GUIA DE FORMAS DE SALIDA DE CONTROLADORES Control de Procesos Prof. Efrain Roca1.- Generalidades. Se define la forma o algoritmo de salida del controlador, a la manera en que este entrega la seal de control. Normalmente la seal de salida del controlador (Sc) va conectada al elemento final de control (EFC), as que, debe existir una coordinacin adecuada entre el controlador y EFC. Bajo la definicin anterior, un esquema representativo de la estructura del controlador se ilustra en la figura 1.PUNTO DE CONTROL (SET POINT)

+ -

Error

ALGORITMO COMPENSADOR

Mn

Salida de Control Forma de Salida

Seal de Variable Controlada

Fig.1.- Diagrama de bloques de la estructura de un controlador. En la presente gua se describirn las formas o algoritmos de salidas ms comunes en los controladores de procesos industriales.

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2.- Clasificacin de las formas de salida. Las formas de salida pueden clasificarse en: Forma de salida continua. Salida de Tiempo Proporcional Salida de Posicin Proporcional y sus variantes

Flotante. 2.1.- Formas de Salida Continua. Esta es tal vez, la forma de salida ms comn. El controlador suministra una salida de control continua, normalizada en 4-20 mA (controlador electrnico) o 3-15 PSI (controlador neumtico). Bajo esta forma, la salida se ajusta linealmente en funcin del valor generado por el algoritmo de control (Mn). Puede operar tanto con algoritmos PID o Todo-Nada. En las salidas de corriente, debe prestarse atencin al valor mximo posible de la resistencia del lazo. Este valor de resistencia fija el mximo nmero de cargas de proceso que pueden conectarse a la salida de corriente. As por ejemplo, puede requerirse que la salida de un transmisor de proceso deba ir a ms de un elemento de control. En este caso, la suma de todas las resistencias de entrada de estos elementos, no debe superar el valor especificado para la salida de corriente del transmisor. Un valor tpico para la resistencia mxima de lazo es de 1000 . Es indispensable entonces, el conocimiento de los valores de resistencia de entrada de todos los elementos de control. Por razones de universalidad en la entrada, muchos instrumentos hacen la transduccin corriente-voltaje a travs de una resistencia de 250 . Esto traduce la seal de 4-20 mA en 1-5 Volt. Bajo este ejemplo, el nmero de elementos de control que se pueden conectar a una salida de 4-20 mA es de 4, asumiendo claro que la resistencia mxima permisible es de 1000 .

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En la actualidad, esto ha variado y los fabricantes emplean valores propios para la resistencia de entrada de sus equipos, siendo la tendencia a ser valores bajos de resistencia. 2.2.- Forma de Salida de Tiempo Proporcional. Esta forma de salida convierte la seal continua del algoritmo de control PID en una seal discreta de periodo constante y ciclo til variable. El bloque de salida para esta forma, puede representarse por oscilador con modulador de ancho de pulso (PWM), tal como se ilustra en la figura 2.

Algoritmo de Control PID

Mn

Oscilador con Modulador De Ancho de Pulso

Seal Discreta (Sc)

Ton Toff T

(Sc)c lo ic

Fig.2.- Diagrama de bloques de la forma de salida de tiempo proporcional. El tiempo en estado 1 de la salida de control (Ton), ser ajustado por el algoritmo PID segn la ecuacin 1-1.Ton = ( Mn (%) TCICLO ) / 100(Ec. 1-1)

Puede decirse tambin, que la salida del algoritmo de control (Mn) ajusta el ciclo til del oscilador. Bajo esta metodologa, el conjunto persigue lograr la dosificacin de energa o de masa requerida para obtener el balance deseado en la variable controlada del proceso. Para el valor extremo, Mn=0%, la salida Sc permanecer siempre en estado 0. Mientras que para el otro extremo, Mn=100%, la salida Sc permanecer siempre en estado 1.

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La condicin necesaria para que esta forma de salida opere satisfactoriamente, es que la constante de tiempo del proceso sea mucho mayor al periodo o tiempo de ciclo del oscilador, esto es:

Pr oceso > TCiclo >

(Ec. 1-2)

Si esto se cumple, la variable controlada del proceso se mantendr en un valor fijo una vez logrado el equilibrio de energa o de masa. La desventaja de esta forma de salida es el desgaste en el elemento final de control, causado por la conmutacin peridica que requiere. La forma de salida de tiempo proporcional, encuentra un excelente escenario de aplicacin en procesos trmicos que emplean energa elctrica. En tales sistemas, el elemento final de control consiste en elementos de conmutacin de estado slido (Triac o SCR en anti-paralelo), los cuales exhiben ningn o mnimo desgaste a la conmutacin. Adicionalmente, se permiten tiempos de ciclo relativamente pequeos. Dentro de los elementos de conmutacin de estado slido, existen dos modalidades de operacin: los de control de fase y los operados por paquetes de ondas completas por disparo en el cruce por cero. Los primeros permiten una mejor rangoabilidad, sin embargo, el nivel de ruido electromagntico generado puede traer inconvenientes de operacin.

