Evaluación de las causas de las pérdidas de producción (página 2)

Partes: 1, 2

Proceso
Transmisor
Variable Medida o
Controlada CV
Controled Variable o
Process Variable PV
Salida (del proceso)
Controlador
SP
Set Point
Referencia
Consigna
Variable manipulada
Manipulated Variable MV
DV
MV
E (Error)
PV
PV
Perturbaciones
Desviation Variables DV
Elementos que componen un sistema de control
Sensor o
E. primario
Sistema de medida
Actuador
Regulador
Comparador
Amplificador
PV
SP
Señal o Acción
De Control
Señal Amplificada
Transductor

Variable de proceso,PV.
La variable medida que se desea estabilizar (controlar) recibe el nombre de variable de proceso ("process value") y se abrevia PV.
Un buen ejemplo de variable de proceso es la temperatura, la cual mide el instrumento controlador mediante un termopar o una Pt100.

Set Point SP o Consigna
El valor prefijado (Set Point, SP) es el valor deseado de la variable de proceso,es decir, la consigna.
Es el valor al cual el control se debe encargar de mantener la PV.
Por ejemplo en un horno la temperatura actual es 155 °C y el controlador esta programado para llevar la temperatura a 200°C.
Luego PV=155 y SP=200.

Error E
Se define error como la diferencia entre la variable de proceso PV y el set point SP,
E = SP – PV
En el ejemplo anterior
E = (SP – PV) = (200°C – 155°C) = 45 °C.
Recuerde que el error será positivo cuando la temperatura sea menor que el set point, PV < SP .

Estructura general de un sistema de medida.

Elementos de un sistema de medida
Sensor o elemento primario: Mide o sensa el valor de una variable de proceso, y toma una salida proporcional a la medida. Esta salida, puede o no, ser eléctrica. El sensor debe tomar la menor energía posible del sistema, para no introducir error.
Transductor: Elemento que transforma la magnitud medida por el elemento primario en una señal eléctrica.
Transmisor o Acondicionador de señal : Elemento que convierte, acondiciona y normaliza la señal para su procesamiento.
En la industria, las señales de salida normalizadas son: 4 a 20mA, 0 a 5v, 0 a 10v, si son salidas eléctricas y 3 a 15 psi en señal neumática.

Tipos de sensores
Por el principio físico:
Resistivo
Capacitivo
Inductivo
Piezoresistivo
Fotovoltáico
Electromagnético
Termomagnético
Piezoeléctrico
Por la salida:
Eléctrica
activos
pasivos
Mecánica
Por la magnitud a medir, es la clasificación más utilizada:
Temperatura
Presión
Caudal
Posición
Velocidad, etc…

Actuadores (Elemento final de control)

Eléctricos
Relés
Solenoides
Motores CC
Motores AC
Motores paso a paso

Hidráulicos o neumáticos
Válvulas neumáticas
Válvulas de solenoide
Cilindros y válvulas piloto
Motores

ACTIVIDAD
Analizar los siguientes sistemas, explicando que tipo de lazo es y porque. Explicar cómo se podría perfeccionar el sistema:
Tostadora por tiempo.
Control de semáforos por tiempo.
Bomba de calor de una vivienda.
Identificar en cada sistema anterior, las señales y elementos típicos de un sistema de control. Dibujar el diagrama de bloques.
Crear dos sistemas nuevos de control, uno en lazo abierto y otro en lazo cerrado, modificando el de lazo abierto. Identificando señales y elementos básicos.

