UNIVERSIDAD NACIONAL DE...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION

INTRODUCCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL

Ing. Jorge Cosco Grimaney

2011

INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 2

INDICE

1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CO NTROL

1.1 Introducción

1.2 Concepto de sistemas

1.3 Sistemas de control

1.4 Sistemas de medición

1.5 Definiciones básicas de control

1.5.1 Sistema 1.5.2 Sistema de control automático 1.5.3 Planta 1.5.4 Variables del sistema 1.5.5 Perturbación 1.5.6 Señal de referencia 1.5.7 Señal de error 1.5.8 Unidad de control 1.5.9 Unidad de realimentación 1.5.10 Actuador 1.5.11 Transductor 1.5.12 Sensor 1.5.13 Amplificador 1.5.14 Proceso 1.5.15 Variable controlada 1.5.16 Variable manipulada 1.5.17 Variable perturbadora 1.5.18 Variable medida 1.5.19 Variable de entrada

1.6 Sistemas de control clásico

1.6.1 Sistemas de control de lazo abierto

1.6.2 Sistemas de control de lazo cerrado

1.7 Controlador

1.8 Actuador

1.9 Diagramas de control

1.9.1 Símbolos en instrumentación 1.9.2 Símbolos en control de procesos 1.9.3 Símbolos de elementos finales de control 1.9.4 Símbolos de dispositivos primarios


1.1 INTRODUCCION

Un sistema automático de control es un

conjunto de componentes físicos conectados o

relacionados entre sí, de manera que regulen o

dirijan su actuación por sí mismos, es decir sin

intervención de agentes exteriores (incluido el

factor humano), corrigiendo además los

posibles errores que se presenten en su

funcionamiento.

El control automático estudia los modelos matemáticos de sistemas

dinámicos, sus propiedades y el cómo modificar éstas mediante el uso de

otros sistemas dinámicos llamados controladores.

El ser humano utiliza constantemente sistemas de control en su vida

cotidiana, como en su vista, en su caminar, al conducir un automóvil, al

regular la temperatura de su cuerpo y otros. Los conocimientos de esta

disciplina se aplican para controlar procesos químicos, procesos térmicos,

procesos mecánicos y en todo tipo de maquinaria industrial, vehículos

terrestres y aeroespaciales, robots industriales, plantas generatrices de

electricidad, etc.

El control ha evolucionado desde básicos sistemas mecánicos, hasta

modernos controladores digitales. En un principio, los sistemas de control

se reducían prácticamente a reacciones; éstas eran provocadas mediante

contrapesos, poleas, fluidos, etc. A principios del siglo pasado, se comenzó

el trabajo con modelos matemáticos más estrictos para realizar el control

automático. Se inició por ecuaciones diferenciales; luego, surgió el análisis

de la respuesta en frecuencia y lugar geométrico de las raíces. Con el

surgimiento de sistemas digitales que posibilitan el análisis en el dominio del

tiempo, los sistemas de control moderno se basaron en éste y las variables

de estado.

El uso de las computadoras digitales ha posibilitado la aplicación en forma

óptima del control automático a sistemas físicos que hace algunos años atrás

eran imposibles de analizar o controlar. Uno de estos avances esta dado por

la aplicación de las técnicas de control difuso, aplicaciones con redes

neuronales, simulación de sistemas de control y sistemas expertos entre

otros.

El Control Automático juega un papel fundamental en los sistemas y

procesos tecnológicos modernos. Los beneficios que se obtienen con un

buen control son enormes. Estos beneficios incluyen productos de mejor

calidad, menor consumo de energía, minimización de desechos, mayores

niveles de seguridad y reducción de la polución.


1.2 SISTEMA

Es una unidad formada por una serie de elementos que tienen algún tipo de

interrelación entre sí, y que pueden ser considerados como un conjunto

respecto a algunas propiedades o características

Cada elemento tiene condiciones físicas asociadas que definen parámetros. A

los parámetros de cada elemento se les denomina parámetros del sistema.

Las condiciones físicas de cada componente son cambiantes con el tiempo y

determinan el estado del sistema en cada momento y se les denominan

variables del sistema.

Figura 1

Los sistemas se definen en todas las áreas. En control lo analizaremos en el

contexto de sistemas físicos que se describen por leyes de las ciencias

físicas.

