INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS: …

Universidad Veracruzana

Faculta de Ingeniería Mecánica Eléctrica.

“INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE

CONTROL DE PROCESOS: PRESIÓN,

CAUDAL, TEMPERATURA Y NIVEL”.

TESIS.

Que para obtener el título de:

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA.

PRESENTA:

JOSÉ GUSTAVO LEYVA RETURETA

Xalapa de Enríquez. Ver. Diciembre 2009

INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS: PRESIÓN, CAUDAL, TEMPERATURA Y NIVEL.

José Gustavo Leyva Retureta 2

ÍNDICE

Introducción

Introducción teórica (Conceptos y fundamentos)

Capitulo 1 Fundamentos de la tecnología de control de lazo cerrado.

1.1 ¿Qué es la tecnología de control en lazo cerrado?

1.2 ¿Qué es un sistema?

1.3 Control en lazo abierto y lazo cerrado.

1.4 Terminología básica.

1.5 Sistemas de Control.

1.5.1Descripción de la respuesta dinámica de un sistema de control.

1.6 Controladores

1.6.1 Respuesta de Control.

1.6.2 Tiempo de respuesta de un controlador.

1.6.3 Detalles técnicos de los controladores.

1.7 Modo de operación de varios tipos de sistemas de control.

1.7.1 Controlador Proporcional

1.7.2 Controlador de acción integral.

1.7.3 Controlador P.

1.7.4 Controlador PD.

1.75 Controlador PID.



1.8 Compensadores.

Capitulo 2 Proyección de sistemas de automatización.

2.1 Introducción

2.1.1 Motivación

2.1.2 Configuración de la consola de prácticas

2.1.3 Descripción del proceso de diseño de proyecto.

2.2 Núcleo del Diseño del proyecto - Metodología básica para el diseño de ´

´ proyectos de sistemas de automatización.

2.2.1 Comentarios sobre la configuración del proyecto

2.2.2 Listado de condiciones - Especificación del funcionamiento.

2.2.3 Diagrama de flujo de PI

2.2.4 Diagramas de bloques EMCS

2.2.5 Notas sobre el diseño de proyectos de energía auxiliar

2.2.6 Notas sobre el diseño del proyecto de montaje

2.3 Síntesis del sistema de control en lazo cerrado

2.3.1 Observaciones previas

2.3.2 Análisis del proceso I Modelo de configuración

2.3.3 Controlador de configuración y parametrización

2.4 Selección de dispositivos de automatización


2.4.2 Fundamentos esenciales

2.5 Proceso de medidas de protección



Capitulo 3 Puesta en marcha y Mantenimiento

3.1 Puesta en marcha de los procesos y la automatización de los sistemas.

3.1.1 Observaciones introductorias - Puesta en marcha de la estrategia

3.1.2 Conexión de potencia auxiliar (Parte 1 y Parte 2)

3.1.3 Prueba de control: de lazo cerrado, sistemas de control de binarios y

dispositivos de seguridad

3.1.4 Establecimiento del modo stand by de los procesos técnicos

3.2 Mantenimiento de los sistemas de proceso técnico

3.3 Búsqueda de fallas y control de errores

Capitulo 4 Encontrando Fallas.

4.1 ¿Que se entiende por mantenimiento?

4.1.1 Servicio

4.1.2 Inspección

4.1.3 Reparación

4.2 Reparaciones sistemática en caso de mal funcionamiento

4.2.1 Requisitos previos para la reparación sistemática

4.2.2 Procedimiento

4.3 Encontrar fallos

4.3.1 Detección de fallos sistemáticos

4.3.2 Documentación de error

4.3.3 Análisis de fallas

4.4 Análisis final



Conclusiones.

Bibliografía.

Anexos.



Introducción

El presente trabajo contiene los fundamentos teóricos y prácticos

necesarios para introducirse en los sistemas de control de procesos, bajo el

estudio de variables como lo son: el caudal, la temperatura, el nivel, la presión y la

calidad (Ph).

La característica principal de estos sistemas se centra en el control de lazo

cerrado y en los procesos de automatización, donde cada parte actúa de forma

conjunta para hacer que el sistema sea totalmente independiente y trabaje por sí

solo, es decir sin la intervención del ser humano.

Los altos estándares de producción, las normas de calidad y la creciente

globalización de hoy en día, son las causas principales que han propiciado que los

Ingenieros y otros especialistas, se enfoquen de una manera intensiva en la

ciencia del control automático, por eso es muy importante para los Ingenieros

Mecánicos Electricistas, estudiar y analizar los sistemas que intervienen en los

procesos de producción y la manera de diseñarlos y modificarlos para que

cumplan con las normas y especificaciones de calidad, además de saber cómo:

instalarlos, operarlos y darles mantenimiento.

En el marco de la teoría de control, se realizo este trabajo apoyándose en el

libro de Ingeniería de Control Moderna escrito por Katsuhiko Ogata, del cual se

estudia los aspectos relacionados con los sistemas de control en lazo cerrado y

todas las cuestiones que se involucran en este. En cuanto a las cuestiones

prácticas se respalda con información de los manuales de FESTO Didatc

referentes a la consola de control de procesos, misma a la que está dedicado este

trabajo.

El objetivo principal de este trabajo es una introducción al proceso de

control de sistemas, dando las bases teóricas necesarias y los principales

http://librosdeiq.wordpress.com/2008/06/23/ingenieria-de-control-moderna-katsuhiko-ogata/



aspectos técnicos para entender el funcionamiento de estos procesos sobre una

consola de prácticas, es decir, en este documento se verán los principios

fundamentales sobre los que se basa la tecnología de control y los sistemas de

automatización, por otro lado se entenderá la manera en la que funciona la

consola de prácticas, la forma de operarla, darle mantenimiento y prevenir

accidentes.

Cabe resaltar que este trabajo es esencialmente introductorio y que no

contempla el estudio exhaustivo de control automático de cada variable (presión,

temperatura, nivel, caudal, calidad) sin embargo, sí es el punto de partida para la

elaboración de nuevas tesis enfocadas en el estudio rigoroso de cada variable y

más importante aún, una vez dominados estos estudios se podrá efectuar la

evaluación del proceso en escala de laboratorio y los datos recabados permitirán

el diseño de un equipo a escala industrial, lo cual es algo muy importante y valioso

para los futuros estudiantes. También es importante señalar que este trabajo no es

un manual de prácticas, ni tampoco un libro de problemas de control o

automatización.

En la introducción teórica de este trabajo podemos encontrar cuales son los

conceptos y fundamentos necesarios para la comprensión y asimilación de la

información contenida en este trabajo.

En el Capítulo 1 se estudiara todo lo relacionado con la tecnología de

control en lazo cerrado, definiciones, elementos que lo componen, características

principales etc.

En el Capitulo 2 se aborda todo lo referente a la consola de prácticas que

abarca desde la selección de los elementos, la asignación de tareas, el proceso de

diseño y el modo de configuración.



En el Capitulo 3 se centra en la puesta en marcha de los procesos de la

consola de control, como hacer pruebas, y el análisis de energía auxiliar y equipos

de seguridad.

El Capitulo 4 hace referencia al mantenimiento, inspección, reparación y la

prevención de fallos en la consola de control de procesos.



Introducción Teórica (Conceptos y fundamentos)

Generalidades

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 extras, como por ejemplo la

eliminación de errores en el producto terminado, la sustitución de mano de obra

pasiva y poco capacitada, por personal altamente capacitado y especializado y el

aumento de producción.

El control automático ha desempeñado un papel vital en el avance de la

ingeniería y la ciencia. Además de su gran importancia en los sistemas de

vehículos espaciales, de guiado de misiles, robóticos y análogos. El control

automático se ha convertido en una parte importante e integral de los procesos

modernos industriales y de fabricación. Por ejemplo, el control automático es

esencial en el control numérico de las máquinas-herramienta de las industrias de

manufactura, en el diseño de sistemas de pilotos automáticos en la industria

aeroespacial, y en el diseño de automóviles y camiones en la industria automotriz.

También es esencial en las operaciones industriales de proceso como: el control

de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo.



El uso de las computadoras ha posibilitado la aplicación de ideas de control

automático a sistemas físicos que hace apenas pocos años eran imposibles de

analizar o controlar. Es necesaria la comprensión del principio del control

automático en la ingeniería moderna, por ser de aplicación tan común como el de

los principios de electricidad o termodinámica, siendo por lo tanto, una parte

primordial dentro de la esfera del conocimiento de la ingeniería. También son

tema de estudio los aparatos para control automático, los cuales emplean el

principio de realimentación para mejorar su funcionamiento.

Los avances en la teoría y en la práctica del control automático

proporcionan los medios para conseguir un comportamiento óptimo de los

sistemas dinámicos, mejorar la productividad, simplificar el trabajo de muchas

operaciones manuales, repetitivas y rutinarias, así como de otras actividades, la

mayoría de los ingenieros y especialistas deben tener un buen conocimiento de

este campo.

Conceptos fundamentales

El diseño, la planificación y la realización de los sistemas de control de un

proceso requieren de una comunicación clara y sin ambigüedades entre todas las

partes que lo componen.

Para poder lograr esto, es necesaria una definición clara de todos los

conceptos utilizados, la interrelación de los mismos, saber cuáles son los

estándares de los símbolos gráficos para cada elemento. Estos símbolos nos

ayudan a representar a los sistemas de control o de medición y las tareas de

control, así como su dispositivo de solución relacionadas de una manera simple y

clara.



Sistema de control

El sistema de control está definido como un conjunto de componentes que

pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un

funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de

fallos y se obtengan los resultados buscados. Según su funcionamiento los

sistemas de control pueden clasificarse en: sistemas de control en lazo cerrado y

en sistemas de control en lazo abierto.

El principio del control automático se basa en el sistema de control de lazo

cerrado o sea el empleo de una retroalimentación o medición para accionar un

mecanismo de control que funcione sin intervención humana.

Retroalimentación

Es la propiedad principal de un sistema de lazo cerrado, que permite que la

salida (o cualquier otra variable controlada del sistema) sea comparada con la

entrada al sistema (o con una entrada a cualquier componente interno del mismo

como un subsistema) de manera tal, que se pueda establecer una acción de

control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y la salida.

Un ejemplo claro de un sistema de control automático, es el que se

muestra en la siguiente figura, la cual consiste en un intercambiador de calor que

utiliza el vapor caliente para calentar agua fría, este funciona de la siguiente

manera: la señal de medición hacia el controlador desde el transmisor de

temperatura (o sea el sensor que mide la temperatura) es continuamente

comparada con el valor de referencia (set point en Inglés) ingresado al

controlador. Basándose en una comparación de señales , el controlador

automático puede decir si la señal de medición está por arriba o por debajo del

valor de referencia y mueve la válvula de acuerdo a ésta diferencia hasta que la

medición (temperatura ) alcance su valor final .



En este ejemplo podemos notar que la retroalimentación se da cuando el

controlador hace una comparación entre la señal de referencia y la señal medida

por el sensor y en base al resultado decide mandar o no señal al actuador para

alcanzar el valor deseado.

Controlador

Es un dispositivo que compara los valores de entrada de referencia con los

valores de salida, determina la diferencia que hay entre ellos y produce una señal

de control hacia al actuador que hace que esa diferencia llegue a cero o alcance

un valor menor.

Actuador

Es un dispositivo de potencia que depende de la señal del controlador como

lo es una válvula, un motor hidráulico o eléctrico.



Sensor

Es un elemento de medición que convierte la variable de salida en una

variable manejable. La señal de referencia del controlador debe de tener las

mismas unidades que la señal de retroalimentación del sensor.

Diagrama de bloques

Una representación gráfica de las funciones que llevan a cabo cada

componente y el flujo de señales dentro de un sistema de control

Bloque

El bloque es un símbolo para representar la operación matemática que

sobre la señal de entrada hace el bloque para producir la salida. A diferencia de

una representación matemática puramente abstracta, un diagrama de bloques

tiene una ventaja de indicar de forma más realista el flujo de las señales del

sistema real.

Función de transferencia.

Las funciones de transferencia de los componentes, por lo general se

introducen en los bloques correspondientes, que se conectan mediante flechas

para indicar la dirección del flujo de las señales. La señal solo puede pasar en

dirección de las flechas por lo tanto un diagrama de bloques muestra

explícitamente una propiedad unilateral

La función de transferencia de un sistema, es un modelo matemático que

sirve para expresar la ecuación diferencial que relaciona la variable de salida con

la variable de entrada, esta no muestra la magnitud o naturaleza de la entrada y al

igual que el diagrama de bloques no proporciona información acerca de la

estructura física del sistema.



Elementos de un diagrama de bloques en lazo cerrado.

Punto de suma.

Remitiéndose a la Figura anterior, un círculo con una cruz es el símbolo

que indica una operación de suma. El signo más o el signo menos en cada punta

de flecha indica si la señal debe sumarse o restarse es decir si es una

realimentación positiva o negativa. Es importante que las cantidades que se

sumen o resten tengan las mismas dimensiones y las mismas unidades es aquí

donde se lleva a cabo la actividad del controlador.

Realimentación negativa

Se dice que un sistema está retroalimentado negativamente cuando tiende

a estabilizarse, es decir cuando nos vamos acercando a la orden de consigna

hasta llegar a ella, ejemplo: Un sistema de calefacción está realimentado

negativamente, ya que si la temperatura excede la deseada, la calefacción se

apagará o bajará de potencia, mientras que si no la alcanza aumentará de fuerza

o seguirá funcionando.



Retroalimentación positiva

La retroalimentación positiva es un mecanismo por el cual, una variación

en la salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de

cambio. Por lo general esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio

sino más bien a uno de saturación. Es un estimulo constante, ejemplo: en un

sistema electrónico. Los dispositivos semiconductores conducen mejor la corriente

cuanto mayor sea su temperatura. Si éstos se calientan en exceso, conducirán

mejor, por lo que la corriente que los atraviese será mayor porque se seguirán

calentando hasta su destrucción si no se evita con algún otro dispositivo que límite

o impida el paso de corriente.

Punto de ramificación.

Un punto de ramificación es aquel a partir del cual la señal de un bloque va

de modo concurrente a otros bloques o puntos de suma.

La Figura anterior muestra un ejemplo de un diagrama de bloques de un

sistema en lazo cerrado. La salida C(s) se retroalimenta al punto de suma, donde

se compara con la entrada de referencia R(s). La naturaleza en lazo cerrado del

sistema se indica con claridad en la figura. La salida del bloque, (Cs) en este caso,

se obtiene multiplicando la función de transferencia G(s) por la entrada al bloque,

E(s). Cualquier sistema de control lineal puede representarse mediante un

diagrama de bloques formado por puntos de suma, bloques y puntos de

ramificación.

Sistemas lineales.

Un sistema se denomina lineal si se aplica el principio de superposición.

Este principio establece que la respuesta producida por la aplicación simultánea

de dos funciones de entradas diferentes es la suma de las dos respuestas

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor



individuales. Por tanto, para el sistema lineal, la respuesta a varias entradas se

calcula tratando una entrada a la vez y sumando los resultados. Este principio

permite desarrollar soluciones complicadas para la ecuación diferencial lineal a

partir de soluciones simples.

Sistemas lineales invariantes y variantes con el tiempo.

Una ecuación diferencial es lineal si sus coeficientes son constantes o son

funciones solo de la variable independiente. Los sistemas dinámicos formados por

componentes de parámetros concentrados lineales invariantes con el tiempo se

describen mediante ecuaciones diferenciales lineales invariantes con el tiempo (de

coeficientes constantes). Tales sistemas se denominan sistemas lineales

invariantes con el tiempo (o lineales de coeficientes constantes). Los sistemas que

se representan mediante ecuaciones diferenciales cuyos coeficientes son

funciones del tiempo, se denominan sistemas lineales variantes con el tiempo.

Señales de entrada

En el análisis y diseño de sistemas de control, debemos tener una base de

comparación del desempeño de diversos sistemas de control. Esta base se

configura especificando las señales de entrada y comparando las respuestas de

varios sistemas a estas señales de entrada.

Si las entradas para un sistema de control son funciones del tiempo que

cambian en forma gradual, una función rampa sería una buena señal de prueba.

Si el sistema está sujeto a perturbaciones repentinas, una función escalón sería la

adecuada; y para un sistema sujeto a entradas de choque, una función impulso

sería la mejor.



Función impulso unitario

(En el tiempo)

f(t) = d(t)

(En la frecuencia)

F(s) = 1

Función escalón unitario

(En el tiempo)

f(t) = (t)

(En la frecuencia)

F(s) = 1/s

Función rampa

(En el tiempo)

f(t) = t

(En la frecuencia)

F(s) = 1/s2



Respuesta:

La respuesta en el tiempo de un sistema de control consta de dos partes: la

respuesta transitoria y la respuesta en estado estable.

Por respuesta transitoria nos referimos a la que va del estado inicial al

estado final.

Por respuesta en estado estable, nos referimos a la manera en la cual se

comporta la salida del sistema conforme t tiende a infinito

Si la salida de un sistema de control en estado estable no coincide

exactamente con la entrada, se dice que el sistema tiene un error de estado

estable. Este error indica la precisión del sistema. Al analizar un sistema de

control, debemos examinar el comportamiento de la respuesta transitoria y el

comportamiento en estado estable.



Capitulo 1 Fundamentos de la tecnología de control de lazo cerrado.



1.3 Control en lazo abierto y lazo cerrado.

1.4 Terminología básica.

1.5 Sistemas de Control.

1.5.1Descripción de la respuesta dinámica de un sistema de control.

1.6 Controladores

1.6.1 Respuesta de Control.

1.6.2 Tiempo de respuesta de un controlador.

1.6.3 Detalles técnicos de los controladores.

1.7 Modo de operación de varios tipos de sistemas de control.

1.7.1 Controlador Proporcional

1.7.2 Controlador de acción integral.

1.7.3 Controlador P.

1.7.4 Controlador PD.

1.75 Controlador PID.

1.8 Compensadores.



Este capítulo describe las diferencias entre un sistema de control en lazo

cerrado y un sistema de control en lazo abierto y da una introducción a la

tecnología de control en lazo cerrado.

Los objetivos de esta capitulo son:

Reconocer los sistemas de control en lazo cerrado.

Analizar los sistemas de control en lazo cerrado.

Comprender la interacción entre los sistemas individuales.

Establecer un controlador.

Evaluar la respuesta de control.


Las variables tales como la presión, la temperatura, el nivel, o el caudal a

menudo son parte de un conjunto de equipos muy elaboradas o grandes

sistemas. Estos sistemas no deben de cambiar cuando ocurren variaciones. La

ingeniería de control se ocupa de todos los problemas que acurran dentro de estos

sistemas.

La variable controlada es la primera medida y una señal eléctrica se creará

para permitir al controlador independiente del lazo cerrado controlar esta variable.

El valor medido en el controlador debe compararse con el

valor deseado o la curva del valor deseado. El resultado de esta comparación

determina cualquier acción que se necesite tomar.

Finalmente, un lugar adecuado se debe encontrar en el sistema, donde la

variable controlada puede ser influenciada (por ejemplo, el accionamiento de un

sistema de calefacción). Esto requiere el conocimiento de cómo se comporta el

sistema.



La Tecnología de control en lazo cerrado es muy amplia, es decir se puede

aplicar a cualquier tipo de tecnologías. La mayoría de los libros de texto describen

esto con la ayuda de matemáticas avanzadas. Este capítulo describe los

fundamentos de la tecnología de control en lazo cerrado con el mínimo uso de las

matemáticas.

Variable de referencia:

En los sistemas en lazo cerrado la tarea es mantener la variable controlada

en el valor deseado o para seguir la curva del valor deseado. Este valor deseado

es conocido como la variable de referencia.

Variable controlada:

La variable que está sujeta a control se denomina variable controlada.

Ejemplos de las variables controladas son:

La presión de una prensa hidráulica

La temperatura en un baño de galvanizado

Caudal de refrigerante en un intercambiador de calor

Concentración de una sustancia química en un recipiente de mezcla

Velocidad de avance de una máquina herramienta con accionamiento

eléctrico

Variable Manipulada:

La variable controlada en cualquier sistema puede ser influenciada. Esta

influencia permite a la variable controlada modificarse para ajustarse a la de

referencia. La variable influenciada de esta manera es llamada variable



manipulada. Es decir la variable manipulada es el resultado de la modificación que

sufre la variable controlada al comparase con la variable de referencia.

Ejemplos de la variable Manipulada son:

Posición de una válvula neumática de control de presión.

Voltaje aplicado al calentador eléctrico de un baño de galvanizado.

La posición de la válvula de control en la línea de alimentación de

refrigerante.

Posición de una válvula en una línea de alimentación de productos

químicos.

Voltaje en la armadura de un motor de CC.

Sistema de Control:

Existen complejas relaciones entre la variable manipulada y la variable

controlada. Estas relaciones son resultado de la interdependencia física de las

dos variables. La parte del control que describe los procesos físicos se llama

sistema de control.


El sistema de control tiene una variable de entrada y una variable de salida.

