar la válv ula en la posición exacta correspondiente a la señal de salida del controlador . Los posicionadores , sin embargo , deber ían ser evitados a f avor de los elevadores de volumen en lazos de respuesta rápida como es el caso de caudal de líquidos a presión. Para controlar el proceso, el cambio de salida del controlador debe estar en una dirección que se oponga a cualquier cambio en el valor de medición
muestra una válvula directa conectada a un control de nivel en un tanque a media escala . A medida que el nivel del tanque se eleva , el flotador es accionado para reducir el caudal entrante , así , cuanto mas alto sea el nivel del líquido mayor será el cierre del ingreso de caudal . De la misma manera, medida que el nivel cae , el flotante a br irá la válvula para agregar mas líquido al tanque . La respuesta de éste sistema es mostrada gráficamente . La
figura
A medida que el nivel va desde el % al %, la válvula se desplaza desde la aper tura total hasta totalmente cerrada . La f unción del controlador automático es producir este tipo de respuesta opuesta sobre rangos var iables , como agregado , otras respuestas están disponibles para una mayor eficiencia del control del proceso .
SELECCIÓN DE L A ACCIÓN DEL CONTROL ADOR . Dependiendo de la acción de la válvula , un incremento en la medida puede requer ir incrementos o disminuciones del valor de salida para el control . Todos los controladores pueden ser conmutados entre acción directa o reversa . acción directa significa que cuando el controlador ve un incremento de señal desde el transmisor , su salida se incrementa . La acción reversa significa que un incremento en las señales de medición hacen que la señal de salida disminuya . La
Para determinar cuál de estas salidas es la correcta , un análisis debe ser llevado a cabo en el lazo . El pr imer paso es determinar la acción de la válvula . En la figura , por razones de segur idad la válvula debe cerrar si existe un f allo en el suministro de aire de la planta . Por lo tanto , esta válvul a deber ser normal abier ta con aire , o normal cerrada sin aire . Segundo , considere el ef ecto de un cambio en la medición . Para incrementar la temperatura el caudal de vapor hacia el intercambiador de calor deber ía ser reducido , por lo tanto , la válvula deberá cerrarse . Para cerrarse ésta válvula , la señal del controlador automático hacia la válvula debe disminuir , por lo tanto el controlador requiere acción de disminución/incremento reversa . Si se eligiera la acción directa el incremento de señales desde el transmisor dar ía como resultado en un aumento del caudal de vapor , haciendo que la temperatura se incremente aún mas . El resultado ser ía un descontrol en la temperatura . Lo mismo ocurr ir ía en cualquier disminución de temperatura causando una caída de la misma . Una selección incorrecta de la acción del controlador siempre resulta en un lazo de control inestable tan pronto como el mismo es puesto en modo automático . Asumiendo que la acción correcta sea seleccionada en el controlador , cómo sabe el dispositivo cuando la salida correcta ha sido alcanzada ? , en la figura , por e jemplo , para mantener el nivel constante , el controlador debe manipular el ingreso de caudal igual al de salida , según se demande . El controlador lleva a cabo su traba jo manteniendo éste balance en un estado permanente , y actuando para restaurar este balance entre el suministro y la demanda cuando el mismo es modificado por alguna var iación . VARIACIONES Cualquiera
de los siguientes tres eventos podr ía ocurr ir requir iendo un caudal dif erente para mantener el nivel en el tanque . Pr imero , si la posición de la válvula manual de salida f uera abier ta ligeramente , entonces un caudal mayor saldr ía del tanque , haciendo que el nivel caiga . Este es un cambio ba jo demanda , y para restaurar el balance , la válvula de entrada de caudal debe ser abier ta para proveer un mayor ingreso de líquido . Un segundo tipo de condición de desbalance ser ía un cambio en el valor de consigna . El tercer tipo
de var iación ser ía un cambio en e l suministro , si la presión de salida de la bomba se incrementara , aún si la válvula de entrada se mantuviera en su posición , el incremento de presión causar ía un mayor caudal , haciendo que el nivel comience a elevarse . Al madir el incremento , el controlador de nivel deber ía cerrar la válvula en la entrada para mantener el nivel a un valor constante . De igual manera , cualquier controlador usado en el intercambiador de calor mostrado en la figura deber ía balancear el suministro de calor agregado por el vapor con el calor arrastrado por el agua . La temperatura sólo se puede mantener constante si el caudal de calor entrante iguala al calor que sale .
Relación del instrumento y el control de procesos figura siguiente muestra como es posible contro lar el proceso de giro de un motor al conocer la posición de salida sensada por la var iación de la posición de un cursor sobre una resistencia var iable. Otro f orma simple es sensar la presión y/o temperatura de un proceso con las cuales se puede determinar a par tir de la ecuación de estado la var iable dependiente y comparar el valor obtenido con un valor de ref erencia set point), de esta f orma se puede alterar controlando con una válvula la entrada de mas o menos vapor que dará incrementos de temperatura h asta alcanzar el valor de ref erencia. También simplemente se puede leer de un termómetro una temperatura que auxiliará al operador a tomar decisiones. La
ig. Il ustración del sensado de la var iable desplazami ento.
Señales de medición para las var iables Tabla ilustra las var iables y las señales de medición apropiadas para cada caso, se incluyen notas aclarator ias La
Notas aclarat or ias de l a tabla
¡
. La temperatura se mide por radiación. Todos los cuerpos radian y absorben energía de ondas electromagnéti cas, dependiendo de su temperatura, la relación entre la temperatura y la radiación no implica el uso de algún transductor , sin embargo, la radiación se emplea para medir la temperatura, especialmente para las altas temperaturas. 2. La masa se mide casi si empre por el ef ecto de la gravedad, por su peso.
. La humedad se mide por la temperatura del punto de rocío. E sto se aplica a la medición directa de la temperatura del agua pura cuya presión de vapor es igual a la presión de vapor que se va a medir y tamb ién a la presión del vapor del cloruro de litio saturado en elementos saturados con cloruro de litio. 4. No existe ningún transductor simple para la medición de calor específico, valor calor ífico, entropía, entalpía y otras var iables similares. Cualquiera de estas mediciones se der ivan de cálculos basados en mediciones de otras var iables, o se utiliza equipo especializado para mantener constantes cier to número de condiciones, en tal f orma que una de las var iables, por lo general, la
temperatura, se altere e n una relación predeterminada con respecto a los cambios de la var iable que se mide. . Las var iables f otométr icas y acústicas incluyen diversas var iables dif erentes. El elemento sensible para la mayor ía de las var iables f otométr icas es algún tipo de f oto celda. El elemento sensible para muchas de las var iables acústicas es cier to tipo de micróf ono. Ambas tienen salidas analógicas eléctr icas). La relación entre la var iable, el elemento sensible, el equipo asociado y la señal de medición, var ía con la medic ión en par ticular . . La dimensión y el contorno definidos como la posición relativa entre var ios puntos, casi siempre se miden en términos de una posición en que el punto seleccionado de la dimensión o contorno mantiene cier ta relación predeterminada con respecto a un punto de ref erencia en la posición del sistema de medición. 7. Las var iables que se refieren a las caracter ísticas estructurales incluyen un grupo tan var iado y amplio de tales f actores que se har ía demasiado extenso la discusión de una sola de las caracter ísticas estructurales.
