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CONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS

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.

INTRODUCCIN

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)

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.

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.

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.

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.

Las razones principales para usar control automtico de procesos, son las siguientes:

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.

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.

VARIABLES A ANALIZAR EN UN CONTROL DE PROCESOS

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.

VARIABLES MANIPULADAS:

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.

VARIABLES CONTROLADAS:

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.

VARIABLES NO CONTROLADAS:

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.

PERTURBACIONES:

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.

Variables de un Proceso

CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado:

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

El sistema de lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes que son:

- 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

Los sistemas de lazo cerrado se llaman sistemas de control por realimentacin.

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)

Tipos de control

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:

Normales:

Sistemas de realimentacin. (Feed-back)

Proporcional Integral Derivativo

Sistema anticipativo (Feed-Foward)

Sistema en cascada (Cascade)

Sistema selectivo (Over-Ride)

Avanzados:

Control de restricciones (Constraint Control)

Control del modelo de referencia (Model Reference Control)

Optimizacin de unidades

ESQUEMAS DE CONTROLPara seleccionar y disear esquemas de control se deben seguir tres pasos esenciales:

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.

ESQUEMA DE CONTROLBSICO

1. CONTROL REALIMENTADO

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

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

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.

ESQUEMA DE CONTROL AVANZADO

CONTROL POR ACCION PRECALCULADA

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).

CONTROL ROBUSTO

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.

COMPONENTES BSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL.

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.

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

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.

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)

Tipos de Sensores

De contacto o no contacto

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.

Digital o Analgico

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.

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)

Transductores

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.

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)

Transmisores:

Transmisor de Presin

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 variable linealmente, de 3 a 15 psi ( lb/ pulgada2) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta seal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumticos en EE.UU. En los pases que utilizan el sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como seales de entrada a vlvulas de control o a sus posicionadores.Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corriente continua y seales digitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal. El "cero vivo" con el que empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avera por corte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el "ruido" de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analgicos estn hoy prcticamente en desuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

Controlador:

Es el encargado de decidir el tipo de accin sobre el elemento final de control. El controlador tiene dos funciones esenciales:Controlar significa mantener la medicin dentro de los lmites aceptables

Comparar la variable medida con la de referencia deseada (punto de operacin o Set Point), para determinar el error que existe entre ellas. Enviar una seal al elemento final de control con el objeto de modificar su accin en el sentido adecuado para reducir el error.

Controlador manualEs controlado manualmente por el operador (hoy an existe este tipo de control en muchas fbricas); la labor de este operador consista en observar lo que est sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacia algunos ajustes (como abrir la vlvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador.

Controlador automticoElcontrolautomticoa diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales.Es importante saber que para el control realimentado automtico debe el lazo de realimentacin estar cerrado. esto significa que la informacin debe ser continuamente transmitida dentro del lazo. El controlador debe poder mover a la vlvula, la vlvula debe poder afectar a la medicin y la seal de medicin debe ser reportada al controlador. Si la conexin se rompe en cualquier punto, se dice que el lazo esta abierto. Tan pronto como el lazo est abierto , como por ejemplo cuando el controlador queda imposibilitado de mover la vlvula. As las seales desde el controlador en respuesta a las condiciones cambiantes de la medicin no afectan a la vlvula y el control automtico no existe.

LOS CUATRO MODOS DE CONTROL.Hay cuatro modos de control: control dos-posiciones, control proporcional, control integral, y el control derivativo.Los modos de control proporcional, integral y derivativo son continuos. Un controlador puede estar equipado con uno o ms modos de control continuo.

PRINCIPIO DE OPERACIN DEL CONTROL DE DOS POSICIONES.En procesos en los que no se requiere un control muy preciso, el control dos-posiciones on/off, puede ser el adecuado. El funcionamiento del control dos-posiciones se ilustra en la siguiente figura. El lquido en el tanque puede ser mantenido en una temperatura especfica, la temperatura es la variable controlada en este ejemplo. El vapor es la variable controlada.

