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Elementos de un lazo de control
Según Roffel y Betlem (2005), los procesos industriales que deben controlarse
pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos
discontinuos. En ambos tipos deben mantenerse en general las variables (presión,
caudal, nivel, temperatura, etc) bien en un valor fijo deseado, bien en un valor variable
con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, ya guardando una relación
específica con otra variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de
las variables puede definirse como aquél que compara el valor de las variantes o
condiciones por controlar con un valor deseado y ejecuta una acción de corrección, de
acuerdo con el desviador existente, sin que el operario intervenga en absoluto.
El sistema de control exige, pues, para que esta comparación y subsiguiente
corrección sean posibles, que se incluya: una unidad de medida, una unidad de control,
un elemento final de control, y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un
bucle o lazo que recibe el nombre de bucle o lazo de control. En el dominio de una
variable por medio de un lazo de control existen elementos básicos interactuantes, que
son:
El proceso: El cual es representado por la variable que deseamos controlar.
Elemento de medición: El cual se encarga de sensar los cambios sufridos por la
variable, y de generar una señal de respuesta en forma de movimiento, cambio de
resistencia, cambio de voltaje, etc. Puede formar parte de un transmisor o de un
controlador.
El elemento de control: Esta representado por el controlador y se encarga de
comparar la señal generada por el elemento de medición, la cual es representativa del
valor de la variable, con otro valor pre-establecido llamado valor deseado y entregar al
elemento final de control, una señal en función de la diferencia entre el valor medido
(variable) y el valor deseado (referencia).
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Elemento final de control: Es el elemento encargado de modificar el estado de la
variable, en función de la seña! recibida desde e! controlado. En los lazos de control
industrial, el elemento final generalmente es una válvula de control.
Lazos de control en circuitos abiertos y cerrados
Según Roffel y Betlem (2005), Existen dos tipos de lazo, el abierto y el cerrado: el
lazo de control abierto es aquél en que la señal que circula por sus elementos nace en
un punto y termina en otro, es decir, carece de retroalimentación; y el lazo de control
cerrado es aquel en el cual la señal originada parte de cada uno de los elementos de
lazo de control y regresar al punto o lugar de origen, es decir, posee retroalimentación.
A continuación, se presentan las ventajas y limitaciones de ambos lazos de control.
Ventajas
En los lazos de control abierto la estabilidad no es afectada por los cambios de
carga del proceso. Son sistemas de control más sencillos, menos costosos y se ajustan
con facilidad. Los lazos cerrados nos permiten realizar un control más exacto de. La
variable, y lograr un producto mejor terminado, lo que permite mayores divisas, y como
mantiene un dominio ininterrumpido de la variable, contribuye a reducir los costos de
operación.
Limitaciones
La estabilidad en los lazos cerrados afectada por las perturbaciones. Se requiere
personal calificado para su ajuste, lo cual suele ser costoso. El control de los procesos
de lazo abierto es menos exacto.
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Elementos primarios de medición
Según Creus (2007), Es la parte de la unidad de medición que está en contacto
con el proceso y convierte la energía de la variable en una señal adecuada por su
medición. Cuando en un lazo de control aparezca el transmisor, queda entendido que
debe existir un elemento sensor (elemento primario) y uno de medición.
Transmisores
Según Creus (2007), Son instrumentos que captan el valor de la variable y la
trasmiten a distancia, por medio de señales estandarizadas, un instrumento receptor
indicador, registrador, controlador o una combinación de estos. Normalmente, se le da
el nombre al transmisor según la energía utilizad por transmitir información de la
variable y existen varios tipos de señales.
Controladores
Según Creus (2007), son los instrumentos que reciben la información del
transmisor, la comparan con un valor preestablecido, llamado comúnmente punto de
ajuste (set-point), y envía una señal de corrección en función de la desviación al
elemento final de control. De acuerdo con la energía utilizada, se puede decir que los
controladores más utilizados son los neumáticos y los electrónicos y, según su diseño,
hay instrumentos de esta clase para instalar en el campo y en las salas de control.