. Las var iables de composición química se encuentran en el mismo caso que las var iables de la nota anter ior . Sistemas de control Algunas aplicaciones de los instrumentos de medida pueden caracter izarse por tener esenc ialmente una f unción de monitor ización. Los termómetros, barómetros y anemómetros sirven para ese propósito, simplemente indican la condición del medio ambiente y sus lecturas no sirven como f unción de control en sentido ordinar io, al igual los medidores d e agua, gas y electr icidad del hogar cuentan las cantidades que se consumen de esos fluidos para poder cancelar el monto a pagar por el usuar io. En el caso de las empresas que traba jan con elementos radioactivos, sus traba jadores deben llevar consigo una película que sirve para acusar la exposición acumulativa del por tador . Todos estos elementos de medición repor tan beneficios, pero no sirven para poder controlar procesos dinámicos como los empleados hoy por cualquier industr ia. En este caso, al sistema de control se le llama de lazo abier to, e jemplo de ello está ilustrado en la figura siguiente, el elemento final de control puede ser una válvula que se abre o cierra cuando se desea controlar el fluido.
¢
igura - Lazo abi er t o de control.
se desea controlar un proceso, se debe realizar una comparación de las medidas de salida var iable controlada) con las ref erencias deseada y a justar entonces las var iables de entrada para poder alcanzar la meta deseada. La figura siguiente ilustra un ciclo de lazo cer rado. Cuando
¢
C ARACTERISTIC AS
igura - Lazo cerrado de control.
DEL PROCESO Y CONTROL ABILIDAD .
El controlador automático usa cambios en la posición del actuador final para controlar la señal de medición , moviendo el actuador para oponerse a cualquier cambio que observe en la señal de medición . La controlabilidad de cualquier proceso es f unción de lo bien que una señal de medición responde a éstos cambios en la salida del controlador ; para un buen control l a medición deber ía comenzar a responde en f orma rápid a , pero luego no cambiar rápidamente . Debido al tremendo número de aplicaciones del control
automático , caracter izando un proceso por lo que hace , o por industr ia , es una tarea engorrosa . Si n embargo , t odos los procesos pueden ser descr iptos por una relación entre las entradas y las salidas . La figura 4 ilustra la respuesta de la temperatura del intercambiador de calor cuando la válvula es abier ta incrementando manualmente la señal de salida del controlador .
Al comienzo , no hay una respuesta inmed iata en la indicación de temperatura , luego la respuesta comienza a cambiar , se eleva rápidamente al i nicio , y se aproxima al fina a un nivel constante . El proceso puede ser caracter izado por dos elementos de su respuesta , el pr imero es el ti empo muer to dead time en Inglés ) , o sea el ti empo antes de que la medición comience a responder , en éste e jemplo , el tiempo muer to se eleva debido a que el calor en el vapor debe ser conducido hasta el agua antes de que pueda af ecta a la temperatura , y luego hacia el transmisor antes de que el cambio pueda ser percibido . El tiempo muer to es una f unción de las dimensiones físicas de un proceso y cosas tales como las velocidades de correas y regímenes de mezcla . Segundo , la capacidad de un proceso es el mate r ial o energía que debe ingresar o abandonar el proceso para cambiar las mediciones , es , por e jemplo , los litros necesar ios para cambiar el nivel , las calor ías necesar ias para cambiar la temperatura , o los metros cúbicos de gas necesar ios para cambiar la presión . La medición de una capacidad es su respues ta para un paso de entrada . Específicamente , el tamaño de una capacidad es medida por una constante de tiempo , que es definido como el tiempo necesar io para completar el % de su respuesta total . La constante de tiempo es una f unción del tamaño del proceso y del r égimen de transf erencia de mater ial o energía .Para este e jemplo , cuanto mas grande sea el t anque , y menor el caudal de vapor , mayor será la constante de tiempo . E stos números pueden ser de tan sólo algunos segundos , y tan largos como var ias horas . Combinados con el tiempo muer to , los mismos definen cuanto tiempo lleva para que la señal responda a cambios en la posición de la válvula . Un proceso puede comenzar a responder rápidamen te , pero no cambiar muy rápido si su tiempo muer to es pequeño y su capacidad muy grande . En resumen , cuanto mayor sea la constante de tiempo de la capacidad comparada con el tiempo muer to , me jor será la controlabilidad del proceso
TIPOS DE RESPUESTAS DE CONTROL ADOR . pr imera y mas básica caracter ística de la respuesta del controlador ha sido indicada como la acción directa o reversa . Una vez que esta distinción se ha llevdo a cabo , existen var ios tipos de respuestas que pueden ser usadas para controlar un proceso . Estas son : La
Control
Si/No
ó On/Off con sus siglas en Inglés ) , o control de dos
posiciones. Control
proporcional .
A cción integral reset) A cción der ivativa .
El control Si/No.
El control SI/No es mostrado en la figura ,
Para un controlador de acción reversa y una válvula del tipo presión -para-cerrar . El controlador Si/No tiene dos salidas que son para máxima aper tura y para aper tura mínima , o sea cierre . Para este sistema se ha determinado que cuando la medición cae deba jo del valor de consigna , la válvula debe estar cerrada para hacer que se abra ; así , en el caso en que la señal hacia el controlador automático esté deba jo del valor de consigna , la salida del controlador será del % . A medida que la medición cr uza el valor de consigna la salida del controlador va hacia el % . Esto eventualmente hace que la medición disminuya y a medida que la medición cruza el valor de consigna nuevamente , la salida vaya a un máximo . Esta ciclo continuará indefinidamente , debido a que el controlador no puede balancear el suministro contra la carga . La continua oscilación puede , o puede no ser aceptable , dependiendo de la amplitud y longitud del ciclo . Un ciclo rápido causa f recuentes alteraciones en el sistema de suminist ro de la planta y un excesivo desgaste de la válvula . El tiempo de cada ciclo depende del tiempo muer to en el proceso debido a que el tiempo muer to determina cuanto tiempo toma a la señal de medición para rever tir su dirección una vez que la misma cruza e l valor de consigna y la salida del controlador cambia . La amplitud de la señal depende de la rapidez con que la señal de medición cambia durante cada ciclo . En procesos de gran capacidad , tales como cubas de calentamiento , la gran capacidad produce una gran constante de tiempo , por lo tanto , la medición puede cambiar sólo muy lentamente . El resultado es que el ciclo ocurre dentro de una banda muy estrecha alrededor del valor de consigna , y este control puede ser muy aceptable , si el ciclo no es muy rápido . Por le jos el tipo mas común de control usado en la industr ia es el Si/No . Sin embargo si la medición del proceso es mas sensible a los cambios en el suministro , la amplitud y f recuencia del ciclo comienza a incrementarse , en algún punto el ci clo se volverá inaceptable y alguna f orma de control proporcional deberá ser aplicada . De manera de estudiar los otros tres tipos de modos de control automático se usaran respuesta de lazo abier to . Un lazo abier to significa que sólo la respuesta del cont rolador será considerada .
