BREVE HISTORIA DEL CONTROL DE PROCESOS

Los primeros sistemas de control conocidos, ya en la antigedad, son mecanismos destinados al control del caudal para regular un reloj de agua o el control de nivel de lquido en una lmpara de aceite o en un recipiente de vino, que se mantiene lleno a pesar de los muchos vasos que se sacan. De hecho, el control del caudal de fluido se reduce al control del nivel del fluido, ya que un pequeo orificio producir caudal constante si la presin es constante. El mecanismo de control de nivel de lquido inventado en la antigedad y todava usado para controlar nivel es la vlvula flotante, semejante a la del depsito de agua de un inodoro corriente. El flotador est hecho de tal manera que, cuando el nivel baja, el caudal del depsito aumenta y cuando el nivel sube, el caudal disminuye y, si es necesario, se corta (Figura 1.1). En este caso el sensor y el actuador estn combinados en el mismo dispositivo, el flotador y la combinacin de tubo de alimentacin. Figura 1.1. Un tonel que nunca se acaba. Ejemplo del control de nivel de lquido y caudal tal como se realizaba en la antigedad.

Un caso ms moderno de control por retroalimentacin es el control de temperatura de un horno para calentar una incubadora, sistema que fue diseado por Drebbel (hacia 1620). El horno constaba de una caja que contena el fuego, con un tubo en la parte superior provisto de un regulador de tiro (Figura 1.2). Dentro de la cmara de combustin estaba la incubadora de paredes dobles y el hueco que quedaba entre las paredes se llenaba de agua. El sensor de temperatura era un recipiente de vidrio lleno de alcohol y mercurio colocado en la cmara de agua en torno a la incubadora. A medida que el fuego calentaba la caja y el agua, el alcohol se dilataba y el vstago con flotador se desplazaba hacia arriba, bajando el regulador de tiro sobre la boca del tubo. Si la caja est demasiado fra, el alcohol se contrae, el regulador de tiro se abre y el fuego arde ms fuertemente. La temperatura deseada est determinada por la longitud del vstago del flotador, que determina la apertura del regulador de tiro para una dilatacin determinada de alcohol.La bsqueda de un medio para controlar la velocidad de rotacin de un eje fue un problema famoso en las crnicas del control automtico. La principal motivacin era la de controlar automticamente la velocidad de la piedra de molienda de un molino de viento harinero. De los varios mtodos que se intentaron, el ms prometedor result ser el que usaba un pndulo cnico, o regulador de bola flotante. Este dispositivo se us para medir la velocidad del molino; las aspas del molino de viento se hacan girar con cuerdas y poleas, casi como persianas, para mantener una velocidad fija. Pero no fue el molino de viento es que hizo famoso el regulador de bola flotante, fue su adaptacin a la mquina de vapor en los laboratorios de James Watt, alrededor de 1788 (Figura 1.3).

CONTROL DE PROCESOS

El sistema de control nos permitir una operacin del proceso ms fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operacin estables, y corregir toda desviacin que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste.Las principales caractersticas que se deben buscar en un sistema de control sern:1. Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.2. Conseguir las condiciones de operacin objetivo de forma rpida y continua.3. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas.4. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.La implantacin de un adecuado sistema de control de proceso, que se adapte a las necesidades de nuestro sistema, significar una sensible mejora de la operacin.Principalmente los beneficios obtenidos sern:- Incremento de la productividad- Mejora de los rendimientos- Mejora de la calidad- Ahorro energtico- Control medioambiental- Seguridad operativa- Optimizacin de la operacin del proceso/ utilizacin del equipo- Fcil acceso a los datos del proceso

Caractersticas del proceso

El control del proceso consistir en la recepcin de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparacin con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior correccin en caso de que se haya producido alguna desviacin respecto al valor preestablecido de algn parmetro de proceso.El bucle de control tpico estar formado por los siguientes elementos, a los que habr que aadir el propio proceso.- Elementos de medida (Sensores) Generan una seal indicativa de las condiciones de proceso.- Elementos de control lgico (Controladores): Leen la seal de medida, comparan la variable medida con la deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema realizando el ajuste necesario para reducir o eliminar el error.- Elementos de actuacin (Vlvulas y otros elementos finales de control): Reciben la seal del controlador y actan sobre el elemento final de control, de acuerdo a la seal recibida.