Sistemas actuales de control
Control clásico
Control en cascada
Control con aprendizaje
Control por lógica difusa
Control digital directo (ddc)
Control supervisor (spc y scada)
Control distribuido (scd)
Control jerarquizado

Control clásico
Control de dos posiciones (todo-nada) (on-off)
Proporcional de tiempo variable (PWM)
Proporcional (P)
Proporcional + Integral (PI)
Proporcional + Derivativo (PD)
Proporcional + Integral + Derivativo (PID)

El control On/Off o de dos posiciones
Tomemos por ejemplo, el caso de un horno eléctrico.
La temperatura aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante un contactor, gobernado a su vez por un relé dentro del controlador.
El modo de control ON/OFF es el más elemental y consiste en activar el mando de calentamiento cuando la temperatura está por debajo de la temperatura deseada SP y luego desactivarlo cuando la temperatura esté por arriba.
Debido a la inercia térmica del horno la temperatura estará continuamente fluctuando alrededor del SP.
Las fluctuaciones aumentarán cuanto mayor sea la inercia térmica del horno (retardo).
Este control no es el más adecuado cuando se desea una temperatura constante y uniforme

El control On/Off o de dos posiciones

Control de dos posiciones

Control discreto o de dos posicioneso control ON / OFF
Detector de máximo
y mínimo nivel
Electroválvula
ON/OFF
Relé
Las variables solo
admiten un conjunto
de estados finitos

Control Proporcional de tiempo variable (PWM)
Para poder controlar la temperatura con menos fluctuaciones, se debe entregar al horno una potencia gradual, para mantenerlo a la temperatura deseada .
En el ejemplo anterior del control On/Off, el relé del mando de calentamiento estará activado 100%, entregando el máximo de potencia al horno o bien desactivado sin entregar potencia.
El controlador proporcional entrega una potencia que varía en forma gradual entre 0 y 100% según se requiera y en forma proporcional al error (SP-PV).

PWM pulse width modulationModulación por ancho de pulso
Es posible modular de 0% a 100% la potencia que recibe un horno eléctrico mediante el mismo contactor que se usaría para un control on/off.
La idea es modular el tiempo de activación del contactor durante un tiempo fijo tc, llamado tiempo de ciclo, de modo que el horno reciba finalmente un promedio de la potencia.
Supongamos que nuestro horno funciona con un calefactor de 1000W, si se requiere una potencia de 500W, equivalente a 50% de la total, entonces se activa 2 segundos el relé y se desactiva otros 2, para luego empezar otro ciclo.
El efecto neto será que el horno recibe 50% de la potencia pero la temperatura no fluctúa al ritmo del tiempo de ciclo pues este es menor al tiempo de respuesta del horno.

Siguiendo con el ejemplo, si hace falta 250W, es decir 25% de la potencia basta con tener 1 segundo activado el relé y 3 segundos desactivado.

Control Proporcional o Continuo
La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se
mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores
del actuador
Variable
Manipulada
Variable
Controlada
Referencia
LT
LC
Perturbación

Control proporcional
El controlador proporcional entrega una potencia que varía en forma proporcional al error (SP-PV).
Para poner en marcha un controlador proporcional se deben fijar los siguientes parámetros:
La temperatura deseada SP , por ej. SP = 200 °C
La banda proporcional Pb, por ej. Pb = 10 %.
La banda proporcional Pb se programa en el controlador como un porcentaje del SP.
banda = Pb x SP/100%

Internamente el controlador realizará el cálculo del porcentaje de salida "Out" mediante la siguiente fórmula:
Out = [ 100% * E / banda ]
banda = Pb*SP/100%
E = (SP – PV)
Para los valores del ejemplo SP=200°C y Pb=10%, la potencia determinada por el control variará a lo largo 20°C abajo del SP.
banda = Pb*SP/100% = 10% * 200 °C / 100% = 20°C
Es decir que la banda a lo largo de la cual variará gradualmente la potencia será: 180°C…200°C.
Por ejemplo si la temperatura del horno es igual o menor de 180°C, la salida de control (potencia) será 100%.
Cuando la temperatura esté en la mitad de la banda, es decir en 190°C la salida será 50% :
Out% = [100% * E / banda] = 100%*(200-190)/20 = 50%
Al llegar la temperatura a 200 °C la salida será 0% :.
Out% = [100%*(200-200)/20] = 0%

