Definitions of the Elements in a Control Loop

Figure 1 breaks down the individual elements of the blocks in a process-control loop. The measuring element consists of a sensor, a transducer, and a transmitter with its own regulated power supply. The control element has an actuator, a power control circuit, and its own power supply. The controller has a processor with a memory and a summing circuit to compare the set point to the sensed signal so that it can generate an error signal. The processor then uses the error signal to generate a correction signal to control the actuator and the input variable.

Fig. 1- Block diagram of the elements that make up the feedback path in a process-control loop.

Feedback loop is the signal path from the output back to the input to correct for any variation between the output level from the set level. In other words, the output of a process is being continually monitored, the error between the set point and the output parameter is determined, and a correction signal is then sent back to one of the process inputs to correct for changes in the measured output parameter.

Controlled or measured variable is the monitored output variable from a process. The value of the monitored output parameter is normally held within tight given limits.

Manipulated variable is the input variable or parameter to a process that is varied by a control signal from the processor to an actuator. By changing the input variable the value of the measured variable can be controlled.

Set point is the desired value of the output parameter or variable being monitored by a sensor. Any deviation from this value will generate an error signal.

Instrument is the name of any of the various device types for indicating or measuring physical quantities or conditions, performance, position, direction, and the like.

Sensors are devices that can detect physical variables, such as temperature, light intensity, or motion, and have the ability to give a measurable output that varies in relation to the amplitude of the physical variable. The human body has sensors in the fingers that can detect surface roughness, temperature, and force. A thermometer is a good example of a line-of-sight sensor, in that it will give an accurate visual indication of temperature. In other sensors such as a diaphragm pressure sensor, a strain transducer may be required to convert the deformation of the diaphragm into an electrical or pneumatic signal before it can be measured.

Transducers are devices that can change one form of energy to another, e.g., a resistance thermometer converts temperature into electrical resistance, or a thermocouple converts temperature into voltage. Both of these devices give an output that is proportional to the temperature. Many transducers are grouped under the heading of sensors.

Converters are devices that are used to change the format of a signal without changing the energy form, i.e., a change from a voltage to a current signal.

Actuators are devices that are used to control an input variable in response to a signal from a controller. A typical actuator will be a flow-control valve that can control the rate of flow of a fluid in proportion to the amplitude of an electrical signal from the controller. Other types of actuators are magnetic relays that turn electrical power on and off. Examples are actuators that control power to the fans and compressor in an air-conditioning system in response to signals from the room temperature sensors.

Controllers are devices that monitor signals from transducers and take the necessary action to keep the process within specified limits according to a pre- defined program by activating and controlling the necessary actuators.

Programmable logic controllers (PLC) are used in process-control applications, and are microprocessor-based systems. Small systems have the ability to monitor several variables and control several actuators, with the capability of being expanded to monitor 60 or 70 variables and control a corresponding number of actuators, as may be required in a petrochemical refinery. PLCs, which have the ability to use analog or digital input information and output analog or digital control signals, can communicate globally with other controllers, are easily programmed on line or off line, and supply an unprecedented amount of data and information to the operator. Ladder networks are normally used to program the controllers.

An error signal is the difference between the set point and the amplitude of the measured variable.

A correction signal is the signal used to control power to the actuator to set the level of the input variable.

Transmitters are devices used to amplify and format signals so that they are suitable for transmission over long distances with zero or minimal loss of information. The transmitted signal can be in one of the several formats, i.e., pneumatic, digital, analog voltage, analog current, or as a radio frequency (RF) modulated signal. Digital transmission is preferred in newer systems because the controller is a digital system, and as analog signals can be accurately digitized, digital signals can be transmitted without loss of information.

The controller compares the amplitude of the signal from the sensor to a predetermined set point, which in next fig. 1.1b is the amplitude of the signal of the hot water sensor.

Fig. 1.1b. Automatic control of a heat exchanger process loop

The controller will then send a signal that is proportional to the difference between the reference and the transmitted signal to the actuator telling the actuator to open or close the valve controlling the flow of steam to adjust the temperature of the water to its set value.

Definiciones de los elementos en un lazo de control

La figura 1 siguiente grafica los elementos individuales de los bloques en un lazo de control de proceso. El elemento de medición consta de un sensor, un transductor y un transmisor con su propia fuente de alimentación regulada. El elemento de control tiene un actuador, un circuito de control de potencia y su propia fuente de alimentación. El controlador tiene un procesador con memoria y un circuito sumador para comparar el punto de ajuste con la señal detectada para que se pueda generar una señal de error. Luego, el procesador usa la señal de error para generar una señal de corrección para controlar el actuador y la variable de entrada.

Figura 1. Diagrama de bloques de los elementos que componen el trayecto del recorrido de ralimentación de en un lazo de control de procesos.