La respuesta del sistema se describe en términos de dependencia de la variable

de salida y la variable de entrada. Estas respuestas tienen entre una o varias

variables normalmente puede ser descritas mediante ecuaciones matemáticas

basadas en leyes físicas. Estas relaciones físicas pueden ser determinadas por la

experimentación. Los sistemas de control se muestran como un bloque con la

entrada adecuada y de variables de salida (ver fig. 1-1).



Ejemplo:

Una tina con agua se debe mantener a una temperatura constante. El agua

de la tina se calienta por un serpentín a través del cual pasa un flujo de vapor. El

flujo de tasa de vapor de agua se puede establecer por medio de una válvula de

control. Aquí el sistema de control consta de la colocación de la válvula de control

y de la temperatura del agua de la tina. Este resultado es un sistema controlado

con la variable de entrada "temperatura del baño de agua" y la variable de salida

"posición de válvula de control "(ver fig. 1-2).

Las siguientes secuencias toman un lugar en el seno del sistema de control:

La posición de la válvula de control afecta a la velocidad de flujo de vapor a

través del serpentín.

La tasa de flujo de vapor determina la cantidad de calor que pasa al agua

de la tina.

La temperatura del baño aumenta si la entrada de calor es mayor que la

pérdida de calor y viceversa.



Estas secuencias dan la relación entra la variable de entrada y la variable

de salida.

Ventaja de crear un sistema:

La ventaja de crear un sistema con variables de entrada y salida y

representar el sistema como un bloque consiste en que esta representación

señala el problema del equipo específico usado y permite una vista (opinión)

genérica. Pronto veremos que todo tipo de sistemas de control pueden demostrar

la misma respuesta y por lo tanto pueden ser tratados de la misma manera, la

sección 1.4 contiene más información sobre el comportamiento de los sistemas de

control y su descripción.

1.3 Control en lazo abierto y en lazo cerrado.

Habiendo definido el término "sistema de control" es necesario dar las

definiciones de control en lazo cerrado y en lazo abierto de acuerdo a las normas.

Primero es necesario entender totalmente la diferencia entre el control de lazo

abierto y el control de lazo cerrado.

Sistema de control en lazo abierto:

La norma Alemana DIN 19 226 define el control de lazo abierto como un

proceso que ocurre en un sistema, donde por una o varias variables en forma de

variables de entrada, estas ejercen influencia sobre otras variables en forma de

variables de salida por razón de las leyes que caracterizan el sistema.

El rasgo que distingue el control de lazo abierto es la naturaleza abierta de

su acción, es decir la variable de salida no tiene ninguna influencia sobre la

variable de entrada.



Ejemplo

El flujo Volumétrico es fijado por el ajuste de una válvula de control, a

presión constante, el flujo volumétrico es directamente bajo la influencia de la

posición de la válvula de control. Esta relación entre el ajuste de válvula de control

y el flujo volumétrico puede ser determinada mediante la ecuación física o por el

experimento. Esto causa la definición de un sistema que consiste en "la válvula"

con la variable de salida " el flujo volumétrico " y la variable de entrada " el ajuste

de válvula de control " (Fig. 1-3).

Este sistema puede ser controlado mediante el ajuste de la válvula de

control. Esto permite obtener el caudal que se desea establecer. Sin embargo, sí

la presión aplicada fluctúa, el caudal también va a fluctuar. En este sistema

abierto, el ajuste debe realizarse de forma manual. Si este ajuste se llevara a cabo

de forma automática, el sisma deberá tener control de lazo cerrado.

Sistema de control en lazo cerrado:

La norma DIN 19 226 define al sistema de control en lazo cerrado como un

proceso donde la variable controlada es continuamente monitoreada y comprada



con la variable de referencia. Dependiendo del resultado de esta comparación la

variable de entrada para este sistema es influenciada, para ajustar la variable de

salida al valor deseado, a pesar de las perturbaciones. Esto da a lugar a la acción

de control en lazo cerrado.

Esta definición teórica puede aclararse con el ejemplo de control de flujo

volumétrico manual anteriormente descrito, ahora la variable de entrada la controla

el mismo equipo sin la intervención del hombre, es decir es automática.

Desviación:

El resultado que se obtiene de comprar el valor medido menos el valor

deseado es llamado desviación.

Ejemplo:

El flujo volumétrico (variable de salida) debe ser mantenido en un valor

predeterminado, que es la variable de referencia, primero se hace una medida del

flujo volumétrico y esta medida es convertida en una señal eléctrica, esta señal es

pasada al regulador y comprada con el valor deseado, la desviación presentada,

traducida en señal eléctrica es enviada al controlador que ejerce la acción de

control sobre la variable manipulada.

Elemento Manipulado:

Con el fin de controlar automáticamente la válvula de control con la ayuda

de la desviación, es necesario un motor de accionamiento eléctrico o solenoide

proporcional. Esto permite el ajuste de la variable controlada. Esta parte es

llamada elemento de manipulación (Fig. 1-4).



El regulador ahora pasa a una señal al elemento de manipulación (válvula

de control) con el valor de la desviación. Si existe una desviación negativa, es

decir el valor de medición del caudal es mayor que el valor deseado (variable de

referencia) la válvula se cierra a un más. Si hay una gran desviación positiva, que

es cuando el valor medido es inferior al valor deseado, la válvula se abre más.

El ajuste de la variable de salida no es normalmente el ideal ¿por qué?

Si la intervención es demasiado rápida y demasiado grande, la influencia al

final de la entrada del sistema es demasiado grande. Esto causa grandes

fluctuaciones en la salida.

Si la influencia es lenta y pequeña, la variable de salida sólo se acercará al

valor deseado.

Además, los diferentes tipos de sistemas de control requieren diferentes

estrategias de control. Los sistemas que responden lentamente deben ajustarse

cuidadosamente y con premeditación. Esto describe algunos de los problemas que

enfrenta el Ingeniero de Control en sistemas de lazo cerrado.



El diseño de un sistema de control de lazo cerrado requiere los pasos

siguientes:

Determinar la variable manipulada (es decir, definir el sistema de control).

Determinar el comportamiento del sistema de control.

Determinar la estrategia de control para el sistema de control

(comportamiento del “controlador” del sistema).

Seleccionar la medición (sensores) y los elementos de la manipulación

(actuadores).

1.4 Terminología Básica

En la introducción teórica pudimos estudiar los conceptos básicos y los

antecedentes necesarios para poder adentrarnos al estudio de sistemas de

control, por otro lado en la sección 1.3 se estudia la diferencia entre control de lazo

abierto y control de lazo cerrado, con el ejemplo del flujo volumétrico para el

control de la válvula.

Además se aborda el principio básico de control de lazo cerrado y la

terminología básica. Usando este ejemplo, se echa un vistazo más especializado a

la tecnología de sistemas de control en lazo cerrado.

Variable controlada X:

El objetivo de cualquier sistema de control en lazo cerrado es mantener una

variable en un valor deseado o en una curva de valor deseado. La variable a ser

controlado es conocida como la variable controlada X. En nuestros ejemplos

anteriores ah sido el flujo volumétrico.



Variable manipulada Y:

El control automático de lazo cerrado solo puede ocurrir, si la maquina o el

sistema ofrecen una posibilidad para influir en la variable controlada; es llamada

variable manipula Y la variable que puede ser cambiada para influir sobre la

variable controlada. En nuestro ejemplo de flujo volumétrico para el

posicionamiento del solenoide, la variable manipulada es comparada con la

variable de referencia y la diferencia es el valor de la desviación.

Variable de perturbación Z:

Los disturbios ocurren en cualquier sistema de control. De hecho, las

alteraciones son a menudo la razón por la cual se requiere un control de lazo

cerrado. En nuestro ejemplo, la presión aplicada cambia el flujo volumétrico y

requiere un cambio de ajuste de la válvula de control. Llamamos a tal influencia

variable de perturbación Z, esta variable es debida a condiciones externas del

sistema, otro ejemplo pudieran ser las fluctuaciones de voltaje.

El sistema de control es la parte de una maquina controlada o la planta en

la cual la variable controlada debe ser mantenida en el valor de la variable de

referencia. El sistema controlado puede ser representado como un sistema con la

variable controlada como la variable de salida y la variable manipulada como la

variable de entrada. En el ejemplo de control de flujo volumétrico, el sistema de

control está conformado por la tubería, la válvula de control y aditamentos para el

control.

Variable de referencia W:

La variable de referencia es también conocida como el punto de ajuste.

Representa el valor deseado de la variable controlada. La variable de referencia



puede ser constante o puede variar con el tiempo. El verdadero valor instantáneo

de la variable controlada se llama valor real de W.

Desviación xd:

El resultado de la comparación de la variable de referencia y la variable

controlada es la desviación xd:

Xd= W-X

Respuesta de control:

La respuesta de control indica como el sistema de control, reacciona a los

cambios de la variable de entrada. La determinación de la respuesta de control es

uno de los objetivos de la tecnología de control en lazo cerrado.

Controlador:

El controlador tiene la tarea de mantener la variable controlada lo mas cerca

posible a la variable de referencia. El controlador compara constantemente el valor

de la variable controlada con el valor de la variable de referencia, de esta

comparación y de la respuesta de control, el controlador determina y cambia el

valor de la variable manipulada (Fig. 1-5).



Elementos manipulados y servo-motor:

El elemento manipulado ajusta la variable controlada. El elemento de

manipulación normalmente es accionado por un servo-motor. Se requiere un

servo-motor para que el controlado pueda actuar sobre el elemento de

manipulación directamente. En nuestro ejemplo de control de flujo volumétrico, el

elemento de manipulación es la válvula de control.

Elemento de medición:

A fin de que la variable de control sea accesible para el controlador, debe

ser medida por un elemento de medición (sensores, transductores) y se convierte

en una señal eléctrica que puede ser procesada por el controlador.

Lazo cerrado.

El lazo cerrado contiene todos los componentes necesarios para el control

automático de lazo cerrado (Fig. 1-6).



1.5 Sistema controlado

El sistema de control es la parte de una maquina o planta en el que la

variable controlada, debe ser mantenida en el valor deseado y en compensar las

variables de perturbación. Las variables de entrada al sistema de control incluyen

no solo la señal de salida, sino también las variables de perturbación.

Antes de que un controlador se pueda definir para un sistema de control, el

comportamiento del sistema de control debe ser conocido. El Ingeniero de Control

no está interesado en los procesos técnicos n el sistema de control, solo en el

comportamiento del sistema.

Respuesta dinámica de un sistema:

La respuesta dinámica de un sistema (también llamada respuesta en el

tiempo) es un aspecto importante. Es el tiempo característico de la variable de

salida (variable controlada) para los cambios en la variable de entrada.

Particularmente importantes es el comportamiento cuando se cambia la variable

manipulada.

El Ingeniero de Control debe comprender que casi todos los sistemas tienen

una respuesta dinámica característica.

Ejemplo 1:

En el ejemplo de la tina con agua de la sección 1.2 (Fig. 1-2) un cambio del

ajuste de la válvula de vapor inmediatamente no cambiaría la temperatura de

variable de salida, más bien la capacidad calorífica del baño maría, hará que la

temperatura “se arrastre” al nuevo equilibrio.



Ejemplo 2:

En el ejemplo de una válvula para el control del flujo volumétrico, la

respuesta es rápida, aquí, un cambio en la configuración de la válvula tiene un

efecto inmediata sobre el flujo volumétrico, por lo que el cambio en la señal de

salida volumétrica cambia inmediatamente después de la señal de entrada cuando

la válvula de control se ajusta (Fig.1-8)



En ambos ejemplos se puede ver la respuesta dinámica a la señal escalón

con el ejemplo 1 la señal de salida cambia lentamente y en el ejemplo 2 el cambio

es casi inmediato.

1.5.1 Descripción de la respuesta dinámica de un sistema de control.

En los ejemplo mostrados en las Fig. 1-7 y Fig. 1-8, el tiempo de respuesta

se mostro suponiendo un cambio repentino en la variable de entrada, este es un

método comúnmente utilizado para establecer el tiempo de respuesta del sistema.

Respuesta escalón:

La respuesta de un sistema a un cambio repentino de la variable de entrada

se llama respuesta escalón. Cada sistema se caracteriza por su respuesta

escalón. La respuesta escalón también permite que un sistema sea descrito con

formulas matemáticas.



Respuesta Dinámica:

Esta respuesta puede ser descrita también como la respuesta escalón, de

la señal de salida y todo esto varia con el tiempo. Se puede ver un claro ejemplo

en la Fig. 1-9 donde la variable manipulada Y de repente es aumentada (vease el

diagrama izquierdo). La respuesta escalón de la variable controlada X es un

proceso de estabilización transitoria, diagrama de la derecha.

Equilibrio:

Otra característica de un sistema, es su comportamiento en el equilibrio,

comúnmente llamado comportamiento estático.

Comportamiento estático:

El comportamiento estático de un sistema se alcanza cuando ninguna de

las variables cambian con el tiempo. El equilibrio se alcanza cuando el sistema se

ha instalado, este estado se puede mantener por tiempo ilimitado. La variable de

salida depende de la variable de entrada esta dependencia se muestra por la

característica del sistema.



Ejemplo:

La característica de la “válvula” del baño de agua de nuestro ejemplo

anterior, muestra la relación entre el flujo volumétrico y la posición de la válvula

(Fig. 1-10).

La curva característica muestra si el sistema es un sistema lineal o no

lineal. Si la curva característica es una línea recta, el sistema es lineal o ideal. En

la válvula de nuestro “sistema”, la curva característica no es lineal.

Muchos sistemas de control que se pueden obtener en la práctica no son

lineales. Sin embargo, a menudo puede ser aproximado por una característica

lineal en el rango en el que se explotan.



1.6 Controladores.

En la sección anterior se estudio los sistemas de control, enfocándose en la

parte del sistema que está controlada por diferentes tipos de controladores. Esta

sección se enfocara en estudiar estos controladores.

El controlador es el dispositivo de un sistema de control en lazo cerrado que

se encarga de comprar el valor medido (valor real) con el valor deseado y luego

calcula y emite la señal de salida. La sección anterior ha mostrado que los

sistemas de control pueden tener respuestas muy diferentes. Existen sistemas que

responden rápidamente, los sistemas que responden muy lentamente y los

sistemas con la propiedad de almacenamiento.

Para cada uno de los sistemas de control, los cambios en la variable

manipulada deben llevarse a cabo de una manera diferente. Por esa razón, hay

varios tipos de tratamiento, cada uno con su respuesta de control. El Ingeniero de

Control tiene la tarea de seleccionar el controlador con las respuestas de control

más adecuadas para el sistema de control que esté aplicando.

1.6.1 Respuesta de control.

La respuesta de control es la forma en que el controlador deriva la señal de

salida de la desviación del sistema. Hay dos grandes categorías: Los

controladores de acción continua y los controladores de acción no continua.

Control de acción continúa:

La variable manipulada del controlador de acción continúa, cambia

continuamente dependiendo de la desviación del sistema. Controladores de este

tipo dan el valor de la desviación del sistema como una señal de accionamiento

directo para el elemento manipulado. Un ejemplo de este tipo de controlador es el



gobernador centrífugo. Cambia su momento de inercia dependiendo de la

velocidad y por lo tanto tiene una influencia directa en la velocidad.

Controlador de acción no continúa:

La variable manipulada de un controlador de acción no continua, sólo puede

ser cambiado en los pasos establecidos, el controlador de la acción no continua

más conocido es el control de dos etapas que solo puede asumir las condiciones

de “encendido” o “pagado”.

Un ejemplo es el termostato de una plancha, se ajusta la corriente eléctrica

para que el elemento de calefacción o resistencia adquiera la temperatura

deseada o se apague el sistema.

Esta sección solo se ocupa de los controladores de acción continua ya que

estos son más comúnmente utilizados en la tecnología de automatización.

Además, los fundamentos de la tecnología de lazo cerrado pueden ser explicados

mejor como un ejemplo mediante el control de acción continúa.



1.6.2 Tiempo de respuesta de un controlador

Cada sistema de control tiene su propio tiempo de respuesta. Este tiempo

de respuesta depende del diseño de la maquina o sistema y no puede ser

influenciada por el Ingeniero de Control. El tiempo de respuesta del sistema de

control debe de ser establecido mediante la experimentación o el análisis teórico.

El controlador es también un sistema de respuesta y tiene su propio tiempo. Este

tiempo de respuesta será especificado por el Ingeniero de Control a fin de lograr

un buen control de rendimiento.

El tiempo de respuesta de un controlador continúo de acción está

determinada por tres componentes:

Componente proporcional (componente P)

Componente integral (componente I)

Componente derivativo (componente D)

A continuación veremos como las designaciones anteriores indican cómo se

calcula la señal de salida a partir de la desviación del sistema.

Controlador Proporcional:

En el controlador proporcional, la variable manipulada de salida es

proporcional a la desviación del sistema. Si la desviación del sistema es grande, el

valor de la variable manipulada es grande. Si la desviación del sistema es

pequeña, el valor de la variable manipulada es pequeño. Como la señal de salida

es proporcional a la desviación del sistema, la señal de salida sólo está presente si

hay una desviación del sistema. Por esta razón, un controlador proporcional por sí

solo no puede lograr un sistema de desviación de cero. En este caso no hay

variable manipulada y por tanto no habría ningún control.



Controlador de acción integral:

Una acción integral añade la desviación del sistema en el tiempo, es decir

que se ha integrado. Por ejemplo, si una desviación del sistema está

constantemente presente, el valor de la variable manipulada sigue aumentando,

ya que depende de la suma en el tiempo. Sin embargo, como el valor de la

variable manipulada sigue aumentando, el sistema disminuye la desviación. Este

proceso continua hasta que la desviación del sistema es cero. Los controladores

de acción integral o componentes integrales en los controladores son los utilizados

para evitar la desviación de sistema permanente.



Controlador de acción derivativa:

El componente derivativo evalúa la velocidad del cambio de la desviación

del sistema. Esto también se llama diferenciación de la desviación del sistema. Si

la desviación del sistema está cambiando rápidamente, la señal de salida es

grande. Si la desviación del sistema es pequeña, el valor de la variable

manipulada es pequeño. Un controlador con componente derivativa, por sí sola no

tiene ningún sentido.

Un controlador puede constar de un solo componente, por ejemplo un

controlador I, P o D. El controlador también puede ser una combinación de varios

componentes, la forma mas común de control continuo de la acción es el

controlador PID, sin embargo también se ocupan los controladores del tipo PI o

PD.

1.6.3 Los detalles técnicos de los controladores.

Los controladores en la tecnología de automatización, son casi

exclusivamente eléctricos o electrónicos, aunque los controladores mecánicos y

neumáticos son a menudo ejemplos en los libros de texto, estos casi nunca se

encuentran en los sistemas industriales modernos.



Los controladores eléctricos y electrónicos trabajan con señales eléctricas

de entrada y de salida. Los transductores son sensores que convierten las

variables físicas en voltaje o corriente. Los elementos de manipulación y servo

accionamientos son operados por salidas de corriente o voltaje. Teóricamente, no

hay límite de rangos para estas señales. En la práctica, sin embargo, se han

estandarizado rangos para los controladores:

Rango de entrada Rango de salida

Voltaje 0…10v -10…+10V

Corriente 0…20mA 4…20mA

El procesamiento interno de señales en el controlador, puede ser analógico

con circuitos de amplificador operacional o digital con los sistemas de

microprocesadores.

En los circuitos con amplificadores operaciones, los voltajes y las corrientes

se procesan directamente en los módulos adecuados.

En el procesamiento digital de señales analógicas, primero se convierten en

señales digitales, después del calcula de la variable manipulada en

microprocesador, el valor digital se convierte de nuevo en un valor

analógico.

Aunque teóricamente estos dos tipos de tratamiento tienen que ser de

manera muy distinta, no hay ninguna diferencia en la aplicación práctica de los

controladores clásicos.



1.7 Modo de funcionamiento de los distintos tipos de controladores.

Esta sección explica la respuesta de control de los distintos tipos de

controladores y la importancia de sus parámetros. Al igual que en la explicación de

los sistemas de control, la respuesta de escalón se utiliza para la descripción, la

variable de salida del controlador es la desviación del sistema, es decir, la

diferencia entre el valor deseado y el valor real de la variable controlada.

1.7.1 El controlador proporcional.

En el caso del controlador proporcional, la señal de accionamiento es

proporcional a la desviación del sistema. Si la desviación del sistema es grande, el

valor de la variable manipulada es grande. Si la desviación del sistema es

pequeña, el valor de la variable manipulada es pequeño. El tiempo de respuesta

del controlador P en el estado ideal es exactamente la misma que la variable de

entrada (Fig. 1-15).

La relación de la señal de salida a la desviación del sistema es el

coeficiente proporcional o ganancia proporcional. Estos son designados por Xp,

Kp o similares. Estos valores pueden ser establecidos en un controlador P. Se

determina la forma de la señal de salida a partir del cálculo de la desviación del

sistema por lo tanto la ganancia proporcional se calcula como: Kp= Y0 / X0



Si la ganancia proporcional es demasiado alta (Y0 >> X0) , el controlador

realizara grandes cambios sobre el elemento de manipulación, si la ganancia

proporcional es demasiado pequeña, la respuesta del controlador será demasiado

débil lo cual nos dará como resultado un control insatisfactorio.

