Los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza, pero en general tienen como aspecto común, que se requiere del control de algunas magnitudes, como son: la temperatura, presión, el flujo, etc. El sistema de control para estas magnitudes se puede definir como: Un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana.
Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado.
Los primeros sistemas industriales de lazo abierto o lazo cerrado usados fueron controladores neumáticos, durante los 60´s y 80´s, la mayoría de los controladores usaban amplificadores operacionales para proporcionar las funciones de control, en los 80´s y 90´s se incorporaron los microprocesadores con amplificadores operacionales para proporcionar un control digital. Dado que todos estos tipos de controladores se encuentran en uso actualmente,es necesario estudiarlos con sus componentes y funciones que desarrollan.
Un sistema de control elemental incluye la llamada unidad de medida, un indicador, el registrador, un elemento final de control y el propio proceso a controlar, estos elementos forman conceptualmente el lazo de control que puede ser abierto o cerrado.
En la siguiente figura, se muestra el esquema de un lazo de control abierto
Lazo abierto de Regulación
Es importante comprender que las partes básicas de cualquier sistema de control tendrán los mismos nombres y proporcionarán las mismas funciones, en forma independiente que el controlador sea neumático, con amplificador operacional en un sistema basado en microprocesadores. En la siguiente figura, se muestran las partes básicas de un sistema de control en un diagrama de bloques, generalmente es más fácil comprender estas partes básicas de un sistema de control si se tiene aplicación específica
Diagrama de bloques de un sistema de control
Del diagrama de bloques generalmente mostrado en la figura anterior y que corresponde a lo que se conoce como un sistema de lazo cerrado, existen algunas variantes, en donde se incorpora la parte de medición, la acción del controlador y del elemento de control sobre el proceso, como se muestra en la siguiente figura:
Diagrama de bloques de un proceso de control
Diagrama físico de un lazo de control de proceso
Para explicar con mayor detalle las partes de un sistema típico de control, se puede usar un sistema de calefacción eléctrico, que se emplea para secar pintura y que se muestra en la siguiente figura. De la cual se puede observar que el sistema arranca con una señal del proceso o punto de ajuste (SP) de su nombre el inglés “set point”, este valor de la señal de proceso o punto de ajuste es el valor deseado o la temperatura deseada, por ejemplo, si se pretende una temperatura en el sistema de calefacción de 280 oF, entonces la señal de proceso (SP) se ajusta a 280 oF.
Diagrama de control de un sistema industrial para un horno de secado de pintura
La siguiente parte del sistema de control que se analizará es la variable del proceso (UP), la cual es la señal que viene del sensor, por ejemplo; en el sistema de calefacción, la variable del proceso es también llamada señal de retroalimentación. La variable del proceso es la señal que viene del termopar que es el sensor de este sistema. Esta señal de retroalimentación es el valor presente o valor real de la temperatura en el instante que la lectura del sensor tiene lugar. Dado que la lectura del sensor es continua, la variable del proceso cambiará continuamente para indicar el cambio en la temperatura del sistema.
El punto de unión o comparador es el lugar en el sistema de control, la señal de proceso (SP) se compara con la variable del proceso (UP), esto quiere decir que si la señal del proceso es 280 oF y la señal de la variable de proceso (UP) indica una temperatura real de 270oF, la diferencia es 10 oF. El punto de unión o comparador se identifica con la letra griega sigma (S).
La diferencia entre UP y SP se le llama el error y puede ser positivo cuando SP es mayor que UP o negativo si SP es menor que UP.
El controlador usará una ganancia, ajuste o capacidad para ajustar la señal de salida en respuesta a la cantidad de error. La ganancia, ajuste o capacidad se le llama tambiénproporcional, integral y derivativo (PID), los valores del PID se pueden ajustar para cambiar la velocidad de respuesta del sistema, por ejemplo, se puede usar un valor de ganancia para hacer el cambio en la salida de temperatura a un índice de 1 oF por minuto, o bien, para que sea 3 oF por minuto. Este cambio se hace modificando una variable manipulada por intermedio del elemento final de control (una válvula de control o un conmutador)
Un ejemplo de otras variables que pueden intervenir en un proceso de control en lazo cerrado se muestran en la figura, en donde se indican señales neumáticas y electrónicas de control.
Lazo cerrado de regulación
El diagrama de bloques para el sistema de control mostrado anteriormente se llama deLazo, debido a que se usa un sensor para tomar muestras de temperatura y se envían a la varieble del proceso desde su sensor y se regresan al comparador, donde se compara con la señal de ajuste; la señal del sensor se le denomina la retroalimentación o señal de retroalimentación, debido a que retroalimenta al punto de unión y, entonces, el sistema se llama de lazo cerrado.
Si no se usa la señal de retroalimentación, entonces el sistema se le denomina de lazo abierto, en la mayoría de los sistemas es posible un switch para controlar la señal del sensor que se usa para la retroalimentación cuando el switch está cerrado. La señal del sensor se usa como retroalimentación, y si el switch está abierto, la señal del sensor no se usa. Este switch se usa para determinar si el sistema se usa como de lazo abierto o de lazo cerrado.
Cuando el sistema opera en el modo de lazo abierto, la salida se ajusta manualmente por el operador, algunas veces en lugar de usar los términos lazo abierto y lazo cerrado, se emplean los términos modo manual y modo automático. Cuando el sistema de control se coloca en modo manual, el lazo está en operación en “lazo abierto”, cuando se coloca enmodo automático, entonces está en “lazo cerrado”.
Un ejemplo típico de un sistema de lazo abierto en la industria, podría ser el de un operador que llena un tanque con agua, como se muestra en la siguiente figura, de modo que cuando el operador abre la llave, se inicia el llenado del tanque y cuando se determina que el agua ha llegado a su nivel correcto, cierra la llave, este sistema se dice que opera como lazo abierto o en modo manual.
Ejemplo de un sistema de control de lazo abierto para el control del nivel de agua. El operador controla la apertura y cierre de la válvula
Otro ejemplo simple que se puede usar para explicar las principales diferencias entre un sistema de control de lazo abierto y otro de lazo cerrado, se encuentra en un sistema de bomba-sumidero, en donde la bomba se pone en operación para bombear y se saca para el sumidero cuando el nivel del líquido está muy profundo. Algunas industrias tienen un sumidero, el cual puede ser un gran agujero para colectar agua de desperdicio o residuos de aceite, cuando el nivel del líquido en el sumidero se eleva lo suficiente, el liquido se debe bombear fuera del sumidero a un tanque de respaldo, si el sistema es de lazo abierto, el sistema se debe verificar periódicamente.
Diagrama de aplicación para una bomba de sumidero
En el sistema de lazo cerrado, se puede conectar un sensor al mecanismo de switch para poner la bomba en operación automática, este sensor y mecanismo de control, podría ser algo tan simple como un flotador montado en la parte final de una varilla.
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