INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE CONTROL DE PROCESOS

INDICE DEL CONTENIDO

1. - Sistema de control de procesos
2. - Variable
3. - Variable Manipulada
4. - Perturbación
5. - Repetibilidad
6. - Exactitud
7. - Precisión
8. - Linealidad
9. - Incertidumbre
10. - Controlador
11. - Actuador
12. - Elemento final de control
13. - Sensor
14. - Transmisor
15. - Transductor
16. - Acondicionador
17. - Micro controlador
18. - Registrador
19. - Convertidor
20. - Circuito abierto o lazo abierto
21. - Circuito cerrado o lazo cerrado

SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS

El objetivo de un sistema de control es controlar variables físicas como la presión, temperatura, velocidad de tal forma de que “sigan” a los valores deseados en el proceso. Se pueden distinguir dos tipos de sistemas de control. (Roquez, 2012)

-    Sistemas tipo regulador en los cuales se quiere controlar una variable de tal manera que se mantenga en un valor constante.

-    Sistema tipo servomecanismos en los cuales la variable controlada debe “seguir” a una referencia variable en el tiempo.

VARIABLE

En ciencia la palabra variable se usa para describir cualquier factor que cambia o puede ser cambiado y que además se le puede asignar un valor. (Santelices, 1989)

En todo proceso tenemos diversas variables, las cuales afectan las entradas o salidas del proceso. Temperatura, nivel, flujo, presión, son las variables más comunes en los procesos industriales, las cuales son monitoreadas y controladas por medio de la instrumentación del proceso.

Por ejemplo:

Ø  En una línea de ensamble de motores eléctricos se requiere conocer la potencia que tendrá dicho motor.

Ø  En una línea de alimentación de vapor hacia una caldera, será necesario medir la presión que se requiere para que el vapor atraviese hacia la línea de producción.

VARIABLES MANIPULADAS

Las variables manipuladas son aquellas que el científico cambia sistemáticamente y en función de la cual espera observar una respuesta. (Santelices, 1989)

Otra definición según (Sánchez, 2006) nos dice que es la cantidad o condición de materia o energía que se modifica para que el valor de la variable controlada resulte afectado en la proporción debida.

Por ejemplo, si se quiere investigar en la influencia de la temperatura en el grado de evaporación de un líquido, la variable manipulada en la investigación será la temperatura. Por lo tanto someteré un determinado líquido a distintas temperaturas y mi respuesta será el grado de evaporación. Este se evaporara más rápido o lento dependiendo de la temperatura a que se encuentre. (Santelices, 1989)

PERTURBACIÓN

Existen además perturbaciones que actúan sobre la planta, modificando la variable controlada.

Un ejemplo de perturbación es la variación de la temperatura ambiente, en procesos que requieren control de temperatura. En general es deseable que el control mantenga las variables a controlar más allá de las perturbaciones, “rechazando las perturbaciones externas”. Esta propiedad de “rechazo de perturbaciones” es característica de los sistemas de control de lazo cerrado. (Roquez, 2012)

REPETIBILIDAD

La repetibilidad es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. A mayor repetibilidad, es decir, a un menor valor numérico (por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en otro es 0,005%, este segundo tendrá más repetibilidad), los valores de la indicación o señal de salida estarán más concentrados, es decir, habrá menos dispersión y una mayor precisión. (Creus, 2010)

Para determinarla, el fabricante comprueba la diferencia entre el valor verdadero de la variable y la indicación o señal de salida del instrumento recorriendo todo el campo y partiendo, para cada determinación, desde el valor mínimo del campo de medida. (Ramos, 2014)

Tomemos el caso de un manómetro para el cálculo de la repetibilidad:

Fuente: Instrumentación industrial.

EXACTITUD

Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. Otra definición puede ser, la exactitud es una medida de la diferencia entre el valor medio de un grupo de medidas y el valor verdadero de la misma. (Ramos, 2014)

La exactitud  define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado (normalmente 1 año). Hay que señalar que los valores de la exactitud de un instrumento se consideran en base a los establecidos para el usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. (Creus, 2010)

PRECISIÓN

La precisión se refiere al intervalo donde es admisible que se encuentre el valor de la magnitud medida. (Ramos, 2014)

Este término se usa para especificar el máximo error global que se puede esperar de un dispositivo, tal como la medición de una variable, la precisión usualmente se expresa como la imprecisión y puede aparecer de distintas formas según (Harper, 2013):

1.      Variable medida: la precisión es 2°C en algunas mediciones de temperatura, por lo tanto, podría haber una imprecisión de 2°C en cualquier valor de temperatura medido.