1.3 SISTEMA DE CONTROL

Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que

pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr

un funcionamiento predeterminado

Un sistema de control controla la salida del sistema a un valor o secuencia

de valores determinados. El objetivo de cualquier estrategia de control es

mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado

conocido como punto de ajuste “set-point. La variable controlada debe

permanecer estable,

El principio de todo sistema de control automático es la aplicación del

concepto de realimentación o feedback (medición tomada desde el proceso

que entrega información del estado actual de la variable que se desea

controlar) cuya característica especial es la de mantener al controlador

central informado del estado de las variables para generar acciones


correctivas cuando así sea necesario. Este mismo principio se aplica en

campos tan diversos como el control de procesos químicos, control de

hornos en la fabricación del acero, control de máquinas herramientas,

control de variables a nivel médico e incluso en el control de trayectoria de

un proyectil militar.

Figura 2

Un sistema de control puede ser mecánico, neumático, hidráulico, eléctrico,

electrónico o por computadora (PLC)

Un sistema de control de un intercambiador de calor controlado por un

hombre sería como en la figura 3.

FIGURA 3

El operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado,

calcula cuanto más abrirá la válvula de vapor, y hace las correcciones

correspondientes; así las funciones básicas del control manual realizado por

un ser humano son: Medir, Comparar, Calcular, Corregir.

Los fundamentos de un sistema de control automático se encuentran en las

funciones de control manual realizadas por el hombre.

ENTRADA DEAGUA FRIA

Lazo de Control

sensor

accióncorrectora

proceso

computa

comparacontrolador

ENTRADADE VAPOR

SALIDA DEAGUA CALIENTE


1.4 SISTEMA DE MEDICIÖN

Los sistemas de medición permiten conocer las magnitudes de los

parámetros físicos de los sistemas de control que se analiza o controlan.

Un sistema de medición esta formado por:

SENSOR.- Transforma una variable física en una señal eléctrica

Figura 4

ACONDICIONADOR.- Amplifica, filtra y linealiza la señal proporcionada por

el sensor

CONVERTIDOR ANALOGO DIGITAL.- Es el dispositivo que convierte la

señal análoga a señales digitales. CAD

Figura 5

PROCESADOR.- Analiza y memoriza la información y lo envía a los visualizadores

VISUALIZADOR.- Es el dispositivo donde se presentan los resultados puede

ser un display, un dispositivo electromecánico, etc.


1.5 DEFINICIONES BASICAS DE CONTROL

Sistema: es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de realizar

una operación dada o de satisfacer una función deseada

Sistema de control automático: El control automático es el

mantenimiento de un valor deseado para una cantidad o condición física,

midiendo su valor actual, comparándolo con el valor referencia, y utilizando

la diferencia para proceder a reducirla mediante una acción correctiva.

Planta: Sistema sobre el que pretendemos actuar.

Figura 6

Variables del sistema: Son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia y

control, que definen el comportamiento de un sistema (velocidad,

temperatura, posición, etc.).

Entrada: Es la excitación que se aplica a un sistema de control desde una

fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta.

Salida: Es la respuesta que proporciona el sistema de control.

Perturbación: Son las señales no deseadas que influyen de forma adversa

en el funcionamiento del sistema. Por ejemplo abrir una ventana representa

una perturbación en el sistema de control de temperatura mediante

termostato.

Señal de referencia: es una señal de entrada conocida que nos sirve para

calibrar al sistema.

Señal de error: también denominada señal activa. Representa la diferencia

entre la señal de entrada y la realimentada.

Unidad de control: Gobierna la salida en función de una señal de

activación.


Unidad de realimentación: está formada por uno o varios elementos que

captan la variable de salida, la acondicionan y trasladan a la unidad de

comparación.

Actuador: Es un elemento que recibe una orden desde el regulador o

controlador y la adapta a un nivel adecuado según la variable de salida

necesaria para accionar el elemento final de control, planta o proceso.

Transductor: Transforma una magnitud física en otra que es capaz de

interpretar el sistema.

Sensor: Transforma una magnitud física en una

señal eléctrica

Los sensores son los elementos primarios de

medición de variables del proceso, siendo

algunos usados para lectura e indicación y otros

para transformar la variable medida en una

señal eléctrica, los más usados en la industria

son los de velocidad, nivel, presión, temperatura,

flujo, proximidad, tensión, densidad, humedad,

color, entre otros.