figura muestra un controlador automático con una señal ar tificial desde un regulador manual introducida como la medición . El valor de consigna es introducido normalmente y a salida es registrada . Con éste arreglo , las respuestas específicas del controlador a cualquier cambio deseado en la medición puede ser observada . La
Acción
proporcional.
respuesta proporcional es la base de los tres modos de control, si l os otros dos, acción integral reset) y acción der ivativa e stán presentes, éstos son sumados a la respuesta proporcional. ³Proporcional´ significa que el cambio presente en la salida del controlador es algún múltiplo del porcenta je de cambio en la medición . La
Este múltiplo es llamado ³ganancia´ del controlador . Pa ra algunos controladores , la acción proporcional es a justada por medio de tal a juste de ganancia , mientras que para otros se usa una ³banda proporcional´ . Ambos tienen los mismos propósitos y ef ectos .
figura 7 ilustra la respuesta de un controlado r proporcional por medio de un indicador de entrada/salida pivotando en una de estas posiciones . Con el pívot en el centro entre la entrada y la salida dentro del gráfico , un cambio del % en la medición es requer ido para obtener un % de cambio en l a salida , o un desplazamiento completo de la válvula . Un controlador a justado para responder de ésta manera se dice que tiene una banda proporcional del %. Cuando el pívot es hacia la mano derecha , la medición de la entrada deber ía tener un cambio del 200% para poder obtener un cambio de salida completo desde el 0% al 00% , esto es una banda proporcional del 200% . inalmente , si el pívot estuviera en la posición de la mano izquierda y si la medición se moviera sólo cerca del 0% de la escala , la salida cambiar ía 00% en la escala . Esto es un valor de banda proporcional del 0% . P or lo tanto , cuanto mas chica sea la banda proporcional , menor será la cantidad que la medición debe cambiar para el mismo tamaño de cambio en la medición . O , en otr as palabras , menor banda proporcional implica mayor cambio de salida para el mismo tamaño de medición . Esta misma relación está representada por la figura La
Este gráfico figura ) muestra cómo la salida del controlador responderá a medida que la medición se desvía del valor de consigna . Cada línea sobre el gráfico representa un a juste par ticular de la banda proporcional . Dos propiedades básicas del control proporcional pueden ser observadas a par tir de éste gráfico : Por cada valor de la banda proporcional t oda vez que la medición se iguala al valor de consigna , la salida es del 0% . valor de la banda proporcional defina una relación única entre la medición y la salida . Por cada valor de medición existe un valor específico de salida . Por e jemplo , usando una línea de banda proporcional del 00% , cuando la medición está 25% por encima del valor de consigna , la salida del controlador deberá ser del 25% . La salida del controlador puede ser del 25% sólo si la medición esta 25% por encima del valor de consigna . De la misma manera , cuando la salida del controlador es del 25% , la medición será del 25% por encima del valor de consigna . En otras palabras , existe un valor específico de salida por cada valor de medición . Cada
Para cualquier lazo de control de proceso sólo un valor de la banda proporcional es el me jor . A medida que la banda proporcional es reducida , la respuesta del controlador a cualquier cambio en la medición se hace mayor y mayor . En algún punto dependiendo de la caracter ística de cada proceso par ticular , l a respuesta en el controlador será lo suficientemente grande como para controlar que la var iable medida retorne nuevamente en dirección opuesta a tal punto de causar un ciclo constante de la medición . E ste valor de banda proporcional , conocido como la última banda proporcional , es un límite en el a juste del controlador para dicho lazo . Por otro lado , si se usa una banda proporcional muy ancha , la respuesta del controlador a cualquier cambio en la medición será muy pequeña y la medición no será controlada en la f orma
suficientemente a justada . La determinación del valor correcto de banda proporcional para cualquier aplicación es par te del procedimiento de a juste tunin procedure ) para dicho lazo . El a juste correcto de la banda proporcional puede ser observado en la respuesta de la medición a una alteración .
figura 9 muestra var ios e jemplos de bandas proporcionales var iadas para el intercambiador de calor . La
Idealmente , la banda proporcional correcta producirá una amor tiguación de amplitud de cuar to de ciclo en cada ciclo , en el cual cada medio ciclo es ½ de la amplitud de del medio ciclo previo . La banda proporcional que causará una amor tiguación de onda de un cuar to de ciclo será menor , y por lo tanto alcanzará un control mas a justado sobre la var iable medida , a medida que el tiempo muer to en el proceso decrece y la capacidad se incrementa . consecuencia de la aplicación del control proporcional al lazo básico de control es el off set . Off set significa que el controlador mantendrá la medida a un valor dif erente del valor de consigna . Esto es mas f ácilmente visto al observar la figura . Note que si la válvula de carga es abier ta , el caudal se incrementará a través de la válvula y el nivel comenzará a caer , de manera de mantener el nivel , la válvula de suministro deber ía abr irse , pero teniendo en cuenta la acción proporcional del l azo el i ncremento en la posición de aper tura puede sólo ser alcanzado a un nivel menor . E n otras palabras , para restaurar el balance entre el caudal de entrada y el de salida , el nivel se debe estabilizar a un valor deba jo del valor de consigna o setpoint ) . Esta dif erencia , que será mantenida por el lazo de control , es llamada off set , y es caracter ística de la aplicación del control proporcional único en los lazos de realimentación . La aceptabilidad de los copntroles sólo -proporcionales dependen de si este valor de off set será o no tolerado , ya que el error necesar io para producir cualquier salida disminuye con la banda proporcional , cuanto menor sea la banda proporcional , menor será el off set . Para grandes capacidades , aplicaciones de tiempo muer to pequeñas que acepten una banda proporcional muy estrecha , el control sólo -proporcional sera probablemente satisf ac tor io dado que la medición se mantendrá a una banda de un pequeño porcenta je alrededor del Una
valor de consigna . Si es esencial que no haya una dif erencia de estado estable entre la medición y el valor de consigna ba jo todas las condiciones de carga , una f unción adicional deberá ser agregada al controlador .
Acción
integral (reset ).