Tipos de controlSe puede hacer una clasificacin de los sistemas de control atendiendo al procedimiento lgico usado por el controlador del sistema para regular la evolucin del proceso. Los principales tipos de control utilizados en los procesos industriales sern:Normales:Sistemas de realimentacin. (Feed-back)ProporcionalIntegralDerivativoSistema anticipativo (Feed-Foward)Sistema en cascada (Cascade)Sistema selectivo (Over-Ride)AvanzadosControl de restricciones (Constraint Control)Control del modelo de referencia (Model Reference Control)Optimizacin de unidadesA continuacin se explicar el fundamento de actuacin de algunos de ellos, aquellos de mayor importancia y aplicacin. Para ello se recurrir al ejemplo prctico de un depsito de cierta capacidad en el que es necesario regular el nivel de lquido.

A continuacin se explicar el fundamento de actuacin de algunos de ellos, aquellos de mayor importancia y aplicacin. Para ello se recurrir al ejemplo prctico de un depsito de cierta capacidad en el que es necesario regular el nivel de lquido.

EVALUACIN DEL CONTROL DE PROCESOS.

Sistemas de control con realimentacin

Son sistemas de control de bucle cerrado en los que existe una realimentacin continua de la seal de error del proceso al controlador, actuando ste conforme a esta seal buscando una reduccin gradual del error hasta su eliminacin.Es el tipo de sistemas que ms extendido se encuentra en la actualidad.Existen diversos diagramas de actuacin con la caracterstica comn de la realimentacin de la seal de error. Sin embargo, seguirn distintos fundamentos de actuando para conseguir la eliminacin del error del sistema.

- Control proporcional

El sistema de control proporcional se basa en establecer una relacin lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posicin del elemento final de control. As, la vlvula de control se mover el mismo valor para cada unidad de desviacin.En el ejemplo del depsito, el control de nivel abrir ms o menos la vlvula de drenaje en funcin de la desviacin existente en el nivel respecto del valor de consigna. Si el nivel a subido a valores muy altos tendremos una gran apertura de la vlvula. Por el contrario, para un nivel inferior al de ajuste la vlvula se encontrar en una posicin ms cerrada que la que correspondera al set-point.

El principal problema de este sistema es la imposibilidad de alcanzar de nuevo el punto de consigna cuando se varan las variables de entrada al proceso.Imaginemos que el nivel de nuestro equipo est ajustado a un metro y el caudal de entrada es de 5 m3/h, encontrndose la vlvula de drenaje en la posicin correspondiente al nivel de ajuste seleccionado. As para que exista constancia de nivel la posicin de la vlvula de drenaje permitir que se evacuen los 5 m3/h de caudal entrante

- Control integral

El control integral basa su funcionamiento en abrir o cerrar la vlvula, a una velocidad constante, hasta conseguir eliminar la desviacin. La velocidad de accionamiento ser proporcional al error del sistema existente.Volviendo al caso de nuestro depsito, debido a la variacin de nivel ocasionada por el paso del caudal entrante de 5 a 7 m3/h el controlador del sistema actuar de forma que se recupere el nivel de consigna. Por control integral el controlador actuar sobre la vlvula de drenaje a una velocidad constante, proporcional a la desviacin existente, durante el tiempo necesario para recuperar el valor de ajuste.

-Control derivativo

En la regulacin derivada la posicin de la vlvula ser proporcional a la velocidad de cambio de la variable controlada. As, la vlvula sufrir un mayor o menor recorrido dependiendo de la velocidad de cambio del error del sistema.Nos remitimos a las curvas de variacin de las variables del sistema para una mejor comprensin del fundamento operativo de este modo de regulacin.

