Especialistas C(2)

C
1.-Leeeltextoyacontinuaciónrespondela
pregunta(5min)
SISTEMASDEREGULACIONINDUSTRIAL
1.INTRODUCCION
Unsistemadecontroldeprocesossepuededefinircomoelconjuntodefuncionesy
operacionesnecesariasparatransformarunmaterialfísicaoquímicamente.Normalmente,el
controldeprocesosserefierealafabricaciónoprocesamientodeproductosindustriales.Cada
procesotieneunaomásvariablescontroladasodinámicas.Lavariablecontrolada(odinámica)
esunavariablequedeseamosmantenerconstante.Losprocesostambiéntienenunaomás
variablesmanipulables,oagentesdecontrol.Unavariablemanipulableesunavariableque
puedecambiarpararegularelproceso.Específicamente,lavariablemanipulablenospermite
mantenerlavariabledecontrolconstante.Ejemplosdevariablesmanipulablesycontroladas
sonpresión,temperatura,caudaldeunfluido,yniveldelíquido.Porúltimo,cadasistemade
controldeprocesostieneunaomásperturbaciones.Lasperturbacionestiendenavariarla
variablecontrolada.Lafuncióndeunsistemadecontroldeprocesosesregularelvalor
variablecontroladacuandolaperturbaciónlamodifica.
Unejemplonospuedeayudaraidentificarlascomponentesdeunsistemadecontrolde
procesos.Lafigurasiguienteilustraunsistemaenelquesecalientalecheatemperaturade
pasteurización.Latemperaturadelalecheeslavariablecontrolada.Elvaporcirculaatravés
delostubos,transfiriendosucaloralaleche.Elflujodevaporcontrolalatemperaturadela
leche.Porconsiguiente,elflujodevaporeslavariablemanipulable.Latemperaturaambiente
querodeaaltanquesepuedeconsiderarcomounaperturbación.Porejemplo,sila
temperaturaambientedisminuye,latemperaturadelalechepuededisminuir.
Enelcasodecontrolautomático,semonitorizaríalatemperaturadelaleche.Siestadecrece
pordebajodeloslímitespermisibles,elcontroladordeberíarealizarlosajustesparatenerala
temperaturabajocontrol.Elcontroladoreslapartedelsistemadecontroldeprocesosque
decidequéajustenecesitaelsistema,yloimplementa.
Porejemplo,elcontroladorpuedeabrirunaválvuladecontroldevapor,haciendoquelaleche
secalienteydevolviéndolaasíalatemperaturarequerida.Estaválvulaeselelementode
controlfinaldelsistemadecontroldelproceso.
2.CARACTERISTICASDELOSSISTEMASDECONIROLPROCESOS
Todoslossistemasdecontroldeprocesostienentrescaracterísticasencomún.Laprimeraes
quelossistemasautomáticosdecontroldeprocesosrealizanunamedidadelavariable
controlada.Usualmente,estamedidasehacemedianteunsensorotransductor.Los
transductorespuedentransformarlavariablecontroladaenotradeotrotipo,normalmente
eléctrica.Ennuestroejemplodelaleche,sepodríautilizaruntermistorparatransformarla
temperaturadelalecheensucorrespondienteresistenciaeléctrica.Cuandolatemperaturade
lalechevaría,tambiénlohacelaresistenciadelsensor.Comolasalidadelsensorladebe
evaluarelcontrolador,éstadebetenerelformatoadecuado.Porejemplo,sielcontroladores
unordenador,lasalidadelsensordebeserdigital.Enconsecuencia,sepuedenecesitar
convertir,oacondicionar,lasalidadelsensoraunformatoapropiadoparasuevaluación.
Lasegundacaracterísticacomúnesqueelcontroladornecesitaevaluarlainformación
facilitadaporelsensor.Paraello,comparalamedidadelsensorconunareferenciallamada
valordereferencia(oconsigna).Silamedidadelsensordifieredelvalordereferencia,se
produceunacondicióndeerror.Entonces,elcontroladordecidesiesadiferenciaesono
aceptable.Sinoesaceptable,elcontroladoriniciaunaacciónparareducirelerror.
Porúltimo,cadasistemadecontroldeprocesostieneunelementodefinal.Elelementode
controlfinalrealizaesosajustesquesonnecesariosparallevarlavariablecontroladaalvalor
dereferencia.
Cadaprocesotienetrescaracterísticasbásicasquesonimportantesparamantenerlos
sistemasdecontroldeprocesos.Estascaracterísticasson:lacargadelproceso,retrasodel
procesoylaestabilidad.