Procesos industriales

Los componentes en este lazo son: un censor, un transmisor, un controlador dos-posiciones, y un elemento final e control, que en este caso es un vlvula. La vlvula solo tiene dos posiciones: abierto o cerrado. Cualquier cambio en la temperatura del producto almacenado en el tanque es detectado por el censor, la seal detectada es transmitida al controlador. El controlador determina que la temperatura est por debajo del set point y enva una seal para abrirla vlvula del vapor. La vlvula abre incrementando el flujo de vapor (variable manipulada), para calentar el tanque.Cuando el flujo de vapor en el tanque es iniciado, la temperatura regresar al valor del set point. La temperatura continuar subiendo hasta que una nueva accin sea tomada. Cuando la temperatura del lquido excede el set point, una seal para cerrar la vlvula es enviada al elemento final de control, como se muestra en la siguiente figura.

EFECTOS DEL CONTROL DOS-POSICIONES EN UN PROCESO.En el ejemplo anterior se nota que el lazo de control no puede responder inmediatamente a los cambios. Dos factores son los que impiden la inmediata respuesta, el tiempo de respuesta del censor y el tiempo requerido por el lquido en el tanque para responder a los cambios en la variable manipulada.Consecuentemente, el control dos-posiciones puede causar oscilaciones significativas en el proceso. Si el proceso puede tolerar las oscilaciones en la variable controlada, el control dos-posiciones es el adecuado. Si el proceso no tolera las oscilaciones, debe ser usado otro modo de control.

CONTROL PROPORCIONAL.El control continuo, posiciona el elemento final de control en ms d dos posiciones.El control proporcional es usado a menudo en sistemas donde el valor de la variable controlada cambia constantemente en respuesta a los disturbios. El principio de operacin del control proporcional puede ser ilustrado considerando como se controla la presin en un calentador. El vapor producido es la variable controlada. La proporcin del flujo del combustible es la variable manipulada.La dinmica del proceso, prohbe el uso del modo de control dos-posiciones. El control dos-posiciones no puede mantener la presin del calentador dentro de los lmites tolerables.

La accin de control proporcional puede tranquilizar mucho al control / proceso y reducir oscilaciones. Cuando el controlador proporcional recibe la seal del censor, esta es la presin transmitida por el vapor caliente, el controlador responde a cualquier desviacin del set point en el elemento final de control. El elemento final de control, una vlvula de control de combustible puede estar en posicin abierta, cerrada, o en cualquier otra posicin intermedia, tambin ser posicionada en proporcin a la desviacin. La capacidad de ajustar la posicin de la vlvula, permite un mayor ajuste gradual del flujo de combustible como los cambios de presin de el calentador.Los controladores proporcionales son diseados para mantener una continua relacin entre la variable controlada y la posicin del elemento final de control.

El controlador responde a incrementos en la variable controlada, presin del calentador.

Procesos industriales

Vlvula de control

Son los elementos finales de control ms usados en los procesos, son encargadas de regular el flujo que circula a travs de ellas. En el control automtico de los procesos industriales la vlvula de control juega un papel muy importante en el lazo de regulacin. Realiza la funcin de variar el flujo de la variable manipulada, para con ello modificar el valor de la variable controlada.

Es indispensable controlar los procesos en las diferentes variables de operacin porque solo as, garantizamos la calidad del producto, el mantenimiento de los equipos, la vida til de los mimos,y por ende la seguridad de los operadores.En el caso de fermentacin se necesita controlar el pH, la temperatura, presin,nivel y si es un caso aerobio se necesita medir la concentracin de oxgeno disuelto.

NIVELES DE CONTROL DE PROCESO

Control Regulatorio Bsico (CRB)

Nivel ms bajo de automatizacin. Consta de lazos simples de realimentacin. Las perturbaciones se detectan cuando ya ha transcurrido bastante tiempo. No se espera buena calidad de control.

Control Regulatorio Avanzado (CRA)

Se acerca al ptimo econmico, se incrementa la seguridad y fiabilidad de la planta o proceso. Consta de lazos de realimentacin y anticipativos. Se obtienen productos que no estn fuera de especificaciones y normalmente una mejor calidad de control ante las perturbaciones.

Control Multivariable (CM)

Se acta simultneamente sobre todas las perturbaciones para que las variables se vean afectadas lo mnimo.

Optimizacin en Lnea (LO)

Se obtiene el mximo beneficio econmico. Acta en tiempo real sobre los puntos de control de las variables de salida.