CAPITULO 1: Los Elementos del Control de Procesos

CAPITULO 2: Los Elementos del Control de Procesos (continuacin)

2.2 La Mquina De Control Industrial.

Cuando analizamos nuestra mquina de control pudimos identificar todos los elementos necesarios para el control que la naturaleza ha incorporado en los organismos inteligentes luego de millones de aos de evolucin. Lo que la naturaleza ha descubierto hace mucho es en esencia lo que se viene utilizando actualmente en la tecnologa de control por lo que nos limitaremos a recapitular nuestro ensayo anterior pero esta vez utilizando un ejemplo tpico de control industrial.

El Proceso

Supongamos que deseamos pasteurizar un producto, el proceso ser desde luego el de pasteurizacin que consiste en elevar la temperatura hasta cierto valor, mantenerlo durante un tiempo y disminuir rpidamente dicha temperatura para reducir la poblacin de microorganismos que podran estar presentes en el producto a pasteurizar. El producto ingresar a la cmara de pasteurizacin por lo que resulta evidente que la variable que refleja la marcha del proceso es la temperatura de la cmara de pasteurizacin (mejor an si logrsemos medir la temperatura del producto) cuyo valor debe ser medido constituyndose en consecuencia en la variable medida, dicha variable debe, en todo momento, mantenerse en el valor deseado. La tendencia de la temperatura en la cmara ser la de disminuir a medida que el producto absorbe calor por lo que debemos compensar dicha prdida incorporando energa mediante la manipulacin de otra variable como podra ser el caudal de vapor, a esta variable llamaremos la variable manipulada. De esta forma, si deseamos incrementar la temperatura aumentaremos el caudal de vapor caso contrario debemos disminuir dicho caudal.

El sensor/transductor

La temperatura deber ser captada por un dispositivo que llamaremos el sensor de temperatura que podra ser una termocupla o algn otro elemento sensor cuyos detalles veremos en otro captulo. La idea es la de captar la temperatura actual del proceso mediante algn fenmeno fsico como la transferencia de calor que, en este caso, calentar el sensor hasta equilibrar su temperatura con la del medio. La termocupla de nuestro ejemplo genera una pequea diferencia de potencial en funcin de la temperatura transduciendo la temperatura en una seal elctrica.

Fig.2.2.1 Termocupla

A manera de instruccin podemos suponer que la temperatura actual en la cmara es de 60C y que en esta circunstancia la termocupla entrega una seal de 40mV por lo que a este punto sabemos que los 40mV representan o equivalen 60 C. Si la temperatura deseada es de 80C es evidente que deberamos hacer algo para elevar la temperatura, pero eso no es responsabilidad del sensor.

El acondicionador de seal.

Los 40 mV que entrega la termocupla podra no llegar muy lejos a menos que la amplifiquemos y fortalezcamos para el trnsito hacia el controlador por lo que utilizaremos un elemento adicional en el que podramos filtrar perturbaciones, amplificar la seal y convertirla a seal de corriente que es ms robusta, de tal manera que a cambio de la seal de voltaje tengamos una seal de corriente. Para el valor particular de nuestro ejemplo podramos suponer que a cambio de los 40mV tenemos ahora 12 mA por lo que a este punto este valor representa los 60C mencionado en el ejemplo.

Fig.2.2.2 Acondicionador de temperatura

La interfaz de entrada.

La seal de corriente que representa nuestra temperatura ser ahora conectada al borne de entrada de una unidad denominada interfaz de entrada que a su vez se conecta a la unidad de control. Para ilustrar este ejemplo mostramos en la figura xx la imagen de un consolador lgico programable (PLC) con su interfaz de entrada as como su interfaz de salida. La interfaz de entrada convertir el valor de la seal de corriente en un nmero proporcional al valor de la seal utilizando para ello circuitos electrnicos, este nmero ser almacenado en una localidad de memoria de dicha interfaz a la espera que el controlador (PLC) lo solicite. Digamos que para los 12mA que recibi la interfaz de entrada almacen el valor de 1245 por lo que concluimos que a este punto 1245 representa los 60C del ejemplo.

Fig.2.2.3 Dibujo de un chasis que contiene un PLC (controlador) modular en el que se muestran tambin las interfases de entradas y salidas (I/O)

El controlador.

