Todos los diagramas de control de procesos están compuestos de símbolos, identificaciones y líneas, para la representación gráfica de ideas, conceptos y aparatos involucrados en el proceso; a su vez, describen las funciones a desempeñar y las interconexiones entre ellos.
Estos símbolos e identificaciones son usados para ayudar a atender el proceso y proporcionar información acerca del mismo.
En el área de medición y control se usa un conjunto estándar de símbolos para preparar esquemas de los sistemas de control de procesos. Los símbolos usados en estos diagramas están generalmente basados en los estándares ISA (Sociedad de Instrumentos de América) YANSI (Instituto de Estándares Americano)
El simbolismo e identificación pueden representar dispositivos de máquinas y funciones, el grado de detalle de las representaciones depende del uso de los símbolos, pueden ser extremadamente simples o complejos.
El símbolo y la identificación son herramientas gráficas utilizadas para lograr captar una imagen gráfica, usadas frecuentemente como un medio electrónico para clasificar documentos y mostrar la forma de instrumentar y controlar un proceso.
Al realizar una representación documentada se debe presentar conceptos generales, dibujos más detallados, especificaciones narrativas, esquemas y otros necesarios, para cumplir con los objetivos de las herramientas de comunicación estandarizados según las normas Internacionales de la "Instrumental Society of America" (ISA).
Finalmente el uso de estos símbolos de identificación debe servir para comunicar conceptos de las formas más sencilla, clara y exactamente posible.
SIMBOLISMO
El simbolismo es un proceso abstracto en el cual las características salientes de los dispositivos o funciones son representados de forma simple por figuras geométricas como círculos, rombos, triángulos y otros para escribir caracteres como letras y números identificando la ubicación y el tipo de instrumento a ser utilizado.
Entre los símbolos más empleados tenemos:
FIGURAS GEOMÉTRICAS
Las figuras geométricas son usadas para representar funciones de medición y control en el proceso, así como dispositivos y sistemas; para la cual se utilizan:
CÍRCULOS
El Círculo se usa para indicar la presencia de un instrumento y como elemento descriptor; como símbolo de un instrumento representa, el concepto de un dispositivo o función. En la figura 1, se muestra un dispositivo indicador de Presión (PI):
Como elemento descriptor es usado para proporcionar información acerca de otro símbolo. En la figura 2, se muestra una válvula para el control de Flujo (FV):
La diferencia entre ambos usos está en la inclinación de la línea saliente del círculo y en el trazo incompleto para el caso del descriptor. El elemento descriptor suele llevar además un código proporcionando información adicional sobre el tipo de instrumento y el tipo de variable medida.
La localización del instrumento en la planta se indica dibujando:
A. "Ninguna" línea para instrumentos montados en planta (o campo).
B. Una línea sólida dividiendo el círculo para instrumentos montados en paneles de salas de control (de fácil acceso para el operador).
C. Una línea entrecortada dividiendo el círculo para instrumentos montados detrás de paneles o gabinetes (de fácil acceso para el operador).
D. Una línea sólida doble dividiendo el círculo para instrumentos montados en paneles auxiliares o secundarios.
E. Líneas entrecortadas dobles dividiendo el círculo para instrumentos montados detrás de paneles secundarios.
En el caso de tener demasiados paneles, dificultando la interpretación de "panel principal" o "panel secundario" se puede usar combinaciones de letras distinguiendo los paneles unos de otros: P1, P2,(paneles); RI,(soportes). Sin embargo, sea cual sea el sistema de descripción usado, se debe indicar en la leyenda del diagrama.
CUADRADOS PEQUEÑOS
Uno de los primeros usos de los cuadrados pequeños es la representación de actuadores del tipo solenoide, en este uso se prefiere dibujar el cuadrado con una letra S inscrita en él.
Los cuadrados pequeños son también usados para representar actuadores de pistón dibujando para esto una pequeña T representando el pistón y líneas simples y dobles para pistones de simple y doble acción respectivamente.
Otros actuadores, se pueden representar inscribiendo un cuadrado con la combinación E/H para indicar actuadores electrohidráulicos o con una X para representar actuadores no clasificados.
El cuadrado pequeño puede representar también un posicionador dibujándose al lado del cuerpo de la válvula.
Uno de los más recientes usos para los cuadrados es la representación de bloques de funciones o como indicador de función.
CUADRADOS GRANDES
Con la llegada del control compartido y visualizadores o pantallas mostrando datos de diversos lazos, se requería poder distinguir instrumentos independientes y aquellos cuyos componentes se encuentran repartidos en diversos gabinetes no pudiendo reconocérseles como localizados en un sólo lugar.
