• Curso de Introducción en la NEUMATICA

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial . El uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control .Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas . 

El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de control . Además hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado . La eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático .  

El principio del control automático o sea el empleo de una realimentación o medición para accionar un mecanismo de control, es muy simple . El mismo principio del control automático se usa en diversos campos, como control de procesos químicos y del petróleo, control de hornos en la fabricación del acero, control de máquinas herramientas, y en el control y trayectoria de un proyectil . 

El uso de las computadoras analógicas y digitales ha posibilitado la aplicación de ideas de control automático a sistemas físicos que hace apenas pocos años eran imposibles de analizar o controlar . 

Es necesaria la comprensión del principio del control automático en la ingeniería moderna, por ser su uso tan común como el uso de los principios de electricidad o termodinámica, siendo por lo tanto, una parte de primordial importancia dentro de la esfera del conocimiento de ingeniería . También son tema de estudio los aparatos para control automático, los cuales emplean el principio de realimentación para mejorar su funcionamiento . 

Qué es el control automático ?

Para producir un producto de alta calidad en forma permanente, es necesario un estricto control del proceso. Un ejemplo fácil de entender de control de procesos sería el suministro de agua a varias estaciones de limpieza, donde la temperatura del agua debe mantenerse constante a pesar de la demanda. En la figura 1.1a se muestra un bloque de control simple, el vapor y el agua fría se alimentan a un intercambiador de calor, donde se usa el calor del vapor para llevar el agua fría a la temperatura de trabajo requerida. Se utiliza un termómetro para medir la temperatura del agua (la variable medida) del proceso o intercambiador. La temperatura es observada por un operador que ajusta el flujo de vapor (la variable manipulada) en el intercambiador de calor para mantener el agua fluyendo desde el intercambiador de calor a la temperatura constante establecida. Esta operación se conoce como control de proceso y, en la práctica, se automatizaría como se muestra en la Fig. 1.1b.

1. Entrada de agua fría
2. Termómetro
3. Entrada de vapor
4. Válvula
5. Salida de agua caliente
6. Actuador
7. Controlador
8. Sensor

Fig. 1.1. El control de proceso (a) muestra el control manual de un ciclo de proceso de intercambiador de calor simple y (b) el control automático de un ciclo de proceso de intercambiador de calor.

El control automático es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una cantidad o condición, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla . En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana . 

El control de proceso es el control automático de una variable de salida midiendo la amplitud del parámetro de salida del proceso y haciendo una comparación con el nivel deseado o establecido, para luego enviar una señal de error para controlar una variable de entrada, en este caso el vapor. Vea la figura 1.1b. Un sensor de temperatura conectado a la tubería de salida detecta la temperatura del agua que fluye. A medida que la demanda de agua caliente aumenta o disminuye, se detecta un cambio en la temperatura del agua y se convierte en una señal eléctrica, ésta se amplifica y se envía a un controlador que evalúa la señal y envía una señal de corrección a un actuador. El actuador ajusta el flujo de vapor al intercambiador de calor para mantener la temperatura del agua en su valor predeterminado.

El elemento mas importante de cualquier sistema de control automático es lazo de control realimentado básico . El concepto de la realimentación no es nuevo, el primer lazo de realimentación fue usado en 1774 por James Watt para el control de la velocidad de cualquier máquina de vapor . A pesar de conocerse el concepto del funcionamiento, los lazos se desarrollaron lentamente hasta que los primeros sistemas de transmisión neumática comenzaron a volverse comunes en los años 1940s, los años pasados han visto un extenso estudio y desarrollo en la teoría y aplicación de los lazos realimentados de control . En la actualidad los lazos de control son un elemento esencial para la manufactura económica y prospera de virtualmente cualquier producto, desde el acero hasta los productos alimenticios.

El diagrama de la figura 1.1b es un circuito de realimentación simplificado y se amplía en la figura 1.2. En cualquier proceso hay una serie de ingresos de productos, es decir, desde productos químicos hasta productos sólidos. Estos se manipulan en el proceso y un nuevo químico o componente emerge en la salida. Las entradas controladas al proceso y los parámetros de salida medidos del proceso se denominan variables.