Un paso en la desviación del sistema también se traducirá en un paso en la

variable de salida. El tamaño de este paso depende de la ganancia proporcional.

En la práctica, los controladores suelen tener un tiempo de retraso, que es un

cambio en la señal manipulada, la cual no se realiza hasta que un cierto tiempo

haya transcurrido después de un cambio de la desviación del sistema. En los

controladores eléctricos, este tiempo de retraso normalmente se puede establecer.

Una propiedad importante del controlador P es que, como consecuencia de

la rígida relación entre la desviación del sistema siempre permanecen. El

controlador P no puede compensar esta desviación del sistema restante.

El controlador proporcional es utilizado para “controlar teniendo en cuenta el

presente”, es decir, el error actual es multiplicado por una ganancia constante (Kp)

y aplicado al actuador. Como es obvio, cuando el error es cero, la salida de este

regulador también es cero, por lo que junto a la señal de control proporcional

habría que añadir un offset, o también conocido como bias, que permitiese al valor

de salida seguir a la señal de referencia.

1.7.2 El controlador I

El controlador I añade la desviación del sistema en el tiempo. Se integra la

desviación del sistema. Como resultado, la tasa de cambio (y no el valor) de la

señal de salida es proporcional a la desviación del sistema. Esto se demuestra por

la respuesta de escalón del controlador I, si la desviación del sistema aumenta de

repente, la variable manipulada aumenta continuamente. Cuanto mayor es la



desviación del sistema, mayor será el aumento de la variable manipulada (Fig. 1-

16).

Por esta razón, el controlador I no es adecuado para compensar la

desviación del sistema. Si la desviación del sistema es grande, los cambios de

variables manipuladas cambian rápidamente, como resultado, la desviación del

sistema se hace más pequeña y la variable manipulada cambia más lentamente

hasta que se alcance el equilibrio.

Sin embargo, un controlador I puro no es apto para la mayoría de los

sistemas de control, ya que causa oscilaciones en el circuito de lazo cerrado o

responde con demasiada lentitud a la desviación del sistema en los sistemas con

un tiempo de retraso grande. En la práctica, casi no hay controladores I puros.

En otras palabras la acción integral da una respuesta proporcional a la

integral del error. Esta acción elimina el offset, pero se obtiene una mayor

desviación del set point, la respuesta es más lenta y el periodo de oscilación es

mayor que en el caso de la acción proporcional.



1.7.3 El controlador PI

El controlador PI combina el comportamiento del controlador P y el

controlador I. Esto permite que las ventajas de ambos tipos de controlador se unan

y nos den como resultado: la reacción rápida y la compensación de la desviación

del sistema restante. Por esta razón, el controlador PI puede ser utilizado para un

gran número de sistemas controlados. Además de la ganancia proporcional, el

controlador PI tiene un mayor valor de la característica que indica el

comportamiento del componente I: el tiempo de reposición (el tiempo de acción

integral).

Tiempo de reposición o reajuste:

El tiempo de reposición es una medida de qué tan rápido el controlador

restablece la señal de salida (además de la señal de salida generados por el

componente P) para compensar la desviación del sistema, en otras palabras: el

tiempo de reposición es el período por el cual el controlador PI es más rápido que

el controlador I puro. Comportamiento se muestra por la curva de tiempo de

respuesta del controlador PI (Fig. 1-17).



El tiempo de reajuste es una función de la ganancia proporcional Kp, la tasa

de cambio de la señal de salida es más rápida para una mayor ganancia. En el

caso de un largo tiempo de reposición, el efecto de la componente integral es

pequeño, al igual que la suma de la desviación del sistema con la señal de entrada

es lenta. El efecto de la componente integral es grande, si el tiempo de reposición

es corto.

La eficacia o eficiencia del controlador PI, se incrementa con el aumento de

ganancia Kp y con el aumento de la componente I, es decir, disminución de tiempo

de reposición, sin embargo, si estos dos valores son demasiado extremos, la

intervención del Contralor es muy grande y el control de lazo cerrado empieza a

oscilar, la respuesta entonces se vuelve inestable. El punto en que comienza la

oscilación es diferente para cada sistema controlado y debe ser determinado.

1.7.4 El controlador PD

El controlador PD consta de una combinación de acción proporcional y

acción derivativa. La acción derivativa describe la tasa de cambio de la desviación

del sistema. Cuanto mayor es esta tasa de cambio (que es el tamaño de la

desviación del sistema durante un período determinado) mayor es el componente

diferencial. Además de la respuesta de control del controlador P puro, grandes

desviaciones del sistema se encuentran con respuestas muy breves pero de gran

tamaño. Esto se expresa mediante la derivada de acción (tasa de tiempo).

Tiempo de acción derivativa:

El tiempo de acción derivativa Td es una medida de qué tan rápido un

controlador PD compensa un cambio en la variable controlada de un controlador P

puro. Un salto en la señal de salida compensa una gran parte de la desviación del

sistema antes que un controlador P puro. El componente de P por lo tanto parece

responder antes por un período igual a la tasa de tiempo (Fig. 1-18).



Existen dos desventajas en el controlador PD cuando se utiliza. En primer

lugar, no puede compensar completamente las desviaciones del sistema. En

segundo lugar, un componente de D ligeramente excesivo conduce rápidamente a

la inestabilidad del de lazo cerrado. El sistema de control entonces tiende a

oscilar.

1.7.5 Controlador PID

Además de las propiedades del controlador PI, el controlador PID se

complementa con el componente de D. Esto toma la tasa de cambio de la

desviación del sistema en cuenta.

Si la desviación del sistema es grande, el componente D garantiza un

cambio muy alto momentáneo en la señal de salida; mientras que, si la influencia

de la componente D cae de inmediato, la influencia de los aumentos de la

componente I caen lentamente; Si el cambio de desviación, del sistema es ligero,

el comportamiento del componente D es insignificante (véase la sección 1.6.2).

Este comportamiento tiene la ventaja de una respuesta más rápida y una

más compensación rápida de la desviación del sistema en caso de cambios o



variables de perturbación. La desventaja es que el bucle de control de lazo

cerrado es mucho más propensa a la oscilación y que la elaboración de tal

sistema es por tanto más difícil, la Fig. 1-19 muestra el tiempo de respuesta de un

controlador PID.

Tiempo de acción derivativa.

Como resultado del componente derivativo, este tipo de controlador es más

rápido que un controlador P o un controlador PI. Esto se manifiesta en el derivado

de la acción en tiempo Td. La derivada en tiempo de acción es el plazo por el que

un controlador PID es más rápido que el controlador PI.

1.8 Compensadores

La compensación es la modificación de la dinámica del sistema, realizada

para satisfacer la especificaciones determinadas, el diseñador trata de satisfacer

todos los requerimientos mediante la repetición juiciosa del método de prueba y

error. Ajustar la ganancia es el primer paso, sin embargo en muchos casos

prácticos, no basta ajustar la ganancia del sistema para cumplir con las

especificaciones dadas. Con frecuencia, aumentar la ganancia mejora el

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml



funcionamiento estacionario, pero redunda en una estabilidad pobre. En tal caso

es necesario rediseñar el sistema para alterar el funcionamiento global, de manera

que el sistema se comporte en la forma deseada. Este rediseño se denomina

compensación y al dispositivo que se inserta se le denomina compensador. El

compensador modifica el desempeño con déficit del sistema original.

Compensadores

Se han utilizado numerosos dispositivos físicos como compensadores.

Entre las muchas clases de compensadores, ampliamente utilizados, están los de

adelanto, de atraso, de atraso-adelanto y compensadores con retroalimentación

de velocidad. Los compensadores pueden ser dispositivos electrónicos, o redes

eléctricas, mecánicas, neumáticas, hidráulicas o alguna combinación de ellas.

Compensación en serie y compensación en paralelo

Las figuras (a) y (b) muestran los esquemas de compensación que suelen

utilizarse para los sistemas de control realimentados. La figura (a) contiene la

configuración en la que el compensador Gc(s) se coloca en serie con la planta.

Este esquema se denomina compensación en serie.

Una alternativa a la compensación en serie es la realimentación de las

señales de algunos elementos y la colocación de un compensador en la

trayectoria de realimentación interna resultante, como se aprecia en la figura (b).

Esta compensación se denomina compensación mediante realimentación ó

compensación en paralelo.

Al compensar los sistemas de control, observamos que, por lo general, el

problema termina en un diseño conveniente de un compensador en serie o

mediante realimentación. La elección entre la compensación en serie y la

compensación mediante realimentación depende de la naturaleza de las señales

http://www.monografias.com/trabajos15/indicad-evaluacion/indicad-evaluacion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/teorsist/teorsist.shtml#retrp

http://www.monografias.com/trabajos13/cinemat/cinemat2.shtml#TEORICO

http://www.monografias.com/Computacion/Redes/

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/control/control.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/filo/filo.shtml



del sistema, los niveles de potencia en los diferentes puntos, los componentes

disponibles, la experiencia del diseñador, las consideraciones económicas, tec.

En general, la compensación en serie es mas sencilla que la compensación

mediante realimentación; sin embargo aquella requiere con frecuencia de

amplificadores adicionales para incrementar la ganancia y/o ofrecer un

aislamiento. Observe que, la cantidad de componentes de la compensación en

paralelo será menor que la cantidad de compensación en serie, siempre y cuando

se tenga una señal adecuada, debido a que la transferencia se da de un nivel de

potencia más alto a un nivel más bajo.

Al analizar los compensadores, solemos utilizar términos como compensación en

adelanto, compensación en atraso y compensación adelanto – atraso. En este

trabajo explicaremos solo la compensación en adelanto y en atraso.

http://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtml



Capitulo 2

Proyección de sistemas de automatización.

2.1 Introducción

2.1.1 Motivación

2.1.2 Configuración de la consola de prácticas.

´ 2.1.3 Descripción del proceso de diseño de proyecto.

2.2 Núcleo del Diseño del proyecto - Metodología básica para el diseño de

proyectos de sistemas de automatización.


2.2.2 Listado de condiciones - Especificación del Funcionamiento

2.2.3 Diagrama de flujo de PI

2.2.4 Diagramas de bloques EMCS

2.2.5 Notas sobre el diseño de proyectos de energía auxiliar

2.2.6 Notas sobre el diseño del proyecto de montaje

2.3 Síntesis del sistema de control en lazo cerrado


2.3.2 Análisis del proceso I Modelo de configuración

2.3.3 Controlador de configuración y parametrización

2.4 Selección de dispositivos de automatización


2.4.2 Fundamentos esenciales




2.1 Introducción.

2.1.1 Motivación.

En la actualidad la formación en el campo de la tecnología de

automatización está principalmente regida, por la teoría de los sistemas de control

en lazo abierto y en lazo cerrado, el objetivo principal de este equipo es

proporcionar prácticas a los futuros especialistas en automatización y los métodos

de diseño de proyecto para sistemas de automatización, la formación integral

aplica en casos tales como: la selección y el dimensionamiento de equipos,

métodos de diseño de proyectos, información, electrotécnica, así como la teoría de

lazo abierto y cerrado; los cuales siempre se deberán enseñarse en un contexto

común, demostrado a través de pertinentes ejemplos prácticos (aprender

haciendo).

Gracias a Festo Didactic (sistema modular de producción MPS), al

Departamento de Automatización de la Universidad Técnica de Dresden y a la

formación profesional y continua de ingenieros y otros especialistas se han podido

recopilar muchos años de experiencia como parte de un proyecto común, utilizado

para diseñar y desarrollar una consola de prácticas para la automatización de

procesos continuos.

2.1.2 Configuración de la consola de prácticas.

Adoptando la idea de la automatización de operaciones en la tecnología de

proceso, el primer punto importante es la cuestión sobre los parámetros del

proceso, para evaluar la experiencia adquirida, en los parámetros de un proceso

típico como pueden ser: nivel de llenado, el rendimiento, la presión, la temperatura

y la calidad (pH) se deben incorporar módulos adecuados (módulos de tecnología

de procesos) basados en el conocido concepto de MPS.



Esto significa que estos módulos representan el proceso individual en

secciones y son designados de acuerdo a una estructura estándar (Fig. 2-1).

Los módulos de nivel de llenado, caudal, presión, temperatura y la calidad

están disponibles para su uso individual, pero también pueden ser combinados o

duplicados a través de un EMCS central (Sistema de control electrónico de

medición) terminal y operacional como un proceso complejo de sistemas(Fig. 2-2).



2.1.3 Descripción del proceso de diseño del proyecto

Como ya se mencionó anteriormente, el concepto de formación integral

requiere de la enseñanza de diferentes parámetros en la tecnología de

automatización, además de su integración en un proyecto efectivo de metodología

de diseño, la Fig. 2-3 proporciona una aclaración inicial de la diversidad técnica en

la tecnología de automatización.

Esta amplia base de conocimientos solo puede ser dominada mediante la

práctica de diseños de proyectos, desde este punto de vista, solamente la consola

de prácticas representa un importante medio auxiliar para la enseñanza de los

contenidos y la formación para este tipo de tecnología.

Si nosotros estuviéramos inmersos en alguna tarea de diseño de proyectos

ya sea en la consola de prácticas o en un instalación industrial “el saber como”

seria la base esencial de nuestra tarea por lo tanto la Fig. 2-4 proporciona una



introducción general inicial del alcance y secuencia del trabajo efectivo del diseño

del proyecto.

El punto de inicio de cada proyecto de automatización son los requisitos del

proyecto, los cuales son puestos en el sistema de automatización, generalmente

estos requisitos (especificaciones) son elaborados por el cliente, en este sentido

las Normas DIN tienen una manera tradicional de representar las especificaciones

y procesos mediante un diagrama de flujo. El contratista, como una regla de la

compañía del diseño del proyecto, elabora una propuesta (incluyendo cotización) y

documentos del trabajo del diseño del proyecto (especificación) para ser

completada a través de un borrador configurable en forma de diagrama de flujo PI

(tuberías y diagrama de flujo de la instalación).



Estas tareas son elaboradas en forma de un conjunto de documentos del

proyecto, por medio del diagrama de bloques EMCS preliminar y el proyecto final

(diagramas de bloques EMCS final /listas de cableado).

La etapa de diseño del ensamble también forma parte de la tarea diseño

del proyecto y asegura que el montaje del sistema de automatización tenga el

funcionamiento deseado, finalmente, algunas tareas adicionales necesitan ser

cumplidas para la puesta en marcha de este sistema por ejemplo, las

especificaciones para la configuración del controlador y parametrización.

De importancia paralela al diseño de los proyectos de esta parte EMCS, es

la implementación de proyecto eléctrico, neumático e hidráulico, la Fig. 2-4

proporciona una ilustración esquemática de la interacción de estos tres

componentes.

El diseño del proyecto ahora proporciona una metodología, la cual

establece la preparación sistemática de esta amplia gama de tareas (el núcleo de

proyecto) y al mismo tiempo la vinculación con la tarea del diseño adicional

(proyecto eléctrico / proyecto neumático e hidráulico).

En el resumen de la Fig. 2-4, el diseño del proyecto básico (el núcleo del

proyecto) también comprende la asignación de la especificación, el diagrama de

flujo de PI y la lista de puntos de EMCS, los diagramas de bloque preliminares

EMCS con las llamadas listas de accesorios y listas de distribución, incluidas las

listas de cableado. Además, los componentes del sistema de montaje y la puesta

en marcha del sistema de automatización deben ser identificadas.

http://traductor.babylon.com/lib/modalbox/_ajax_content.php

http://traductor.babylon.com/lib/modalbox/_ajax_content.php



2.2 Núcleo del Diseño del proyecto - Metodología básica para el diseño de

proyectos de sistemas de automatización


En la práctica, la tecnología de procesos y las consolas de prácticas,

además de la instrumentación de campo (sensores / actuadores), están

dominados por el control de procesos y la instrumentación tecnología. Estas

herramientas están instaladas dentro de una estructura básica del sistema, la cual

es universalmente aceptada como medio de referencia. Esta configuración básica

comprende los componentes típicos de la consola de control de procesos, cuarto

de conmutación y nivel de campo (Fig. 2-5).



De acuerdo a esto, es posible proceder a la siguiente asignación:

Consola de control de procesos --- tecnología de procesador/tecnología

PLC

Cuarto de conmutación --- transductor de medición

Procesos / nivel de campo --- sensores/ actuadores y transductor de

medición

Recordando la configuración básica de control de lazo cerrado y el sistema

de control binario (Fig. 2-6), también es posible asignar estos en la configuración

básica con la ayuda de las herramientas de automatización, esta configuración

también trabaja para la cadena de medición simple (punto de medición por

separado).

Finalmente, esto es crucial para definir todos los puntos EMCS (medida

electrónica y puntos de control) requeridos para la solución de una tarea de

automatización.



2.2.2 Listado de condiciones - Especificación del funcionamiento.

La norma VDI / VDE 3694 formalmente especifica que el listado de

condiciones o la especificación de funcionamiento de condiciones son la base de

cualquier proyecto de automatización.

De acuerdo con VDI/VDE el listado de condiciones contiene los requisitos

desde el punto de vista de los usuarios, incluidas todas las condiciones de

los parámetros.

El listado de condiciones define, “¿qué va a ser resuelto? y el propósito de

la solución”.

(El listado de condiciones está redactado por el cliente o encargado.

El listado de especificaciones del funcionamiento contiene el listado de

condiciones y también detalla las tareas del usuario, ampliando el listado de

condiciones, además describe los requisitos de aplicación, teniendo en

cuenta enfoques de solución concreta.

La especificación de rendimiento se define “como y cuáles son los

requisitos para su aplicación”.

(La especificación de funcionamiento esta generalmente elaborada por el

contratista en cooperación con el cliente una vez que el pedido se ha

realizado).

Para una prueba de enfoque práctico, el Ingeniero de Diseño debe

comenzar con un análisis y con la secuencia funcional de la respectiva tecnología

de proceso (evaluación del diagrama de flujo del proceso, incluyendo la

descripción del proceso correspondiente).

El diagrama de flujo del proceso para los procesos continuos, se elaborará

de acuerdo a las especificaciones de la norma DIN 28004 y es la representación

esquemática de las tuberías y dispositivos. Una descripción adicional de las

entradas y conexiones de los parámetros de proceso en el diagrama de flujo,



completa la documentación inicial general de la tecnología de procesos y las

tareas de automatización. Como tal, se hace necesario definir en detalle las tareas

de automatización (puntos EMCS). Esto se realiza mediante la introducción de los

puntos EMCS en el diagrama de flujo del proceso, es decir el diagrama de flujo del

proceso se convierte en el diagrama de flujo PI.

2.2.3 Diagrama de flujo PI

Símbolos

Los puntos EMCS necesarios se introducen en el diagrama de flujo de

proceso y el número y la función de los puntos EMCS individuales son definidos

con precisión.

Para obtener un diagrama de flujo PI como lo especifica la norma (DIN

19227/Parte 1), el tipo utilizado en la estructura básica del sistema y la

funcionalidad (código de letras) se define de acuerdo con los pasos del 1 al 3:

Pasó 1- Tipo de puntos EMCS

Dependiendo del alcance funcional de los puntos EMCS (alcance

designado del código de letras) se utilizan los siguientes símbolos:



Si se utiliza el sistema de control de proceso:

Si el controlador lógico programable es usado (Tecnología PLC)

Paso 2 – Integración del punto EMCS dentro de la estructura básica del sistema

de automatización.

Si volvemos a la estructura básica del sistema de automatización estudiada

en la Fig. 2-1, el punto EMCS inicial, determinado de acuerdo al tipo, se

modificaría una vez más.



El diseñador del proyecto también define cual punto EMCS se ocupara o

cuales componentes de la estructura básica del sistema de automatización se

cubrirán.

Paso 3 – contenido funcional del punto EMCS

El contenido funcional del punto EMCS es un poco ambiguo por el código

de letras; el código de letras seleccionadas para cada punto EMCS especifica si

se debe introducir en el diagrama de flujo del proceso como: un punto de medición

por separado, sistema de control en lazo cerrado o sistema de medición binario.

Código de letra de diagrama de flujo PI

De acuerdo con la norma DIN 19227 (Parte 1/hoja 6), el uso del código de

letras y el diseño del diagrama de flujo de PI (interpretación del punto EMCS) se

explican con la ayuda de la Fig. 2-7.

Generalmente, las letras son usadas en un orden consecutivo:



Letra inicial para parámetros de tecnología de proceso típicos:

T – Temperatura,

P – Presión,

F – Caudal / rendimiento,

L – Nivel de llenado / altura

Q – Calidad (ejemplo valor-pH)

Segundas letras para la modificación de estos parámetros del proceso:

D – Diferencia

F – Relación

J – Detección del punto de medición

Letras consecutivas (1ª letra consecutiva/2ª letra consecutiva) - para

funciones típicas de operación tecnológica del proceso de automatización:

C – Control de lazo cerrado

I – Exposición

R – Registro

S – Circuito, control de secuencia/ sistema de control lógico

Y – Función aritmética

El número del punto EMCS el cual es también definido en la Fig 2-7es

independientemente del proyecto y puede, para este ejemplo, comprender tres,

cuatro o más caracteres.

