Variables y Componentes de los Sistemas de Control

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Variables y Componentes de los Sistemas de Control Automático

Introducción:

El control automático ha desempeñado una función vital en el avance de la ingeniería y la ciencia, es una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura. Prácticamente, cada aspecto de las actividades de nuestra vida diaria está afectado por algún tipo de sistema de control. Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria tales como control de calidad de los productos manufacturados, líneas de ensamble automático, control de máquina-herramienta, sistemas de transporte, sistemas de potencia, robótica, etc., aún el control de inventarios y los sistemas económicos y sociales se pueden analizar a través de la teoría de control automático. Debido a que los avances de la teoría y la práctica del control automático aportan los medios para obtener un desempeño óptimo de los sistemas dinámicos, tales como mejorar la productividad y eliminar muchas de las operaciones repetitivas y rutinarias, los ingenieros y científicos deben tener un buen conocimiento de este campo.

Importancia:

Los sistemas de control han sido de gran impacto para el desarrollo de nuestra sociedad ya que han permitido:

- Automatizar tareas humanas repetitivas, tediosas y/o peligrosas. - Trabajar con tolerancias (margen de errores) mucho menores, mejorando la calidad de los

productos.

- Disminuir costos de producción en mano de obra e insumos.

- Mejorar la seguridad de operación de las máquinas y procesos.

Campos de aplicación:

Los sistemas de control tienen vastas áreas de aplicación en: Industrias del transporte, incluyendo la aeroespacial; procesos químicos y biológicos; sistemas mecánicos, eléctricos y electromecánicos; agroindustria, industrias de procesos y de manufactura; sistemas económicos, políticos y sociales.

Se encuentran en nuestra cotidianidad: Desde el refrigerador hasta el sistema de control de combustión electrónica de los automóviles y así como en nuestro propio cuerpo: control de la temperatura corporal, presión arterial, equilibrio, etc. El simple acto de señalar con el dedo es un sistema de control.

Ahora bien, su aplicación requiere de varias tecnologías como la informática, la eléctrica, la electrónica y las comunicaciones; también exige buena fundamentación matemática y conocimientos del proceso a controlar.

De lo anterior se deriva que los sistemas de control sean un área multidisciplinar y transversal a

las ingenierías y a otras ciencias.

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Objetivos de la aplicación de control automático de procesos

El objetivo del control automático de procesos es mantener en determinado valor de operación

las variables del proceso tales como: temperaturas, presiones, flujos y compuestos. Todos los procesos

son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no se emprenden las acciones

pertinentes, las variables importantes del proceso, es decir, aquellas que se relacionan con la seguridad,

la calidad del producto y los índices de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño.

El sistema de control de procesos

Para comprender completamente las ideas asociadas a un sistema de control, considérese un

intercambiador de calor en el cual la corriente en proceso se calienta mediante vapor de condensación,

como se ilustra en la siguiente figura:

Ilustración 1, Intercambiador de calor

El propósito de la unidad es calentar el fluido que se procesa, de una temperatura dada de entrada

Ti(t), a cierta temperatura de salida, T(t), que se desea. Como se dijo, el medio de calentamiento es vapor

de condensación y la energía que gana el fluido en proceso es igual al calor que libera el vapor, siempre y

cuando no haya pérdidas de calor en el entorno, esto es, el intercambiador de calor y la tubería tienen un

aislamiento perfecto; en este caso, el calor que se libera es el calor latente de la condensación del vapor.

En este proceso existen muchas variables que pueden cambiar, lo cual ocasiona que la

temperatura de salida se desvíe del valor deseado, si esto llega a suceder, se deben emprender algunas

acciones para corregir la desviación, esto es, el objetivo es controlar la temperatura de salida del proceso

para mantenerla en el valor que se desea.

