PROCESOS.
Los procesos industriales se tienen su propósito principal el de transformar materias primas en un producto final. Durante el proceso de la producción de estos bienes, se tienen diversos procesos, ya sea que sean reutilizados los materiales, o se convierta energía para producir el producto final.
La instrumentación provee el significado del proceso de producción para asegurar que los productos sean elaborados apropiadamente.
Aunque hay varios procesos industriales y ninguno es idéntico es importante saber que los principios que aplica en los procesos son semejantes en sus principios.
Un proceso puede ser descrito como la secuencia de cambios en una sustancia.
La secuencia de cambios puede ocurrir en el aspecto químico, físico o ambos en la composición de una sustancia incluyendo parámetros como el flujo, nivel, presión, temperatura densidad volumen, acidez y gravedad especifica, así como muchos otros, También muchos procesos requieren de transferencia de energía. La mezcla de fluidos, el calentamiento o el enfriamiento de substancias, el bombeo de agua de un lugar a otro, el enlatado de comida, la destilación de gasolina, el pasteurizado de la leche, y convertir la luz solar en energía eléctrica todos pueden ser descritos como procesos. Cuando una sustancia es calentada, su temperatura y su composición puede cambiar. Cuando la luz solar es convertida en electricidad, pueden ocurrir cambios físicos como químicos.
VARIABLES.
En todo proceso tenemos diversas variables, las cuales afectan las entradas o salidas del proceso. Temperatura, nivel, flujo, presión, son las variables más comunes en los procesosindustriales, las cuales son monitoreadas y controladas por medio de la instrumentación del proceso.
SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN MEDICIÓN Y CONTROL DE VARIABLES.
Los instrumentos son diseñados para medir, indicar, controlar o almacenar la información de las variables del proceso, además de manipular mecanismos que controlen diversos estados de un proceso. Algunos procesos son muy similares, pero eso no significa que sean exactamente iguales, por lo tanto, no todos los procesos tienen las mismas necesidades de control.
La medición de una o más variables, hace posible determinar con certeza que sucede en un punto específico del proceso.
El sistemas de calefacción de una casa es ejemplo de un proceso, el cual tiene una variable controlada, el termostato de la calefacción indica el estado de la variable existente medida y controlada.
EL PROCESO DE CONTROL.
Un proceso industrial comienza con la medición de una variable. Por ejemplo, la temperatura del fluido del proceso fuera del intercambiador de calor es medida.
Esta información es utilizada para llevar a cabo una decisión acerca el proceso. Finalmente, se lleva a cabo la acción basada en la decisión tomada.
DIFERENCIAS ENTRE CONTROL MANUAL Y CONTROL AUTOMÁTICO.
Cuando se conduce un automóvil, el tripulante debe considerar ciertas variables. La velocidad es una de esas variables, la cual es necesaria para reunir información acerca de que tan rápido avanza el auto. El velocímetro indica la velocidad actual del auto. La velocidad límite del auto indica la velocidad deseada del auto. Estos valores pueden ser comparados para tomar una decisión. El estado actual de la variable comparado con el estado deseado es lo que determina una apropiada acción, con el objeto de aumentar o disminuir la velocidad, o simplemente no llevar a cabo ninguna acción.
Una vez que la decisión a sido tomada e implementada, el siguiente paso es verificar de nuevo la velocidad del auto, para determinar que efecto han tenido los cambios hechos con anterioridad. Cuando la información ha sido reunida, se ha tomado una decisión y realizado una acción, se dice que se lleva a cabo un control manual del auto. La decisión de aumentar, disminuir, o mantener la velocidad del auto, es realizada automáticamente por un instrumento. El control que se realiza por medio de instrumentos, se dice que es un control automático.
VARIABLES UTILIZADAS EN EL PROCESO DE CONTROL.
El lazo de control de un proceso es diseñado para tener todas las variables bajo control. el termino utilizado para llamar a la variable que a sido manipulada, es el de “VARIABLE MANIPULADA”. A la o las variables que han sido medidas con anterioridad se les denomina “VARIABLE MEDIDA”. De la misma manera, el termino utilizado para expresar el valor de ajuste, es “SET POINT”, y la diferencia entre el valor actual de la variable y el set point, se denomina “DESVIACIÓN”.
