Definición y Función de un Sistema de Control de Procesos

Un sistema de control de procesos es un conjunto de funciones y operaciones necesarias para transformar un material física o químicamente. El control de procesos se refiere específicamente a la fabricación o procesamiento de productos industriales.

Su función principal es regular el valor de la variable controlada cuando una perturbación la modifica.

Variables Clave: Controlada y Manipulada

Variable Controlada: Es una variable que deseamos mantener constante.

Variable Manipulada: Es una variable que puede cambiar para regular el proceso.

Ejemplos, Perturbaciones y Función del Controlador

Ejemplos comunes de variables controladas y manipuladas incluyen presión, temperatura, caudal de un fluido y nivel de líquido.

Una Perturbación tiende a variar la variable controlada.

La Función de un Controlador es decidir qué ajuste necesita el sistema y lo implementa en un sistema de control de procesos.

Ejemplo: Pasteurización de la Leche

En el proceso de pasteurización de la leche:

• La temperatura de la leche es la variable controlada.
• El flujo de vapor es la variable manipulada.
• La temperatura ambiente que rodea al tanque es una perturbación.

El controlador monitoriza la temperatura de la leche. Si esta baja de los límites permitidos, el controlador ajusta el flujo de vapor para corregir y mantener la temperatura deseada.

Características Principales de un Sistema de Control de Procesos

Los sistemas de control de procesos típicamente incluyen:

• Medición: Realizan una medida de la variable controlada mediante un sensor o transductor. Estos dispositivos pueden transformar la variable controlada en otra de diferente tipo, normalmente eléctrica. Por ejemplo, cuando la temperatura de la leche varía, también lo hace la resistencia de un sensor de temperatura.
• Evaluación y Comparación: El controlador evalúa la información facilitada por el sensor comparando la medida con el valor de referencia (punto de ajuste). Si la medida del sensor es distinta del valor de referencia, se produce un error. Si el controlador no acepta esta diferencia, inicia una corrección del error.
• Elemento de Control Final: Realiza los ajustes necesarios en la variable manipulada para llevar la variable controlada al valor de referencia.

Dinámica del Proceso: Carga y Tiempo de Respuesta

La Carga del Proceso es la cantidad total de agente de control necesario para mantener el proceso equilibrado. Cualquier variación de la carga del proceso varía el estado del elemento de control final. Ej: Si la temperatura ambiente del tanque baja, se aumenta la velocidad del flujo de vapor para mantener la leche a temperatura constante.

El Tiempo de Respuesta del Proceso es el tiempo que tarda la variable controlada en alcanzar el nuevo valor después de una variación de la carga del proceso. Esta es una función inherente del proceso (no del sistema de control) y es causada por la capacitancia, resistencia y tiempo de transporte.

Factores que Afectan la Dinámica: Capacitancia y Resistencia

Capacitancia: Capacidad de un sistema para almacenar una cantidad de energía o material. Una capacitancia grande tarda más en responder a las variaciones de carga del proceso y es más difícil llevar de nuevo la variable al valor de control deseado una vez que ha cambiado. Ej: Una gran cantidad de agua almacena energía calorífica (capacitancia térmica grande).

Resistencia: Oposición al flujo. Resistencias grandes aumentan el retardo del proceso oponiéndose a la variación de la variable controlada. Ej: en la pasteurización, el material de los tubos ralentiza la transferencia de calor al líquido.

Retardos en el Sistema de Control

Existen varios tipos de retardos que pueden afectar el rendimiento de un sistema de control:

• Tiempo de Transporte: Tiempo que tarda una variación en pasar de una posición a otra. Es el tiempo entre la aplicación de la perturbación y su efecto en la variable controlada. Ej: El movimiento de fluidos o productos en una cinta transportadora puede introducir un retardo si el sensor está al final del recorrido.
• Retardo del Transductor: Se produce algún retardo cuando la variación de la variable controlada se transmite a través de la funda protectora hasta el sensor. Además, el propio sensor tiene una masa térmica que retrasa su respuesta a la variación de temperatura.
• Retardo del Controlador: El controlador tarda un tiempo significativo en evaluar los datos de entrada y tomar una decisión. Aunque la mayoría de los controladores son rápidos, a veces se introduce un retardo intencional para cumplir ciertos requerimientos del sistema.

Estabilidad del Proceso

El proceso de un sistema de control es estable si la variable controlada puede regresar a un valor de estado estable después de una perturbación. Un sistema inestable hace que la variable controlada oscile alrededor del valor deseado, y si esto ocurre:

• La intensidad de la oscilación puede aumentar en amplitud con el tiempo. Este resultado se da cuando la realimentación está en fase y la ganancia de bucle es +1.
• Si la realimentación está en fase con las oscilaciones y la ganancia de bucle es 1, las oscilaciones tendrán una amplitud constante.
• Si la ganancia de bucle es -1 y la realimentación está desfasada con respecto a las oscilaciones, estas desaparecerán gradualmente.

Tipos de Respuesta de un Sistema de Control

Tipos de respuesta: Inestable (amplitud se incrementa), Estable (amplitud constante), Estable (subamortiguamiento), Estable (amortiguamiento crítico), Estable (sobreamortiguamiento).

Conceptos de Amortiguamiento

• Amortiguamiento: Característica que influye en cómo un sistema se asienta después de una perturbación, oponiéndose a las oscilaciones.
• Subamortiguamiento: El sistema no posee suficiente resistencia para evitar las oscilaciones, sobrepasando el valor deseado varias veces antes de estabilizarse.
• Sobreamortiguamiento: El sistema tiene demasiado amortiguamiento, lo que produce una respuesta lenta que tarda en alcanzar el valor deseado sin oscilar.
• Amortiguamiento Crítico: El nivel de amortiguamiento que permite que el sistema alcance el valor deseado lo más rápido posible sin sobrepasar ni oscilar.