CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS




El objeto de todo proceso industrial es la obtención de un producto final, de unas características determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidas exigidos.
La misión del sistema de control de proceso es corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran óptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido.


external image images?q=tbn:ANd9GcTaqVRkrWfktSCfN0Fkn3TTj_SGnZ3XfeXBno9vEb0dGXVcG1nxrg

INTRODUCCIÓN


Los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza, pero en general tienen como aspecto común, que se requiere del control de algunas magnitutes, como son : la temperatura, la presión , el flujo, etc. El sistema de control para estas magnitudes se puede definir como: Un sistema que compara el valor de una varible a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana. (Enríquez, G. 2000)

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.

El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de control. Además hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado. La eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático.

El control automático tiene también grandes ventajas en ciertas operaciones remotas, peligrosas o rutinarias. Debido a que la calidad y la reducción de costos en un proceso es por lo común la ventaja más importante que se busca al aplicar el control automático. La calidad del control y el costo se deben comparar con los beneficios económicos esperados y los objetivos técnicos del proceso.

Los beneficios económicos incluyen la reducción de los costos de operación, mantenimiento y producto fuera de especificaciones, junto con el mejoramiento de la funcionalidad del proceso y una mayor producción.

Las razones principales para usar control automático de procesos, son las siguientes:
  • Mantener los niveles de producción de la planta en valores iguales o superiores a los establecidos.
  • Mantener la calidad del producto (composición, pureza, color, etc.).
  • Evitar lesiones al personal de la planta o daño al equipo. La seguridad debe ser considerada como prioridad.


external image image-5.jpg

El control del proceso consistirá en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparación con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior corrección en caso de que se haya producido alguna desviación respecto al valor preestableido de algún parámetro de proceso.

VARIABLES A ANALIZAR EN UN CONTROL DE PROCESOS

Las entradas y salidas de un proceso son denominadas variables, debido a que están interrelacionadas con el mismo en una forma estática y/o dinámica. Los diferentes tipos de variables que intervienen en un proceso, son: variables manipuladas, variables controladas, variables no controladas y perturbaciones.
  • VARIABLES MANIPULADAS:

Variables que nosotros podemos cambiar o mover para garantizar que la variable controlada presente el valor deseado. La variable manipulada es la cantidad o condición que es variada por el controlador de tal manera que afecte el valor de la variable controlada.
  • VARIABLES CONTROLADAS:

Variables que queremos controlar, bien sea tratando de mantenerlas constantes (Control Regulatorio) o tratando de seguir alguna trayectoria deseada (Servocontrol), ejemplos de estas pueden ser, flujos, composiciones, temperaturas, presión, nivel, etc. Normalmente, la variable controlada es la salida de un sistema.
  • VARIABLES NO CONTROLADAS:

Son aquellas variables sobre las cuales no se ejerce control, en algunos casos estas variables no afectan o no ejercen ningún efecto sobre el proceso.
  • PERTURBACIONES:

Una perturbación es una señal desconocida y de carácter aleatorio, que tiende a modificar, en forma indeseada, el valor de salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se denomina interna, en tanto que una externa se produce fuera del sistema. Son por lo general flujos, temperaturas, composiciones. No todo el tiempo pueden ser medidas, pero el sistema de control debe ser capaz de regular el proceso en presencia de ellas (premisa que en algunas ocasiones no se logra), tales como temperaturas, presión, concentración, etc.

VARIABLES PROCESOS.png
Variables de un Proceso

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado:
  • Sistema de lazo abierto: es aquel en donde la accion de control es independiente de la salida
  • Sistema de lazo cerrado: es qaquel en donde la acción es en cierto modod dependiente de la salida

El sistema de lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes que son:

- La habilidad que estos tienen para ejecutar una accion con exatitud la cual esta determinada por su calibración. Calibrar significa reestablecer una relación entre la entrada y salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.
- Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad , que presentan los de lazo cerrado

Los sistemas de lazo cerrado se llaman sistemas de control por realimentación.

Los primeros sistemas industriales de lazo abierto o lazo cerrado usados fueron controladores neumáticos, durante los años 60 y 80, la mayoría de los controladores usaban amplificadores operacionales para proporcionar las funciones de control, en los años 80 y 90 se incorporaron los microprocesadores con los amplificadores operacionales para proporcionar un control digital. Dado que todos estos tipos de controladores se encuentran en uso actualmente, es necesario estudiarlos con sus componentes y funciones que desarrollan. (Enríquez, G.200)


Tipos de control


Se puede hacer una clasificación de los sistemas de control atendiendo al procedimiento lógico usado por el controlador del sistema para regular la evolución del proceso. Los principales tipos de control utilizados en los procesos industriales serán:

Normales:

Sistemas de realimentación. (Feed-back)

  • Proporcional
  • Integral
  • Derivativo

Sistema anticipativo (Feed-Foward)

Sistema en cascada (Cascade)

Sistema selectivo (Over-Ride)

Avanzados:

Control de restricciones (Constraint Control)

Control del modelo de referencia (Model Reference Control)

Optimización de unidades


ESQUEMAS DE CONTROL
Para seleccionar y diseñar esquemas de control se deben seguir tres pasos esenciales:
  1. Conocer bien el proceso, variables de entrada/salida (manipuladas, controladas, no- controladas y perturbaciones), dinámica, régimen estacionario, etc.
  2. Modelar o identificar adecuadamente el proceso.
  3. La mejor estrategia de control es la más sencilla de implementar, con la que se pueda controlar el proceso.


