(control industrial). En términos generales, métodos y medios de gobernar el comportamiento de un dispositivo, aparato, equipo o sistema usado en la industria.

Modos de control industrial

Los controladores industriales modernos se emplean para producir una o varias acciones de control sobre un proceso. Entre los modos más comunes se encuentran el control todo-nada, el control proporcional, el control proporcional más integral, el control proporcional más derivativo, el control proporcional más integral más derivativo y otros sistemas especiales como el control proporcional de tiempo y de corriente.

El control todo-nada, también llamado on-off control, es uno de los métodos más simples de control automático. En este sistema, el elemento final de control sólo puede estar en dos estados: encendido o apagado, abierto o cerrado, conectado o desconectado.

Un ejemplo típico es el control de temperatura mediante un calefactor. Cuando la temperatura del proceso cae por debajo del punto de ajuste, el calefactor se conecta. Cuando la temperatura supera cierto valor, el calefactor se desconecta. De esta forma, la temperatura oscila alrededor del valor deseado.

Este tipo de control es sencillo y económico, pero no mantiene la variable exactamente en el punto de ajuste. Siempre aparece una oscilación entre un límite superior y un límite inferior. La diferencia entre esos dos límites se denomina diferencial o histéresis.

La histéresis es la separación entre el punto en que el controlador conecta la salida y el punto en que la desconecta. Su función es evitar que el dispositivo se active y desactive demasiado rápido ante pequeñas variaciones de la señal medida.

Por ejemplo, si un controlador de temperatura encendiera y apagara el calefactor exactamente en el mismo valor, cualquier pequeña fluctuación produciría conmutaciones rápidas. Esto provocaría desgaste en contactos, relés, válvulas o elementos de potencia. Por eso se establece una banda de operación: el sistema se enciende en un valor y se apaga en otro.

El control proporcional mejora el comportamiento del control todo-nada. En lugar de entregar sólo una salida máxima o mínima, el controlador modifica su salida en proporción al error existente entre la variable medida y el punto de ajuste.

El error es la diferencia entre el valor deseado y el valor real del proceso. Si el error es grande, la corrección también será grande. Si el error es pequeño, la salida del controlador será menor. De esta manera, el sistema responde de forma más suave y continua.

En un sistema de calefacción, por ejemplo, el controlador proporcional puede aplicar mucha potencia cuando la temperatura está lejos del punto de ajuste, y reducir progresivamente esa potencia a medida que la temperatura se aproxima al valor deseado.

La banda proporcional es el intervalo de valores de la variable controlada dentro del cual la salida del controlador cambia de 0 % a 100 %. Si la banda proporcional es amplia, se requiere una gran variación de temperatura para producir un cambio importante en la salida. Si la banda proporcional es estrecha, una pequeña variación de temperatura produce una gran modificación en la salida.

Una banda proporcional muy estrecha puede causar oscilaciones, porque el controlador reacciona con demasiada fuerza. Una banda proporcional muy amplia puede hacer que el sistema responda lentamente y que no alcance exactamente el valor deseado.

La ganancia proporcional indica cuánto cambia la salida del controlador ante una variación del error. Es inversamente proporcional a la banda proporcional. Una ganancia alta equivale a una banda proporcional estrecha; una ganancia baja equivale a una banda proporcional ancha.

En términos prácticos, aumentar la ganancia hace que el controlador sea más sensible. Sin embargo, si se aumenta demasiado, el proceso puede volverse inestable. Por eso el ajuste de la ganancia es una tarea importante en la puesta en marcha de sistemas de control.

Una característica del control proporcional puro es que puede producirse un offset, es decir, una diferencia permanente entre el valor real del proceso y el punto de ajuste. Esto ocurre porque, para mantener una salida determinada, el controlador necesita que exista un error.

Por ejemplo, si el sistema necesita cierta potencia de calefacción para mantener la temperatura, el controlador proporcional puede requerir una pequeña diferencia entre la temperatura real y el punto de ajuste para entregar esa potencia. Esa diferencia es el offset.

El reset es una acción destinada a eliminar el offset. Puede realizarse manualmente o automáticamente. En el reset manual, el operador modifica el ajuste del controlador para compensar la desviación permanente. Este método puede funcionar en procesos simples, pero requiere intervención humana.

El reset automático se logra mediante una acción integral. Esta acción observa el error a lo largo del tiempo y modifica gradualmente la salida del controlador hasta eliminar la desviación permanente. Si el proceso queda por debajo del punto de ajuste, la acción integral aumenta la salida. Si queda por encima, la reduce.

El control proporcional más integral, conocido como control PI, combina la acción proporcional con la acción integral. La parte proporcional responde inmediatamente al error actual. La parte integral responde al error acumulado en el tiempo.

La ventaja principal del control PI es que reduce o elimina el offset característico del control proporcional puro. Por esta razón, es muy utilizado en sistemas de temperatura, presión, nivel y caudal.

Sin embargo, si la acción integral es demasiado intensa, el sistema puede oscilar. Esto se debe a que el integrador continúa acumulando corrección mientras existe error, y puede producir una respuesta excesiva. Por eso se debe ajustar correctamente la constante de tiempo integral.

La constante de tiempo integral indica la rapidez con que actúa la acción integral. Se puede expresar como el tiempo necesario para que la parte integral iguale a la acción proporcional, cuando existe una desviación constante.

También puede expresarse en repeticiones por minuto. Cuanto mayor sea el número de repeticiones por minuto, más rápida será la acción integral. Un ajuste demasiado rápido puede generar sobreoscilaciones; un ajuste demasiado lento puede hacer que el sistema tarde mucho en corregir el offset.

