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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”

COMPLEJO ACADÉMICO EL SABINO PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DPTO DE MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN DINÁMICA Y CONTROL DE PROCESOS

TEMA N° 1 INTRODUCCIÓN AL CONTROL AUTOMÁTICO DE

PROCESOS

FACILITADOR(ES):

PROF. Ing. Esp. Carlos A. Pérez

PROF. Ing. Eumar Leal

PROF. Ing. Esp. José Cuauro

Introducción al Control Automático de Procesos Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”


UNIDAD I

INTRODUCCIÓN AL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS

CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS

1. Introducción al control de procesos

Cuando observamos un proceso químico en una planta o en un laboratorio se observa flujos que pasan de un recipiente a otro, líquidos que burbujean, gases que reaccionan, etc., y se detecta que todas las medidas cambian continuamente en el tiempo, algunas veces con pequeñas fluctuaciones y otras veces con cambios más importantes. La conclusión inmediata es que “el mundo es dinámico ”. Esta simple y obvia afirmación es la razón de ser del “control de procesos”. Además se puede afirmar que sólo entendiendo el comportamiento dinámico del sistema físico es posible diseñar y alcanzar un buen control del proceso.

Para comprender mejor la teoría de control intentaremos responder algunas preguntas como por ejemplo: • ¿Qué hace un sistema de control y por qué es necesario? • ¿Por qué es posible el control? • ¿Cómo se realiza el control? • ¿Dónde se implementa el control? • ¿Cómo se documenta el control de procesos?

• ¿Qué hace un sistema de control y por qué es necesa rio?

Analicemos dos sistemas de control de la vida diaria. Primer ejemplo de sistema de control : una persona conduciendo

una automóvil, como se muestra en la figura 1. El conductor tiene una meta, un objetivo. Para ello debe determinar la ruta a tomar, para lo cual ubica primero el camino en que está y luego define, en función de la posición actual, los cambios que debe hacer para poner al automóvil en la ruta requerida. Finalmente, ya en la ruta adecuada, el conductor debe mover continuamente el volante para mantener la posición del automóvil. O sea, ejecuta continuamente las tres funciones (ver, calcular, corregir). Así, el conductor puede mantener al auto en una posición cercana a la deseada cuando aparecen perturbaciones en el camino, como baches, curvas, camino cerrado, etc.



Figura 1 Control al conducir un automóvil

Segundo Ejemplo de sistema de control: la temperatura, en una casa con ambientes climatizados, se puede mantener cercana al valor deseado circulando agua caliente a través de un intercambiador de calor. La temperatura en la habitación es determinada por un termostato, el cual compara el valor medido en la habitación a un rango deseado (por ejemplo 18-22ºC) (ver figura 2). Si la temperatura está por debajo de 18ºC el horno y la bomba son prendidos y si la temperatura está por encima de 22ºC, el horno y la bomba son apagados.

Figura 2. Control de la temperatura en una habitaci ón

En la figura 3 se muestra como cambia la temperatura en la

habitación. Se aprecia que la temperatura deriva lentamente entre el límite inferior y superior. También exceden los límites debido a que el horno y el intercambiador de calor no pueden responder inmediatamente. Esta aproximación es denominada “control on/off” y se puede usar cuando no se requiere un control preciso del valor deseado.



Figura 3. Respuesta dinámica de la temperatura en u na habitación

Vistos estos dos simples sistemas de control se pueden identificar

algunos parámetros. Primero es que usa un valor específico (o rango) como un valor deseado para la variable controlada. Este término se denomina “set-point”. Segundo, las condiciones del sistema son medidas, para ello los sistemas son provistos de sensores para medir la variable física que ha de ser mantenida en el valor deseado. Tercero, cada sistema tiene un cálculo de control o algoritmo, el cual usa el valor deseado y el medido para determinar la corrección a la operación del proceso. Finalmente los resultados del cálculo son implementados ajustando algunos de los equipos en el sistema, el cual se denomina elemento de acción final, tal como el volante al manejar el automóvil o el “switch” de la bomba en el horno.

Figura 4. Esquema de un lazo de control



¿Qué hace un sistema de control y por qué es necesa rio? La primera razón para el control es mantener el valor deseado o “set-point” de una determinada variable, cuando ingresan perturbaciones al sistema. La segunda razón para implementar un lazo de control es que permite responder a cambios propuestos a través del “set-point”.

