UNIDAD II

Componentes de unSistema de Control

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ndiceUnidad II : Componentes de un Sistema de Control

1. INTRODUCCIN........................................................................................................ 12. OBJETIVOS............................................................................................................... 1

2.1. SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADO............................................................ 12.2. SENSORES ....................................................................................................... 22.3. TRANSMISORES ............................................................................................... 32.4. CONTROLADORES ............................................................................................ 52.5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL .................................................................. 62.6. OTROS ELEMENTOS ......................................................................................... 6

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UNIDAD II"COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL"

1. INTRODUCCIN

Al hablar de sistemas de control, es necesario hacer una diferencia entre lo que es unsistema de mando y otro de regulacin. El primero est relacionado principalmente conprocesos de manufactura, en los cuales, la repeticin de secuencias es la caractersticafundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantenerconstante el valor de una o ms variables, como sucede en un sistema realimentado. Eneste curso nos vamos a dirigir hacia el segundo tipo.

2. OBJETIVOS

Identificar los componentes que forman parte de un tpico sistema de controlrealimentado

Conocer las funciones y caractersticas generales de estos componentes

2.1. SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADO

Con el fin de ver ms claramente la relacin de los componentes tpicos de un sistemaautomtico, se muestra en la figura 1 un diagrama en bloques de un sistema decontrol de lazo cerrado o realimentado. Cada bloque representa a un elemento cuyascaractersticas definen, en conjunto con los dems, el funcionamiento adecuado dedeterminado proceso en particular.

Aqu el proceso puede ser fsico o una reaccin qumica o conversin de energa.Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estosdisturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.

La variable controlada, es el parmetro que se desea controlar hasta el valordeseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y eltransmisor, cambia este valor en una seal normalizada que puede ser transmitida.Esta seal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la funcin de losinstrumentos en el sistema tales como registro, indicacin, control y activacin dealarmas o enclavamiento.

En el caso del controlador que viene a ser el corazn del sistema, esta seal(variable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviacin) sirvepara el elemento final de control (comnmente una vlvula) para ajustar el valorde la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controladase dirija hacia el de la referencia.

Desde luego, no todos los sistemas de control automtico tienen exactamente estemodelo (llamado de realimentacin); existen variaciones como por ejemplo, el controlprealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, etc.basados en instrumentos de tecnologas antiguas o modernas; de todas estastecnologas, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos deregulacin automtica, como veremos ms adelante.

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ENCLAVAMIENTOS

ALARMAS

INDICADOR

REGISTRADOR

SENSOR

TRANSMISORCONTROLADOR

ELEMENTOFINAL DECONTROL

PROCESO SALIDAENTRADA

VARIABLE MANIPULADAVARIABLE

CONTROLADA

VARIABLE

MEDIDASET

POINT

PROCESO

LAZO ABIERTO

LAZO CERRADO

ENTRADA SALIDA

Figura 1 : Sistema de control realimentado

Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagramaanterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionandotambin aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero quetambin tienen importancia en algunos lazos de control.

2.2. SENSORES

Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variablecontrolada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casosforman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida delsensor y adapta esta seal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denominatransductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medicin,el registro o control de una variable; y su seleccin es el resultado de conocer bien lascaractersticas de un proceso.

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Algunas de las caractersticas ms importantes de un sensor o transductor quedefinen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolucin, etc., trminosincluidos en el glosario incluido en el Apndice I. Otro aspecto importante es eldenominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entreguela informacin final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendr unmejor control del proceso.

Los retardos de medicin implican errores mientras el proceso est cambiando. Lamedicin no es slo tarda, sino tambin inexacta, debido a que sigue cambiando, anteniendo ya una lectura disponible. A ms lentitud en la respuesta, ms inexactitud enla medicin cuando sea recibida. Un disturbio de corta duracin, sin embargo, puedeser completamente indetectado si su duracin es corta comparada con el retardo demedicin. En ese caso, probablemente el disturbio tendr mnimo efecto en elproceso.

La capacidad trmica de un sensor es funcin de su tamao, forma y material. Laresistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de suvelocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocadaen un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitudfinal en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. Ladiferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundosensor.

En general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca deltiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos einstrumentos que existen en un determinado sistema de control.