La acción es realizada para eliminar la desviación. En el proceso de control, la acción es el ajuste de la variable, a este ajuste se le denomina “VARIABLE MANIPULADA”.
En términos prácticos, el control es un ciclo continuo de medición, toma de decisión, y realizar una acción. El proceso de control es un lazo diseñado para mantener la variable controlada en el set point.
COMPONENTES DE CONTROL.
Un disturbio es un cambio en la demanda del sistema, usualmente es un factor fuera del lazo, el cual afecta la variable controlada. Con el fin de compensar los disturbios y mantener el control, el proceso de toma de decisión debe ser continuo.
Feedback es el termino utilizado para indicar una medición y respuesta continuas a la información generada. Esta es la forma mas simple de control. el termino usado para definir los instrumentos en un sistema de control da información, decide y toma acción en un sistema de control retroalimentado, es un lazo de control retroalimentado.
El lazo de control retroalimentado, incluye un censor, un transmisor, un controlador, y un elemento final de control. Censores, transmisores, y los elementos finales de control, a menudo están localizados en campo cerca del proceso. Los controladores, comúnmente se localizan en el cuarto de control.
El censor detecta el valor de la variable medida. El transmisor convierte la señal del censor a una señal normalizada y la envía al controlador. El controlador compara el valor de la señal transmitida con el set point y envía una señal de salida al elemento final de control. El elemento final de control es reposicionado para corregir la desviación provocada por los disturbios en el sistema.
SENSORES Y TRANSMISORES.
TIEMPO DE RESPUESTA.
Diversos factores determinan que censores deben usarse para monitorear una variable, como son tiempo de respuesta, exactitud, precisión. Los censores no responden inmediatamente, se requiere un periodo de tiempo para que los censores respondan a los cambios.
El termino “tiempo de respuesta” es utilizado para designar al tiempo que requiere un instrumento como puede ser un censor para responder a los cambios en la variable medida.
Como se menciona anteriormente, distintos factores son los que afectan el tiempo de respuesta del censor, como son el tipo de censor, la proximidad del censor a la variable medida. Por ejemplo, un instrumento de presión responderá a cambios en la presión en un par de segundos, mientras que un censor de temperatura tomará más tiempo para responder, porque el censor tiene que calentarse o enfriarse en respuesta a los cambios en la temperatura de la variable medida. Este efecto es conocido como retraso térmico.
Por ejemplo, el tiempo de respuesta de un censor de temperatura en un termopozo es mucho más largo que el de un censor posicionado en contacto directo de la variable medida. Similarmente, un censor de presión de aire que esta directamente conectado a la pipa, responderá más rápido que un censor idéntico conectado a la tubería del proceso y a una distancia mayor. Este efecto es conocido como retraso hidráulico.
DIFERENCIA ENTRE EXACTITUD Y PRECISIÓN.
Exactitud y precisión son características de los censores. Estos términos tienen diferentes significados en el contexto de los procesos de control.
El término exactitud es usado para denotar que tan estrechas son las lecturas de las mediciones de un instrumento, como puede ser un censor.
El término precisión es usado para designar que tan consistentes son las lecturas realizadas por un instrumento. Las diferencias entre exactitud y precisión son ilustradas en las siguientes gráficas.
Nuevamente tenemos cuatro lecturas de presión, otra vez el valor de la presión actual es constante, pero podemos considerar que estas lecturas son precisas, porque las lecturas son consistentes y reproducibles.
La capacidad de un censor está determinada por tres características: tiempo de respuesta, exactitud, y precisión.
Censores de distintos tipos están disponibles para usarse en diferentes procesos, consecuentemente tenemos un vasto rango de posibles señales de salida. Por ejemplo, un censor puede proveer un movimiento mecánico, variación de flujo, variación de mili voltajes, variación en la resistencia o en la capacitancia. Cuando una o varias de estas señales es recibida por el transmisor, estas son convertidas a una señal estandarizada.
