Control Automático de Procesos

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<p>CONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS</p> <p>El objeto de todo proceso industrial es la obtencin de un producto final, de unas caractersticas determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidas exigidos.La misin del sistema de control de proceso es corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran ptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido.</p> <p>INTRODUCCIN</p> <p>Los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza, pero en general tienen como aspecto comn, que se requiere del control de algunas magnitutes, como son : la temperatura, la presin , el flujo, etc. El sistema de control para estas magnitudes se puede definir como: Un sistema que compara el valor de una varible a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviacin, efecta una accin de correccin sin que exista intervencin humana.(Enrquez, G. 2000)</p> <p>El control automtico de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolucin industrial. El uso intensivo de la ciencia de control automtico es producto de una evolucin que es consecuencia del uso difundido de las tcnicas de medicin y control.Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas.</p> <p>El control automtico de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversin en equipo de control. Adems hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminacin de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado. La eliminacin de errores es otra contribucin positiva del uso del control automtico.</p> <p>El control automtico tiene tambin grandes ventajas en ciertas operaciones remotas, peligrosas o rutinarias. Debido a que la calidad y la reduccin de costos en un proceso es por lo comn la ventaja ms importante que se busca al aplicar el control automtico. La calidad del control y el costo se deben comparar con los beneficios econmicos esperados y los objetivos tcnicos del proceso.</p> <p>Los beneficios econmicos incluyen la reduccin de los costos de operacin, mantenimiento y producto fuera de especificaciones, junto con el mejoramiento de la funcionalidad del proceso y una mayor produccin.</p> <p>Las razones principales para usar control automtico de procesos, son las siguientes:</p> <p> Mantener los niveles de produccin de la planta en valores iguales o superiores a los establecidos. Mantener la calidad del producto (composicin, pureza, color, etc.). Evitar lesiones al personal de la planta o dao al equipo. La seguridad debe ser considerada como prioridad.</p> <p>El control del proceso consistir en la recepcin de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparacin con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior correccin en caso de que se haya producido alguna desviacin respecto al valor preestableido de algn parmetro de proceso.</p> <p>VARIABLES A ANALIZAR EN UN CONTROL DE PROCESOS</p> <p>Las entradas y salidas de un proceso son denominadas variables, debido a que estn interrelacionadas con el mismo en una forma esttica y/o dinmica. Los diferentes tipos de variables que intervienen en un proceso, son: variables manipuladas, variables controladas, variables no controladas y perturbaciones.</p> <p> VARIABLES MANIPULADAS:</p> <p>Variables que nosotros podemos cambiar o mover para garantizar que la variable controlada presente el valor deseado. La variable manipulada es la cantidad o condicin que es variada por el controlador de tal manera que afecte el valor de la variable controlada.</p> <p> VARIABLES CONTROLADAS:</p> <p>Variables que queremos controlar, bien sea tratando de mantenerlas constantes (Control Regulatorio) o tratando de seguir alguna trayectoria deseada (Servocontrol), ejemplos de estas pueden ser, flujos, composiciones, temperaturas, presin, nivel, etc. Normalmente, la variable controlada es la salida de un sistema.</p> <p> VARIABLES NO CONTROLADAS:</p> <p>Son aquellas variables sobre las cuales no se ejerce control, en algunos casos estas variables no afectan o no ejercen ningn efecto sobre el proceso.</p> <p> PERTURBACIONES:</p> <p>Una perturbacin es una seal desconocida y de carcter aleatorio, que tiende a modificar, en forma indeseada, el valor de salida de un sistema. Si la perturbacin se genera dentro del sistema se denomina interna, en tanto que una externa se produce fuera del sistema. Son por lo general flujos, temperaturas, composiciones. No todo el tiempo pueden ser medidas, pero el sistema de control debe ser capaz de regular el proceso en presencia de ellas (premisa que en algunas ocasiones no se logra), tales como temperaturas, presin, concentracin, etc.