La solución se encontró usando un cuadrado alrededor del símbolo del instrumento. Esto indica la función cumplida por varios elementos no localizados en un sólo gabinete.
SIMBOLISMO DE SEÑALES
Las líneas de unión para envió de señales o conexiones de los sistemas de control también deben ser presentadas más finas en relación a tuberías de proceso, tal como se muestra en el cuadro 1.
IDENTIFICACIÓN DE ELEMENTOS
La identificación de los símbolos y elementos debe ser alfa numérica, los números representan la ubicación y establecen el lazo de identidad, y la codificación alfabética identifica al instrumento y a las acciones a realizar, ver figura
LETRAS DE IDENTIFICACIÓN PARA INSTRUMENTOS
Cada instrumento se identifica mediante un sistema de letras, clasificadas en cuanto a la función
Los instrumentos y dispositivos de medición y control son ampliamente utilizados en la industria. En líneas generales, el porcentaje económico que ocupan en la inversión de una planta de proceso varía desde un 5% en plantas de poca instrumentación hasta un 10-15% máximo en plantas automatizadas.
De aquí que sea importante el que los dispositivos e instrumentos, en todas sus versiones (sensores, transmisores, controladores, registradores, válvulas de control), estén en prefecto estado de funcionamiento, a fin de evitar paros parciales o totales en la planta o de reducir al máximo el costo del mantenimiento. Los dispositivos e instrumentos permiten garantizar la calidad de los productos terminados y aseguran su producción masiva manteniendo una buena repetitividad en sus características finales. En los procesos industriales es absolutamente necesario controlar algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, la velocidad, etc.
DISPOSITIVOS E INSTRUMENTOS
1. Transmisores
Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, indicador, registrador, controlador o combinación de estos.
Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticos, electrónicos, digitales, hidráulicos, telemétricos. Los más empleados en la industria son los tres primeros, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemáticas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor.
Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15PSI (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 - 100% de la variable.
En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2 - 1 bar (1 bar = 1,02Kg/cm2) que equivale aproximadamente a 3 - 15 PSI (3PSI = 0,206 bar 6 0,21Kg/cm2, 15 PSI = 1,033 bar ó 1,05Kg/cm2).
Los transmisores eléctricos generan la señal estándar de 4 - 20mAc.c, a distancias de 200m a 1 Km, según sea el tipo de instrumento transmisor la señal electrónica de 4-20mA cc. Tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas y emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje.
La relación de 4 a 20mA c.c es de 1 a 5, la misma que la razón de 3 a 15 PSI en la señal neumática y el nivel mínimo seleccionado de 4mA elimina el problema de la corriente residual que se presenta al desconectar los circuitos a transistores. EI"cero vivo" con que empieza la señal (4mAc.c) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el "ruido" de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.
Nótese también que el nivel mínimo de la señal neumática de salida no es cero, sino que vale 3 PSI (0,2 bar). De este modo se consigue calibrar correctamente el instrumento, comprobar su correcta calibración y detectar fugas de aire en los tubos de enlace con los demás instrumentos neumáticos.
Las fibras ópticas en la transmisión se están utilizando en lugares de la planta donde las condiciones son duras (campos magnéticos intensos que influyen sobre la señal...). Los módulos de transmisión pueden ser excitados por fuentes de luz de LED o diodo láser. Los módulos receptores disponen de foto detector y pre amplificación, con los cables o multi cables de fibra óptica y con convertidores electro óptico.
1.1 Transmisores neumáticos
a. Sistema Tobera - obturador
Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera - obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.
El sistema tobera - obturador consiste en un tubo neumático alimentado a una presión constante Ps, con una reducción en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lámina llamada obturador cuya posición depende del elemento de medida.
b. Transmisor de equilibrio de movimientos
Este transmisor compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con un fuelle de realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal, que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida.
Estos instrumentos se utilizan, en particular, en la transmisión de presión y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manómetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo y capilar, son capaces de generar un movimiento amplio.
c. Transmisor de equilibrio de fuerzas
La presión es aplicada a un fuelle. La fuerza en la cápsula es transmitida a través de un fleje al extremo inferior de la barra de fuerzas. El sello del diafragma de metal sirve tanto como de fulcro para la barra de fuerzas como de sello para la cámara de presión. La fuerza es trasmitida a través del fleje conectar a la barra de gama la cual hace pivote en la rueda de gama.
Cualquier movimiento de la barra de gama produce un cambio minúsculo en la separación entre la tobera y la lengüeta. Esto produce un cambio en la presión de salida del relevador al fuelle de retroalimentación hasta que la fuerza en el fuelle de retroalimentación balancee la fuerza en el fuelle de la cápsula.