Esta f unción es llamada acción integral o reset. La respuesta del lazo abier to del modo reset es mostrada en la figura 0 , que indica un escalón de cambio en algún instante en el tiempo . En tanto que la medición estuviera en su valor de consigna , no existir ía ningún cambio en la salida debido al modo de reset en el controlador
Sin embargo , cuando cualquier error exista entre la medición y el valor de consigna , la acción de reset hace que la salida comience a cambiar y continúe cambiando en tanto el error exista . Esta f unción , entonces , actúa sobre la salida para que cambie hasta un valor correcto necesar io para mantener la medición en el valor de consigna a var ias cargas sea alcanzado . Esta respuesta es agregada a la banda proporcional del controlador según se muestra en la figura . El escalón de cambio en la medición pr imero produce una respuesta proporcional , y luego una respuesta de reset es agregada a la propor cional . Cuanto mas acción de reset o integral exista en el controlador , mas rápido cambia la salida en f unción del tiempo . Entre las var ias marcas de controladores , la salida de acción integral es medida de una o dos maneras, tanto en minutos por repetición , o en número de repeticiones por minuto . Para aquellos controladores que miden en minutos por repetición , el tiempo de reset es la cantidad de tiempo necesar ia para que dicho modo repita la respuesta del lazo abier to causada por el modo proporcion al para un paso de cambio de error . Así , para estos controladores , cuanto menor sea el número de reset , mayor será la acción del modo reset . En aquellos controladores que miden la acción de reset en repeticiones por minuto , el a juste indica cuantas r epeticiones de la acción proporcional son generados por el modo de reset en un minuto . Así , para dichos controladores cuanto mayor sea el número reset , mayor será la acción integral . El tiempo de reset es indicado en la figura .
correcta cantidad de acción reset depende de cuán rápido la medición puede responder al recorr ido adicional de válvula que la misma causa . La
El controlador no debe comandar la válvula mas rápido que el tiempo muer to en el proceso , permitiendo que la medición responda , o de otra manera la válvula ira a sus límites antes de que la medición pueda ser retornada nuevamente al valor de consigna . La válvula se mantendrá entonces en su posición extrema hasta que la medición cruce el valor de consigna en la dirección opues ta . El resultado será un ciclo de reset en el cual l a válvula se desplaza de un extremo al otro a medida que la medición oscila alrededor del valor de consigna . Cuando el reset es aplicado en los controladores en procesos en ser ie en que la medición está ale jada del valor de consigna por largos per íodos entre ser ies , el reset puede llevar la salida a un máximo resultando en una oscilación de reset . Cuando la próxima ser ie se inicie , la salida no alcanzará su máximo hasta que la medición cruce el valor de consigna produciendo grandes desviaciones . El problema puede ser prevenido mediante la inclusión de una ³llave de ser ie´ en el controlador .
Acción der ivativa . tercer respuesta encontrada en controladores es la acción der ivativa . Así como la respuesta proporcional responde al tamaño del error y el reset responde al tamaño y duración del error , el modo der ivativo responde a la cuán rápido cambia el error . En la figura 2 , dos respuestas der ivativas son mostradas . La
pr imera es una respuesta a un cor te en la medición ale jada del valor de consigna . Para un escalón , la medición cambia en f orma infinitamente rápida , y el modo der ivativo del controlador produce un cambio muy grande y repentino en la salida , que muere inmediatamente debido a qu e la medición ha de jado de cambiar luego del escalón . La segunda respuesta muestra la respuesta del modo der ivativo a una medición que está cambiando a un r égimen constante . La salida der ivativa es proporc ional al r égimen de cambio de éste error . Cuanto mayor sea el cambio , mayor será la salida debido a la acción der ivativa . La acción der ivativa mantiene ésta salida mientras la medición esté cambiando . Tan pronto como la medición de ja de cambiar , esté o no en el valor de consigna , la respuesta debido a la acción der ivativa cesará . Entre todas las marcas de controladores , la respuesta der ivativa es comúnmente medida en minutos como se indica en la figura . La
El tiempo der ivativo en minutos es el tiempo que la respuesta proporcional del lazo abier to mas la respuesta der ivativa está delante de la respuesta resultante del valor proporcional solamente . Así , cuanto mas grande sea el número der ivativo mayor será la respuesta der ivativa . Los cambios en el error son un resultado de los cambios tanto en el valor de consigna como en la medición o en ambos . Para evitar un gran pico causado por las escalones de cambio en el valor de consigna , la mayor ía de los controladores modernos aplican la acción der ivativo sólo a cambios en la medición .La acción de r ivativa en los controladores ayuda a controlar procesos con constantes de tiempo especialmente grandes y tiempo muer to significativo , la acción der ivativa es innecesar ia en aquellos procesos que responden rápidamente al movimiento de la válvula de contro l , y no puede ser usado en absoluto en procesos con ruido en la señal de medición , tales como caudal , ya que la acción der ivativa en el controlador responderá a los cambios bruscos en la medición que el mismo observa en el ruido . Esto causará var iaciones rápidas y grandes en la salida del controlador , lo que hará que la válvula esté constantemente moviéndose hacia arr iba o hacia aba jo , produciendo un desgaste innecesar io en la misma .
figura 4 muestra un acción combinada de respuesta proporcion al , reset y acción der ivativa para la medición de temperatura de un intercambiador de calor simulado que se desvía del valor de consigna debido a un cambio de carga . Cuando la medición comienza a desviarse del valor de consigna , la pr imera respuesta del controlador es una respuesta der ivativa proporcional al r égimen de var iación de la medición que se opone al movimiento de la medición al ale jarse del valor de consigna . La respuesta der ivativa es combinada con la respuesta proporcional agregada , a medid a que el reset en el controlador ve el error incrementarse , el mismo controla la válvula mas f uer te aún . La acción continúan hasta que la medición de ja de cambiar , entonces la acción der ivativa se detiene . Dado que existe aún un error , la medición continúa cambiando debido al reset , hasta que la medición comienza a retornar hacia el valor de consigna . Tan pronto como la medición comienza a moverse retornando hacia el valor de consigna , aparece una acción der ivativa proporcional al r égimen de cambio en la var iación oponiéndose al retorno de la medición hacia el valor de consigna . La acción integral o reset continúa debido a que aún existe un error , a pesar de que su contr ibución disminuye con el error . A demás , la salida debido al valor proporcion al está cambiando . Así , l a medición retorna hacia el valor de consigna . Tan pronto como la medición alcanza el valor de consigna y de ja de cambiar , la acción der ivativa cesa nuevamente y la salida proporcional vuelve al 50%. Con la medición nuevamente en su valor de consigna , no existen mas respuestas a var iaciones debidas al reset . Sin embargo , la salida está ahora a un nuevo valor . El nuevo valor es el resultado de la acción de reset durante el tiempo en que la medición se ale jó del valor de consi gna , y compensa el cambio de carga que f ue causado por la alteración or iginal . La
Conclusión.
Este ar tículo ha descr ito las respuestas a controladores de tres modos cuando los mismos son usados en el comando de lazos realimentados de mediciones industr iales . El lector deberá tener un claro concepto de los siguientes puntos . .
Para alcanzar el control automático , el lazo de control deberá estar cerrado. 2. Para tener una lazo realimentado de control estable , el a juste mas impor tante del controlador es la selección de la acción correcta , sea directa o inversa . La incorrecta selección de ésta acción hará que la salida del controlador sea inestable , y por lo tanto la elección correcta hará que la salida del controlador cambie de tal manera que el movimient o de la válvula se oponga a cualquier cambio en la medición detectada por el controlador .
.
El valor correcto de los a justes de banda proporcional , reset , y tiempo der ivativo dependen de las caracter ísticas del proceso , cabe consignar que en los controladores actuales dichos valores se pueden detectar en f orma automática , ya que el controlador dispone de un modo en que produce alteraciones controladas , y dentro de cier tos límites establecidos previamente por el operar io , en la salida se miden los resultados del proceso para una cier ta cantidad de ciclos de alteración , en base a éste compor tamiento puede detectar cuál es el me jor con junto de a justes para controlar un proceso mediante el soft are interno del aparato . La f unción del modo reset t ambién llamado acción integral ) es para 4. eliminar el off set . Si mucho valor de off set es usado es resultado será una oscilación de la medición cuando el controlador acciona la válvula de un extremo al otro . Si un valor muy ba jo de reset es usado , el resu ltado será que la medición retorna al valor de consigna mas lentamente que lo posible .