SEÑALES ESTÁNDAR MAS COMUNES.
El censor mide el cambio el valor de la variable controlada retransmitido al transmisor, este convierte el valor en una señal estándar representando la medición. Esta señal es enviada al controlador para ser comparada con el set point.
Las señales electrónicas y neumáticas son referidas como una señal analógica porque cada tipo de señal puede asumir un valor en cualquier punto entre un valor mínimo y máximo predeterminado. Las señales ópticas usualmente son transmitidas en uno o dos estados: “on” ó “off”. Las señales que tienen solo dos valores discretos, son referidas comúnmente como señales digitales. En función de valores específicos a representar, las señales ópticas son transmitidas en series de pulsos “on” y “off”.
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.
La posición del elemento final de control está determinada por los controladores. Específicamente la posición del elemento final de control está determinada por la o las señales representando el valor de la desviación que es transmitida al controlador.
El diseño de un elemento final de control está determinado por las necesidades de el sistema de control.
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL MAS COMUNES.
Válvulas de control, bombas, bombas de medición, relevadores, ventiladores con aspas ajustables, son algunos tipos de elementos finales de control más comunes. Otros tipos de elementos finales de control son: variadores de velocidad, bombas o compresores, y bandas ajustables de velocidad en sistemas de transportación. La aplicación es la que dicta que tipo de mecanismo es el adecuado para el control de las variables en el proceso.
Los elementos finales de control eléctricos, generalmente son activados por motores o solenoides. Las válvulas solenoides solo tienen dos posiciones: “abierto” o “cerrado”.
Las válvulas de control operadas neumáticamente son muy comunes en la industria. Muchas válvulas de control son operadas con actuadores neumáticos. In operación, aire a presión aplicado al diafragma del actuador causa una flexión, esta flexión posiciona la válvula.
OTROS LAZOS DE CONTROL.
El control en cascada a menudo puede controlar un proceso más precisamente que un sencillo lazo de control retroalimentado, porque el control en cascada permite que una segunda variable sea monitoreada en adición a la variable controlada. En aplicaciones del control de cascada, la selección de la segunda variable está basada en la capacidad para reflejar rápidamente cualquier disturbio a la variable manipulada. El control en cascada es un lazo de control instalado dentro de otro lazo de control.
Una aplicación semejante a la operación de mezclado es una en la cual el control en cascada puede ser aplicado. Con una sola variable monitoreada existente, el control no es tan preciso como se requiere. Asumimos que los químicos son bombeados hacia el tanque de mezclado y mantenidos a una temperatura controlada. Si la temperatura de la variable controlada, crece o decrece debajo del valor del set point, un censor transmite la señal al controlador. En respuesta, el controlador, reposiciona las válvulas de agua y vapor para subir o bajar la temperatura del vapor y agua en la cubierta del tanque. El ajuste con solo un lazo sencillo de control el sistema responderá bien a los cambios en la variable controlada, pero no podría responder eficientemente a los cambios en la variable manipulada, que en este caso es la presión. Un disturbio como una disminución en la presión del vapor podría afectar adversamente la etapa del control preciso requerido por la primera variable controlada (temperatura).
Una etapa más precisa de control puede ser obtenida por el monitoreo de la temperatura de la temperatura del agua y el vapor en adición a monitorear la temperatura del producto en el tanque. En este ejemplo. Un, segundo lazo de control es creado por la suma de dos componentes más al sistema, un censor y un controlador. El censor adicional monitorea la temperatura del agua y vapor. El controlador adicional, posiciona la válvula de vapor y agua. El segundo lazo es llamado lazo secundario o interior. El lazo primario o exterior, continua para responder a la temperatura del liquido en el tanque.
De tal manera que en lugar de posicionar directamente las válvulas de vapor y agua, la salida del controlador en el lazo primario ajusta el set point del controlador secundario. El controlador secundario posiciona las válvulas en repuesta a cambios en el set point.