2.3. TRANSMISORES

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten adistancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controladoro una combinacin de estos. Existen varios tipos de seales de transmisin:neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en laindustria son las electrnicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a lasneumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizanocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricascuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente, de 3a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de lavariable. Esta seal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes detransmisores y controladores neumticos en Estados Unidos. En los pases que utilizanel sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivaleaproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticasmencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como seales de entrada avlvulas de control o a sus posicionadores.

Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corrientecontinua y seales dgitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficientey de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo.

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Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est librede corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permiteactuar directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos,etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal. El cero vivo con elque empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avera porcorte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el ruidode la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.

Figura 2 : Transmisores digitales (cortesa de Yokogawa)

Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Losprimeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundosen microprocesadores. Los transmisores analgicos estn hoy prcticamente endesuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajuste del cero y delalcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

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La tecnologa actual, ha hecho que los transmisores electrnicos, no slo incorporen alsensor formando un solo bloque, sino que adems, tengan posibilidades de control(PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denominainteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre losanalgicos como veremos ms adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor deseales digitales en estos transmisores determinar en algn momento laestandarizacin de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la seal analgicade 4-20 mA.

2.4. CONTROLADORES

Un controlador puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de unavariable medida (seal de entrada) al valor deseado (set point) para producir unaseal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia paramanipular la variable controlada. La tecnologa de estos equipos ha variado desdeneumticos, hidrulicos hasta electrnicos, que son los empleados actualmente.

Anteriormente, se mostr un tpico lazo de control automtico con los componentesbsicos: el elemento de deteccin (sensor) el elemento de medicin (transmisor), elelemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (vlvula uotro). Es de destacar que dos o ms de estos elementos pueden estar formando unsolo bloque, pero no es lo ms usual.

Figura 3 : Controladores digitales (cortesa de Honeywell)

En este lazo, el controlador el controlador responde como se ha dicho, a la diferenciaentre el set point y la variable medida y en base al tipo de control elegido, entregauna seal de control al elemento final. Durante muchos, aos se emplearoncontroladores neumticos actuando con las seales neumticas estndares antesmencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrnicosanalgicos y digitales. Los primeros, prcticamente ya no se fabrican (aunque todavase utilizan) y han sido reemplazados por los ltimos, los cuales estn basados enmicroprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario ytienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

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2.5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar uncambio en la variable controlada. En la mayora de los procesos las vlvulas decontrol, son las usadas, si se trata de controlar variables como flujo, presin, nivel,temperatura o mezcla de componentes. La mayora de los flujos de fluidos soncontrolados por vlvulas neumticas o elctricas, en otros casos se emplean bombas;para servicios de gases a menudo se emplean vlvulas especiales y para slidos escomn hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidadelectrnico. Debido a que las vlvulas son los elementos finales de control msutilizados, estudiaremos sus caractersticas en el mdulo correspondiente.

2.6. OTROS ELEMENTOS

Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizanotro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas einterruptores y elementos de funciones especiales.

En lo respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas quepueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analgicos (con aguja indicadorao incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variablemedida en forma numrica.

Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto altiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que losinstrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo:pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades deregistro varan desde varios minutos por revolucin hasta varios das por revolucin,en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo acentmetros por hora, para los de carta de cinta. Los registradores multi-punto sonusados cuando se necesita ms de una variable.

Actualmente se dispone tambin de los llamados registradores inteligentes (basadosen microprocesadores) que van mucho ms all de registrar las tendencias de lasvariables (es posible hacer anlisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar deemplear papel y ms bien guardar los datos en memoria (accin hasta hace pocorealizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla decristal lquido (LCD) o a travs de una computadora.

El desarrollo de controladores electrnicos cre la necesidad de contar condispositivos que convirtiesen seales de un tipo de energa a otro y de un nivel deseal a otro, como el conversor de corriente a presin para actuar sobre las vlvulasneumticas.

A menudo se requiere convertir seales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemaselectrnicos que reciben seales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores queenvan seales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizara un conversor de corriente acorriente aunque ya hoy en da, esto constituye una opcin de software y no dehardware, como tambin ha sucedido con los extractores de raz cuadrada y otrosdispositivos de clculo debido al desarrollo de la tecnologa digital.

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Las funciones de alarma e interrupcin, se utilizan ante condiciones anormales de unproceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplementeindicar o tambin realizar alguna accin de control.

Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversasaplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, vlvulas-solenoide, programadores,etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.

