Una introducción a los controles

Este tutorial proporciona una introducción al tema del control automático, incluyendo los elementos básicos de un sistema de control, diferentes funciones de control, y terminología relevante, con cierto énfasis en la seguridad, y la estabilidad y precisión del control.

El tema de los controles automáticos es enorme, cubriendo el control de variables como temperatura, presión, caudal, nivel y velocidad.

El objetivo de este Bloque es proporcionar una introducción a los controles automáticos. Esto también puede dividirse en dos partes:

• El control de sistemas de Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (comúnmente conocidos como HVAC); y
• Control de procesos. Ambos son temas inmensos, este último abarcando desde el control de una cocina doméstica simple hasta un sistema o proceso de producción completo, como puede encontrarse en una gran planta petroquímica. El Ingeniero de Controles necesita tener varias habilidades a su disposición: conocimiento de ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica, electrónica y sistemas neumáticos, un entendimiento práctico del diseño HVAC y aplicaciones de procesos, y, cada vez más hoy, un entendimiento de computadoras y comunicaciones digitales. La intención de este Bloque es proporcionar una visión básica de los aspectos prácticos y teóricos del control automático, a los cuales se pueden añadir otras habilidades en el futuro, no transformar a un individuo en un Ingeniero de Controles. Este Bloque se limita al control de procesos que utilizan los siguientes fluidos: vapor, agua, aire comprimido y aceites calientes. El control generalmente se logra variando el flujo de fluido usando válvulas accionadas. Para los fluidos mencionados anteriormente, el requisito habitual es medir y responder a cambios en temperatura, presión, nivel, humedad y caudal. Casi siempre, la respuesta a cambios en estas propiedades físicas debe estar dentro de un tiempo dado. La manipulación combinada de la válvula y su actuador con el tiempo, y el control cercano de la variable medida, se explicarán más adelante en este Bloque. El control de fluidos no se limita a válvulas. Algunas corrientes de proceso se manipulan mediante la acción de bombas o ventiladores de velocidad variable.

La necesidad de controles automáticos Hay tres razones principales por las que las plantas de proceso o los edificios requieren controles automáticos:

• Seguridad - La planta o proceso debe ser seguro para operar. Cuanto más complejo o peligroso sea la planta o proceso, mayor es la necesidad de controles automáticos y protocolos de salvaguarda.
• Estabilidad - La planta o procesos deben funcionar de manera constante, predecible y repetible, sin fluctuaciones o paradas no planificadas.
• Precisión - Este es un requisito principal en fábricas y edificios para prevenir el deterioro, aumentar la calidad y las tasas de producción, y mantener el confort. Estos son los fundamentos de la eficiencia económica. Otros beneficios deseables como la economía, la velocidad y la fiabilidad también son importantes, pero es contra los tres parámetros principales de seguridad, estabilidad y precisión que se medirá cada aplicación de control. Terminología de control automático Se usan términos específicos dentro de la industria de controles, principalmente para evitar confusión. Las mismas palabras y frases se juntan en todos los aspectos de los controles, y cuando se usan correctamente, su significado es universal. El sistema manual simple descrito en el Ejemplo 5.1.1 e ilustrado en la Figura 5.1.1 se usa para introducir algunos términos estándar usados en la ingeniería de control. Ejemplo 5.1.1 Una analogía simple de un sistema de control En el ejemplo de proceso mostrado (Figura 5.1.1), el operador varía manualmente el flujo de agua abriendo o cerrando una válvula de entrada para asegurar que:
• El nivel de agua no sea demasiado alto; o se perderá por el rebosadero.
• El nivel de agua no sea demasiado bajo; o no cubrirá el fondo del tanque. El resultado de esto es que el agua sale del tanque a una tasa dentro de un rango requerido. Si el agua sale a una tasa demasiado alta o baja, el proceso al que alimenta no puede operar adecuadamente. En una etapa inicial, la válvula de salida en la tubería de descarga está fijada en cierta posición. El operador ha marcado tres líneas en el lateral del tanque para permitirle manipular el suministro de agua a través de la válvula de entrada. Los 3 niveles representan:

1. El nivel de agua más bajo permitido para asegurar que el fondo del tanque está cubierto.
2. El nivel de agua más alto permitido para asegurar que no hay descarga por el rebosadero.
3. El nivel ideal entre 1 y 2.