El lazo de realimentación es el recorrido de la señal desde la salida hasta la entrada para corregir cualquier variación entre el nivel de salida y el nivel ajustado. En otras palabras, la salida de un proceso se monitorea continuamente, se determina el error entre el punto de ajuste y el parámetro de salida, y luego se envía una señal de corrección a una de las entradas del proceso para corregir los cambios en el parámetro de salida medido.

La variable controlada o medida es la variable de salida monitoreada de un proceso. El valor del parámetro de salida monitoreado normalmente se mantiene dentro de límites estrictos.

La variable manipulada es la variable de entrada o parámetro de un proceso que se varía mediante una señal de control desde el procesador a un actuador. Al cambiar la variable de entrada, se puede controlar el valor de la variable a ser controlada.

El punto de ajuste o valor de consigna, es el valor deseado del parámetro o variable de salida que está siendo monitoreado por un sensor. Cualquier desviación de este valor generará una señal de error.

Instrumento es el nombre de cualquiera de los diversos tipos de dispositivos para indicar o medir cantidades o condiciones físicas, rendimiento, posición, dirección y similares.

Los sensores son dispositivos que pueden detectar variables físicas, tales como la temperatura, la intensidad de la luz o el movimiento, y tienen la capacidad de dar una salida medible que varía en relación con la amplitud de la variable física. El cuerpo humano tiene sensores en los dedos que pueden detectar la aspereza, la temperatura y la fuerza de la superficie. Un termómetro es un buen ejemplo de sensor escala visible, ya que proporcionará una indicación visual precisa de la temperatura. En otros sensores, como un sensor de presión de diafragma, puede ser necesario un transductor de deformación para convertir la deformación del diafragma en una señal eléctrica o neumática antes de que pueda medirse.

Los transductores son dispositivos que pueden cambiar una forma de energía a otra, por ejemplo, un termómetro de resistencia convierte la temperatura en resistencia eléctrica o un termopar convierte la temperatura en voltaje. Ambos dispositivos dan una salida que es proporcional a la temperatura. Muchos transductores se agrupan bajo la denominación de sensores.

Los convertidores son dispositivos que se utilizan para cambiar el formato de una señal sin cambiar la forma de energía, es decir, un cambio de una señal de voltaje a una de corriente.

Los actuadores son dispositivos que se utilizan para controlar una variable de entrada en respuesta a una señal de un controlador. Un actuador típico sería una válvula de control de caudal que puede controlar el régimen de flujo de un fluido en respuesta proporcional a la amplitud de una señal eléctrica del controlador. Otros tipos de actuadores son los relés magnéticos que activan el paso y cortan la energía eléctrica. Algunos ejemplos son los actuadores que controlan la energía de los ventiladores y el compresor en un sistema de aire acondicionado en respuesta a las señales de los sensores de temperatura ambiente.

Los controladores son dispositivos que monitorean las señales de los transductores y toman las acciones necesarias para mantener el proceso dentro de los límites especificados de acuerdo con un programa predefinido de ajustes activando y controlando los actuadores necesarios.

Los controladores lógicos programables (PLC) se utilizan en aplicaciones de control de procesos y son sistemas basados ​​en microprocesadores. Son sistemas pequeños que tienen la capacidad de monitorear varias variables y controlar varios actuadores, con la capacidad de expandirse para monitorear 60 o 70 variables y controlar un número correspondiente de actuadores, como puede ser requerido en una refinería petroquímica. Los PLC, que tienen la capacidad de usar información de entrada analógica o digital y emitir señales de control analógicas o digitales, pueden comunicarse globalmente con otros controladores, se programan fácilmente en línea o fuera de línea y proporcionan una cantidad sin precedentes de datos e información al operador. Las redes de escalera se utilizan normalmente para programar los controladores.

Una señal de error es la diferencia entre el punto de ajuste y la amplitud de la variable medida.

Una señal de corrección es la señal usada para controlar la potencia del actuador para fijar el nivel de la variable de entrada.

Los transmisores son dispositivos que se utilizan para amplificar y formatear señales de modo que sean adecuadas para su transmisión a largas distancias con una pérdida nula o mínima de información. La señal transmitida puede estar disponible en uno de los varios formatos, es decir, neumático, digital, voltaje analógico, corriente analógica o como una señal modulada por radiofrecuencia (RF). La transmisión digital es preferida en los sistemas más actualizados porque el controlador es un sistema digital, y como las señales analógicas se pueden digitalizar con precisión, las señales digitales se pueden transmitir sin pérdida de información. El controlador compara la amplitud de la señal del sensor con un punto de ajuste predeterminado, que en la figura 1.1b siguiente es la amplitud de la señal del sensor de agua caliente.

Fig. 1.1b. Control automático de un lazo de proceso de intercambiador de calor

El controlador luego enviará una señal que es proporcional a la diferencia entre la referencia y la señal transmitida al actuador diciéndole al actuador que abra o cierre la válvula que controla el flujo de vapor para ajustar la temperatura del agua a su valor establecido en el valor de consigna.