5. El modo der ivativo se opone a cualquier cambio en la medición . Una acción der ivativa muy pequeña no tiene ef ecto significativo , una acción con valores muy altos provoca una respuesta excesiva del controlador y un ciclo en la medición .
Acción der ivativa . tercer respuesta encontrada en controladores es la acción der ivativa . Así como la respuesta proporcional responde al tamaño del error y el reset responde al tamaño y duración del error , el modo der ivativo responde a la cuán rápido cambia el error . En la figura 2 , dos respuestas der ivativas son mostradas . La
pr imera es una respuesta a un cor te en la medición ale jada del valor de consigna . Para un escal ón , la medición cambia en f orma infinitamente rápida , y el modo der ivativo del controlador produce un cambio muy grande y repentino en la salida , que muere inmediatamente debido a que la medición ha de jado de cambiar luego del escalón . La segunda respu esta muestra la respuesta del modo der ivativo a una medición que está cambiando a un r égimen constante . La salida der ivativa es proporc ional al r égimen de cambio de éste error . Cuanto mayor sea el cambio , mayor será la salida debido a la acción der ivati va . La acción der ivativa mantiene ésta salida mientras la medición esté cambiando . Tan pronto como la medición de ja de cambiar , esté o no en el valor de consigna , la respuesta debido a la acción der ivativa cesará . Entre todas las marcas de controladores , la respuesta der ivativa es comúnmente medida en minutos como se indica en la figura . La
El tiempo der ivativo en minutos es el tiempo que la respuesta proporcional del lazo abier to mas la respuesta der ivativa está delante de la respuesta resultante del valor proporcional solamente . Así , cuanto mas grande sea el número der ivativo mayor será la respuesta der ivativa . Los cambios en el error son un resultado de los cambios tanto en el valor de consigna como en la medición o en ambos . Para evitar un gran pico causado por las escalones de cambio en el valor de consigna , la mayor ía de los controladores modernos aplican la acción der ivativo sólo a cambios en la medición .La acción der ivativa en los controladores ayuda a controlar procesos con constante s de tiempo especialmente grandes y tiempo muer to significativo , la acción der ivativa es innecesar ia en aquellos procesos que responden rápidamente al movimiento de la válvula de control , y no puede ser usado en absoluto en procesos con ruido en la señal de medición , tales como caudal , ya que la acción der ivativa en el controlador responderá a los cambios bruscos en la medición que el mismo observa en el ruido . Esto causará var iaciones rápidas y grandes en la salida del controlador , lo que hará que la válvula esté constantemente moviéndose hacia arr iba o hacia aba jo , produciendo un desgaste innecesar io en la misma .
figura 4 muestra un acción combinada de respuesta proporcional , reset y acción der ivativa para la medición de temperatura de un intercambiador de calor simulado que se desvía del valor de consigna debido a un cambio de carga . Cuando la medición comienza a desviarse del valor de consigna , la pr imera respuesta del controlador es una respuesta der ivativa proporcional al r égimen de var iación de la medición que se opone al movimiento de la medición al ale jarse del valor de consigna . La respuesta der ivati va es combinada con la respuesta proporcional agregada , a medida que el reset en el controlador ve el error incrementarse , el mismo controla la válvula mas f uer te aún . La acción continúan hasta que la medición de ja de cambiar , entonces la acción der iva tiva se detiene . Dado que existe aún un error , la medición continúa cambiando debido al reset , hasta que la medición comienza a retornar hacia el valor de consigna . Tan pronto como la medición comienza a moverse retornando hacia el valor de consigna , aparece una acción der ivativa proporcional al r égimen de cambio en la var iación oponiéndose al retorno de la medición hacia el valor de consigna . La acción integral o reset continúa debido a que aún existe un error , a pesar de que su contr ibución disminuye con el error . A demás , la salida debido al valor proporcional está cambiando . Así , l a medición retorna hacia el valor de consigna . Tan pronto como la medición alcanza el valor de consigna y de ja de cambiar , la acción der ivativa cesa nuevamente y la salida proporcional vuelve al 50%. Con la medición nuevamente en su valor de consigna , no existen mas respuestas a var iaciones debidas al reset . Sin embargo , la salida está ahora a un nuevo valor . El nuevo valor es el resultado de la acción de reset durante el tiempo en que la La
medición se ale jó del valor de consigna , y compensa el cambio de carga que f ue causado por la alteración or iginal . Conclusión
.
Este ar tículo ha descr ito las respuestas a controladores de tres modos cuando los mismos son usados en el comando de lazos realimentados de mediciones industr iales . El lector deberá tener un claro concepto de los siguientes puntos . .
Para alcanzar el control automático , el lazo de control deberá estar cerrado . 2. Para tener una lazo realimentado d e control estable , el a juste mas impor tante del controlador es la selección de la acción correcta , sea directa o inversa . La incorrecta selección de ésta acción hará que la salida del controlador sea inestable , y por lo tanto la elección correcta hará que la salida del controlador cambie de tal manera que el movimiento de la válvula se oponga a cualquier cambio en la medición detectada por el controlador .
.
El valor correcto de los a justes de banda proporcional , reset , y tiempo der ivativo dependen de las caracter ísticas del proceso , cabe consignar que en los controladores actuales dichos valores se pueden detectar en f orma automática , ya que el controlador dispone de un modo en que produce alteraciones controladas , y dentro de cier tos límites esta blecidos previamente por el operar io , en la salida se miden los resultados del proceso para una cier ta cantidad de ciclos de alteración , en base a éste compor tamiento puede detectar cuál es el me jor con junto de a justes para controlar un proceso mediante el soft are interno del aparato . La f unción del modo reset también llamado acción integral ) es para 4. eliminar el off set . Si mucho valor de off set es usado es resultado será una oscilación de la medición cuando el controlador acciona la válvula de u n extremo al otro . Si un valor muy ba jo de reset es usado , el resultado será que la medición retorna al valor de consigna mas lentamente que lo posible .
5. El modo der ivativo se opone a cualquier cambio en la medición . Una acción der ivativa muy pequeña no tiene ef ecto significativo , una acción con valores muy altos provoca una respuesta excesiva del controlador y un ciclo en la medición .