Pueden ser de Contacto, No Contacto, Digital o

Analógico.

Los sensores de contacto realizan la medida en

contacto físico con el producto; por ejemplo los

sensores de boyas para medir el nivel de un

tanque.

Los sensores de no contacto se basa en las

propiedades físicas de los materiales para realizar

su medida, son menos propensos a fallas.

Los sensores digitales son más fáciles de usar y

trabajan como una computadora en forma binaria

en dos estados: encendido (ON) o apagado

(OFF).

Los sensores analógicos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser más

utilizadas en diversos parámetros de operación, como son: el nivel, la

presión, temperatura y el flujo

Amplificador: Proporciona un nivel de señal

procedente de la realimentación, entrada,

comparador, etc., adecuada al elemento sobre el que

actúa.


Proceso: El término planta o proceso, para los fines de control significa el

equipo a automatizar en donde se estabiliza la variable de control, a través

de los sensores, actuadores y controladores.

Las respuestas de un proceso a una determinada perturbación están casi

siempre caracterizadas por dos constantes: una constante de tiempo (ττττ) y

una ganancia estática.

La ganancia es la amplificación o atenuación de la perturbación en el interior

del proceso y no tiene interferencia con las características de tiempo de

respuesta.

La constante de tiempo, es la medida necesaria para ajustar un sistema de

una perturbación en la entrada y puede ser expresada como producto de:

ττττ = resistencia x capacidad

Otro factor importante en la dinámica de procesos incluye el movimiento de

masas entre dos puntos y es denominado atraso de transporte o tiempo

muerto

Variable Controlada

Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable

(sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el

sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante

para dar inicio al control.

Figura 7

En el ejemplo mostrado del intercambiador de calor de la figura se observa,

la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener

en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y

agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más

importante del sistema es la temperatura de salida del agua, que sería en

este caso la Variable Controlada.

BULBO

TERMOMETROINDICADOR

SALIDA DEAGUA CALIENTE

ENTRADA DEAGUA FRIA

VALVULADE VAPOR

ENTRADADE VAPOR

Variable

controlada

TEMPERATURA


PROCESO

SENSOR ÓELEMENTO DE

MEDICIÓN

SALIDAENTRADA

DETECTOR DE ERRORO CONTROLADOR

PERTURBACIÓN

SET POINT

VALOR DEREFERENCIA

ERROR

VARIABLEMEDIDA

VARIABLEMANIPULADA

VARIABLEPERTUBARADORA

VARIABLECONTROLADA

ACTUADOR ÓELEMENTO

FINAL DECONTROL

Variable Manipulada

Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del

proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema.

En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor

cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la

variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor.

Figura 8

Variable Perturbadora

Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos

afectando el proceso.

En el ejemplo, la variable perturbadora sería el flujo de entrada de agua fría,

si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de

suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso

originando la desestabilización del sistema.

Variable Medida

Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, por lo tanto

deberá ser monitoreado; no siendo necesariamente la mas importante para

controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data.

Variable de Entrada

Es el parámetro fijado mediante medios eléctricos, electrónicos, o por

software para que el sistema actué


1.6 SISTEMAS DE CONTROL CLASICO

Existen diversas estrategias de control como; Control de lazo abierto (open

loop control), Control con retroalimentación (Feedback), Control en cascada,

Control de relación (Ratio control) y Control Predictivo. Los sistemas de

control básicos son el de lazo abierto y el de lazo cerrado de ellos se

diseñan sistemas para satisfacer necesidades especiales de un proceso y su

comprensión es importante para entender los sistemas complejos de control.

1.6.1.- Sistemas de Control de Lazo Abierto

En estos sistemas la variable controlada no se retroalimenta. La conformidad

entre el valor alcanzado por la variable controlada y su valor de referencia

depende de la calibración, y consiste en establecer una relación entre la

variable manipulada y la variable controlada. Estos sistemas solo son útiles

en ausencia de perturbaciones

En estos sistemas de control la salida no tiene efecto sobre la acción de

control, es decir no se compara la salida con la entrada de referencia. Por lo

tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de

operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración y del

operador cuya función será la del controlador.

Figura 9

En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no

cumple su función asignada, por no tener una forma de conocer el resultado

del control efectuado o salida del proceso. La figura 10 corresponde a un el

intercambiador de calor donde la variable controlada está expuesta a

perturbaciones que la entrada no entera.