La unidad de control, en el ejemplo el PLC, es esencialmente un pequeo computador industrial que procesar la informacin y para luego controlar el proceso (cambiar la temperatura en nuestro proceso ejemplo). Para que el control funcione tendremos que incorporar un programa de control en el PLC, este programa debe por lo menos hacer lo siguiente: Solicitar a la interfaz de entrada el valor que tiene almacenado en memoria , convertir este valor a unidades de ingeniera (valor que tenga significado fsico para el operador o usuario del proceso), comparar el valor convertido con el valor deseado para cuantificar el error y decidir el valor de la accin de control necesaria para corregir dicho error. En nuestro ejemplo, el controlador calcular que la temperatura es 60 C partiendo del nmero 1245 que obtuvo de la interfaz de entrada y al compararlo con el valor deseado de 80C encontrar que hay un error por defecto de 20C por lo que enviar un nmero, a la interfaz de salida, capaz de incrementar finalmente la temperatura del proceso. Supongamos que el nmero que envi anteriormente a la interfaz de entrada fue 820 y con este valor el proceso se estabilizo en 60C, ahora en funcin de la estrategia de control programada en el PLC, el programa calcular el mejor valor a poner. Digamos que el valor resultante sea 950 y que finalmente permita abrir la vlvula de suministro de vapor un poco ms que el logrado con 820 por lo que esperamos incrementar la temperatura para acercarnos a nuestro objetivo de 80C. La interfaz de salida.

La funcin de la interfaz de salida es la inversa de la interfaz de entrada. En el primer caso, a cambio de un valor de seal obtuvimos un nmero, ahora a cambio de un nmero obtendremos una seal. Las seales ms comunes que entregan las interfases de salida estn en el rango de 4 a 20 mA. Digamos que cuando el programa de control enviaba un valor de 820 al registro de memoria de la interfaz de salida, los circuitos electrnicos de la misma generaban una seal de 9 mA y ahora con el valor de 950 genera 11 mA. Podemos especular a este punto que con 9mA la vlvula estaba 55% abierta y que con 11 mA llegaremos a 68% de apertura, logrando de esta forma un mayor caudal de vapor para elevar la temperatura. Bien, estos 11 mA representan ahora el valor actual de la seal de control que conectaremos al mando de potencia.El mando de potencia.

Como quiera que con 11 mA es imposible abrir una vlvula de vapor, ni mantenerla en cualquier valor en contra de la presin que est ejerciendo el vapor, necesitamos un elemento auxiliar que a cambio de los 11mA entregue la potencia necesaria para mantener la apertura deseada de la vlvula. Desde que en la prctica industrial es muy comn utilizar vlvulas neumticas para regular el caudal de vapor necesitaremos un dispositivo que a cambio de una corriente en el rango de 4-20 mA entregue la potencia necesaria para gobernar la vlvula desde completamente cerrada hasta completamente abierta. Las vlvulas neumticas usan presin en el diafragma en un rango tpico de 3-15 PSI de presin. Por lo que nuestro dispositivo deber estar conectado por un lado a la interfaz de salida para recibir la seal de control, por otro lado a la fuente de potencia (la presin en nuestro caso puede ser proporcionada por un compresor a travs de un regulador de presin que mantenga unos 22 PSI a la entrada del mando de potencia) y por un tercero al diafragma de la vlvula. El dispositivo que realiza la funcin descrita lneas arriba se denomina Transductor I/P y es un caso particular de mando de potencia que como todos (los mandos de potencia) recibe la seal de control, toma potencia de la fuente y entrega una potencia concordante con la mencionada seal de control.

Fig.2.2.4 Transductor I/P que convierte la seal de corriente (I:4-20 mA) en presin (P:3-15 PSI)

El Actuador.

El elemento final de control es el actuador, que en nuestro ejemplo es la vlvula de diafragma. Dicha vlvula mantiene una determinada apertura dependiendo de la presin que se ejerza sobre el diafragma. Podramos decir que el transductor I/P entreg 9 PSI a cambio de los 11 mA y que nuestra vlvula, al recibir dicha presin, se mantiene 68% abierta entregando un caudal mayor que cuando estaba a 55% de apertura, por lo que el caudal de vapor ser evidentemente mayor y como consecuencia elevaremos la temperatura como era nuestra intencin. Si recapitulamos estaremos de acuerdo que el nmero 950 que entreg el controlador es equivalente a los 11 mA que sale de la interfaz de salida que a su vez equivale a los 9 PSI que entrega el transductor I/P para convertirse finalmente en 68% de apertura de vlvula y algn nuevo caudal de vapor. Alguno de los lectores habrn inferido ya que no es indispensable conocer los valores numricos exactos de estas equivalencias toda vez que lo que nos interesaba es que aumente la temperatura y luego de la siguiente medicin decidiremos si continuamos abriendo la vlvula, la mantenemos en el valor actual o la vayamos cerrando en funcin de la evolucin temporal de la misma.

Fig.2.2.5 Vlvula de diafragma que recibe 3-15 PSI de presin para regular la apertura y controlar el caudal en funcin de la presion que recibe.

El objetivo del control es la de mantener, en todo momento, la variable medida en el valor deseado actuando sobre la variable manipulada. De esta forma conectando los instrumentos y equipos que hacen cada una de las funciones necesarias para la medicin y el control, es posible gobernar los procesos.