Ejemplos seleccionados

De acuerdo con las principales secciones de la tecnología de proceso (ver

el ejemplo de la consola de prácticas), se puede proveer de un gran número de



ejemplos diferentes para dar una visión completa de los puntos EMCS en el

diagrama.

Para empezar, con el estudio de los tipos de cada punto EMCS en el

ejemplo mostrado en la Fig. 2-8 se demuestra como los puntos de medida

diferentes en los contenedores o en el sistema de tuberías son representados en

una forma conforma por la norma DIN.

Basado en esta nomenclatura, el control de lazo cerrado también se

representa, la Fig. 2-9 demuestra que, aparte del código de letra para las

funciones de control de lazo cerrado, esta representación simbólica define también

el lugar de medición (la señal de medida) y el actuador con punto de manipulación

(señal de accionamiento).

Finalmente, el sistema de control binario también tiene una parte importante

dentro de la estructura de los puntos EMCS, la Fig. 2-10 muestra un ejemplo de

cómo el sistema de control binario esta dentro del diagrama de flujo IP. Otra vez,

el lugar de medición (señal de medida) y el actuador con punto de manipulación

(señal de control) han sido incluidos en los puntos EMCS.



Apuntes en cuanto a la planificación del método de actuación

Además de los ejemplos en las figuras 2-9 y 2-10, se requiere información

adicional sobre el uso de símbolos para los actuadores (dispositivos de

accionamiento), porque incluso en la fase de elaboración del diagrama de flujo de

PI, el Ingeniero de Diseño del proyecto ya debe saber, que dispositivos de

accionamiento se van a utilizar, por ejemplo para el lazo de control cerrado

siempre se utiliza un dispositivo de accionamiento que consiste en el actuador y la

regulación de la válvula (válvula proporcional), para el sistema de control con un

actuador binario se utiliza una válvula on / off (válvula binaria), estas

especificaciones de válvulas no las hace el diagrama de flujo PI, sino que

simplemente permite que la colocación del tipo de válvula utilizada se pueda

observar en el código de letras de los puntos EMCS.



En contraste con esto, el actuador ya es fácil de clasificar en el diagrama de

flujo PI. Por lo tanto, los actuadores (dispositivos de accionamiento) usando la

energía auxiliar neumática son de uso más frecuente, ya que aparte de las

ventajas de la alta velocidad de respuesta y la precisión de corrección, pueden

asumir el estado “on" o " off" en caso de que falle el suministro de aire, todo esto

dependiendo del arreglo de la construcción del muelle (Fig. 2-11). La mayoría de

los actuadores eléctricos, por ejemplo, no tienen esta característica y permanecen

en la posición asumida en el momento en el que falla la energía eléctrica auxiliar.



La implementación practica del diagrama de flujo PI.

El diagrama de flujo PI proporciona las bases definitivas, para la realización

del proyecto del sistema de automatización con respecto a la ingeniería técnica.

Esto requiere una clasificación del proyecto, por ejemplo para la selección de

sensores, actuadores y procesadores, la selección de sensores y actuadores es la

primera tarea que se debe efectuar, la cual esta designada para el campo de

instrumentación y la segunda tarea para la configuración es la selección de la

tecnología de control de procesos (procesadores), estas tareas permiten ser

subdivididas y muy a menudo aplicado en la práctica del equipo de trabajo. Esto

significa que, una parte del equipo prepara la instrumentación a nivel de campo y

la otra de la selección y puesta en marcha del sistema de control de procesos.

Para proporcionar un entendimiento mejor, la consola de prácticas es usada como

un ejemplo para introducir al diagrama de flujo PI de acuerdo con las normas DIN,

seguido por el diagrama de flujo PI utilizado en el Departamento de

Automatización, este último está también en el marco de la norma DIN 19227,

especificando los sensores asignados como el punto adicional EMCS para cada

control de lazo cerrado y sistema de control binario. Esto crea una interfaz central,



los puntos terminales EMCS, son los que proporcionan las señales de campo para

la conexión de la tecnología de control de proceso (figs. 2-12 y 2-13).

2.2.4 Diagrama de bloques EMCS

Dentro de la estructura del núcleo del diseño del proyecto, los diagramas de

flujo PI son seguidos por el diagrama de bloques EMCS, en el sentido de un nivel

de especificación más alto en los proyectos, un diagrama de bloques EMCS

preliminar y un diagrama EMCS final son preparados para cada punto EMCS,

donde el diagrama de bloques preliminar EMCS define la conexión del equipo de

automatización que participan en la configuración de un punto EMCS y el

diagrama de bloques EMCS final se encarga del detalle basado en el cableado del

sistema de automatización.



Nuevamente utilizamos símbolos en la elaboración de estos diagramas de

bloques EMCS para indicar como las señales normalizadas se utilizan para

conectar los dispositivos de automatización.

Para proporcionar una mejor comprensión de estos símbolos normalizados,

la siguiente sección estará destina a explicar cada uno de ellos.

Concepto de señales normalizadas

Trabajando en la parte inicial de la estructura básica del sistema de

automatización, especificado en la fig. 2-15 y teniendo en cuenta la asignación de

dispositivos de automatización individuales, es de cierta importancia la cuestión de

la interconectabilidad simple y clara, entre los diferentes tipos de equipo de

automatización, particularmente cuando es considerada la amplia gama de



productos ofertados por los diversos fabricantes de equipos de automatización. La

introducción de las señales normalizadas resuelve este problema.

Hoy en día, estas señales normalizadas se utilizan en todo el mundo por los

fabricantes de equipos de automatización.

Para la energía eléctrica auxiliar.

4…20 mA (preferente)

0…20 mA

0…5 mA

0…5

-10 V…+10 V

Para energía neumática auxiliar.

20 kPa…100 kPa ó

0.2 bar…1 bar

La Fig. 2-14 demuestra estas normatividades y se amplía en el contenido

de la Fig. 2-15

Este estándar conforma la representación de la integración normalizada de

señales en la estructura del sistema de automatización, esta misma se utiliza

como base para la creación de la documentación del proyecto.

Al mismo tiempo, se puede ver que las herramientas de automatización

avanzadas, son generalmente acondicionadas hacia el uso de señales

normalizadas, es decir, los sensores inmediatamente emiten señales normalizadas

o los actuadores son directamente accionados (por ejemplo, los dispositivos de

accionamiento neumático) por medio de señales normalizadas. Como tal, la



integración de las señales normalizadas se muestra en la fig. 2-14 esta se

modifica de forma que, como se muestra en la fig. 2-15, una conexión directa se

realiza entre el proceso y sistema de control de procesos (eliminación del

transductor de medición y un convertidor de señal). El cuarto de conmutación por

lo tanto sólo se utiliza para proporcionar la energía eléctrica auxiliar (fuente de

alimentación) y por el enrutamiento de señales de campo, esta ruta de señales de

campo se lleva a cabo de tal manera que su distribución a las unidades básicas

del sistema de control de proceso ofrece una mejor fiabilidad del proceso (gracias

a la distribución favorable del monitoreo de señales).



Como ya mencionamos anteriormente, muchos símbolos son usados para

la creación de diagramas de bloque EMCS preliminar y final (DIN 19227/parte 2),

estos son definidos por el equipo de ingenieros de automatización, utilizado una

configuración de un punto EMCS. Si nos referimos a la estructura simple indicada

en la fig. 2-16, podemos observar que esta empieza con un método práctico para

aprobar los símbolos del campo de instrumentación y luego trata con los

procesadores u otros componentes.

De acuerdo con la norma DIN 19227/parte 2, el término „detector‟ es ahora

también dado para sensores (tecnología de medición) y los símbolos siguientes

son los que los representan:



Los siguientes símbolos son usados para los actuadores desplegados al

nivel de campo (proceso):



La norma DIN 19227 también proporciona una serie de símbolos para

transductores de mediciones/convertidores de señal (adaptadores/salvaguardia de

conceptos de señal normalizada) instalados en el cuarto de conmutación.



Finalmente, los símbolos necesarios utilizados en los equipos de

automatización para la consola de control de procesos también tiene su

simbología (sistema de procesos de control / controlador compacto / muestra).



Los Símbolos adicionales son utilizados como resultado del display

(SALIDAS), los cuales están localizados en la consola de control de proceso.

Los siguientes símbolos son utilizados para representar el sistema de

control binario, el cual también requiere operaciones de tecnología de

automatización de procesos.



Este conjunto de símbolos cubre todo el equipo importante de

automatización para diagramas de bloque EMCS registrados.

Finalmente, los símbolos también son utilizados para la conexión de equipo

de automatización para identificar las líneas de transmisión correspondientes de

acuerdo con la norma DIN 19227/DIN 19227/ parte 2.

Una consideración final de gran importancia para la preparación inmediata

de estos diagramas de bloques EMCS, surge de la pregunta relativa a el tipo de

hardware utilizado para equipos de automatización.

Se deberá señalar en este contexto:

Los símbolos propuestos para sensores y actuadores son utilizados

independientemente del hardware básico que estemos utilizando (por

ejemplo, tamaño, diseño de construcción, etc.).



Los símbolos que ya son familiares se pueden modificar conservando la

misma esencia como el procesador y la tecnología de display, al igual que

los transductores de medición y los sistemas de control binario pueden

modificarse, por ejemplo en un sistema de control de procesos estas

modificaciones ocurren por medio de funciones de software:

Como ya se indicó anteriormente, el diagrama de bloques EMCS preliminar

conecta el equipo de automatización para la configuración de los puntos EMCS.

La consola de prácticas se utiliza como un ejemplo para establecer el

Diagrama de bloques EMCS preliminar, para el nivel de llenado del circuito de

control de lazo cerrado (Fig. 2-16).

Con este fin, el modulo se ha configurado, basado en la estructura de un

sistema de automatización: sensores y actuadores en el nivel del campo;

convertidores de medición en el cuarto de conmutación, además de un controlador

compacto (tecnología PLC) y del funcionamiento y monitoreo por computadora en

el proceso de control de la consola.



En paralelo con el diagrama de bloque EMCS preliminar se debe elaborar

una lista de equipos, la Tabla 1 es un ejemplo claro de esta lista:



Esta lista se elabora para cada punto EMCS y los equipos de

automatización como: los sensores, actuadores, transductores y tecnologías de

procesador, deben acomodarse con orden y con una denominación precisa para

que puedan documentarse fácilmente y también puedan ser de fácil acceso para

la información necesaria sobre los pedidos, además, las listas de asignación



también son preparadas sobre la base de los diagramas de bloque EMCS

preliminares.

Las listas de asignación (allocation list) están orientadas a los sistemas de

contenedores utilizados en el sistema de automatización y como tal proporcionan

un desplegado con las especificaciones del montaje de los equipos de

automatización (Fig. 2-17). En este contexto, cabe señalar que los sistemas de

contenedores utilizados son subdivididos en los niveles de montaje y éstos a su

vez en posiciones de montaje.

La lista de asignación es por tanto un documento claro y organizado que es

utilizado directamente para el montaje de los equipos de automatización.

Basados en el diagrama de bloques preliminar EMCS, los documentos del

diagrama de bloque final EMCS de cableado detallan los equipos de

automatización y por tanto constituyen la base para la creación de la

documentación de cableado. Para proporcionar una mejor comprensión, se hace

nuevamente referencia a la estructura de un sistema de automatización que se

define en la fig. 2-5, la cual plantea la tarea de la interconexión de los

componentes de la consola de control de proceso, el cuarto de conmutación y el

nivel de campo por medio de cableado.



La base de este cableado son los arneses de cableado y la correspondiente

terminal de distribución, la Fig. 2-18 ilustra la estructura de las rutas de cableado y

los puntos de concentración de estas terminales de distribucion definidas en las

unidades de contenedores de la consola de control de procesos, cuarto de

conmutación y en las cajas de terminales a nivel de campo, esto ilustra que las

terminales de distribución son los puntos de apoyo importantes para el camino del

cableado, puesto que acomodan los cables de entrada y ruta a través de bloques

de cableado correspondientes a los niveles de montaje de los gabinetes de control

o unidades contenedoras.



Cabe señalar que la designación de las terminales de distribución siempre

comienzan con la letra X y son completadas por un número ordinal y un número

consecutivo. Aquí, el diseño de hardware de las terminales de distribución

también es de gran interés. La Fig. 2-20 ofrece una mejor explicación de este

diseño.



En el sentido de una evaluación general, siempre es importante preguntar

de qué terminal de distribución viene la línea (cable) y hacia dónde se dirige, es

decir, si se va a unir otra terminal de distribución o a una zona de montaje.

Por ejemplo, si se considera elaborar una propuesta de designación

(nomenclatura) bajo este contexto, la siguiente asignación es viable, teniendo en

cuenta la Fig. 2-16.

Terminal de distribución – nivel de campo/cuadro de campo de nivel

X300.01; X300.02…X 300.nn

Terminal de distribución – Cuarto de conmutación.

X200.01…X200.nn

Terminal 196 control de procesos de consola

X100.01…X100.nn

Las rutas de cableado principal se definen claramente en la Fig. 2-18 y

puede ser utilizadas como orientación general para cualquier sistema de

automatización.

Suponiendo que están conectados los sensores y actuadores respectivos a

las cajas de terminales a nivel de campo, las rutas de cableado pueden ser

definidas por siguiente secuencia:

Ruta 1

Desde la caja de campo de nivel a la terminal de distribución-cuarto de

conmutación.

Ejemplo: X300.01 X200.01



Ruta 2

Desde la terminal-cuarto de conmutación a el área de montaje de

bastidores cuarto de conmutación.

Ejemplo: x200.01 nivel A / área 1

Ruta 3

Desde el área de montaje de bastidores cuarto de conmutación a través de

distribuidor de terminales cuarto de conmutación a distribuidor terminal de

la consola de control de procesos.

Ejemplo: nivel A/área 1 X200.02 X100.01

Ruta 4

Desde la terminal de distribución – consola de control de procesos a PLC

Ejemplo: X100.01 P-I/O tarjeta de PLC (DE 1)

Ruta 5

Desde PLC a la terminal de distribución – consola de control de procesos

Ejemplo: P-I/O tarjeta de PLC (DA 11) X100-01

Ruta 6

Terminal de distribución – consola de control de procesos a Terminal de

distribución cuarto de conmutación.

Ejemplo: X100.01 X200.01



Ruta 7

Terminal de distribución – cuarto de conmutación al área de montaje -

bastidores cuarto de conmutación.

Ejemplo: X200.01 nivel A /área 2

Ruta 8

Área de montaje-bastidores cuarto de conmutación a través de la terminal

de distribución – cuarto de conmutación a la caja de campo de nivel

terminal.

Ejemplo: nivel A / área 2 X200.02 X300.01

Las listas de cableado se establecen de acuerdo con las rutas de cableado y

como tal, las conexiones que están documentadas en el diagrama de bloque

EMCS final del equipo de automatización que se utilizan en la configuración de la

los puntos EMCS, se ubican de tal forma que sean de fácil acceso y manejo para

el Ingeniero de Control de Procesos.

La Fig. 2-21 también utiliza el ejemplo del control de nivel de llenado (LIC30

de la consola de prácticas) para introducir el diagrama de bloque final EMCS y

para dar una representación parcial de una lista de cableado (tabla 2), La lista de

cableado es parcialmente representada en la tabla 2 y establecida de acuerdo con

la configuración ya descrita en la sección 2.3.3.



2.2.5 Notas sobre el diseño del proyecto de la energía auxiliar.

Comentarios introductorios.

Como ya se ha mostrado en la figura 2-6, el trabajo de diseño del proyecto

también incluye la documentación del proyecto para la disposición de la energía

auxiliar eléctrica, neumática e hidráulica, además del proyecto central. Debido a

los detalles técnicos y la considerable cantidad de trabajo necesario, ocupa la

mayor parte del proyecto excepto para el proyecto central. Los principales

lineamientos del diseño del proyecto eléctrico son por lo tanto introducidos en

forma abreviada.

Determinación de la energía eléctrica necesaria (carga conectada)

El primer punto que hay que establecer es: que carga eléctrica está

disponible para el sistema de automatización. Esto es evaluado sobre la base del

diagrama de bloques EMCS preliminar, el equipo de automatización establecido

en la lista de equipo, el voltaje requerido (por ejemplo, 230 V AC, 24 V DC) y la

capacidad establecida. Todos los puntos EMCS están sujetos a estos análisis y

también toda la energía eléctrica necesaria está determinada por medio de la

coordinación de estos análisis.



Respecto a la conexión / combinación del proyectos eléctricos y el proyecto básico

El diagrama de bloques EMCS basado en el diagrama de bloques EMCS

preliminar también define el cableado detallado para los suministros de voltaje

requerido, esto hace notar la importancia de la interfaz para la reducción

respectiva de los voltajes necesarios, la Fig. 2-22 ilustra una estructura, que

proporciona una solución a este problema.

Esto significa que la selección de voltaje de prueba de una terminal de

distribución proporciona un medio de conexión derivado de los voltajes para el

proyecto eléctrico establecido en el lado de la entrada y la realización de los

puntos EMCS en el lado de la salida de las terminales de distribución, esta

asignación (diagrama de bloques) es la única documentada en la llamada lista de

conexión, en la fig. 2-22 también se puede observar que este principio es utilizado

para realizar el suministro de energía auxiliar neumática e hidráulica (lista de

conexiones). Además, también se hace referencia a los problemas adicionales que

deben resolverse de EMC, protección contra explosiones y sobrecargas.



Distribución de la potencia eléctrica auxiliar.

Basado en la carga conectada establecida, una estructura favorable es

desarrollada para la distribución de la energía eléctrica. De acuerdo con el

diagrama de flujo PI para el diseño del proyecto básico, es necesaria una

estructura general para la distribución de la potencia eléctrica auxiliar con respecto

al proyecto eléctrico, la Fig. 2-23 muestra una estructura generalmente aplicable.

Cuando el proyecto eléctrico es aún más configurado, este debe ser ampliado por

una segunda versión que comprende la documentación del cableado básico y

dispositivos de conmutación.



Desglose de la estructura general.

Dependiendo de la magnitud del proyecto eléctrico, este panorama general

es seguido por una subdivisión en uno o varios niveles, mediante el desarrollo del

diagrama de circuito, que también se basa en los diagramas de bloques EMCS

obtenidos durante el diseño del proyecto básico. Estos diagramas de circuitos

definen la distribución detallada (cableado) de la potencia eléctrica auxiliar.

La Fig. 2-24 utiliza el ejemplo de un componente típico que demuestra la

conexión de potencia eléctrica auxiliar y define el diagrama del circuito para el

enclavamiento de conexión de procesadores y dispositivos de consumo de tres

fases. Este diagrama de circuito ilustra que los procesadores y los dispositivos de

alto consumo siempre deben estar conectados por separado por razones de

seguridad; por lo tanto dos contactores (C1/C2, C3/C4) siempre deben ser

liberados cuando se apaga el equipo o en el caso de un paro de emergencia.



Comentarios y una breve evaluación.

Es comprensible, que la información anterior se limita solamente a

establecer una idea del alcance y contenido técnico de diseño de proyectos

eléctricos. En el sentido de una preparación integral del proyecto de un sistema de

automatización, es esencial recordar que, aparte del diseño del proyecto básico, el

diseño del proyecto eléctrico es una parte fundamental. Este hecho debería

tenerse en cuenta en relación con el horario y el plan de gastos para garantizar el

éxito del trabajo de diseño del proyecto.

2.2.6 Notas sobre el diseño del proyecto de montaje.

Aparte de la central eléctrica y el diseño del proyecto, el diseño del proyecto

de montaje representa el aspecto más importante para la realización de un

sistema de automatización, este tiene en cuenta toda la construcción y aspectos

tecnológicos de montaje. Basado en el diseño del sistema de tecnología de

proceso, incluyendo cualquier componente de los edificios asociados, el diseño del

proyecto de montaje se encarga de problemas como:

Configuración de guías de tendidos de cable (para EMCS y electro

tecnología).

Determinación del material necesario para tendidos de cable (número de

componentes de tendido de cable, soportes, brackets, etc.).

Determinación de longitudes de cable y arneses para el cable,

Diseño y construcción de arneses de cable,

Ordenación de territorio de unidades de contenedores necesarios y

unidades auxiliares (por ejemplo, sala de compresor, fuente de alimentación

de emergencia) etc.



Estos servicios también deben ser implementados con mayor cuidado, ya

que son cruciales en determinación de la eficiencia de costos y eficacia de

horarios de la realización práctica (montaje) de un sistema de automatización.

2.3 Síntesis del sistema de control en lazo cerrado.

2.3.1 Observaciones previas.

Otra de las tareas importantes dentro del trabajo de diseño del proyecto es

sin duda la configuración y la puesta en marcha del diseño de control de lazo

cerrado y el sistema de control binario. Sobre el esquema de la automatización de

la tecnología de proceso, la tarea más importante en este sentido es la puesta en

marcha del control en lazo cerrado.

2.3.2 Análisis del proceso / Modelo de configuración

Para ser capaz de resolver una tarea de automatización (configuración y

puesta en marcha de control lazo cerrado), es esencial contar con la mayor

información posible con respecto a las características estáticas y dinámicas del

sistema de control (procesos) que va a ser automatizado. La posible solución

depende en gran medida de los conocimientos cualitativos y cuantitativos

disponibles sobre el proceso técnico que va a ser automatizado, a fin de poder

definir con suficiente detalle algoritmos para su control, el hardware necesario y

las herramientas de software para su realización.