Elemento final de control
Para Creus (2007), es la parte de los medios de control que modifica
directamente el valor de la variable manipulada. El elemento final más utilizado es la
válvula de control; sin embargo, existen otros, tales como: hojas de ventilador, SCRs,
reactores de núcleo saturado, amplificación magnéticos, motores entre otros.
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El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna
característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Dependiendo del tipo
de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad de estos elementos. Desde
dispositivos que reciben señales de control del tipo discreto hasta otros que actúan
regulando la variable de interés dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un
fluido a través de una válvula de control, la velocidad de un motor por medio de un
variador de velocidad o la temperatura de un horno eléctrico utilizando una resistencia
calefactora.
Medición de flujo y nivel
Según Roffel y Betlem (2005), En la mayor partes las operaciones realizadas en
los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorios y en las plantas pilotos, es
muy importante la medición de los caudales. Las ventajas de la medición por presión
diferencial de este modelo de medición de flujo es el más utilizado en el mundo, debido
a que ofrece múltiples ventajas, tales como: Económico, sencillo, bajo costo de
mantenimiento y sirve para líquidos, gases y vapores.
No es el mejor procedimiento en cuanto a presión se refiere, ya que existen otros
que proporcionan una medición más exacta; sin embargo, las ventajas mencionadas
anteriormente, entre otras, lo califican para estar en el primer lugar. Cuando el caso lo
requiera, se puede recurrir a otro método, pero cualquiera elegido siempre generara
mayor costo.
Según Roffel y Betlem (2005), se definir el Nivel de un líquido o sólido, como la
altura que alcanza éste dentro del recipiente que lo contiene, considerando un punto de
referencia acuerdo con las necesidades del proceso. La importancia de la medición de
esta variable es de gran importancia en los procesos industriales, ya que nos permite
determinar el balance adecuado de materias primas o de productos finales y los puntos
óptimos de operación.
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Métodos de medición
Según Manual de Automatización Flexible en la Industria (2009), los métodos de
medición pueden son:
Medición directa del líquido: La medición directa es realizada por la simple
comparación del estado de una variable con un patrón determinado. En el caso de nivel
consiste en medir la altura alcanzada por un producto en un recipiente cualquiera.
Medición de nivel por presión hidrostática. Sistema básico a manómetro: La
medición de nivel por presión hidrostática en un recipiente o tanque se obtiene a través
del peso del líquido en el fondo del recipiente, mediante el uso del manómetro.
Medición de nivel por presión diferencial: El método de medir nivel por presión
diferencial se utiliza ampliamente en tanques cerrados donde el líquido se encuentra
presurizado. Este método consiste en utilizar como elemento de medición una cámara
diferencial, la cual es instalada a través de tuberías en el tanque. La cámara de alta
presión se conecta a la parte inferior del tanque y la cámara de baja presión a la parte
superior.
Transmisores
Según Roffel y Betlem (2005), los transmisores son instrumentos que detectan la
variable del proceso y envían una señal normalizada, directamente proporcional a los
cambios de la variable, a un instrumento receptor (indicador, registrador, controlador o
una combinación de estos). Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas,
electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las dos
primeras. Las señales se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran
potencia. Las telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros
entre el transmisor y el receptor.
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Importancia de los transmisores en los procesos industriales
Para Roffel y Betlem (2005), con los transmisores es posible instalar el sensor de
la variable cerca del sitio de medición y el indicador/registrador o controlador en un sitio
distante. La magnitud medida es transmitida a un receptor que está en una sala de
control donde se centraliza la información. Esto evita riesgos y accidentes, reduce en
gran medida los costos de operación, y contribuye a la optimización y calidad del
producto, manteniendo una información continua del proceso
Transmisores electrónicos
Según Roffel y Betlem (2005), en los transmisores electrónicos la velocidad de
respuesta es prácticamente instantánea, ya que la corriente circula a velocidad de la
luz. Esta es su característica principal. La señal de salida de estos transmisores es de 4
a 20 ma y de 10 a 50 ma.