INSTRUMENTACION INDUSTRIAL - DE INICIÓN DE INSTRUMENTACIÓN Instrumentación: es el grupo de elementos que sirven para medir , controlar o registrar var iables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste. El instrumento más conocido y utilizado es el relo j, el cual nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo. En otras palabras, la i nstrumentación es la ventana a la realidad de lo que está sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos parámet ros del sistema y proceder de f orma correctiva. instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la ciencia actual en casos tales como: los via jes espaciales, l a automatización de los procesos industr iales y mucho otros de los aspect os de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre -programada que actué sobre el sistema para obtener el resultado previsto. La
C ARACTERÍSTIC A
DE LOS INSTRUMENTOS
De acuerdo con las normas SAM A Scientific Apparatus Makers Association), PMC20, las caracter ísticas de mayor impor tancia, para los instrumentos son: C AMPO
DE MEDIDA O RANGO RANGE)
Es el con junto de valores dentro de lo s límites super ior e inf er ior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de traba jar en f orma confiable. Por e jemplo, un termómetro de mercur io con rango de 0 a 50 grados celsius. Espectro o con junto de valores de la var iable de medida que están comp rendidas dentro de los limites super ior e inf er ior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. ALC ANCE SPAN) Es la dif erencia entre el valor super ior e inf er ior del campo de medida. E s la dif erencia algebraica entre los valores super ior e inf er ior del campo de medida del i nstrumento. Para el caso del t ermómetro del e jemplo, el SPAN será de 50 grados celsius.
ERROR Es la dif erencia que existir ía entre el valor que el instrumento indi que que tenga la var iable de proceso y el valor que realmente tenga esta var iable en ese momento. EXISTEN TRES TIPOS DE ERRORES: Errores grandes gross errors): Son en general de or igen humano, como la mala lectura de los instrumentos, a juste incorrecto y aplicación inapropiada, así como equivocaciones en los cálculos. E rrores sistemáticos: Se deben a f allas de los instrumentos, como par tes def ectuosas o gastadas, y ef ectos ambientales sobre el equipo del usuar io. E rrores aleator io: Generalmente son la acumulación de un gran número de errores muy pequeños cuyo or igen es difícil de identificar . Estos errores normalmente son de preocupación para mediciones con un alto grado de exactitud. Los errores aleator ios se pueden analizar estadísticamente. errores sistemáticos y tal vez también los aleator ios) pueden ser clasificados en estáticos y dinámicos. Los
Errores estáticos: Si el proceso está en condiciones de r égimen permanente, el error es estático. Este error normalmente se or igina por las limitaciones de los dispositivos de medición o las leyes físicas que gobiernan su compor tamiento. Errores dinámicos: Siempre que las condiciones sean de cambio continuo existirá un error dinámico que se presentará en retrasos en la medición. Esto está influido por el tip o de acoplamiento, los mater iales, el proceso a medir , etc. ESC AL A COMPLETA DE SALIDA Esto es la dif erencia algebraica entre las señales eléctr icas de salida medidas con el máximo estímulo de entrada y el mínimo estímulo de entrada. Esto debe incluir toda desviación de la f unción de transf erencia lineal. En la figura S S es la escala completa de salida. EXACTITUD o inexactitud, µaccuracy¶) En las especificaciones de un sensor , esto realmente quiere decir f alta de exactitud. Está es la razón de la máxima desviación de un valor representado por el sensor con respecto al valor ideal. Normalmente este valor se da en %. E EMPLO:Un sensor de desplazamiento lineal idealmente deber ía generar mV por mm de desplazamiento. Sin embargo, en un exper imento, un desplazamiento de 0mm produ jo una salida de 0.5 mV. Considerando sólo
este valor de mV se esperar ía que el desplazamiento hubiera sido de 0.5 mm que es 0.5 mm más que la realidad. Esta desviación indica una exactitud o f alte de) de 5%. Al valor de la desviació n se le llama error .
PRECISIÓN Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar , registrar o controlar el i nstrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un instrumento indicador . G eneralmente esta se expresa en porcenta je % ) del SPAN. La precisión de un instrumento indica su capacidad para reproducir cier ta lectura con una exactitud dada. E EMPLO: Se está midiendo un volta je conocido de 00V. Se toman 5 lecturas con cier to voltímetro y los valores encontrados son 04, 03, 05, 03, 05. Dadas estas lecturas, cuál es la exactitud y cuál es la precisión del instrumento. R. Ya que la desviación máxima del instrumento es 5V de la entrada real de 00V, se tiene una exactitud de 5%. La precisión del instrumento la da la desviación máxima de la media de las lecturas, en este caso, %. ZONA MUERTA DEAD BAND) Es el máximo campo de var iación de la var iable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna var iación en su indicación, registro o control. Es el área de valores de la var iable que no hace var iar la indicación del instrumento
£
ig.: Zona muer t a
SATURACIÓN Es el área en la cual el i nstrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un compor tamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable.
SENSIBILIDAD Es la relación entre la var iación de la lectura del i nstrumento y el cambio en el proceso que causa este ef ecto. REPETIBILIDAD Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un mismo valor de la var iable real en una única dirección de medición. HISTERESIS Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se ef ectuara en ambas direcciones. Un error de histéresis es la desviación de la señal de salida del sensor en un punto específico de la señal de entrada. Cuando se le aproxima al punto desde direcciones opuestas
¤
E EMPLO:
ig. : Histéresi s
termómetro de 49° C en un ob jeto de 50° C cuando el ob jeto pasa de más f r ío a más caliente y 51° C cuando pasa de calient e a más f rí o. Un
En este caso la hister ésis es 1° C. De la f unción de transf erencia ideal. C AMPO
DE MEDIDA CON SUPRESIÓN DE CERO
Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la var iable C AMPO
DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO
Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por deba jo de cero de las var iables
C AMPO
DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO
Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por deba jo de cero de las var iables En el caso de sensores : Impedancia de salida: Este parámetro toma relevancia cuando se quiere hacer una buena inter f ace con un circuito electrónico. La impedancia del sensor Zout) se conecta en paralelo o en ser ie según se mane je corr iente o volta je.
¥
ig. : Impedancia de sali da
Condiciones
de almacenamiento: Tiempo máximo y mínimo, humedad relativa máxima y mínima, presencia de gases, etc.
Estabilidad de largo plazo: Se refiere al enve jecimiento de los mater iales que repercute en un cambio irreversible en las propiedades eléctr icas, mecánicas, químicas o térmicas del sensor . Algunos sensores se pueden someter a enve jecimiento acelerado para me jorar sus caracter ísticas. Ef ectos térmicos: Se pueden especificar por bandas de los límites de operación. E EMPLO: Accuracy 1 % de 0 a 50 ° C 2 % de - 20 a 0 ° C y de 50 a 100 ° C. 3 % f uera de esos rangos Limites
de operación: de - 40 a 150 ° C.
Error de auto calentamiento: Es especificado cuando una señal de excitación es absorbida por un sensor y su temperatura es af ectada de tal manera que af ecta su exactitud. CLASI
IC ACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS
Existen dos f ormas de clasificar los instrumentos las cuales son: a.- De acuerdo a su f unción en el proceso. b.- De acuerdo a la var iable de proceso que miden.