Los motivos que llevan a la implementar un lazo de control se pueden agrupar bajo la siguiente clasificación:

� Seguridad � Protección ambiental � Protección de equipos � Operación estable de una planta � Calidad del producto � Razones económicas � Optimización

• Seguridad : La operación segura de un proceso químico es el objetivo primario a satisfacer por cualquier sistema de control. Por consiguiente, las presiones operativas, temperaturas, concentraciones de químicos, etc. Deben siempre encontrarse dentro de los límites permisibles. Por ejemplo, si un reactor ha sido diseñado para operar a presiones de hasta 100 kg/cm2 se debe instalar un sistema de control tal que mantuviera la presión debajo de este valor. • Protección o regulación ambiental : Podrían existir leyes gubernamentales que especificaran que las temperaturas, concentraciones de químicos, y los caudales de los efluentes de una planta (sólidos, líquidos o gaseosos) deberían respetar ciertos límites permisibles. Tales requerimientos existen, como por ejemplo que la cantidad de SO2, que una planta puede enviar a la atmósfera esté por debajo de un valor aceptable. • Protección de equipos, limitaciones operacionales : Los distintos tipos de equipos utilizados en una planta química poseen restricciones operacionales inherentes a su operación. Tales restricciones deberían respetarse durante la operación de la planta. Por ejemplo, columnas de destilación no deben inundarse, la temperatura en un reactor catalítico no debería exceder un valor límite superior dado que el catalizador se destruirá. Sistemas de control son necesarios para satisfacer tales restricciones operacionales.



• Operación estable de una planta : Se pretende mantener la operación de la planta en una condición de producción preestablecida. Para ello el sistema de control debería: a) Asegurar la estabilidad del proceso, mediante la estabilidad de cada uno de los equipos involucrados, b) Suprimir la influencia de perturbaciones externas, c) Optimizar la performance del proceso completo. • Calidad del producto : Una planta debería producir la cantidad y la calidad de productos finales deseada. Por ejemplo, se podría requerir la producción de 550 ton/día de etileno con una pureza del 99.5%. Por consiguiente un sistema de control es necesario para asegurar que el nivel de producción y las especificaciones de pureza sean satisfechas. • Razones económicas y optimización : La operación de una planta debe ser tan económica como sea posible en la utilización de las materias primas, energía, capital y trabajo humano. Esto requiere de la aplicación de un control a un nivel óptimo especificado de mínimo costo operativo, máxima ganancia, etc. Todos estos requerimientos generan las necesidades para el seguimiento continuo de una planta y la intervención externa (control) para garantizar la satisfacción de los objetivos operacionales.

• ¿Por qué es posible el control?

Si los equipos en una planta no están adecuadamente diseñados, el control será pobre o casi imposible. Por ello, es un factor muy importante el conocer la operación dinámica de la planta. El diseño de la planta debe incluir sensores adecuados de todas las variables de salida de la planta y elementos de control final adecuados. Los sensores deben responder rápidamente tal que la acción de control pueda ser tomada en tiempo real, los sensores utilizan varios principios físicos disponibles para medir las variables básicas del proceso (caudal, temperatura, presión y nivel), composición (por ejemplo fracción molar) y propiedades físicas (por ejemplo: densidad, viscosidad, calor de combustión).

Muchos sensores requieren estar protegidos de los efectos corrosivos de los fluidos. Otros requieren que las muestras sean tomadas periódicamente del proceso, este muestreo puede ser automatizado tal que los sensores estén disponibles en intervalos de tiempo. En los procesos químicos los elementos de control final son usualmente válvulas, instaladas sobre las corrientes del proceso.

Pero, podrían ser otras las variables manipuladas tales como potencia a un motor eléctrico o velocidad a un transmisor.



Otra consideración importante es la capacidad del equipo de proceso. El equipo debe tener un máximo de capacidad para responder a todas las posibles perturbaciones y cambios en el valor deseado. Por ejemplo pretender calefaccionar una habitación cuyas puertas y ventanas fueron retiradas, y por lo tanto está abierta al ambiente exterior es prácticamente imposible.

¿Por qué es posible el control? La respuesta es que nosotros anticipamos los cambios esperados en las variables de la planta y en consecuencia se definen, durante la etapa de diseño, los equipos adecuados para que el control pueda ser realizado.

