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CIRCUITO DE CONTROLAUTOMA TICO

PAPElERIA Gt~ZMAN Y ASOCIADOSProp. i.:ntGr~i (...'uzman Herndnd8e

R. F. C. GUllA. t,vO901 - PPlI DE MAYO l'~o i:; Z. CENTRO

PANUCO, VER.

GENERALIDADES

IMPORTANCIA DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIONY CONTROL EN LAS OPERACIONES INDUSTRIALES

Todas las operaciones de las plantas qufmicas, dependen de la medici6n y el control dedeterminada-s variables del proceso. Los instrumentos necesarios, se han convertido en parte importante de lasoperaciones industriales y no se consideran ya un equipo auxiliar.

EI control automatico es de gran importancia para los procesos continuos, y el perfecciona-miento de estas operaciones y de su control han ido en gran parte paralelos. En realidad, el control de losprocesos se clasifica a menudo como una operaci6n unitaria muy importante; sin metodos de control seguros,manuales 0 automaticos, las industrias de proceso no podrlan trabajar y aun cuando las operaciones conti-nuas pueden funcionar a veces con un minima de instrumentos para guiar a los operadores, es necesario en-fatizar que el funcionamiento de muchos procesos continuos modernos serla imposible sin una aportaci6nadecuada de instrumentos.

Los procesos industriales exigen que cada uno de sus pasos se Ileve a cabo en condicionesrigurosamente controladas en todo momenta. Par consiguiente, la aportaci6n de instrumentos alas indus-trias de proceso no debe considerarse como una co sa conveniente, sino como una necesidad ah~nllit"

Con el empleo de instrumentos de control automatico se disminuye la mano de obra nece-saria y, como consecuencia, se reduce el costo de la mano de obra directa. La uniformidad en la producci6ny el control uniforme de las variables que intervienen en el proceso, aumenta la eficiencia del equipo aslcomo la calidad de IDs productos obtenidos.

Ahora bien, para poder obtener una maxima utilidad de la instrumentaci6n de Jas plantas,es necesidad absoluta que un operario, aparte de ser un experto en el proceso, conozca a fondo cada uno delos instrumentos de medici6n y control que intervienen en este, 10 cual comprende sus aplicaciones, limitacio.

nes, manipulaci6n operacional y adem as, en un momento dado, debe analizar y descubrir las fallas correspon.dientes al proceso y las propias de los instrumentos de medici6n v control.

CLASES DE INSTRUMENTOS INDUSTRIALES

Los instrumentos industriales comprenden dos clases Qenerales. a saber

2.Los que miden.Los mlE! mirlE!nv f'nn1"rnl~n

Un instrumento de rnedida puede usarse par sl solo 0 combinarse con un dispositivocontrolador para formar 10 que se llama un controlador automatico. Si bien la mavorfa de los instrumentosindustriales se usan para fines de control, no todos son automaticos, va que muchos de medicion se empleanprincipalmente como gulapara el control manual.

Todos los dispositivos a los que Ilamamos instrumentos miden de alguna u otra formaalga, es decir: aprovechan la energfa desarrollada par un fenomeno natural (ya sea ffsico 0 qufmico) paratransformarla en una cantidad Clue pueda ser interpretada par nuestros sentidos 0 par el comparador de uncontrolador.

SISTEMA DE CONTROL DE CIRCUITO CERRADO

Podrfamos clasificar los elementos funcionales de un circuito de control automatico de lasiguiente manera:

Los sistemas de control de circuito cerrado, son aquellos donde la accion del control estarelacionada con la salida, a este tipo de control tambien se Ie llama de retroalimentacion, y se define como lapropiedad de un sistema de trayectoria cerrada la cual permite que la salida sea comparada con la entrada delsistema, de modo que, la accion apropiada del control se puede realizar como una funcion de la entrada yla salida.

Este sistema es el mas utilizado dentro de la industria de proceso continuo, y as! se tieneque un controlador automatico es un instrumento que mide el valor de una variable, la campara con unvalor de referencia y actua de manera de hacer que la variable se mantenga en el valor deseado, punta deajuste 0 sePial de referencia.