Este modo de clasificar los no es necesar iamente el único, pero se considera bastante completo. º De acuerdo a su f unción estos serán: I nstrumentos indicadores: son aquellos que como su nombre bien dice, indican directamente el valor de la var iable de pr oceso. Ejemplos: manómetros, termómetros, etc. I nstrumentos ciegos: son los que cumplen una f unción reguladora en el proceso, pero no muestran nada directamente. Ejemplos termostatos, presostatos, etc. I nstrumentos registradores: en algunos casos podrá ser necesar io un registro histór ico de la var iable que se estudia en un determinado proceso. E n este caso, se usaran instrumentos de este tipo. . El ementos pr imar ios: algunos elementos entran en contacto directo con el fluido o var iable de proceso que se desea medir , con el fin de recibir algún ef ecto de este absorben energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la var iable en cuestión. Placa or ificio) S ensor : Un sensor es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctr ica. Esto es independiente de si el sensor requiere excitación o no para generar la señal eléctr ica. Ejemplos: Sensor piezoeléctr ico, termopar , galga extensiométr ica T ransmisores: estos elementos reciben la var iable de proceso a través del elemento pr imar io, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las var iables de proceso en f orma de señales proporcionales a esas var iables. T ransductores: son instrumentos f uera de línea no en contacto con el proceso), que son capaces de realizar operaciones lógicas y/o matemáticas con señales de uno o más transmisores. Paquete manuf acturado que produce un volta je de salida correspondiente a una var iable o estímulo de entrada. Ejemplos: Celdas de carga, acelerómetros, etc.
Conver tidores:
en cier tos casos, la señal de un transmisor para ser compatible con lo esperado por el receptor de esa señal, en ese caso se utilizara un elemento conver tidor para lograr la ante mencionada compatibilidad de señal
R eceptores: son los instrumentos que generalmen te son instalados en el panel de control, como inter f ase entre el proceso y el hombre. Estos reciben las señal de los transmisores o de un conver tidor . Controladores:
este es uno de los elementos más impor tante, ya que será el encargado de e jercer la f un ción de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para poster iormente, en base a la dif erencia, envié una señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones.
El emento final de control: será este e lemento quien reciba la señal del controlador y quien estando en contacto directo con el proceso en línea, e jerza un cambio en este, de tal f orma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado. Ejemplo: válvulas de control, compuer tas, etc. D e acuerdo a la var iable de proceso que miden: Esta clasificación, como su nombre lo indica, se ref er irá a la var iable de proceso que tratemos de medir . En la actualidad, se pueden medir , casi sin excepción, todas las var iables de proceso existentes, sin embargo, algunas se medirán de f orma directa y otras indirectamente. DIAGRA M AS DE
LUJO
EL diagrama de flu jo de procesos es uno de los documentos más impor tantes para el ingeniero de diseño de instrumentación. En éste se presentan de una f orma secuencial los equip os involucrados en el proceso, así como los datos de proceso deseables y las expectativas de los rangos de var iación, caracter ísticas más resaltantes de los equipos, sentidos de fluidos y cualquier otro dato de proceso relevante para el diseño de la Ingenier ía, no solo de instrumentación, sino más impor tante aún, para todas las disciplinas. Ahora bien, el diagrama de flu jo inf orma sobre que es lo que se espera que el proceso haga y como lo hará, pero en raras ocasiones, se indica en éste los puntos y var iables que se desean controlar . Para determinar este punto, se requer irá del consenso de las disciplinas de procesos e instrumentación. A par tir de ese momento, se definirán los puntos de medición, las caracter ísticas de los fluidos de procesos, los rangos de las var iables y cuáles var iables se desean indicar y/o controlar , y/o registrar .
Esta par te de la f ase inicial de diseño suele ser difícil por muchos f actores, tales como: los cr iter ios del proceso que se desea controlar no están claros, en cuyo caso, las exper iencias anter iores similares del ingeniero instrumentista puede ser muy valiosas, o como en muchos otros, los datos del proceso pueden no ser accesibles bien sea, que no se pueden estimar con f acilidad o en el caso de plantas existentes en expansión, no se dispone de estos datos, por lo cual habrá que proceder a un levantamiento de campo de esos valores. TRANSDUCTORES Y SEÑALES DE C AMPO Transductor es todo dispositivo o elemento que convier te una señal de entrada en una de salida pero de dif erente nat uraleza física. Normalmente se desea transf ormar señales de las var iables físicas o químicas que deseamos medir , en magnitudes eléctr icas que son las que mane jamos con más f acilidad en instrumentación. La salida del transductor es una f unción conocida de l a magnitud de entrada y la relación entre ambas magnitud a medir y salida del transductor) puede no ser lineal, aunque se procura que lo sea para simplificar su tratamiento.
Aunque lo más habitual es que una de las dos f ormas de energía que intervienen en el proceso de transducción sea eléctr ica, no siempre es cier to. Pensemos por e jemplo en los micróf onos ópticos en los que el sonido produce def ormaciones en una lámina metálica en la que se refle ja un haz luminoso. La señal de salida es una var iación en el br illo del haz refle jado que poster iormente será conver tida mediante un f otodetector que no es más que un transductor electroóptico) a una señal eléctr ica. señal eléctr ica tal como la proporciona un transductor no es, en general, directamente utili zable por un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador . Por eso suele someterse a estas señales a una ser ie de procesos típicos. Estos pueden ser entre otros: aislamiento, acoplo de impedancias, cambios de nivel o tipo de la señal, amplifica ción, filtrado, linealización, cálculos var ios p. e j. ), etc. E stos procesos pueden ef ectuarse en el propio transductor , en el sistema de adquisición de datos o en un punto intermedio. La
de los procesos deseados suele ser la amplificación o conversión de la señal al rango de tensión usual en los sistemas de adquisición de datos 0 a 10V); esto puede requer ir una atenuación para señales más elevadas, o una amplificación apropiada para las de niveles ba jos. Otro es su transf ormación al rango habitual de corr iente en proceso de datos de campo 4 a 20 m A), para poder transmitir los por cable trenzado a distancia. La transmisión en corr iente proporciona una notor ia inmunidad al ruido ya que la inf ormación no es af ectada por caídas de tensión en la línea, impuls os parásitos, resistencias o volta jes inducidos por contaminación electromagnética, etc. Uno
Desde el punto de vista de las señales que proporcionan estos transductores se pueden clasificar en: 1) Transductores de resistencia var iable 2) Transductores de react ancia var iable capacitivos o inductivos) 3) Transductores generadores de carga 4) Transductores generadores de tensión 5) Transductores generadores de corr iente ) Transductores digitales
En esta pequeña lista no están incluidos todos los tipos posibles pero sí los más habituales. dos pr imeros son de tipo pasivo no generan señal, sólo la transf orman, el resto se consideran activos sí generan señal). El hecho de que generen una señal no implica necesar iamente que deban ser alimentados de f orma externa . Como e jemplo tenemos los transduc tores piezoeléctr icos que generan una tensión entre sus dos extremos, cuando son sometidos a presión o def ormación. Los
Para su introducción en un sistema de instrumentación con osciloscopios digitales o conexión a ordenador , los que generan señal no presentan problemas ya que pueden ser conectados directamente al ordenador . Hay mater iales que permiten var iar su resistencia como respuesta a casi cualquier f enómeno físico: temperatura, presión, humedad, etc., por lo que la var i edad de este tipo de transductores es inmensa.