El diseño adecuado de los equipos debe ser calculado basado sobre

los cambios esperados, adicionar una capacidad extra (por ej. del 20%) en el tamaño de los equipos no es correcto. En algunos casos esto resultaría en un derroche, en otros casos, la capacidad del equipo podría no ser adecuada. O sea, que si este análisis no es realizado apropiadamente, alcanzar una operación aceptable de la planta manipulando el elemento de control final podría ser imposible.

• ¿Cómo se realiza el control?

Como hemos comentado en el ejemplo de la persona conduciendo un

automóvil, el control realimentado ejecutado por las acciones humanas es posible pero, la acción repetitiva para una persona suele ser tediosa. Además, algunos cálculos de control son muy complejos o deben ser implementados muy rápidamente por una persona. Por eso, muchos controles realimentados son automáticos, lo cual requiere que las funciones claves de sensibilidad y cálculo y la manipulación sean ejecutadas por equipos, además cada uno de los equipos que componen el sistema de control deben estar comunicados.

Comúnmente los sistemas de control son instalados utilizando equipos eléctricos, los cuales usan los niveles de corriente o voltaje para representar a los valores que deben ser comunicados. Algunos otros sistemas de control usan para el cálculo o la comunicación mecanismos neumáticos, hidráulicos o mecánicos. En estos sistemas las señales son representadas por presiones.

En muchas plantas industriales (después de los años 60) los cálculos de control eran ejecutados por computadoras analógicas. Estos dispositivos son implementados por sistemas eléctricos o mecánicos que actúan según el cálculo de las ecuaciones de control. Estos sistemas realizan cálculos poco



flexibles y no permiten implementar cálculos muy complejos. Sin embargo estos sistemas siguen siendo utilizados en muchas plantas hoy en día, por una cuestión de costos y confiabilidad.

Con el advenimiento de los bajos costos en las computadoras ahora estos cálculos están siendo realizados por computadoras digitales. Como es el caso del sistema de control distribuido.

¿Cómo se realiza el control? En forma automática utilizando instrumentos y computadoras que ejecuten el control realimentado sin la intervención (sí no se necesita) de un operador.

• ¿Dónde se instala el control?

Las plantas químicas son físicamente grandes y complejas. Los responsables de operar la planta deben tener disponible los datos de toda la planta, los que llegarán a una sala central. Naturalmente los sensores y las válvulas estarán localizadas en el proceso (figura 5). Las señales, usualmente electrónicas, se transfieren a la sala de control, donde el personal de operación visualiza toda la información y donde los cálculos son ejecutados. Las distancias entre el proceso y la sala de control pueden ser desde cien hasta miles de metros. Algunos controles se ejecutan a miles de kilómetros del proceso, por ejemplo el control del bombeo en un gasoducto.

Figura 5. Representación esquemática de un sistema de control típico

Generalmente las plantas no operan en “piloto automático”, una persona está siempre presente para realizar tareas no automáticas, para optimizar la operación e intervenir en situaciones inusuales o de peligro tales



como la falla de un equipo. Naturalmente, otras personas estarán delante del equipo de proceso, usualmente referido como “en campo” para monitorear el equipo y ejecutar funciones de intervención manual, por ejemplo para cambiar un filtro. Así una planta química bien automatizada involucra una interacción considerable entre el operario y los cálculos de control. Otras configuraciones de control son posibles cuando el caso lo requiere. Por ejemplo, pequeños paneles con instrumentación pueden ser localizados cerca de sectores críticos del proceso. Así, el operador puede tener acceso al sistema de control mientras introduce algunos ajustes al proceso (PLC). También muchos sensores tienen un visor local del valor medido, además de enviar la señal a la sala de control.

¿Dónde se instala el control? Sensores, indicadores locales y válvulas: en el proceso Visualización o “display” de todas las variables de la planta y los cálculos de control en un sector centralizado, “la Sala de Control”.

¿Cómo se documenta el control? En control se utilizan dibujos que representan en forma precisa muchos aspectos del diseño de un proceso. Estos dibujos se utilizan para muchos propósitos, incluyendo diseño de plantas, equipo, procedimientos de seguridad y operación. En general se utiliza mundialmente una lista de símbolos desarrollada por el “Instrument Society of America ” para evitar confusiones. Algunos ejemplos de esta simbología se muestran en la figura 6. Los equipos, cañerías, válvulas y accesorios del proceso se dibujan en líneas llenas. Los símbolos para equipos como bombas, tanques, recipientes y válvulas son fácilmente reconocidos. Los sensores son designados por un círculo o burbuja conectada al punto en el proceso donde está localizado. La primera letra en el símbolo del instrumento indica el tipo de variable medida (tomando la primera letra de la palabra en idioma inglés). Esto es: T: temperatura (Temperature) F: caudal (Flow rate) L: nivel de líquido o sólido en un recipiente (Level) P: presión (Pressure) A: analizador (Analizer) La comunicación al sensor es indicada con líneas sólidas. La señal al elemento de acción final con líneas a trazos.