De acuerdo a 10 expuesto anteriormente, en la figura 6-1, se muestra un circuito de controlautomatico de retroalimentacion basico. Muchos sistemas de control industrial pueden ser reducidos a uno 0mas de dichos diagramas. EI objeto de este circuito es medir y controlar una variable la que esta incluida ell el"Proceso" 0 sistema controlado que comprende las funciones ejecutadas en y par el equipo en el cual la va-riable va a ser controlada; las variables mas comunes que conocemosy que necesitamos controlar son: tempe-ratura, presion, flujo, nivel, etcetera.

ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION

EI elemento primario de medicion es aquel que detecta el valor de la variable, 0 sea, es laporcion de los medias de medicion que primero utiliza 0 transforma la energla del media controlado, paraproducir un efecto que es una funcion de la variable controlada.

Los elementos primarios de medicion mas comunes son:

Para temperatura: Termometros bimetalicos, de vastago de vidrio, elementos para sistemastermales, Ile/1os de: Ifquido (clase I), vapor (clase II), gas (clase III), mercurio (clase V), de resistencia electri-ca, de termopar, pirometros de radiacion, opticos e infrarrojos, indicadores de color, indicadores pirometri-cas, termistores y termometros de cristal de cuarzo, etcetera.

Para presion: Tubo bourdon, espiral, helicoidal, fuelles, diafragmas, manometros, sensoresde vacio tipo ionizacion, detectores termicos de vacio, detectores mecanicos de vacio, sensores electronicosde presion, etcetera.

Para flujo: Placa de orificio, tuba venturi, tuba pitot, tobera, rotametros y medidores dedesplazamiento positivo. de turbina. magnetico:i, de vortice. bombas dosificadoras. etcetera.

Para nivel: Flotadores, desplazadores y medidores de presion diferencial, de burbujeo, decapacitancia, de radiacion, ultrasonicos, etcetera.

ELEMENTOS SECUNDARIOS DE MEDICION

EI elemento secundario de medicion y transmision se encarga de amplificar la serial prove-niente del elemento primario de medicion, 0 bien en transformar esa funcion en una serial util, facilmentemedible, como una serial electrica 0 una presion neumatica, que dependiendo de los fabricantes de instrumen-tos, comunmente, son seliales de 4 a 20 0 10 a 50 ma en los electronicos, y de 3 a 15 0 6 a 30 Ib/pulg2 en elcaso de los neumaticos.

La genal detectada y transmitida por log medios de medicion (elementos primario V secun-dario) es una funcion de la variable controlada. 0 sea de la cantidad 0 condicion que es medida via controla-da V se representa con la letra (E).

La senal de la variable controlada ya sea electrica, neumatica, hidraulica, electronica, etce-tera, es transmitida simultaneamente a un dispositivo de indicacion y/o registro y a un controlador.

La serial que va al elemento de indicacion v/o registro es transformada a unidades de lavariable controlada, 0 bien a porcentajes de escala 0 puntas (decimales), que multiplicados par un factor, danel valor en unidades de la variable medida.

Ii

FIG. 6-1

Circuito de control automatico.

R~

ELEMENTO DETECTOR DEL ERROR Y CONTROLADOR

La genal de la variable, que va al controlador (constituido este par dog partes: elementodetector del error y medias de control), Ilega al elemento detector del error donde se campara con una refe-rencia seleccionada Ilamada punta de ajuste 0 set-point, representado par la letra (P), encontrandose una di-ferencia 0 error (X = P - E), Esta genal es enviada a log medias de control, donde se realizan lag funciones

de control, 0 sea, cuenta con log medias necesarios para corregir la desviacion, mandando una genal correctiva(V) a un elemento final de control, que par 10 general es una valvula operada automaticamente; tambienpodrfa ser un amortiguador, un excitador variable de velocidad, un reostato variable, un autotransformadoruna resistencia variable 0 cualquier dispositivo similar capaz de cambiar la variable manipulada de un proceso.