Figura 4 : Registradores (cortesa de Endress + Hauser)

FIN DE LA UNIDAD

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APNDICE IGLOSARIO

Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferiordel campo de medida del instrumento.Ej. : En el campo 100-300C vale 200C.

Amplificador: Instrumento cuya seal de salida equivale a la seal de entradaincrementada y que se alimenta de una fuente distinta de laseal de entrada.

Amplificadoroperacional:

Amplificador de c.c. de alta ganancia que constituye la base deequipos analgicos.

Banda proporcional: Porcentaje de variacin de la variable controlada necesario paraprovocar una carrera completa del elemento final de control. Esel recproco de la ganancia.

Bias o polarizacin: Excitacin aplicada a cualquier instrumento para determinar supunto de trabajo.

Bucle abierto decontrol:

Es el camino que sigue la seal sin realimentacin.

Bucle cerrado decontrol:

Camino que sigue la seal desde el controlador hacia la vlvula,al proceso y realimentndose a travs del transmisor hacia unpunto de suma con el punto de consigna.

Calibracin: Ajuste de la salida de un instrumento a valores deseados dentrode una tolerancia especificada para valores particulares de laseal de entrada.

Campo de medida(Range):

Espectro o conjunto de valores de la variable medida que estncomprendidos dentro de los lmites superior e inferior de lacapacidad de medida o de transmisin del instrumento.Ejemplo: 0-15-C, 100-300C, 0-50 kg./cm2.

Capacidad: Medida de la mxima cantidad de energa o de material quepuede almacenarse dentro del recinto de un equipo.

Capacitancia: Variacin en la capacidad contenida por unidad de variacin deuna variable de referencia.

Caudal crtico: Caudal en condiciones determinadas que se caracteriza porquela velocidad media del fluido es independiente de la presinaguas abajo.

Clula fotoelctrica: Componente que vara de caractersticas cuando se expone a laluz.

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Control de procesosdiscontinuos:

Sistema de control en el que se compara una variable medidacon un valor deseado (punto de consigna) y la seal de errorobtenida acta de tal modo que reduce la magnitud de esteerror.

Control Flotante:Forma de control en el que el elemento final se mueve a unavelocidad nica independiente de la desviacin.

Control Integral: Forma de control en la que el elemento final se mueve deacuerdo con una funcin integral en el tiempo de la variablecontrolada.

Control proporcional: Forma de control en la que existe una relacin lineal entre elvalor de la variable controlada y la posicin del elemento finalde control.

Control todo-nada: Forma de control en que el elemento final de control adoptauna de dos posiciones fijas.

Controlador: Instrumento que compara la variable controlada con un valordeseado y ejerce automticamente una accin de correccin deacuerdo con la desviacin.

Controlador de accindirecta:

Controlador en el que la seal de salida aumenta (o disminuye)al aumentar (o disminuir) la seal de entrada.

Controlador de accininversa:

Controlador en el que la seal de salida disminuye (o aumenta)al aumentar (o disminuir) la seal de entrada.

Convertidor: Instrumento que recibe una seal estndar y la envamodificada en forma de seal de salida estndar.

Diafragma: Elemento sensible formado por una membrana colocada entredos volmenes. La membrana es deformada por la presindiferencial que le es aplicada.

Elemento final decontrol:

Recibe la seal del controlador y modifica el caudal del fluido oagente de control. La vlvula de control es el elemento finaltpico.

Elemento primario: Convierte la energa de la variable medida en una formaadecuada para la medida.

Error: Diferencia algebraica entre el valor ledo o transmitido por elinstrumento y el valor real de la variable medida.

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Estabilidad: Capacidad de un instrumento para mantener sucomportamiento durante su vida til y de almacenamientoespecificadas.

Fluido o agente decontrol:

Es el proceso, energa o material correspondiente a la variablemanipulada.

Galga extensomtrica: Convierte la variable medida en una variacin de resistenciadebida a la deformacin en dos o en los cuatro brazos de unpuente de Wheatstone.

Galvanmetro: Instrumento que mide una pequea corriente elctrica a partirde fuerzas electromagnticas o electrodinmicas que setraducen en movimiento mecnico.

Ganancia: Es la relacin de magnitudes entre la seal de salida resultantey la seal de entrada de excitacin.

