Elementos de un sistema de control

Sistema de control de lazo abierto

Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador.

Los elementos de un sistema de control de lazo abierto son:

- Preaccionador

- Actuador

- Planta o Proceso

Sistema de control de lazo cerrado

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.

Los elementos de un sistema de control de lazo cerrado son:

- Detector de error

- Regulador

- Preaccionador

- Actuador

- Planta o Proceso

- Transductor

Donde

Señal de referencia o consigna: Es una señal externa de control y, con ella, imponemos el valor deseado en la señal salida.

Señal de salida o respuesta: Es el valor real en cada instante que toma la señal que pretendemos controlar.

Perturbaciones: Las perturbaciones se producen de forma imprevista y provocan una desviación de la señal real respecto de la señal deseada. Pueden ser internas, que dependen del propio sistema como puede ser el envejecimiento de componentes, o externas como, por ejemplo, la apertura de una ventana en un local que se está climatizando.

Comparador o detector de error: Es el dispositivo encargado de comparar el valor de referencia con el valor de la realimentación. El resultado de dicha comparación constituye el error de funcionamiento o desviación de la salida con relación al valor previsto.

Regulador: Es el dispositivo encargado de amplificar y modificar adecuadamente la señal de error que le proporciona el comparador con el fin de que la acción de control sobre el sistema sea más eficaz y presente mejores características de funcionamiento en cuanto a precisión, estabilidad , tiempo de respuesta y sobre oscilaciones. Los reguladores pueden ser de los tipos siguientes: proporcionales (P), proporcional-derivativo (PD), proporcional-integrativo (PI), proporcional-derivativo-integrativo (PID).

Preaccionador: Tiene por finalidad amplificar la señal procedente del regulador para atacar al actuador.

Actuador:  Es el dispositivo de potencia situado en la planta cuyo objeto es entregar energía o realizar un trabajo para mantener el valor de salida en el valor deseado.

Planta o sistema: Es el lugar donde se desea realizar la acción de control.

Transductor: Consiste en un dispositivo capaz de medir en cada instante el valor de la magnitud de salida y proveer una señal proporcional a dicho valor. Normalmente todo transductor consta de dos partes diferenciadas: El captador o sensor, cuya finalidad es captar directamente la magnitud medida (presión, nivel, caudal, temperatura, velocidad, posición, iluminación, etc.;) y El transmisor, que transforma la magnitud vista por el captador en una señal, generalmente eléctrica o neumática, que se enviará al detector de error.

Transductores de Posición, Proximidad y Desplazamiento

- Transductores resistivos

- Transductores Inductivos

- Transductores Capacitivos

- Interruptores Final de carrera

Transductores de Velocidad

- Tacómetros Mecánicos

- Tacómetros Eléctricos

Transductores de Temperatura

- Termorresistencias

- Termistores

- Termopares

- Pirómetros de radiación

Transductores de Presión

- Transductores Mecánicos

- Transductores Electromecánicos

- Transductores de Vacío

Medida de la Iluminación

- Fotorresistencias

- Fotodiodos

- Fototransistores

Elementos del sistema de control

Dispositivos de entrada de órdenes:

- Binarios: Dan ordenes del tipo si/no, verdadero/falso, activado/desactivado. Los principales son pulsadores, interruptores y conmutadores.

- Alfanuméricos: Permiten introducir números y/o letras. Los principales son teclados y preselectores digitales.

Dispositivos de entrada de información:

Son sensores y toman datos de las variables implicadas en el proceso (de estado y salidas) y se las envían a la unidad de control. Hay sensores de temperatura, presión, posición, humedad, etc.

Dispositivos de salida de información:

Son indicadores para los operarios.

- Binarios: pilotos, sirenas, zumbadores, timbres, torretas, luces indicadoras

- Alfanuméricos: displays de 7 segmentos, impresoras, pantallas crt, lcd, tft, etc.

- Analógicos: indicadores de aguja

Controlador:

A partir de la información proporcionada por los dispositivos de entrada (sensores) establece como debe reaccionar el actuador mediante órdenes. Muchas veces se necesita de acondicionadores de señal para adaptar las señales de los sensores a las entradas de los controladores

Control Industrial

Los sistemas de control automático son fundamentales para el manejo de los procesos de producción de las plantas industriales. Está comprobado que el aumento de la productividad está muy relacionado a la automatización de los procesos en la medida que se haga un uso eficiente de los equipos y sistemas asociados. Actualmente la tecnología permite establecer una serie de estrategias de control que eran de difícil implementación hasta hace solamente algunos años atrás, en especial en procesos industriales complejos.