El Ejemplo (Figura 5.1.1) demuestra que:

1. El operador apunta a mantener el agua en el recipiente entre los niveles 1 y 2. El nivel de agua se llama Condición controlada.
2. La condición controlada se logra controlando el flujo de agua a través de la válvula en la tubería de entrada. El flujo se conoce como Variable manipulada, y la válvula se denomina Dispositivo controlado.
3. El agua misma se conoce como Agente de control.
4. Controlando el flujo de agua al tanque, se altera el nivel de agua en el tanque. El cambio en el nivel de agua se conoce como Variable controlada.
5. Una vez que el agua está en el tanque se conoce como Medio controlado.
6. El nivel de agua que se intenta mantener en el indicador visual se conoce como Valor de ajuste (también conocido como Punto de ajuste).
7. El nivel de agua puede mantenerse en cualquier punto entre 1 y 2 en el indicador visual y aún cumplir los parámetros de control de modo que el fondo del tanque esté cubierto y no haya rebosadero. Cualquier valor dentro de este rango se conoce como Valor deseado.
8. Suponga que el nivel se mantiene estrictamente en cualquier punto entre 1 y 2. Este es el nivel de agua en condiciones de estado estacionario, referido como Valor de control o Valor real. Nota: Con referencia a (7) y (8) arriba, el nivel ideal de agua a mantener estaba en el punto 3. Pero si el nivel real está en cualquier punto entre 1 y 2, entonces eso sigue siendo satisfactorio. La diferencia entre el Punto de ajuste y el Valor real se conoce como Desviación.
9. Si la válvula de entrada se cierra a una nueva posición, el nivel de agua bajará y la desviación cambiará. Una desviación sostenida se conoce como Offset. Elementos de control automático

Ejemplo 5.1.2 Elementos de control automático

• El ojo del operador detecta el movimiento del nivel de agua contra el indicador de escala marcada. Su ojo podría considerarse como un Sensor.
• El ojo (sensor) señala esta información al cerebro, que nota una desviación. El cerebro podría considerarse como un Controlador.
• El cerebro (controlador) actúa para enviar una señal al músculo del brazo y la mano, que podrían considerarse como un Actuador.
• El músculo del brazo y la mano (actuador) giran la válvula, que podría considerarse como un Dispositivo controlado. Vale la pena repetir estos puntos de una manera ligeramente diferente para reforzar el Ejemplo 5.1.2: En términos simples, el objetivo del operador en el Ejemplo 5.1.1 es mantener el agua dentro del tanque en un nivel predefinido. El Nivel 3 puede considerarse como su objetivo o Punto de ajuste. El operador manipula físicamente el nivel ajustando la válvula de entrada (el dispositivo controlado). Dentro de esta operación es necesario tener en cuenta la competencia y concentración del operador. Debido a esto, es poco probable que el nivel de agua esté exactamente en el Nivel 3 en todo momento. Generalmente, estará en un punto por encima o por debajo del Nivel 3. La posición o nivel en cualquier momento particular se denomina Valor de control o Valor real. La cantidad de error o diferencia entre el Punto de ajuste y el Valor real se denomina desviación. Cuando una desviación es constante, o estado estacionario, se denomina Desviación sostenida u Offset. Aunque el operador está manipulando el nivel de agua, el objetivo final es generar un resultado adecuado, en este caso, un flujo requerido de agua del tanque. ****Evaluar seguridad, estabilidad y precisión Se puede asumir que un proceso típico como el del Ejemplo 5.1.1 no contiene ingredientes valiosos ni dañinos. Por lo tanto, el rebosadero o la falta de agua serán seguros, pero no económicos ni productivos. En términos de estabilidad, el operador sería capaz de manejar este proceso siempre que preste atención plena y constante. La precisión no es una característica de este proceso porque el operador solo puede responder a un error visible y reconocible. Resumen de terminología

Punto de ajuste	El valor establecido en la escala del sistema de control para obtener la condición requerida. Si el controlador se ajustó a 60 °C para una aplicación particular: 60 °C se denominaría como el ‘punto de ajuste’.
Valor deseado	El valor requerido que debe mantenerse bajo condiciones ideales.
Valor de control	El valor de la condición controlada realmente mantenido bajo condiciones de estado estacionario.
Desviación	La diferencia entre el punto de ajuste y el valor de control.
Offset	Desviación sostenida.
Sensor	El elemento que responde directamente a la magnitud de la condición controlada.
Medio controlado	El medio siendo controlado por el sistema. El medio controlado en la Fig 5.1.1 es el agua en el tanque.
Condición controlada	La condición física del medio controlado. La condición controlada en la Fig 5.1.1 es el nivel de agua.
Controlador	Un dispositivo que acepta la señal del sensor y envía una señal correctora (o de control) al actuador.
Actuador	El elemento que ajusta el dispositivo controlado en respuesta a la señal de un controlador.
Dispositivo controlado	El elemento de control final en un sistema de control, como una válvula de control o una bomba de velocidad variable.

