Introducción a la Automatización y el Control de Procesos

Hoy en día, ante la creciente complejidad de los procesos industriales y el aumento del volumen de producción, es fundamental lograr una producción óptima que permita reducir costos y garantizar una calidad adecuada en los productos. Esto se consigue mediante la aplicación del concepto de Calidad Total, en la que la regulación y el control automático de todos los elementos del sistema de producción juegan un papel esencial.

¿Qué es un Sistema de Control?

Se denomina sistema a todo proceso, dispositivo o situación cuyo comportamiento es susceptible de cambiar ante determinadas perturbaciones.

Un sistema de control, por tanto, se define como un conjunto de componentes capaz de regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallo y se obtengan los resultados deseados.

Tipos de Sistemas de Control

Existen dos tipos principales de sistemas de control:

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Es aquel sistema en el que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente de la señal de entrada, pero basada en ella. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador (no hay realimentación).

Figura 1: Esquema de control por lazo abierto

Sistemas de Control de Lazo Cerrado

Es aquel sistema en el que se realiza el mantenimiento de un valor deseado, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana.

Componentes Clave del Lazo Cerrado

• Sensor: Instrumento que mide las variables a controlar o las perturbaciones.
• Comparador: Suministra una señal de acción de regulación al controlador, basada en la diferencia entre el valor deseado y el medido.
• Controlador: Es el que recibe la señal correspondiente de la variable medida y establece o calcula la señal que tiene que controlar la perturbación.
• Actuador: Es el que modifica el valor de la variable controlada con la intensidad y en el momento indicado por el controlador.

Figura 2: Esquema de control por lazo cerrado

Funcionamiento y Realimentación

La señal realimentada se compara con el set-point o valor de referencia (dentro del controlador). Si ambas coinciden, no se requiere ninguna acción de control. Sin embargo, cuando existe una diferencia entre ambas, el dispositivo de comparación suministra una señal de acción de regulación al controlador. Este suministra las señales apropiadas al sistema con el fin de reducir dicha diferencia.

Señales en los Sistemas de Control

El control se realiza a través de los sensores, que transforman las magnitudes físicas del sistema en señales eléctricas o mecánicas que proporcionan información del proceso. A partir de esta señal, que puede ser de dos tipos, los actuadores transforman las señales eléctricas de control en magnitudes físicas.

Señal Analógica

Una señal analógica es un tipo de señal generada por un fenómeno electromagnético. Se representa como una onda continua que puede tomar un número infinito de valores de amplitud y período dentro de un intervalo de tiempo (por ejemplo, voltios o amperios).

Señal Digital

La señal digital, también generada por un fenómeno electromagnético, codifica la información en valores discretos (no continuos). Cada signo se analiza en términos de magnitudes que representan estos valores finitos. Generalmente, se utiliza un código binario (ceros y unos).

Ventajas de la Señal Digital sobre la Analógica

• Facilidad para el procesamiento: Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
• Rapidez en su transmisión: La transmisión electrónica es más veloz.
• Robustez frente al ruido: Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
• Corrección de errores: Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores que se utilizan cuando la señal llega al receptor.

Inconvenientes de la Señal Digital

• Necesidad de conversión: Se necesita una conversión analógica-digital (ADC) previa y una decodificación posterior en el momento de la recepción.
• Requisito de sincronización: La transmisión de señales digitales requiere una sincronización precisa entre los relojes del transmisor y del receptor. Un desfase puede alterar la señal recibida.

Convertidor Analógico-Digital (ADC)

Un convertidor analógico-digital (ADC) es un circuito electrónico que convierte una señal analógica en digital. Se utiliza en equipos electrónicos como ordenadores, grabadores digitales de sonido y de vídeo, y equipos de comunicaciones. La señal analógica, que varía de forma continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo a una velocidad fija, obteniéndose así una señal digital a la salida del mismo.

Tipos de Acciones de Control (Control PID)

En el control de lazo cerrado, existen a su vez diferentes tipos de acciones de control:

Acción Proporcional (P)

La acción de control es directamente proporcional al error. Su objetivo es reducir la magnitud del error (la diferencia entre el punto de ajuste y la medición), aportando estabilidad al proceso. El modo de control proporcional no considera el tiempo; su respuesta solo se ve afectada por el retardo y el tiempo de reacción del proceso. Su principal desventaja es que, por sí solo, suele dejar un error en estado estacionario (una pequeña diferencia persistente entre el valor deseado y el valor real).

Acción Integral (I)

Tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario provocado por el modo proporcional. El error se integra (se suma) a lo largo del tiempo y luego se multiplica por una constante de integración. Posteriormente, la respuesta integral se suma a la acción proporcional para formar un control Proporcional-Integral (PI), cuyo propósito es obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.

Acción Derivativa (D)

Se manifiesta cuando hay un cambio en el valor del error. Si el error es constante, solo actúan los modos proporcional e integral. La función de la acción derivativa es anticiparse a los cambios, corrigiendo el error de forma proporcional a la velocidad con la que este se produce. De esta manera, evita que el error se incremente y permite una respuesta más rápida del sistema. Se puede combinar con las acciones anteriores para dar origen al control Proporcional-Integral-Derivativo (PID).

Conclusión: La Importancia de la Adecuación del Control

Cada uno de los modos de control debe ajustarse a las características específicas del proceso. Esto significa que es crucial comprender en profundidad la dinámica del proceso antes de proceder a su automatización y a la implementación de los algoritmos de control.