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control. Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas.

¿Qué es?

Es aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.

Clasificación

Según la información que recibe el sistema de control:

- Sistemas de lazo abierto

- Sistemas de lazo cerrado

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida.

Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que se mantiene una relación determinada entre la salida y la entrada de referencia, comparándolas y usando el error como medio de control.

Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso:

- Sistemas Analógicos

- Sistemas Digitales

- Sistemas Híbridos Analógicos-Digitales

Un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de este tipo, las cantidades varían sobre un intervalo continuo de valores.

Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También un sistema digital es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos.

Los sistemas digitales pueden ser de dos tipos:

Sistemas digitales combinacionales: Son aquellos en los que la salida del sistema sólo depende de la entrada presente. Por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la salida no depende de entradas previas.

Sistemas digitales secuenciales: La salida depende de la entrada actual y de las entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la información de la 'historia pasada' del sistema.

Los sistemas híbridos procesan a la vez señales analógicas y digitales.

Según el sistema de producción que se quiere controlar:

- Control de procesos continuos

- Control de procesos discretos

En los procesos continuos la principal fuente de información es la medida de las variables del proceso.

En los procesos discretos adquiere mayor relieve la información procedente del trabajo de las personas.

Según la distribución de los elementos de control:

- Centralizado

- Distribuido

Los sistemas de control centralizado tienen una gran ventaja, que tiene que ver con “Centralizar la información” para luego procesarla.  De ésta manera evitamos, por ejemplo, que la persona que tiene la responsabilidad de garantizar el funcionamiento continuo de una línea de producción “no ande recorriendo toda la planta en busca de la información”, sino que el sistema hace que la información llegue a su oficina o a la gerencia, pudiendo incluso emitir alarmas vía e-mail o SMS.

Básicamente un sistema de control industrial centralizado se compone de 3 módulos que describiremos a continuación:

1.- Autómata programable (PLC)

2.- Ordenador Industrial (PCI)

3.- Sensores (Digitales y Analógicos)

Un Sistema de Control Distribuido o SCD, más conocido por sus siglas en inglés DCS (Distributed Control System), es un sistema de control aplicado a procesos industriales complejos en las grandes industrias como petroquímicas, papeleras, metalúrgicas, centrales de generación, plantas de tratamiento de aguas, incineradoras o la industria farmacéutica.

En este blog abordaremos cada uno de los sistemas de control industrial, sus aplicaciones y algunos ejemplos prácticos, si es de su interés no deje de suscribirse a este blog y dejarnos sus comentarios que con gusto atenderemos.

Controladores

Control: Mantener una variable controlada dentro de ciertos rangos previamente establecidos.

¿Qué es un controlador?

Partiendo de la definición anterior de control, decimos que un controlador es aquel instrumento que compara el valor medido con el valor deseado, en base a esta comparación calcula un error y actuar a fin de corregir este error.

Entonces la función del controlador es mantener la variable controlada dentro de los criterios previamente establecidos.

Estas criterios son:

P-Punto de ajuste

X - Desviación

Y - Señal controlada de salida

Conceptos básicos de control

Tenemos que tomar en cuenta que cada proceso tiene una dinámica propia y única. Por lo tanto, cuando en un sistema de control sintonizamos los algoritmos P (Proporcional), I ( Integral) y D (Diferencial) de un Controlador, debemos investigar, probar, medir, calibrar y mantener todo tipo de variables del proceso y sintonizar los parámetros de los algoritmos de control.

Por consiguiente, la sintonización de los parámetros P, I y D debe de realizarse de forma que quede en la forma más perfecta posible con la dinámica del proceso.

Para darnos una idea de la diferencia entre los procesos, tomaremos en cuenta los conceptos de Tiempo Muerto, Constante de Tiempo, Ganancia del Proceso, Ganancia Ultima y Período Último.

Lo que debemos de tomar en cuenta al momento de elegir un controlador es:

Compensación en adelanto

Esta básicamente acelera la respuesta e incrementa la estabilidad del sistema.

