INDICE

UNIDAD 5 1 INSTRUMENTACIÓN II

1 DEFINICION........................................................................................................................................ 32 LA EFICIENCIA DEL CONTROL.........................................................................................................3

2.1 CAMBIOS DE CARGA................................................................................................................4 CAMBIOS EN LA DEMANDA DEL MEDIO CONTROLADO POR EL AGENTE DE CONTROL.4 CAMBIOS EN LA CALIDAD DEL AGENTE DE CONTROL........................................................4 CAMBIOS EN LAS CONDICIONES AMBIENTALES..................................................................4 CAMBIOS INTERNOS DEL PROCESO.....................................................................................4 CAMBIOS EN EL PUNTO DE CONTROL...................................................................................4

2.2 RETARDO EN EL PROCESO.....................................................................................................63 SISTEMAS O MODOS DE CONTROL NEUMÁTICOS Y ELÉCTRICOS............................................8

1 DEFINICION

Es un dispositivo que opera automáticamente por el uso de algún algoritmo (procesamiento secuencial de la información que recibe, comparándola con

UNIDAD 5 2 INSTRUMENTACIÓN II

el punto de ajuste, realizando cálculos y emitiendo un resultado como señal de salida) para regular una variable de proceso.

La entrada del controlador, recibe información acerca del estado de la variable de proceso y después de realizar el algoritmo establecido, genera una apropiada señal de salida al elemento final de control.

Los controladores en general, pueden clasificarse de dos maneras: 1. En términos del mecanismo físico que emplea el controlador tal como

neumático, electrónico, hidráulico, digital, etc.2. En términos de la forma o modo de control, con la cual un controlador

reacciona para corregir una señal de error.

2 LA EFICIENCIA DEL CONTROL

La eficiencia con la cual el control de un proceso se obtiene, es directamente relacionada con dos efectos, los cuales deben ser tomados en cuenta en muchas aplicaciones.

Cambios de carga Retardo en el proceso

Cambios de carga. Hay cambios en la variable controlada, los cuales se deben a una alteración de las condiciones del proceso.

Retardo en el proceso. El otro efecto, es el retardo del proceso, el cual es un retardo en el tiempo que le toma a la variable de proceso para alcanzar un nuevo valor cuando ocurre un cambio en la carga.

2.1 CAMBIOS DE CARGA

La carga del proceso es la cantidad total del agente de control requerido para que un proceso en cualquier momento mantenga a la variable de proceso en el valor deseado. Los cambios en la carga deberán resultar en una señal del controlador al elemento final de control, el cual mantiene la variable controlada a un valor dado.

Ambas, la magnitud y la dirección del cambio de carga, son factores importantes. En un cambiador de calor (figura 1) por ejemplo, la cantidad de fluido que pasa a través del cambiador y la temperatura del fluido de entrada, pueden ambas causar cambios de carga. Una disminución en el

UNIDAD 5 3 INSTRUMENTACIÓN II

flujo, requiere menos vapor (agente de control). Una disminución de la temperatura, requerirá más vapor.

Los cambios de carga pueden surgir por cinco (5) condiciones: Cambios en la demanda del medio controlado por el agente de control Cambios en la calidad del agente de control Cambios en las condiciones ambientales Cambios internos del proceso Cambios en el punto de control

Cambios en la demanda del medio controlado por el agente de control. En el cambiador de calor (figura 1), al incrementarse el flujo del fluido o el cambio en la temperatura, ambos constituyen un cambio en la demanda para el agente de control. En ambos casos más o menos vapor es requerido para mantener el fluido a la temperatura apropiada. Cualquier combinación de las variables asociadas, causará un cambio en la demanda del agente de control. En un horno, los cambios en la cantidad de material a ser calentado, constituirá un cambio en la carga

Cambios en la calidad del agente de control. Si se usa vapor como agente de control y su presión disminuye, la temperatura del vapor será baja. Porque el vapor contiene menos energía o poder calorífico por cada libra, por lo tanto más agente de control deberá ser adicionado para mantener una temperatura constante en el cambiador de calor.

Igualmente, si el agente de control fuera combustible para un horno, un bajo poder calorífico significará la necesidad de adicionar más libras de combustible para conseguir los mismos efectos de calentamiento. Todas las correcciones para estos errores deberán ser hechas por el controlador.

Cambios en las condiciones ambientales. Las fluctuaciones en la temperatura exterior del cambiador de calor, necesitará de más vapor en el

UNIDAD 5 4 INSTRUMENTACIÓN II

invierno aún cuando todas las demás variables se mantengan constantes. Por esta razón, en algunos procesos se debe tener especial cuidado en los cambios de temperatura ambiente durante las estaciones de verano-invierno.

Los cambios en la presión atmosférica pueden causar problemas en los procesos que son controlados a vacío o cercanos a la presión atmosférica. Tales procesos incluyen destilación y evaporación.

Cambios internos del proceso. Un ejemplo típico es la acción de un reactor usado en la polimerización. Estos procesos inician con la reacción siendo endotérmica, indicando que requieren energía. Una vez que la reacción está en marcha, cambia a reacción exotérmica. En su momento, el vapor es requerido para calentar al reactor, y posteriormente se requerirá de agua fría para mantener la temperatura al valor establecido. En este caso, un diferente agente de controles usado en diferentes momentos durante el proceso de tal forma que se logre mantener el control de la temperatura.

Cambios en el punto de control. Este es un ajuste externo al proceso, esto significa nuevos requerimientos de energía con el objeto de alcanzar nuevas condiciones.

2.2 RETARDO EN EL PROCESO

El retardo en el proceso, es causado por uno o más de las tres principales características de proceso:

Capacitancia Resistencia Tiempo de transporte.

Capacitancia.- Es una medida para mantener o transferir una cantidad de energía o de material con relación a una cantidad unitaria de alguna variable de referencia.No se debe confundir con capacidad que representa las características propias de almacenar energía o material.Por ejemplo: Tenemos dos depósitos que contienen agua, los dos tienen la misma capacidad de 100 m3, pero tienen diferente capacitancia por unidad de nivel, uno tiene 12.5 m3/m; y el otro tiene 25 m3/m; o sea:

Capacidad = ∏. D . # de niveles

UNIDAD 5 5 INSTRUMENTACIÓN II

Capacitancia = cantidad de material / unidad de laVariable

En un proceso, una capacitancia relativamente grande es favorable para mantener constante la variable controlada a pesar de los cambios de carga que puedan presentarse. Sin embargo, esta misma característica hace que sea más difícil cambiar la variable a un nuevo valor, e introduce un retardo importante entre una variación del fluido de control y el nuevo valor que toma la variable controlada.

Resistencia.-La resistencia es la oposición total o parcial de la transferencia de energía o de material entre las capacitancias. Por ejemplo, en un intercambiador de calor las capacitancias son el serpentín de vapor y el tanque, y su resistencia se manifiesta porque las paredes de los tubos del serpentín de vapor y las capas aislantes de vapor y de agua que se encuentran a ambos lados de los mismos, se oponen a la transferencia de energía calorífica entre el vapor del interior de los tubos y el agua que se encuentra en el exterior.

Tiempo de transporte.- En el intercambiador de calor de la figura, si disminuye la temperatura del agua de entrada, pasará cierto tiempo hasta que el agua más fría pueda circular a través del tanque y alcance la sonda termométrica. Hay que hacer notar que durante el tiempo de transporte, la sonda termométrica no capta ningún cambio en la temperatura. El valor del tiempo de retardo depende a la vez de la velocidad de transporte y de la distancia de transporte.

UNIDAD 5 6 INSTRUMENTACIÓN II

Los controladores, en general, pueden clasificarse de dos maneras: en términos del mecanismo físico que emplea el controlador tal como neumático, electrónico, hidráulico, digital, etcétera, o en términos de la forma o modo de control, con la cual un controlador reacciona para corregir una señal de error.