Los transmisores electrónicos poseen algunas ventajas sobre los neumáticos,
entre las cuales podemos mencionar: Mayor velocidad de respuesta, mayor distancia
hasta el receptor, de más fácil calibración, instalación más sencilla, suministro de
energía más económica, menor costo de mantenimiento. Existen dos tipos de sistemas
de control el manual y el automático.
Sistema de control automático
Según Creus (2007), el controlador permite en el proceso, cumplir un objetivo de
transformación del material y realiza dos funciones
Comparar la variable medida con la de referencia o deseada (punto de ajuste), para
determinar el error.
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Estabilizar el funcionamiento dinámico del lazo de control mediante circuitos especiales
para reducir o eliminar el error.
Ventajas y limitaciones
El control de proceso automático no requiere la intervención continua del
operario, sino para nuevos ajustes esporádicos, en caso de ser necesario. El tiempo de
respuesta es casi instantáneo y continuo. El producto final obtenido es continuo y
homogéneo. Auto regulable por efectos de la reacción constante para la cual fue
diseñado. Luego de iniciado el funcionamiento, la posibilidad de error es casi nula.
Controladores
Según Creus (2007), el comportamiento de un circuito de control depende de las
características de cada uno de sus elementos, los chales son múltiples y variados, entre
ellos tenemos uno de vital importancia: El controlador. El controlador es un dispositivo
que mide el comportamiento del circuito de control, compara el valor de la variable con
el punto de ajuste y realiza la acción correctiva correspondiente al error. La habilidad de
un controlador para producir un buen control depende de corno se acoplen sus
características con las del proceso.
El controlador debe ajustarse cuidadosamente a las condiciones particulares de
cada proceso. Los controladores, hoy más que nunca son de gran importancia en el
dominio de las variables de los desarrollos industriales de una manera automática, pues
permiten realizar tareas de control ininterrumpidamente, lo cual reduce los gastos de
operación y aumenta la productividad y la calidad.
Según Creus (2007), los elementos ya mencionados están interconectados entre
sí, siendo el primero en tomar acción el elemento de medición, el cual censa los
cambios de la variable y comunica una señal de movimiento al sistema tobera
obturador, que éste la corriente en una señal neumática, la cual por ser muy débil
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requiere amplificación ya que e! flujo de aire que pasa por la restricción es muy
pequeño. De allí la utilización del relevador, e! cual se encarga de amplificar esta señal
en presión y volumen.
La señal de respuesta es proporcional a la diferencia entre el valor deseado y el
valor tomado por la variable, para lograr esta proporcionalidad, generalmente se utiliza
en los controladores proporcionales un fuelle, al que se llama "fuelle proporcional",
siendo la banda o faja proporcional el dispositivo encargado de variar esta
proporcionalidad, conocida también con el nombre de ganancia.
Controlador lógico programable (PLC)
Manual de Automatización Flexible en la Industria (2009), los PLC o PLC
(Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) hoy en día, los PLC no sólo
controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino
que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para
realizar estrategias de control, tales como controladores proporcional integral derivativo
(PID).
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en
redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control
distribuido. Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más
utilizados son el diagrama de escalera LADDER, preferido por los electricistas, lista de
instrucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más
intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas
de flujo más fáciles de interpretar y mantener. Un lenguaje mas reciente, preferido por
los informáticos y electrónicos, es el FBD (en ingles Function Block Diagram) que
emplea compuertas lógicas y bloques con distintas funciones conectados entre sí.
La principal diferencia con otros dispositivos son las conexiones especiales de
entrada/salida. Estas conexiones conectan el PLC a sensores y actuadores. Los PLC
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leen interruptores, indicadores de temperatura y las posiciones de complejos sistemas
de posicionamiento. Algunos incluso pueden llegar a utilizar visión artificial. En los
actuadotes, los PLC pueden operan motores eléctricos y neumáticos, cilindros
hidráulicos o diafragmas, reles magnéticos y solenoides. Las conexiones de
entrada/salida pueden estar integradas en un solo PLC o el PLC puede tener módulos
de entrada/salida unidos a una red de ordenadores que se conecta al PLC.
