Captulo 1. Generalidades

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Captulo 1Generalidades

1.1 IntroduccinLos procesos industriales exigen el control de la fabricacin de los diversos productos obtenidos.

Los procesos son muy variados y abarcan muchos pos de productos: la fabricacin de los pro-

ductos derivados del petrleo, de los productos alimen cios, la industria cermica, las centrales

generadores de energa, la siderurgia, los tratamientos trmicos, la industria papelera, la industria

tex l, etc.

En todos estos procesos, es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas mag-

nitudes, tales como la presin, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conduc vidad, la velocidad,

la humedad, el punto de roco, etc. Los instrumentos de medicin y control permiten el mantenimien-

to y la regulacin de estas constantes en condiciones ms idneas que las que el propio operador

podra realizar.

En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control ma-

nual de estas variables u lizando slo instrumentos simples, manmetros, termmetros, vlvulas

manuales, etc., control que era su ciente por la rela va simplicidad de los procesos. Sin embargo,

la gradual complejidad con qu stos se han ido desarrollando ha exigido su automa zacin pro-

gresiva por medio de los instrumentos de medicin y control. Estos instrumentos han ido liberando

al personal de campo de su funcin de actuacin ! sica directa en la planta y, al mismo empo, le

han permi do una labor nica de supervisin y de vigilancia del proceso desde centros de control

situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumen-

tos, ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de caracte-

rs cas, condiciones que al operario le seran imposibles o muy di! ciles de conseguir, realizando

exclusivamente un control manual.

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categoras: procesos

con nuos y procesos discon nuos. En general, en ambos pos deben mantenerse las variables

(presin, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado jo, bien en un valor variable

con el empo de acuerdo con una relacin predeterminada, o bien guardando una relacin deter-

minada con otra variable.

El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede de nirse como aquel

que compara el valor de la variable, o condicin a controlar, con un valor deseado y toma una accin

de correccin de acuerdo con la desviacin existente sin que el operario intervenga en absoluto.

El sistema de control exige pues, para que esta comparacin y subsiguiente correccin sean posi-

bles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento nal de control y

el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre de lazo

de control. El lazo puede ser abierto o bien cerrado ( gura 1.1).

En el lazo de control abierto de la gura 1.1 el operador ajusta la vlvula manual en la forma que

cree conveniente para igualar el caudal del lquido de salida con el de entrada. Si los caudales de

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entrada y salida son muy diferentes con picos de consumo desiguales, al operador le ser di! cil

mantener un nivel constante de modo que tendr que hacer ajustes con frecuencia. En cambio,

en el control de lazo cerrado, una vez ajustada la posicin del vstago de la vlvula de control con

la varilla del ndice del otador, el propio sistema se encargar de mantener el nivel en el punto

deseado. Si en algn momento se presentan picos de caudal en la entrada, el nivel aumentar, con

lo cual, la vlvula de control abrir para aumentar el caudal de salida y mantener as un nivel con-

trolado, independientemente de la actuacin del operador.

Figura 1.1 Control de nivel en lazo abierto y lazo cerrado

Otro ejemplo de lazo abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia

elctrica sumergida. Los procesos con constantes de empo importantes o con retardos conside-

rables son adecuados para el control en lazo abierto. La principal desventaja del lazo abierto es la

prdida de exac tud. No hay garan" a de que la entrada manual al proceso sea la adecuada para

llevar la variable al punto de consigna deseado. Otro ejemplo de lazo cerrado representa vo lo

cons tuye la regulacin de temperatura en un intercambiador de calor ( gura 1.2).

En ocasiones, el control de lazo cerrado debe operar en lazo abierto, tal como puede ocurrir en

el arranque de procesos por parte de un operador experimentado con un buen conocimiento del

proceso. El operador, en base a su experiencia, abrir o cerrar el elemento nal de control (vlvula

de control, etc.) ms all de lo que lo hara un lazo cerrado de control, con lo que conseguir una

mayor velocidad en la variable y alcanzar el punto de consigna en menos empo.

En ambos casos se observa que existen elementos de nidos como el elemento de medida, el trans-

misor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento nal.

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Figura 1.2 Lazo cerrado de control de un intercambiador de calor

Si se desea que el proceso tenga velocidad y exac tud en alcanzar el valor de la variable deseada

(punto de consigna) deben aplicarse simultneamente el control de lazo abierto y el cerrado, lo

que cons tuye el llamado control an cipa vo (feedforward). Este po de control u liza un modelo

matem co que acta inicialmente como un operador experto (lazo abierto) y que de acuerdo

con los resultados obtenidos en la variable, realiza correcciones adicionales que corresponden al

control de lazo cerrado.

Por ejemplo, un coche equipado con un control de velocidad y con un sistema de radar que cap-

te los cambios de pendiente en la carretera, aumentar su velocidad para impedir que el coche

reduzca su velocidad al pasar del llano a una subida. Sin el radar, el controlador de velocidad del

coche no puede saber que el coche necesita ser acelerado hasta que la velocidad ha disminuido al

empezar la subida.

1.2 Definiciones en controlLos instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como qumica, petro-

qumica, alimen cia, metalrgica, energ ca, tex l, papel, etc., enen su propia terminologa; los

trminos empleados de nen las caracters cas propias de medida y de control y las est cas y

dinmicas de los diversos instrumentos u lizados:

Indicadores, registradores, controladores, transmisores y vlvulas de control.

La terminologa empleada se ha uni cado con el n de que los fabricantes, los usuarios y los orga-

nismos o en dades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentacin

industrial empleen el mismo lenguaje. Las de niciones de los trminos empleados se relacionan

con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995.

Se representan en la gura 1.3 y son las siguientes ( guran entre parntesis los trminos ingleses

equivalentes).

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1.2.1 Campo de medida El campo de medida (range) es el espectro o conjunto de valores de la variable medida que estn

comprendidos dentro de los lmites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepcin o

de transmisin del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

Ejemplo: un manmetro de intervalo de medida 0- 10 bar, un transmisor de presin electrnico de

0-25 bar con seal de salida 4-20 mA c.c. o un instrumento de temperatura de 100-300 C.

Otro trmino derivado es el de dinmica de medida o rangeabilidad (rangeability), que es el co-

ciente entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento. Por ejemplo, una vlvula de

control lineal que regule linealmente el caudal desde el 2% hasta el 100% de su carrera tendr una

rangeabilidad de 100/2 = 50.

Figura 1.3 Definiciones de los instrumentos

1.2.2 AlcanceEl alcance (span) es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de me-

dida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manmetro, de 25 bar para el

transmisor de presin y de 200 C para el instrumento de temperatura.