2.      Porcentaje de lectura a plena escala de instrumento: En este caso, una imprecisión de 0.5% es una escala completa de 5 volts en el rango del medidor, representaría una imprecisión en cualquier medición de 5x0.005= 0.025 volts.

3.      Porcentaje de lectura real: En caso, para un 2% de la lectura del voltimetro, se podría tener una imprecisión de 0.04 volts para una lectura de 2 volts.

A continuación se muestra un ejemplo de exactitud y precisión, mediante el lanzamiento de dianas (suponiendo que el valor exacto seria el centro de la diana).

Fuente: Instrumentación y control en instalaciones de proceso, energía y servicios

LINEALIDAD

Linealidad se define como la diferencia en exactitud entre el patrón de medición y el promedio observado sobre todo el rango de operación del instrumento. Los problemas de falta de linealidad pueden deberse a que el instrumento no está calibrado de manera correcta en los extremos de su rango de operación, existe error en las mediciones máximas y mínimas del patrón, el calibrador (instrumento de medición) está desgastado, y /o a que puede ser requerida una revisión del diseño de partes internas del calibrador. (Bernal y Pardo, 2011)

El procedimiento para obtener la linealidad consiste en:

1.      Tomar varias piezas que cubran el rango de operación del calibrador y medirlas con el patrón de medición.

2.      Medir cada pieza varias veces por un sólo operador.

3.   Obtener el promedio de las mediciones y restarlo del valor del master de cada pieza (exactitud promedio).

4.      Ajustar una línea de regresión y = ax + b, donde:

a = pendiente,

b = intersección con el eje y,

x = medición del patrón

y = exactitud promedio.

INCERTIDUMBRE

Cuando se realiza una operación de calibración, se compara el instrumento a calibrar con un aparato patrón para averiguar si el error (diferencia entre el valor leído por el instrumento y el verdadero valor medido con el aparato patrón) se encuentra dentro de los limites dados por el fabricante del instrumento. (Creus, 2010)

Como el aparato patrón no permite medir exactamente el valor verdadero  y como además en la operación de comparación intervienen diversas fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por un único valor, lo que da lugar a la llamada incertidumbre de la medida o incertidumbre. (Creus, 2010)

Según (Creus, 2010) entre las fuentes de incertidumbre se encuentran:

§  Influencia de las condiciones ambientales.

§  Lecturas diferentes de instrumentos analógicos realizadas por los operadores.

§  Variaciones en las observaciones repetidas de la medida en condiciones aparentemente idénticas.

§  Valores inexactos de los instrumentos patrón.

§ Muestra del producto no representativa. Por ejemplo, en la medida de temperatura con un termómetro patrón de vidrio, la masa del bulbo cambia la temperatura de la muestra del proceso cuya temperatura desea medirse.

CONTROLADOR

Es un sistema electrónico que genera la variable electrónica u adecuada para obtener el valor necesario de la acción de control, a partir de la comparación entre la señal de referencia y la señal medida.

ACTUADOR

• Dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso.
• Activa elementos finales de control.
• Influyen en la señal de salida del automatismo.
• Elementos finales que permiten modificar las variables a controlar en una instalación automatizada.
• Ejercen de interfaces de potencia, convirtiendo magnitudes físicas, normalmente de carácter eléctrico en otro tipo de magnitud que permite actuar sobre el proceso a controlar.

Accionador.- Se encarga de aportar la energía (lumínica, calorífica,…) necesaria al sistema, para modificar los valores de la magnitud física a controlar. Ej. Bomba, radiador, motor, etc.

Preaccionador.- Que permite de manera intermedia, la amplificación y/o conversión de la señal de control proporcionada por el controlador para el gobierno de la instalación. Ej. Relé de maniobra o contactor, electroválvula, etc.

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Los elementos finales de control son mecanismos que modifican el valor de una variable  que ha sido manipulada como respuesta a una señal de salida desde un dispositivo de  control automático; es decir, se encarga de  manipular alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador.

Según el tipo de proceso, hay dispositivos que reciben señales de control del tipo discretas, tipo batch o continúas.

Los elementos finales de control pueden ser una válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servoválvula, un relé, elementos calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador.

Ya que industrialmente lo más común es que la variable manipulada por estos dispositivos sea un caudal, el elemento de control de más amplia difusión es la válvula y por ello se hará énfasis en éste.