El análisis del comportamiento y características de los sistemas técnicos

(sistemas controlados) se conocen como análisis de procesos o configuración del

modelo, el resultado de esto se conoce como “modelo de proceso” o simplemente

“modelo”. Los modelos de este tipo no sólo ayudan en el diseño de los sistemas

automatización, sino que también son de fundamental importancia para otras

áreas de la tecnología, las ciencias naturales, economía, etc.



En el área de la tecnología, los modelos de comportamiento juegan una

parte importante y están destinados a reflejar el comportamiento del sistema con

respecto a la causa, efecto y correlación, los modelos de comportamiento son

principalmente utilizados para predecir los acontecimientos, se usan con la

intención de poder determinar el comportamiento futuro del sistema con suficiente

precisión, es decir, para determinar las reacciones del sistema para causas

(señales de entrada), que aún no son de importancia en el punto de configuración

de modelo.

Un “Buen” modelo refleja el comportamiento del concepto original de la

manera más adecuada posible con la utilización de medios simples. Se limita a

reflejar el comportamiento original, el cual es de gran importancia para la solución

de una tarea en particular, al ser un sustituto del original, el objetivo del modelo

debe estar de acuerdo con el comportamiento funcional del original, el rendimiento

(calidad) de los modelos por lo tanto debe ser probado suficientemente respecto a

la solicitud o aplicación antes de su uso práctico, por ejemplo para el diseño del

sistema de automatización.

Dado que el comportamiento del sistema depende en gran medida de las

señales que actúan sobre el sistema (corrección y variables de perturbacion), un

modelo de proceso general consiste de un modelo de sistema y un modelo de

señal. Para diseñar un controlador, lo que se necesita saber es si el sistema opera

principalmente bajo señales escalón, señales periódicas o señales accidentales,

por lo tanto el análisis general de señales también forma parte del proceso de

análisis, en algunos casos, el análisis de la señal es el único objetivo del análisis

de procesos. Por lo tanto los modelos utilizados en el diseño de un sistema de

control abierto y cerrado para la:

Selección y definición de variables de medidas apropiadas y variables

corregidas



Detección y evaluación de señales de interferencia

Descripción de comportamientos de sistemas de control estático y

dinámico.

Detección de enlaces funcionales entre variables de proceso.

Cálculo de simulación de variantes designadas

Selección de algoritmos de control y dimensionamiento de valores

característicos de dispositivos de control.

Estrategias de configuración de modelo.

El modelo puede ser configurado bajo la línea teórica o la línea

experimental (fig. 2-25).

En este caso la configuración del modelo teórico, del proceso

físico/químico ocurrido en un sistema técnico es analizada y formulada

matemáticamente, mecánicamente, termodinámicamente, etc.

Con la configuración de modelo experimental, las señales de entrada y

salida de los sistemas técnicos son medidas y evaluadas, por lo cual se pueden

usar señales de entrada como señales de cambio de escalón, artificialmente

modulada o de origen natural



Cabe destacar que un modelo obtenido a lo largo de la línea experimental

rara vez permite información acerca de procesos físico/químicos ocurridos en el

proceso, el modelo simplemente describe la interacción entre variables de entrada

y de salida por lo tanto también se le conoce como modelo I / O, esto es bastante

común para los dos métodos de configuración de modelo ser combinados para

poder determinar la configuración del modelo por medio del análisis de sistemas

teóricos y de parámetros del modelo (sistema de valores característicos) por

medio de la experimentación.

Configuración del modelo

En la tecnología de automatización los modelos de cálculo o modelos de

comportamiento son principalmente utilizados, ya que se describen

cuantitativamente el medio de relaciones entre variables del proceso, por ejemplo,

en la forma de correlaciones matemáticas, funciones características, datos de

rendimiento, etc.

La Fig. 2-26 ilustra la estructura básica de esta forma de modelo.

Esta imagen proporciona una visión inicial de la línea de acción de las

señales del proceso, sin complicar el "contenido de los procesos". Además, se

supone que todas las variables del proceso (por ejemplo, caudal, temperatura,

nivel de llenado, etc.) dependen únicamente del tiempo, y no de la ubicación



(como en el caso de los sistemas de tecnología de procesos de dimensiones

físicas significativas).

De acuerdo con la fig. 2-26, los modelos de cálculo ahora

representan cuantitativamente la dependencia de la variable de salida x en la

variable de entrada y, z y posiblemente también v, por lo que la diferenciación

debe estar aquí entre los modelos estáticos y dinámicos.

La relación entre las variables de entrada y de salida de un sistema técnico

en su condición de estado estacionario es conocida como comportamiento

estático. Un simple ejemplo de esto se muestra en la fig. 2-27, donde se muestran

las características de correlación de un sistema controlado, es decir la relación

entre, la posición de la válvula “y” como una variable de entrada del proceso y la

temperatura de “x” como una variable de salida del proceso con las principales

interferencias “z” (por ejemplo, presión) como un parámetro de datos de

rendimiento.

El índice cero designa a los valores de punto de trabajo (valores de la señal

de proceso durante la operación nominal).

Sin embargo, las señales de entrada y salida cambian de tiempo en tiempo

durante el funcionamiento del equipo técnico, debido a las variaciones y

procedimientos del inicio y cierre, o sea perturbaciones impredecibles. Esta es la



razón por la que a menudo es esencial para el proceso del modelo incluir la

descripción de la relación entre estas señales de cambio con respecto al tiempo,

que también es conocida como el comportamiento dinámico, los modelos

dinámicos en forma de modelos lineales suelen ser adecuados, incluso por

ejemplo para la tarea de proceso de estabilización con la ayuda de control de lazo

cerrado, esto es posible en los casos donde el proceso de señales se opera con la

suficiente atención al punto de trabajo durante la ejecución de procesos técnicos,

de modo que el comportamiento del proceso no es perceptible incluso durante el

cambio de transición fases, en el caso de la operación practica de los equipos de

automatización, entonces se hace necesario considerar los límites del rango de la

operación lineal, si se sobrepasan estos, entonces los resultados alcanzados en el

curso del diseño del sistema utilizando los modelos lineales, se ponen en cuestión.

Finalización de la configuración del modelo del análisis experimental del proceso.

La descripción siguiente explica el modelo experimental de

configuración en gran detalle, la principal característica de este es que, con

ayuda de la tecnología experimental adecuada, e análisis está

inmediatamente fuera de cuidado sobre del sistema técnico y los datos

obtenidos pueden ser convertidos dentro de una clase de modelo de

proceso de acuerdo a los diferentes niveles (empezando con la finalización

de la configuración del modelo manual a evaluación de datos asistidos por

computadora) (fig. 2-28).



Los puntos principales y problemas de un análisis de proceso experimental

consiste en:

La formulación de la demanda de requisitos del modelo (aplicación objetivo,

veracidad, rango valido)

La preparación e implementación de los experimentos

La selección del método adecuado para el análisis de los datos de proceso

grabados

Estimación del error y verificación del modelo

Como parte o fase preliminar del experimento, se debe lo considerar lo

siguiente:

El hardware auxiliar y dispositivos de software

Estructura del modelo (por ejemplo, en la forma de información cualitativa

respecto al comportamiento del proceso)

El proceso principal influenciado por variables, en particular las variables de

perturbación.

Tiempos medidos requeridos

La preparación del hardware y la metrológica incluyen:

El montaje del control adecuado, medición y técnicas de grabación, a

menos que el proceso disponible esté listo.

La verificación de técnicas experimentales / tecnología bajo condiciones de

operación.

Como parte de los experimentos, a menudo es necesario llevar a cabo

experimentos preliminares con el fin de establecer rangos, adecuar la relación de

señal a la perturbación e identificar las principales variables que influyen. Esto es

importante para los experimentos principales ya que hay que asegurarse que



estén registrados suficientes datos para determinar los valores del punto de

trabajo (valores iníciales al comienzo de la medición). Las señales útiles a la salida

del sistema deben tener una suficiente razón ruido, en el caso de los experimentos

con señales de entrada del tipo escalón, estas deben ser modificadas

aproximadamente un 10% de su corrección de rango (precaución: ¡observar rango

de linealidad!).

La Fig.2-29 muestra un ejemplo de la perturbación (teórica), es decir, un

defecto (determinado durante el funcionamiento en la práctica) en la respuesta

escalón x(t) de una sistema técnico. Una medida cuantitativa simple de la señal de

perturbación es la relación de amplitud 𝑆 = 𝐴𝑆

𝐴𝑁 de la señal de perturbación y señal

útil en la condición de estado estacionario.



Respuestas de escalón de sistemas técnicos.

En la planificación de los experimentos, dos aspectos son de particular

importancia:

La selección de señales de prueba adecuadas (sistemas de señales de

entrada)

La selección del tiempo de observación, durante el cual las señales son

adquiridas.

Las señales de prueba deben activar el sistema para ser suficientemente

analizadas de modo que sea posible detectar las características del sistema con

un rango de señal de perturbación lo más grande posible, para que de esa manera

sea más fácil de detectar y analizar, al comienzo del experimento es donde la

señal de prueba llamada “cambio de escalón” es particularmente adecuada,

Ejemplos de estos casos son los dispositivos electromecánicos o electro térmicos,

que cambian su estado de funcionamiento durante la conmutación o conexión de

voltajes eléctricos o salidas, o el material de control o flujo de energía en

tecnología de sistema de procesos a través de (solenoides) válvulas o bombas. La

prueba de señales del tipo escalón son utilizadas a menudo en la práctica y con

mucho éxito. Por lo tanto, también deben ser utilizadas aquí para el análisis de

proceso experimental.

La reacción de un sistema al que se le aplica una señal de cambio de escalón

es conocida como respuesta de escalón. Si esta respuesta de escalón es

relacionada para la altura de cambio de escalón de la señal de entrada

(representación estandarizada), entonces este es conocido como “la función

transitoria de un sistema”, esto se lleva acabo suponiendo que el intervalo de

linealidad en todo el punto de funcionamiento no está excedido durante el proceso

transitorio y que el sistema estaba en el estado estacionario al inicio del punto de

funcionamiento del experimento, la Fig. 2-30 ilustra este proceso.



La función transitoria representa la parte más importante del modelo del

sistema dinámico lineal.

Representación de la respuesta característica

La señal de la respuesta característica del sistema técnico puede ser

representada cualitativamente con la ayuda de la función transitoria. Dependiendo

del patrón de la función transitoria para tiempos de periodos largos (t …),

diferenciamos ente sistemas con acción-P (elementos P), acción-I (elementos I) y

acción-D (elementos D). Siguiendo la activación del tipo escalón, los elementos

proporcionales (P) adquieren un nuevo estatus estacionario, diferentes para los

valores de puntos de funcionamiento; los elementos integrantes (I) asumen un

ritmo constante de cambio de la variable del sistema de salida para tiempos de

periodos largos (precaución: observar linealidad del rango), y en el caso de

elementos diferenciales (D), las variables de salida vuelven a el estado

estacionario del valor del punto de funcionamiento. Esta estructura básica del

sistema técnico está ilustrada en la fig. 2-31.



El modelo de tangente de inflexión

En numerosas aplicación técnicas, particularmente en las áreas de

procesos o tecnología de energía, la respuesta escalón del sistema se produce sin

ninguna relación de oscilación y solo se muestra la acción proporcional o integral

en conexión con el tiempo muerto. La función transitoria mostrada en la fig. 2.-32

forma parte de un modelo dinámico lineal y es a menudo muy utilizada.

El comportamiento del sistema es simplificado considerablemente,

caracterizado por los tres valores característicos: Proporcional o coeficiente

integral, tiempo retrasado y tiempo transitorio.



La tangente de inflexión utilizada para obtener los valores característicos Tu

y Tg es por ejemplo, entrada a mano alzada en la respuesta escalón determinada

experimentalmente. Si esto está sujeto a interferencias de frecuencia alta,

entonces debe llevarse a cabo una suavización, si es necesario por el ojo (o

asistida computadora). En el caso de interferencia de frecuencia baja, el proceso

no puede ser evaluado, aquí, un número de repeticiones de los experimentos y

suavizado por medio de un promedio pueden ser de ayuda.

La tabla 3 contiene los valores del modelo característico de sistemas de

control´típicos.

A partir del cociente de 𝑇𝑔

𝑇𝑢, es incidentemente posible estimar el grado de

dificultad que se espera en el control de un sistema:



Modelo del tiempo total constante

Otro modelo básico simple de acción proporcional de sistemas de control

sin relación de oscilación, el cual se presta muy bien para el diseño del

controlador, puede ser determinado de acuerdo con Strejc de la siguiente manera:

Los tiempos t20 o t80 se toman de la ilustración de la función del

sistema transitorio, con la cual la función h(t) ha logrado un 20% u

80% de este valor final,



El comportamiento transitorio del sistema se describe a continuación

a través de tres valores característicos:

K – Coeficiente proporcional del sistema

T – Tiempo constante del sistema

Tt – Tiempo muerto del sistema

El Tiempo constante T y el tiempo muerto Tt son calculados para valores del

tiempo t20 y t80 de acuerdo con las siguientes fórmulas:

𝑇 = 0.721 𝑡80 − 𝑡20

𝑇𝑡 = 1.161 𝑡20 − 0.161𝑡80

El total de los dos valores característicos T y Tt es referido como tiempo total

constante 𝑇 .

Configuración del modelo para sistemas de control seleccionados.

Sistema de control de flujo

En el estado experimental, el sistema de control de flujo consiste de un

sistema de tuberías, con el cual el agua es extraída y regresada a un contenedor a

través de una bomba centrifuga (Fig. 2-34). La tarea de automatización es regular

el flujo Q en la tubería.



Configuración del modelo teórico

Dejando aparte los detalles del hardware y software, el comportamiento del

flujo en el sistema de control puede ser representado de forma considerablemente

simplificada como lo muestra la Fig. 2-35.

Esto significa:

∆𝑝0 = 𝐾𝑝𝑁2 – Presión máxima de entrega de la bomba centrifuga a

velocidad N (para Q=0)



∆𝑝𝑆𝑡𝑎𝑡 = 𝑝𝑔 𝑕𝐴 − 𝑕𝑤 𝑓ü𝑟 𝑕𝐴∀ 𝑕𝑤 , de otro modo cero

Presión diferencial como un resultado de la

´ diferencia de altura.

∆𝑝𝑖 = 𝑘𝑖𝑄2 Caída de presión como resultado de la “resistencia

´ interna” de la bomba centrifuga

∆𝑝𝑅 = 𝑘𝑅𝑄2 Caída de presión por el sistema de tubería

∆𝑝𝑣 = 𝑘𝑠𝑄2

𝑘𝑣2(𝑌)

Caída de presión por la válvula de control

Kv Valor Kv (definido en la sección 2.4.2)

Y Viaje de la válvula

Modelo estático del sistema de control

En el estado estacionario (Q= constante), debe haber un balance entre las

presiones, esto significa:

𝑜 = ∆𝑝0 − ∆𝑝𝑆𝑡𝑎𝑡 − ∆𝑝𝑅 − ∆𝑝𝑣

ó

0 = 𝑘𝑝𝑁2 − 𝑝𝑔 𝑕𝐴 − 𝑕𝑤 − 𝑘𝑖 + 𝑘𝑅 + 𝑘𝑠 .

1

𝑘𝑣2 (𝑌) 𝑄2



Si una curva característica lineal de flujo es asumida con

𝐾𝑣 𝑌 = 𝑘𝑌 en el rango de operación (0 a 100%) de la válvula, entonces la

siguiente relación es obtenida a partir de estas ecuaciones asumiendo un nivel de

agua constante hw y una velocidad constante N de la bomba

𝑄 𝑌 = 𝑘𝑝𝑁2 − 𝑝𝑔(𝑕𝐴 − 𝑕𝑤)

𝑘1 + 𝑘𝑅 + 𝐾𝑠1

𝑘2𝑌2

La Fig. 2-36 ilustra el patrón cualitativo de esta curva característica.

En el área del punto de funcionamiento A (Q=Q0 + q, Y=Y0 + y), se aplica la

correlación lineal siguiente:

Q = Ky (modelo linealizado)

Si el flujo es regulado por encima de la velocidad N de la bomba, entonces

la siguiente relación lineal puede ser asumida en el rango de operación de la

bomba Q(N) = k1+k2N entre la corrección de la velocidad N variable de la bomba y

la variable de flujo Q controlada (Fig. 2-37).



Modelo del sistema de control dinámico lineal.

El sistema de control de flujo (variable de entrada: posición de la válvula y,

variable de salida: flujo Q) proporciona una buena aproximación del

comportamiento proporcional sin tiempo de retraso. Un cambio de posición de la

válvula en un instante causa un cambio proporcional en el flujo, los fenómenos

transitorios causados por la aceleración del volumen del agua en el sistema de

tuberías, pueden dejarse pasarse por alto.

Sin embargo, el tiempo de retraso entre la actuación del equipo de control

(señal de voltaje estándar Ve) y la posición de la válvula “y” no debe ser ignorado.

Aquí, la acción proporcional con retraso de primer orden es para ser esperada, la

Fig. 2.-38 ilustra el patrón cualitativo de la respuesta de escalón de un elemento

transitorio de este tipo.

.



Sin embargo, debido a la disposición del sistema de tuberías, la tecnología

de medición y el procesamiento de valores de medición utilizados, un sistema de

retardo de tiempo muerto Tt tiene que esperarse cuando el sistema está operando

en la práctica, que luego tendrá que ser experimentalmente determinado de la

misma manera que el valor del sistema de control K y T.

Las mismas deliberaciones que se aplican al tiempo muerto Tt. se aplicaran

con consideración a los fenómenos transitorios relacionados con la utilización de

la bomba centrifuga. Aquí se debe suponer que la variación de velocidad de la

bomba no afecta al flujo inmediatamente, pero que debido al diseño de la bomba,

el proceso de aceleración en el volumen en movimiento del agua hará que se

retrase en el proceso

Sistema de control de nivel de llenado.

El sistema de control de nivel de llenado en estado experimental consiste

en contenedores unidos a través de dos tuberías y una bomba, que se encuentra

a diferentes niveles de altura (Fig. 2-39), el agua es conducida desde el

contenedor inferior al contenedor superior a través de la bomba y tuberías (1) y de

allí, pude de nuevo fluir libremente hacia el contenedor de abajo a través de la

tubería (2) por medio de fuerza gravitacional. Los efectos de la tarea de

automatización son para regular el nivel de agua en el contenedor superior.



Configuración del modelo teórico.

Modelo para el proceso de flujo desde el recipiente superior

Este proceso de flujo puede ser representado de una manera muy

simplificada (Fig. 2-40).

Las siguientes abreviaturas significan:

P0 – presión atmosférica

PB= p0 + ρgHH – presión en el fondo

Δp= kR2Q2

ab – caída de presión a través de tuberías

Qab – velocidad de flujo volumétrico

Δp= pB – p0 = ρgHh



Se convierte en el flujo de salida volumétrico 𝑄𝑎𝑏 = 𝑘 𝜌𝑔𝐻𝐻

El proceso dinámico en el sistema de tuberías, podría dar lugar a retrasos

del proceso, se tendrán en cuenta en este caso, ya que el comportamiento

dinámico es determinando principalmente por el proceso de almacenamiento en

los dos contenedores.

Modelo para el proceso de flujo de entrada dentro del contenedor superior.

Sobre la base de las deliberaciones del mismo, como ya se ha descrito en

detalle, una vez más el equilibrio debe existir entre las presiones parciales en el

sistema, para los que se aplica lo siguiente

0 = ∆𝑝0 − ∆𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡 − ∆𝑝𝑅 − ∆𝑝𝑖

Utilizando

∆𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡 = 𝜌𝑔(𝐻𝐴 + 𝐻𝐻 − 𝐻𝑈)

∆𝑝𝑅 = 𝑘𝑅1𝑄𝑖𝑛2

∆𝑝𝑖 = 𝑘𝑖𝑄𝑖𝑛2

Resultados en la condición

0 = 𝑘𝑝𝑁2 − 𝜌𝑔 𝐻𝐴 + 𝐻𝐻 −𝐻𝑈 − (𝑘𝑖 + 𝑘𝑅)𝑄𝑖𝑛

2

Aquí hay que señalar que si los contenedores son idénticos en diseño, el

total de los niveles de llenado 𝐻𝑊 = 𝐻𝑈 + 𝐻𝐻 permanece constante.



Este resultado finalmente, se obtienede la correlación entre la velocidad N

de la bomba, nivel HH en el contenedor superior y flujo de entrada Qin en el

contenedor superior.