La presión de salida establecida por este balance de fuerzas es la señal trasmitida y es proporcional a la presión aplicada a la cápsula del fuelle.
Esta señal trasmitida a un receptor neumático para registrar, indicar y lo controlar.
2. Transmisores electrónicos
a. Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas
Los transmisores electrónicos son generalmente de equilibrio de fuerzas. Consisten en su forma más sencilla en una barra rígida apoyada en un punto sobre la que actúan dos fuerzas en equilibrio:
- La fuerza ejercida por el elemento mecánico de medición (tubo bourdon, espiral, fuelle...
- La fuerza electromagnética de una unidad magnética
El desequilibrio entre estas dos fuerzas da lugar a una variación de posición relativa de la barra, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado a cualquier de estos detectores alimenta a una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de la variable del proceso. Estos instrumentos, debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance complicado y una alta sensibilidad a vibraciones. Su precisión es del orden del 0,5 - 1%.
b. Transmisores digitales
Sus funciones las gobierna un microprocesador. Hay dos modelos básicos:
• El capacitivo, está basado en la variación de capacidad que se produce en un condensador formado por dos placas fijas y un diafragma sensible interno y unido a las mismas, cuando se les aplica una presión o presión diferencial a través de dos diafragmas externos.
• El de semiconductor, aprovecha las propiedades eléctricas de los semiconductores al ser sometidos a tensiones. El modelo de semiconductores difundido está fabricado a partir de una delgada película de silicio y utiliza técnicas de dopaje para generar una zona sensible a los esfuerzos. Se comporta como un circuito dinámico de puente de Wheatstone aplicable a la medida de presión, presión diferencial y nivel, formado por una pastilla de silicio difundido en el que se hallan embebidas las resistencias RA, RB, RC y RD de un puente de Wheatstone. El desequilibrio del puente originado por cambios en la variable, da lugar a una señal de salida de 4-20mAc.c.
REDES INDUSTRIALES
Introducción
En el entorno industrial coexisten una serie de equipos y dispositivos dedicados al control de una máquina o una parte cerrada de un proceso. Entre estos dispositivos están los autómatas programables, ordenadores de diseño y gestión, sensores, actuadores, etc.
El desarrollo de las redes industriales ha establecido una forma de unir todos estos dispositivos, aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades. Las ventajas que se aportan con una red industrial son, entre otras, las siguientes:
• Visualización y supervisión de todo el proceso productivo. •Toma de datos del proceso más rápida o instantánea. •Mejora del rendimiento general de todo el proceso. •Posibilidad de intercambio de datos entre sectores del proceso y entre departamentos. •Programación a distancia, sin necesidad de estar a pie de fábrica.
Las ventajas son evidentes, pero a cambio de un cierto coste, que debe ser estudiado para determinar si la inversión es rentable o innecesaria.
Niveles en una red industrial
En una red industrial coexistirán equipos y dispositivos de todo tipo, los cuales suelen agruparse jerárquicamente para establecer conexiones lo más adecuadas a cada área. De esta forma se definen cuatro niveles dentro de una red industrial:
Nivel de gestión: es el nivel más elevado y se encarga de integrar los niveles siguientes en una estructura de fábrica, e incluso de múltiples factorías. Las máquinas aquí conectadas suelen ser estaciones de trabajo que hacen de puente entre el proceso productivo y el área de gestión, en el cual se supervisan las ventas, stocks, etc. Se emplea una red de tipo LAN (Local Area Network) o WAN (Wide Area Network).
Nivel de control: se encarga de enlazar y dirigir las distintas zonas de trabajo. A este nivel se sitúan los autómatas de gama alta y los ordenadores dedicados a diseño, control de calidad, programación, etc. Se suele emplear una red de tipo LAN.
Nivel de campo y proceso: se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, etc.) dentro de sub redes o "islas". En el nivel más alto de estas redes se suelen encontrar uno o varios autómatas modulares, actuando como maestros de la red o maestros flotantes. En este nivel se emplean los buses de campo.
Nivel de E/S: es el nivel más próximo al proceso. Aquí están los sensores y actuadores, encargados de manejar el proceso productivo y tomar las medidas necesarias para la correcta auto matización y supervisión
Esta estructura citada no es universal, habrá casos en los que conste de un número mayor o menor de niveles, dependiendo del tamaño del proceso y la propia Industria.
Redes LAN Industriales
Son las redes más elevadas jerárquicamente. Los estándares más conocidos y extendidos son dos:
MAP (Manufacturing Automation Protocol): nació como un producto especialmente diseñado para el entorno industrial, lo que hace que sea de mayor éxito en LAN industriales. Fué impulsado por General Motors y normalizado por el IEEE. No actúa a nivel de bus de campo, pero establece pasarelas hacia estos bus es mediante terminales. También permite integración en redes WAN.
