Bucle de control

Un bucle de control es el componente fundamental de los sistemas de control en general y de los sistemas de control industrial en particular. Consta del sensor de proceso , la función del controlador y el elemento de control final (ECF), que controla el proceso necesario para ajustar automáticamente el valor de una variable de proceso medida (VP) al valor de un punto de consigna deseado (PC).

Existen dos clases comunes de bucles de control: bucle abierto y bucle cerrado.

• En un sistema de control de lazo abierto, la acción de control del controlador es independiente de la variable de proceso. Un ejemplo de esto es una caldera de calefacción central controlada únicamente por un temporizador . La acción de control consiste en encender o apagar la caldera. La variable de proceso es la temperatura del edificio. Este controlador mantiene el sistema de calefacción en funcionamiento durante un tiempo constante, independientemente de la temperatura del edificio.
• En un sistema de control de lazo cerrado, la acción de control del controlador depende de la variable de proceso deseada y real. En el caso de la analogía de la caldera, se utilizaría un termostato para monitorear la temperatura del edificio y enviar una señal de retroalimentación para asegurar que la salida del controlador mantenga la temperatura del edificio cerca de la establecida en el termostato. Un controlador de lazo cerrado cuenta con un lazo de retroalimentación que garantiza que el controlador ejerza una acción de control para mantener una variable de proceso al mismo valor que el punto de consigna. Por esta razón, los controladores de lazo cerrado también se denominan controladores de retroalimentación. ^{[ 1 ]}

Fundamentalmente, existen dos tipos de bucles de control: el control de bucle abierto (anticipación) y el control de bucle cerrado (retroalimentación).

• En el control de lazo abierto, la acción de control del controlador es independiente de la "salida del proceso" (o "variable de proceso controlada"). Un buen ejemplo es una caldera de calefacción central controlada únicamente por un temporizador, de modo que se aplica calor durante un tiempo constante, independientemente de la temperatura del edificio. La acción de control consiste en encender y apagar la caldera, pero la variable controlada debería ser la temperatura del edificio; sin embargo, no lo es porque se trata de un control de lazo abierto de la caldera, lo que no proporciona un control de lazo cerrado de la temperatura.
• En el control de lazo cerrado, la acción de control del controlador depende de la salida del proceso. En el caso de la analogía de la caldera, esto incluiría un termostato para monitorear la temperatura del edificio y, por lo tanto, enviar una señal de retroalimentación para asegurar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Por consiguiente, un controlador de lazo cerrado tiene un lazo de retroalimentación que asegura que el controlador ejerza una acción de control para dar una salida del proceso igual a la "entrada de referencia" o "punto de ajuste". Por esta razón, los controladores de lazo cerrado también se denominan controladores de retroalimentación. ^{[ 2 ]}

La definición de un sistema de control de lazo cerrado según la British Standards Institution es "un sistema de control que posee retroalimentación de monitoreo, la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación se utiliza para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tienda a reducir la desviación a cero". ^{[ 3 ]}

Asimismo; "Un sistema de control de retroalimentación es un sistema que tiende a mantener una relación prescrita entre dos variables del sistema comparando funciones de dichas variables y utilizando la diferencia como medio de control." ^{[ 3 ]}

Otros ejemplos

Un ejemplo de sistema de control es el control de crucero de un automóvil , un dispositivo diseñado para mantener la velocidad del vehículo a una velocidad constante deseada o de referencia , proporcionada por el conductor. El controlador es el control de crucero, el sistema es el automóvil y el sistema en su conjunto. La salida del sistema es la velocidad del automóvil, y el control en sí es la posición del acelerador del motor, que determina la potencia que este entrega.