Si se trata de una valvula automatica de diafragma, esta, dirigida par la sellal controlada,accibna directamente sabre el flujo que pasa a traves de ella. siendo este, una de las variables del proceso, co.nocida como variable manipulada.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

EI elemento final de control sirve par 10 tanto, para convertir variaciones en la seRal de sa-lida del controlador, en variaciones correspondientes en la variable manipulada, cuyos cambios afectan elvalor de la variable controlada.

ACCION DE UNA VALVULA AUTOMATICA, DE UN SISTEMA DECONTROL Y DE UN CONTROLADOR

Las acciones de una valvula automatica, de un control y de un sistema de control, debenestar perfectamente establecidas para los fines que se persiguen, pudiendo tener cad a una de ellas dos accio-nes: acci6n directa y accion inversa, en algunas ocasiones Ilamadas, la accion directa, accion positiva y laaccion inversa, accion negativa. Las acciones de la valvula automatica, del control y del sistema de control,se definen como se indica a continuacion:

ACCION DE UNA VALVULA AUTOMATICA

Directa. Cuando la valvula cierra con aire (abre a falla de airel.I nversa. Cuando la valvula abre con aire (cierra a falla de a:re).

La acci6n de una valvula, se determina segun 10 que se despa Que haga cuando falle el airecontrolado. Esto se hace segun las conveniencias del proceso,

EI aire controlado 0 seRal controlada de salida puede fallar:

a) Par falla del control.

b) Por falla general del aire de instrumentos.

ACCION DE UN CONTROL

Tomando el set-point (punto de ajuste) como referencia (fijo). se tiene:

Directa. (Aumento con aumento, increase con increase). Cuando al aumentar la varia-ble, aumenta el valor de la serial de salida del controlador, y al disminuir lavariable, disminuye el valor de dicha senal de salida.

Inversa. (Aumento con disminucion, increase con decrease). Cuando al aumentar lavariable, disminuye el valor de la serial de salida del controlador y al disminuirla variable, aumenta el valor de dicha serial de salida.

Habiendo escogido la accion de la valvula, la accion del control solo depende de la accionque debe tener el sistema de control segun el proceso.

ACCION DE UN SISTEMA DE CONTROL

Directa. Cuando al aumentar la variable, la valvu la debe cerrar.I nversa. Cuando al aumentar la variable, la valvula debe abrir.

En la tabla 6-1, se observan combinaciones entre las acciones de la valvula y el control,para obtener sistemas de accion directa 0 inversa.

TABLA 6.1

Combinaciones entre las acciones de la valvula y el control para obtenersistemM de accion directa 0 inve~.

ACCION

Combinacinn Sistema Control Valvula

DD

D D1234

D0

Acci6n que deberan tener los siguientes sistemas de control (Ios sistemas pueden ser sen-cillos 0 en cascada):

1. CONTROLANDO NIVEL

a) Con valvula metiendo liquido al recipiente.Directa, pues al aumentar el nivel (variable), la valvula debera cerrar, casas (1) Y(2) de la tabla 6-1, y casas correspondientes para sistema en cascada.

b) Con valvula sacando Ifquido del recipiente.Inversa, pues al aumentar el nivel, la valvula debera abrir, casas (3), y (4), de latabla 6-1 y casas correspondientes para sistemas en cascada.

2. CONTROLANDO PRESION

a) Antes de la valvulaI nversa. pues cuando la presion aumenta. la valvula debera abrir.

6"

b) Despues de :a valvula.Directa, pues al aumentar la presion la valvUla debera cerrar.

3. CONTROLANDO FLUJO

Siempre directa, puesto que al aumentar el flujo, la valvula siempre debera cerrar.

EI medidor se pone antes de la valvula con el objeto de que esta no provoque turbu-lencias que afecten la medici6n.

4. CONTROLANDO TEMPERATURA

a) Con fluido que esta enfriando (reflujos).Inversa, pues al aumentar la temperatura la valvula debera abrir.

b) Con un fluido que esta calentando (recalentadores de vapor 0 de aceite).Directa, pues al aumentar la temperatura la valvula debera cerrar.

c) Cuando se quema combustible (para cale~tamiento) y la valvula actua sabreeste.Directa, pues al aumentar la temperatura, la valvula debera cerrar.