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2.3.- Forma de Salida de Posicin Proporcional. Esta forma de salida persigue el posicionamiento del elemento final de control (tip. Vlvula), mediante el uso de un servo-motor elctrico manejado con seales discretas. El controlador genera las seales discretas independientes de apertura y cierre para el servomotor. La posicin del elemento final es realimentada al controlador, mediante un restato integrado en el servomotor. Esto se ilustra en la figura 3.CONTROLADOR

SP PV Algoritmo De Control

Mn

Control De Posicin

Abrir V Cerrar

Fig.3.- Diagrama de bloques para la forma de salida de posicin proporcional.Restato de realimentacin de posicin

M

Servomotor Elctrico

Bsicamente esta forma de salida integra un mdulo de control de posicin, cuyo propsito es llevar al EFC a la posicin ordenada por el algoritmo de control. El mdulo de control de posicin maneja los contactos de apertura o cierre apropiadamente hasta que el servomotor llegue a la posicin deseada. El valor de la posicin es realimentado mediante un restato. Esta forma de salida requiere un ajuste de zona muerta, a fin de evitar oscilaciones en el servomotor cuando la posicin se encuentra en las cercanas del valor deseado. En otras palabras, errores de posicin inferiores al valor establecido como zona muerta, no producirn accionamiento del servomotor. Este esquema es empleado en procesos lentos y/o que requieran el empleo de un gran torque para mover la vlvula. Se observa frecuentemente en quemadores de tamao medio a grande, en donde se requiere por razones de seguridad el conocimiento de la posicin real de la vlvula de control.5

El algoritmo de control que se emplea es PID. Aunque tericamente pudiese emplearse con algoritmo todo-nada, sin ningn sentido practico. La gran desventaja que presenta, es el desgaste en el restato de realimentacin. Bajo estas situaciones, el restato informa una posicin errnea al controlador causando conflicto. Afortunadamente, algunos controladores disponen de algoritmos de deteccin de este error, basados en la rata de incremento estadstica del servomotor. En casos de error de posicin, el controlador tomar una accin de falla segura. 2.4.- Variante de Forma de Salida de Posicin Proporcional (3 Pasos). La forma de salida de 3 posiciones (ref. Honeywell, 3STEP) tiene una estructura similar a la de posicin proporcional mostrada en la figura 3. No obstante, carece de potencimetro de realimentacin. El control de los rels de apertura y cierre se basa en el conocimiento del tiempo de apertura total de la vlvula. Este parmetro debe introducirlo el operador durante la fase de configuracin del controlador. Se define la constante de movimiento del EFC como:

KP =

TOPEN _ EFC 100%

[Seg / %]

(Ec. 1-3)

Donde: TOPEN_EFC = tiempo nominal de apertura del servomotor. Entonces, el tiempo de accionamiento para llevar al EFC desde la posicin actual Mn_1 a la posicin Mn deseada, ser:

TON = ( Mn Mn _ 1) * K P

(Ec. 1-4)

.

En la ecuacin 1-4, si la evaluacin del tiempo resulta positiva, se acciona el rel de apertura. En caso contrario, es el rel de cierre el que debe accionarse.

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Ejemplo: Calcule el tiempo de accionamiento de un servomotor con un tiempo de apertura de 30 segundos, a fin de llevarlo desde una posicin inicial de 40% a una posicin final de 60%.

KP =

30Seg = 0.3 Seg % 100%

TON = ( 60 40 ) * 0.3 = 6 Seg (Contacto de Apertura)

2.5.- Forma de Salida Flotante. La estructura de hardware de esta forma de salida es muy similar a la posicin proporcional, en lo concerniente a que se emplea un servomotor controlado por contactos elctricos. El algoritmo de control que se emplea es Todo-Nada, con un comportamiento respecto a al valor de la variable de proceso mostrado en la figura 4.

Posicin Vlvula (%) 100%

Zona Muerta

0%

100% SP PV

Fig. 4.- Caracterstica de control de la forma de salida Flotante. La condicin bsica para que esta forma de salida opere satisfactoriamente, es que el tiempo de reaccin del proceso sea menor al tiempo de apertura de la vlvula. Si esto se da, la vlvula quedar posicionada en un valor distinto que 0 o 100%.7

Cambios en la variable de proceso fuera de la zona de banda muerta, producir un nuevo ciclo de re-posicionamiento en el sentido correspondiente. Esta forma de salida en general, es aplicable a cualquier proceso que pueda ser controlado con un algoritmo de control Todo-Nada. Sin embargo, no es apropiada en procesos en que pusiesen existir cambios rpidos en la variable controlada y que deban ser compensados. Esta forma de salida requiere vlvulas con gran tiempo de apertura. Una opcin a fin de aliviar la seleccin de la vlvula, es la de incorporar un control adicional de ciclo til en el manejo de los rels de control. De esta manera, se puede aumentar el tiempo equivalente de apertura de la vlvula, as por ejemplo, un ajuste de ciclo til de 50% duplicar el tiempo de apertura nominal de la vlvula. Un nombre referencial con que algunos fabricantes denominan a este tipo de salida es: Control Flotante con Ajuste de Acercamiento. Esta forma de salida es algo obsoleta, prefirindose en todo caso la forma de salida de 3 Pasos. Desde el punto de vista de control, es sumamente interesante el hecho de que con un algoritmo de control Todo-Nada, se logre el posicionamiento del EFC en una zona intermedia distinta de 0 o 100%.

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