En un sistema perfectamente lineal, la salida del controlador, lleva a la posición al elemento final de control. Se asume que el controlador automático opera de una manera teóricamente perfecta; esto es, que detecta variaciones infinitesimales de la variable controlada del punto de ajuste y responde instantáneamente de acuerdo con su modo o combinación de modos de control.

3 SISTEMAS O MODOS DE CONTROL NEUMÁTICOS Y ELÉCTRICOS

En los procesos industriales se emplean algunos modos de control ya sea en forma individual o alguna combinación de ellos. Estos sistemas son los más usados en la actualidad tanto en procesos neumáticos como en los eléctricos.

Se define modo de control, “a la acción correctiva del controlador sobre el elemento final de control para hacer que la variable controlada, se mantenga en el valor deseado, señal de referencia o punto de ajuste”

Los modos de control más sencillos y que cubren la mayor parte de los requerimientos de los procesos actuales, son:

De dos posiciones (todo-nada) Flotante Proporcional Integral, también llamado de reajuste automático o restauración

(reset). Acción derivativa (rate)

Pudiendo combinar los tres últimos, en la industria, las combinaciones más usuales de estos modos de control, son las siguientes

De dos posiciones (todo-nada) Flotante (dos posiciones con diferencial) Proporcional Proporcional + integral

UNIDAD 5 7 INSTRUMENTACIÓN II

Proporcional + derivada Proporcional + integral + derivada

Control On-off (dos posiciones). La salida del controlador (y consecuentemente el elemento final de control) cambia entre dos posiciones fijas de una a la otra, o sea o todo abierto o todo cerrado dependiendo si el error con respecto al punto de ajuste ( set-point) es negativo o positivo. Dependerá de que la variable controlada, esté arriba o abajo del punto de control. Se puede aplicar a sistemas hidráulicos, eléctricos, electrónicos o neumáticos.

En el control con diferencial amplia el elemento final de control permanece en su última posición (cerrada o abierta) cuando se encuentra dentro de la diferencial amplia o zona neutra para valores de la variable controlada. Los ajustes del control se realizan sobre el punto de ajuste y la diferencial amplia. Los ajustes se expresan comúnmente en unidades de la variable controlada o en por ciento de la escala del controlador.

El modo de control on-off (dos posiciones) funciona perfectamente si el proceso tiene una velocidad de reacción lenta y el tiempo de retardo es mínimo. Este modo de control se caracteriza porque las dos posiciones de la válvula permiten una entrada y salida de energía al proceso.

En las figuras 1 y 2, se muestran los dos tipos de control on-off con y sin diferencial amplia o zona neutra.

UNIDAD 5 8 INSTRUMENTACIÓN II

Figura No. 1

Figura No. 2

El control on-off (dos posiciones) es satisfactorio cuando:

a) La velocidad de reacción del proceso es lenta.b) Los atrasos en la transmisión son despreciables.c) No hay tiempo muerto o es muy pequeño.d) Los atrasos de medición y control son pequeños.e) Los cambios de carga en la variable manipulada no son grandes ni

frecuentes

El control de dos posiciones, se utiliza en sistemas de protección. Cuando la variable llega a un valor máximo o mínimo permisible, el sistema actúa para proteger el equipo y al personal.

En procesos continuos donde la variable controlada varía constantemente, una aplicación común es el control de nivel de tanques o recipientes de gran capacitancia.

Algunos controles de dos posiciones son con diferencial o zona neutra, por ejemplo, controles para arrancar bombas de relevo, midiendo presión en la descarga.

Control flotante. Hay una relación predeterminada entre la desviación y la velocidad de movimiento del elemento final de control. Una zona neutral en la cual ningún movimiento del elemento final de control ocurre.

La acción flotante de velocidad constante (simple) es el tipo más popular dentro de los de acción flotante. El elemento final de control se mueve a una velocidad constante independientemente de la desviación.

El control flotante de velocidad constante con una zona neutra, se obtiene al acoplar a un control on-off con una zona neutra una válvula motorizada reversible de baja velocidad. La válvula permanece inmóvil cuando la variable se encuentra dentro de la zona neutra y cuando la rebasa, la válvula se mueve con una dirección constante, hasta que la variable retorna al interior de la zona neutra, pudiendo la válvula tener dos posiciones extremas de apertura o de cierre.

UNIDAD 5 9 INSTRUMENTACIÓN II

La válvula debe moverse a una velocidad constante pero lo más rápidamente posible para mantener a la variable controlada y así evitar los retardos en el proceso. La ventaja principal del control flotante es que puede compensar los cambios de carga lentos del proceso desplazando gradualmente la posición de la válvula, sin embargo no es adecuado si hay un retardo importante o si los cambios de carga, aunque sean pequeños son muy rápidos. En la figura No. 4 se muestra el modo de control flotante de velocidad constante.

En la acción flotante multivelocidades, el elemento final de control se mueve a una o más velocidades. Cada una corresponde a un rango definido del valor de desviación.

UNIDAD 5 10 INSTRUMENTACIÓN II

0

20

40

60

100

80

ZONA NEUTRAL

100

0

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2 4 6 8

TIEMPO

Figura No. 4

3

Los ajustes del control son realizados para velocidad flotante (aplicado para acciones de control simples o múltiples)

La velocidad de movimiento del elemento final de control se expresa en por ciento del rango completo de movimiento por minuto.

Acción flotante con velocidad proporcional, cambia la posición del elemento final de control a una velocidad proporcional a la desviación. Los ajustes de control son realizados para la velocidad flotante. Esto es la velocidad de movimiento del elemento final de control correspondiendo a una desviación específica.Acción flotante de velocidad promedio, tiene una relación predeterminada entre la desviación (de la variable controlada) y la velocidad de cambio del tiempo promedio de posición del elemento final de control el cual se mueve periódicamente de una posición fija a la otra. En la figura No. 5, se muestra un control de velocidad proporcional-flotante.

Control proporcional (modulante). Hay una continua relación lineal entre el valor de la variable controlada y la salida del controlador (tan grande como la variable de proceso está dentro de la banda proporcional). La válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación de la variable. Los ajustes son realizados en la banda proporcional.

UNIDAD 5 11 INSTRUMENTACIÓN II

0

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60

100

80

DESVIACION

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PUNTODE

AJUSTE

Figura No. 5

20 40 60 80 100

VARIABLE CONTROLADA,% DE LA ESCALA DEL CONTROLADOR

Banda proporcional. Es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para provocar un movimiento total del elemento final de control (abierta - cerrada ó cerrada – abierta). El valor de la banda proporcional de un instrumento se expresa usualmente en tanto por ciento de su campo de medida total.

El control proporcional se aplica para obtener estabilidad y donde no se requiere gran precisión en la regulación de la variable controlada, tomando además en cuenta todas sus limitaciones, que son:

UNIDAD 5 12 INSTRUMENTACIÓN II

Figura No. 7

-50% X100% P

6

No absorbe las desviaciones sostenidas.

Si la banda proporcional es mayor de 100% (cuando es requerido por el proceso) la válvula no abre ni cierra totalmente, siendo con esto incapaz de absorber cualquier disturbio considerable.

Si se varia la orden que se da al controlador (punto de ajuste), se corre el riesgo de que la válvula no abra o no cierra totalmente, si en un momento dado el control requiere tal condición para absorber un disturbio de gran magnitud. Esto ocurre cuando la banda proporcional es regular o grande. Mientras más grande sea la banda proporcional, mayor será la limitación, ejemplos:

1. Si se tiene una banda de 50%, se puede variar el punto de ajuste desde 25% a 75%, garantizando que la válvula puede abrir y cerrar totalmente, si el caso lo requiere.

2. Si se tiene una banda de 100%, NO se puede variar el punto de ajuste de 50%, , debido a que la válvula no abra o no cierre, cuando fuera necesario.