Ajuste deParámetros

A(s)

ControladorGc(s)

ElementoFinal de control

Gv(s)

ProcesoGp(s)

PerturbaciónGD(s)

D(s)

++

VariableManipulada

M(s)

Acción deControl

F(s)

Valor deReferencia

V(s)"Set point"R(s)

VariableControlada

C(s)

Figura 10


HIK

solución

concentrada

B, XB

Manómetrocalibrado enunidades deconcentración

P, XpSoluciónSalina

Agua

A, Xa = 0

En la figura 11 se muestra un control de concentración de una solución

salina donde se puede observar que la salida no modifica la posición de la

válvula de la solución concentrada en caso de perturbaciones externas al

sistema

Figura 11

Luego podemos afirmar que los fundamentos de un sistema de control

automático en este sistema deben de provenir de las funciones básicas del

control manual realizadas por un ser humano. En la práctica el control de

lazo abierto sólo se utiliza si la relación entre la entrada y la salida es

conocida y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas

significativas.

Sus características mas importantes son.

� Fácil montaje y mantenimiento

� Bajo costo

� No tiene problemas de estabilidad

� Nada asegura su estabilidad ante una perturbación

� La salida no se compara con la entrada

� Afectado por las perturbaciones

� La precisión depende de la previa calibración del sistema

1.6.2.- Sistema de Control de Lazo Cerrado

Se denomina sistema de control de lazo cerrado cuando frente a presencia

de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y

el valor deseado o “set point”. El principio de funcionamiento consiste en

medir la variable controlada mediante los captadores o sensores, convertirla

en señal y retroalimentarla para compararla con la señal de entrada de

referencia. La diferencia entre ésta y la señal retroalimentada constituye la

señal de error, la cual es empleada por la Unidad de Control para calcular la

variación a realizar en la variable manipulada y mediante los accionadores

restablecer la variable controlada en su valor de referencia.


Figura 12

En la figura 13 la planta o proceso entrega información mediante los

captadores o sensores a la unidad de control y este ordena mediante los

accionadores o actuadores la corrección de la variable controlada que es

proporcionada a la unidad de control por el nivel de supervisión

Figura 13


1.7 CONTROLADOR

El controlador es una componente del

sistema de control que detecta los

desvíos existentes entre el valor medido

por un sensor y el valor deseado o “set

point”, programado por un operador;

emitiendo una señal de corrección hacia

el actuador La señal que entrega el

controlador se llama señal de control o

manipulada y la entregada por la salida,

señal controlada, como se observa en la

figura 14.

Figura 14

Un controlador puede ser del tipo eléctrico, electrónico, neumático o

hidráulico, encargado de controlar uno o más procesos. Al principio los

controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos,

conforme la tecnología fue desarrollándose actualmente se utilizan

microprocesadores microcontroladores o Pic.

En la figura 15 el controlador recibe una señal del sensor, procesa la

información y mediante un transductor lo convierte en una señal neumática

para que el actuador regule el nivel del tanque..

Señal controlada Señal

manipulada

Válvula Neumática

Actuador

Controlador

TransductorSensor

Señal Eléctrica Señal Eléctrica

Señal Neumática

PROCESO

Figura 15


Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de

control, como:

1. De dos posiciones o de encendido y apagado (on/of)

2. Proporcionales

3. Integrales

4. Proporcionales-integrales - PI

5. Proporcionales-derivativos - PD

6. Proporcionales-integrales-derivativos - PID

Figura 16

Casi todos los controladores industriales

emplean como fuente de energía la

electricidad o un fluido presurizado, tal

como el aceite o el aire. Los controladores

también pueden clasificarse, de acuerdo con

el tipo de energía que utilizan en su

operación, como neumáticos, hidráulicos o

electrónicos. Existe otro tipo de

clasificaciones que analizaremos mas

adelante

El tipo de controlador que se use debe

decidirse con base en la naturaleza de la

planta y las condiciones operacionales,

incluyendo consideraciones tales como

seguridad, costo, disponibilidad,

confiabilidad, precisión, peso y tamaño.


1.8 ACTUADOR

Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por función alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores como: motores, válvulas, relés, y swicthes. Los actuadores más importantes son:

Actuadores Eléctricos

Son usados en la industria y en aplicaciones comerciales para posicionar dispositivos de movimientos lineal o rotacional. Tales como swicthes, relés, motores y otros.