En la tabla 6.2 se presentan algunas combinaciones entre las acciones del primario y se-cundario de un sistema en cascada y la valvula, para obtener sistemas de acci6n directa 0 inversa.

TABLA 6-2

Combinaciones entre las acciones del primario V secundario de un sistema en cascadeV la valvula, para obtener sistemas de accion directa 0 inverse.

ACCION

Secundario ValvulaSistema Primario

DD

D DDDDD

DIID

D

DDD

D D

Como se ve, la tabla 6-2 podra utilizarse para un sistema sencillo poniendo la acci6n deltransductor en vel de la acci6n del secundario.

6.6

ACCION DE UN TRANSDUCTOR

Directa. Cuando al aumentar la senal electrica 0 neumatica controlada, aumenta la senalde salida del transductor y al disminuir la senal electrica 0 neumatica control a-da disminuye dicha senal.

Inversa. Cuando al aumentar la senal electrica 0 neumatica control ada, disminuye la senalde salida del transductor y al disminuir la senal electrica 0 neumatica controladaaumenta dicha senal.

La acci6n de un transductor, se determina segun 10 que se desea que haga cuando falle lacorriente electrica.

En la tabla 6-3, se observan combinaciones entre las acciones de los controladores, eltransductor y la valvula para obtener accion directa 0 inversa de un sistema en cascada con un control elec-tronico como primario.

TABLA 6-3

Combinaciones de las acciones entre el controlador primario. el transductor. el

controlador secundario V la valvula.

6.7~-~

PREGUNT AS Y PROBLEMAS .1).- En un circuito de control automatico diga:

a) lOue diferencia hay entre disturbio y desviacion?b) lOu~ funcion tiene el elemento primario de medicion?c) lComo se genera en un sistema neumatico el punto de ajuste, y como 10 define?d) lOue funcion tiene el elemento detector del error?e) lComo y cuando actua el controlador?

2).- Refiriendose a un circuito de control automatico, como se define:a) Punto de ajuste.b) Variable manipulada.c) Variable controlada.

3).- lOue funcion tiene 0 que hace la valvula automatica 0 elemento final de control?4).- lComo define el circuito de control automatico?5).- Un circuito basico de control, debe contar con los medics de:

a) Medicion e indicacion.b) Medicion y accion de control.c) Control y correccion.

6).- La definicion de este elemento es: La parte de los medics de medicion que primero utiliza 0 trans-forma energla del medic controlado, para producir un efecto que es una funcion del cambio en elvalor de la variable controlada:a) Elemento primario de medicion.b) Registrador 0 indicador.c) Controlador.

7).- Estan clasificados dentro de los elementos primarios de medicion de presion, del tipo donde la pre-sion ejerce una deformacion no permanente en un cuerpo elastico:a) Bourdon y tubo en "U".b) De campana y columna.c) Diafragma y espiral

8).- Son elementos primarios de medicion de presion:a) Termopares y bourdon.b) Flotador y helicoidal.c) Fuelles y espirales.

9).- Estan clasificados como medidores de flujo del tipo de desplazamiento positivo:a) Placa de orificio y medidor de turbina.b) Medidor de claro y de lobulos.c) Rotametros y medidor magnetico.

._,. Se utilizan placas de orificio excentricas cuando se desea medir:a) Llquidos gasificables.b) Fluidos con solidos en suspension.c) Gases.

11/.- Se define como: Aquella cantidad 0 condicion que es medida y/o controlada:a) Variable manipulada.b) Variable controlada.c) Agente de control.

12).- Se define este elemento: Como la parte del circuito basi co de control que cuenta con los medicsnecesarios para corregir la desviacion (entre P y E) y mandar su senal de correccion hacia el elemen-to final de control:a) Comparador.b) Controlador.

I c) Elemento secundario (amplificador y/o transmisor).

13).- Diga por que los medidores de flujo del tipo de presion diferencial variable, utilizan escalas de 0-10 derail cuadrada.

1m

1 1 \

6.8

BIBLIOGRAFIA (REFERENCIAS)

1).- FARRINGTON, G. H., FUNDAMENTALS OF AUTOMATIC CONTROL, CHAPMAN AND HALL,LONDON,1951.

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