Fig. 1.2 - Diagrama de bloques de un lazo de control de procesos.

A pesar de todo, este lazo de control que es tan importante para la industria está basado en algunos principios fácilmente entendibles y fáciles . Este artículo trata éste lazo de control, sus elementos básicos, y los principios básicos de su aplicación .

• Análisis de Señales. Tipos de Señales.

FUNCION DEL CONTROL AUTOMATICO .

La idea básica de lazo realimentado de control es mas fácilmente entendida imaginando qué es lo que un operador tendría que hacer si el control automático no existiera .

Figura 2

La figura 2 muestra una aplicación común del control automático encontrada en muchas plantas industriales, un intercambiador de calor que usa calor para calentar agua fría . En operación manual, la cantidad de vapor que ingresa al intercambiador de calor depende de la presión de aire hacia la válvula que regula el paso de vapor . Para controlar la temperatura manualmente, el operador observaría la temperatura indicada, y al compararla con el valor de temperatura deseado, abriría o cerraría la válvula para admitir mas o menos vapor . Cuando la temperatura ha alcanzado el valor deseado, el operador simplemente mantendría esa regulación en la válvula para mantener la temperatura constante . Bajo el control automático, el controlador de temperatura lleva a cabo la misma función . La señal de medición hacia el controlador desde el transmisor de temperatura (o sea el sensor que mide la temperatura ) es continuamente comparada con el valor de consigna (set-point en Inglés ) ingresado al controlador . Basándose en una comparación de señales , el controlador automático puede decir si la señal de medición está por arriba o por debajo del valor de consigna y mueve la válvula de acuerdo a ésta diferencia hasta que la medición (temperatura ) alcance su valor final .

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL .

Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto y a lazo cerrado . La distinción la determina la acción de control, que es la que activa al sistema para producir la salida .
Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida .
Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la acción de control es en cierto modo dependiente de la salida .
Los sistemas de control a lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes :
a) La habilidad que éstos tienen para ejecutar una acción con exactitud está determinada por su calibración . Calibrar significa establecer o restablecer una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada .
b) Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad, que presentan los de lazo cerrado .

Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación ( o retroacción ) .

Ejemplo 1
Un tostador automático es un sistema de control de lazo abierto, que está controlado por un regulador de tiempo . El tiempo requerido para hacer tostadas, debe ser anticipado por el usuario, quien no forma parte del sistema . El control sobre la calidad de la tostada (salida) es interrumpido una vez que se ha determinado el tiempo, el que constituye tanto la entrada como la acción de control .

Ejemplo 2
Un mecanismo de piloto automático y el avión que controla, forman un sistema de control de lazo cerrado ( por realimentación ) . Su objetivo es mantener una dirección específica del avión, a pesar de los cambios atmosféricos . El sistema ejecutará su tarea midiendo continuamente la dirección instantánea del avión y ajustando automáticamente las superficies de dirección del mismo ( timón, aletas, etc. ) de modo que la dirección instantánea coincida con la especificada . El piloto u operador, quien fija con anterioridad el piloto automático, no forma parte del sistema de control .

Ejemplo 3

En una instalación de control de procesos, el controlador no está necesariamente limitado a una variable, sino que puede medir y controlar muchas variables. Un buen ejemplo de la medición y control de multivariables que encontramos a diario lo da el procesador en el motor del automóvil.

Fig. 1.3 - Motor de automóvil mostrando algunas de las variables medidas y controladas.

La figura 1.3 enumera algunas de las funciones realizadas por el procesador del motor del automóvil. La mayoría de las variables controladas son seis u ocho dispositivos, según el número de cilindros del motor. El procesador del motor debe realizar todas estas funciones en aproximadamente 5 ms. Este ejemplo de control de motor puede relacionarse con las operaciones realizadas en una operación de control de proceso

EL LAZO REALIMENTADO

Figura 3

La medición debe ser hecha para indicar el valor actual de la variable controlada por el lazo . Mediciones corrientes usadas en la industria incluyen caudal, presión, temperatura, mediciones analíticas tales como pH, ORP, conductividad y  muchas otras particulares específicas de cada industria . 