• VÁLVULAS DE CONTROL
  
  
  Su función es variar el flujo de material o energía a un proceso de control, modificando el valor de la variable de medida, comportándose como un orificio de área variable.
  Las válvulas pueden ser modelas siguiendo una dinámica de segundo orden. Para válvulas pequeñas o de tamaño medio, la dinámica es tan rápida que se consideran procesos de primer orden.
  Las válvulas funcionan según el teorema de Bernoulli, el cual describe que el flujo a través de un orificio como:
  
  
  
  
  
  
  
  

SENSOR

Es el elemento que mide las variables físicas y genera una señal eléctrica proporcional, de forma de poder compararla con el set–point. Es el bloque inverso al actuador, transforma una variable física medida en la planta en una señal eléctrica.

Un ejemplo es el tacómetro que se puede utilizar como transductor en motores, mide la velocidad y la traduce a valores de tensión. (Roquez, 2012)

TRANSMISOR

• Para lograr una sesión de comunicación se requiere un: transmisor, un medio y un receptor.
• Instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador.
• Equipo que emite una señal, código o mensaje a través de un medio.
• Toma una señal cualquiera para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor.
• Capta señales de sensores y transductores

(Ecured, 2016)

TRANSDUCTOR

Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, temperatura, dilatación, humedad, etc, en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.

Estructura:

Ejemplos:

Magnitud Física	Transductor	Características
Posición (lineal o angular)	Potenciómetro	Analógico
	Encoder	Digital
	Sincro y resolver	Analógico
Pequeños desplazamientos	Transformador diferencial	Analógico
	Galga extensiométrica	Analógico
Velocidad (lineal o angular)	Dinamo tacométrica	Analógico
	Encoder	Digital
	Detector inductivo u óptico	Digital
Aceleración	Acelerómetro	Analógico
	Sensor de velocidad + calculador	Digital
Fuerza y Par	Galga extensiométrica	Analógico
Temperatura	Termopar	Analógico
	Resistencias PT100	Analógico
	Termistores CTN	Analógico
	Termistores CTP	Todo-Nada
	Bimetales	Todo-Nada
Sensores de presencia o proximidad	Inductivos	Analógico o Todo-Nada
	Capacitivos	Todo-NAda
	Ópticos	Analógico o Todo-Nada

(Balcells & Romeral)

ACONDICIONADOR

Dispositivo que convierte un tipo de señal electrónica en otro tipo de señal. Al ejecutar esta conversión ocurren numerosas funciones, como:

Amplificación.-  Se incrementa la magnitud de la señal. Ej. La conversión de una señal de 0 - 10 mV a 0 – 10 V

Aislamiento eléctrico.- Rompe la ruta galvánica entre la señal de entrada y la señal de salida; mediante la conversión de la señal de entrada a una señal óptica o magnética

Linearización.- Convierte una señal de entrada no lineal a una señal de salida lineal; común para señales de termopar.

Compesación de unión fría.- Se usa para termopares, la señal del termopar se ajusta para compesar  las fluctuaciones a temperatura ambiente

Excitación.- Muchos sensores requieren una forma de excitación para funcionar por Ej. Los calibradores de tensión y los RTD.

(Omega, 2012)

MICROCONTROLADOR

• Circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria.
• Está compuesto de varios bloques funcionales
• Incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida

(Gridling & Weiss, 2007)

REGISTRADOR

Un registrador de datos es un dispositivo electrónico que registra datos en el tiempo o en relación a la ubicación por medio de instrumentos y sensores propios o conectados externamente.

Uno de los principales beneficios del uso de registradores de datos es la capacidad para recopilar automáticamente datos las 24 horas del día. Tras la activación, los registradores de datos normalmente se dejan sin vigilancia para medir y registrar la información durante toda la duración del período de seguimiento. Esto permite una visión global y precisa de las condiciones ambientales objeto de seguimiento, tales como la temperatura del aire y la humedad relativa.

(Wikipedia, 2010)

CONVERTIDOR

Dispositivos que convierten señales analógicas o digitales a las requeridas según el tipo de sensor y demás dispositivos de control.

Convertidor analógico – digital.- Consiste en la transcripción de señakes analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (encriptación, compresión, etc.) y hacer la señar resultante más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas

Convertidor digital – analógico.- Es un proceso que permite la lectura del código binario grabado en un CD. Tiene la misma frecuencia de muestreo (controlada por un reloj) con que se grabó el sonido en el cd y tiene una cantidad de bits determinada. Con este aparato se pueden leer los cds y reproducirse. Por eso el nombre: Convierte de Digital a Analógico.

