Elección y selección de controles

Este tutorial se concentrará en las opciones de control automático disponibles (como autoactivado, neumático o eléctrico) y las decisiones que deben tomarse antes de la selección. Se ofrece orientación sobre la base de las tres consideraciones más importantes de seguridad, estabilidad y precisión.

Este Módulo se concentrará en las opciones de control automático disponibles y las decisiones que deben tomarse antes de la selección. Se ofrece orientación aquí más que un conjunto de reglas, porque las decisiones reales dependerán de factores variables; algunos de los cuales, como el costo, preferencias personales y modas actuales, no pueden incluirse aquí.

Aplicación

Es importante reflexionar sobre los tres parámetros básicos discutidos al principio del Módulo 5.1: Seguridad, Estabilidad y Precisión. Para seleccionar la válvula de control correcta, se requieren detalles de la aplicación y el proceso mismo. Por ejemplo:

• ¿Están involucradas características de seguridad? Por ejemplo, ¿debería la válvula fallar abierta o fallar cerrada en caso de fallo de energía? ¿Se requiere control separado para límite alto y bajo?
• ¿Qué propiedad se va a controlar? Por ejemplo, ¿temperatura, presión, nivel, flujo?
• ¿Cuál es el medio y sus propiedades físicas? ¿Cuál es el caudal?
• ¿Cuál es la presión diferencial a través de una válvula de control en el rango de carga?
• ¿Cuáles son los materiales de la válvula y las conexiones finales?
• ¿Qué tipo de proceso se está controlando? Por ejemplo, un intercambiador de calor usado para calefacción o fines de proceso.
• Para control de temperatura, ¿la temperatura de ajuste es fija o variable?
• ¿La carga es estable o variable y, si es variable, cuál es la escala de tiempo para el cambio, rápido o lento?
• ¿Qué tan crítica es la temperatura a mantener?
• ¿Se requiere control de bucle simple o múltiples bucles?
• ¿Qué otras funciones (si las hay) debe realizar el control? Por ejemplo, control de temperatura normal de un sistema de calefacción, pero con protección contra heladas añadida durante períodos de ‘apagado’.
• ¿Está la planta o proceso en un área peligrosa?
• ¿El atmósfera o ambiente es corrosivo por naturaleza o la válvula se instalará externamente o en un área ‘sucia’?
• ¿Qué energía motriz está disponible, como electricidad o aire comprimido, y a qué voltaje y presión?

Energía motriz

Esta es la fuente de energía para operar el control y accionar la válvula u otro dispositivo controlado. Generalmente será electricidad, o aire comprimido para un sistema neumático, o una mezcla de ambos para un sistema electropneumático. Los sistemas de control autoactivados no requieren forma externa de energía para operar; generan su propia energía a partir de un sistema hidráulico o de presión de vapor cerrado. En cierta medida, los detalles de la propia aplicación pueden determinar la elección de la energía de control. Por ejemplo, si el control está en un área peligrosa, los controles neumáticos o autoactivados pueden ser preferibles a costosos controles eléctricos/electrónicos intrínsecamente seguros o a prueba de explosión. Las siguientes características se enumeran como un comentario general sobre las varias opciones de fuente de energía:

Controles autoactivados

Ventajas:

• Robustos, simples, tolerantes a entornos ‘hostiles’.
• Fáciles de instalar y poner en marcha.
• Proporcionan control proporcional con rangoabilidad muy alta.
• Se pueden obtener controles que fallen abiertos o fallen cerrados en caso de una sobre-excedencia inaceptable en temperatura.
• Son seguros en áreas peligrosas.
• Relativamente libres de mantenimiento. Desventajas:
• Los controles de temperatura autoactivados pueden ser relativamente lentos en reaccionar, y no se pueden proporcionar funciones de control Integral y Derivativo.
• Los datos no pueden retransmitirse.