Corriente que se procesa,

después de calentamiento

T(t), °C

Vapor

Corriente que se procesa

Ti(t), °C

𝑞(𝑡),𝑚3

𝑠

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Una manera de lograr este objetivo es primero, medir la temperatura T(t), después comparar ésta

con el valor que se desea y, con base en la comparación, decidir qué se debe hacer para corregir cualquier

desviación. Se puede usar el flujo del vapor para corregir la desviación, es decir, si la temperatura está por

arriba del valor deseado, entonces se puede cerrar la válvula de vapor para cortar el flujo del mismo

(energía) hacia el intercambiador de calor. Si la temperatura está por abajo del valor que se desea,

entonces se puede abrir un poco más la válvula de vapor para aumentar el flujo de vapor (energía) hacia

el intercambiador. Todo esto lo puede hacer manualmente el operador y puesto que el proceso es

bastante sencillo no debe representar ningún problema. Sin embargo, en la mayoría de las plantas de

proceso existen cientos de variables que se deben mantener en algún valor determinado y con este

procedimiento de corrección se requeriría una cantidad tremenda de operarios, por ello, sería preferible

realizar el control de manera automática, es decir, contar con instrumentos que controlen la variables sin

necesidad de que intervenga el operador. Esto es lo que significa el control automático de proceso.

Para lograr este objetivo se debe diseñar e implementar un sistema de control, a continuación, se

muestra un sistema de control y sus componentes básicos:

Ilustración 2, Sistema de control del intercambiador de calor

El primer paso es medir la temperatura de salida de la corriente del proceso, esto se hace mediante

un sensor (termopar, dispositivo de resistencia térmica, termómetros de sistemas lleno, termistores, etc.) .

El sensor se conecta físicamente al transmisor, el cual capta la salida del sensor y la convierte en una señal

lo suficientemente intensa como para transmitirla al controlador. El controlador recibe la señal, que está

en relación con la temperatura, la compara con el valor que se desea y, según el resultado de la

comparación, decide qué hacer para mantener la temperatura en el valor deseado. Con base en la

decisión, el controlador envía otra señal al elemento final de control, el cual, a su vez, maneja el flujo de

vapor.

Ti(t), °C

𝑞(𝑡),𝑚3

𝑠

T(t), °C

Elemento Final de Control Señal

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En el párrafo anterior se encuentran presente los cuatro componentes básicos de todo sistema de

control, éstos son:

1. Sensor, que también se conoce como elemento primario.

2. Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.

3. Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.

4. Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control

aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente utilizados son las bombas

de velocidad variable, los transportadores y los motores eléctricos.

La importancia de estos componentes está en que realizan las tres operaciones básicas que deben

estar presentes en todo sistema de control; estas operaciones son:

1. Medición (M): La medición de la variable que se controla se hace generalmente

mediante la combinación de sensor y transmisor.

2. Decisión (D): Con base en la medición, el controlador decide qué hacer para

mantener la variable en el valor que se desea.

3. Acción (A): Como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una

acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.

Estas tres operaciones detalladas anteriormente, M, D y A son obligatorias para todo sistema de

control. En algunos sistemas, la toma de decisión es sencilla, mientras que en otros es más compleja. El

ingeniero que diseñe un sistema de control debe asegurarse que las acciones que se emprendan tengan

su efecto en la “variable controlada”, es decir, que la acción emprendida repercuta en el valor que se mide;

de lo contrario el sistema no controla y puede ocasionar más perjuicio que beneficio.

Términos importantes y objetivo del control automático de proceso

Es importante definir algunos de los términos que se usan en el campo del control automático de

proceso, éstos son:

Variable controlada: es la cantidad o condición que se debe mantener o controlar dentro de algún valor

deseado. En el ejemplo precedente la variable controlada es la temperatura de salida del proceso T(t).

Variable manipulada: es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada en el punto de

control (punto de fijación o de régimen); en el ejemplo la variable manipulada es el flujo de vapor.

