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• Raul Alvarado

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Control de proceso El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más fiable y sencillo, al Encargarse de obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste. Las principales características que se deben buscar en un sistema de control serán: 1. Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes. 2. Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua. 3. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas. 4. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa. Principalmente los beneficios obtenidos serán: Incremento de la productividad Mejora de los rendimientos Mejora de la calidad Ahorro energético Control medioambiental Seguridad operativa Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo Fácil acceso a los datos del proceso El control del proceso consistirá en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparación con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior corrección en caso de que se haya producido alguna desviación respecto al valor preestablecido de algún parámetro de proceso. El bucle de control típico estará formado por los siguientes elementos, a los que habrá que añadir el propio proceso. Elementos de medida (Sensores) Generan una señal indicativa de las condiciones de proceso. Elementos de control lógico (Controladores): Leen la señal de medida, comparan la variable medida con la deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema realizando el ajuste necesario para reducir o eliminar el error.

Elementos de actuación (Válvulas y otros elementos finales de control): Reciben la señal del controlador y actúan sobre el elemento final de control, de acuerdo a la señal recibida. Se puede hacer una clasificación de los sistemas de control atendiendo al procedimiento lógico usado por el controlador del sistema para regular la evolución del proceso. Los principales tipos de control utilizados en los procesos industriales serán: Normales: Sistemas de realimentación. (Feed-back)  Proporcional  Integral  Derivativo *Sistema anticipativo (Feed-Foward) Sistema en cascada (Cascade) Sistema selectivo (Over-Ride) Avanzados  Control de restricciones (Constraint Control)  Control del modelo de referencia (Model Reference Control)  Optimización de unidades

Sistemas de control con realimentación Son sistemas de control de bucle cerrado en los que existe una realimentación continua de la señal de error del proceso al controlador, actuando éste conforme a esta señal buscando una reducción gradual del error hasta su eliminación. Es el tipo de sistemas que más extendido se encuentra en la actualidad. Existen diversos diagramas de actuación con la característica común de la realimentación de la señal de error. Sin embargo, seguirán distintos fundamentos de actuando para conseguir la eliminación del error del sistema.

Control proporcional El sistema de control proporcional se basa en establecer una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Así, la válvula de control se moverá el mismo valor para cada unidad de desviación.

Control integral

El control integral basa su funcionamiento en abrir o cerrar la válvula, a una velocidad constante, hasta conseguir eliminar la desviación. La

velocidad de accionamiento será proporcional al error del sistema existente.

Control derivativo En la regulación derivada la posición de la válvula será proporcional a la velocidad de cambio de la variable controlada. Así, la válvula sufrirá un mayor o menor recorrido dependiendo de la velocidad de cambio del error del sistema. Nos remitimos a las curvas de variación de las variables del sistema para una mejor comprensión del fundamento operativo de este modo de regulación.

Control anticipativo (Feed-Forward)

En el control anticipativo el controlador del sistema utilizará la lectura de una o más variables de entrada para actuar sobre la variable manipulada que produce la salida deseada del proceso. No corresponderá ya al diseño de bucle cerrado al que hemos visto que respondían los sistemas de realimentación anteriores. La principal ventaja de este tipo de sistemas es que no necesitan la aparición de una desviación en el sistema para efectuar la correcta regulación del mismo. Para adoptar este tipo de control en el sistema ejemplo visto anteriormente tendremos que realizar las modificaciones que se pueden apreciar a continuación.

Control en cascada Existen casos en los que la variable manipulada, por su naturaleza, sufre grandes Oscilaciones que afectan a la capacidad de control del sistema, llegando inclusive al caso de imposibilitarlo. En el ejemplo hasta ahora expuesto podríamos encontrar esta situación si se diese el caso que la corriente de salida se encontrase turbo aspirada, dependiendo entonces la presión

de aspiración del régimen al que girara la bomba. Así para una misma posición de la válvula de vaciado del depósito el caudal de paso por ella dependerá de la presión en la línea, siendo por tanto variable con ésta.

Generalizando, podemos decir que el sistema de control en cascada actúa a un esquema jerarquizado de variables de control, distinguiéndose entre variables primarias (master) y secundarias (slave). Las variables primarias serán las controladas, mientras que las secundarias son aquellas manipuladas/controladas para conseguir llevar al sistema al régimen de operación determinado por las variables primarias. Cabe decir que todo sistema de control en cascada constará al menos de un par de variables relacionadas, una primaria y otra secundaria.