La segunda letra en el círculo tiene los siguientes significados; I: cuando la señal se utiliza para mostrar al operador el valor de una variable pero no para fines de control. C: indica control realimentado Y: cualquier cálculo, como suma o raíz cuadrada

Figura 6:

a) reactor tanque agitado continuo con control de comp osición b) control de caudal en una cañería c) tanque con controlador de nivel

d) proceso de mezclado con control de composición

2. Conceptos generales Para analizar las características de un sistema controlado tomaremos algunos ejemplos de sistemas de control. Por ejemplo si se analiza en detalle el funcionamiento de una heladera, se aprecia que la misma es un sistema controlado automáticamente. Una heladera en funcionamiento conforma un sistema de elementos donde podemos identificar un motor eléctrico, un compresor, un termómetro (bulbo de gas que se expande cuando se caliente), un mecanismo que hace funcionar al sistema para la extracción del calor de la heladera (termostato), intercambiadores de calor internos y externos que



funcionan relacionados entre sí. Este sistema está inmerso en un medio ambiente que le transfiere calor y debe enfriar a su vez los materiales calientes que se ponen en la heladera, en ambos casos la resultante es que se calienta el interior de la heladera y consecuentemente se eleva la temperatura. Este calentamiento es compensado por la acción de un dispositivo que transfiere calor desde el interior de la heladera al exterior. Todos los elementos que hemos descripto operan cumpliendo un objetivo: mantener la temperatura en el interior de la heladera en un valor prefijado, esta temperatura la llamamos variable controlada. Hay un dispositivo que detecta si la variable controlada difiere del valor prefijado o consigna (set-point). Esta diferencia llamada error pasa a un controlador (en nuestro caso, si/no ó llamado también on/off). Para el caso en que la temperatura controlada y medida sea superior a la temperatura consignada, el controlador hará funcionar el equipo de refrigeración, cuya acción será de efecto inverso, es decir, disminuirá por enfriamiento la temperatura interior. Este tipo de respuesta del sistema que es inversa a la causa que provocó el calentamiento se la llama realimentación negativa. Con el fin de identificar las diversas variables y otros aspectos que identifican un sistema de control (automático o manual) tomaremos como ejemplo un sistema que generalmente se haya presente en la industria química y petroquímica: el control de presión de una caldera. El conjunto de equipos que constituyen el sistema operativo de la caldera tienen un objetivo : mantener una presión deseada, independiente del consumo de vapor, este valor de presión fijada se llama consigna (más conocida por setpoint). Un sistema de medición se encarga de medir la presión que será la variable controlada. La diferencia entre la presión medida y la deseada puede ser cero, un valor positivo o negativo. Esta diferencia (error ), pasa al controlador que, en función del signo y magnitud del error, envía una señal de ajuste (variable de ajuste). En este caso, varía el caudal de gas al quemador (un esquema del flujo de información se muestra en la figura 7). En resumen si hay un mayor consumo de vapor caerá la presión debido a que se extrae más calor y el controlador lo que hará será aumentar la cantidad de calor que ingresa a la caldera. Aquí podemos ver que cuando en el “proceso”, que es la caldera, se produce una disminución de calor el sistema de control provoca un aumento de calor, que desde el punto de vista matemático tienen signos distintos. En la práctica se atribuye a la acción de controlador el signo negativo y no significa más que compensar el efecto producido por las variables perturbadoras. Para el caso de la caldera podemos también describir un control manual y este sería simplemente que un operador (controlador) lea la presión y en función del set-point cerrará o abrirá más la válvula que control de gas al quemador.



Figura 7: Esquema de control de una caldera

Clasificación de las variables Las variables asociadas a un determinado proceso (caudal, temperatura, concentración, presión, etc.) pueden dividirse en dos grupos:

a) Variables de entrada: las cuales representan el efecto de los alrededores sobre el proceso

b) Variables de salida: el cual representa el efecto del proceso sobre los alrededores.