Control Proporcional Derivativo PD
Esta acción suele llamarse de velocidad, pero nunca puede tenerse sola, pues sólo actua en periodo transitorio.
Un control PD es uno proporcional al que se le agrega la capacidad de considerar también la velocidad de la temperatura en el tiempo.
De esta forma se puede "adelantar" la acción de control del mando de salida para obtener así una temperatura más estable.
Si la temperatura esta por debajo del SP, pero subiendo muy rápidamente y se va a pasar de largo el SP, entonces el control se adelanta y disminuye la potencia de los calefactores.
Al revés si la temperatura es mayor que el SP, la salida debería ser 0% pero si el control estima que la temperatura baja muy rápido y se va pasar para abajo del SP, entonces le coloca algo de potencia a la salida para ir frenando el descenso brusco.

Control PD
La acción derivativa es llamada a veces "rate action" por algunos fabricantes de controles porque considera la "razón de cambio" de la temperatura.
En el ejemplo del horno agregamos un nuevo parámetro llamado constante derivativa D, medido en segundos.
Internamente el controlador realizará ahora el cálculo:
Out = [ 100% * ( E – D * Vel) / ( banda ) ]
banda = Pb*SP/100%
Donde "Vel" es la velocidad de la temperatura medida por el controlador, en °C/seg
Para este ejemplo fijamos D = 5 seg. y como antes SP=200 °C y Pb=10%.

Ejemplo de Control PD
Supongamos que en un momento dado, la temperatura del horno es de 185°C y está subiendo a una velocidad Vel= 2 °C/Seg..
En un control proporcional la salida debería ser de 75%.
Out = [ 100% *E / banda ] = 100%*15°C/20°C = 75%
Pero en este caso el control PD toma en cuenta la velocidad de ascenso de la temperatura y la multiplica por la constante derivativa D y obtiene :
Out = [ 100% * ( E – D * Vel) / ( banda ) ]
= [ 100% * (15°C – 5 Seg * 2 °C/Seg.) / banda ]
= [ 100% * (5°C) / 20°C ] = 25%
entonces a pesar que la temperatura actual es 185 °C, la salida es 25% en vez de 75%, al considerar la velocidad de ascenso de la temperatura
De la misma forma, si la temperatura está sobre 200 °C pero descendiendo rápidamente, (velocidad negativa) por ejemplo: -1°C/seg, entonces el control activará antes y con mayor potencia la salida intentando que no baje de 200 °C.

Control PI
Este control es el proporcional más la acción integral, que lo corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el tiempo que este ha permanecido.
Para ello se le programa al control una constante I, que es "la cantidad de veces que aumenta la acción proporcional por segundo“.
Por muy pequeño que sea el valor programado de I, siempre corregirá el error estacionario, pero tardará más tiempo en hacerlo.
Al revés si se programa un valor excesivo de I , entonces la acción integral tendrá mucha fuerza en la salida y el sistema alcanzará rápidamente el SP, pero lo más probable es que siga de largo por efectos de la inercia térmica.
Entonces la acción integral (con error negativo) será en sentido contrario, irá disminuyendo rápidamente de acuerdo al error.
Como consecuencia habrá una excesiva disminución de la potencia de salida y la temperatura probablemente baje del SP, entrando así el sistema en un ciclo oscilatorio.
En la práctica normalmente I deberá ser grande solo en sistemas que reaccionan rápidamente, (por ejemplo controles de velocidad de motores ) y pequeño para sistemas lentos con mucha inercia. (Por ejemplo hornos)
En general los valores de la constante I son relativamente pequeños, para la mayoría de los sistemas el valor adecuado de I varia entre 0 y 0,08

Control PID
Un control PID es un controlador proporcional con acción derivativa y acción integral simultáneamente superpuestas.
el lector ya debe estarse preguntando cómo elegir los valores de los parámetros Pb, D, I, que debe introducir en su controlador PID.
Existe un solo conjunto de valores Pb, D, I que darán el rendimiento óptimo para un sistema y encontrarlos requiere: conocimientos teóricos, habilidad, experiencia y suerte.