Controles neumáticos

Ventajas:

• Robustos.
• Operan muy rápido, haciéndolos adecuados para procesos donde las variables del proceso cambian rápidamente.
• Los actuadores pueden proporcionar una alta fuerza de cierre o apertura para operar válvulas contra altas presiones diferenciales.
• El uso de posicionadores de válvula asegurará un control preciso y repetible.
• Los controles neumáticos puros son intrínsecamente seguros y los actuadores proporcionan operación suave.
• Se pueden organizar para proporcionar operación fallar abierto o fallar cerrado sin costo o dificultad adicional. Desventajas:
• El sistema de aire comprimido necesario puede ser costoso de instalar, si no existe ya un suministro.
• Se puede requerir mantenimiento regular del sistema de aire comprimido.
• El modo de control básico es encendido/apagado o proporcional, aunque están disponibles combinaciones de P+I y P+I+D, pero generalmente a mayor costo que un sistema de control electrónico equivalente.
• La instalación y puesta en marcha son sencillas y de naturaleza mecánica.

Controles eléctricos

Ventajas:

• Posicionamiento altamente preciso.
• Se disponen controladores que proporcionan alta versatilidad con combinaciones de modo de control encendido-apagado o P+I+D, y salidas multifunción. Desventajas:
• Las válvulas eléctricas operan relativamente lentas, significando que no siempre son adecuadas para parámetros de proceso que cambian rápidamente como el control de presión en cargas que cambian rápidamente.
• La instalación y puesta en marcha involucran tanto oficios eléctricos como mecánicos y el costo del cableado e instalación de un suministro de energía separado debe tenerse en cuenta.
• Los actuadores eléctricos tienden a ser menos suaves que sus contrapartes neumáticos. Se requieren actuadores de retorno de resorte para funciones de fallar abierto o fallar cerrado: Esto puede reducir sustancialmente la fuerza de cierre disponible y generalmente cuestan más.
• Se necesitan controles eléctricos intrínsecamente seguros o a prueba de explosión para su uso en áreas peligrosas; son una proposición costosa y, como tal, puede requerirse una solución neumática o electropneumática, como se describe a continuación. Se requieren técnicas de instalación especiales para estos tipos de áreas peligrosas.

Controles electropneumáticos

Ventajas:

• Los controles electropneumáticos pueden combinar las mejores características de los controles electrónicos y neumáticos. Tales sistemas pueden consistir en válvulas actuadas neumáticamente, controladores/controles eléctricos/electrónicos, sensores y sistemas de control, más posicionadores o conversores electropneumáticos. La combinación proporciona la fuerza y operación suave de un actuador/válvula neumática con la velocidad y precisión de un sistema de control electrónico. Se puede proporcionar operación de fallar abierto o fallar cerrado sin penalización de costo y, usando barreras adecuadas y/o confinando la parte eléctrica/electrónica del sistema de control a áreas ‘seguras’ (no peligrosas), pueden usarse donde se requiere seguridad intrínseca. Desventajas:
• Se requieren suministros eléctricos y de aire comprimido, aunque esto normalmente no es un problema en entornos de procesamiento industrial. Hay tres factores importantes a tener en cuenta al considerar la aplicación y la fuente de energía requerida:
• Cambios en carga.
• Si el valor de ajuste es crítico o no crítico.
• Si el valor de ajuste tiene que variar. Los diagramas en las Figuras 5.4.1 y 5.4.2 ayudan a explicar.

¿Qué tipo de controles deben instalarse?

Diferentes aplicaciones pueden requerir diferentes tipos de sistemas de control. Se pueden usar controles autoactivados y neumáticos si las variaciones de carga son bastante lentas y si se puede aceptar offset, de lo contrario deben usarse controles electropneumáticos o eléctricos. La Figura 5.4.3 muestra algunas aplicaciones diferentes y sugerencias sobre qué método de control puede ser aceptable.