El control proporcional a menudo es implementado en procesos en que los materiales deben ser mezclados en proporción a otro. Un controlador proporcional, mantiene una proporción predeterminada entre dos o más variables, usualmente flujo.
Por ejemplo, un producto requiere una parte de un material “A” por dos partes de un material “B”. con el control proporcional. La razón de flujo de uno de los materiales está determinada por partes específicas del proceso. Esta razón de flujo es esencialmente incontrolada y es comúnmente designada flujo deshabilitado. En suma, el control proporcional monitorea el valor de una variable y ajusta el valor de la segunda variable en razón de la primera variable.
El control retroalimentado es otro tipo de control usado cuando se requiere una mayor efectividad y precisión como puede proveer un lazo sencillo de control retroalimentado.
El control retroalimentado esta capacitado para compensar el sistema antes de que los disturbios afecten la variable controlada. En otras palabras, los disturbios son medidos y controlados antes que afecten el proceso.
El diagrama ilustra un lazo de control retroalimentado monitoreando un intercambiador de calor. La temperatura de salida es la variable controlada. El suministro de vapor es la variable manipulada. Como la temperatura de salida del proceso varía, el controlador abre o cierra la válvula de vapor para subir o bajar la temperatura dentro del intercambiador de calor. Con este modo de control, puede desviarse desde el set point antes de que la acción de control sea aplicada. El lapso de tiempo entre el punto en el que la desviación ocurre y el punto en el que se realiza la acción correctiva, provoca que la temperatura del proceso varíe.
Este diagrama ilustra un lazo de control feedforward es combinado con un control retroalimentado. Con el control feedforward, dos censores son usados para monitorear el proceso. Uno de los censores monitorea la temperatura que entra al proceso, mientras que el segundo monitorea la razón de flujo, basado en las señales de salida de los dos censores, el controlador calcula la cantidad de vapor necesaria para mantener el valor de la variable controlada. El resultado final es que la temperatura de la variable controlada, está más exacta o precisamente controlada.
Este tipo de control se utiliza en aplicaciones en las que no pueden tolerarse desviaciones en el set point. También es utilizado en combinación con el control retroalimentado para alcanzar el punto necesario de exactitud o precisión que la aplicación requiere.
(VIDEO II.) MODOS DE PROCESOS DE CONTROL.
CONTROL DE DOS POSICIONES.
Algunos procesos no requieren un control muy complejo, esos procesos operan con gran éxito con un alto rango de tolerancia. Otros procesos requieren un control mucho más complejo, por lo tanto el proceso es el que determina que tipo de control se requiere.
LA FUNCIÓN DEL CONTROLADOR EN UN PROCESO.
Los mecanismos en un proceso típico, incluyen un censor, un transmisor un controlador, y un elemento final e control. el censor mide el valor de la variable controlada, este valores convertido a una señal estándar por el transmisor. El transmisor envía esta señal al controlador. El controlador compara la señal con el set point, y basado en la desviación, decide cual es la acción adecuada a realizar.
La señal de salida del controlador posiciona el elemento final de control. el elemento final de control responde a la señal de salida cambiando el valor de la variable manipulada.
LOS CUATRO MODOS DE CONTROL.
Hay cuatro modos de control: control dos-posiciones, control proporcional, control integral, y el control derivativo.
Los modos de control proporcional, integral y derivativo son continuos. Un controlador puede estar equipado con uno o más modos de control continuo.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL CONTROL DE DOS POSICIONES.
En procesos en los que no se requiere un control muy preciso, el control dos-posiciones on/off, puede ser el adecuado. El funcionamiento del control dos-posiciones se ilustra en la siguiente figura. El líquido en el tanque puede ser mantenido en una temperatura específica, la temperatura es la variable controlada en este ejemplo. El vapor es la variable controlada.
Los componentes en este lazo son: un censor, un transmisor, un controlador dos-posiciones, y un elemento final e control, que en este caso es un válvula. La válvula solo tiene dos posiciones: abierto o cerrado. Cualquier cambio en la temperatura del producto almacenado en el tanque es detectado por el censor, la señal detectada es transmitida al controlador. El controlador determina que la temperatura está por debajo del set point y envía una señal para abrirla válvula del vapor. La válvula abre incrementando el flujo de vapor (variable manipulada), para calentar el tanque.