A su vez las variables de entrada pueden clasificarse en: a.1) Manipuladas (o ajustables): su valor puede ser ajustado libremente por el operador o un mecanismo de control a.2) Perturbaciones: su valor no es el resultado de un ajuste realizado por el operador ni el control Las variables de salida son también clasificadas en dos categorías: b.1) Medidas: su valor es directamente conocido de una medición b.2) No medidas: no pueden ser medidas directamente Las perturbaciones también son clasificadas en medidas y no medidas.

• Operación automática y control automático

Se debe diferenciar entre lo que se define, comúnmente, como operación automática y control automático.



Operación automática: es cuando se programa una serie de operaciones para que sean ejecutadas en forma secuencial (ej. programa del lavarropas, armado de un vehículo, etc.), y se dan a lazo abierto. Control automático: en este caso se plantea como objetivo mantener a una variable (temperatura, nivel, composición) en un valor constante prefijado. El controlador compara el valor deseado con el medido, y efectúa automáticamente las acciones adecuadas para lograr el objetivo propuesto.

• Diagrama en bloques La transferencia de información a través de un sistema de control se visualiza fácilmente mediante un diagrama en bloques. Estos diagramas se componen de líneas, bloques, comparadores y sumadores, ordenados en un orden lógico para indicar los componentes del lazo de control y sus interrelaciones. Un diagrama de bloques típico, localizado sobre un proceso genérico, se muestra en la figura 8.

Figura 8. Diagrama en bloques de un lazo de control instalado en un proceso genérico

Las líneas representan señales y cada una es una señal simple. Cualquier cantidad que pueda ser medida o calculada puede ser una señal sobre el diagrama. Por ejemplo: caudal, presión, temperatura, nivel, etc. Una señal puede ingresar a más de un bloque. Un bloque del diagrama puede pensarse como un “transformador” en el sentido que recibe una señal de entrada y transforma u opera en algún camino para generar la señal de salida. Por ejemplo si se analiza el bloque proceso.

Figura 9: Representación de un bloque



En él se incluirá la relación matemática de transformación que modificará la señal de entrada x(t). Así por ejemplo, si la variación de la señal de entrada sigue un escalón ideal como el de la figura 10:

Figura 10: Escalón ideal

La señal de salida y(t) puede (ver figura 11):

a) amplificar o atenuar la señal de entrada

b) demorar la señal de entrada. En ese caso la señal de salida es una réplica exacta de la de entrada pero demorada un intervalo específico de tiempo, con respecto a la de entrada.

c) modificar mediante alguna relación matemática



Figura 11: Algunas de las posibles transformaciones que afectan a una señal escalón ideal

en la entrada

Lo comentado respecto al proceso es aplicable a la válvula, elemento de medida u otro bloque que forme parte del lazo de control. Los comparadores y sumadores son similares. El comparador efectúa la diferencia entre dos señales, mientras que el sumador adiciona ambas señales. Ambos se representan con un círculo. Las dos señales se indican con flechas que ingresan al círculo a las que se le adiciona el signo correspondiente (+ o -).



• Operación a lazo abierto y a lazo cerrado Respecto a las operaciones de control se definen dos categorías básicas: a lazo abierto y a lazo cerrado. A pesar de la palabra lazo, la definición de abierto justamente indica que el lazo está cortado y por lo tanto no existe ninguna realimentación.

La realimentación consiste en reenviar a un sistema , información procedente de la salida de ese mismo sistema.

En los sistemas de regulación a lazo cerrado existe siempre una realimentación de la variable medida, permitiendo de esta manera realizar la correspondiente corrección que permita llevar al sistema al estado deseado. Un caso típico de operación a lazo abierto es el control de tráfico vehicular, donde se regula el tránsito mediante señales producidas sobre la base del tiempo (semáforo). Otro ejemplo a lazo abierto es el calentamiento de agua en un tanque, con circulación continua de un fluido, por medio de una resistencia eléctrica sumergida. Fijadas las condiciones de operación (tensión de alimentación, temperatura de la alimentación, demanda constante de agua) la temperatura de salida del agua permanecerá constante. Si cambia cualquiera de estas condiciones, la temperatura de salida del agua variará, sin que pueda corregirse. Para mantener la temperatura en un valor fijo se debería instalar un lazo cerrado de control. Éste estaría formado por: el proceso, el transmisor, el controlador y la resistencia calefactora. El controlador trataría de mantener el valor deseado de temperatura (consigna), cuando la temperatura de entrada o el caudal cambian con respecto a su valor de estado estacionario. Otras máquinas domésticas más sofisticadas poseen reguladores en lazo abierto, como los lavavajillas o las lavadoras de ropa. Tales máquinas siguen un programa preseleccionado y realizan una serie limitada de operaciones en una secuencia ordenada (lavar, enjuagar, centrifugar), pero no actúan en función del objetivo propuesto (que la ropa o la vajilla queden limpias). En resumen, realizan una operación automática a lazo abierto. Sin embargo, si bien el lavado de ropa constituye un lazo abierto, el proceso tiene incluidos sistemas internos de control a lazo cerrado. Estos le permiten controlar la temperatura del agua según una consigna prefijada, y también regular el nivel de agua, accionando la correspondiente válvula de ingreso de agua un tiempo suficiente para que el nivel llegue a un valor prefijado.