CIRCUITO ABIERTO O LAZO ABIERTO

Este control implica una predicción de la señal de control necesaria para ajustar la variable de salida y en el valor deseado. Como la variable controlada no se realimenta, es decir, su valor es desconocido, las perturbaciones y los cambios en la planta pueden generar grandes desviaciones del valor de salida esperado (error).

Este tipo de control es más simple de implementar. Suele garantizar la estabilidad y ser relativamente económico en comparación con los sistemas de lazo cerrado, aunque el error de estado estacionario puede tomar valores inaceptables.

Un ejemplo práctico de este tipo de sistemas es una lavadora automática. La misma está compuesta por tres sistemas de control.

-       Control de lavado (variable controlada: limpieza).

-       Control de enjuague (variable controlada: porcentaje de residuo de jabón).

-       Control de secado (variable controlada: contenido de humedad en las prendas).

Estos tres sistemas de control operan a lazo abierto según una base de tiempos preestablecida. Cualquier perturbación puede generar un gran error de estado estacionario:

-       Ropa manchada con pintura no soluble.

-       Caudal de agua insuficiente.

-       Exceso de ropa.

En el ejemplo anterior, es necesario destacar que la medición de las variables controladas es de difícil implementación o en último caso muy costosas.

CIRCUITO CERRADO O LAZO CERRADO

En estos sistemas se mide la variable controlada, y se la compara con un valor de referencia. El controlador realiza acciones de acuerdo al apartamiento resultado de la comparación. De esta manera se puede alcanzar el valor deseado de la señal de salida con gran exactitud.

Sobre la comparación del valor de referencia y el valor medio, el controlador efectúa una acción correctiva. Si la señal controlada y no es una magnitud eléctrica (Velocidad, presión, temperatura) suele utilizarse un sensor o transductor, el cual convierte tales magnitudes, en magnitudes eléctricas.

El controlador debe diseñarse de forma que la acción de control corrija cualquier desviación del valor deseado de la señal de salida.

La ventaja principal de estos sistemas es que puede asegurarse una cota para el Error de Estado Estacionario, independiente de las variaciones de la planta o de las perturbaciones que está pueda sufrir. Además pueden lograrse respuestas más rápidas que en los sistemas de lazo abierto, mediante un diseño apropiado del controlador.

Como desventaja pueden citarse la mayor complejidad del sistema, y la posible inestabilidad del mismo, si el controlador no se diseña apropiadamente. (Roquez, 2012)

AUTORES:
Aranda Lopez Jhon
Ibarra Zambrano Andres
Mera Tizón Tanny
Ingenieria Industrial 9no "B" 

BIBLIOGRÁFIA

• ROQUEZ, M. G. (2012). INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES. 
• http://blog.utp.edu.co. (s.f.). ELEMENTOS-FINALES-DE-CONTROL. Obtenido de http://blog.utp.edu.co/docenciaedwin/files/2011/05/ELEMENTOS-FINALES-DE-CONTROL-modificado.pdf
• Creus. A. (2010). Instrumentación Industrial. Barcelona, España. Alfaomega Grupo Editor.
• Harper. E. (2013).El ABC de la instrumentación en el control de procesos industriales. Mexico. D.F. Mexico. Editorial Limusa. Recuperado de: https://books.google.com.ec
• Acedo. S. J (2006). Instrumentación y control avanzado de procesos. Impreso en España. Ediciones Díaz de Santos. Recuperado de: https://books.google.com.ec
• Santelices. L.C. (1989). Metodología de Ciencias Naturales Para la Enseñanza Básica. Santiago de chile, Chile. Editorial Andrés Bello. Recuperado de: https://books.google.com.ec
• Rojano R. S. (2014). Instrumentación y control en instalaciones de proceso, energía y servicios auxiliares. Ic editorial. Recuperado de: https://books.google.com.ec.
• Mejia B.L y Pardo S.A. (2011). Modelo de dirección para la aplicación de six sigma. Facultad de ingeniería Universidad nacional autónoma de México.
• Balcells, J., & Romeral, J. L. (s.f.). Autómatas programables. Marcombo.Ecured. (2016). Ecured. Recuperado el 25 de 11 de 2017, de https://www.ecured.cu/Transmisor

• Gridling, G., & Weiss, B. (2007). Introducción a los microcontroladores. Viena: Universidad tecnológica de Viena.
• Wikipedia. (12 de 02 de 2010). Wikipedia. Recuperado el 25 de 11 de 2017, de https://es.wikipedia.org/wiki/Registrador_de_datos
• Omega. (2012). Omega. Recuperado el 25 de 11 de 2017, de https://mx.omega.com/prodinfo/acondicionadores-de-senales.html