La acción del control proporcional se puede expresar con la ecuación de la recta: Y = mX + b

En donde: m = 1/B = tan α

Donde tenemos que:

X = (P – E) = Desviación en (%) o error

b = Valor de la ordenada al origen = 0.5 que equivale al 50 %

E = Variable controlada en (%)

P = Punto de ajuste o punto de control en (%)Entonces la ecuación completa para un control proporcional es:

Y = 1/B (P – E) + O.5

De la ecuación anterior, se deduce que la posición del elemento final de control es:

Proporcional a la desviación (P – E) Es inversamente proporcional al ajuste de banda proporcional

UNIDAD 5 13 INSTRUMENTACIÓN II

Como se ve en la figura 7, cuando (B = 100%), el elemento final de control, abre o cierra totalmente, dependiendo del error existente.

Este tipo de control proporcional fig. 8, es un sistema de estabilización muy potente, capaz de ajustarse y con una aplicación muy amplia, pero presenta una característica indeseable llamada off-set (desviación del punto de ajuste) que puede presentarse ya sea por un cambio de carga o un retardo en el proceso. Esta desviación se puede eliminar reajustando manualmente el punto de ajuste.Cabe señalar que si en un proceso el off-set no es un inconveniente el sistema de control proporcional se puede utilizar, de lo contrario se debe usar una combinación.

UNIDAD 5 14 INSTRUMENTACIÓN II

Figura 8 Control proporcional típico

Un control proporcional es satisfactorio cuando:

La velocidad del proceso es lenta o moderada, por ejemplo: controles de nivel y presión de recipientes de mucha o regular capacitancia y donde hay resistencias altas a través de las líneas de alimentación y extracción o desfogue.

No hay grandes atrasos en la transmisión. No hay tiempo muerto o es despreciable. No hay cambios rápidos ni grandes de la variable manipulada

( cambios de carga ).

Se debe tomar en cuenta que en el control proporcional generalmente el valor deseado no coincide con el punto de ajuste.

Control proporcional con reajuste automático (reset) o integral (PI) fig. 9.- Uno de los modos de control que ayuda a evitar la desviación (off-set) característica del control proporcional, es el reajuste automático o integral, el cual se utiliza en combinación con el control proporcional. El efecto que produce el reajuste automático, es repetir la acción efectuada por la acción proporcional, hasta eliminar la desviación entre la variable controlada y el punto de ajuste, no importando la posición del elemento final de control.

UNIDAD 5 15 INSTRUMENTACIÓN II

Off-set

Se aplica, donde se requiere mayor precisión en la regulación de la variable controlada y donde sea necesario eliminar las limitaciones del control proporcional, osea:

a) Absorbe las desviaciones sostenidas y como consecuencia, la variable controlada. tenderá a coincidir siempre con el punto de ajuste (orden que se le da al autómata).

b) Aunque la banda proporcional sea mayor de 100%, la válvula siempre podrá abrir o cerrar totalmente (en caso de que esto se requiera), ya que la característica principal del reajuste automático, es mantener la variable igual a unto de ajuste a costa de la abertura de la válvula.

c) Por la misma razón anterior. si se varía la orden que se da al controlador (punto de ajuste), la válvula automática, está en posibilidad de abrir o cerrar (dentro de sus limites), según sea requerido por la señal correctiva debido al reajuste automático, para llevar a la variable controlada al nuevo valor del punto de ajuste. Además, no afecta el valor de la banda proporcional ajustada (según la característica del proceso).

En general, el reajuste automático, se utiliza junto con el control proporcional para conseguir mejores resultados de estabilidad.

UNIDAD 5 16 INSTRUMENTACIÓN II

En el control integral, el elemento final de control se mueve de acuerdo con una función integral en el tiempo de la variable controlada. Partiendo de la ecuación del control proporcional y agregando la acción del reajuste automático tenemos:

Y = mX + mr X dt + k

Sustituyendo valores tenemos:

Y = 1/B (P – E) + r/B (P – E) dt + k

En donde:

r = Reajuste automático en (rep/min) de efecto producido por la acción proporcional en un instante dado, debido a una desviación instantánea. En los controladores Foxboro, el reajuste automático está en min/rep (1/r).

Las unidades del reajuste automático (reset) que más comúnmente se usa se llama "repeticiones por minuto" que significa el número de veces que la acción de reposición automática reproduce lo que la acción proporcional haría sola.

t = tiempo en minutosk = constante igual a la suma algebraica de b más la

constante de integración de la acción integralb = 0.5

El elemento final de control (generalmente una válvula automática de diafragma) se posiciona proporcionalmente a la integral de la desviación como función del tiempo, en donde la constante de Proporcionalidad es el módulo ajustable (r) en (rep/min)”.

En el control proporcional con reajuste automático su aplicación principal, es en procesos donde hay cambios de la variable manipulada, ya sean frecuentes o grandes, por ejemplo:

a. Cambios de presión en la línea, frecuente o sostenida, donde está la válvula automática para controlar nivel, flujo, presión o temperatura.

b) Cambio de temperatura en vapor de calentamiento.c) Cambio de poder calorífico en un combustible.

UNIDAD 5 17 INSTRUMENTACIÓN II

t1

t0

t1

t0

En los ejemplos anteriores, si el control fuera solamente proporcional, la variable controlada sufriría una desviación sostenida. El reajuste automático (reset ) elimina dicha desviación, haciendo que la variable controlada regrese al punto de ajuste (set-point). En éste tipo de control, el valor deseado sí coincide con el punto de ajuste.

Control proporcional + derivativo (PD).- En la acción derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, el movimiento de la válvula es proporcional a la velocidad de cambio de la variable.

El factor a señalar en la acción derivada es que al oponerse ésta a todas las variaciones, posee un gran efecto de estabilización, aunque no elimina el off-set característico del sistema proporcional, por esta razón el sistema derivativo suele emplearse conjuntamente con la integral.

En algunos procesos que tienen tiempo muerto o bien que tienen retraso de tiempo entre la variable controlada y el momento en que el elemento primario de medición detecta totalmente ese cambio, requieren de un modo de control que actúe inmediatamente que sienta un cambio de la variable y que se anticipe al efecto que pudiera producir un cambio de carga en un proceso con tiempo muerto. Este tipo de control es el de acción derivativa ( rate)..

Se aplica siempre, junto con el control proporcional y el reajuste automático, en procesos donde existe tiempo muerto, y se desea, una estabilización más rápida con mínima desviación, características que en este caso, el control proporcional con reajuste automático únicamente, no puede conseguir. En conclusión el efecto del rate es adelantar la acción del elemento de control.

UNIDAD 5 18 INSTRUMENTACIÓN II

La ecuación que representa el modo de control derivativo (rate).

Y = mR dx/dt + K

En donde:

R = Adelanto en minutos del valor de la corrección que efectuará la acción

proporcional al cabo de un tiempo determinado, debido a una velocidad de cambio del error.

Las unidades en que se mide la acción derivativa es en unidades de tiempo (minutos), ya que su función es la de reducir el tiempo de estabilización de la variable.

Cuando se dice que el control derivativo tiene un ajuste de dos minutos, significa que con la derivada se obtuvo una situación en la variable controlada, dos minutos antes, que no se hubiera logrado si únicamente se emplea una acción proporcional para controlar el proceso. Es decir que las unidades de la acción derivativa están en función de la acción proporcional.

Analizando la ecuación se observa que la posición del elemento final de control, debido a la acción derivativa:

a) Es directamente proporcional a (R) (minutos de adelanto), que se ajustan en el controlador.

b) Es inversamente proporcional al ajuste de la banda proporcional.c) Es directamente proporcional a la velocidad de cambio de la señal de

error.

Proporcional integral derivativo

Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al

UNIDAD 5 19 INSTRUMENTACIÓN II

proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control.

Diagrama en bloques de un control PID.

Funcionamiento

Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos:

1. Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalímetro, manómetro, etc).

2. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador. 3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada

(resistencia eléctrica, motor, válvula, bomba, etc).

El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente continua.

UNIDAD 5 20 INSTRUMENTACIÓN II

El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz(HMI-Human Machine Interface), son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se usan para hacer más intuitivo el control de un proceso.

El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado (consigna) y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la suma de estas tres se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada para ser compatible con el actuador que usemos.

Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional, acción Integral y acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente. Se pretenderá lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones.

UNIDAD 5 21 INSTRUMENTACIÓN II

Control proporcional

Proporcional

La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control, siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenómeno se llama sobreoscilación y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobreoscilación. Hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna

UNIDAD 5 22 INSTRUMENTACIÓN II

componente que tenga en cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa.

La fórmula del proporcional está dada por:

El error, la banda proporcional y la posición inicial del elemento final de control se expresan en tanto por uno. Nos indicará la posición que pasará a ocupar el elemento final de control

Ejemplo: Cambiar la posición de la una válvula (elemento final de control ) proporcionalmente a la desviación de la temperatura ( variable ) respeto al punto de consigna ( variable deseada )

Integral

UNIDAD 5 23 INSTRUMENTACIÓN II

Integral

El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la accción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un periodo de tiempo determinado; Luego es multiplicado por una constante I. I representa la constante de integración. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.

El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º que sumados a los 180º de la retroalimentación ( negativa ) acercan al proceso a tener un retraso de 270º, luego entonces solo será necesario que el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para provocar la oscilación del proceso. <<< la ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1, y así inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el proceso a estabilidad del mismo. >>> Se caracteriza por el tiempo de acción integral en minutos por repetición. Es el tiempo en que delante una señal en escalón,

UNIDAD 5 24 INSTRUMENTACIÓN II

el elemento final de control repite el mismo movimiento correspondiente a la acción proporcional.

El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable con respeto al punto de consigna) de la banda proporcional.

La fórmula del integral está dada por: Isal

Ejemplo: Mover la válvula (elemento final de control ) a una velocidad proporcional a la desviación respeto al punto de consigna ( variable deseada ).

Derivativo

UNIDAD 5 25 INSTRUMENTACIÓN II

Derivativo

La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral).

El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set Point".

La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el error se incremente.

Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y luego se suma a las señales anteriores ( P+I ). Es importante adaptar la respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa

UNIDAD 5 26 INSTRUMENTACIÓN II

corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede responder acordemente.

La fórmula del derivativo está dada por:

El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable controlada.

Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en el proceso. Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable oscila demasiado con relación al punto de consigna. Suele ser poco utilizada debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las complicaciones que ello conlleva.

El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al punto de consigna con las mínimas oscilaciones

Ejemplo: Corrige la posición de la válvula ( elemento final de control ) proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada.

La acción derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de la variable durante el arranque del proceso. Puede emplearse en sistemas con tiempo de retardo considerables, porque permite una repercusión rápida de la variable después de presentarse una perturbación en el proceso.

Significado de las constantes

P = constante de proporcionalidad: se puede ajustar como el valor de la ganancia del controlador o el porcentaje de banda proporcional. Ejemplo: Cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la desviación de la variable respecto al punto de consigna. La señal P, mueve la válvula siguiendo fielmente los cambios de temperatura multiplicados por la ganancia.

UNIDAD 5 27 INSTRUMENTACIÓN II

I = constante de integración: indica la velocidad con la que se repite la acción proporcional.

D = constante de derivación: hace presente la respuesta de la acción proporcional duplicándola, sin esperar a que el error se duplique. El valor indicado por la constante de derivación es el lapso de tiempo durante el cual se manifestará la acción proporcional correspondiente a 2 veces el error y después desaparecerá. Ejemplo: Mueve la válvula a una velocidad proporcional a la desviación respeto al punto de consigna. La señal I, va sumando las áreas diferentes entre la variable y el punto de consigna repitiendo la señal proporcional según el tiempo de acción derivada (minutos/repetición).

Tanto la acción Integral como la acción Derivativa, afectan a la ganancia dinámica del proceso. La acción integral sirve para reducir el error estacionario, que existiría siempre si la constante Ki fuera nula. Ejemplo: Corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada. La señal d, es la pendiente (tangente) por la curva descrita por la variable.

La salida de estos tres términos, el proporcional, el integral, y el derivativo son sumados para calcular la salida del controlador PID. Definiendo u (t) como la salida del controlador, la forma final del algoritmo del PID es:

Usos

Por tener una exactitud mayor a los controladores proporcional, proporcional derivativo y proporcional integral se utiliza en aplicaciones más cruciales tales como control de presión, flujo, fuerza, velocidad, en muchas aplicaciones química, y otras variables. Además es utilizado en reguladores de velocidad de automóviles (control de crucero o cruise control), control de ozono residual en tanques de contacto.

Ajuste de parámetros del PID

El objetivo de los ajustes de los parámetros PID es lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo los efectos de las perturbaciones; se tiene que lograr la mínima integral de error. Si los parámetros del controlador PID (la ganancia del proporcional, integral y derivativo) se eligen incorrectamente, el proceso a controlar puede ser inestable, por ejemplo, que la salida de este varíe, con o sin oscilación, y está limitada solo por saturación o rotura mecánica. Ajustar un lazo de control significa ajustar los parámetros del sistema de control a los valores óptimos

UNIDAD 5 28 INSTRUMENTACIÓN II

para la respuesta del sistema de control deseada. El comportamiento óptimo ante un cambio del proceso o cambio del "setpoint" varía dependiendo de la aplicación. Generalmente, se requiere estabilidad ante la respuesta dada por el controlador, y este no debe oscilar ante ninguna combinación de las condiciones del proceso y cambio de "setpoints". Algunos procesos tienen un grado de no-linealidad y algunos parámetros que funcionan bien en condiciones de carga máxima no funcionan cuando el proceso está en estado de "sin carga". Hay varios métodos para ajustar un lazo de PID. El método más efectivo generalmente requiere del desarrollo de alguna forma del modelo del proceso, luego elegir P, I y D basándose en los parámetros del modelo dinámico. Los métodos de ajuste manual pueden ser muy ineficientes. La elección de un método dependerá de si el lazo puede ser "desconectado" para ajustarlo, y del tiempo de respuesta del sistema. Si el sistema puede desconectarse, el mejor método de ajuste a menudo es el de ajustar la entrada, midiendo la salida en función del tiempo, y usando esta respuesta para determinar los parámetros de control. Ahora describimos como realizar un ajuste manual.

Ajuste manual

Si el sistema debe mantenerse “online”, un método de ajuste es el de primero setear los valores de I y D a cero. Incrementar P hasta que la salida del lazo oscile, luego P debe ser configurada a aproximadamente la mitad del valor configurado previamente. Ahora incrementar D hasta que el proceso se ajuste en el tiempo requerido aunque subir mucho D puede causar inestabilidad. Finalmente, incrementar I, si se necesita, hasta que el lazo sea lo suficientemente rápido para alcanzar su referencia luego de una variación brusca de la carga. Un lazo de PID muy rápido tiene como ventaja alcanza su “setpoint” de manera veloz, aunque algunos sistemas no son capaces de aceptar este disparo brusco; en estos casos se requiere de otro lazo con un P menor a la mitad del P del sistema de control anterior.

Limitaciones de un control PID

Mientras que los controladores PID son aplicables a la mayoría de los problemas de control, puede ser pobres en otras aplicaciones. Los controladores PID, cuando se usan solos, pueden dar un desempeño pobre cuando la ganancia del lazo del PID debe ser reducida para que no se dispare u oscile sobre el valor del "setpoint". El desempeño del sistema de control puede ser mejorado combinando el lazo cerrado de un control PID con un lazo abierto. Conociendo el sistema (como la aceleración necesaria o la inercia) puede ser avanaccionado y combinado con la salida del PID para aumentar el desempeño final del sistema. Solamente el valor de avanacción puede proveer la mayor porción de la salida del controlador. El controlador PID puede ser usado principalmente para responder a cualquier diferencia o "error" que quede entre el setpoint y el valor actual del proceso. Como la

UNIDAD 5 29 INSTRUMENTACIÓN II

salida del lazo de avanacción no se ve afectada a la realimentación del proceso, nunca puede causar que el sistema oscile, aumentando el desempeño del sistema, su respuesta y estabilidad.