Cuando el flujo de vapor en el tanque es iniciado, la temperatura regresará al valor del set point. La temperatura continuará subiendo hasta que una nueva acción sea tomada. Cuando la temperatura del líquido excede el set point, una señal para cerrar la válvula es enviada al elemento final de control, como se muestra en la siguiente figura.
EFECTOS DEL CONTROL DOS-POSICIONES EN UN PROCESO.
En el ejemplo anterior se nota que el lazo de control no puede responder inmediatamente a los cambios. Dos factores son los que impiden la inmediata respuesta, el tiempo de respuesta del censor y el tiempo requerido por el líquido en el tanque para responder a los cambios en la variable manipulada.
Consecuentemente, el control dos-posiciones puede causar oscilaciones significativas en el proceso. Si el proceso puede tolerar las oscilaciones en la variable controlada, el control dos-posiciones es el adecuado. Si el proceso no tolera las oscilaciones, debe ser usado otro modo de control.
CONTROL PROPORCIONAL.
El control continuo, posiciona el elemento final de control en más d dos posiciones.
El control proporcional es usado a menudo en sistemas donde el valor de la variable controlada cambia constantemente en respuesta a los disturbios. El principio de operación del control proporcional puede ser ilustrado considerando como se controla la presión en un calentador. El vapor producido es la variable controlada. La proporción del flujo del combustible es la variable manipulada.
La dinámica del proceso, prohíbe el uso del modo de control dos-posiciones. El control dos-posiciones no puede mantener la presión del calentador dentro de los límites tolerables.
La acción de control proporcional puede tranquilizar mucho al control / proceso y reducir oscilaciones. Cuando el controlador proporcional recibe la señal del censor, esta es la presión transmitida por el vapor caliente, el controlador responde a cualquier desviación del set point en el elemento final de control. El elemento final de control, una válvula de control de combustible puede estar en posición abierta, cerrada, o en cualquier otra posición intermedia, también será posicionada en proporción a la desviación. La capacidad de ajustar la posición de la válvula, permite un mayor ajuste gradual del flujo de combustible como los cambios de presión de el calentador.
Los controladores proporcionales son diseñados para mantener una continua relación entre la variable controlada y la posición del elemento final de control.
El controlador responde a incrementos en la variable controlada, presión del calentador.
Por ejemplo, in este sistema, Un censor monitorea la temperatura de la salida del fluido del proceso y envía una señal al transmisor. El transmisor retransmite la señal de temperatura al controlador. El controlador compara la señal de salida del transmisor con el set point y decide si es requerida una acción correctiva.
BANDA PROPORCIONAL.
El término banda proporcional designa la cantidad de cambios que necesita la entrada para proveer un completo rango de cambios a la salida, y puede ser calculado utilizando la siguiente ecuación:
Por ejemplo, si la ganancia es 1.33, la banda proporcional es ajustada al 75%.
Los cambios en la acción de control proporcional son expresados como cambios en ganancia proporcional. Ganancia proporcional es la relación del cambio en la entrada al cambio en la salida. La ganancia proporcional se puede calcular con la siguiente expresión:
LOS EFECTOS DE CAMBIAR EL ANCHO DE BANDA DE UN PROPORCIONAL.
La acción de control proporcional tomada en el sistema, ha sido ajustada a la mitad en la entrada, es necesario para abrir o cerrar completamente la válvula. En entonces la misma salida sería alcanzada con la mitad de la entrada. Porque solo el 50 por ciento de entrada es requerido para obtener un rango completo de salida, la banda proporcional es del 50 por ciento y la ganancia es 2.
El efecto opuesto puede ser alcanzado ajustando la banda proporcional en la dirección opuesta. Tomando un cambio en el rango completo de la entrada, representa un cambio del 50 por ciento en la salida. El resultado es que la misma entrada alcanza solo la mitad, tanto como la salida