¦
ig.: La transf ormación de una var iable física en eléctr ica
Transductores de resistencia var iable Son muy populares y se utilizan en la medida de numerosas var iables, ya que es la salida de aquellos que utilizan potenciómetros lineales de cursor deslizante, galgas extensiométr icas, t ermóme tros resistivos termorresistencias RTD y termistores), magnetorresistencias, resistencias dependientes de la luz LDR), higrómetros resistivos, etc.
Para obtener una señal de salida se deben tener en cuenta dos f enómenos, el pr imero es la necesidad de una alimentación eléctr ica ya que la resistencia en sí no genera ninguna señal y el segundo es que esta alimentación influye en la salida por el posible autocalentamiento del transductor . medida de la resistencia se puede hacer de f orma directa, es decir , como una aplicación de la ley de Ohm midiendo la corr iente que la atraviesa a una cier ta tensión o la tensión que cae en ella a una corr iente constante. Pero el método más usado por ser el más preciso y sensible es el que utiliza un puente de heatstone. Sobre este tipo de medidas existe una gran bibliografía que se puede encontrar en cualquier texto de instrumentación. Su salida se realiza a través de un amplificador dif erencial que proporciona una señal en tensión, que es la más usada como entrada de un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador personal. La
Transductores de reactancia var iable capacitivos o inductivos) transductores capacitivos son muy usados cuando se quiere detectar desplazamientos muy pequeños hasta 10 -9cm.), ya que poseen una gran estabilidad y precisión. T ambién se utilizan para medida de niveles de líquidos conductores o dieléctr icos, medida de espesores de dieléctr icos, etc. Los transductores inductivos son muy usados ya que se incorporan en muchos equipos que los usan como transf ormadores de desplazamientos en señales eléctr icas. Se suelen dividir en tres grupos pr incipales: los de reluctancia var iable, los de corr ientes de oucault y los transf ormadores dif erenciales LVDT). Los
medida en estos transductores se debe realizar en alterna y por lo tanto a continuación, deberá haber un sistema de conversión de alterna a continua, que puede ser de valor eficaz, de valor medio o de pico. La medida propiamente dicha se puede hacer por medio de un divisor de tensión aplicando directamente la ley de Ohm, utilizando un puente de alterna o un oscilador de f recuencia var iable. E n cualquier caso su paso a tensión continua es necesar io para su utili zación en un sistema de adquisición de datos por ordenador . La
Transductores generadores de carga En realidad los transductores generadores de carga son generadores de corr iente pero en estado de reposo poseen resistencias muy altas y por lo tanto corr ientes muy ba jas. Son muy usados para medida de radiación, células f otoeléctr icas, células de ionización, transductores piezoeléctr icos. Su medida depende del transductor y del uso que se desee de la medida. Si se desea una medida continua se utilizan amplificado res, conver tidores tensión -corr iente o amplificadores de carga. Pero si se desea analizar los impulsos número,
tensión máxima, etc.) deberán utilizarse amplificadores y analizadores de impulsos. Transductores generadores de tensión Estos transductores están bastante extendidos. Destacan los termopares, pHmetros, medidores Redox, etc. Además, numerosos equipos que no generan esta salida directamente del sensor , la presentan en su salida por medio de conversiones electrónicas internas. La venta ja que present an es que no necesitan ninguna acción para su introducción en sistemas de adquisición de datos por ordenador salvo quizás, una adaptación de niveles de tensión. Su desventa ja es la transmisión a distancia ya que ésta puede ser af ectada por ruidos. Transductores generadores de corr iente Existen numerosos transductores que presentan salida en corr iente, ya que es la salida más extendida en equipos de instrumentación para la transmisión de señales de campo 4- 20 m A), por lo que la transf ormación en tensión de estas señales es una práctica muy generalizada, antes de introducir las en el sistema de adquisición de datos que suele traba jar en tensión. La conversión corr iente tensión se realiza simplemente usando una resistencia de precisión. Transductores digitales Estos transductores son muy utilizados en equipos electromecánicos para indicar acciones, por e jemplo finales de carrera, interruptores de dif erentes magnitudes, alarmas, etc. Desde el punto de vista de su introducción al ordenador no presentan más problema que la adaptación de sus niveles de tensión. SISTEM AS DE ADQUISICIÓN DE DATOS sistemas digitales de control se utilizan ampliamente debido a su ba jo coste en comparación con los analógicos. Presentan venta jas en cuanto inmunidad al ruido, precisión y f acilidad de implementar f unciones comple jas. El pr incipal i nconveniente es que tienen una respuesta más lenta, aunque para la mayor ía de las aplicaciones esto no es un inconveniente. Los sistemas de control de procesos con realimentación computer izada se utilizan en muchas industr ias para controlar sus distintos procesos de f abr icación. En el mundo físico, las var iables son continuas y es preciso transf ormar las, amplificar las y conver tir las a var iables digitales para que un sistema digital las pueda procesar . Los sistemas de adquisición de datos realizan todas estas f unciones. En otras palabras, los sistemas de adquisición y conversión de datos se usan para procesar señales analógicas y conver tir las en digitales para su poster ior procesamiento o análisis mediante computador o en nuestro caso en un ordenador personal. E n general, un si stema de adquisición de datos toma una Los
magnitud física tal como presión, temperatura, posición, etc. y la convier te en una tensión o corr iente eléctr ica que será poster iormente muestreada y cuantificada digitalizada). Una vez conseguido esto, todo el post er ior tratamiento de la señal se realiza por circuitos electrónicos digitales.
En pr incipio tiene lugar un tratamiento electrónico y al terminar éste, la señal se convier te en digital mediante un conver tidor o conversor A/D analógico/digital). Esta salida digital puede ir a dif erentes sistemas digitales tales como un ordenador , un controlador digital, un transmisor de datos digital, etc. circuito completo de adquisición de datos se indica en la figura siguiente con todos los componentes f undamentales y sus interconexiones. Un
§
ig. - E squema general de un sist ema de adquisición de dat os
entrada al sistema el parámetro físico a medir), se convier te en una magnitud eléctr ica por el transductor y ésta se lleva a la entrada del amplificador . La misión de éste es preparar la señal de salida del transductor al nivel de tensión necesar io 1 a 10V) para atacar al siguiente circuito analógico. Sigue al amplificador un filtro activo paso ba ja, usado para eliminar los componentes de alta f recuencia o ruido de la señal. En ocasiones se puede necesitar hacer con la señal alguna operación no lineal en cuyo caso ésta se puede hacer antes o después del filtrado. La
A continuación, la señal va a un multiplexor analógico en el que cada canal de entrada es conectado secuenci almente a la salida durante un per iodo de tiempo especificado. De esta f orma los circuitos que siguen al multiplexor son compar tidos secuencialmente por un cier to número de señales analógicas. salida del multiplexor analógico va a un circuito de muestreo y retención 'sample and hold'), el cual muestrea la salida del multiplexor en un momento determinado y mantiene el nivel de tensión en su salida hasta que el conversor A/D) realiza la conversión. La
Por último, la programación y secuencia de tiempos de la operación se realiza por los circuitos de control que a par tir de las salidas digitales de control,