𝑄𝑖𝑛 = 𝑘𝑝𝑁2 − 𝜌𝑔 𝐻𝐴 + 𝐻𝐻 − 𝐻𝑊

𝑘𝑖 + 𝑘𝑅

El nivel de llenado HH solo cambia una diferencia ΔQ entre flujo de entrada

Qin y flujo de salida Qout,

∆𝑸 = 𝑸𝒊𝒏 − 𝑸𝒐𝒖𝒕

Por intervalo de tiempo Δt, el volumen del agua V en el contenedor superior

seria entonces:

∆𝑉 = 𝐴 ∙ ∆𝐻𝐻 = ∆𝑄 ∙ ∆𝑡

Si usamos las tasas de flujo de entrada Qin y flujo de salida Qout de acuerdo

a las ecuaciones del flujo que vimos anteriormente, con respecto al cambio de

nivel ΔHH entre el intervalo de tiempo Δt.este tenemos como resultado la siguiente

correlación

∆𝐻𝐻∆𝑡

=1

𝐴

𝑘𝑝𝑁2 − 𝜌𝑔 𝐻𝐴 − 𝐻𝑤 + 2𝐻𝐻

𝑘𝑖 + 𝑘𝑅− 𝑘 𝜌𝑔𝐻𝐻



Modelo de estado estacionario del sistema de control

En el estado de estacionario (HH= constante), el flujo de entrada y flujo de

salida en el contenedor superior deben ser iguales.

𝑸𝒊𝒏 = 𝑸𝒐𝒖𝒕

y la correlación por lo tanto seria:

𝑘𝑝𝑁2 − 𝜌𝑔 𝐻𝐴 − 𝐻𝑤 + 2𝐻𝐻

𝑘𝑖 + 𝑘𝑅= 𝑘 𝜌𝑔𝐻𝐻

Si esta ecuación es resuelta con respecto al nivel de llenado HH, la

siguiente correlación se utiliza para la interdependencia entre la velocidad N de la

bomba y nivel de altura HH en el estado estacionario.

𝐻𝐻 𝑁 =𝑘𝑝𝑁

2 − 𝜌𝑔 𝐻𝐴 −𝐻𝑤

𝜌𝑔(2 + 𝑘2 𝑘𝑖 + 𝑘𝑅 )

La Fig. 2-41 ilustra el estado estacionario correspondiente a la curva característica

del sistema de control.



Modelo del sistema de control dinámico lineal

Recordando la correlación mencionada anteriormente, la cual se describe la

conexión entre los cambios de estatus ΔHH por intervalo de tiempo Δt y la

velocidad N o el nivel de altura HH, se aplica en principio también a los pequeños

cambios de variable en el proceso por su punto de valores de funcionamiento.

𝐻𝐻 = 𝐻𝐻𝑂 + 𝑕𝐻 𝑁 = 𝑁0 + 𝑛

y los resultados en la correlación lineal serian:

∆𝑕𝐻∆𝑡

= 𝑎 ∙ 𝑕𝐻 + 𝑏∆𝑛

Con los dos parámetros del sistema de control a y b, los cuales son del

punto dependiente del sistema y funcionamiento.

Comenzando con un estado inicial (por ejemplo, hH=0) y un curso especifico

de relación tiempo de variación de velocidad N (por ejemplo cambio de escalón a

tiempo t=0), esta ecuación puede ser resuelta paso por paso. Los resultados en el

sistema respuesta escalón son mostrados en la fig. 2-37, siempre y cuando si un

intervalo lo suficientemente corto de tiempo t es utilizado.



Este sistema de control por lo tanto también presenta un comportamiento

proporcional con retraso de primer orden al punto de funcionamiento y esta curva

característica necesita ser determinada experimentalmente de acuerdo a las

mismas consideraciones establecidas en la sección de sistema de control de flujo.

Sistema de control de temperatura

El sistema de control de temperatura de la consola de prácticas consiste en

un contenedor eléctrico calentable, en el que la temperatura del agua aumenta

(fig. 2-43), para obtener una mejor distribución de temperatura en el contenedor, el

agua pude ser agitada por medio de una bomba centrifuga, esto da como

resultado una homogeneización de la mezcla, que impide que existan diferentes

niveles de calor.

El propósito de la tarea de automatización es el control de la temperatura

del agua T (variable controlada) por medio de la salida de calor Pel (variable

corregida). La característica especial de este sistema de control es que la

temperatura baja únicamente como un resultado del calor disipado hacia el medio

ambiente. La salida de este proceso, es decir la disipación de calor ΔQout en el

intervalo de tiempo Δt, es considerablemente menor en comparación a la salida

máxima de calor.



T Temperatura del agua en el contenedor

Tu Temperatura ambiente (aire)

ΔQel Cantidad de salida de calor por sistema de calefacción en Δt

ΔQL Cantidad de calor emitido directamente al aire en Δt

ΔQW Cantidad de calor emitido a través de la pared en Δt

h Nivel de llenado en el contenedor

Configuración del modelo teórico

El proceso de calefacción en el sistema de control de temperatura puede

ser representado de una manera muy simplificada como se muestra en la Fig. 2-

44).

𝑉 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ 𝑇 Energía interna del volumen del agua con M = ρV = ρ∙A∙h

∆𝑄𝑒𝑙 = 𝑃𝑒𝑙 ∙ ∆𝑡 Cantidad de calor de salida a través del sistema de calefacción

en un intervalo de tiempo Δt

∆𝑄𝐿 = 𝛼 ∙ 𝐴𝐿 ∙ (𝑇 − 𝑇𝑢) ∙ ∆𝑡 Cantidad de calor (transmisión de calor) emitido directamente a

el aire a través del nivel de agua expuesta en Δt



Lo siguiente significa:

La cantidad de calor suministrado y eliminado durante el intervalo de

tiempo Δt, puede ser señalado de la siguiente manera:

∆𝑄𝑖𝑛 = 𝑃𝑒𝑙 ∙ ∆𝑡

∆𝑄𝑜𝑢𝑡 = ∆𝑄𝑊 + ∆𝑄𝐿

La temperatura T solo cambia si una diferencia ΔQ ocurre entre las

cantidades de calor:

∆𝑄 = ∆𝑈 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ ∆𝑇

Modelo de estado estacionario de control de lazo cerrado

El suministro y cantidades eliminadas de calor debe coincidir en el estado

estacionario (ΔQ= constante, ΔT= constante),

∆𝑄𝑖𝑛 = ∆𝑄𝑜𝑢𝑡

Coeficiente de transmisión de calor (agua-aire)

∆𝑄𝑊 = 𝑘 ∙ 𝐴𝑊 ∙ (𝑇 − 𝑇𝑢) ∙ ∆𝑡

Cantidad de calor (transmisión de calor) emitido para el aire a

través de la pared en Δt

K Coeficiente de transmisión de calor (agua– recipiente, pared –

aire)



por lo tanto

𝑃𝑒𝑙 = 𝛼 ∙ 𝐴𝐿 ∙ 𝑇 − 𝑇𝑢 + 𝑘 ∙ 𝐴𝑊 ∙ (𝑇 − 𝑇𝑢)

Asumiendo la temperatura ambiente como constante y aplicando la formula

anterior, tenemos la siguiente correlación:

𝑇 𝑃𝑒𝑙 =𝑃𝑒𝑙

𝛼 ∙ 𝐴𝐿 + 𝑘 ∙ 𝐴𝑊+ 𝑇𝑢

Lo que indica la dependencia entre capacidad de producción de calefacción

de salida y temperatura de agua en el estado estacionario, la Fig. 2-45 muestra la

curva característica en estado estacionario del sistema de control de temperatura.

La temperatura ambiente se puede asumir como una constante y menos

valida con una disipación de calor en aumento. Con la temperatura ambiente en

aumento, no hay perdida de disminución de flujo de calor, (ΔQab~T-Tu), por el cual

la temperatura del agua se hace más alta en el caso ideal.

El modulo de calefacción utilizado pude ser accionado de forma

intermitentemente, ya que puede estar encendido a plena capacidad o apagado

por completo (elemento dos puntos). Cualquier producción de calor deseada pude

ser alcanzada por medio de un encendido periódico o un apagado del modulo de

calefacción. El tiempo periódico t∞ y el calor de salida en el estatus de encendido

Pelmax está definido por:

𝑃𝑒𝑙 = 𝑃𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑥 ∙𝑡𝑜𝑛𝑡𝑝𝑒𝑟



El tiempo periódico tper debe ser suficientemente largo de modo de no

cargar excesivamente el contactor en el control de calor en los módulos de

calefacción como resultado de una conmutación frecuente. Por otra parte, el

tiempo periódico seleccionado debe ser corto, de modo que el patrón de

temperatura se mantenga (Fig.2-46). Esto significa que este debe ser

considerablemente más corto que la constante de tiempo del sistema de control de

calefacción o proceso de refrigeración (por ejemplo tper = 10 s).



Modelo del sistema de control dinámico lineal

Recordando la siguiente ecuación:

∆𝑄𝑖𝑛 − ∆𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ ∆𝑇

Podemos aplicar esta ecuación para el suministro y disipación de cantidad de

calor, lo cual nos da como resultado la correlación siguiente, para el cambio de

temperatura ΔT por intervalo de tiempo

∆𝑇

∆𝑡=

1

𝑐 ∙ 𝑚∙ 𝑃𝑒𝑙 − 𝛼 ∙ 𝐴𝐿 + 𝑘 ∙ 𝐴𝑊 ∙ 𝑇 − 𝑇𝑢



Esta sección del sistema de control representa un pequeño Δt, y es la base

del comportamiento del sistema, esto se muestra en la Fig. 2-47a.

El sistema de control de temperatura por lo tanto tiene una acción

proporcional con un retraso del primer orden. El cambio en salida de calor causa

un cambio de temperatura gradual.

Otra vez, cabe señalar que el ritmo de cambio en temperatura no es el

mismo para calefacción y enfriamiento, la Fig. 2-47 muestra el patrón cualitativo de

los dos procesos.

En adición, un corto tiempo muerto Tt ocurre en el caso de comparación de

calefacción para el sistema de tiempo constante THeating, este es causado por la

capacidad de calor del modulo de calefacción y la velocidad de conducción de

calor en el agua, este último tiempo constante puede ser bajo por movimiento o

agitación del agua, los parámetros K, THeating y TCooling se determinan por

experiencia.



2.3.3 Controlador de configuración y parametrización.

Los controladores técnicos constituyen un componente esencial en los

sistemas de automatización, cuya tarea principal es el de la estabilización del

proceso. Estos se utilizan con el objetivo de

Lograr y mantener estados de procesos específicos (modo de

funcionamiento) de forma automática.

Eliminar los efectos de interferencia en secuencia del proceso.

La prevención de acoplamiento no deseado en el proceso técnico.

El proceso de los estados dirigidos principalmente se refiere a los parámetros

de proceso específico, tales como presión, caudal, temperatura, nivel de llenado y

la calidad (pH).

Modo de operación del control en lazo cerrado.

La Fig. 2-48 muestra la estructura básica de un sistema de control en lazo cerrado

y su modo de operación:

La característica deseada del valor requerido de la variable controlada “X”

en función del tiempo, es especificada por el valor del punto de ajuste (setpoint)



“W”, esto se puede hacer manualmente en el controlador del equipo de control o

también por otro dispositivo de control, que sea de orden superior al controlador.

En el caso de un valor de punto de ajuste (setpoint) fijo, hablamos de un control de

punto de ajuste (setpoint) fijo, y en el caso de un valor de tiempo variable del punto

de ajuste de un control o de un servo control.

La variable controlada “X” se mide continuamente a través de un dispositivo

de medición conveniente (o en los intervalos de tiempo permitidos) y comparado

continuamente con el valor setpoint W por medio de la substracción.

La desviación del sistema e = W - X indica, cuánto y en qué dirección es

necesario intervenir en el proceso a través de la variable de corrección “y” para

eliminar la desviación del sistema (por ejemplo, a la dirección de la válvula puede

abrirse o cerrarse más).

El dispositivo de control se utiliza como un sistema de procesamiento de

información, que calcula la variable de corrección “y” apropiada para el proceso de

control de la desviación del sistema existente, Los sistemas de control Técnico

están sujetos a una multitud de interferencias (las variaciones de carga, los

cambios en la calidad de los materiales utilizados, etc.).

Para simplificar algunas situaciones, la Fig. 2-48 incluye solamente una

variable de perturbación principal “Z”, Todas las perturbaciones tienen un efecto

sobre la variable controlada y cambian (ejemlo en el caso de un control setpoint

fijo) su valor requerido X0 = W0 del punto de funcionamiento, como tal, todas las

perturbaciones se reflejan en la desviación de sistema, y el control de proceso

arriba descrito, que se lleva acabo continuamente y de forma automática, después

se asegura de completar una disminución de la desviación del sistema y por lo

tanto la eliminación del efecto de la perturbación en la variable controlada.



El éxito de un sistema de control obviamente depende de manera crítica de

la característica relacionada con el tiempo de las variables de perturbación (y de

los valores del setpoint variables en el tiempo), del comportamiento en estado

estacionario, el comportamiento dinámico del sistema de control y procesamiento

de la información en el equipo de control.

Similar a las deliberaciones con respecto a la simulación del

comportamiento estático y dinámico del sistema técnico que se controlará (en este

caso sistemas controlados), es también esencial discutir los conceptos y las

descripciones con respecto al comportamiento en estado estacionario y dinámico

del control en lazo cerrado.

La descripción del comportamiento en estado estacionario del control en

lazo cerrado exige otra vez el uso de curvas características, en este caso, los

modelos de estado estacionario del sistema de control y del controlador, por lo

tanto la Fig.2-49a ilustra la característica en estado estacionario del sistema de

control y la Fig.2-49b muestra la característica en estado estacionario de un

controlador con acción proporcional, aquí, “y” señala la variable de corrección

(posición de la válvula) y “x” la variable controlada (temperatura).



Ambas curvas características se pueden representar de forma común si se

selecciona la misma escala (Fig. 2-50).

La interface entre la curva característica válida para el sistema de control

(Z = Z0) y el equipo de control (W = W0) resulta en el punto de funcionamiento A0 y

por lo tanto el punto de operación valora el Y0 o X0 para la señal de accionamiento

Y o para la señal X la variable controlada.

Si la interferencia entonces cambia de Z = Z0 a Z = Z0, después, en el caso

de una posición fija de la válvula sigue habiendo Y0, por ejemplo, con un

controlador que es apagado o no ha sido arrancado, el punto de operaciones iría a

la deriva de A0 a A1 y la variable controlada X (ejemplo: la temperatura) asumiría el

valor X1.

Sin embargo, si el regulador esta activo entonces, sobre la base de las

mismas consideraciones que se aplican a la interface A0, el punto de operaciones

A2 ocurre, desde ahora las curvas características del sistema controlado para la Z

= Z1 y del dispositivo de control para la W = W0 (con el valor de setpoint inalterado)

se tienen que interceptar, por lo tanto el punto de funcionamiento en este caso

deriva de A0 a A2, los valores correspondientes del punto de funcionamiento son

Y2 y X2, para prevenir el aumento indeseado del la variable controlada de X0 a X1

por lo menos hasta cierto punto, el valor setpoint se reajusta a través del

controlador de Y0 a Y2 y el sistema de control en estado estacionario del valor de

la variable X2 se establece.

Cuanto más plana sea la forma de la curva característica del controlador en

la fig.2-50, más eficaz será la probabilidad del controlador con respecto al

comportamiento en estado estacionario del control en lazo cerrado, en el caso

límite de una curva característica horizontal del controlador, el objetivo de control

es la disminución total de la desviación en el sistema estacionario es = W0 – X2,

incluso podría ser cumplido por completo, sin embargo, una curva característica



horizontal del funcionamiento del controlador según las indicaciones de la Fig. 2-

50 significa un patrón vertical en la Fig.2-49b y como tal un coeficiente

proporcional infinitamente alto del controlador se asume que la acción será del tipo

proporcional, este comportamiento de estado estacionario óptimo del control de

lazo cerrado actualmente puede ser realizado, solamente puede ser considerado

más lejos persiguiendo la deliberación con respecto la tratamiento de la

información en controladores técnicos.

Función del modo de operación de los controladores técnicos (algoritmos de

control)

Los algoritmos de control han demostrado ser un método probado y

analizado para calcular la variable de corrección “y” de la desviación de sistema

“e”, que se relacionan con los patrones básicos de comportamiento descrito en la

sección de la representación de la respuesta característica (acción P, I, D) de los

sistemas técnicos, cada acción asume su propio papel particular en el curso de



este procesamiento de información, la Fig. 2-51 muestra el diagrama de flujo de la

señal (representación gráfica de procesamiento de señales), del controlador.

El objetivo de la acción P y D es asegurar lo más rápido y suave posible el

proceso del fenómeno transitorio en el control de lazo cerrado, La acción “D” no

tiene ningún efecto en el estado estacionario de un circuito en lazo cerrado, ya que

incluso con una desviación en estado estable es () 0, la señal de salida “y” decae

a cero, por lo que no contribuye hacia el valor estacionario de la señal de control

“y”.

La función actual de la acción es mantener la curva característica del

regulador fig. 2-49b vertical y corregir así totalmente cualquier interferencia

permanente, esto se relaciona con la característica previamente ilustrada de los

sistemas de acción integral, para generar un índice de cambio constante de la

variable de salida de sistema después de una activación de salto, este es cómo la

salida del sistema (en el caso del controlador, la señal “y”) puede asumir cualquier

valor dentro de su rango de control, aunque la señal de entrada (en este caso la

desviación de sistema “e”) logra el valor cero otra vez después de una respuesta

transitoria. Un sistema de acción integral tiene por lo tanto un efecto de estado

estacionario de la misma forma que un sistema de actuación proporcional con

coeficiente proporcional infinitamente significativo. Durante un período

suficientemente largo de tiempo, los valores de señal de entrada unidimensionales

más pequeños conducen a una señal de salida de cierta relevancia.

Con el fin de poder calcular el efecto total del controlador sobre el

comportamiento del control de lazo cerrado y como tal la respuesta relacionada

con el tiempo de las variables controladas “x” y “y” en lo referente a la tarea, las

acciones del controlador se puede introducir en el cálculo de los valores de la

especificación setpoint “y”.



Para ello, todos los controladores PID tienen tres parámetros ajustables

libremente (características de los valores del controlador):

El coeficiente proporcional KR para el ajuste de la acción P.

El tiempo de corrección Tn para el ajuste de la acción I.

El tiempo de la acción derivada Tv para el ajuste de la acción D.

Requisitos de comportamiento del control en lazo cerrado.

El ajuste de los valores característicos del controlador KR, Tn y Tv depende

en gran medida de:

El comportamiento del sistema de control en estado estacionario y

dinámico.

Las perturbaciones que actúan sobre el sistema de control.

Las exigencias sobre el comportamiento del control de lazo cerrado en

estado estacionario y dinámico.

El comportamiento del control en lazo cerrado en estado estable (ajuste del

punto de trabajo, desviación del sistema en estado estable, las funciones y el

efecto de la acción I en el controlador) ya ha sido descrito en detalle en la sección

del comportamiento en estado estable del control de lazo cerrado.



Las mismas condiciones previas se deben asumir para la discusión del

comportamiento dinámico como los que están aplicados en la sección 2.3.1.3 para

el modelo dinámico lineal de sistemas técnicos, aquí, se supone que todas las

señales del proceso durante los procesos de control se producen en las cercanías

de sus centros de trabajo y en la práctica no se desvían de la gama de linealidad.

De esta manera, las exigencias sobre el comportamiento dinámico del control de

lazo cerrado, ejemplo en la forma de respuestas escalón puede ser definida con

precisión. Sin embargo, esto significa que durante el funcionamiento práctico del

control de lazo cerrado, los límites de la zona de trabajo lineal en torno al punto de

trabajo deben ser observados. Si se sobrepasan estos, entonces los resultados

alcanzables en este caso con la configuración del controlador basado en los

modelos lineales dinámicos son cuestionados

La Fig. 2-52 ilustra un comportamiento de la variable controlada x (t)

después del cambio repentino del valor de set point “w” (la respuesta de paso del

control de lazo cerrado). Este comportamiento puede ser descrito

aproximadamente por dos valores característicos:



El tiempo de sobrepaso Tm

El sobrepaso estandarizad de la amplitud

La amplitud de sobrepaso h requiere generalmente un valor entre 0 y 20%

t. Los requerimientos del sobrepaso del tiempo Tm dependerán del

comportamiento dinámico del control de lazo cerrado y siempre debe considerarse

en relación con el proceso de tiempos muertos y las constantes del proceso.

Si el modelo de la tangente de inflexión introducida en la sección “El modelo

de la tangente de inflexión” se utiliza para describir el comportamiento del sistema

controlado, entonces el tiempo de sobrepaso no debe ser menos de la mitad del

total del tiempo de retraso y el tiempo transitorio especificado (valor de referencia).

Esto asegura que la señal de control “y” no asume insosteniblemente altos valores

durante la fase transitoria.

Un proceso similar se puede adoptar con respecto a una evolución

favorable de la etapa de interferencia de la respuesta del control de lazo cerrado

(paso de respuesta al cambio del control en lazo cerrado en su entrada), la Fig. 2-

53 muestra una evolución favorable de este proceso desde el punto de vista de la

tecnología de control.



Aquí también, el proceso puede ser descrito aproximadamente por medio de dos

valores característicos

Establecimiento de normas por Ziegler / Nichols

Justo en la etapa inicial de la tecnología de control moderno, JG Ziegler y

N.B. Nichols han especificado el establecimiento de normas, que siguen siendo

ampliamente utilizados hoy en día. Estas están destinados a los casos que se

presentan a continuación:

No hay un modelo (o modelo tangente de inflexión) disponible del sistema

de control.

