Control automático en la industria: historia, fundamentos y aplicaciones
La aplicación del principio de realimentación tiene sus comienzos en máquinas e instrumentos muy sencillos, algunos de los cuales se remontan a
unos 2000 años.
El aparato más primitivo que emplea el principio de control por realimentación fue desarrollado por un griego llamado
Ktesibios aproximadamente 300 años a.C.. Se trataba de un reloj de agua (clepsidra), que medía el pasaje del tiempo por medio
de un pequeño chorro de agua que fluía a velocidad constante dentro de un recipiente.
El reloj poseía un flotante que subía a medida que el tiempo transcurría. Ktesibios resolvió el problema del mantenimiento del caudal constante
inventando un sistema semejante al usado en los carburadores de motores modernos: entre el suministro de agua y el tanque colector había una
regulación por medio de una válvula flotante que mantenía el nivel constante. Si el nivel se elevaba (por ejemplo, por un incremento
de la presión de suministro), el flotante restringía el caudal hasta volver al nivel especificado.
En el siglo IX el regulador de nivel a flotante fue reinventado en Arabia para mantener el nivel constante en bebederos. En el siglo XVI, en
Inglaterra, se usó el principio de realimentación para mantener automáticamente las paletas de molinos de viento en una posición normal a la dirección
del viento. En el siglo XVII, también en Inglaterra, se inventó el termostato, aplicado para mantener constante la temperatura de una
incubadora.
El primer uso del control automático en la industria parece haber sido el regulador centrífugo de la máquina de vapor de Watt, hacia
1775. Este aparato regulaba la velocidad manipulando el caudal de vapor mediante una válvula. Por lo tanto, estaban presentes todos los
elementos de la realimentación. Aunque el principio de control por realimentación era conocido desde la antigüedad, su estudio teórico aparece mucho más tarde
en el desarrollo de la tecnología y la ciencia.
El primer análisis formal de control automático fue la explicación matemática del regulador centrífugo por James Clerk Maxwell en
1868.
Más tarde, la técnica de regulación se aplicó a otras máquinas y turbinas y, a principios del siglo XX, comenzó el uso de reguladores y servomecanismos en
energía térmica y en el gobierno de buques. La primera teoría general moderna sobre estabilidad en sistemas de control se asocia a Nyquist en su trabajo sobre
regeneración, que sentó bases para determinar estabilidad sin resolver completamente ecuaciones diferenciales. Otros desarrollos en servomecanismos y
amplificadores eléctricos dieron origen a técnicas en frecuencia y lugar geométrico que aún se utilizan. Las aplicaciones generales al control de procesos no
comenzaron hasta la década de 1930 y, en los años 1940, ya operaban redes de control relativamente complejas.
Aplicaciones industriales
En casi todas las fases de los procesos industriales se utilizan aparatos de control automático. Se usan corrientemente en:
Industrias de procesamiento (petróleo, química, acero, energía y alimentación) para el control de temperatura, presión,
caudal y variables similares.
Manufactura (repuestos, partes de automóviles, heladeras y radios) para el control de ensamble, producción,
tratamiento térmico y operaciones similares.
Sistemas de transporte (ferrocarriles, aviones, proyectiles y buques).
Máquinas herramientas, compresores, bombas y máquinas generadoras de energía eléctrica para el control de posición, velocidad
y potencia.
Ventajas del control automático
Algunas de las ventajas del control automático, ya muy difundido, son:
Aumento en la cantidad o número de productos.
Mejora de la calidad de los productos.
Economía de materiales.
Economía de energía o potencia.
Economía de equipos industriales.
Reducción de inversión de mano de obra en tareas no especializadas.
Estos factores contribuyen a aumentar la productividad. La difusión del control automático en la industria creó la necesidad de elevar el nivel de educación
de un sector de obreros semiespecializados, capacitándolos para tareas de mayor responsabilidad: manejo y mantenimiento de equipos e instrumentos de control.
Cibernética e instrumentación
La ciencia de la cibernética e instrumentación se ocupa de los fenómenos de comunicación y control en la naturaleza, las máquinas o el ser
humano. Hay dos sectores de trabajo en el campo de la instrumentación e información:
Estudio de la teoría de comunicación e información.
Estudio de la teoría de control y realimentación.
Las leyes importantes de comunicación y control tratan de la información concerniente al estado y comportamiento de los sistemas, y no se ocupan (en primer
término) de la energía o su transferencia dentro del sistema. El uso de la energía es secundario respecto del propósito principal de control o comunicación.
El caso de un espejo que dirige un haz de luz que incide sobre él puede considerarse como un sistema elemental de control: controla el haz de luz de
acuerdo con la relación “el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia”. En ingeniería y ciencia, se restringe el significado de sistemas de
control a los sistemas cuya función principal es comandar, dirigir o regular dinámica o activamente.
El sistema ilustrado (espejo pivotado que se ajusta mediante un tornillo) se denomina propiamente un sistema de control: el ángulo de la luz reflejada se
regula por medio del tornillo.
