09 agosto 2011

Introducción a los controles automáticos en los procesos térmicos (II).


 Ver 1ª PARTE

Continuando con la introducción de los sistemas de control en los procesos técnicos vamos a hablar de los componentes de un sistema de control, incluyendo válvulas, actuadores, sensores y controladores. También vamos a introducir la dinámica de sistemas y control, incluyendo bucles de control simples y sistemas de realimentación.

Sistemas de control de bucle abierto
Un control en bucle abierto significa que no hay realimentación directa en la condición de control; en otras palabras, ninguna información se envía de vuelta al proceso o sistema bajo control para indicar al controlador la acción correctiva requerida.
Un circuito de este tipo es por ejemplo aquel que usa un sensor colocado en el exterior de la habitación que se está calentando. El controlador puede moverse en una banda proporcional bastante grande, tal que con una temperatura ambiente de – 1 ºC la válvula estará completamente abierta, y con una temperatura ambiente de 19 º C la válvula estará completamente cerrada. Ya que la temperatura ambiente tendrá un efecto en la pérdida de calor del edificio, se espera que la temperatura de la habitación esté controlada.
Sin embargo, no hay realimentación mirando la temperatura de la habitación y calentando por otros factores. En climas suaves, aunque el caudal de agua se está controlando, otros factores, tales como la ganancia solar, pueden causar que la habitación se sobrecaliente. En otras palabras, un control abierto solamente proporciona un control aproximado de la aplicación.
El sistema usa una válvula mezcladora de tres puertos con actuador, controlador y sensor de aire del exterior, más un sensor de temperatura en la línea de agua.
El sensor de temperatura exterior proporciona un entrada de punto de ajuste remoto, que se usa para compensar el punto de ajuste de temperatura del agua. De esta forma, se aplica un control en bucle cerrado a la temperatura del agua fluyendo a través de los radiadores.
Cuando se enfría el exterior, el agua fluye a través del radiador a su temperatura máxima. Cuando la temperatura del exterior se eleva, el controlador automáticamente reduce la temperatura del agua fluyendo a través de los radiadores.
Cuando se enfría el exterior, el agua fluye a través del radiador a su temperatura máxima. Cuando se eleva la temperatura del exterior, el controlador automáticamente reduce la temperatura del agua fluyendo a través de los radiadores.
Este tipo de control es aún de bucle abierto en cuanto a la temperatura de la habitación se refiere, ya que no hay realimentación desde el edificio o el espacio que se está calentando. Si los radiadores están sobredimensionados u ocurren errores de diseño, se producirán sobrecalentamientos.
Control de bucle cerrado
Un control de bucle cerrado requiere realimentación; la información se envía hacia atrás desde el proceso o sistema. Volviendo al ejemplo anterior incorporamos un sensor de temperatura en el interior del espacio que detectará la temperatura de la habitación y proporcionará un control en bucle cerrado con respecto a la habitación.
Perturbaciones
Las perturbaciones son factores que entran en el proceso o sistema trastocando el valor del medio controlado. Estas perturbaciones pueden ser causadas por cambios en la carga o por influencias externas.
Por ejemplo; si en un sistema de calefacción simple una habitación se llena repentinamente de gente, esto constituiría una perturbación, ya que afectaría a la temperatura de la habitación y la cantidad de calor requerida para mantener la temperatura del espacio deseado.
Control de realimentación
Es otro tipo de control en bucle cerrado. El control de realimentación toma en consideración las perturbaciones para alimentar el controlador y de esta forma se toman acciones correctivas. Por ejemplo, si un gran número de personas entra en una habitación, se incrementa la temperatura del espacio, lo que originará que el sistema de control reduzca la entrada de calor en la habitación.
Control  de prealimentación (feed-forward)
Con control de prealimentación, los efectos de cualquier perturbación se anticipan antes de que tengan lugar.
Un ejemplo de esto puede ser aumentar la potencia del quemador antes de que se requiera una gran cantidad de vapor en el proceso.
Control de bucle simple
Este es el bucle de control más simple e implica solamente una variable controlada, por ejemplo, la temperatura.
Imaginemos por ejemplo un intercambiador de calor de vapor a agua donde la única variable controlada es la temperatura del agua dejando el intercambiador de calor. Esto se consigue controlando una válvula de vapor de 2 puertos suministrando vapor al intercambiador. El sensor primario puede ser un termopar o termómetro de resistencia de platino PT100 sintiendo la temperatura del agua.
El controlador compara la señal del sensor al punto de ajuste del controlador. Si hay una diferencia, el controlador envía una señal al actuador de la válvula que mueve a la válvula a una nueva posición. El controlador también puede incorporar un indicador que muestra el porcentaje de válvula de apertura.
Un bucle de control simple proporcionar la vasta mayoría del controles en los sistemas de calefacción y procesos industriales.
Control multi-bucle
Imaginemos una aplicación que trabaja sobre un producto basado en madera donde debe controlarse un nivel de humedad específica. Un sensor de humedad simple al final de los controles del transportador controla la cantidad de calor añadido por el horno. Pero si la tasa de agua rociada cambia debido, por ejemplo, a fluctuaciones en la presión de alimentación de agua. Puede tardarse quizás diez minutos antes de que el producto alcance el extremo del transportador y el sensor de humedad reaccione. Esto origina variaciones en la calidad del producto.
Para mejorar el control, un segundo sensor de humedad u otro bucle de control puede instalarse inmediatamente después del rociador de agua. Este sensor de humedad proporciona una entrada al punto de ajuste del controlador que se usa para compensar el punto de ajuste local.
Control en cascada
Un control en cascada puede utilizarse cuando se requiere el control de dos variables independientes con una válvula.
Imaginemos un recipiente a presión encamisado lleno de producto líquido en el que los aspectos esenciales del proceso son bastante rigurosos:
·       El producto en el recipiente debe calentarse a una cierta temperatura.
·       El vapor no debe exceder una cierta temperatura o el producto puede deteriorarse..
·       La temperatura del producto no debe incrementarse con demasiada rapidez o el producto puede deteriorarse.
Si se usa un único control con el sensor en el líquido, al comienzo del proceso el sensor detectará una temperatura baja, y el controlador señalará la válvula para moverse a la posición completamente abierta. Esto originaría un problema por una excesiva temperatura de vapor en la camisa.
La solución es usar un control en cascada usando dos controladores y dos sensores:

·      Un controlador esclavo y un sensor supervisando la temperatura del vapor en la envolvente, y la salida de una señal en la válvula de control.
·      Un controlador maestro y sensor controlando la temperatura del producto con la salida del controlador dirigida al esclavo.
·       La señal de salida del controlador maestro se usa para variar el set point en el controlador esclavo, asegurando que no se exceda la temperatura del vapor.
Dinámica de los procesos
La dinámica de los procesos es una cuestión compleja sobre la cual haremos algunas consideraciones básicas. El término “constante de tiempo” se refiere al tiempo que emplea el movimiento del actuador. Es el tiempo que tarda un sistema de control para alcanzar aproximadamente dos tercios del movimiento total como resultado de cambio de una variable como la temperatura.
Otras partes del sistema de control tendrán una respuesta basada en el tiempo – el controlador y sus componentes y el sensor en sí mismo. Todos los instrumentos tienen un retraso temporal desde la entrada al instrumento y su subsiguiente salida. Incluso el sistema de transmisión tendrá un retraso temporal con el sistema eléctrico/electrónico y puede ser necesario tenerlo en cuenta con los sistemas de transmisión.
Aparte del retraso en la respuesta del sensor, otras partes del sistema de control también afectan el tiempo de respuesta. Con los sistemas neumáticos y auto-actuantes, el movimiento del actuador/válvula tiende a ser uniforme y, en un controlador proporcional, directamente proporcional a la desviación de la temperatura del sensor.
Con un actuador eléctrico hay un retraso debido al tiempo que emplea el motor para moverse al enlace de control. Debido a que la señal de control es una serie de pulsos, el motor proporciona ráfagas de movimiento seguido por periodos donde el actuador está estacionario.
Hasta ahora hemos hablado de sistemas de control que trabajan en condiciones de estado estacionario. Sin embargo el proceso o planta bajo control puede estar sujeta a variaciones que sigan un cierto modelo de comportamiento. El sistema de control requerido en el proceso debe comportarse de una forma predecible. Si el proceso cambia rápidamente, entonces el sistema de control debe ser capaz de reaccionar rápidamente. Si el proceso está sometido a cambios lentos, la demanda en la velocidad de operación del sistema de control no será tan rigurosos.
De todos los factores que condicionan el comportamiento dinámico de los controladores y sistemas de control lo más importante a tomar en consideración es el tiempo de retraso del bucle de control completo.
Reacciones en los procesos
Estas características de la dinámica de los procesos se definen por la reacción del proceso a un cambio repentino en los ajustes de control. Puede originar fenómenos como un cambio repentino de la temperatura.
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