El control de lazo cerrado se puede operar de forma segura a lo largo del

límite de estabilidad.

Estas normas son las siguientes:

1. Ajuste el controlador como un controlador P (Tv = 0, Tn = ...).



2. El factor de amplitud KR del controlador se incrementa hasta que el control

de lazo cerrado este a punto de realizar oscilaciones atenuadas (límite de

estabilidad).

Esto determina el factor crítico de amplitud KRK y el período de oscilación

de TK de esta oscilación sostenida.

3. En base a estos dos parámetros (KRK, TK), los parámetros de control KR, TN

y TV son entonces calculados por el controlador de acuerdo con las

siguientes especificaciones y establecimiento en el equipo.

Sin embargo, la experiencia muestra que estos valores de ajuste sólo

conducen a la conducta funcional de control de lazo cerrado, si la proporción de

tiempo transitorio Tg a Tu tiempo de retardo del sistema de control no es

demasiado grande, es decir, el sistema en el modelo de la función transitoria

muestra un notable tiempo de demora.

Establecimiento de normas por Chien / Hrones / Reswick

Si tratamos con un modelo de tangente de inflexión del sistema de control

debemos utilizar las normas establecidas por Chien, Hrones y Reswick. Estas

normas se muestran en la tabla siguiente.



Para sistemas con controlador I la expresión siguiente es utilizada

en lugar de

Estas normas también se pueden aplicar a un modelo de tiempo total

constante siempre que Tu = Tt y Tg = T se establezcan.

2.4 Selección de los equipos de automatización

2.4.1 Comentarios introductorios.

Ahora que los aspectos esenciales del trabajo de diseño del proyecto han

sido explicados en los puntos 2.2 y 2.3, el siguiente paso se concentra en

cuestiones igualmente importantes en el contexto de la selección de equipos de

automatización. Estas selecciones son particularmente relevantes para la

preparación de los diagramas de bloques EMCS y listas de equipo, ya que,

además de la integración funcional de los equipos de automatización en estos

diagramas, su diseño es también de importancia (por ejemplo, los rangos de

medición / sensores y las rangos de correcciones / actuadores).



En general, la tarea del ingeniero de proyecto es seleccionar el equipo de

automatización de modo que represente la solución óptima para el sistema que va

a ser construido. Inicialmente, los siguientes requisitos generalas de aplicación

pueden ser seleccionados:

Realización:

La tarea de automatización debe ser solucionada por un medio apropiado

de equipo de automatización.

Confiabilidad

El aspecto de interrupción automática de los equipos de automatización

utilizados deberán ser adecuados para el funcionamiento de los procesos

peligrosos.

Condición de proceso

Las condiciones de las operaciones de tecnología de proceso, tales como

temperaturas, presión, medios agresivos, riesgos de explosión, radiación, campos

electromagnéticos, etc, deben tenerse en cuenta.

Exigencias de cliente

Los clientes con frecuencia especifican como fabricar y con que

funcionalidad del equipo de automatización debe ser procurado

Integrabilidad

Debería ser posible realizar la ampliación de un sistema de automatización

existente por medio de equipo de automatización adicional con el menor gasto

posible (por ejemplo, sin cambiar la energía auxiliar existente).



El consumo de energía

La energía tomada directamente por el equipo de automatización (energía

auxiliar) o el gasto de energía requerida en el proceso (por ejemplo, válvulas de

control, motores de las bombas, etc), debe utilizarse de la manera más eficiente

posible.

Costo determinante

La comparación de precios de equipo de automatización diferentes para la

solución de una tarea equivalente representa un factor importante del proyecto de

cálculo de costos.

Varios

Los aspectos a considerar en este apartado son, por ejemplo, el tamaño, el

peso, la posible instalación de equipos de automatización, el servicio al cliente,

etc.

Por otra parte, la importancia de las diversas evaluaciones de estos

requisitos deben ser considerados en este contexto, por ejemplo, la garantía de la

fiabilidad del proceso es siempre más importante que una reducción de los costos.

Si ahora regresamos de nuevo a las consolas de prácticas ya mencionadas

u otros sistemas de la tecnología de proceso, después del análisis del diagra PI y

el diagrama de bloque EMCS se demuestra claramente que la selección de equipo

de automatización se aplica principalmente a los actuadores y a los sensores.

Los siguientes temas enumeran los fundamentos esenciales para la

selección del equipo de automatización, integrándolo en una estrategia para la

selección.



2.4.2 Fundamentos esenciales.

General.

Utilizando el ejemplo de control de flujo y nivel de llenado de los pequeños

módulos experimentales con los que ya estamos familiarizados, ahora sigue una

explicación de los fundamentos esenciales de la teoría del flujo. Tanto los lazos de

control cerrado a partir de la premisa de un flujo de fluido (caudal de agua), por el

cual q (flujo) y p (presión) representan los parámetros de proceso característicos.

Aquí, deberá ser notado que en la literatura relevante sobre la función de bomba y

el diseño de bomba, el término ' flujo de salida ' a menudo es usado en vez del

caudal.

El objetivo del ejercicio ahora es lograr un caudal correspondiente o el flujo

de salida para las especificaciones correspondientes. En la tecnología de proceso,

bombas centrífugas (también ajustable) y válvulas de control se utilizan

principalmente para este propósito.

Selección de la bomba centrífuga

La fig. 2-54 proporciona una descripción más detallada del diseño y de la

configuración de la bomba centrífuga.



Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la

energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y

potencial. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para

conducir el fluido y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el

exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el

contorno su forma lo conduce hacia las tubos de salida o hacia el siguiente rodete

(siguiente etapa).

Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la

periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por

unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto,

en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen

definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pascales,

Pa, metros de columna de agua m.c.a. o o pie-lb/lb de líquido) es la misma para

cualquier líquido sin que importe su densidad.

En el contexto de las bombas centrifugas, el término cavitación implica un

proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido, su crecimiento y

subsecuente colapsamiento a medida que el líquido fluye a través de la bomba.

Adicionalmente, la bomba centrífuga se puede definir mediante su curva

característica. Esta indica la correlación entre el flujo de salida y la presión de

entrega a una velocidad constante.

Con el flujo de salida aumentando, una caída de presión en aumento es

creada sobre la resistencia del flujo interno de la bomba. En el caso ideal, la

presión de entrega de la bomba será p

p p0 ki q

p – Presión de entrega

http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_%28hidr%C3%A1ulica%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Rodete

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labe

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_centr%C3%ADfuga

http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Masa

http://es.wikipedia.org/wiki/Pascal_%28unidad%29



p0 – Máxima presión de entrega (Q=0) ki – Constante de la bomba

q – Flujo de salida.

Como complemento, la Fig. 2-55 muestra el diagrama de circuito eléctrico

de una bomba centrífuga.

Muy a menudo la presión de suministrop, la altura de suministro h en

relación con un líquido específico, con frecuencia se especifica como un

parámetro típico de la bomba como una alternativa a la entrega de presión,

ejemplo para el agua (densidad p = 1 g/cm3), la cabeza de entrega se calcula

como

En la siguiente figura (Fig. 2-56) podemos observar las curvas

características de una bomba centrifuga para diferentes velocidades y la

eficiencia.



En el punto A de la fig. 2-56 donde el flujo de salida es cero, que puede ser

resultado de que la bomba es accionada contra una válvula cerrada o la diferencia

de presión estática en una tubería es idéntica a la presión de entrega, da como

resultado que aunque la bomba está funcionando, no se transporta líquido, esto

significa que la eficiencia es 0 y la energía consumida se convierte en calor en la

carcasa de la bomba. Sin embargo, durante un período prolongado y con

refrigeración insuficiente, esto puede conducir a daños de la bomba, por lo que

este punto de trabajo no puede mantenerse durante un período prolongado.

En el punto B la bomba alcanza su valor máximo de eficiencia en el punto

de trabajo.

En el punto C podemos observar como la eficiencia disminuye debido a que

se aumenta el flujo hasta superar la capacidad de la bomba. El aumento en el

consumo de energía puede conducir a una sobrecarga del motor de

accionamiento. Por ello, un flujo de salida determinado, no podrá superarse.

A continuación veremos las consideraciones que hay que tomar en cuenta

a la hora de seleccionar una bomba centrifuga.

En primer lugar hay que diferenciar que tarea va a desempeñar la bomba,

comúnmente la bomba desempeña dos tareas: En el primer caso, la bomba se



utiliza para aumentar la presión y así mantener el flujo (de la corriente de salida)

en una tubería, aquí la bomba funciona a una velocidad constante. En el segundo

caso, la bomba se utiliza como un elemento de regulación de caudal, por lo que su

velocidad se utiliza como una variable de corrección.

En la Fig. 2-57 observaremos el primer caso donde la bomba funciona a

una velocidad constante, en este diagrama podemos observar que el punto de

trabajo se localiza en la intersección entre la curva característica de la bomba y la

curva del sistema. Por otro lado en la Fig. 2-58 podremos observar que la

eficiencia de la bomba también se utiliza para determinar el punto de trabajo.

Esto significa que, aparte de la definición del punto de trabajo de la bomba

centrífuga (salida de flujo q0) en la intersección de las curvas anteriores

características, también es necesario tener en cuenta la máxima eficiencia como

una especificación para el flujo de salida q0.



En el caso de la bomba centrífuga con velocidad variable, el primer requisito

que hay que cubrir es especificar q mín y q máx en concordancia con las

especificaciones correspondientes del proceso tecnológico (Fig. 2-59).

Además, el rango de velocidad / el rango de control (la velocidad de n1 a n3)

de la bomba para ser seleccionados deben ser definidos. Con este fin, la curva

característica de la figura. 2-59 muestra que cualquier entrega volumétrica se

puede lograr mediante la variación de la velocidad de la bomba centrífuga. En lo

que se refiere a la selección óptima de la bomba, una vez más debe llegar a una

velocidad de bombeo para ser eficaz en el punto de trabajo (salida de flujo q0), que

también representa una máxima eficiencia para el flujo de salida q0.

La Fig. 2-60 muestra que la eficacia necesaria max se puede obtener a

partir de una curva característica similar a las de la fig. 2.58 pero para una bomba

centrifuga aplicada a variaciones de velocidades.



El esquema de la Fig. 2-61 nos muestra un resumen de las descripciones

mencionadas para la selección de la bomba.

El elemento final de control (regulación de válvula / válvula de control / actuador de

la válvula)

La función de un elemento de control final en un sistema de tuberías es

cambiar el rendimiento del líquido por medio de su resistencia al flujo variable. La

fig. 2-62 proporciona una representación esquemática de los elementos habituales

de control final.



La Fig. 2-63 por lo tanto muestra el diseño de una válvula de control

mientras que la Fig. 2-64 muestra un circuito equivalente eléctrico.

Frente a la tarea de seleccionar un elemento de control final, el primer paso

es examinar el comportamiento básico del elemento de control final en una

sección del sistema (sección de la tubería). En este contexto, cabe señalar que,

debido a la resistencia al flujo de este elemento de control final de una caída de

presión dinámica produce p, que cuadráticamente depende de la velocidad de

flujo o caudal. Esto significa que parte de la presión global disponible en el

comienzo de la tubería se reduce en el elemento final de control (pérdida de

energía).

Debido a su naturaleza, se deduce que los procesos de sistemas técnicos

siempre estarán equipados con numerosas válvulas de control, sometidas a

diferencias en el flujo y la presión. Por tanto, es necesario establecer los

parámetros principales con el fin de clasificar estas válvulas de control.



Para poder hacer una comparación de las válvulas de control, los

fabricantes trabajan sobre las bases de un estado estándar (tasa de flujo estándar)

de la válvula y definen el valor kv. Esto significa que para una caída de presión de

0,98 bar (0,98 - 105Pa), los fabricantes deben especificar las tasas de flujo de

agua (r = 103 kg / m 3) que pasan por la válvula. Estas tasas de flujo estándar

dependen exclusivamente de la carrera de la válvula y la cual se le conoce como

valor de kv. El rendimiento asociado con el movimiento nominal de la válvula de

control se conoce como valor de Kvs.

La dependencia de los valores de kv en la carrera de la válvula

correspondiente se registra en la llamada curva característica de estado

estacionario o curva característica básica de la válvula de control. Las formas

básicas más típicas de esta curva característica pueden ser la curva característica

lineal, una variación de la carrera de la válvula causa un cambio en el rendimiento

lineal (Fig. 2-65) y la igualdad de la curva característica de porcentaje que es

cuando la variación de la carrera de la válvula y el rendimiento tienen una

correlación no lineal (Fig.2-65).

Sobre la base de la tarea de automatización tiene que ser decidido, cual

curva característica se va a utilizar. Para dar una indicación práctica, el

procedimiento siguiente puede ser recomendado:



Si la curva característica estática se conoce (estimación) para el proceso de

utilización de la válvula, entonces la curva característica básica de la válvula de

control se elegirá tomando en cuenta la superposición de ambas curvas

características (con la interacción de la sección del sistema, y la válvula de control)

lo más cerca posible de la curva característica lineal en estado estacionario

(características de funcionamiento) obtenida por el comportamiento del flujo.

Por otra parte, cabe señalar que las diferentes válvulas de control,

dependiendo del diseño de construcción, no se cierran totalmente. El caudal

residual resultante se conoce como valor de kv0 de la válvula de control. Desde el

punto de vista del costo y la función, esto no debería considerarse necesariamente

como una desventaja, ya que la relativamente las válvulas simples On/Off se

utilizan a menudo para cerrar completamente las tuberías. Por otra parte, la

válvula de control se puede diseñar para que cierre completamente (por ejemplo,

el uso de sellos), en este caso, se habla también de la llamada supresión de punto

cero, donde la curva característica se desvía en gran medida de la curva

característica real en el caso de un accidente pequeño (Fig. 2-66).

Los parámetros KVS y Kv0 se utilizan para formar la llamada relación teórica

de control KVS / Kv0, que generalmente es especificado como un parámetro típico

por el fabricante de la válvula y en la práctica a menudo también se sustituye por

la relación eficaz de control KVS / Kvr. Esto toma en cuenta la tolerancia entre el

objetivo y la medida actual de la curva característica básica (Fig. 2-66)



Si ahora volvemos a la selección de la válvula, entonces de acuerdo con la

información anterior, se comienza con el valor de kv. Para una caída de presión

DP=1bar (especificación resultante de la experiencia práctica), esto se puede

determinar de la siguiente manera, teniendo en cuenta que el caudal de la

sección del sistema (especificación derivada de la experiencia práctica):

Donde:

q= Flujo de salida en m3/H

– densidad en 103 kg/m3

p- Caída de presión especificada en 1 bar

Esto significa que por definición el máximo y mínimo caudal (Q máx / mín)

en la sección del sistema en cuestión, se calculan con la ayuda de la fórmula

anterior, siendo estas:

Para propósitos prácticos, cabe señalar que, en la mayoría de los casos no

es posible encontrar una válvula de control con el valor calculado de KVS a partir

de los datos del sistema, en consecuencia, por razones prácticas (por ejemplo,



teniendo en cuenta también cualquier otro cambio que ocurren en el sistema de

datos) siempre se debe seleccionar una válvula de control con un mayor valor Kvs

(que la calculada).

Además, cabe mencionar que al cambiar la fórmula para determinar el valor

kv, también es posible obtener una fórmula para las características de

funcionamiento antes mencionadas:

Como puede verse en la fig. 2-69, la diferenciación se hace entre las

secciones del sistema dominante, con una caída de presión estática y la dinámica

dominante de la caída de presión. Sin embargo, en la fig. 2-67, se puede ver

claramente que en los sistemas con la caída de presión estática, esto sólo

marginalmente depende de la velocidad de flujo, también conocido como el flujo

de salida Q.

Por lo tanto, se aplica en general que la caída de presión total se mantiene

constante y también la presión baje a través de la sección del sistema y la válvula

de control.



Para casos donde la caída de presión en el sistema es dinámica, los

cambios de presión están en relación con el flujo, podemos observar la grafica en

la Fig. 2-68.

La Fig. 2-69 representa un resumen de las consideraciones principales que

participan en la selección de una válvula de control, que están documentadas en

forma de normas básicas de procedimiento a través de los puntos 1 a 4.



Selección de sensores

Como regla general, la selección de los sensores en el marco de un

proyecto de automatización es más sencilla que la selección de los actuadores

descritos en la sección anterior.

La selección por medio de la evaluación de la literatura de la compañía

respectiva, es relativamente simple para el ingeniero del proyecto. Mediante el uso

de los rangos de medición relacionados con la tecnología de proceso, todo lo que

le queda por hacer es seleccionar un sensor correspondiente.



La Fig. 2-70 ilustra este procedimiento. Es irrelevante decir que las

condiciones de funcionamiento ambiental del sensor también se deben tomar en

cuenta (por ejemplo, medio agresivo, las condiciones de montaje, etc.)


Dado que los capítulos anteriores únicamente representan una relación de

los principales aspectos del trabajo de diseño del proyecto, la cuestión de la

protección de proceso no se ha abordado de manera explícita. Por lo tanto, hay

que decir que esta cuestión puede ser un factor adicional muy importante de la

labor de diseño del proyecto en relación con la tecnología de proceso. Por

ejemplo, los requisitos para la automatización de una planta de energía atómica

serán considerablemente más altos que los del sistema de automatización de una

fábrica de cerveza.

En consecuencia, el Ingeniero de Diseño del proyecto debe ser consciente

de los requisitos esenciales para la protección del proceso y debe incorporarlos en

el diseño del proyecto. La Fig. 2-71 establece los aspectos básicos de la

protección del proceso.



Según esto, el Ingeniero de Diseño del proyecto se enfrenta a problemas

tales como la protección contra explosiones (diseño a prueba de explosión del

equipo de automatización y sistemas). En general, hay suficiente documentación

disponible de la empresa, por lo cual las exigencias derivadas de la tecnología de

proceso puede ser aplicado con bastante éxito.

El problema de la EMC (compatibilidad electromagnética), que también se

muestra en la Fig. 2-71 es aún más compleja en comparación con un diseño a

prueba de explosión del equipo de automatización.

Sin embargo la parte que requiere un minucioso estudio es la referida por la

norma VDI/VDE2180.

La norma VDI/VDE 2180 es basada en el siguiente precepto básico

graficado:



En el caso de un sistema de proceso técnico, la diferenciación se hace

entre el rango aceptable, el rango de error admisible y el rango de error

inaceptable, aquí se supone que un proceso del sistema técnico en el curso de la

operación normal (operación en estado estacionario) se mueve dentro de los

llamados márgenes aceptables, es decir, en el caso de la deriva de los parámetros

del proceso, desde el punto de trabajo, el sistema opera en el rango de error

permitido.

La protección de este régimen de operación se realiza por medio del

sistema de automatización actual, mediante un correspondiente equipo de

monitoreo (valor límite codificado, si se supera el rango aceptable (estado estable

del estado operacional), el sistema vuelve automáticamente al rango aceptable o,

si se rige por la tecnología de proceso, por la intervención manual (caso 1).

Si el dispositivo de monitoreo falla, entonces el dispositivo de seguridad 1

centra en funcionamiento ya que también realiza esta medición por medio de un

decodificador correspondiente del valor límite y devuelve al sistema de proceso al

rango de error permitido (caso 2 ).



Independientemente de las medidas descritas anteriormente, se debe

proporcionar un dispositivo adicional de seguridad (el dispositivo de seguridad 2),

que entra en funcionamiento en caso de que fracasen los dispositivos de

seguridad descritos anteriormente. Este dispositivo de seguridad requiere una

base de hardware que es completamente independiente del equipo de

automatización anterior, que abarca tanto sensores como actuadores y también

procesadores (el caso 3).

Esto garantiza que en caso de que fracase el equipo de monitoreo o de

seguridad 1, una estructura de automatización adicionales entre en

funcionamiento en el sistema de tecnología de proceso, impidiendo así que los

parámetros del proceso no salgan del rango de error aceptable causando así

daños en el sistema.

Dependiendo de la clase de proceso, el Ingeniero de Diseño debe decidir

hasta qué punto las especificaciones de la VDI / VDE 2180 deben integrarse en el

diseño del proyecto.



Capitulo 3

Puesta en marcha y Mantenimiento

3.1 Puesta en marcha de los procesos y la automatización de los sistemas.


3.1.2 Conexión de potencia auxiliar (Parte 1 y Parte 2)

3.1.3 Prueba de control: de lazo cerrado, sistemas de control de binarios y

dispositivos de seguridad

3.1.4 Establecimiento del modo stand-by de los procesos técnicos

3.2 Mantenimiento de los sistemas de proceso técnico (a pequeña escala

sistema experimental)

3.3 Búsqueda de fallas y control de errores



3.1 Puesta en marcha de los procesos y la automatización de sistemas.


Para poder resolver las tareas establecidas en los sistemas de control, es

ante todo, necesario establecer los sistemas de tecnología de procesos (el

proceso) y el sistema de automatización deben ser siempre considerados como

una sola entidad. En este sentido, la interacción entre el proceso (la sección

tecnológica de proceso del sistema) y la estructura de automatización siempre

deberán de tenerse en cuenta a la hora de ponerlo en marcha.