Los PLC fueron inventados como recambio para sistemas automáticos que
podrían llegar a usar cientos o miles de relés y contadores A menudo, un solo PLC
puede programarse para reemplazar miles de relés. Los controladores programables
fueron inicialmente adoptados por la industria del automóvil, donde la revisión del
software reemplazo a la reescritura o rediseño de los controles cada vez que
cambiaban los modelos que se producían.
Equipos y Herramientas
Según Baca Urbina (2009), cuando se llega el momento de decidir sobre la
compra de los equipos y herramientas, se debe tomar en cuenta una serie de factores
que afectan directamente la elección. La mayoría de la información que es necesaria
recabar será útil en comparación de varios equipos y también es la base para realizar
una serie de cálculos y determinaciones posteriores. A continuación se mencionan toda
la información que se debe recabar y la utilidad que se esta tendrá en etapas
posteriores:
Proveedor. Es útil parta la presentación formal de las cotizaciones.
Precio. Se utiliza en el cálculo de la inversión inicial.
Dimensiones. Dato que se usa al determinar la distribución de planta.
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Capacidad. Este es un aspecto muy importante, ya que, en parte, de el depende el
número de máquinas que se adquiere.
Flexibilidad. Esta característica se refiere a que algunos equipos son capaces de
realizar operaciones y procesos unitarios en ciertos rangos y provocan en el material
cambios físicos, químicos y mecánicos en distintos niveles.
Costo de mantenimiento. Se emplea para calcular el costo anual del mantenimiento.
Consumo de energía eléctrica, otros tipos de energía o ambas. Sirve para el cálculo de
este tipo de costo. Se indican en una placa que traen todos los equipos, para señalar
su consumo en watts/h.
Infraestructura necesaria. Se refiere a que algunos equipos requieren alguna
infraestructura especial (por ejemplo, alta tensión eléctrica), y es necesario conocer
esto, tanto para proveerlo, como porque incrementa la inversión inicial.
Equipos auxiliares. Hay maquinas que requieren aire a presión, agua fría o caliente y
proporcionar estos equipos adicionales es algo que queda fuera precio principal. Esto
aumenta la inversión o requiere de espacio.
Representación de lazo de control
Normalmente, los sensores y elementos finales de control son lineales o
linealizadoslo más posible a fin de no agregar complicación al lazo de control. En la
práctica, los sensores son bastante lineales, con tiempos de respuesta reducidos,
pudiéndose considerar constantes de proporcionalidad como funciones de
transferencia. Los elementos finales de control requieren más estudio, al ser elementos
que manejan niveles de energía importantes, considerándose normalmente tiempos de
retardo y tasas limitadas de actuación.
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La función de transferencia del algoritmo de control, en cambio, puede ser muy
variada.En principio, se establece una filosofía de control, lo que determina la visión de
cómo controlar el proceso. Las filosofías de control más comunes son: Control binario
(On/Off), realimentación (Feedback), adelanto (Feed forward).En la retroalimentación se
espera la existencia de una desviación y luego se procura corregirla. En el adelanto, se
procura evitar las desviaciones antes de que sucedan.
Acción de control binario (On/Off): También conocido como “Control por límites”, esta
estrategia prevéuna acción de control sólo si la variable excede algún límite, bajo o alto,
previamente establecidos. En consecuencia, existiráuna banda de valores permisibles
para la variable controlada donde no se modificarála acción de control, la cual es
conocida como banda muerta, o banda diferencial.
Acción de control por realimentación: El control por realimentación es la filosofía de
control más común en la industria. El estado deseado es comparado con el estado
actual del proceso y se emite una acción en base a la desviación observada a fin de
corregirla. Existen múltiples variantes en las cuales se utilizan algunos de los términos
del modelo PID, siendo los más comunes los controladores proporcionales puros y los
proporcionales-integrales.
