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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