Componentes y Modos de Control en Procesos Industriales: Optimización y Funcionamiento

Componentes de un Sistema de Control

Sensor

Elemento primario del medidor que está en contacto con el proceso. Recibe una información referente a la variable controlada del proceso y la convierte en otra que representa continuamente el valor de la variable controlada.

Elemento de Transmisión (Transmisores)

Transmiten una información variable, procedente de los sensores, a un lugar determinado. Por ejemplo, un sensor y transmisor de temperatura (TT) para medir la variable controlada.

Elemento de Entrada

Convierte el valor de consigna en otro compatible con la medida de la variable de proceso (PV) de la variable controlada.

Regulador

Dispositivo que actúa automáticamente para regular la variable controlada. Tiene dos entradas: la variable de referencia y el valor del proceso (PV). El controlador determina la forma en que debemos actuar sobre el proceso para corregir la desviación. Procesa la señal de error para determinar las órdenes de control a ejecutar en cada momento. Por ejemplo, el controlador de temperatura (TC) efectúa las labores descritas, incluyendo internamente la función del elemento de entrada.

Actuador

Convierte las órdenes de control en acción física. Es como el músculo de un sistema de control automático.

Elemento Final de Control

Mecanismo que altera el valor de la variable manipulada en respuesta a una señal de salida desde un controlador. Por ejemplo, la válvula (TV) es el elemento final de control.

Proceso

Sistema utilizado en determinadas operaciones industriales. Conlleva un cambio físico o químico en la materia, o una conversión de energía. Por ejemplo, un calentador de agua caliente.

Tipos de Control

Control Feedback (Retroalimentación)

Actúa después de que se haya producido un error. Es una acción correctora. Funciona así: los instrumentos de medida determinan el valor actual de la variable controlada. Este valor se compara con el valor deseado (SP), con lo que se determina el error. Basándose en dicho error, el controlador determina la señal que representa el valor necesario de la variable para eliminar el error.

Ventajas:

• No requiere identificación de las perturbaciones.
• Es insensible a errores de modelización y a cambios de parámetros.

Desventajas:

• Es una acción a posteriori.
• Su respuesta no es satisfactoria para procesos lentos.
• Introduce inestabilidad.

Control Feedforward (Prealimentación)

Actúa para evitar que se produzcan errores al intervenir una perturbación. Se mide la perturbación y, en función de eso, se actúa sobre la variable controlada antes de que esta se desvíe del valor de consigna.

Ventajas:

• Es una acción a priori.
• Buen control para sistemas lentos.
• No introduce inestabilidad.

Desventajas:

• Requiere conocer los efectos de las perturbaciones sobre la variable controlada.
• Exige poder medir las perturbaciones.
• No trata las perturbaciones no medibles.

Perturbación de Carga

Son fluctuaciones a lo largo del tiempo de las variables de entrada o manipuladas y que alejan a la variable controlada de su valor deseado (SP). Está relacionada con el ritmo de producción.

Control Realimentado

Es un control a posteriori o acción correctora. Compara el valor final de la variable controlada con el valor deseado (SP) y determina el valor de la variable manipulada para eliminar el error.

Control Prealimentado

Control anticipativo. Actúa para evitar que se produzcan errores al intervenir una perturbación. Es una acción preventiva.

Conceptos Adicionales en Control de Procesos

Interpretación Física del Tiempo Integral

Suponiendo un controlador en lazo abierto, al que se le aplica una señal de error en forma de escalón, el tiempo integral es el tiempo que transcurre desde que se le aplica dicho escalón para que la amplitud generada por un controlador proporcional (P) sea reproducida por un controlador proporcional-integral (PI).

Modo Derivativo a Modo de Predicción

Puede interpretarse como la predicción del valor que tendrá la variable de proceso Td minutos después.

Modo Derivativo sobre la Medida

Características, uso y beneficios: Tiene como objetivo eliminar el salto brusco que se origina en la señal de control cuando se produce un cambio en el valor deseado (SP) en forma de escalón. Esto se produce porque el error en el instante inicial tiene pendiente infinita, lo cual genera que la contribución derivativa al inicio sea de un valor excesivo, lo cual puede dañar el actuador. Evitamos ese pico derivativo.

Modo Proporcional sobre la Medida

Una vez aplicado el modo derivativo sobre la medida, se elimina el pico de amplitud elevada producida por la acción del control derivativo. Sigue habiendo una respuesta brusca en la salida del controlador. Esto se llama salto proporcional. A veces, este puede ser más abrupto de lo deseado. Este salto proporcional que se produce ante un cambio en forma de escalón en la consigna se puede eliminar haciendo que el modo proporcional, al igual que el derivativo, sea proporcional a la señal medida en lugar de al error.

Bumpless Transfer y Set Point Tracking

Bumpless Transfer: Es un mecanismo que persigue eliminar el salto brusco que se produce en la señal de control cuando se pasa de modo manual a automático.

Set Point Tracking: Es un tipo de estrategia de Bumpless Transfer. Para ello, mientras el controlador se encuentra en modo manual, se obliga a que el valor deseado (SP) siga a la variable de proceso (PV). De esta manera, cuando se conmuta a modo automático, el error es nulo.

Lambda Tuning

Se trata de un método de sintonización en lazo abierto, en el que además de los parámetros de proceso identificados (ganancia Kp, constante de tiempo T, y el tiempo de retardo Td), se define la constante de tiempo del proceso en lazo cerrado lambda. El objetivo es obtener una respuesta en lazo cerrado sobreamortiguada. Fijando lambda, determinamos la velocidad de respuesta del lazo de control.

Métodos de Sintonización

Son procedimientos que nos permiten obtener los parámetros del controlador PID (Kc, Ti, Td) para satisfacer un determinado criterio de rendimiento. Tiene varias fases:

1. Caracterización: Ensayo que se realiza para obtener determinadas características del proceso.
2. Reglas de Sintonización: A partir de los valores obtenidos en la fase anterior, se obtienen los valores de los parámetros del controlador a partir de unas ecuaciones, que son las reglas de sintonización.
3. Ajuste Fino: Se realiza un reajuste de los valores de los parámetros del controlador para satisfacer las especificaciones.

Realimentación Positiva

La variable controlada se aleja mucho del valor deseado (SP), crece o decrece indefinidamente provocando inestabilidad.

Realimentación Negativa

La variable controlada tiende a volver al valor deseado (SP), provocando estabilidad.

Seguimiento

Se trata de conseguir que las variables controladas alcancen el nuevo valor deseado (SP).

Regulación

Se trata de contrarrestar los efectos de las perturbaciones sobre las variables controladas. Intervienen las perturbaciones.