Por ejemplo, en la mayoría de los sistemas de control con movimiento, para acelerar una carga mecánica, se necesita de más fuerza (o torque) para el motor. Si se usa un lazo PID para controlar la velocidad de la carga y manejar la fuerza o torque necesaria para el motor, puede ser útil tomar el valor de aceleración instantánea deseada para la carga, y agregarla a la salida del controlador PID. Esto significa que sin importar si la carga está siendo acelerada o desacelerada, una cantidad proporcional de fuerza está siendo manejada por el motor además del valor de realimentación del PID. El lazo del PID en esta situación usa la información de la realimentación para incrementar o decrementar la diferencia entre el setpoint y el valor del primero. Trabajando juntos, la combinación avanacción-realimentación provee un sistema más confiable y estable.

Otro problema que posee el PID es que es lineal. Principalmente el desempeño de los controladores PID en sistemas no lineales es variable. También otro problema común que posee el PID es, que en la parte derivativa, el ruido puede afectar al sistema, haciendo que esas pequeñas variaciones, hagan que el cambio a la salida sea muy grande. Generalmente un Filtro pasa bajo ayuda, ya que removería las componentes de alta frecuencia del ruido. Sin embargo, un FPB y un control derivativo pueden hacer que se anulen entre ellos. Alternativamente, el control derivativo puede ser sacado en algunos sistemas sin mucha pérdida de control. Esto es equivalente a usar un controlador PID como PI solamente.

Conclusiones

Los sistemas PID pueden ser (y son) utilizados en aproximadamente un 80 % de los controles de procesos, debido a su suficiente flexibilidad como para alcanzar excelentes resultados a un precio bajo con respeto a sus competidores.

El uso de los modos de control, es siempre conforme a las características del proceso, lo cual significa que debemos entender bien la operación del proceso antes de automatizarlo y de proceder a las rutinas de los algoritmos de control, veamos unos ejemplos:

El modo On-Off, es un caso especial del modo proporcional aplicable solamente a un proceso estático, ya que la ganancia del On-Off es infinita (B.P.=0). Cuando solo deseamos dar estabilidad al proceso, el modo proporcional es suficiente.

UNIDAD 5 30 INSTRUMENTACIÓN II

Ahora sabemos que el modo proporcional tiene la desventaja de producir un error estacionario (stand by response), para corregirlo es necesario hacerlo integrando el error y ésta es una función del tiempo f (t) = 1 / Iintegrale (t). Siendo I la denominada constante de integración que representa la ganancia con la que el modo integral contribuye.

¿Cuándo se debería aplicar la acción derivativa? Cuando exista un cambio de carga y no podamos esperar a que la acción integral corrija el error por si sola, entonces medimos la velocidad con la que se produce el error y el controlador responderá con la rapidez necesaria para evitar que el error aumente.

Por último, los parámetros de diseño por lo general son totalmente rígidos y basados en objetivos y criterios de diseño, con los que muchas veces no se pueden cumplir o que se requiere de soluciones extremadamente complejas, por lo tanto se debe saber y tener muy en cuenta entre lo que se quiere hacer y lo que los recursos tecnológicos nos pueden ofrecer.

Ejemplos prácticosDeseamos controlar el caudal de un flujo de entrada en un reactor químico. En primer lugar tendremos que poner una válvula de control del caudal de dicho flujo, y un caudalímetro, con la finalidad de tener una medición constante del valor del caudal que circule. El controlador ira vigilando que el caudal que circule sea el establecido por nosotros, en el momento que detecte un error, mandara una señal a la válvula de control de modo que esta se abrirá o cerrará corrigiendo el error medido. Y tendremos de ese modo el flujo deseado e necesario. El PID, es un cálculo matemático, lo que manda la información es el PLC.

Deseamos mantener la temperatura interna de un reactor químico en su valor de referencia. Deberemos tener un dispositivo de control de la temperatura (ya puede ser un calentador, una resistencia eléctrica,...), y un sensor (termómetro). El P, PI o PID irá controlando la variable (en este caso la temperatura). En el instante que esta no sea la correcta avisará al dispositivo de control de manera que este actúe, corrigiendo el error. De todos modos lo más correcto es poner un PID, si hay mucho ruido un PI pero un P no nos sirve demasiado, puesto que no llegaría a corregirnos hasta el valor exacto.

En conclusión el efecto rate es adelantar la acción del elemento de control.

UNIDAD 5 31 INSTRUMENTACIÓN II

La ecuación que representa los tres modos de control es:

Y = mX + mr X dt + mR dX/dt + k

Sustituyendo el valor de:

m = 1/B y X = (P – E)

tenemos:

Y = 1/B (P – E) + r/B (P – E) dt + R/B d(P – E)/dt + k

UNIDAD 5 32 INSTRUMENTACIÓN II

t1

t0

t1

t0

10

Resumiendo la aplicación principal del control PID es en procesos donde existe el tiempo muerto, o bien que tienen retraso de tiempo entre la variable controlada y el momento en que el elemento primario de medición detecta totalmente ese cambio, generalmente en todos los controles de temperatura, requieren de un modo de control que actúe inmediatamente que sienta un cambio de la variable y que se anticipe al efecto que pudiera producir un cambio de carga en un proceso con tiempo muerto. Este tipo de control es el de acción derivativa (rate), evitando con esto la oscilación o mal control que provocaría esos retrasos de medición.

CONDICIONES QUE DEBERÁ CUMPLIR UN CONTROLADOR PID PARA SU CALIBRACIÓN

1. Cuando no hay velocidad de cambio del error, la acción derivativa no deberá actuar

Abriendo totalmente la válvula del rate (acción derivativa), se obtiene un valor mínimo de dicha acción.

2. Cuando no hay desviación ( X = P – E = 0 ), el reset no deberá actuar. Cerrando la válvula del reset (reajuste automático), cuando (E =

P = 9 lb/pulg2), la señal de salida del controlador deberá ser (Y = 9 lb/pulg2).

3. Moviendo el ajuste de (B), (Y) la señal de salida del controlador, no deberá variar

UNIDAD 5 33 INSTRUMENTACIÓN II

Cambio automático -manual -automáticoEs evidente que los controladores deben disponer de un accesorio que permita a voluntad del operador actuar manualmente sobre la válvula de control desde el propio panel de proceso. Esta necesidad es básica en la puesta en marcha del proceso.

En los controladores neumáticos, este accesorio es un pequeño manorreductor que en la posición «manual» desconecta previamente el propio controlador y acciona manualmente la válvula desde el propio instrumento. En «automático», el manorreductor queda desconectado y la señal de salida del controlador pasa directamente a la válvula de control. Como es lógico, debe ser posible efectuar fácilmente el cambio tanto de automático a manual como de manual a automático.

El cambio debe efectuarse de tal modo que la señal a la válvula antes y después no sufra variaciones, para evitar la variación de posición brusca de la válvula que se produciría y que podría repercutir desfavorablemente en el control del proceso.El regulador manual (manorreductor) puede ser independiente del instrumento o bien formar el propio regulador del punto de consigna.

UNIDAD 5 34 INSTRUMENTACIÓN II

11

El segundo caso que es común en los instrumentos neumáticos de panel puede verse en la figura 12. Hay que señalar que, en este tipo de instrumentos, la comparación entre, la variable y el punto de consigna se hace neumáticamente al transmitirse la variable de esta forma, y al generarse el punto de consigna mediante un convertidor neumático cuyo botón de accionamiento está situado generalmente en la parte frontal del instrumento.

En las figuras 11 y 12 puede verse que el cambio de automático a manual o viceversa puede hacerse sin «saltos» en la posición de la válvula siempre que se efectúen con cuidado los pasos descritos. Se han ideado diversos dispositivos que permiten realizar el cambio sin tomar ningún cuidado,

UNIDAD 5 35 INSTRUMENTACIÓN II

12

pasando directamente de manual a automático y viceversa sin que la válvula cambie de posición.