Una aplicación común de lazo cerrado de control es la regulación de la temperatura en una casa o en una habitación. En este caso un termostato eléctrico, por ejemplo puede detectar la temperatura ambiente, alcanzada al ceder calor un radiador eléctrico o un circuito de agua caliente. Cuando la temperatura tiene un valor superior al seleccionado, corta el suministro de corriente o disminuye el gas a la caldera (opera sólo el piloto). En la figura 12 se muestra el flujo de información tal como se transmite en estos sistemas de regulación o control.

Figura 12: Esquema del control de temperatura en un a habitación

El controlador permite que el proceso cumpla su objetivo (mantener la temperatura de la habitación en un valor deseado) mediante dos funciones esenciales: 1. Comparar la variable medida con la de referencia o deseada para determinar el error 2. Estabilizar el funcionamiento dinámico del lazo de control mediante circuitos especiales para reducir o eliminar el error.

• Perturbación (problema de regulación) Una perturbación es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se llama interna; si se genera una perturbación externa fuera del sistema se denomina entrada o carga. Si en un proceso, sobre el cual se instala un lazo cerrado de control, ingresa una perturbación por la carga se dice que se está frente a un problema de regulación. Las perturbaciones externas pueden tener distintas formas; siendo las más comunes las alteraciones: escalón, pulso, rampa, senoidales y aleatorias (ver figura 13).



Figura 13: Perturbaciones

Perturbaciones externas comunes en un sistema de calefacción son: que se abran las ventanas de la habitación, o se prenda alguna otra máquina doméstica que emita calor (por ejemplo el horno de la cocina). Una perturbación interna puede ser que se produzcan incrustaciones en los radiadores disminuyendo la transferencia de calor. El termostato compara la temperatura sensada con el valor deseado (consigna) y actúa como interruptor (“switch”) manteniendo o cortando el sistema de calefacción. Sin importar las causas que provocaron ese apartamiento (perturbación interna o externa). Esta operación es completamente automática.



Otro control similar se produce en el funcionamiento de la heladera (como ya se comentó), el termotanque, la plancha, etc.

• Cambio de consigna (problema de servomecanismo)

Otra alternativa común en el control es que se cambie la consigna (setpoint) o sea el valor deseado de la variable controlada. Para este caso el problema de regulación se cita como problema de servomecanismo. En este caso el error se generará no porque cambie la variable medida sino porque se varió la variable deseada, y ante un error distinto de cero el lazo de control comienza a funcionar. Ejemplos de este caso son:

• En el caso del sistema de calefacción, que se desee modificar la temperatura de la habitación a un nuevo valor.

• en el tanque calefaccionado, que se decida operar a otra temperatura en el tanque, aunque la temperatura de entrada no cambie

• en la heladera, que se requiera más frío, etc.

• Realimentación positiva y negativa

Existen dos tipos de realimentación en un lazo cerrado: positiva y negativa. El sistema de calefacción de una casa puede servir de ejemplo para ilustrar ambos tipos. Cuando el sistema está correctamente instalado, si la medida de la temperatura es superior a la del valor deseado el horno se apaga. Si el valor baja con respecto al deseado se encenderá. Así, la acción del control está en la dirección que tiende a mover la variable controlada hacia el valor deseado, esto es mencionado como realimentación negativa. La realimentación positiva es una operación que impide la estabilidad, alejando al sistema del equilibrio. Si se usara un controlador de temperatura con retroalimentación positiva para calentar la habitación, aumentaría el calor cuando la temperatura fuera superior al valor deseado y cortaría la entrada de calor cuando estuviera por debajo de dicho valor. Es obvio que esta propiedad no conduce a la regulación, ya que se tendría un calentamiento o un enfriamiento continuo sin alcanzar nunca un valor estable. Esto explica por qué se utiliza siempre, en los lazos de control, la realimentación negativa. Con la finalidad de visualizar ambos tipos de realimentación, en la figura 14 se representa (únicamente) el comparador de un esquema de control, para el caso que el lazo opere con realimentación negativa o positiva.