2.1.Cargadelproceso
Lacargadelprocesopuededefinirsecomolacantidadtotaldeagentedecontrolnecesario
paramantenerelprocesoenunacondicióndeequilibrio.Enelejemplodelapasteurizaciónde
laleche,necesitamosunaciertacantidaddevapor(agentecontrol)paramantenerlalecheala
temperaturacorrecta.Supongaquelatemperaturaambientealrededordeltanquedecrece.
Entonces,necesitamosaumentarlavelocidaddelflujodevaporparamantenerlalechea
temperaturaconstante.Luegounadisminucióndelatemperaturaambienteconstituyeuna
variaciónenlacargadelproceso.Lacargadelprocesoserelacionadirectamenteconla
magnituddelelementodecontrolfinal.Cualquiervariacióndelacargadelprocesodarálugar
aunavariacióndelestadodelelementodecontrolfinal.Losajustesdelelementodecontrol
finalsonlosquemantienenelprocesoequilibrado.
2.2.Retardodelproceso
Elretardodelprocesoeseltiempoquetardalavariablecontroladaenalcanzarelnuevovalor,
despuésdeunavariacióndelacargadelproceso.Esteretardodetiempoesunafuncióndel
proceso,ynodelsistemadecontrol.Elsistemadecontroltienesuspropiosretardosde
tiempo.Losretardosdelprocesosoncausadosportrespropiedadesdelproceso:capacitancia,
resistenciaytiempodetransporte.
a.Capacitancia.
Lacapacitanciasepuededefinircomolacapacidaddeunsistemaparaalmacenarunacantidad
deenergíaomaterialporunidaddereferencia.Porejemplo,ungranvolumendeaguatienela
capacidaddealmacenarenergíacalorífica,porloquepodríamosdecirqueelaguatieneuna
capacitanciatérmicagrande.Unacapacitanciagrandeenunprocesosignificaquesetardamás
tiempoenrealizarlasvariacionesdecargadelproceso.Segúnestepuntodevista,esdeseable
unacaracterísticadecapacitanciagrandeparamantenerconstantelavariablecontroladamás
fácilmente.Laspequeñasperturbacionesnotienendemasiadoefectoenlacargadelproceso.
Porotrolado,unacapacitanciagrandetambiénsignificaqueesmásdifícilllevardenuevola
variablecontroladaalvalordeseado,unavezquehavariado.
b.Resistencia
Laresistenciaenunprocesosepuededefinircomolaoposiciónalflujo.Enelejemplodela
pasteurización,observaríamoslaresistenciatérmicaenlasparedesdelostubosdevapor.En
otraspalabras,elmaterialdelostubosralentizalatransferenciadecalorallíquido.Algunas
veces,gasesolíquidoscircundanalostubosenformadecapasopelículas,aumentandola
resistenciatérmicacomparadaconladelostubossinlascapasopelículas.Estascapastienen
elefectoderalentizarlatransferenciadeenergíacaloríficay,portanto,tienenresistencia.Por
consiguiente,resistenciasgrandesaumentaránelretardodelprocesooponiéndoseala
variacióndelavariablecontrolada.
Amenudo,capacitanciayresistenciadeunprocesosecombinanenunfactorllamadoretardo
RC,oconstantedetiempoRC.Recuerdeque,enunsistemaeléctrico,eltiempoquetardaen
cargarseuncondensadoral63%delatensiónfinalesigualalaconstantedetiempo.La
velocidadalaqueelcondensadorsecargadependerádelacapacitanciadelcondensadoryde
laresistenciaatravésdelacualsecarga.Elproductodelaresistenciaporlacapacitancia(RC)
proporcionaunaconstantedetiempo(ensegundos).Lossistemasdecontroldeprocesos
tienenelmismoretardoRC.Enelejemplodelapasteurización,elproductodelacapacitancia
térmica(enjuliosporgradoCelsius)ydelaresistenciatérmica(engradosCelsiusporjuliopor
segundo)daráunaconstantedetiempo(ensegundos).Enlapráctica,unsistemapuedetener
muchosretardosRCdebidosamuchasresistenciasycapacitanciasindividuales.
c.Tiempodetransporte
Laterceracomponentedelretardodelprocesoeseltiempodetransporteotiempomuerto,
quesepuededefinircomoeltiempoquetardaunavariaciónenpasardeunaposiciónaotra
delproceso.Ahorabien,tambiénpodemosdefinireltiempodetransportecomoeltiempo
entrelaaplicacióndelaperturbaciónylavariacióndelacargadelproceso.Eltiempomuerto
seilustramásfácilmenteenaplicacionesdefluidososólidosquesemueven,comoenuna
aplicacióndeunfluidoquecirculaounacintatransportadora.Enunaaplicacióndeflujode
fluido,porejemplo,supongamosqueseproduceuncambiodetemperaturaaciertadistancia
alejadadelsensor.Setardaráuntiempoenquelavariacióndetemperaturalleguealas
proximidadesdesensor.Enelejemplodelacintatransportadoraseaplicaelmismoprincipio.