Estos sistemas se basan en el seguimiento automático de los puntos de consigna y de la señal manual a la válvula. En la figura 13 puede verse un instrumento cuyo funcionamiento es el siguiente:

Cambio automático-manual. -La unidad de control manual actúa como un trasmisor de la posición de la rueda manual, con la salida de la tobera preparada para conectar a la entrada del piloto amplificador y con el fuelle de realimentación conectado permanentemente a la señal de salida a válvula. De este modo, al pasar de automático a manual, la señal de salida de la unidad de control manual se aplicará al relé amplificador y dará una señal a la válvula igual a la última señal existente en automático.

Cambio manual-automático. -La presión posterior de la tobera de la unidad manual se aplica al fuelle A1, de la unidad de equilibrio. El conjunto tobera-obturador de esta unidad comunica su presión posterior al fuelle integral de la unidad controladora, cuya tobera está conectada al fuelle A2 de la unidad de equilibrio. De este modo, el sistema se equilibra continuamente manteniendo la igualdad P1 = P3 y en cualquier momento puede pasarse directamente a automático.

TENDENCIAS EN LOS INSTRUMENTOS NEUMÁTICOS

UNIDAD 5 36 INSTRUMENTACIÓN II

13

Los instrumentos neumáticos de control de panel pueden ser del tipo convencional o del tipo miniatura. Estos instrumentos están actualmente muy perfeccionados y puede afirmarse que casi han llegado a su desarrollo límite. Dotados de bloques de control de técnica f1uídica modulares, disponen de acción PID, control en cascada, alarmas de desviación, relés de relación, interruptor para procesos discontinuos, conmutador automático-manual, etc. Son extraíbles de su caja de alojamiento por lo que, en caso de avería, su sustitución es inmediata.

Existen instrumentos auxiliares, situados generalmente detrás del panel de control, que transforman o relacionan entre sí las variables medidas. Típicamente son los extractores de raíz cuadrada, aparatos linealizadores de la señal, relés sumadores, relés multiplicadores y divisores, relés inversores, relés de alarma, integradores, etc.

Aunque los sistemas digitales presentan muchas más ventajas de tratamiento de las señales y de la información, los controladores neumáticos todavía son más baratos en pequeños sistemas, pueden instalarse directamente en áreas peligrosas, y se mantienen funcionando aunque falle la alimentación eléctrica, mientras exista aire en las tuberías de alimentación neumática de la planta.

Deben alimentarse a través de un filtro manorreductor y a la presión de 1,4 bar (o 20 psi). El aire de alimentación debe ser limpio, si es posible sin aceite, suministrado por compreso- res con aros de grafito que no precisan de lubricación.

SISTEMAS DE CONTROL ELECTRÓNICOS Y DIGITALES

Los circuitos electrónicos actuales hacen uso de un amplificador operacional, que mediante la conexión de componentes adecuados dispuestos en forma de realimentación positiva o negativa, constituye el “corazón” de los controladores electrónicos. Necesita sólo una corriente de entrada del orden

UNIDAD 5 37 INSTRUMENTACIÓN II

de los 0.5 nA (0.5 X 10-9 Amp.) para dar lugar a un cambio total en la señal de salida (un valor próximo a la corriente de alimentación).

La mayoría de los amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales que disponen de tres terminales, dos en la entrada y uno en la salida. Una señal de entrada aplicada al terminal denominado “no inversor” hará que la salida cambie en la misma dirección; el símbolo aplicado es +Ve. Una variación de señal en la otra entrada hará que la señal de salida cambie en dirección inversa; este segundo terminal se denomina “inversor” y se representa por el símbolo –Ve.

El símbolo utilizado para representar un amplificador operacional es un triángulo equilátero con su base vertical en la que se conectan los dos terminales de entrada, el superior es el inversor –Ve y el inferior el no inversor +Ve mientras que el vértice se acostumbra situar a la derecha conectándosele el terminal de salida.

En la siguiente figura se muestra un circuito real de un amplificador que esta rodeado por muchas conexiones que aunque sean necesarias, no intervienen en la función principal del amplificador.

Control todo-nada.- El amplificador operacional puede utilizarse como un controlador todo-nada muy sensible gracias a la alta ganancia del amplificador. Bastará una pequeña diferencia de señales en la entrada para que se obtenga una salida total en voltios ligeramente inferior a la tensión de alimentación.

Como señal de entrada se utiliza la diferencia entre la variable y el punto de ajuste y en el terminal de salida se conecta un circuito de excitación del relé final de control. La zona neutra del control todo-nada se logra mediante una resistencia conectada en serie con el terminal no inversor del amplificador y

UNIDAD 5 38 INSTRUMENTACIÓN II

14

con una resistencia conectada entre este ultimo terminal y el de salida del amplificador. En la siguiente figura se muestra como está constituido un controlador con acción todo-nada.

Cuando la señal en el terminal B aumenta unos pocos milivoltios con relación a la del terminal A, la salida Vo aumenta y es realimentada vía la resistencia R2 a la entrada del amplificador, bloqueando éste. El amplificador permanece en estas condiciones gracias al divisor de tensión que forman los terminales B y la salida.

Para que las condiciones iniciales se restablezcan, la señal de entrada debe bajar los suficientes milivoltios, con relación al terminal inversor, para compensar el efecto del divisor de tensión R1R2. El valor de la zona muerta depende de la relación R2/ Rl y será tanto más pequeña cuanto mayor sea esta relación.

Control proporcional de tiempo variable.- El control todo-nada descrito anteriormente puede modificarse ligeramente para obtener un control proporcional de tiempo variable. En la figura 16 puede verse el esquema correspondiente que deriva del todo-nada aplicando un circuito RC entre la salida y la entrada inversora, para conseguir de este modo un retardo en la realimentación inversora y hacer que el circuito entre en oscilación. A continuación se detalla el funcionamiento del circuito o modo de control:Sea la tensión en A nula y la tensión en B negativa con respecto a A. Evidentemente, la señal de salida será negativa, con lo cual el condensador C1 se cargará negativamente y el divisor de tensión RaR1R2 impedirá que el terminal inversor del amplificador operacional tenga menor tensión negativa que la entrada no inversora.

UNIDAD 5 39 INSTRUMENTACIÓN II

Fig. 15 Control todo-nada electrónico

UNIDAD 5 40 INSTRUMENTACIÓN II

Fig. 16 Control proporcional de tiempo variable

UNIDAD 5 41 INSTRUMENTACIÓN II

UNIDAD 5 42 INSTRUMENTACIÓN II

UNIDAD 5 43 INSTRUMENTACIÓN II

MODOS DE CONTROL RECOMENDABLES DE ACUERDO A DIFERENTES CARACTERÍSTICAS DEL

PROCESO

VELOCIDAD DE

REACCIÓN

RETARDOS POR RESISTENCIA - CAPACITANCIA

TIEMPO MUERT

O

EXPUESTO A CAMBIO DE CARGA

MODO DE CONTROL

RECOMENDABLE

Lenta Moderados y Grandes

Pequeño De cualquier

magnitud y velocidad

Dos posiciones

Lenta Moderados y Grandes

Pequeño Lentos de magnitud moderada

Dos posiciones con banda diferencial

Lenta o Moderada

Moderados Pequeño Pequeños de

velocidad moderada

Proporcional

Cualquiera Cualquier magnitud

Pequeño o

Moderado

Lentos o moderados

de gran magnitud

Proporcional más integral

Moderada Cualquier magnitud

Pequeño Pequeños de cualquier

velocidad

Proporcional más derivativo

Cualquiera Cualquier magnitud

Pequeño Rápidos de gran

magnitud

Proporcional más integral

más derivativo

 

 

 

UNIDAD 5 44 INSTRUMENTACIÓN II

Usos

Por tener una exactitud mayor a los controladores proporcional, proporcional derivativo y proporcional integral se utiliza en aplicaciones más cruciales tales como control de presión, flujo, química, fuerza, velocidad y otras variables. Además es utilizado en reguladores de velocidad de automóviles.

conclusiones

El uso de los modos de control, es siempre conforme a las características del proceso, lo cual significa que debemos enteder bien la operación del proceso antes de automatizarlo y de proceder a las rutinas de los algoritmos de control, veamos unos ejemplos:

El modo On-Off, es un caso especial del modo proporcional aplicable solamente a un proceso estático, ya que la ganancia del On-Off es infinita ( B. P. = 0 ). Cuando solo deseamos dar estabilidad al proceso, el modo proporcional es suficiente.