La Fig. 3-1 proporciona una visión general de los principales aspectos de la

puesta en marcha de procesos y sistemas de automatización, clasificándolos en

los niveles I y II, aquí es de gran importancia, en qué orden las acciones

individuales llevaran a cabo la puesta en marcha, determinando así: El periodo de

tiempo real, los gastos incurridos y el éxito del sistema puesto en marcha. Una

primera evaluación de la fig. 3-1 nos permite definir las siguientes actividades

principales:



NIVEL I

Grupo 1 (paso 1)

Conexión eléctrica, neumática e hidráulica de energía auxiliar para los

transformadores y equipos de automatización (con la excepción de los

grandes dispositivos de consumo eléctrico).

Comprobación del modo de funcionamiento (en modo manual) de sistemas

de control de lazo cerrado y binario.

Prueba básica de los sistemas de control binario, como son la conexión y

desconexión de las bombas, el abierto cerrado de las válvulas, etc., las

variaciones de la estructura del sistema y la prueba de los equipos de

monitoreo y seguridad.

Grupo 2 (paso 2)

Establecimiento del dispositivo operativo del proceso, como son la

disponibilidad de materias primas en los contenedores correspondientes,

llenado necesario de los sistemas de tuberías, etc. (todos los pasos se

operan de modo manual (Purgado)).

Grupo 3 (paso 3)

Pruebas de los dispositivos de seguridad (como se especifica en la norma

VDI / VDE 2180), mediante el cual un dispositivo de seguridad 1 (sensores,

actuadores y los algoritmos del procesador se realizará en primer lugar,

seguido por el dispositivo de seguridad 2.

Conexión de la energía auxiliar eléctrica para dispositivos de gran consumo.

Acercarse a los puntos de trabajo de los procesos tecnológicos del

sistema, es decir, los lazos cerrados de control se mueven en los puntos

necesarios que trabajan en el modo manual, mediante el cual la estructura



de control y los parámetros del controlador se programan para cada lazo

cerrado de control.

NIVEL II

Grupo 1

El establecimiento del modo de operación (el modo automático) por medio

de una transición sin problemas, manual / cambio automático (la señal de

control manual y la señal de control automático coinciden).

Seguimiento de la puesta en estado estacionario inicial y las pruebas de

control y el comportamiento de la perturbación.

3.1.2 Conexión de las energías auxiliares (Parte 1 y Parte 2)

Como ya se ha discutido en la sección 2.2.5, la mayor concentración de

trabajo relativo a la conexión de las energías auxiliares (electricidad, neumática,

hidráulica) está en la energía eléctrica auxiliar. Esta forma de energía auxiliar es el

factor dominante en el funcionamiento de un sistema de automatización. Debido a

los diferentes grupos de dispositivos de consumo (véase el consumo de energía),

la secuencia de conexión de diferentes niveles de tensión y se determina un

procedimiento (etapas 1 a 3), como se muestra en la fig. 3-2, en los que estos

voltajes están disponibles:



Paso 1:

Conexión de la energía eléctrica auxiliar para los procesadores (sistemas

de control) de procesos, controles compactos, tecnología de PLC y PC‟s).

Los niveles de voltaje típicos de 220V CA y 24 V CD (disponible a través de

unidades de alimentación).

Paso 2:

Conexión de la energía auxiliar eléctrica para equipos de automatización,

los dispositivos de consumo estándar (tales como sensores, actuadores,

transductores de medición y dispositivos de seguridad).

Los niveles de voltaje son de 220V de CA (alimentación principal) 24V CD

(disponible a través de unidades de alimentación).

Paso 3

Conexión de la energía auxiliar eléctrica para equipos de automatización,

dispositivos que consumen grandes cantidades de energía (Bombas,

calentadores).

Los niveles de voltaje son de 220V de CA (alimentación principal).

Las Fig. 3-3. Fig. 3-4, Fig. 3-5 y Fig. 3-6 son ejemplos que representan

técnicamente, una solución de circuito típico de conformidad con el procedimiento

de conexión (pasos del 1 al 3)

La Fig. 3-3 muestra un ejemplo de cómo, mediante la aplicación de los

pasos del 1 al 3, el auxiliar de energía eléctrica para el modulo a pequeñas escala

experimental se va a conectar. Esto muestra que el controlador compacto



(procesador) es el primero que se suministra con la energía auxiliar, seguido de

los sensores, actuadores, pequeñas bombas y dispositivos de seguridad y por

último, el calentador (por ser de gran consumo).

Un ejemplo individual ilustra a continuación, que circuito propuesto es más

favorable para el suministro de energía eléctrica auxiliar para los procesadores

(Fig. 3-4), mediante el cual el dispositivo de seguridad, así como la energía

neumática auxiliar son suministrados mediante los contactos adicionales K1 y

K2(Fig. 3-6). La Fig. 3-5 muestra un ejemplo de la conexión de la energía eléctrica

auxiliar para dispositivos de gran consumo, por lo que las bombas y calentadores

son asignados a las vías de 220V de CA a través de los contactores del K3 al K6.



3.1.3 Prueba de control: de lazo cerrado, sistemas de control binarios y

dispositivos de seguridad.

Ahora que las energías auxiliares necesarias han sido conectadas, la

prueba de automatización de la configuración o estructura se puede iniciar., El

siguiente procedimiento se recomienda para realizar con éxito esta tarea (Fig. 3-7)



Con el paso 1, los sistemas de control binario se ponen a prueba como

primera medida. Esto implica. Por ejemplo, la prueba de las válvulas On/off

provistas para cambios de configuración y su interacción con los controladores

binarios correspondientes, en esta corrección las señales resultantes de la

particularmente llamada retroalimentación del elemento de control, (sección 2.2.4)

deben ser evaluados visualmente o mediante el control binario (los sistemas de

control binario). Del mismo modo, la zona asignada, los sistemas de control binario

para la conexión y desconexión de las bombas correspondientes y calentadores

son sometidos a prueba. Una vez más, la zona asignada, los sistemas de control

binario deben ser probados a través de los elementos de control manual y

sensores de retroalimentación correspondiente. Una vez más, la zona asignada,

los sistemas de control binario deben ser probados a través de los elementos de

control manual y sensores de retroalimentación correspondiente.

Igualmente, las pruebas de los dispositivos de seguridad también incluyen

la supervisión de los sistemas de control binario. Sin embargo, para ello, los

sensores asociados se activan mediante la manipulación adecuada y por lo tanto

cualquier actuador accionado de esta manera es evaluado de forma similar para el



funcionamiento correcto (Reconocimiento final del elemento de control visual y la

lógico).

Si los sistemas de control binario y los dispositivos de seguridad son

totalmente funcionales, la puesta en marcha del control de lazo cerrado se puede

iniciar. Para ello, los lazos de control cerrado deberán estar puestos en línea con

los respectivos puntos de trabajo especificados, todo esto en el modo manual y

luego cambiándolos al modo automático. Después de una evaluación

suficientemente larga de la dirección y el comportamiento de la interferencia de los

circuitos de control en lazo cerrado, el sistema puede ser entregado al usuario.

3.1.4 Establecer el modo de espera de un proceso técnico.

Al utilizar la energía auxiliar disponible (eléctrica y neumática) y la

configuración de operaciones de automatización (sistemas de control binario y

control de lazo cerrado en modo manual), al poner el proceso técnico en modo de

espera, se garantiza la activación del estado real de equilibrio del proceso

continuo. En particular, los pasos preparatorios que figuran a continuación

deberán ser llevados a cabo:

Llenado y vaciado de las secciones de tuberías necesarias para garantizar

la capacidad de ejecución de las bombas utilizadas (purgar).

Asegurar una cantidad suficiente de agua en los contenedores de salida a

las bombas de abastecimiento.

Cambios de configuración al contenedor y al sistema de tuberías para el

inicio de la producción verificando el estado que guardan las válvulas on/off

y las correspondientes válvulas de la mano.



3.2 Mantenimiento de los sistemas de proceso técnico (modulo experimental

a pequeña escala).

Sin duda, la magnitud y el costo de mantenimiento de los sistemas

modernos de proceso técnico son en gran medida determinads por la calidad del

sistema de automatización (el proyecto de automatización), mediante el cual el

uso de equipo de automatización moderna desempeña un papel vital. Aquí, hay

que tener en cuenta que el procedimiento reconocido para la instrumentación

convencional tiene que ser modificado para el mantenimiento y puesta en marcha

de un sistema de proceso técnico. En este contexto, los siguientes aspectos

deben tenerse en cuenta:

El equipo moderno de automatización es muy fiable, requiere poco o ningún

reajuste, o se puede ajustar fácilmente a través de sistemas de control e

instrumentación o los elementos de control similares, por lo que cualquier

medida de reajuste se puede hacer fácilmente si es necesario.

El uso universal de control de procesos, siendo una típica característica de

los sistemas de automatización moderna, facilita un nuevo enfoque

eficiente para la realización de las medidas necesarias para el

mantenimiento y conservación.

El uso cada vez más de los sistemas de intercomunicación de campo (field

bus) de igual forma se deben tomar en cuenta y también influye en el

mantenimiento y las operaciones de conservación.

3.3 Encontrar errores y manejo de errores - Entrenamiento de prevención de

daños.

El hallazgo de fallas y manejo de errores representa un área extensa de

funciones en un proceso técnico operativo. Una amplia variedad de errores

pueden ocurrir, que deben ser analizados y eliminados por el personal de



mantenimiento. En lo que se refiere a una agrupación sistemática de estos

errores, la Fig. 3-8 define las distintas categorías que se discuten a continuación.

Grupo 1.- Cobertura de los errores típicos, los cuales son causados como

consecuencia de un fallo de los sensores o actuadores, las siguientes

recomendaciones se da para la eliminación de errores.

Categoría 1

Fallos en los sensores

Inmediatamente hacer mediciones en los terminales del sensor o en los

puntos terminales de la caja EMCS.

Fallos en el actuador

Prueba de la señal de control de entrada en el actuador

Prueba directamente sobre el actuador trayectoria de la señal de la posición

a la unidad de servo (verificación de la exactitud de calibración).

Prueba directamente sobre el actuador movilidad del asiento de la válvula y

la aguja (por ejemplo, como resultado de la interferencia o la oxidación del

asiento de la válvula o aguja).



Categoría 2

Errores en las líneas de transmisión

Mediciones de la conducción por medio de control de terminales de los

puntos terminales de campo EMCS y en la consola de control del proceso.

Inspección visual de las guías de cable o cable de las bandejas (bastidores

de cable) para determinar los daños mecánicos.

Categoría 3

Errores en la tecnología de intercomunicación.

Checar el comportamiento de las entradas y las salidas mediante la

aplicación de señales de entrada en las terminales de entrada del

transductor de medición.

Comprobación o la repetición de la calibración del transductor de medición

(verificación de la tensión de alimentación).

Categoría 4

Errores en los procesadores

Comprobación de tensiones de alimentación

Checar las entradas y las salidas de señales de acuerdo a las

asignaciones resultantes de los algoritmos de proceso (por ejemplo,

pruebas en línea de PLC o controlador compacto).

Aparte de los errores típicos mencionados en los sistemas de proceso

técnico, que por lo general siempre se puede eliminar con la ayuda de los

conocimientos adecuados, también es mal funcionamiento puede ocurrir, que



puede conducir a daño de los complejos de todo el sistema, incluyendo las

lesiones personales o por lo menos grave peligro.

Sin embargo, con la ayuda de la llamada “formación de prevención de

daños”, todo el personal del sistema es entrenado de forma que pueda reaccionar

con sensatez en el caso particular de los desastres y reducir al mínimo cualquier

daño material o personal. Sin duda, esta formación de prevención de daños es de

particular importancia en las instalaciones de alto riesgo (por ejemplo, en las

centrales nucleares, centrales eléctricas, plantas químicas, etc., pero en general

siempre se debe adaptar a la tecnología de proceso real.

Una serie de puntos fundamentales principales se enumeran a continuación

en relación con la esencia de la formación de prevención de daños.

Antes que todo, el sistema de proceso técnico se divide en distintas

secciones importantes desde el punto de vista de la tecnología de proceso y

la seguridad del sistema.

El Personal entonces debe estar completamente familiarizado con este

desglose estructural (secciones individuales y su interacción), por ejemplo,

el módulo experimental de pequeña escala dividido en las secciones

individuales del nivel de llenado, el flujo y sistemas de control de la

temperatura y el módulo de alimentación).

Sobre la base de la interrupción de la estructura del sistema, una estrategia

debe ser desarrollada para el aislamiento de las distintas secciones del

sistema de proceso técnico. Para ello, la intervención manual (intervención

de emergencia) con la ayuda de los sistemas de automatización de diseño

deberá ser posible que, debido a la configuración de las líneas de

transmisión (por ejemplo, líneas de acero inoxidable neumático), se asegure

un capacidad de refracción de al menos 1 a 2 minutos, incluso en caso de

emergencia.



Todo el personal debe ser adiestrado en el manejo de estas

intervenciones de emergencia.

Por otra parte, en el caso de extinción de incendios y otros daños en

los dispositivos de control deben ser incorporados en la formación de

operaciones de emergencia.

Finalmente, la evacuación más eficaz de personal de una instalación

dañada debe ser definida, enseñada y ensayada en caso de que se

produzcan daños.

El personal también debe recibir una formación en el reconocimiento

de los daños que se han producido como resultado de una

emergencia (por ejemplo, daños al medio ambiente), además de los

otros sistemas, incluido el personal en peligro y en informar a todas

las demás partes en las proximidades de su caso (a ser evacuados)

o incluir éstos en el control de daños.



Capitulo 4

Encontrando Fallas.

4.1 ¿Que se entiende por mantenimiento?

4.1.1 Servicio

4.1.2 Inspección

4.1.3 Reparación

4.2 Reparaciones sistemática en caso de mal funcionamiento


4.2.2 Procedimiento


4.3.1 Detección de fallos sistemáticos


4.3.3 Análisis de fallas

4.4 Análisis final



4.1 ¿Qué se entiende por mantenimiento?

El mantenimiento se refiere a todas las medidas relativas a la preservación

y el restablecimiento de la situación de punto de referencia y la determinación y

evaluación de la situación real de los recursos técnicos del sistema (DIN 31051).

Más específicamente, el mantenimiento puede ser dividido en tres áreas

(Fig. 4-1):

Servicio

Inspección

Reparaciones.



4.1.1 Servicio

El concepto de servicio se refiere a las medidas preventivas para prolongar

el tiempo de funcionamiento. Prestación de servicios a instalaciones técnicas,

incluye:

4.1.2 Inspección



4.1.3 Reparaciones



4.2 Reparaciones sistemáticas en caso de mal funcionamiento

En el caso de una interrupción involuntaria, las reparaciones se llevarán a

cabo según el siguiente plan.


El requisito básico para la reparación sistemática y la búsqueda de fallos es

el conocimiento del sistema. Esto significa que sólo cuando se han familiarizado

con el sistema y saber cómo está estructurado, va a ser capaz de llevar a cabo

reparaciones sistemáticas.



La familiarización con el sistema se da mediante:

La observación minuciosa de la instalación.

Poner a disposición la documentación del sistema entero.

Conocer el producto y la tecnología de procesamiento.

El intercambio de información con el usuario, operador.

Estructuración del sistema en:

1.-Sistema y la estructura de controlador:

Diagramas de flujo de programa

Gráficos de funciones

Descripción

2. Diseño mecánico

Estructura y unidad de apoyo

Función de las unidades

Ajuste

3. Tecnología de accionamiento

Sistema eléctrico

Hidráulica

Neumática

Sistema mecánico

4. Elemento final de control

Lo mismo que en el 3

5. Sistema de control



De control de relé eléctrico

Controlador lógico programable

6. Generador de señales

Sensores binarios

Sensores analógicos

Sensores digitales

7. Fuente de alimentación

Eléctrica

Hidráulica

Neumática

4.2.2 Procedimiento

La primera cosa que se debe hacer en caso de una señal de error es el de

establecer la situación real. Las siguientes opciones están disponibles para ello:




La búsqueda de fallos reales comienza una vez que la situación actual se

ha establecido y comparada con la situación requerida. Esta comparación con

frecuencia conduce al descubrimiento de la fuente de error, las causas pueden

ser:

visibles (por ejemplo, el daño mecánico a un generador de señales),

audible (por ejemplo, la estanqueidad de la válvulaen la red de aire

comprimido).

detectables por el olfato (por ejemplo, por cable quemado)

Si este no es el caso, la culpa sólo puede ser encontrada y eliminada por

medio de un procedimiento sistemático.

4.3.1 Detección de fallos sistemáticos.

Una vez más, la comparación entre el estado real y el requerido constituye

la base para la búsqueda de fallos sistemáticos.




Una vez que un fallo ha sido encontrado, no es suficiente sólo resolviendo

sino que al mismo tiempo la causa del problema debe ser determinada. Una

herramienta útil para esto es una lista de fallas, que debe mantenerse con la

instalación. Esta lista describe las fallasy sus causas. Se puede tomar un número

de formas diferentes.



El siguiente es un ejemplo.

Esta lista puede ser útil en la detección de deficiencias que se repiten con

frecuencia y sus causas. Con índice de fallos es más fácil establecer la naturaleza

del error.

A = incorrecta práctica de trabajo

(Por ejemplo, un tornillo de retención no está correctamente apretado en el

ensamblado)

M = fallo mecánico

(Por ejemplo, los sensores están mal ajustados)

E = Eléctrico

(Por ejemplo, el relé no está energizado o el solenoide no conmuta)

S = Error del controlador

(Por ejemplo, el Programa o parte de él no está activado)

L = fuga

(Por ejemplo, el agua se escapa por las conexiones)

B = error de operación

(Por ejemplo, la válvula no se cierra)

W = Error de servicio

(Por ejemplo, El filtro no está limpio)



4.3.3 análisis de fallas

Con la ayuda de la lista de errores, es posible determinar si una falla o daño

se produce y por lo tanto para identificar los puntos débiles en el sistema. Una vez

que estos han sido identificados, es aconsejable introducir mejoras técnicas. Si el

daño se ha producido, el siguiente procedimiento debe ser adoptado.



4.4 Análisis final

Encontrar fallos y eliminarlos no sólo significa hacer que el sistema

operativo quede como nuevo, sino también para identificar y mejorar áreas débiles

en el sistema.

El prerrequisito básico es el conocimiento de todos los aspectos de control

de la tecnología y la comprensión de la función y la interacción de los sistemas

híbridos.



Conclusiones:

Desde el punto de vista personal y profesional, la realización de este trabajo

me brindo la oportunidad de afinar mis conocimientos sobre los sistemas de

control y la automatización de procesos, además de poder entender y comprender

el funcionamiento de estas dos ramas de la ingeniería aplicadas a un sistema

real, por otro lado este trabajo me da una visión general del ámbito laboral y

profesional en el que se desenvuelven los Ingenieros de Control y los Ingenieros

de Automatización.

En el ámbito académico y social, elaboré este trabajo con la intención de

brindarle apoyo a todos los estudiantes de la carrera de Ingeniería Mecánica

Eléctrica, ya que una de las grandes problemáticas que puede vivir uno como

estudiante, es que muchas veces aprendemos la teoría, la ecuaciones, las

formulas, etc. Pero en realidad no sabemos físicamente que está sucediendo, no

tenemos una idea clara de lo que estamos calculando, diseñando o modificando;

es por eso que este trabajo es el punto de partida para que los estudiantes de

control y automatización tengan una visión más amplia y clara de lo que están

estudiando, sé muy bien que por eso existen los laboratorios, para brindarles esa

visión a los estudiantes, sin embargo no siempre son suficientes y más para la

Ingeniera de control, la cual requiere mucha práctica para visualizar su aplicación,

ya que es una experiencia académica abstracta en la cual influyen mucho las

matemáticas y el algebra.



Bibliografía.

1. Katsuhiko Ogata. INGENIERÍA DE CONTROL MODERNA. Cuarta edición.

Editorial: PEARSON EDUCACIÓN, Madrid 2003.

2. H. Bischoff, D. Hofmann, E. v. Terzi. WORKBOOK Process Control System.

Festo Didactic GmbH & Co.

3. Benjamin C. Kuo. SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO. Séptima edición.

Editorial: PEARSON EDUCACIÓN.

4. Terminology and Symbols in Control Engineering. SAMSON AG.

5. http://www.steamcontrol.com/wp/documentos/Valvulas%20de%20control.pdf

6. http://www.monografias.com/trabajos12/compe/compe.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/compe/compe.shtml



Anexos.

A medida de complementar la información antes citada es recomendable consultar

las siguientes páginas web:

1.-http://www.festo.com/INetDomino/coorp_sites/es/f50654a663c63bc4c12571fd0

02b3689.htm

2.- http://www.vdi.de/index.php?id=2657&L=1

3.- http://www.din.de/cmd?level=tpl-home&languageid=en

El primer enlace contiene la pagina de FESTO didactic, donde se aborda

directamente un pequeño resumen de la normatividad.

Los enlaces 2 y 3 son la pagina Web de las normas VDI y DIN

respectivamente, donde se podrán consultar las normas citadas en este

documento.

http://www.din.de/cmd?level=tpl-home&languageid=en

INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS: …

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