Cualquiercambioenlacondicióndelproducto(porejemplo,elpeso)nosedetectaráhasta
queelcambiosehayacomunicadoalsensor.
Esteretardodetiempoeseltiempomuerto,otiempodetransporte.
Observequecualquieraccióndelcontroladorseretardaaconsecuenciadelretardodetiempo
existente.Paracalculareltiempoderetardo,utilizamoslaecuación:
lacualpodemosescribirdelaformasiguiente
donde
t=tiempo(retardo)detransporte(enminutos)
d=distancia(encentímetros)
r=velocidaddeflujo(encentímetrosporminuto)
Enelejemplodelfluido,sisuponemosqueelfluidocirculaaunavelocidad100cm/min,yel
sensordetemperaturaestácolocadoa50cmdellugardondeseproduceelcambiode
temperatura,eltiempo(retardo)detransporteserá:
Enotraspalabras,setardará30senqueelcambiodetemperaturalleguealsensor.Luego
habráunretardode30santesdequeelcontroladorpuedainiciarsureacción.
Tambiénseproducenretardosenotrasáreas,talescomoelsensor,elcontrolador,yel
elementodecontrolfinal.Unsensordetemperaturatardauntiempoenresponderala
variacióndetemperatura.Elsensordebecalentarsealamismatemperaturaquelavariable
dinámica.Tambiénelpropiosensortieneunamasatérmica,queralentizalavariaciónde
temperaturadelsensor.Esteretardosedenominaretardodeltransductororetardode
medida.
Algunasveces,elcontroladortardauntiemposignificativoenevaluarlosdatosdeentraday
tomarunadecisión.Puestoquelamayoríadeloscontroladoresseseleccionansegúnsu
velocidad,estefactornormalmentenoesproblema,amenosquelascondicionesdelproceso
varíenrápidamente.Algunasveces,elingenierodelprocesointroduceenelsistemaun
retardodelcontroladorparacumplirciertosrequerimientosdelsistema.
Muchoselementosdecontrolfinaltienenretardossignificativos.Porejemplo,losmotores
grandespuedentardarunminuto,aproximadamente,enalcanzarlavelocidadplenadespués
deuncambiodecarga.Lasválvulasoperadaseléctricamentesonnotoriamentelentasen
abrirseycerrarse.Algunasválvulastardan2minutosenpasardeunaposicióntotalmente
abiertaacerrada.
Losingenierosdeprocesosestánespecialmenteinteresadosenminimizareltiempomuerto.
Lostiemposmuertoslargosdificultanlaprecisióndelosprocesosdecontrol.
2.3.ESTABILIDAD
Unaconsideraciónimportantecuandoseexaminaunsistemadecontrolqueutiliza
realimentación,eselfactorestabilidad.Decimosqueunsistemadecontroldeprocesoses
establesipuededevolveralavariablecontroladaunvalordeestadopermanenteoestable.
Típicamente,unsistemainestableharáquelavariablecontroladaoscilealrededordelvalor
deseado.
Silavariablecontroladaoscilaalrededordelvalordeseado,puedenocurrirtrescosas.
Enprimerlugar,laintensidaddelaoscilaciónpuedeaumentarenamplitudconeltiempo.En
segundolugar,silarealimentaciónestáenfaseconlasoscilacionesylagananciadebuclees1,
lasoscilacionestendránunaamplitudconstante.Entercerlugar,silagananciadebuclees
menorque1,ylarealimentaciónestádesfasadaconrespectoalasoscilaciones,las
oscilacionesdesaparecerángradualmente.Eltiempoquetardanlasoscilacionesen
desaparecer,oenamortiguarse,sellamatiempodeestablecimiento.Unbuensistemade
controldeprocesosreduciráalmínimosutiempodeestablecimiento.
3.TIPOSDECONTROLDEPROCESOS
Elcontroldeprocesossepuedeclasificarendostipos:controlenbucleabiertoycontrolen
buclecerrado.
Elcontrolenbucleabiertoesunaformadecontrolpredictiva,esdecir,esnecesariopredecir
cuantaacciónesnecesariaparallevaracabounproceso,puestoquenoexisteningúntipode
realimentación,yportantonoserealizaningunacomprobaciónduranteelproceso.Enun
sistemaenbuclecerradoserealizaunamedidadelavariablequesecontrola,yéstase
comparaconunvalordereferencia,paraasíaplicarlaaccióncorrectoranecesaria.Nos
centraremosenelestudiodeloscontrolesenlazocerrado,loscualessepuedendividiren
controlrealimentadoycontrolpredictivo.
3.1.Controlrealimentado.