Compensación de atraso

Esta puede reducir (pero no eliminar) el error de estado estacionario.

La compensación de atraso-adelanto combina las ventajas de ambas compensaciones dado que posee dos polos y dos ceros. Tal compensación aumenta en dos el orden del sistema, a menos que ocurra una cancelación de polos y ceros en el sistema compensado.

Métodos de Control

Son los modos con los que cuenta un controlador para efectuar la acción de control estos son:

- Dos posiciones

- Dos posiciones con zona diferencial

- Proporcional

- Proporcional con reajuste automático

- Proporcional con reajuste automático y acción derivada

Un controlador de encendido-apagado (controlador binario, de dos posiciones) tiene únicamente dos valores posibles en su salida, dependiendo de la entrada en el controlador.

Un controlador proporcional (P) tiene una salida proporcional a su entrada.

Un controlador derivativo (D) tiene una salida proporcional a la derivada de su entrada.

Un controlador integral (I) tiene una salida proporcional a la integral de su entrada.

Los controladores PD, PI, DI y PID son combinaciones de los controladores, proporcional (P), derivativo (D) e integral (I).

Control de Razón

Se utiliza en los casos en que se requiera que dos o más reactivos, u otros elementos, se tengan que mezclar en una cierta proporción instante a instante (no es posible pesar uno y luego el otro para juntarlos de una vez).

Se obtiene de varias maneras:

Instrumento: se diseñan instrumentos para aplicaciones especificas como el control de combustión.

Software: están incorporados en computadores industriales.

Control de razón en Lazo Abierto

Control de razón en Lazo Cerrado

Aplicaciones:

- Mezclado de dos o más ingredientes. Un ingrediente es seteado como la referencia principal y los demás ingredientes son relacionados al anterior

- Control aire-combustible para un proceso de combustión. El flujo de combustible es controlado por un controlador de temperatura o presión. La medida del flujo de combustible es luego usada para determinar el set point de un controlador de flujo de aire.

- Control de flujo de un producto en función a la velocidad de alimentación, como una forma de control de posición.

- Fabricación de la cerveza (mezcla proporcional de cerveza concentrada y agua)

- Fabricación de yogurt saborizados

Ejemplo:

Se muestra un mezclador en el cual dos ingredientes son mezclados, para obtener un producto de buena calidad, la cantidad de cada ingrediente debe ser precisa.

El flujo de un ingrediente no es controlado, este es medido y es usado como referencia para el flujo del segundo ingrediente llamado flujo controlado

Control de Cascada

Definición

Se define como la configuración donde la salida de un controlador de retroalimentación es el punto de ajuste para otro controlador de retroalimentación, por lo menos. El control de cascada involucra sistemas de control de retroalimentación o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro.

Cuando utilizarlo

• Cuando el control realimentado simple no provee un desempeño satisfactorio a lazo cerrado.
• Cuando se tiene una variable manipulable y más de una variable medida.
• Cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable de proceso manipulada.

Estructura

El control en cascada tiene dos lazos un lazo primario con un controlador primario también llamado "maestro" y un lazo secundario con un controlador secundario también denominado "esclavo", siendo la salida del primario el punto de consigna del secundario. La salida del controlador secundario es la que actúa sobre el proceso.

Funciones

• Reduce los efectos de una perturbación en la variable secundaria sobre la variable primaria.
• Reduce los efectos de los retardos de tiempo.
• El controlador primario recibe ayuda del controlador secundario para lograr una gran reducción en la variación de la variable primaria.

Requisitos

• El lazo interno (secundario) debe ser más rápido que el lazo externo (primario).
• La frecuencia de oscilación en el lazo secundario debe ser al menos tres veces la frecuencia en el lazo primario, si estos están bien sintonizados.

Ejemplo

Control de temperatura: intercambio de calor

El objetivo es calentar una corriente de proceso, Fe, manipulando el caudal de combustible, Fv, que entra al intercambiador.

El regulador externo (TC-temperatura) fija la consigna del regulador interno (FC-caudal) cuyo objetivo es corregir el efecto sobre el caudal de combustible (Fv) del cambio en Pa antes de que afecte de forma significativa a la temperatura T.