Ejemplos de sistemas de control
Los sistemas de control abundan en el medio ambiente. Para identificarlos conviene definir entrada y salida:
La entrada es el estímulo o excitación aplicada a un sistema desde una fuente externa, generalmente con el fin de producir una respuesta
especificada. La salida es la respuesta obtenida del sistema, que puede no coincidir exactamente con la respuesta esperada que implica la
entrada. El objetivo del sistema suele definir qué se considera entrada y salida. Los sistemas pueden tener más de una entrada o salida.
Existen tres tipos básicos de sistemas de control:
Sistemas de control hechos por el hombre.
Sistemas de control naturales (incluyendo biológicos).
Sistemas mixtos (componentes humanos y naturales).
Ejemplo 1.
Un conmutador eléctrico es un sistema de control hecho por el hombre (uno de los más rudimentarios) que controla el flujo de electricidad. La entrada es la
conmutación entre conducción y corte; la salida es la presencia o ausencia del flujo (dos estados).
Ejemplo 2.
Un calefactor controlado por termostato regula automáticamente la temperatura de un recinto. La entrada es una temperatura de referencia; la salida es la
temperatura del recinto. Si el termostato detecta salida menor que la referencia, el calefactor calienta hasta igualar; luego se desconecta automáticamente.
Ejemplo 3.
Indicar un objeto con el dedo requiere un sistema de control biológico constituido principalmente por ojos, brazo, mano, dedo y cerebro. La entrada es la
dirección del objeto respecto de una referencia; la salida es la dirección indicada respecto de la misma referencia.
Consideraciones sobre la instalación de un control de proceso industrial
La instalación de un control de proceso tiene requisitos básicos que incluyen precauciones de seguridad y suministros eléctricos, de agua y de aire
confiables y bien regulados.
Se requiere un suministro eléctrico para todos los sistemas de control y debe cumplir con las normas vigentes de la planta. La integridad del suministro es
crítica: muchas instalaciones usan respaldo (UPS) para activar alimentación ininterrumpida ante pérdida de energía externa. Un corte puede significar cierre de
planta y pérdida de ciclos completos. Se recomienda usar transformador de aislamiento en líneas de energía para evitar que interferencias electromagnéticas
(EMI) generadas por motores, contactores y relés afecten instrumentos sensibles.
La conexión a tierra es fundamental por seguridad: variaciones en el potencial de tierra entre equipos pueden causar errores grandes en niveles de señal. Cada
equipo debería conectarse a un bus de cobre de gran sección debidamente puesto a tierra. Evitar lazos de tierra conectando pantallas y retornos de señal a
tierra en un solo extremo. En casos complejos, usar aisladores de señal.
Se requiere aire comprimido para actuadores neumáticos. El aire de instrumentos debe estar libre de suciedad, aceite, contaminantes y humedad, ya que
obstrucciones en boquillas o pasajes estrechos pueden dar lecturas falsas o fallas. Los compresores suelen incluir secadores, filtros y un tanque de reserva
con capacidad para varios minutos ante falla del sistema.
El suministro de agua es necesario en operaciones de limpieza, enfriamiento y generación de vapor. El agua doméstica puede servir para enfriamiento, pero no
para limpieza fina; el filtrado y procesos asociados mejoran su calidad y, para agua ultrapura, puede requerirse ósmosis inversa.
La instalación y el mantenimiento deben considerarse al ubicar instrumentos y válvulas: cada dispositivo debe ser accesible para inspección y reparación.
Puede ser necesario instalar válvulas manuales para reemplazo sin parada completa y, en algunos equipos, contratar mantenimiento especializado del proveedor.
La seguridad es prioritaria: usar materiales adecuados en recipientes, cañerías, sellos y empaquetaduras para evitar corrosión y fugas. Instalar equipos
eléctricos según código, con disyuntores y retardantes apropiados para incendios eléctricos.
Variables y señales de medición
Toda industria de procesos requiere cuantificar cantidades de productos que entran o salen de recipientes o tuberías. Además, se miden propiedades como
temperatura, presión, masa, densidad, etc. Medir permite controlar el proceso: agregar componentes, reducir o incrementar temperatura y/o presión, y tomar
decisiones para lograr un objetivo.
La cuantificación se realiza mediante dispositivos que emiten señales dependientes del cambio en la cantidad involucrada. En este contexto, una
señal es un estímulo externo o interno a un sistema que condiciona su comportamiento.
Matemáticamente, una señal se representa como una función de una o más variables independientes que contienen información sobre la naturaleza o comportamiento
de un fenómeno. Los sistemas responden a señales produciendo otras señales. Por ejemplo: al presionar el acelerador, el automóvil (sistema) aumenta su
velocidad; la presión sobre el pedal es la entrada y la velocidad es la salida.
Fig.: Representación gráfica de señales de (a) tiempo continuo y (b) tiempo discreto.
Definición de variable
Las cantidades o características que se miden (base del control) se denominan variables, y también se llaman variables de medición, de
instrumentación o de proceso. Existen variables dependientes e independientes; las fórmulas siguientes ilustran su relación.