Planta: Una planta puede ser una parte de un equipo, tal vez un conjunto de las partes de una máquina

que funcionan juntas, con el propósito de ejecutar una operación particular. Para efectos de estudio,

planta es cualquier objeto físico que se va a controlar (tal como un dispositivo mecánico, un horno de

calefacción, un reactor químico o una nave espacial).

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Proceso: se define proceso como una operación o un desarrollo natural progresivamente continuo,

marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en una forma relativamente fija

y que conducen a un resultado o propósito determinado, es decir, proceso es cualquier operación que se

va a controlar. Algunos ejemplos son los procesos químicos, económicos y biológicos.

Sistema: es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un

sistema no necesariamente es físico. El concepto de sistema es amplio, se aplica a fenómenos abstractos

y dinámicos, tales como los que se encuentran en la economía. Por tanto, la palabra sistema debe

interpretarse como una implicación de sistemas físicos, biológicos, económicos y similares.

Perturbación: se considera perturbación o trastorno a cualquier variable que ocasiona que la variable de

control se desvíe del punto de consigna (valor deseado). En la mayoría de los procesos existe una cantidad

de perturbaciones diferentes, por ejemplo, las posibles perturbaciones del intercambiador de calor son:

temperatura de entrada en el proceso [Ti(t)], el flujo del proceso [q(t)], la calidad de la energía de vapor,

las condiciones ambientales, la composición del fluido que se procesa, la contaminación, etc. Aquí lo

importante es comprender que en la industria de procesos, estas perturbaciones son la causa más común

de que se requiera en control automático de proceso; si no hubiera alteraciones, prevalecerían las

condiciones de operación del diseño y no se necesitaría supervisar continuamente el proceso.

Es importante mencionar que una perturbación es una señal que tiende a afectar negativamente

el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se denomina interna,

en tanto que una perturbación externa se produce fuera del sistema y es una entrada.

Sistemas de control realimentados: un sistema que mantiene una relación prescrita entre la salida y la

entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como medio de control se denomina

“sistema de control realimentado”. Aquí sólo se especifican con este término las perturbaciones

impredecibles, dado que las perturbaciones predecibles o conocidas siempre pueden compensarse dentro

del sistema.

Un ejemplo sería el sistema de control de temperatura de una habitación. Midiendo la

temperatura real y comparándola con la temperatura de referencia (la temperatura deseada), el

termostato activa o desactiva el equipo de calefacción o de enfriamiento para asegurar que la temperatura

de la habitación se conserve en un nivel cómodo sin considerar las condiciones externas.

Los sistemas de control realimentados no se limitan a la ingeniería, sino que también se

encuentran en diversos campos ajenos a ella. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistema de control

realimentado muy avanzado. Tanto la temperatura corporal como la presión sanguínea se conservan

constantes mediante una realimentación fisiológica. De hecho, la realimentación realiza una función vital:

vuelve el cuerpo humano relativamente insensible a las perturbaciones externas, por lo cual lo habilita

para funcionar en forma adecuada en un ambiente cambiante.

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Circuito cerrado o sistemas de control en lazo cerrado: los sistemas de control realimentados se

denominan también sistemas de control en lazo cerrado. En la práctica, los términos control realimentado

y control en lazo cerrado se usan indistintamente. En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta

al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de

realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas

y/o integrales), a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término

control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error

del sistema.

Circuito abierto o sistemas de control en lazo abierto: los sistemas en los cuales la salida no afecta la

acción de control se denominan “sistemas de control en lazo abierto”. En otras palabras en un sistema de

control en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo

práctico es una lavadora. El remojo, el lavado y el enjuague en la lavadora operan con una base de tiempo.

La máquina no mide la señal de salida, que es la limpieza de la ropa.

En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de

referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija; como

resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un

sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. En la práctica, el control en lazo abierto

sólo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni

externas. Es evidente que estos sistemas no son de control realimentado. Observe que cualquier sistema

de control que opere con una base de tiempo es en lazo abierto. El control del tránsito mediante señales

operadas con una base de tiempo es otro ejemplo de control en lazo abierto.