ETHERNET: diseñada por Xerox Corporation y registrada posteriormente junto con Digital e Intel. Es compatible con el modelo OSI en los niveles l' 2 y 3 (el último a través de puentes). Permite topologia en Bus o arbol con comunicación semidúplex. Las velocidades van des de los 10 Mbits/s a los 100 Mbits/s de Fast-Ethernet. Es uno de los estándar de red que más rápidamente evolucionan, debido a su uso masivo en redes ofimáticas.
El Bus de campo en una red Industrial
El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Está basada en procesadores simples y utiliza un protocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Los buses de campo más recientes permiten la comunicación con buses jerárquicamente superiores y más potentes.
En un bus de campo se engloban las siguientes partes:
Estándares de comunicación: cubren los niveles físico, de enlace y de comunicación establecidos en el modelo OSI (Open Systems Interconnection).
Conexiones físicas: en general, las especificaciones de un determinado bus admiten más de un tipo de conexión física. Las más comunes son semidúplex (comunicación en banda base tipo RS-485), RS-422 y conexiones en bucle de corriente.
Protocolo de acceso al medio (MAC) y de enlace (LLC): consiste en la definición de una serie de funciones y servicios de la red mediante códigos de operación estándar.
Nivel de aplicación: es el dirigido al usuario, apoyándose en las funciones estándar antes mencionadas para crear programas de gestión y presentación. La aplicación suele ser propia de cada fabricate, permitiendo a lo sumo la programación en un lenguaje estándar.
La temperatura corporal, a menos que se esté enfermo, permanecer casi constante, ya sea el entorno caliente o frío. Para mantener esta constancia el cuerpo tiene un sistema de control de temperatura. Si esta comienza a subir más de lo normal, se suda; si disminuye, se empieza a temblar. Ambos son mecanismos que se utilizan para restaurar la temperatura del cuerpo a su valor normal. Este sistema de control mantiene la constancia de la temperatura.
Una manera de controlar la temperatura de una casa con calefacción central consiste en que una persona esté cerca del interruptor de encendido y apagado de la caldera con un termómetro; y encienda y apague la caldera de acuerdo con la lectura del termómetro. Esta es una forma rudimentaria de sistema de control utilizando a un hombre como elemento de control. El sistema de control más usual tiene termostato que automáticamente, y sin la intervención humana, conecta y desconecta la caldera. Este sistema de control mantiene constante la temperatura.
Los sistemas de control se han generalizado en todos los campos. Hay muchos procesos industriales y máquinas en las que se precisa un control humano o automático.
En la era contemporánea la producción industrial se ha caracterizado principalmente por la optimización de los procesos empleando avances tecnológicos de la comunicación y el control a fin de lograr productos de bajo costo y alta calidad, capaces de cumplir con los estándares exigidos por el mercado.
Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a través de sensores, controladores y actuadores facilitando la producción y minimizando los recursos humanos.
La tecnología actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo o manufacturero en tiempo real. En nuestro país la instrumentación y el control de procesos han experimentado un cambio importante en la mayoría de las industrias.
SISTEMA DE CONTROL
Al hablar de sistemas de control, es necesario hacer una diferencia entre lo que es un sistema de mando y otro de regulación.
El primero está relacionado principalmente con procesos de manufactura, en los cuales, la repetición de secuencias es la característica fundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantener constante el valor de una o más variables.
1. CONTROL MANUAL
En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador; la labor de este operador consistía en observar lo que esta sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte de este operador.
En este tipo de control, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar. Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, ya que está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar, en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar.
En el control manual mostrado en la figura anterior, el operador mide la temperatura de salida, compara con el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la válvula de vapor, y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicos del control manual realizado por un ser humano son:
Medir
Comparar
Calcular
Corregir
2. CONTROL AUTOMÁTICO
Se entiende por control automático, el mantener estable una variable de proceso mediante un dispositivo, por lo general eléctrico, cuyo valor deseado está almacenado en la memoria de éste y al recibir la señal de la variable controlada, realiza los cálculos y estima la acción sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control.
El control automático tiene como finalidad mantener cierta variable o condición en cierto valor (fijo o variando en el tiempo a nuestra voluntad).
Este valor que se pretende es el valor deseado (SET POINT). Para alcanzar este objetivo, el sistema de control automático opera de la manera siguiente:
En resumen, se puede definir el control automático como el mantenimiento del valor de cierta condición a través de su medida, de la determinación de la desviación en relación con el valor deseado, y de la utilización de la desviación para así generar y aplicar una acción de control capaz de reducir o anular la desviación.
SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO
Para concretar, se va a considerar el control de temperatura del agua en un depósito
De todas las magnitudes relativas al sistema (nivel de agua, presión, densidad, pH, energía suministrada, salinidad, etc) la magnitud que nos interesa regular en este caso es la temperatura del agua.
La temperatura es entonces la variable controlada.
Un termómetro de bulbo permite medir le valor actual de la variable controlada, las dilataciones y contracciones del fluido contenido dentro del bulbo obligaran al "burdon" (tubo curvo de sección elipsoidal) a enrollarse o desenrollarse. Los movimientos del extremo del bourdon indican la temperatura del agua, la que puede leerse en una escala.
En el diagrama se representa un contacto eléctrico en el extremo del bourdon y otro contacto de posición ajustable a voluntad. Este conjunto constituye un termostato.
Admítase que se quiere mantener la temperatura del agua en un proceso a 50°C. Este valor de temperatura del agua es el valor deseado.
Si la temperatura, por cualquier motivo, sobrepasa el valor deseado, el contacto del termostato queda abierto. La bobina del contactor no está excitada y este mantiene interrumpida la alimentación de la resistencia de calentamiento. Al no haber suministro de calor, la temperatura del agua bajará debido a las pérdidas, y la temperatura se acerca al valor deseado.
Cuando, por el contrario, la temperatura es inferior al valor deseado, el bourdon se enrolla y cierra el contactor del termostato que alimenta a la resistencia de calentamiento. En consecuencia, la temperatura del agua en el depósito subirá para llegar de nuevo al valor deseado.
Normalmente, las cadenas de control son mucho más elaboradas. Sin embargo, en este sencillo ejemplo se encuentran, las funciones esenciales de una red de control.
Medida - A cargo del sistema termométrico
Comparación - Efectuada por el sistema de contactos (posición relativa)
Cálculo (Generación de la señal de conexión) - Efectuada también por el sistema de contactos y por el resto del circuito eléctrico del termostato.
Corrección (Desempeñada por el órgano de control) - contactor
Nótese que, para la conexión de la variable controlada (temperatura) se actuará sobre una variable (cantidad de calor suministrado al depósito). La acción de control se aplicará normalmente a otra variable de la cual depende la variable controlada, y que se designa con el nombre de variable manipulada.
En nuestro ejemplo, la señal de control puede ser la corriente eléctrica. Como se verá más adelante, se está en presencia de una red de control del tipo ON-OFF; la señal de control solamente puede tomar dos valores conforme la desviación sea positiva o negativa.
Algunos de los elementos de medida y los elementos de comparación forman normalmente parte de los instrumentos llamados controladores.
Antiguamente se usaban los controladores del tipo neumático, actualmente los controladores más difundidos son los electrónicos.
Los elementos de un sistema de control automático simple generalmente debe contar con los siguientes elementos: sensor, proceso, controlador y actuador.
Variable controlada Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor, se observa la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta los diversas variables del proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, lo más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto es la variable controlada.
Variable manipulada Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso del vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor.
Variable perturbadora Es el parámetro de desestabilización del sistema por cambios repentinos afectando el proceso. En el ejemplo, la variable perturbadora sería el flujo de entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso originando la desestabilización del sistema.
Variable medida Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, por lo tanto deberá ser monitoreado; no siendo necesariamente la más importante para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data.
EJEMPLO DE SISTEMA DE CONTROL
Sistema de control de velocidad. El principio básico del regulador de velocidad de Watt para una máquina se ilustra en la siguiente figura:
La cantidad de combustible que se admite para la máquina se ajusta de acuerdo con la diferencia entre la velocidad de la máquina que se pretende y la velocidad real. La secuencia de acciones puede describirse del modo siguiente: el regulador de velocidad se ajusta de modo que, a la velocidad deseada, no fluya aceite a presión en ningún lado del cilindro de potencia. Si la velocidad real cae abajo del valor deseado debido a una perturbación, la disminución de la fuerza centrífuga del regulador de velocidad provoca que la válvula de control se mueva hacia abajo, aportando más combustible y la velocidad del motor aumenta hasta alcanzar el valor deseado.
En cambio, si la velocidad del motor aumenta sobre el valor deseado, el incremento de la fuerza centrífuga del controlador provoca que la válvula de control se mueva hacia arriba. Esto disminuye la provisión de combustible y la velocidad del motor se reduce hasta alcanzar el valor deseado.
En este sistema de control de velocidad, la planta (el sistema controlado) es la máquina y la variable controlada es la velocidad de la misma. La diferencia entre la velocidad deseada y la velocidad real es la señal de error. La señal de control (la cantidad de combustible) que se va aplicar a la planta (la máquina) es la señal de actuación. La entrada externa que se aplica para afectar la variable controlada es la perturbación. Un cambio inesperado en la carga es una perturbación.