</p> <p>Variables de un Proceso</p> <p>CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL</p> <p>Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado:</p> <p> Sistema de lazo abierto:es aquel en donde la accion de control es independiente de la salida Sistema de lazo cerrado:es qaquel en donde la accin es en cierto modod dependiente de la salida</p> <p>El sistema de lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes que son:</p> <p>- La habilidad que estos tienen para ejecutar una accion con exatitud la cual esta determinada por su calibracin. Calibrar significa reestablecer una relacin entre la entrada y salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.- Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad , que presentan los de lazo cerrado</p> <p>Los sistemas de lazo cerrado se llaman sistemas de control por realimentacin.</p> <p>Los primeros sistemas industriales de lazo abierto o lazo cerrado usados fueron controladores neumticos, durante los aos 60 y 80, la mayora de los controladores usaban amplificadores operacionales para proporcionar las funciones de control, en los aos 80 y 90 se incorporaron los microprocesadores con los amplificadores operacionales para proporcionar un control digital. Dado que todos estos tipos de controladores se encuentran en uso actualmente, es necesario estudiarlos con sus componentes y funciones que desarrollan.(Enrquez, G.200)</p> <p>Tipos de control</p> <p>Se puede hacer una clasificacin de los sistemas de control atendiendo al procedimiento lgico usado por el controlador del sistema para regular la evolucin del proceso. Los principales tipos de control utilizados en los procesos industriales sern:</p> <p>Normales:</p> <p>Sistemas de realimentacin. (Feed-back)</p> <p> Proporcional Integral Derivativo</p> <p>Sistema anticipativo (Feed-Foward)</p> <p>Sistema en cascada (Cascade)</p> <p>Sistema selectivo (Over-Ride)</p> <p>Avanzados:</p> <p>Control de restricciones (Constraint Control)</p> <p>Control del modelo de referencia (Model Reference Control)</p> <p>Optimizacin de unidades</p> <p>ESQUEMAS DE CONTROLPara seleccionar y disear esquemas de control se deben seguir tres pasos esenciales:</p> <p>1. Conocer bien el proceso, variables de entrada/salida (manipuladas, controladas, no- controladas y perturbaciones), dinmica, rgimen estacionario, etc.2. Modelar o identificar adecuadamente el proceso.3. La mejor estrategia de control es la ms sencilla de implementar, con la que se pueda controlar el proceso.</p> <p>ESQUEMA DE CONTROLBSICO</p> <p>1. CONTROL REALIMENTADO</p> <p>En la figura se muestra el sistema de control a lazo cerrado, la informacin sobre la variable controlada se vuelve a alimentar como base para controlar una variable del proceso.La retroalimentacin es la propiedad del sistema lazo cerrado , que permite la salida o cualquier otra variable, sea comparada con la entrada al sistema de tal manera que se pueda establecer una accin de control apropiada como funcin de la diferencia entre la entrada y salida. Por otro lado se dice tambin que hay una retroalimentacin cuando en un sistema existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto entre las variables del sistema.Las caractersticas de la realimentacion</p> <p> Aumento de la exactitud . Por ejemplo: la habilidad para reproducir la entrada fielmente reduccin de la sensibilidad de la salida, correspondiente a una determinada entrada , ante variaciones en las caractersticas del sistema Efectos reducidos de la no linealidad y de la distorsin Aumento del intervalo de frecuencias (de la entrada ) en el cual el sistema responde satisfactoriamente (aumento del ancho de bada) Tendencia a la oscilacin o a la inestabilidad</p> <p>Los controladores por retroalimentacin son aquellos que toman decisiones para mantener el punto de operacin, mediante el clculo de la salida con base a la diferencia entre la variable que se controla y el punto de control o Set Point.La principal desventaja de los sistemas de control por retroalimentacin es que, para compensar la entrada de perturbaciones, la variable controlada se debe desviar del punto de control, se acta sobre un error entre el punto de operacin y la variable controlada, lo cual significa que, una vez que una perturbacin entra al proceso y afecta la calidad del producto, se debe esperar que el sistema opere con esa seal para luego ejercer una accin correctiva. La ventaja del control por retroalimentacin consiste en que es una tcnica muy simple, que compensa todas las perturbaciones. Cualquier perturbacin puede afectar a la variable controlada, cuando esta se desva del punto de control, el controlador cambia su salida para que la variable regrese al punto de control.</p> <p>ESQUEMA DE CONTROL AVANZADO</p> <p> CONTROL POR ACCION PRECALCULADA</p> <p>En un sistema de control por accin precalculada, las perturbaciones se compensan antes de que afecte a la variable controlada, se miden las perturbaciones antes de que entren al proceso y se calcula el valor que se requiere de la variable manipulada para mantener la variable controlada en el valor que se desea o punto de operacin (Set Point).