Telemetría
A veces, las señales son adquiridas en puntos remotos, de difícil acceso o con
condiciones ambientales hostiles, y es necesario aislar los componentes de captación,
de los equipos de procesamiento y presentación. En estos casos, es necesario
transmitir las señales entre la captación y el procesamiento mediante un canal de
comunicación. Para adaptar las señales a las características de canal de comunicación
es necesario introducir procesos de modulación, de modulación o codificación
apropiados.
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El medio de transmisión de la información puede ser aire (para el caso
inalámbrico) o cable (de cobre para líneas telefónicas o de fibra óptica). Dependiendo
de las necesidades específicas de medición, se puede considerar para el transporte de
los datos o bien usar sistemas basados en redes fi jas (PSTN: Public Switch Telephony
Network o Red de Telefonía Pública Conmutada) o sistemas basados en redes
inalámbricas, que pueden ir desde sistemas basados en comunicaciones vía Bluetooth
(para corto alcance) hasta sistemas basados en comunicaciones vía satélite (para largo
alcance).
El factor más importante a considerar al momento de decidir qué sistema de
telemetría utilizar es la distancia desde donde se tiene que realizar la medición hasta el
sitio donde debe entregarse y para el caso de sistemas inalámbricos se debe
considerar también la posibilidad de poder contar con “línea de vista” (signifi ca que una
antena tiene que poder “verse” directamente y sin obstáculos con otra) y aunque la
línea de vista no es siempre algo indispensable (dependiendo de la tecnología
inalámbrica usada), sí ayuda a mejorar el rendimiento y alcance del sistema en su
totalidad.
Arquitectura de un sistema de telemetría
Un sistema de telemetría típico está formado por los siguientes elementos que se
mencionan a continuacion:
• Sensores y/o actuadores: Son los dispositivos que se encargan de realizar la medición
en sí (sensores) y/o ejecutar los comandos recibidos (actuadores). Pueden ser digitales
o análogos.
• RTU (Remote Telemetry Units, Unidades de Telemetría Remotas): Son pequeñas
unidades computarizadas (o microcontroladas) que sirven como punto local de
recolección de datos de los sensores y transmiten los comandos recibidos a los
actuadores.
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• Medio de transmisión: Es el canal de comunicación usado entre el RTU y la estación
central.
• Suministro de energía: Puede ser directamente de la red pública o mediante baterías
(las cuales pueden ser recargadas automáticamente por sistemas de energía solar, por
ejemplo).
• Estación central: Dispositivo donde se reciben las mediciones de todos los sensores,
se acumulan y se procesan de acuerdo a las necesidades. Tiene la opción de poder
enviar comandos a los sensores para ejecutar acciones correctivas/preventivas (basado
en las mediciones tomadas).
Desarrollo de aplicaciones de telemetría
El original de los sistemas de telemetría que se introdujeron a principios del siglo
20 para ser utilizado de supervisión en la naturaleza, ya que se utilizarían para
supervisar la distribución de energía eléctrica. En el sistema antes de que se introdujo
en Chicago en 1912, un centro de vigilancia que el uso de líneas telefónicas para recibir
los datos operativos de remotos plantas de energía. Otros campos comenzó a aplicar
este tipo de sistemas, con las mejoras que se están realizando durante las décadas que
siguieron. El uso de la aeronáutica y la telemetría se remonta a la década de 1930,
cuando globo a cargo de equipos se utilizan para recopilar datos sobre las condiciones
atmosféricas.
Esta forma de telemetría se amplió para su uso en los satélites de observación
en la década de 1950. Satélites poner a la utilización de telemetría principio para varias
aplicaciones que incluye el registro por las condiciones meteorológicas, la observación
de fenómenos espaciales y teledetección. Tales satélites han aumentado en su
complejidad ya que, y hay varios cientos de ellos que la órbita de la Tierra de hoy.
Telemetría aplicaciones en el campo de la investigación científica son constantemente
está desarrollando hoy.