Ahora sabemos que el modo proporcional tiene la desventaja de producir un error estacionario ( stand by response ), para corregirlo es necesario hacerlo integrando el error y ésta es una función del tiempo f(t) = 1 / Iintegrale(t) . Siendo I la denominada constante de integración que representa la ganancia con la que el modo integral contribuye.

¿Cuando aplicar la acción derivativa ?, CUANDO EXISTE UN CAMBIO DE CARGA y no podemos esperarnos a que la acción integral corrija el error por si sola, entonces medimos la velocidad con la que se produce el error y el controlador responderá con la rapidez necesaria para evitar que el error aumente.

UNIDAD 5 45 INSTRUMENTACIÓN II

CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE

(PLC)

El término PLC proviene de las siglas en inglés para Programmable Logic Controler, que traducido al español se entiende como “Controlador Lógico Programable”. Se trata de un equipo electrónico, que, tal como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales.

Para que un PLC logre cumplir con su función de controlar, es necesario programarlo con cierta información acerca de los procesos que se quiere secuenciar. Esta información es recibida por captadores, que gracias al programa lógico interno, logran implementarla a través de los accionadores de la instalación.

El controlador Programable tiene la estructura típica de muchos sistemas programables, como por ejemplo una microcomputadora. La estructura básica del hardware de un consolador Programable propiamente dicho está constituido por:

-         Fuente de alimentación

-         Unidad de procesamiento central (CPU)

-         Módulos de interfases de entradas/salidas (E/S)

-         Modulo de memorias

-         Unidad de programación

En algunos casos cuando el trabajo que debe realizar el controlador es más exigente, se incluyen Módulos Inteligentes.

Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, o PLCs, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos calificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento.

Un PLC es un sistema de microprocesador. En cierta forma se puede decir que es una computadora de tipo industrial. Un PLC tiene una CPU (Unidad central de procesamiento), fuente de alimentación, interfases para comunicación y puertos de entradas y salidas de tipo analógico o digital que se fabrican en tarjetas o módulos. Tanto el CPU y sus periféricos, que son los módulos de entradas y salidas, se interconectan mediante un bus del sistema que en algunos modelos de PLC‘s está hecho sobre una placa con ranuras(Slots) en donde se insertan uno por uno, del mismo modo en que se insertan las tarjetas de expansión en la placa base de una computadora personal.. De hecho, muchos modelos de PLC actualmente instalados en todo el mundo fueron realizados con microprocesadores Intel 386/486(Algunos modelos Ge-Fanuc).

UNIDAD 5 46 INSTRUMENTACIÓN II

ESTRUCTURA Y COMPONENTES BASICOS DEL PLC

EL CPU

Es la parte más compleja e imprescindible del controlador programable, que en otros términos podría considerarse el cerebro  del controlador.

La unidad central está diseñado a base de microprocesadores y memorias; contiene una unidad de control, la memoria interna del programador RAM, temporizadores, contadores, memorias internas tipo relé, imágenes del proceso entradas/salidas, etc. Su misión es leer los estados de las señales de las entradas, ejecutar el programa de control y gobernar las salidas, el procesamiento es permanente y a gran velocidad.

El PLC tiene un sistema operativo hecho por su fabricante. La memoria en donde el PLC almacena el programa con la lógica de control es de tipo E2PROM. Esto es, Memoria Programable de Solo Lectura Eléctricamente Borrable (Electriacally Erased Programable Read Only Memory) de modo que cuando el PLC pierde energía su programación y algunos datos indispensables para su correcto funcionamiento no se pierden. El PLC también cuenta con memoria RAM en donde guarda una "imagen" de las señales de entrada y las señales de salida.

Fuente de Poder

La fuente de poder del PLC es el componente que energiza al CPU y alimenta a los módulos que pudiese tener instalados. Normalmente las fuentes de PLC's tienen una salida de C.D.

UNIDAD 5 47 INSTRUMENTACIÓN II

Cuando elegimos la fuente de poder del PLC debemos saber cuánta corriente máxima puede llegar a consumir cada módulo, sumar las corrientes y así determinamos la capacidad de la fuente de poder necesaria.

La función de la fuente de poder en un controlador, es suministrar la energía ala CPU y demás tarjetas según la configuración del PLC.

+ 5 V para alimentar a todas las tarjetas

+ 5.2 V para alimentar al programador

+ 24 V para los canales de lazo de corriente 20 mA.

MODULOS O INTERFASES DE ENTRADA Y SALIDA (E/S)

Son los que proporciona el vínculo entre la CPU del controlador y los dispositivos de campo del sistema. A través de ellos se origina el intercambio de información ya sea para la adquisición de datos o la del mando para el control de maquinas del proceso.

Tipos de módulos de entrada y salida

UNIDAD 5 48 INSTRUMENTACIÓN II

Debido a que existen gran variedad de dispositivos exteriores (captadores actuadotes), encontramos diferentes tipos de módulos de entrada y salidas, cada uno de los cuales sirve para manejar cierto tipo de señal  (discreta o análoga) a determinado valor de tensión o de corriente en DC o AC.

Módulos de entradas discretas

Módulos de salidas discretas

Módulos de entrada analógica

Módulos de salida analógica

MÓDULOS DE MEMORIAS

Son dispositivos destinados a guardar información de manera provisional o permanente

Se cuenta con dos tipos de memorias,

                        Volátiles (RAM)

                        No volátiles (EPROM y EEPROM)

UNIDAD DE PROGRAMACION

Los terminales de programación, son el medio de comunicación entre el hombre y la máquina; estos aparatos están  constituidos por teclados y dispositivos de visualización

Existen tres tipos de programadores los manuales (Hand Held) tipo de calculadora, Los de video tipo (PC), y la (computadora).

Módulos de Entradas Discretas de C.D.

Estos módulos son usualmente de 8, 16 o 32 entradas para niveles de voltaje de 0 a 24VCD que es el rango de voltajes típico a la salida de los sensores comerciales, aunque también existen módulos que soportan voltajes superiores. La etapa de entrada de los módulos están aisladas del bus interno del PLC mediante optoaisladores que convierten los niveles de 0 a 24 VCD a niveles TTL o inferiores. Usualmente una de las dos terminales de cada optoaislador se conectan a un punto común, de modo que para un módulo de 16 entradas, en lugar de manejar 16 x 2 = 32 terminales, solo se se tienen [16 Señales de entrada] + [ 1 Terminal Común] + [1 Terminal para aterrizar] = 18 terminales. En algunas ocaciones las entradas de un mismo módulo se conectan en dos grupos con nodo común independiente, de modo se tenga una mayor versatilidad. Si deseamos usar un módulo así para 16 entradas usando un mismo nodo común, solo debemos cortocircuitar las terminales comunes de

UNIDAD 5 49 INSTRUMENTACIÓN II

ambos grupos. Los elementos que usualmente se conectan a estas entradas discretas son sensores, interruptores, botones y relevadores.

Podemos ver claramente que los sensores, botones, relevadores, etc funcionana como interruptores conectados en serie con las entradas del PLC.

Modulos de Entradas Discretas de C.A.

En estos módulos tambien existe un optoaislamiento entre el bus del PLC y la circuiteria externa. Solo que por manejarse voltajes alternos de 120/240 VCA se utilizan arreglos de diodos tipo puente para obtener un pulso directo a la entrada del optoaislador. Igualmente se tiene módulos con un punto común a todas las señales o bien varios grupos de señales con una terminal común para dar versatilidad al módulo. Así, una señal alterna de 120/240 VCA produce internamente un voltaje de C.D. y se considera que la entrada está activada.