Breve historia del control de procesos Los primeros sistemas de control conocidos, ya en la antigüedad, son mecanismos destinados al control del caudal para regular un reloj de agua o el control de nivel de líquido en una lámpara de aceite o en un recipiente de vino, que se mantiene lleno a pesar de los muchos vasos que se sacan. De hecho, el control del caudal de fluido se reduce al control del nivel del fluido, ya que un pequeño orificio producirá caudal constante si la presión es constante. El mecanismo de control de nivel de líquido inventado en la antigüedad y todavía usado para controlar nivel es la válvula flotante, semejante a la del depósito de agua de un inodoro corriente. El flotador está hecho de tal manera que, cuando el nivel baja, el caudal del depósito aumenta y cuando el nivel sube, el caudal disminuye y, si es necesario, se corta (Figura 1.1). En este caso el sensor y el actuador están combinados en el mismo dispositivo, el flotador y la combinación de tubo de alimentación.

Figura 1.1. Un tonel que nunca se acaba. Ejemplo del control de nivel de líquido y caudal tal como se realizaba en la antigüedad.

Un caso más moderno de control por retroalimentación es el control de temperatura de un horno para calentar una incubadora, sistema que fue diseñado por Drebbel (hacia 1620). El horno constaba de una caja que contenía el fuego, con un tubo en la parte superior provisto de un regulador de tiro (Figura 1.2). Dentro de la cámara de combustión estaba la incubadora de paredes dobles y el hueco que quedaba entre las paredes se llenaba de agua. El sensor de temperatura era un recipiente de vidrio lleno de alcohol y mercurio colocado en la cámara de agua en torno a la incubadora. A medida que el fuego calentaba la caja y el agua, el alcohol se dilataba y el vástago con flotador se desplazaba hacia arriba, bajando el regulador de tiro sobre la boca del tubo. Si la caja está demasiado fría, el alcohol se contrae, el regulador de tiro se abre y el fuego arde más fuertemente. La temperatura deseada está determinada por la longitud del vástago del flotador, que determina la apertura del regulador de tiro para una dilatación determinada de alcohol. La búsqueda de un medio para controlar la velocidad de rotación de un eje fue un problema famoso en las crónicas del control automático. La principal motivación era la de controlar automáticamente la velocidad de la piedra de molienda de un molino de viento harinero. De los varios métodos que se intentaron, el más prometedor resultó ser el que usaba un péndulo cónico, o regulador de bola flotante. Este dispositivo se usó para medir la velocidad del molino; las aspas del molino de viento se hacían girar con cuerdas y poleas, casi como persianas, para mantener una velocidad fija. Pero no fue el molino de viento es que hizo famoso el regulador de bola flotante, fue su adaptación a la máquina de vapor en los laboratorios de James Watt, alrededor de 1788 (Figura 1.3).

Figura 1.2. Croquis de la incubadora de Drebbel para empollar huevos de gallina. Figura 1.3. Máquina de vapor con un regulador centrífugo o de bola flotante, que aparece en la parte derecha de la imagen

La acción del regulador centrífugo es fácil de describir. Supongamos que la máquina está operando en equilibrio y aplicamos de pronto una carga. En ese momento disminuirá la velocidad de la máquina y las bolas del regulador caerán a un cono más pequeño. De este modo, el ángulo de las bolas se usa como sensor de salida. Esta acción, a través de palancas, abrirá la válvula principal al núcleo de vapor (que es el actuador) y admitirá más vapor a la máquina, recuperándola totalidad de la velocidad perdida. Para mantener la válvula de vapor en una nueva posición es necesario que las bolas giren a un ángulo diferente, lo que implica que la velocidad con una carga no es exactamente la misma que la anterior. Para recobrar la misma velocidad en este sistema, sería necesario reponer la velocidad deseada cambiando la longitud de la