Histresis: Diferencia mxima en los valores de salida del instrumento parael mismo valor cualquiera del campo de medida cuando lavariable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente ydescendente. Viene expresada en tanto por ciento del alcance.Ejemplo: 0.3% de 50 = 0.15 kg./cm2 (campo 0.50 kg./cm2)

Offset: Desviacin permanente que existe en rgimen en el controlproporcional cuando el punto de consigna est fijo.

Proceso o SistemaControlado:

Engloba las funciones realizadas por el equipo en el cual escontrolada la variable, sin incluir los instrumentos de control.

Proceso Continuo: Proceso en el cual entran componentes y salen productos encaudales sin restringir y durante largos periodos de tiempo.

Proceso Discontinuo: Proceso que se lleva a cabo con una cantidad dada de materialdentro de un reactor sin que se cargue material adicionaldurante la operacin.

Puente: Trmino empleado para designar la configuracin elctricageneral de ciertos elementos transductores. Es tambin unaabreviacin de puente Wheatstone.

Punto de consigna: Variable de entrada en el controlador que fija el valor deseadode la variable controlada. Puede fijarse manual oautomticamente, o bien programarse.

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Radiacin: Emisin y propagacin de energa en forma de ondas a travsdel espacio a travs de un material.

Realimentacin: Parte de la seal de salida de un sistema que vuelve a laentrada.

Resolucin: Magnitud de los cambios en escaln de la seal de salida al irvariando continuamente la medida en todo el campo.Viene expresada en tanto por ciento de la salida de toda laescala. Grado en que pueden discriminarse valoresaproximadamente iguales de una cantidad.

Ruido: Cualquier perturbacin elctrica o seal accidental no deseadaque modifica la transmisin, indicacin o registro de los datosdeseados.

Seal: Salida o informacin que emana de un instrumento.Informacin representativa de un valor cuantificado.

Seal de Salida: Seal producida por un instrumento que es funcin de lavariable medida.

Seal de salidaanalgica:

Seal de salida del instrumento que es una funcin continua dela variable medida.

Seal de salida digital: Seal de salida del instrumento que representa la magnitud dela variable medida en forma de una serie de cantidadesdiscretas codificadas en un sistema de notacin.Se distingue de la seal de salida analgica.

Tacmetro: Instrumento que mide la velocidad de rotacin de un eje.

Temperaturaambiente:

Temperatura que prevalece en un ambiente dado.

Temperatura dealmacenamiento:

Temperatura o intervalo de temperaturas en las que puedealmacenarse el instrumento.

Temperatura deservicio:

Campo de temperatura en el cual se espera trabaje elinstrumento dentro de lmites de error especificados.

Termistor: Resistencia cuyo valor vara con la temperatura en una formadefinida deseada.

Termopar: Par de conductores de materiales distintos unidos entre s quegeneran una fuerza electromotriz cuando las dos uniones estna distintas temperaturas.

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Termopila: Grupo de termopares conectados en serie y utilizados paramedir la potencia de radiaciones.

Termorresistencia: Hilo de material cuya resistencia vara con la temperatura,generalmente, en forma lineal.

Tiempo de accinderivada:

Equivale al tiempo en minutos con que la accin derivada seanticipa al efecto de la accin proporcional en el elemento finalde control.

Tiempo Muerto: Retraso definido entre dos acontecimientos relacionados entres.

Transductor: Recibe una seal de entrada funcin de una o ms cantidadesfsicas y la convierte modificada o no a una seal de salida.

Transmisor: Capta la variable de proceso a travs del elemento primario yla convierte a una seal de transmisin estndar.

Tubo Bourdon: Tubo manomtrico curvado de metal elstico que se deformaal aplicar presin en un interior.

Tubo Pitot: Tubo cilndrico, con un extremo abierto dirigido contra el fluidoagua arriba, que mide la presin de impacto.

Variable Controlada: Dentro del bucle de control es la variable que se capta a travsdel transmisor y que origina una seal de realimentacin.

Variable manipulada: Cantidad o condicin del proceso variada por el elemento oelementos finales de control.

Variable medida: Cantidad, propiedad o condicin fsica que es medible.

Zona muerta (deadband)

Campo de valores de la variable que no hace variar laindicacin o la seal de salida del instrumento. Viene dada entanto por ciento del alcance de la medida.Ejemplo: 0.1% de 90 =0.09 l/h (campo 10 a 100 l/h)