2.Sistema de control de un robot. Los robots industriales se usan con frecuencia en la industria para mejorar la productividad. Un robot puede realizar tareas monótonas y complejas sin errores en la operación. Asimismo, puede trabajar en un ambiente intolerable para operadores humanos. Por ejemplo, puede funcionar en temperaturas extremas (tanto altas como bajas), en un ambiente de presión alta o baja, bajo el agua o en el espacio. Hay robots espaciales para la extinción de incendios, las exploraciones submarinas o especiales, entre muchos otros.
Un robot industrial debe manejar partes mecánicas que tengan una forma y un peso determinados. Por tanto, debe tener al menos un brazo, una muñeca y una mano. Debe tener la fuerza suficiente para realizar la tarea y la capacidad para al menos una movilidad limitada. De hecho, algunos robots actuales son capaces de moverse libremente por sí mismos en un espacio limitado en una fábrica.
El robot industrial debe tener algunos dispositivos sensores. A los robots de nivel bajo, se les instalan micro interruptores en los brazos como dispositivos sensores.
El robot toca primero un objeto y después, mediante los micros interruptores, confirma la existencia del objeto en el espacio y avanza al paso siguiente para asirlo.
En un robot de un nivel alto se usa un medio óptico (como un sistema de Tv.) para rastrear el fondo del objeto. El robot reconoce el patrón y determina la presencia y orientación del objeto. Se requiere de una computadora para procesar las señales del proceso de reconocimiento de patrones (ver figura anterior). En algunas aplicaciones el robot computarizado reconoce la presencia y orientación de cada parte mecánica mediante un proceso de reconocimiento de patrones que consiste en la lectura de los números de códigos que se fijan a cada parte. A continuación, el robot levanta la parte y la mueve a un lugar adecuado para su ensamble y después ensambla varias partes para formar un componente. Una computadora digital puede funcionar como controlador.
3.Sistema de control de temperatura. La siguiente figura muestra un diagrama esquemático del control de temperatura de un horno eléctrico.
La temperatura del horno eléctrico se mide mediante un termómetro, que es un dispositivo analógico. La temperatura analógica se convierte a una temperatura digital mediante un convertidor A/D. La temperatura digital se introduce a un controlador mediante una interface. Esta temperatura digital se compara con una temperatura que se ingresa mediante un programa y si hay una discrepancia (error) el controlador envía una señal al calefactor, a través de una interface, un amplificador y un relevador, para hacer que la temperatura del horno adquiera el valor deseado.
4.Control de Temperatura del comportamiento del pasajero de automóvil. La siguiente figura muestra un diagrama funcional del control de temperatura del comportamiento del pasajero de un automóvil.
La temperatura deseada, convertida a un voltaje, es la entrada del controlador. La temperatura real del comportamiento del pasajero se convierte a un voltaje mediante un sensor y se alimenta al controlador para que este la compare con la entrada.
La temperatura del comportamiento del pasajero de un automóvil difiere considerablemente dependiendo del lugar en donde se mida. En lugar de usar sensores múltiples para medir la temperatura y promediar los valores, es económico instalar un pequeño ventilador de succión en el lugar en donde los pasajeros normalmente detectan la temperatura. La temperatura del aire del aspirador es una indicación de la temperatura del comportamiento del pasajero y se considera la salida del sistema.
El controlador recibe la señal de entrada, la señal de salida y las señales de sensores de las fuentes de perturbación. El controlador envía una señal de control óptima al aire acondicionado o al calefactor para controlar la cantidad de aire frío o caliente a fin de que la temperatura del comportamiento del pasajero se mantenga al valor deseado.
SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO
El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada a un valor deseado conocido como punto de ajuste "set-point". El termino regularización es usado para describir la acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la variable controlada. Un sistema de control, solamente puede llegar a la regulación, aplicando en oposición a las fuerzas perturbadoras llamadas cargas, correcciones equivalentes en una o más variables denominadas manipuladas. La variable controlada permanecerá estable en el proceso mientras se encuentre en estado estacionario. Este equilibrio puede ser alcanzado usualmente por distintos sistemas de control.
1. Sistema de control en bucle abierto
Se denominan así cuando la salida no tiene efecto sobre la acción de control, es decir no se compara la salida con la entrada de referencia. En presencia de perturbaciones un sistema de control en bucle abierto no cumple su función asignada, por no tener una forma de conocer el resultado del control efectuado o salida del proceso.