Hay muchos otros términos usados en Controles Automáticos; estos se explicarán más adelante en este Bloque.

Elementos de un sistema de control de temperatura ****El Ejemplo 5.1.1 representó un sistema simple de control de nivel manual. Esto puede compararse con un ejemplo simple de control de temperatura como se muestra en el Ejemplo 5.1.3 (controlado manualmente) y la Figura 5.1.3. Todos los factores y definiciones anteriores se aplican. Ejemplo 5.1.3 Representación de un sistema simple de control de temperatura manual La tarea es admitir suficiente vapor (el medio de calentamiento) para calentar el agua entrante de una temperatura de T1; asegurando que el agua caliente salga del tanque a una temperatura requerida de T2.

Evaluar seguridad, estabilidad y precisión Mientras la operación manual probablemente podría controlar el nivel de agua en el Ejemplo 5.1.1, el control manual de la temperatura es inherentemente más difícil en el Ejemplo 5.1.3 por varias razones.

Si el flujo de agua varía, las condiciones tenderán a cambiar rápidamente debido a la gran cantidad de calor contenido en el vapor. La respuesta del operador al cambiar la posición de la válvula de vapor puede simplemente no ser lo suficientemente rápida. Incluso después de que la válvula se cierra, la serpentina todavía contendrá una cantidad de vapor residual, que continuará cediendo su calor al condensarse. Anticipar el cambio La experiencia ayudará pero en general el operador no será capaz de anticipar el cambio. Debe observar el cambio antes de tomar una decisión y realizar una acción.

Esto y otros factores, como la inconveniencia y el coste de un operador humano permanentemente de servicio, error potencial del operador, variaciones en las necesidades del proceso, precisión, cambios rápidos en las condiciones y la participación de varios procesos, todo lleva a la necesidad de controles automáticos.

Con respecto a la seguridad, se ha introducido una alarma audible en el Ejemplo 5.1.3 para advertir de sobretemperatura, otra razón para los controles automáticos. Control automático Una condición controlada podría ser temperatura, presión, humedad, nivel o flujo. Esto significa que el elemento de medición podría ser un sensor de temperatura, un transductor o transmisor de presión, un detector de nivel, un sensor de humedad o un sensor de flujo.

La variable manipulada podría ser vapor, agua, aire, electricidad, aceite o gas, mientras que el dispositivo controlado podría ser una válvula, compuerta, bomba o ventilador.

Para propósitos de demostrar los principios básicos, este Módulo se concentrará en válvulas como dispositivo controlado y temperatura como condición controlada, con sensores de temperatura como elemento de medición. Componentes de un control automático La Figura 5.1.4 ilustra las partes componentes de un sistema de control básico. El sensor señala al controlador. El controlador, que puede recibir señales de más de un sensor, determina si se requiere un cambio en la variable manipulada, basándose en estas señales. Luego comanda al actuador para mover la válvula a una posición diferente; más abierta o más cerrada dependiendo del requisito.

Los controladores generalmente se clasifican por las fuentes de energía que los alimentan: eléctrica, neumática, hidráulica o mecánica.

Un actuador puede considerarse como un motor. Los actuadores también se clasifican por las fuentes de energía que los alimentan, de la misma manera que los controladores. Las válvulas se clasifican por la acción que usan para efectuar una apertura o cierre del orificio de flujo, y por sus configuraciones de cuerpo, por ejemplo si consisten en un vástago deslizante o tienen un movimiento rotativo. Si los elementos del sistema se combinan con las partes (o dispositivos) del sistema, se puede ver la relación entre ‘¿Qué necesita hacerse?’ con ‘¿Cómo lo hace?’ Algunos de los términos usados pueden no ser familiares todavía. Sin embargo, en las siguientes partes del Bloque 5, todos los componentes individuales y elementos mostrados en el dibujo anterior serán abordados.