ESQUEMA DE CONTROL BÁSICO
  1. CONTROL REALIMENTADO

En la figura se muestra el sistema de control a lazo cerrado, la información sobre la variable controlada se vuelve a alimentar como base para controlar una variable del proceso.
La retroalimentación es la propiedad del sistema lazo cerrado , que permite la salida o cualquier otra variable, sea comparada con la entrada al sistema de tal manera que se pueda establecer una acción de control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y salida. Por otro lado se dice también que hay una retroalimentación cuando en un sistema existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto entre las variables del sistema.
Las características de la realimentacion
  • Aumento de la exactitud . Por ejemplo: la habilidad para reproducir la entrada fielmente
  • reducción de la sensibilidad de la salida, correspondiente a una determinada entrada , ante variaciones en las características del sistema
  • Efectos reducidos de la no linealidad y de la distorsión
  • Aumento del intervalo de frecuencias (de la entrada ) en el cual el sistema responde satisfactoriamente (aumento del ancho de bada)
  • Tendencia a la oscilación o a la inestabilidad

lazo cerrado.png

Los controladores por retroalimentación son aquellos que toman decisiones para mantener el punto de operación, mediante el cálculo de la salida con base a la diferencia entre la variable que se controla y el punto de control o “Set Point”.
La principal desventaja de los sistemas de control por retroalimentación es que, para compensar la entrada de perturbaciones, la variable controlada se debe desviar del punto de control, se actúa sobre un error entre el punto de operación y la variable controlada, lo cual significa que, una vez que una perturbación entra al proceso y afecta la calidad del producto, se debe esperar que el sistema opere con esa señal para luego ejercer una acción correctiva. La ventaja del control por retroalimentación consiste en que es una técnica muy simple, que compensa todas las perturbaciones. Cualquier perturbación puede afectar a la variable controlada, cuando esta se desvía del punto de control, el controlador cambia su salida para que la variable regrese al punto de control.

ESQUEMA DE CONTROL AVANZADO
  • CONTROL POR ACCION PRECALCULADA

En un sistema de control por acción precalculada, las perturbaciones se compensan antes de que afecte a la variable controlada, se miden las perturbaciones antes de que entren al proceso y se calcula el valor que se requiere de la variable manipulada para mantener la variable controlada en el valor que se desea o punto de operación (Set Point).
control avanzado.png
  • CONTROL ROBUSTO

La robustez de un controlador viene medida por la capacidad de respuesta ante los cambios de los parámetros nominales del proceso, sin modificar los parámetros de sintonización del proceso, tales cambios afectan el proceso. Se dice que un controlador es muy robusto cuando esos cambios no afectan en gran medida las variables controladas, y se mantiene un nivel de control adecuado del proceso.

CONTROL ROBUSTO.png



COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL.


Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a través del uso 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.elementos.png

En los procesos industriales encontramos ciertas convenciones y arreglos en los sistemas de control así como la distribución de dispositivos de medidas y funciones de control en varias piezas. Algunos de los componentes básicos de un sistema de control son:
1. Sensor o Elemento Primario de medición

external image Sensores%20Industriales_14.JPG

Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso, siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para transformar la variable medida en una señal eléctrica. Los más usados en la industria son los de nivel, de presión, de temperatura, de flujo y de aproximadamente entre otros. Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o “set-point” determinando el error y la acción de control. Además si fuera el caso, la capacidad térmica de un sensor es función de su tamaño, forma y material.

Un sensor se define como un dispositivo que es sensible al movimiento, calor, luz, presión, energía eléctrica, magnética u otro tipo de energía. (Enríquez, G. 2000)

Tipos de Sensores
  • De contacto o no contacto

Sensores de Contacto
Realizan la medida contacto físico con el producto; por ejemplo los sensores de boyas para medir el nivel de un tanque.
Sensores de no contacto
Se basa en las propiedades físicas de los materiales para realizar su medida; típicamente son menos propensos a fallas. Un ejemplo de este tipo de sensor de proximidad.
  • Digital o Analógico

Otra forma de clasificar los sensores es por el tipo de señales de salida; estas pueden ser de tipo digital o analógico.
ü Sensores digitales trabajan en dos estados: encendido (on) o apagado (off). Muchas aplicaciones implican tener conocimiento de la ausencia o presencia de algo.
ü Sensores análogos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser utilizadas en diversos aspectos de la operación, como son el nivel, la presión, temperatura y el flujo, caracterizando por funcionar en un rango de 4 a 20 mA.