Podemos ver claramente que los sensores, botones, relevadores, etc funcionana como interruptores conectados en serie con las entradas del PLC.

UNIDAD 5 50 INSTRUMENTACIÓN II

Módulos de Salidas Discretas de C.D.

La etapa de salida de estos móduos se implementa acoplando un optoaislador al bus del PLC y conectando la salida del optoaislador a través de un transistor de potencia que soporta cargas del oreden de entre 0.5 y 2A o superiores. Nuevamente se presenta una conexión común para cada transistor de salida lo cual reduce la caantidad de terminales necesarias.

De este modo, las salidas del PLC funcionan como interruptores conectados en serie con los actuadores.

UNIDAD 5 51 INSTRUMENTACIÓN II

Módulos de Salidas Discretas de C.A.

La etapa de salida de estos módulos se implementan acoplando un optoaislador al bus del PLC y conectando la salida del optoaislador a la compuerta de un TRIAC a través de una etapa de potencia. Un TRIAC es un dispositivo semiconductor que funciona como un circuito abierto cuando su compuerta no está energizada y como circuito cerrado cuando su

UNIDAD 5 52 INSTRUMENTACIÓN II

compuerta sí está energizada. De este modo, las salidas del PLC funcionan como interruptores conectados en serie con los actuadores.

Módulos de Entradas Analógicas

Como el PLC s esencialmente un sistema digital, es necesario realizar una conversión analógico/digital, de modo que una variable física obtenida a través de un sensor pueda ser representada como un número binario y así realizar las operaciones necesarias. Los módulos

UNIDAD 5 53 INSTRUMENTACIÓN II

de entrada analógicos tienen integrado un conjunto de convertidores analógico/digital y lo que entregan al CPU del PLC es un número binario. Las representaciones típicas son de 12 bits, aunque existen módulos con capacidades de hasta 16 bits. Algunos más sofisticados pueden configurarse para resoluciones desde 8 hasta 16 bits. Acada entrada de señal analógica se le llama canal. Usualmente encontramos módulos de entradas analógicas de cuatro canales.

Atendiendo a la gran variedad de sensores y a sus distintas naturalezas, los fabricantes de PLC's diseñan módulos para medisión de voltaje( +/- 10 V típicos), corriente(0 a 20 mA típicos), y resistencia(termistores).

Módulos de Salidas Analógicas

Actualmente los módulos de salidas analógicas de los PLCs son muy sofisticados. Algunos módulos pueden cofigurarse como salidas de voltaje o como salidas de corriente, según nuestras necesidades.

UNIDAD 5 54 INSTRUMENTACIÓN II

Como el CPU del PLC manipula numeros binarios, cuando se escribe el valor de una salida, este número entra a un DAC(Convertidor Digital Analógico). Por supuesto, la salida de un DAC es un voltaje "escalonado". Algunos modelos incorporan un filtro en sus etapas de salida, de modo que el voltaje a la salida sea "suavizado".

TIPOS DE PLC (CLASIFICACION)

Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su capacidad,

en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en varias

categorías.

UNIDAD 5 55 INSTRUMENTACIÓN II

PLC tipo Nano: Generalmente PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O integradas ) que

puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100.

Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.

PLC tipo Compactos: Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y

módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta

varios cientos ( alrededor de 500 I/O ) , su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una

gran variedad de módulos especiales, tales como:

entradas y salidas análogas

módulos contadores rápidos

módulos de comunicaciones

interfaces de operador

expansiones de i/o

PLC tipo Modular: Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el

controlador final, estos son:

Rack

Fuente de Alimentación

CPU

Módulos de I/O

De estos tipos existen desde los denominados Micro PLC que soportan gran cantidad de I/O,

hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O.

CONCEPTOS GENERALES DE PROGRAMACION PARA PLC’S

Antes de iniciar con el proceso de programación, es conveniente tener claro algunos conceptos preliminares respecto a la organización de los programas en la memoria del procesador.

Por otro lado, también es importante reconocer las diferentes representaciones de los lenguajes de programación, así como, su denominación en marcas de reconocido prestigio.

PROGRAMA, PROGRAMACION Y LENGUAJES DE PROGRAMACION

Desde el punto de vista del Procesador, un programa es un conjunto de instrucciones o proposiciones bien definidas que le dicen lo que tiene quehacer. Cada instrucción le indica: - qué operación realizará a continuación

- de dónde obtendrá los datos que necesita para realizarla

- dónde guardará los resultados de la operación.

UNIDAD 5 56 INSTRUMENTACIÓN II

Desde el punto de vista del usuario, un programa, son las especificaciones de un conjunto de operaciones que debe llevar a cabo el computador para lograr resolver una determinada tarea.

Un programa se escribe en un lenguaje de programación, estos lenguajes permiten simplificar la creación de programas debido a su fácil descripción de las instrucciones que ha de ejecutar el procesador; en algunos casos, agrupando varias instrucciones y dando un solo nombre al conjunto, de tal forma que la lista de operaciones se reduce considerablemente, resultando fácil la comprensión y resolución de programas. También varios cientos de instrucciones simples se pueden expresar con una lista de unas cuantas líneas.

Finalmente, a la acción de realizar un programa se le conoce como programación.

En conclusión, reuniendo estos tres conceptos podemos decir: Un programa se escribe en un lenguaje de programación y a la actividad de expresar un algoritmo en forma de programa se le denomina programación.

A menudo, el lenguaje de programación se denomina software de programación cuando se emplea un término genérico, a fin de distinguirlo del hardware.

CLASIFICACION DE LOS PROGRAMAS

Parte del programa lo escriben los usuarios para ejecutar tareas que deseemos automatizar, pero además existen otros programas ya escritos que permiten procesar los programas del usuario. A continuación, se definirán estos dos tipos de programas.

PROGRAMAS DEL SISTEMA

Existen cierto número de otros programas que proporcionan servicios vitales a los programas del usuario, esto es, realizan funciones operativas internas del controlador; estos programas, incluyendo los traductores de lenguaje reciben la denominación colectiva de programas del sistema o software del sistema. Un elemento notable de éste es el sistema operativo, cuyos servicios incluyen el manejo de los dispositivos de entrada y salida del PLC, el almacenamiento de la información durante largos períodos, organizar el procesamiento de los programas del usuario o aplicación, etc.

Estos programas están almacenados en memoria EPROM dentro de la CPU, por lo tanto no se pierden ni alteran en caso de pérdida de alimentación al equipo. El usuario No tiene acceso a ellos.

PROGRAMAS DE APLICACION  DEL USUARIO

Es el conjunto de instrucciones o proposiciones que programa el usuario, con el fin de resolver tareas de automatización específica. Para ello, el usuario escribe el programa de acuerdo a la representación del lenguaje de programación que mejor se adapte a su trabajo,  en todo caso, tenga un mejor dominio. Es importante señalar, que algunos fabricantes no emplean todos los tipos de representaciones de los lenguajes de programación, no obstante, el usuario tendrá que adaptarse a la representación que se disponga.

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REPRESENTACION DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACION Y LA NORMA IEC 1131-3

En la actualidad cada fabricante diseña su propio lenguaje de programación, lo que significa, que existe una gran variedad comparable con la cantidad de PLCs que hay en el mercado.

Las formas que adopta el lenguaje de programación usado para realizar programas se denomina representación del lenguaje de programación.

Hasta el momento existen tres tipos de representaciones como las más difundidas a nivel mundial, las cuales cada fabricante la (s) emplea para su programación, estas son :

- Lista de instrucciones

- Plano defunciones y

- Diagrama contactos o plano de contactos

Es obvio, que la gran diversidad de lenguajes de programación da lugar a que cada fabricante tenga su propia representación, originando cierta incomodidad al usuario cuando programa más de un PLC.

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Con el objetivo de uniformizar estas representaciones, se ha establecido una norma internacional IEC 1131-3 que se encarga de estandarizar los lenguajes de programación.

Esta norma contempla dos tipos de lenguajes de programación

- Lenguajes Gráficos

- Lenguajes Textuales

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