La acción derivativa responde a la velocidad de cambio del error. No actúa principalmente sobre el valor actual del error, sino sobre la rapidez con que ese error está aumentando o disminuyendo.

Si la temperatura comienza a subir rápidamente hacia el punto de ajuste, la acción derivativa anticipa que puede producirse una sobrepasada y reduce la salida antes de que el error sea demasiado grande. Por eso se dice que la acción derivativa tiene un efecto anticipativo.

La acción derivativa es útil para mejorar la estabilidad y reducir sobreimpulsos. Sin embargo, puede amplificar ruidos o pequeñas variaciones rápidas de la señal medida, por lo que debe aplicarse con cuidado.

El control proporcional más derivativo, o control PD, combina la respuesta proporcional con una acción anticipativa. La parte proporcional corrige según el error, mientras que la parte derivativa corrige según la velocidad de cambio del error.

Este tipo de control puede mejorar la respuesta dinámica del sistema, especialmente en procesos donde se desea reducir el sobrepaso y lograr una estabilización más rápida. No obstante, al no tener acción integral, puede seguir existiendo offset.

El control PID combina las tres acciones: proporcional, integral y derivativa. Es uno de los modos de control más utilizados en la industria porque reúne tres funciones complementarias.

La acción proporcional proporciona una corrección inmediata; la acción integral elimina el error permanente; y la acción derivativa anticipa cambios rápidos, mejorando la estabilidad. Un controlador PID correctamente ajustado puede ofrecer buena rapidez de respuesta, bajo sobreimpulso y error final prácticamente nulo.

El control proporcional de tiempo se utiliza cuando el elemento final de control sólo puede estar encendido o apagado, pero se desea obtener un efecto proporcional. En este caso, el controlador varía el porcentaje de tiempo durante el cual la salida permanece conectada dentro de un ciclo fijo.

Por ejemplo, si el ciclo es de 12 segundos y la salida debe ser del 75 %, el controlador mantiene el calefactor encendido durante 9 segundos y apagado durante 3 segundos. Así, aunque la salida física sea todo-nada, el efecto promedio sobre el proceso es proporcional.

En el control proporcional de corriente, la salida del controlador se entrega como una señal analógica, generalmente de 4 a 20 mA. Esta señal puede accionar válvulas, variadores, posicionadores o dispositivos electrónicos de potencia.

Una señal de 4 mA suele representar el valor mínimo de salida y una señal de 20 mA el valor máximo. Los valores intermedios permiten controlar gradualmente la potencia, el caudal, la presión u otra variable del proceso.

El control calor-frío se aplica en procesos donde se necesita tanto calentar como enfriar. En estos sistemas puede haber una salida para calefacción y otra para refrigeración.

Cuando la variable medida está por debajo del punto de ajuste, actúa la salida de calor. Cuando está por encima, actúa la salida de frío. En muchos casos se establece una zona muerta o separación entre ambas acciones para evitar que calefacción y refrigeración funcionen simultáneamente.

La selección del modo de control depende del tipo de proceso, de la precisión requerida, del tiempo de respuesta, de la estabilidad necesaria y del tipo de elemento final de control. Un sistema simple puede funcionar correctamente con control todo-nada, mientras que un proceso exigente puede requerir control PID.

En aplicaciones industriales, los modos de control permiten mantener variables como temperatura, presión, caudal, nivel, velocidad o concentración dentro de límites adecuados. Un control bien ajustado mejora la calidad del producto, reduce el consumo de energía, protege los equipos y aumenta la seguridad operativa.

• Punto de ajuste. (Set point) Valor deseado que debe alcanzar o mantener la variable controlada.
• Variable controlada. (Controlled variable) Magnitud del proceso que se desea mantener en un valor determinado.
• Error. (Error) Diferencia entre el punto de ajuste y el valor medido de la variable del proceso.
• Control todo-nada. (On-off control) Modo de control en el que la salida sólo puede estar completamente activada o desactivada.
• Histéresis. (Hysteresis) Diferencia entre el punto de conexión y el punto de desconexión de un controlador todo-nada.
• Control proporcional. (Proportional control) Acción de control cuya salida varía en proporción al error.
• Banda proporcional. (Proportional band) Rango de valores dentro del cual la salida del controlador varía entre 0 % y 100 %.
• Ganancia. (Gain) Relación entre el cambio de salida del controlador y el cambio del error de entrada.
• Offset. (Offset) Error permanente entre el valor real del proceso y el punto de ajuste.
• Acción integral. (Integral action) Acción que corrige el error acumulado en el tiempo y elimina el offset.
• Acción derivativa. (Derivative action) Acción que responde a la velocidad de cambio del error y ayuda a anticipar variaciones.
• Control PI. (Proportional plus integral control) Control que combina acción proporcional e integral.
• Control PD. (Proportional plus derivative control) Control que combina acción proporcional y derivativa.
• Control PID. (Proportional integral derivative control) Control que combina acciones proporcional, integral y derivativa.
• Control proporcional de tiempo. (Time-proportioning control) Método que regula la potencia variando el tiempo de conexión dentro de un ciclo fijo.
• Control proporcional de corriente. (Current-proportioning control) Método que entrega una señal analógica, por ejemplo de 4 a 20 mA, proporcional a la salida requerida.
• Control calor-frío. (Heat-cool control) Sistema que utiliza una salida para calefacción y otra para refrigeración.