barra de la palanca a la válvula. Otros inventores introdujeron mecanismos que integraron el error de velocidad y así proporcionaron una reposición automática. Estos sistemas tienen error estacionario cero a perturbaciones constantes. Watt fue un hombre práctico, como el constructor de molinos anterior a él, y no se ocupó de análisis teóricos del regulador. En este sentido son de gran importancia las contribuciones de G.B. Airy, que fue profesor de matemáticas y astronomía de la Universidad de Cambridge desde 1826 a 1835 y Astrónomo Real en el Observatorio de Greenwich desde 1835 a 1881. Airy se interés ó por el control de la velocidad; si sus telescopios hubieran podido girar en sentido contrario a la Tierra, se habría podido observar una estrella fija durante largos períodos de tiempo. Él utilizó el regulador centrífugo de péndulo y descubrió que era capaz de movimiento inestable. Airy realizó la primera exposición histórica de la inestabilidad en un sistema de control, el análisis de un sistema a través de ecuaciones diferenciales y, por tanto, los comienzos del estudio de la dinámica de control con retroalimentación. El primer estudio sistemático de la estabilidad del control retroalimentado apareció en el trabajo On Governors de J.C. Maxwell (1868). En este trabajo, Maxwell desarrolla las ecuaciones diferenciales del regulador, linealizándolas en torno al equilibrio, y estableció que la estabilidad 6 Introducción generaldepende de que las raíces de una cierta ecuación (característica) tengan partes reales negativas. Lo consiguió solamente para los casos de segundo y tercer orden. El problema de la determinación de criterios de estabilidad sirvió para el premio Adams de 1877, que fue ganado por E.J. Routh. Su criterio, desarrollado en el ensayo que obtuvo el premio, tiene el interés suficiente como para que los ingenieros de control sigan aprendiendo a aplicar su sencilla técnica. El análisis de la ecuación característica siguió siendo el fundamento de la teoría de control hasta la invención del amplificador retroalimentado electrónico por H.S. Black en 1927 en los laboratorios de la Bell Telephone. Después de la publicación del trabajo de Routh, el matemático ruso A.M. Lyapunov comenzó a estudiar la cuestión de la estabilidad del movimiento; en 1892 utilizó las ecuaciones no lineales de movimiento e incluyó resultados equivalentes al criterio de Routh. Su trabajo fue fundamental, pero no se introdujo en la literatura de control hasta 1958. Con la introducción de los amplificadores electrónicos, las llamadas a larga distancia llegaron a ser posibles en las décadas posteriores a la Primera Guerra Mundial. Sin embargo, conforme la distancia aumenta, lo hace la pérdida de energía eléctrica, a pesar del uso del alambre de gran diámetro, y se requieren más y más amplificadores para reemplazar las pérdidas. Lamentablemente, con tantos amplificadores había mucha distorsión ya que las pequeñas no linealidades de los tubos de vacío se multiplicaban una y otra vez. Como solución a este problema, Black propuso el amplificador retroalimentado. Para reducir la distorsión hay que aumentar la retroalimentación, es decir, la ganancia del lazo del actuador debe aumentarse mucho. Todos los quehan tratado de subir el volumen en un sistema de amplificación público mal ubicado han experimentado lo descubierto por Black; con altas ganancias el lazo de retroalimentación comienza a pitar y es inestable. Aquí, en una tecnología diferente estaba el problema de estabilidad de Maxwell y Routh, y la dinámica era tan compleja (las ecuaciones diferenciales de orden 50 son muy comunes) que el criterio de Routh no sirvió de mucho. Los ingenieros de comunicaciones estaban familiarizados con la idea de respuesta de frecuencia y con matemáticas de variable compleja desarrollada por Cauchy y otros, así que los trabajos en los laboratorios de la Bell se orientaron al análisis complejo. En 1932, H. Nyquist publicó un artículo describiendo como determinar la estabilidad desde un gráfico de la respuesta de frecuencia del lazo. A partir de esta teoría se desarrolló una extensa metodología de diseño de amplificadores retroalimentados, descrita en el libro de Bode (1945).