</p> <p> CONTROL ROBUSTO</p> <p>La robustez de un controlador viene medida por la capacidad de respuesta ante los cambios de los parmetros nominales del proceso, sin modificar los parmetros de sintonizacin del proceso, tales cambios afectan el proceso. Se dice que un controlador es muy robusto cuando esos cambios no afectan en gran medida las variables controladas, y se mantiene un nivel de control adecuado del proceso.</p> <p>COMPONENTES BSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL.</p> <p>Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a travs del uso de sensores, controladores y actuadores facilitando la produccin y minimizando los recursos humanos. La tecnologa actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo o manufacturero en tiempo real.</p> <p>En los procesos industriales encontramos ciertas convenciones y arreglos en los sistemas de control as como la distribucin de dispositivos de medidas y funciones de control en varias piezas. Algunos de los componentes bsicos de un sistema de control son:1. Sensor o Elemento Primario de medicin</p> <p>Los sensores son los elementos primarios de medicin de variables del proceso, siendo algunos usados para lectura e indicacin y otros para transformar la variable medida en una seal elctrica. Los ms usados en la industria son los de nivel, de presin, de temperatura, de flujo y de aproximadamente entre otros. Esta seal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o set-point determinando el error y la accin de control. Adems si fuera el caso, la capacidad trmica de un sensor es funcin de su tamao, forma y material.</p> <p>Un sensor se define como un dispositivo que es sensible al movimiento, calor, luz, presin, energa elctrica, magntica u otro tipo de energa.(Enrquez, G. 2000)</p> <p>Tipos de Sensores</p> <p> De contacto o no contacto</p> <p>Sensores de ContactoRealizan la medida contacto fsico con el producto; por ejemplo los sensores de boyas para medir el nivel de un tanque.Sensores de no contactoSe basa en las propiedades fsicas de los materiales para realizar su medida; tpicamente son menos propensos a fallas. Un ejemplo de este tipo de sensor de proximidad.</p> <p> Digital o Analgico</p> <p>Otra forma de clasificar los sensores es por el tipo de seales de salida; estas pueden ser de tipo digital o analgico.Sensores digitalestrabajan en dos estados: encendido (on) o apagado (off). Muchas aplicaciones implican tener conocimiento de la ausencia o presencia de algo.Sensores anlogosproporcionan medidas continuas, pudiendo ser utilizadas en diversos aspectos de la operacin, como son el nivel, la presin, temperatura y el flujo, caracterizando por funcionar en un rango de 4 a 20 mA.</p> <p>Las principales formas de energa que los sensores pueden detectar se clasifican como: movimiento, temperatura, luz, presin, elctrica, magntica, qumica y nuclear.(Enrquez, G. 2000)</p> <p>Transductores</p> <p>Son los dispositivos encargados de realizar la medicin de las variables en un proceso. Existen diferentes tipos de transductores, los cuales estn asociados al tipo de variable que se est midiendo (temperatura, presin, nivel, flujo, composicin, etc.), y las condiciones de la medicin (exactitud, linealidad, sensibilidad, temperatura de operacin, rango de medida, etc.), tales como: termopares, termistores, RTD, pirmetros, para medir temperatura; tubo de Bourdon, diafragma, fuelle, capacmetro, LVDT, piezoelctrico, potencimetrico, Strain Gage etc., para medir presin ; varilla con gancho, regla graduada, flotador, para medir nivel.</p> <p>Un transductor se define como un dispositivo que puede recibir un tipo de energa y convertirlo en otro tipo de energa, esto significa que un trasnductor puede incluir un sensor para sensar la cantidad de presin, por ejemplo, un circuito para convertir la cantidad de presin a una seal elctrica y transmitirla a un sistema de control elctrico donde se usa en la variable del proceso o retroalimentacin.(Enrquez, G.2000)</p> <p>Transmisores:</p> <p>Transmisor de Presin</p> <p>Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinacin de estos. Existen varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en la industria son las electrnicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.Puede convertir una seal muy pequea a una seal ms usable, los transmisores para los sensores usados en seales de retroalimentacin industrial deben tpicamente convertir seales elctricas muy pequeas, tales como: microvolts, milivolts, miliamperes o frecuencia en seales mayores de voltaje, corriente o frecuencia, tales como: 0-10 volts o 4-20 mA. El transmisor generalmente usa dispositivos tales como los amplificadores operacionales para amplificar y linealizar la seal de salida.(Enrquez, G. 2000)Los transmisores neumticos generan una seal neumtica v...</p>