. Control anticipativo (Feed-Forward)

En el control anticipativo el controlador del sistema utilizar la lectura de una o ms variables de entrada para actuar sobre la variable manipulada que produce la salida deseada del proceso. No corresponder ya al diseo de bucle cerrado al que hemos visto que respondan los sistemas de realimentacin anteriores.La principal ventaja de este tipo de sistemas es que no necesitan la aparicin de una desviacin en el sistema para efectuar la correcta regulacin del mismo.La principal ventaja de este tipo de sistemas es que no necesitan la aparicin de una desviacin en el sistema para efectuar la correcta regulacin del mismo.Para adoptar este tipo de control en el sistema ejemplo visto anteriormente tendremos que realizar las modificaciones que se pueden apreciar a continuacin.

Ahora el controlador recoger la lectura del caudal de entrada al depsito actuando sobre la vlvula de salida, para controlar la cantidad de lquido que se evacua. De esta forma, si regulamos el caudal extrado por fondo de la misma para que sea coincidente con el de entrada conseguiremos mantener estable el nivel del depsito.-

- Control en cascada

Existen casos en los que la variable manipulada, por su naturaleza, sufre grandes oscilaciones que afectan a la capacidad de control del sistema, llegando inclusive al caso de imposibilitarlo. En el ejemplo hasta ahora expuesto podramos encontrar esta situacin si se diese el caso que la corriente de salida se encontrase turbo aspirada, dependiendo entonces la presin de aspiracin del rgimen al que girara la bomba. As para una misma posicin de la vlvula de vaciado del depsito el caudal de paso por ella depender de la presin en la lnea, siendo por tanto variable con sta.El control anticipativo se puede adoptar complementando a uno de realimentacin. As con seguiremos un sistema cuyo objetivo primero ser reducir las desviaciones surgidas en el proceso, pudiendo tomar anticipadamente las medidas necesarias para que estas no se produzcan.

Generalizando, podemos decir que el sistema de control en cascada acta a un esquema jerarquizado de variables de control, distinguindose entre variables primarias (master) y secundarias (slave). Las variables primarias sern las controladas, mientras que las secundarias son aquellas manipuladas/controladas para conseguir llevar al sistema al rgimen de operacin determinado por las variables primarias. Cabe decir que todo sistema de control en cascada constar al menos de un par de variables relacionadas, una primaria y otra secundaria.

En el esquema tendremos al menos dos controladores, encargados respectivamente del control de las variables primarias y secundarias. El operador del sistema establecer el punto de ajuste del controlador primario, y actuando este sobre el ajuste del controlador secundario de manera que se consiga el valor de ajuste de la variable primaria. De manera coloquial podramos decir que el controlador primario manda y el secundario obedece.El esquema funcional de un sistema de control en cascada ser el siguiente:

Definicin de instrumentacin Instrumentacin industrial:es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en ste. Es el conocimiento de la correcta aplicacin de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medicin, regulacin, observacin, transformacin, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo. Que es instrumentacin Un sistema de instrumentacin es una estructura compleja que agrupa un conjunto de instrumentos, un dispositivo o sistema en el que se mide, unas conexiones entre estos elementos y por ltimo, y no menos importante, unos programas que se encargan de automatizar el proceso y de garantizar la repetibilidad de las medidas.En trminos abstractos, un instrumento de medicin es un dispositivo que transforma una variable fsica de inters, que se denomina variable medida, en una forma apropiada para registrarla o visualizarla o simplemente detectarla, llamada medicin o seal medida.Una medicin es, entonces, un acto de asignar un valor especfico a una variable fsica. Dicha variable fsica es la variable medida. Un sistema de medicin es una herramienta utilizada para cuantificar la variable medida.El elemento clave fundamental de un sistema de instrumentacin, es el elemento sensor. La funcin del sensor es percibir y convertir la entrada (variable fsica) percibida por el sensor, en una variable de la seal de salida.El sensor es un elemento fsico que emplea algn fenmeno natural por medio del cual sensar la variable a ser medida. El transductor, convierte esta informacin censada en una seal detectable, la cual puede ser elctrica, mecnica, ptica, u otra. El objetivo es convertir la informacin censada en una forma que pueda ser fcilmente cuantificada.Clasificacin de la instrumentacin Se consideran dos clasificaciones bsicas: En funcin del instrumento En funcin de la variable del procesoDe acuerdo al instrumento se tiene: Instrumentos ciegos Instrumentos indicadores Instrumentos registradores Elementos primarios Transmisores Transductores Convertidores Receptores Controladores Elementos finales de controlSon aquellos que no tienen indicacin visible de la variable, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presin y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un ndice de seleccin de la variable.Son tambin instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presin, nivel y temperatura sin indicacin.Instrumentos ciegos Valvula de procesos medidor de flujo