Enlafigurasiguientesepresentaundiagramadebloquesdeunsistematípicodecontrolen
buclecerrado.Enelcontrolenbuclecerrado,lavariablequesecontrolasemideycompara
conunareferencia,yseaplicaunaaccióncorrectiva.
Elejemplodelapasteurizacióndelalecheesunabuenailustracióndeunsistemaenbucle
cerrado.Amenudo,estesistemasellamasistemadecontrolrealimentado,yaquela
informacióndelsensoresalimentadadesdelasalidaalaentrada.
Lafigurapresentaundiagramadebloquesparaunsistemadecontrolrealimentadoenbucle
cerrado.Lamedidadelavariabledinámicalarealizaelsensor.Elcontroladorcomparala
informacióndelvalordereferenciaydelvalormedido.Luego,decidesiaplicaonounaacción
correctivabasándoseendichaevaluación.Elcontroladorpuedesercualquiercircuitoo
sistemacapazderealizarunaevaluaciónytomarunadecisión,desdeunsencilloamplificador
operacionalcomparadorhastauncomplejoordenadordigital.Eneldiagramadebloques,el
controladortambiénllevaacabocualquieracondicionamientodelaseñalnecesariopara
hacercompatiblelamedidadelsensorconlaentradaalcircuitodeevaluación.Siel
controladordeciderealizarunaacción,ajustaelelementodecontrolfinalparaquevuelvaa
ponerlavariabledinámicabajocontrol.
Podemosrelacionarestediagramadebloquesconelejemplodepasteurizaciónplanteadoal
principio.Lamedidalarealizaelsensordetemperatura.Elcontrolador,basándoseenesta
medida,decidesiajustarelelementodecontrolfinal(laválvula)odejarlo
comoestá.Recuerdequelaválvulacontrolabaelflujodevaporporlostubos(lavariable
manipulable).
3.2.Controlpredictivo.
Elcontrolrealimentadoenbuclecerradotienedosdesventajasenlossistemasdecontrolde
procesos.Elcontrolrealimentadonoessatisfactoriocuandohaygrandesperturbacionesenla
cargadelproceso,ycuandohaygrandesretardosenelproceso.Estasdesventajassepueden
eliminarutilizandountipodecontroldenominadopredictivo.Elcontrolpredictivosedefine
comounsistemadebuclecerradoqueproporcionaunaseñaldecorreccióndirectamenteal
controladorbasándoseenlamedidadelaperturbación.Enlafigurasiguiente,sepresentaun
sencillosistemadecontrolpredictivo.
Existeunadiferenciabásicaentreelcontrolpredictivoyelcontrolenbucleabierto:elsistema
enbucleabiertohaceunasuposiciónsobrelasvariablesdelsistema.Porelcontrario,el
controlpredictivorealizaunamedidadelaperturbación.Apartirdeestamedida,el
controladorestimaquéacciónnecesitatomarparallevaracaboelcambioenelproceso.En
otraspalabras,elcontroladordecidequécambiohayquerealizarenlavariablemanipulable
paraproducirunavariaciónque,cuandosecombinaconlaperturbación,noproduzcaningún
cambioenlavariablecontrolada.Elcontroladoranticipaelefectoquetendríalaperturbación
enelproceso.
Elcontrolpredictivo,comoelcontrolenbucleabierto,sebasaenunapredicción.Difieredel
controlenbucleabiertoenquenosebasaenunprogramafijo.Elcontrolpredictivoesuntipo
decontrolenbuclecerrado.
Observeladiferenciaentreelcontrolrealimentadoyelcontrolpredictivo.Enelcontrol
realimentadosetomaunamedidadelavariabledinámica.Enelcontrolpredictivosetoma
unamedidadelaperturbación.
Comoelcontrolrealimentado,elcontrolpredictivonoestálibredeproblemas.Lapredicción
quesehaceenelcontrolpredictivosuponequesonconocidastodaslasperturbaciones,que
existensensoresparamediresasperturbaciones,yqueseconoceexactamentecómolas
perturbacionesafectaránalproceso.Sinembargo,losconocimientostécnicosydeingeniería
necesariosparaconseguirestetipodecontroltendríanqueserinmensos.Enconsecuenciael
controlpredictivosóloseusacuandolacargadelprocesoylasperturbacionessonbien
conocidasysepuedenpredecirconexactitud.
• Piensaenunejemploprácticoconrealimentaciónconlazo
cerradoincluyendoelementosdemedidaycontrolpara
explicárseloaalguienquedesconozcatotalmenteeltema
2.-Reúnetecontugrupodeespecialistasypor
turnosexplicadvuestrasideas(anotanuevasideas
queosaporten)(15min)
3.-Reúnetecontugrupobaseyporturnosexplicad
lasideasquehayansalidodelgrupodeespecialistas
(15min)
4.-Indicadloselementosqueforman(opueden
formar)partedeunsistemadecontrol(10min)