Simultáneamente al desarrollo del amplificador retroalimentado, el control retroalimentado de procesos industriales empezó a ser la norma. En este campo, caracterizado por procesos que no solamente son muy complejos sino también no lineales y sujetos a retrasos de tiempo relativamente largos entre actuador y sensor, se desarrolló la práctica del control proporcional, más integral y más diferencial, el control PID descrito por Callender, Hartree y Porter (1936). Esta tecnología, basada en un amplio trabajo experimental y aproximaciones lineal izadas simples al sistema dinámico, llevó a experimentos estándar apropiados para la aplicación en el campo y finalmente a una satisfactoria sintonía de los coeficientes del controlador PID. También se desarrollaron en esta época los dispositivos para guía y control de aviones; especialmente importante fue el desarrollo de sensores adecuados para medición de altura y velocidad de los aviones. Se dio un enorme impulso al control retroalimentado durante la Segunda Guerra Mundial. En Estados Unidos, ingenieros y matemáticos del Laboratorio de Radiación del MIT combinaron sus conocimientos para aportar juntos no solamente la teoría de los amplificadores retroalimentados de Bode y el control PID de los procesos, sino también de procesos estocásticos desarrollados por N. Wiener (1930). El resultado fue el desarrollo de un conjunto completo de técnicas para el diseño de mecanismos de control, o servomecanismos, como también han sido llamados. Otro enfoque al diseño de sistemas de control se introdujo en 1948 por W.R. Evans, que trabajaba en el campo de guía y control de aviones. Muchos de estos problemas tiene estados dinámicos inestables o neutralmente estables, y él sugirió un retorno al estudio de la ecuación característica que había sido la base del trabajo de Maxwell y Routh 70 años antes. Sin embargo Evans desarrolló técnicas y reglas que permiten seguir gráficamente los pasos de los lugares geométricos de las raíces de la ecuación característica cuando se cambiaba un parámetro. Su método, el lugar geométrico de las raíces, es adecuado para el diseño y análisis de estabilidad y continúa siendo hoy día una técnica importante.

Que es instrumentación Un sistema de instrumentación es una estructura compleja que agrupa un conjunto de instrumentos, un dispositivo o sistema en el que se mide, unas conexiones entre estos elementos y por último, y no menos importante, unos programas que se encargan de automatizar el proceso y de garantizar la repetibilidad de las medidas. En términos abstractos, un instrumento de medición es un dispositivo que transforma una variable física de interés, que se denomina variable medida, en una forma apropiada para registrarla o visualizarla o simplemente detectarla, llamada medición o señal medida. Una medición es, entonces, un acto de asignar un valor específico a una variable física. Dicha variable física es la

variable medida. Un sistema de medición es una herramienta utilizada para cuantificar la variable medida. El elemento clave fundamental de un sistema de instrumentación, es el elemento sensor. La función del sensor es percibir y convertir la entrada (variable física) percibida por el sensor, en una variable de la señal de salida. El sensor es un elemento físico que emplea algún fenómeno natural por medio del cual sensar la variable a ser medida. El transductor, convierte esta información sensada en una señal detectable, la cual puede ser eléctrica, mecánica, óptica, u otra. El objetivo es convertir la información sensada en una forma que pueda ser fácilmente cuantificada.

Clasificación de la instrumentación Se consideran dos clasificaciones básicas:  En función del instrumento  En función de la variable del proceso De acuerdo al instrumento se tiene:  Instrumentos ciegos  Instrumentos indicadores  Instrumentos registradores  Elementos primarios  Transmisores  Transductores  Convertidores  Receptores  Controladores  Elementos finales de control

Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.

Instrumentos ciegos

Valvula de

INSTRUMENTOS INDICADORES Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.

Voltmetro Análogo

INSTRUMENTOS REGISTRADORES Registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma de gráfico. Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora.

Registrador de línea ELEMENTOS PRIMARIOS Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.

Tubo Bourbon

TRANSMISORES Captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de mar gen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. La señal neumática de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bar (0,21 - 1,05 kg/cm por lo cual, también se emplea la señal en unidades SI 0,2 a 1 bar Asi mismo, se emplean señales electrónicas de 1 a 5 mA de 10 a 50 mA y de 0 a 20 mA, si bien la señal normalizada es de 4-20 mA.

Siemens

TRANSDUCTORES Reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc.

Micrófono

CONVERTIDORES Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (315 psi) o electrónica (4-20 mA) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática).

Conversor corriente – presiòn (Masoneilan)

RECEPTORES Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3 -15

psi en señal neumática, 4 -20 mA en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.

CONTROLADORES Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2 - 1 bar). En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de corriente a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA o digital a neumática 3 -15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico.

Válvula de control neumática

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de: • Caudal • Nivel • Presión • Temperatura • Densidad y peso especifico • humedad y punto de rocío • Viscosidad • Posición • Velocidad • pH • Conductividad • Turbidez

Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar. Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE VILLA LA VENTA

CATEDRATICO: ING.GLORIA SUSANA VILLALOBOS

TEMAS: CONTROL DE PROCESO EVOLUCIONJ DE CONTROL DE PROCESO -breve historia QUE ES INTRUMENTACION DEFINICION DE INSTRUMENTACION CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTACION Presenta: EDUARDO ESCAMILLA DE LA CRUZ

GRUPO Y GRADO: 6.- “t

MATERIA: INSTRUMENTACION

Villa la Venta Huimanguillo, Tabasco 24/02/2015