INSTRUMENTOS INDICADORESDisponen de un ndice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Segn la amplitud de la escala se dividen en indicadores concntricos y excntricos. Existen tambin indicadores digitales que muestran la variable en forma numrica con dgitos.

Voltmetro AnlogoINSTRUMENTOS REGISTRADORESRegistran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de grfico rectangular o alargado segn sea la forma de grfico.Los registradores de grfico circular suelen tener el grfico de 1 revolucin en 24 horas mientras que en los de grfico rectangular la velocidad normal del grfico es de unos 20 mm/hora.

Registrador de lnearegistrador circular

ELEMENTOS PRIMARIOSEstn en contacto con la variable y utilizan o absorben energa del medio controlado para dar al sistema de medicin una indicacin en respuesta a la variacin de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presin, fuerza, posicin, medida elctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variacin de presin del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variacin de fuerza electromotriz.

Tubo Bourbonelectrodo pHTRANSMISORESCaptan la variable de proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de seal neumtica de mar gen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrnica de 4 a 20 mA de corriente continua. La seal neumtica de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bar (0,21 - 1,05 kg/cm por lo cual, tambin se emplea la seal en unidades SI 0,2 a 1 bar Asi mismo, se emplean seales electrnicas de 1 a 5 mA de 10 a 50 mA y de 0 a 20 mA, si bien la seal normalizada es de 4-20 mA.

Fisher PorterSiemens

TRANSDUCTORESReciben una seal de entrada funcin de una o ms cantidades fsicas y la convierten modificada o no a una seal de salida. Son transductores, un rel, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presin de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presin de proceso a seal neumtica), etc.

Micrfono

CONVERTIDORESSon aparatos que reciben una seal de entrada neumtica (3-15 psi) o electrnica (4-20 mA) procedente de un instrumento y despus de modificarla envan la resultante en forma de seal de salida estndar.Ejemplo: un convertidor P/I (seal de entrada neumtica a seal de salida electrnica, un convertidor I/P (seal de entrada elctrica a seal de salida neumtica).

Conversor corriente presin (Masoneilan)

RECEPTORESReciben las seales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envan otra seal de salida normalizada a los valores ya indicados 3 -15 psi en seal neumtica, 4 -20 mA en seal electrnica, que actan sobre el elemento final de control.

CONTROLADORESComparan la variable controlada (presin, nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado y ejercen una accin correctiva de acuerdo con la desviacin.La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de seal neumtica, electrnica o digital procedente de un transmisor.

ELEMENTO FINAL DE CONTROLRecibe la seal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumtico, el elemento suele ser una vlvula neumtica o un servomotor neumtico que efectan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2 - 1 bar). En el control electrnico la vlvula o el servomotor anteriores son accionados a travs de un convertidor de corriente a presin (I/P) o seal digital a presin que convierte la seal electrnica de 4 a 20 mA o digital a neumtica 3 -15 psi. En el control elctrico el elemento suele ser una vlvula motorizada que efecta su carrera completa accionada por un servomotor elctrico.

Vlvula de control neumtica

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESODe acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de: Caudal Nivel Presin Temperatura Densidad y peso especifico humedad y punto de roco Viscosidad Posicin Velocidad pH Conductividad TurbidezEsta clasificacin corresponde especficamente al tipo de las seales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversin de la seal de proceso. De este modo, un transmisor neumtico de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efecta convirtiendo las variaciones de presin del fluido que llena el bulbo y el capilar.