Las principales formas de energía que los sensores pueden detectar se clasifican como: movimiento, temperatura, luz, presión, eléctrica, magnética, química y nuclear. (Enríquez, G. 2000)


Transductores


Son los dispositivos encargados de realizar la medición de las variables en un proceso. Existen diferentes tipos de transductores, los cuales están asociados al tipo de variable que se está midiendo (temperatura, presión, nivel, flujo, composición, etc.), y las condiciones de la medición (exactitud, linealidad, sensibilidad, temperatura de operación, rango de medida, etc.), tales como: termopares, termistores, RTD, pirómetros, para medir temperatura; tubo de Bourdon, diafragma, fuelle, capacímetro, LVDT, piezoeléctrico, potenciómetrico, Strain Gage etc., para medir presión ; varilla con gancho, regla graduada, flotador, para medir nivel.

Un transductor se define como un dispositivo que puede recibir un tipo de energía y convertirlo en otro tipo de energía, esto significa que un trasnductor puede incluir un sensor para sensar la cantidad de presión, por ejemplo, un circuito para convertir la cantidad de presión a una señal eléctrica y transmitirla a un sistema de control eléctrico donde se usa en la variable del proceso o retroalimentación. (Enríquez, G.2000)


external image F12.jpg

Transmisores:
Transmisor de Presión
Transmisor de Presión


Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.
Puede convertir una señal muy pequeña a una señal más usable, los transmisores para los sensores usados en señales de retroalimentación industrial deben típicamente convertir señales eléctricas muy pequeñas, tales como: microvolts, milivolts, miliamperes o frecuencia en señales mayores de voltaje, corriente o frecuencia, tales como: 0-10 volts o 4-20 mA. El transmisor generalmente usa dispositivos tales como los amplificadores operacionales para amplificar y linealizar la señal de salida. (Enríquez, G. 2000)
Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi ( lb/ pulgada2) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en EE.UU. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores.
Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA 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, emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El "cero vivo" con el que empieza la señal (4 mA) 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.
Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

Controlador:


Es el encargado de decidir el tipo de acción sobre el elemento final de control. El controlador tiene dos funciones esenciales:
Controlar significa mantener la medición dentro de los límites aceptables
  • Comparar la variable medida con la de referencia deseada (punto de operación o Set Point), para determinar el error que existe entre ellas.
  • Enviar una señal al elemento final de control con el objeto de modificar su acción en el sentido adecuado para reducir el error.

Controlador manual
Es controlado manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacia algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador.

Controlador automático
El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales.
Es importante saber que para el control realimentado automático debe el lazo de realimentación estar cerrado. esto significa que la información debe ser continuamente transmitida dentro del lazo. El controlador debe poder mover a la válvula, la válvula debe poder afectar a la medición y la señal de medición debe ser reportada al controlador. Si la conexión se rompe en cualquier punto, se dice que el lazo esta abierto. Tan pronto como el lazo está abierto , como por ejemplo cuando el controlador queda imposibilitado de mover la válvula. Así las señales desde el controlador en respuesta a las condiciones cambiantes de la medición no afectan a la válvula y el control automático no existe.
CONTROL.png


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.




Procesos industriales
Procesos industriales


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.



external image 0003602310.png

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.


Procesos industriales
Procesos industriales





Válvula de control


Son los elementos finales de control más usados en los procesos, son encargadas de regular el flujo que circula a través de ellas. En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el lazo de regulación. Realiza la función de variar el flujo de la variable manipulada, para con ello modificar el valor de la variable controlada.

external image laddomat21.gif

Es indispensable controlar los procesos en las diferentes variables de operación porque solo así, garantizamos la calidad del producto, el mantenimiento de los equipos, la vida útil de los mimos,y por ende la seguridad de los operadores.
En el caso de fermentación se necesita controlar el pH, la temperatura, presión,nivel y si es un caso aerobio se necesita medir la concentración de oxígeno disuelto.

sistemas.png




NIVELES DE CONTROL DE PROCESO



Control Regulatorio Básico (CRB)
  • Nivel más bajo de automatización.
  • Consta de lazos simples de realimentación.
  • Las perturbaciones se detectan cuando ya ha transcurrido bastante tiempo.
  • No se espera buena calidad de control.

BASICO.png





Control Regulatorio Avanzado (CRA)
  • Se acerca al óptimo económico, se incrementa la seguridad y fiabilidad de la planta o proceso.
  • Consta de lazos de realimentación y anticipativos.
  • Se obtienen productos que no están fuera de especificaciones y normalmente una mejor calidad de control ante las perturbaciones.
AVANZADO.png

Control Multivariable (CM)
  • Se actúa simultáneamente sobre todas las perturbaciones para que las variables se vean afectadas lo mínimo.

Optimización en Línea (LO)
  • Se obtiene el máximo beneficio económico.
  • Actúa en tiempo real sobre los puntos de control de las variables de salida.

NOMENCLATURA DE UN CONTROLADOR

NOMENCLATURA.png


















REFERENCIAS