Figura 14: Operación del comparador cuando actúa co n uno u otro tipo de realimentación

• Control manual

Otra forma de control es la que se define como “control manual”. En ese caso el hombre hace las veces de controlador (compara y luego actúa). Por ejemplo, si un intercambiador de calor calefaccionado con vapor de agua, está funcionando en control manual (figura 15) la secuencia de información es la siguiente: el operario registra el valor de la temperatura en la corriente de salida del equipo y acciona manualmente la válvula sobre la corriente de vapor en el sentido que pueda mantener la temperatura del agua en el valor deseado.

Figura 15: Control manual de un intercambiador de c alor

Esta serie de operaciones de medida, comparación, cálculo y corrección, constituyen una cadena cerrada de acciones y se realizan una y otra vez por el operador, hasta que transcurre un cierto tiempo y la temperatura del agua se equilibra finalmente al valor deseado. Es importante aclarar que en esta operación no sólo existen las demoras asociadas al calentamiento del fluido sino también la demora del operario en ver, procesar la información y accionar sobre la válvula.



Todos estos retardos dinámicas se deben tener en cuenta al establecer y analizar un lazo de control. En el caso del control automático, la demora no será del operario sino de cada uno de los elementos (termocupla, válvula, controlador) que forman parte del lazo. Los conceptos de control mencionados hasta aquí se comentarán y verán con mayor detalle a través de un ejemplo de aplicación: el control de temperatura de un tanque calefaccionado. La evaluación sistemática que se realizará sobre este proceso físico puede extenderse a cualquier otro equipo.

• Secciones y niveles que forman un control distribui do

Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o más “niveles” de control, los cuales, están vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividad y una elevada optimización en el uso de los recursos.

• Niveles, conexiones y elementos que intervienen en un sistema de control distribuido (DCS).

En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y optimización de unidades (plantas o divisiones corporativas con cierto grado de autonomía) del proceso. La adición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integrar actividades relacionadas con una división o una planta, tal como compras, recepción de material, control de inventario, facturación, control de calidad y servicios al cliente o usuario.



A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la interface del operador.

• Elementos que participan en cada nivel

√ Nivel 1: Este nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra en contacto con el entorno a controlar, tal como su nombre indica. Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en el NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores e instrumental de campo y en el segundo los actuadores.

√ Nivel 2: Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la interface de operaciones de cada uno de los procesos controlados. La interface de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya que constará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interface permite al operador observar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente si ello es necesario. Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más elevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de sus funcionalidades características.

√ Nivel 3: Este nivel es el conocido como de mando de grupos y en él se sitúa la denominada en su día “interface del ingeniero” y que hoy en día suele conocerse como “interface para el control de la línea de producción”. Esta interface (con cualquiera de sus nombres) de un DCS facilita la coordinación de las diferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda un área, permitiendo obtener una visión más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. También proporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta en marcha del sistema. En el nivel 3 de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización, entendiendo por ello la concentración masiva de información, gracias a lo cual se pueden planificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivel se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir, la logística de aprovisionamiento.



√ Nivel 4: Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrategia de la producción en relación con el análisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones de producción a largo plazo. Sobre estas previsiones, se planifica la producción en el nivel 3. En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrategias de producción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados (diseño, I+D, etc), además de establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos. Es un nivel con enfoques más mercantiles, por lo que no profundizaremos más en él y tan sólo añadiremos que los ordenadores en este nivel están especializados en gestión y almacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicación correspondiente a sus respectivas aplicaciones.

BIBLIOGRAFÍAS RECOMENDADAS

� Smith Corripio. Control automático de procesos.

� Roland Burns. Ingeniería de control avanzado.

� J.m. Douglas. Dinámica y control de procesos.

� Katshuiko Ogata. Ingeniería de control moderna

� Brian Roffel, Ben Betlem. Process Dynamics and Control, Modeling for Control and Prediction

� Stephanopoulos George. Control de procesos químicos

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