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Equipo telemetría
Equipo que permite mediante la conexión de una amplia variedad de sensores de
medida, la captación de datos y el envío de información de telemetría para su registro a
un ordenador conectado a la red Internet. Se fundamenta en una comunicación IP
sobre la red de distribución actual de GSM. De esta forma se reduce el coste de las
inversiones a realizar por los operadores. La implantación de esta técnica supone una
importante revolución para las comunicaciones móviles industriales. Las aplicaciones
M2M (Machine to Machine) y H2M (Human to Machine) pueden aprovechar las ventajas
de esta tecnología.
Para el desarrollo de este sistema se utiliza un equipo que permite programación
interna y conexión basada en Internet mediante telefonía móvil. Para la trasmisión de
datos, usaremos GPRS o servicio general de paquetes vía radio. Las ventajas de usar
GPRS para las comunicaciones industriales vienen determinadas por la posibilidad de
dotar a cualquier dispositivo, en cualquier sitio, de soporte de Internet sin necesidad de
cables. Para acceder a esta funcionalidad se necesita conectar el módem a un
ordenador tipo PC o que la electrónica asociada soporte TCP/IP.
Al equipo de telemetría se le podrán añadir módulos comerciales NUDAM, del
fabricante Adlink o módulos de implementación y diseño propios. Los módulos NUDAM
son unos módulos inteligentes de control y adquisición de datos, diseñados para la
adquisición de esos datos en sistemas basados en PCs y otros equipos basados en
procesador con puerto de entrada estándar serie RS-232.
Estos módulos proveen de una conexión directa a una extensa variedad de
sensores y realizan la conversión, escalado, conversión lineal y el condicionamiento de
la señal. Estos módulos pueden ser usados para medir temperatura, presión, corriente
de flujo, corriente eléctrica y numerosos tipos de señales digitales. Pueden ser A/D
(módulo conversor analógico digital), D/A (módulo conversor digital analógico) o DIO
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(módulo digital de entrada salida). El equipo de telemetría acepta más de 128 módulos
NUDAM y hasta 254 módulos de diseño propio.
Elementos constitutivos de un sistema de telemetría
Transductor
Un transductor es un equipo encargado de convertir un fenómeno físico
cambiante a una señal eléctrica proporcional. Casi todos los fenómenos físicos a medir
disponen de equipos (transductores) que pueden convertir éstas en señales eléctricas.
Entre los fenómenos más importantes tenemos: Temperatura, Presión, Flujo, Velocidad,
Aceleración, Torque, Posición Angular, Fuerza, Humedad, Voltaje.
Unidad terminal
Es un dispositivo que modifica los datos medidos por el transductor de manera
que puedan ser transmitidos como señal codificada utilizando algún tipo de canal de
transmisión.
Medios de transmisión
Con relación a los canales o medios de transmisión los más comúnmente utilizados
para la medición remota son:
Par Trenzado. Se trata de dos hilos de cobre entrelazados (por ejemplo cable
telefónico)
Cable Coaxial. Se trata de dos conductores, donde uno es el eje central y el otro cubre
al aislante del primero en forma de cubierta cilíndrica.
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Radio. Se refiere a la transmisión de información mediante ondas electromagnéticas.
Son los sistemas de radio comunes dedicados a un servicio específico.
Microondas. Es un sistema de radio donde el sistema no es dedicado, sino que sirve a
múltiples usuarios con el mismo sistema.
Fibra Óptica. Se basa en un medio cristalino que permite la propagación de la luz, la
cual no se dispersa sino que se mantiene dentro de la fibra por las características
ópticas especiales de la misma.
Las técnicas de codificación que se utilizan suelen ser digitales. Por lo general se
envía más de una señal al mismo tiempo por el canal de transmisión. La codificación
por modulación de impulsos, por la cual las ondas se transforman en una señal en
código binario, se ha desarrollado en las últimas décadas gracias a los avances
acaecidos en el campo de la computación digital y en la microelectrónica.
Receptor
El equipo receptor es un dispositivo capaz de decodificar la señal recibida de la
unidad remota y de mostrarla en algún formato adecuado para su análisis y
almacenamiento.