Realimentación :
Es la propiedad de una sistema de lazo cerrado que permite que la salida ( o cualquier otra variable controlada del sistema ) sea comparada con la entrada al sistema ( o con una entrada a cualquier componente interno del mismo con un subsistema ) de manera tal que se pueda establecer una acción de control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y la salida .
Más generalmente se dice que existe realimentación en un sistema cuando existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto ente las variables del sistema .
El concepto de realimentación está claramente ilustrado en el mecanismo del piloto automático del ejemplo dado .
La entrada es la dirección especificada, que se fija en el tablero de control del avión y la salida es la dirección instantánea determinada por los instrumentos de navegación automática . Un dispositivo de comparación explora continuamente la entrada y la salida .
Cuando los dos coinciden, no se requiere acción de control . Cuando existe una diferencia entre ambas, el dispositivo de comparación suministra una señal de acción de control al controlador, o sea al mecanismo de piloto automático . El controlador suministra las señales apropiadas a las superficies de control del avión, con el fin de reducir la diferencia entre la entrada y la salida . La realimentación se puede efectuar por medio de una conexión eléctrica o mecánica que vaya desde los instrumentos de navegación que miden la dirección hasta el dispositivo de comparación .

Características de la realimentación .
Los rasgos mas importante que la presencia de realimentación imparte a un sistema son:
a) Aumento de la exactitud . Por ejemplo, la habilidad para reproducir la entrada fielmente .
b) Reducción de la sensibilidad de la salida, correspondiente a una determinada entrada, ante variaciones en las características del sistema .
c) Efectos reducidos de la no linealidad y de la distorsión .
d) Aumento del intervalo de frecuencias ( de la entrada ) en el cual el sistema responde satisfactoriamente ( aumento del ancho de bada )
e) Tendencia a la oscilación o a la inestabilidad .

El actuador final . 

Por cada proceso debe haber un actuador final, que regule el suministro de energía o material al proceso y cambie la señal de medición . Mas a menudo éste es algún tipo de válvula, pero puede ser además una correa o regulador de valocidad de motor, posicionador, etc . 

El proceso

Los tipos de procesos encontrados en las plantas industriales son tan variados como los materiales que producen . Estos se extienden desde lo simple y común, tales como los lazos que controlan caudal, hasta los grandes y complejos como los que controlan columnas de destilación en la industria petroquímica .

El controlador automático .

El último elemento del lazo es el controlador automático, su trabajo es controlar la medición . “Controlar” significa mantener la medición dentro de límites aceptables . En éste artículo, los mecanismos dentro del controlador automático no serán considerados . Por lo tanto, los principios a ser tratados pueden ser aplicados igualmente tanto para los controladores neumáticos como para los electrónicos y a controladores de todos los fabricantes . Todos los controladores automáticos usan las mismas respuestas generales, a pesar de que los mecanismos internos y las definiciones dadas para estas respuesta pueden ser ligeramente diferentes de un fabricante al otro .

Un concepto básico es que para que el control realimentado automático exista, es que el lazo de realimentación esté cerrado . Esto significa que la información debe ser continuamente transmitida dentro del lazo . El controlador debe poder mover a la válvula, la válvula debe poder afectar a la medición, y la señal de medición debe ser reportada al controlador . Si la conexión se rompe en cualquier punto, se dice que el lazo está abierto . Tan pronto como el lazo se abre, como ejemplo, cuando el controlador automático es colocado en modo manual, la unidad automática del controlador queda imposibilitada de mover la válvula . Así las señales desde el controlador en respuesta a las condiciones cambiantes de la medición no afectan a la válvula y el control automático no existe.

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