Ejemplo: considérese una estufa que tiene un mando que permite seleccionar un elemento de calefacción de 1 ó 2 kW. Si una persona utiliza la estufa para calentar una habitación, él o ella podrían conectar concretamente el elemento de 1 KW si no quieren que la habitación tenga una temperatura demasiado alta. La habitación se calentará y alcanzará una temperatura que está determinada sólo por hecho de que se haya conectado el elemento de 1kW y no el elemento de 2KW. Si existen cambios en las condiciones, quizá alguna ventana abierta, no habrá manera de ajustar la producción de calor para compensar la pérdida. Este es un ejemplo de bucle abierto en el que no hay una realimentación al elemento que le permite ajustar y mantener una temperatura constante.
2. Sistema de control en bucle cerrado
Se denominan así cuando frente a presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y el valor deseado o "set point"; realizando el control de forma automática. Ejemplo: El sistema de calor con la placa eléctrica podría convertirse en un ejemplo de bucle cerrado si la persona tiene un termómetro y conecta o desconecta los elementos de 1 y 2 kw para mantener constante la temperatura de la habitación. En esta situación si hay realimentación, ya que la entrada al sistema se adaptaría a la salida de la temperatura requerida. Esto significa que la entrada dependerá de la desviación que tenga la temperatura real con respecto a la temperatura requerida; la diferencia entre ambos será determinada por un elemento comparativo (la persona en este caso).
Los elementos básicos de sistema en bucle cerrado, son:
a. Elemento comparativo.- El elemento comparativo compara el valor requerido o de referencia de la variable que está siendo controlada, con el valor de la medida que se está llevando a cabo y genera una señal de error. Esto puede considerado como la suma entre la señal de referencia, que es positiva, y el valor de la señal medida, que en este caso es negativa.
Señal de error = señal del valor de referencia - señal del valor medido
b. Elemento de control.- El elemento de control decide que acción se debe llevar a cabo cuando se recibe una señal de error.
c. Elemento de corrección.-Este envía una señal al proceso para que se produzca un cambio que corrija la situación controlada.
d. Elemento de proceso.- El proceso es lo que está siendo controlado.
e. Elemento de medida.- El elemento de medida produce una señal con relación a la situación variable que está siendo controlada.
En un sistema de control simple en bucle cerrado, es un control de nivel de agua en un depósito. El valor de referencia es la instalación inicial de un dispositivo de palanca que corte el suministro de agua a un nivel requerido.
Cuando el agua sale del depósito, el flotador se desplaza hacia abajo con el nivel de agua. Esto hace que el dispositivo palanca gire y permita que el agua entre en el depósito. Este flujo continúa hasta que el flotador ha subido a una altura tal que hace que la palanca corte el agua. Es un sistema de control de bucle cerrado con los siguientes elementos:
•Variable controlada: nivel de agua en el depósito
• Valor de referencia: la posición inicial de la palanca instalada
• Elemento comparativo: la palanca
• Señal de error: la diferencia entre la posición actual e inicial de la palanca.
• Unidad de control: la palanca articulada
• Unidad de corrección: la aleta que abre y cierra el suministro de agua
• Proceso: el agua en el depósito
• Dispositivo de medida: el flotador y la palanca
3. Control adaptativo
Es un método en el cual la repuesta de un controlador varía automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones, como en el control de pH.
4. Control difuso
Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia artificial capaz de convertir una muestra de la señal real a números difusos, para tratarlos según las reglas de inferencia y las bases de datos determinados en las unidades de decisión, logrando estabilizar el sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia.
5. Redes neuronales artificiales
Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano, conectando la red entre los elementos de la forma más sencilla para poder ser entrenados y realizar funciones complejas en diversos campos de aplicación.
PROBLEMA
Un trabajador mantiene constante el nivel de un líquido en un recipiente observándolo a través de un tubo de nivel situado en el lado del depósito, y ajusta la cantidad de líquido que entra en él abriendo o cerrando la válvula de control. Para este sistema de control. ¿Cuál es
La variable controlada
El valor de referencia
El elemento de comparación
La señal de error
La unidad de control
La unidad de corrección
El proceso
El dispositivo de medida
SOLUCIÓN:
La variable controlada es el nivel de líquido en el depósito
El valor de referencia es el nivel requerido, indicado probablemente por alguna marca en el tubo de nivel.
El elemento de comparación es el trabajador que observa dicho nivel.
La señal de error es la diferencia entre el nivel requerido y el actual, indicado a través del tubo de nivel.
La unidad de control, El trabajador
La unidad de corrección, la válvula
El proceso es el nivel de agua que hay en el recipiente.
El dispositivo de medida es el tubo de nivel utilizado por el trabajador.
