ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL

Elemento primario de medida (Transductor)


Son los dispositivos encargados de realizar la medición de las variables en un proceso. Transductor es todo dispositivo o elemento que convierte una señal de entrada en una de salida pero de diferente naturaleza física.

Normalmente se desea transformar señales de las variables físicas o químicas que deseamos medir, en magnitudes eléctricas que son las que manejamos con más facilidad en instrumentación. La salida del transductor es una función conocida de la magnitud de entrada y la relación entre ambas (magnitud a medir y salida del transductor) puede no ser lineal, aunque se procura que lo sea para simplificar su tratamiento. La señal eléctrica tal como la proporciona un transductor no es, en general, directamente utilizable por un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador. Por eso suele someterse a estas señales a una serie de procesos típicos. Estos pueden ser entre otros: aislamiento, acoplo de impedancias, cambios de nivel o tipo de la señal, amplificación, filtrado, linealización.

Uno de los procesos deseados suele ser la amplificación o conversión de la señal al rango de tensión usual en los sistemas de adquisición de datos (0 a 10V); esto puede requerir una atenuación para señales más elevadas, o una amplificación apropiada para las de niveles bajos. Otro es su transformación al rango habitual de corriente en proceso de datos de campo (4 a 20 mA), para poder transmitirlos por cable trenzado a distancia. La transmisión en corriente proporciona una notoria inmunidad al ruido ya que la información no es afectada por caídas de tensión en la línea, impulsos parásitos, resistencias o voltajes inducidos por contaminación electromagnética, etc.

En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso

Transmisores:

Son dispositivos que se conectan al elemento primario y en algunos casos se encuentran integrados al transductor, el mismo produce las señal para la transmisión. Se clasifica en neumáticos y electrónicos. Ellos presentan una constante de tiempo y un tiempo muerto que dependen del tipo de transmisor y de la variable que se este midiendo. En el caso de los transmisores neumáticos la señal transmitida es de 3 a 15 psi, y en el caso de los electrónicos dicha señal es de 4 a 20 mA.

Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.


Elemento Final de Control:

Recibe la señal de controlador y modifica el agente de control, también se le conocen como actuadores.

Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.
Los actuadores más comunes son los motores, válvulas y bombas. Existen otro tipo como son los piezoelécticos.

Controlador:

Es el encargado de comparar la variable controlada con un valor deseado y ejercer una acción correctiva de acuerdo con la desviación. Al llevar a cabo la función de control, el controlador automático usa la diferencia entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia la válvula.

La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medición. Si el transmisor no envía una señal precisa, o si existe un retraso en la medición de la señal, la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada. Al mismo tiempo, el controlador debe recibir una señal de valor de consigna precisa (set-point ).

En controladores que usan señales de valor de consigna neumática o electrónica generadas dentro del controlador, una falla de calibración del transmisor de valor de consigna resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición a un valor erróneo. La habilidad del controlador para posicionar correctamente la válvula es también otra limitación. Si existe fricción en la válvula, el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una diferencia entre la medición y el valor de consigna. Intentos repetidos para posicionar la válvula exactamente pueden llevar a una oscilación en la válvula y en la medición, o, si el controlador puede sólo mover la válvula muy lentamente, la habilidad del controlador para controlar el proceso será degradada.

Una manera de mejorar la respuesta de las válvulas de control es el uso de posicionadores de válvulas, que actúan como un controlador realimentación para posicionar la válvula en la posición exacta correspondiente a la señal de salida del controlador. Los posicionadores, sin embargo, deberían ser evitados a favor de los elevadores de volumen en lazos de respuesta rápida como es el caso de caudal de líquidos a presión.

Otros elementos


Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales.

A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital.

Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.