Una forma primitiva de implementar el control de crucero consiste simplemente en bloquear la posición del acelerador cuando el conductor lo activa. Sin embargo, si el control de crucero se activa en un tramo de carretera con pendiente, el coche irá más despacio cuesta arriba y más rápido cuesta abajo. Este tipo de controlador se denomina controlador de lazo abierto porque no hay retroalimentación ; no se utiliza ninguna medición de la salida del sistema (la velocidad del coche) para modificar el control (la posición del acelerador). Como resultado, el controlador no puede compensar los cambios que actúan sobre el coche, como un cambio en la pendiente de la carretera.

En un sistema de control de lazo cerrado , los datos de un sensor que monitoriza la velocidad del coche (la salida del sistema) entran en un controlador que compara continuamente la magnitud que representa la velocidad con la magnitud de referencia que representa la velocidad deseada. La diferencia, denominada error, determina la posición del acelerador (el control). El resultado es igualar la velocidad del coche a la velocidad de referencia (mantener la salida deseada del sistema). Ahora bien, cuando el coche sube una pendiente, la diferencia entre la entrada (la velocidad detectada) y la referencia determina continuamente la posición del acelerador. A medida que la velocidad detectada desciende por debajo de la referencia, la diferencia aumenta, el acelerador se abre y la potencia del motor aumenta, acelerando el vehículo. De esta forma, el controlador contrarresta dinámicamente los cambios en la velocidad del coche. La idea central de estos sistemas de control es el bucle de retroalimentación : el controlador afecta a la salida del sistema, que a su vez se mide y se retroalimenta al controlador.

El diagrama adjunto muestra un lazo de control con una única entrada PV, una función de control y la salida de control (CO), que modula la acción del elemento de control final (FCE) para modificar el valor de la variable manipulada (MV). En este ejemplo, se muestra un lazo de control de flujo, pero podría tratarse de un lazo de control de nivel, temperatura o cualquier otro parámetro de proceso que deba controlarse. La función de control mostrada es de tipo intermedio, como un controlador PID, lo que significa que puede generar una gama completa de señales de salida entre 0 y 100 %, en lugar de una simple señal de encendido/apagado. ^{[ 1 ]}

En este ejemplo, el valor de PV siempre es el mismo que el de MV, ya que están en serie en la tubería. Sin embargo, si la alimentación de la válvula fuera a un tanque y la función del controlador fuera regular el nivel mediante la válvula de llenado, PV sería el nivel del tanque y MV sería el caudal hacia el tanque.

La función del controlador puede ser un controlador discreto o un bloque de funciones en un sistema de control computarizado, como un sistema de control distribuido o un controlador lógico programable . En todos los casos, un diagrama de lazo de control es una forma muy conveniente y útil de representar la función de control y su interacción con la planta. En la práctica, a nivel de control de procesos, los lazos de control normalmente se abrevian utilizando símbolos estándar en un diagrama de tuberías e instrumentación , que muestra todos los elementos de la medición y el control del proceso basados ​​en un diagrama de flujo del proceso . ^{[ 4 ]}

A nivel detallado, el diagrama de conexión del bucle de control se crea para mostrar las conexiones eléctricas y neumáticas. Esto facilita enormemente el diagnóstico y la reparación, ya que todas las conexiones para una función de control específica se encuentran en un solo diagrama.

Para facilitar la identificación unívoca del equipo, cada bucle y sus elementos se identifican mediante un sistema de "etiquetado" y cada elemento tiene una identificación de etiqueta única. ^{[ 5 ]}

Según las normas ANSI / ISA S5.1 e ISO 14617-6 , las identificaciones constan de hasta 5 letras.

La primera letra de identificación corresponde al valor medido, la segunda es un modificador, la tercera indica la función pasiva/de lectura, la cuarta la función activa/de salida y la quinta es el modificador de función. A continuación, se indica el número de bucle, que es único para ese bucle.

Por ejemplo, FIC045 indica que se trata del controlador indicador de flujo en el bucle de control 045. Este identificador también se conoce como "etiqueta" del dispositivo de campo y normalmente se asigna a la ubicación y función del instrumento. El mismo bucle puede tener FT045, que corresponde al transmisor de flujo.