Actuadores Neumáticos

Aceptan señales de presión pequeñas, desde los posicionadores neumáticos y mediante un diafragma, convierten estas señales en movimientos mecánicos.

Actuadores Hidráulicos

Los actuadores hidráulicos operan en forma similar a los posicionadores neumáticos, pero con una mayor fuerza de acción, para ser usados en compuertas, grúas, elevadores y otros.

1.9 DIAGRAMAS DE CONTROL

Los símbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplicación en el proceso, el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectadas y de alguna manera, la instrumentación empleada. La Sociedad de Instrumentistas de América (ISA por sus siglas en ingles Instruments Society of América) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Estas normas ayudan a utilizar e interpretar los símbolos utilizados en el control de procesos.

1.9.1 Símbolos en Instrumentación

Los instrumentos son generalmente identificados por números en una etiqueta. El número de la etiqueta identifica (1) la función en el proceso y (2) el lazo de control en el cual está localizado. La figura 17 indica cómo las letras y los números son seleccionados y agrupados para lograr una rápida identificación.


Figura 17

Las señales de instrumentación utilizadas en el control de procesos son usualmente de los siguientes tipos: Neumática, electrónica (eléctrica), capilar, hidráulica, sónica o indicando radioactividad. Cada señal tiene un símbolo diferente y los símbolos son mostrados en la figura 18.

Fig. 18. Líneas de Conexión de Instrumentos

1.9.2 Símbolos en el Control de Procesos

Los símbolos de los instrumentos que representan un proceso de intercambio de calor están mostrados en la figura 19.

Note que se utilizan varios elementos primarios y varios tipos de señales son utilizados. Aunque las señales eléctricas y neumáticas no son comúnmente utilizadas juntas, ambas son utilizadas en este diagrama para demostrar aplicaciones típicas de los símbolos de instrumentos. Así el registrador de flujo 100 que está montado en el panel, tiene una entrada neumática y el controlador registrador de temperatura 101 que está montado en el panel, tiene un sistema de llenado térmico o entrada capilar

La salida neumática del transmisor montado localmente FT 102 (figura.19) envía una señal al registrador que está en el panel de control con la identificación FR 102. El 1 identifica la localización en el panel. Información similar del lazo de presión (PT 103 y PR 103) incluye el hecho que la presión de salida es registrada.


Fig. 19. Símbolos de Instrumentos en un Proceso

Cuando se miden fluidos compresibles (gas, aire, vapor), el uso de la presión de entrada o la de salida afectará significativamente la cantidad final o el volumen que se calcule con los datos registrados en las graficas.

En el ejemplo mostrado en la figura 19, el vapor fluye al intercambiador para calentar el fluido del proceso. La línea que une el transmisor de presión al proceso es colocada en el intercambiador en el lado de salida de la placa de orificio, lo cual indica que se registra la presión de salida .En el lazo de flujo 100, el elemento de flujo o dispositivo primario difiere del que se utilizó en el lazo de vapor.

En el lazo de temperatura (TRC 101), el elemento final de control es una válvula. Las letras FO justo debajo del símbolo de la válvula, indica que la válvula abre si el diafragma se rompe, o la señal de aire falla, o si existe una condición similar. El segundo circulo unido al TRC (TS 101) significa que se utiliza un interruptor para activar un TAL (alarma por baja temperatura por sus siglas en ingles Temperarure Alarm Low), la cual también está localizada en el panel de control.

1.9.3 Elementos finales de control.

Las válvulas, elementos finales en los lazos de control se muestran en la figura 20 las válvulas son los elementos de control más comunes, sin embargo se utilizan también otros elementos finales de control como son los amortiguadores, controles de velocidad o circuitería de posición. Nótese que cualquiera de los actuadores listados puede ser utilizado con cualquiera de los cuerpos de las válvulas mostradas. Usualmente se utilizan sólo los símbolos más simples y se reservan las especificaciones detalladas para los diagramas de los lazos de control.


Fig. 20. Símbolos de Elementos finales de control

1.9.4 Los dispositivos primarios para temperatura , presión, nivel, flujo, etc

Fig. 21. Símbolos de Temperatura


Fig. 22. Símbolos de Presión

Fig. 23. Símbolos de fluidos

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