Tipos de válvulas y actuadores

El tipo de actuador está determinado por la energía motriz que se ha seleccionado: autoactivada, eléctrica, neumática o electropneumática, junto con la precisión de control y la velocidad de actuación requerida. En lo que respecta a la selección de válvulas, con el vapor como medio fluido, la elección se restringe a una válvula de dos puertos. Sin embargo, si el medio es agua u otro líquido, hay una elección de válvulas de dos o tres puertos. Sus efectos básicos en la dinámica del sistema de tuberías ya se han discutido. Una aplicación de agua generalmente determinará si se usa una válvula de tres puertos para mezclar o desviar el flujo de líquido. Si los cambios en la presión del sistema con válvulas de dos puertos son aceptables, sus ventajas en comparación con válvulas de tres puertos incluyen menor costo, simplicidad y una instalación menos costosa. La elección de válvulas de dos puertos también puede permitir que el cambio inherente de presión del sistema se use para encender bombas secuenciales, o para reducir o aumentar la tasa de bombeo de una bomba de velocidad variable según la demanda de carga. Al seleccionar la válvula actual, deben tenerse en cuenta todos los factores considerados anteriormente que incluyen: material del cuerpo, límites de presión/temperatura del cuerpo, conexiones requeridas y el uso del método de dimensionamiento correcto. También es necesario asegurar que la selección de la combinación válvula/actuador pueda operar contra la presión diferencial experimentada en todos los estados de carga. (La presión diferencial en sistemas de vapor generalmente se considera como la presión absoluta máxima de vapor aguas arriba. Esto permite la posibilidad de vapor a presión sub-atmosférica en el lado aguas abajo de la válvula).

Controladores

La seguridad siempre es de gran importancia. En caso de un fallo de energía, ¿debería la válvula fallar segura en la posición abierta o cerrada? ¿El control debe ser de acción directa (la señal de salida del controlador sube con el aumento de la variable medida) o de acción inversa (la señal de salida del controlador baja con el aumento de la variable medida)? Si la aplicación solo requiere control encendido/apagado, puede que no se necesite un controlador en absoluto. Un actuador de dos posiciones puede operarse desde un dispositivo de conmutación como un relé o un termostato. Cuando una aplicación requiere versatilidad, se necesita la capacidad multifunción de un controlador electrónico; quizás con control de temperatura y tiempo, múltiples bucles, múltiples entradas/salidas. Habiendo determinado que se requiere un controlador, es necesario determinar qué acción de control es necesaria, por ejemplo encendido/apagado, P, P I, o P I D. La elección hecha depende de la dinámica del proceso y los tipos de respuesta considerados anteriormente, más la precisión de control requerida. Antes de ir más lejos, es útil definir lo que se entiende por ‘buen control’. No hay una respuesta simple a esta pregunta. Considere las diferentes respuestas a cambios en la carga como se muestra en la Figura 5.4.4.

El control autoactivado normalmente es adecuado para aplicaciones donde hay una capacidad térmica ‘del lado secundario’ muy grande en comparación con la capacidad del ‘lado primario’.

Considere un calentador de agua caliente de acumulación como se muestra en la Figura 5.4.5 donde el gran volumen de agua almacenada se calienta por una serpentina de vapor.

Cuando el agua en el recipiente está fría, la válvula estará completamente abierta, permitiendo que el vapor entre en la serpentina, hasta que el agua almacenada se caliente a la temperatura deseada. Cuando se extrae agua caliente del recipiente, el agua fría que entra en el recipiente para tomar su lugar reducirá la temperatura del agua en el recipiente. Los controles autoactivados tendrán una banda proporcional relativamente grande y tan pronto como la temperatura cae, la válvula comenzará a abrirse. Cuanto más fría está el agua, más abierta la válvula de vapor.

La Figura 5.4.6 muestra un intercambiador de calor de placas sin almacenamiento con poca capacidad de almacenamiento térmico tanto en el lado primario como secundario, y con un tiempo de reacción rápido. Si la carga cambia rápidamente, puede que no sea posible que un sistema de control autoactivado opere exitosamente. Una mejor solución sería usar un sistema de control que reaccione rápidamente a los cambios de carga, y proporcione precisión al mismo tiempo.