VENTAJAS DEL CONTROL AUTOMÁTICO EN LA INDUSTRIA
No está de más insistir en las ventajas que la automatización con controles individuales o con una computadora central ofrece a la industria. He aquí una lista de algunos de estos aspectos favorables.
1. Eliminación de los trabajos monótonos o que exigen atención concentrada.
2. Eliminación del error humano
3. Disminución de las horas - hombre para la misma producción
4. Aumento en la cantidad del producto o del número de unidades fabricadas. 5. Mejora en la calidad de los productos.
6. Mejor aprovechamiento de las materias primas
7. Mejor aprovechamiento de la energía
8. Menor desgaste del equipo fabril
9. Mejora en la uniformidad de los productos
10. En resumen: aumento de productividad que pueden ir de un ligero porcentaje hasta valores muy altos.
El control automático resuelve dos tipos diferentes de problemas:
Control con valor deseado fijo
Control con valor deseado variable
En el primer tipo de control se requiere que la variable controlada tenga un valor constante a pesar de las perturbaciones externas sobre el sistema al que pertenece. Es el caso de la mejoría de so controladores industriales.
En el segundo tipo de control, la variable controlada debe mantener un valor deseado que cambia en el tiempo, de acuerdo con las órdenes dadas.
La variable de carga es constante. Es lo que ocurre por ejemplo, en el mando de un navío. Sería imposible para el piloto actuar directamente sobre el mecanismo de dirección. Se recurre entonces a una rueda de timón de pequeñas dimensiones, cuya posición en cada instante constituye el valor deseado, el que se transmite, en forma de señal, a los instrumentos de control de mando. Estos comparan la posición de timón con la señal deseada de posición. La desviación después de que es amplificada por mecanismos eléctricos e hidráulicos, actuará sobre la posición del timón.
DEFINICIONES EN CONTROL
El término características estáticas de un instrumento se refiere a la lectura que proporciona un régimen permanente cuando se estabiliza. Dichas características pueden ser expresadas en términos de exactitud, proporcionalidad, etc. El término características dinámicas se utiliza para describir el comportamiento de un instrumento durante el tiempo que trascurre entre el cambio de la magnitud medida y la obtención de una lectura estable.
1.Estabilidad: Un sistema es estable, cuando después de un tiempo "t" su valor permanece constante. Este tiempo se denomina "Tiempo de establecimiento": ts (time settling) y su valor se denomina "valor en estado estable" (steady - state value).Un sistema es inestable cuando a pesar del tiempo trascurrido su valor continuó creciendo hasta llegar a un punto de ruptura del sistema (shut down).
2. Exactitud:la exactitud indica la desviación entre el valor deseado y el valor real de la variable controlada. Es una forma de medir el performance del sistema.
3. Velocidad de respuesta: Es la medida de que tan rápidamente llega la variable controlada a su valor en estado estacionario.
4. Sensibilidad:Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haber alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo si en un trasmisor eléctrico de 0 - 10 bares, la presión pasa de 5 a 5,5 bares y la señal de salida de 11,9 a 12,3mA, la sensibilidad es el cociente:
Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad de instrumento de temperatura es de + 0,05%, su valor será de:
5. Zona muerta:Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: +0,1% quiere decir 0,1 x 200/100 = + 2°C
6. Alcance (Span):Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Por ejemplo, en el instrumento de temperatura mostrado, el alcance es: 300 - 100 = 200°C
7. Error: Es la diferencia algebraica entre el valor leído o trasmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida.
8. Precisión:la precisión es la tolerancia de medida o de trasmisión del instrumento intervalo donde es admisible que se sitúe la magnitud de la medida), y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado (normalmente 1 año).
Hay que señalar que los valores de precisión de un instrumento se consideran en general establecidos para el usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. Sin embargo, estos últimos suelen considerar también los valores de calibración en fábrica y de inspección. Por ejemplo, un instrumento que en fábrica tienen una precisión de calibración de $ 0,8%, en inspección le corresponde £0,9% y la dada al usuario es † 1%.
Con ello se pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de las diferencias de apreciación de las personas que efectúan la calibración, los diferentes precisiones de los instrumentos de medida utilizados, los posibles alteraciones debidas al desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento, etc.
9. Campo de medida (range): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que estén comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento, viene expresado los dos valores extremos. Por ejemplo: el campo de medida del instrumento de temperatura mostrado en la figura anterior es de 100-300°C.
Otro término derivado es el de dinámica de medida o rangeabilidad, que es el cociente entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento. En el ejemplo anterior: 300/100 = 3
10. Fiabilidad:medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de los límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.
11. Ruido: cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la trasmisión, indicación o registro de los datos deseados.
