PRINCIPIO DE CONTROL DE PROCESOS

BASES DE CONTROL DE PROCESOS

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 ?
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 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. 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 .

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 .

La figura 1 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 1Un 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 2Un 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 .

EL LAZO REALIMENTADO
El lazo de control realimentado simple sirve para ilustrar los cuatro elementos principales de cualquier lazo de control , (figura 2 ) .

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.

Control automático en la industria . Un poco de historia , aspectos generales . La aplicación del principio de realimentación tiene sus comienzos en máquinas e instrumentos muy sencillos , algunos de los cuales se remontan a 2000 años atrás .

El aparato mas primitivo que emplea el principio de control por realimentación fue desarrollado por un griego llamado Ktsibios aproximadamente 300 años A.C. . Se trataba de un reloj de agua como el mostrado en la figura el cual medía el pasaje del tiempo por medio de una pequeño chorro de agua que fluía a velocidad constante dentro de un recipiente .

El mismo poseía un flotante que subía a medida que el tiempo transcurría . Ktsibios resolvió el problema del mantenimiento del caudal constante de agua inventando un aparato semejante al usado en los carburadores de los motores modernos . Entre el suministro de agua y el tanque colector había una regulación de caudal de agua por medio de una válvula flotante que mantenía el nivel constante . Si el nivel se elevaba ( como resultado de un incremento en la presión de suministro por ejemplo ) , el flotante se elevaba restringiendo el caudal de agua en el recipiente regulador hasta que el flotante volvía al nivel específico .

En el siglo IX el regulador de nivel a flotante es reinventado en Arabia . En este caso se usaba para mantener el nivel constante en los bebederos de agua . En el siglo XVI , en Inglaterra se usaba el principio de realimentación para mantener automáticamente las paletas de los molinos de viento en una posición normal a la dirección del viento . En el siglo XVII , en Inglaterra se inventaba el termostato que se aplicaba para mantener la temperatura constante de una incubadora .

En primer usa del control automático en la industria parece haber sido el regulador centrífugo de la máquina de vapor de Watt en el año 1775 aproximadamente . Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula . Por lo tanto , están presentes todos los elementos de realimentación . Aún cuando el principio de control por realimentación desde muchos años en la antigüedad , su estudio teórico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia .

El primer análisis de control automático es la explicación matemática del regulador centrífugo por James Clerk Maxwell en 1868 .

Mas tarde la técnica del regulador se adjudicó a otras máquinas y turbinas y a principio del siglo XX comenzó la aplicación de reguladores y servomecanismos en reguladores de energía térmica al gobierno de buques . La primera teoría general sobre control automático , pertenece a Nyquist en el famoso artículo “Teoría de la regeneración “. Este estudio sentó las bases para la determinación de la estabilidad de sistemas sin necesidad de resolver totalmente las ecuaciones diferenciales . Otros desarrollos en servomecanismos y amplificadores eléctricos dieron origen a muchas técnicas de frecuencia y lugar geométrico que se usan hoy en día . Las aplicaciones generales al control de procesos no comenzaron hasta la década del ’30 . Las técnicas de control se consagraron rápidamente , tal es así que ya en los años ’40 funcionaban redes de control relativamente complejas .
En casi todas la fases de procesos industriales se utilizan aparatos de control automático . Se usan corrientemente en :
1- Industrias de procesamiento como la del petróleo , química , acero , energía y alimentación para el control de la temperatura , presión , caudal y variables similares .

2- Manufactura de artículos como repuestos o partes de automóviles , heladeras y radio , para el control del ensamble , producción , tratamiento térmico y operaciones similares .

3- Sistemas de transporte , como ferrocarriles , aviones , proyectiles y buques .

4- Máquinas herramientas , compresores y bombas , máquinas generadoras de energía eléctrica para el control de posición , velocidad y potencia .

Algunas de la muchas ventajas del control automático , ya muy difundido , son las siguientes : a) Aumentó en la cantidad o número de productosb) Mejora de la calidad de los productosc) Economía de materialesd) Economía de energía o potenciae) Economía de equipos industriales

f) Reducción d inversión de mano de obra en tareas no especializadas .
Estos factores generalmente contribuyen a aumentar la productividad . La difusión de la aplicación del control automático en la industria ha creado la necesidad de elevar el nivel de la educación de un sector de obreros semiespecializados , capacitándolos para desempeñar tareas de mayor responsabilidad: el 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 hombre. Hay dos sectores de trabajo en el campo de la instrumentación e información

a) Estudio de la teoría de comunicación e información

b) 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 de la energía o de la transferencia de energía dentro del sistema . El uso de la energía es del orden secundario para el propósito principal de control o comunicación .

La teoría de la comunicación e información se basa en el concepto de que todas las ideas pueden expresarse en mensajes traducibles al lenguaje común . La cantidad de información puede ser definida y por lo tanto se puede medir , y en consecuencia , se puede enunciar que gobierna la transmisión de la información . La tecnología de la medición , telemetría , televisión , estructura del lenguaje , sistemas numéricos y computación automática, emplean las ideas básicas de información y manejo y procesamiento de datos .

El campo del control automático desde el punto de vista práctico se puede dividir en tres secciones :

a) Control de procesos que involucran cambios químicos y de estado . b) Control de manufactura que involucra cambio de forma .c) Control de posición fundamentalmente , con niveles de potencia por encima de unos pocos Watt .
Sistemas de control .

Definición de sistema : a) Un “sistema”es un ordenamiento , conjunto o colección de cosas conectadas o relacionadas de manera que constituyan un todo b) Un “sistema”es un ordenamiento de componentes físicos conectados o relacionados de manera que formen una unidad completa p que puedan actuar como tal .

La palabra “control”generalmente se usa para designar “regulación”, dirección o “comando”. Al combinar las definiciones anteriores se tiene : Un sistema de control es un ordenamiento de componentes físicos conectados de tal manera que el mismo pueda comandar , dirigir o regularse a sí mismo o a otro sistema . En el sentido mas abstracto es posible considerar cada objeto físico como un sistema de control . Cada cosa altera su medio ambiente de alguna manera , activa o positivamente .

El caso de un espejo que dirige un haz de luz que incide sobre él , puede considerarse como un sistema elemental de control , que controla el haz de luz de acuerdo con la relación “el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia”. En la ingeniería y en la ciencia se restringe el significado de sistemas de control al aplicarlo a los sistemas cuya función principal es comandar , dirigir , regular dinámica o activamente .

Control Si/No ( ó On/Off con sus siglas en Inglés ) , o control de dos posiciones.
Control proporcional .
Acción integral (reset)
Acción derivativa .