Clasificación de las variables
Las variables de medición se clasifican según el campo al que están dedicadas. Se pueden establecer:
Variables térmicas: temperatura, calor específico, entalpía/entropía, valor calorífico.
Variables de radiación: radiación nuclear y electromagnética; variables fotométricas y acústicas.
Variables de fuerza: fuerzas totales, momentos, presión o vacío.
Variables de velocidad: lineal o angular; caudal; aceleración.
Variables de cantidad: masa y peso.
Variables de tiempo: duración, frecuencia (Hz).
Variables geométricas: posición, dimensión, área, forma, nivel.
Variables de propiedades físicas: densidad, humedad, viscosidad, dureza, ductilidad, etc.
Variables de composición química: acidez/alcalinidad y composición.
En la mayoría de las mediciones, el cambio en la variable medida se transforma en el cambio de otra variable (señal de medición), que opera el dispositivo e
inicia acción de control o se convierte en otra señal. Por ejemplo: una placa orificio o un Venturi desarrolla presión diferencial; esa señal puede operar un
indicador o convertirse en señal neumática, eléctrica o digital. La señal analógica puede convertirse en digital y enviarse a una computadora u otro
dispositivo de control.
Un transductor recibe energía de una naturaleza (eléctrica, mecánica, acústica, etc.) y entrega otra de diferente naturaleza, con
características dependientes de la recibida; por ejemplo, un convertidor analógico-digital (A/D).
El uso de señales de medición permite medir variables diversas combinando transductores primarios especializados con un número reducido de sistemas de
respuesta asociados a un número reducido de señales estándar.
Las señales de medición pueden agruparse en divisiones sencillas. Por ejemplo:
Movimiento
Muchas manifestaciones del valor medido se basan en alguna forma de movimiento, que actúa como entrada a transductores, controladores y sistemas de respuesta.
Figura: Ciclo de adquisición y tratamiento de señales de medición.
Movimiento mecánico: desplazamiento de indicador o plumilla; lineal o angular.
Desplazamiento líquido: termómetros de vidrio, manómetros y sistemas llenos de líquido.
Movimiento de luz o haz de electrones: osciloscopios, oscilógrafos y galvanómetros de haz de luz.
Fuerza
Señal común en conversión, transmisión y uso de mediciones:
Fuerza mecánica total: entrada de control y transmisión; puede convertirse en movimiento o presión.
Presión: fuerza por unidad de área; incluye presión estática y diferencial. En neumática industrial se usa como estándar
3 a 15 psi para transmisión de señales.
Señales eléctricas
Existen transductores para transformar prácticamente todas las variables en señales eléctricas; en la mayoría de instrumentos modernos se convierten a
señal digital para visualización o envío a computadora.
Señal de voltaje o corriente: relación fija entre variable y señal.
Señal por relación V/I: el valor medido se define por relaciones entre voltajes y corrientes cuando cambia la impedancia.
Señales de tiempo modulado
Para transmisión de mediciones, especialmente a grandes distancias, se usan señales de tiempo modulado del tipo “abierto–cerrado”.
Duración de pulso: la relación entre tiempo cerrado y abierto representa el valor de la variable.
Frecuencia: representa el cambio de la variable; útil en portadoras y radiotransmisores.
Pulsos clave: conteo de pulsos en un intervalo o codificación binaria; usados en computadoras y registradores digitales.
Conceptos destacados :
feedback
(realimentación). Principio de control mediante el cual la salida de un sistema se mide y se utiliza para corregir la acción del propio sistema, reduciendo el error respecto del valor deseado.
float valve
(válvula flotante). Dispositivo mecánico que mantiene constante el nivel de un líquido regulando automáticamente el caudal mediante un flotador que abre o cierra el paso.
centrifugal governor
(regulador centrífugo). Mecanismo automático que controla la velocidad de una máquina variando el suministro de energía (por ejemplo, vapor) según la velocidad del eje.
thermostat
(termostato). Dispositivo de control que mantiene una temperatura dentro de un valor prefijado comparando la medición real con la referencia y actuando sobre el sistema de calefacción o enfriamiento.
control system
(sistema de control). Conjunto organizado de elementos cuya función es dirigir, regular o gobernar el comportamiento de un proceso o máquina para obtener una respuesta deseada.
input
(entrada). Señal, estímulo o excitación aplicada a un sistema desde una fuente externa con el propósito de provocar una respuesta determinada.
output
(salida). Respuesta producida por un sistema como consecuencia de una entrada; constituye el resultado observable del funcionamiento del sistema.
process variable
(variable de proceso). Magnitud física, química o mecánica medida en un sistema industrial (como temperatura, presión, caudal o nivel) cuya regulación permite controlar el proceso.
transducer
(transductor). Dispositivo que convierte una forma de energía o señal física en otra diferente, normalmente transformando una variable del proceso en una señal eléctrica proporcional.
measurement signal
(señal de medición). Magnitud física o eléctrica generada por un instrumento o transductor que representa el valor de la variable medida y permite su transmisión, registro o uso en control.
