Un bucle de control es el componente fundamental de los sistemas de control en general y de los sistemas de control industrial en particular. Consiste en el sensor de proceso, la función del controlador y el elemento de control final (FCE) que controla el proceso necesario para ajustar automáticamente el valor de una variable de proceso medida (PV) para igualar el valor de un punto de ajuste deseado (SP). .
Hay dos clases comunes de bucle de control: bucle abierto y bucle cerrado. En un sistema de control de bucle abierto, la acción de control del controlador es independiente de la variable del proceso. Un ejemplo de esto es una caldera de calefacción central controlada únicamente por un temporizador. La acción de control es el encendido o apagado de la caldera. La variable del proceso es la temperatura del edificio. Este controlador opera el sistema de calefacción durante un tiempo constante independientemente de la temperatura del edificio. En un sistema de control de circuito cerrado, la acción de control del controlador depende de la variable de proceso real y deseada. En el caso de la analogía de la caldera, esto utilizaría un termostato para monitorear la temperatura del edificio y retroalimentaría una señal para garantizar que la salida del controlador mantenga la temperatura del edificio cerca de la establecida en el termostato. Un controlador de circuito cerrado tiene un circuito de retroalimentación que garantiza que el controlador ejerza una acción de control para controlar una variable de proceso al mismo valor que el punto de ajuste. Por este motivo, los controladores de circuito cerrado también se denominan controladores de retroalimentación. [1]
Básicamente, existen dos tipos de bucle de control: control de bucle abierto (feedforward) y control de bucle cerrado (feedback).
En el control de bucle abierto, la acción de control del controlador es independiente de la "salida del proceso" (o "variable de proceso controlada"). Un buen ejemplo de esto 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 es el encendido/apagado de la caldera, pero la variable controlada debe ser la temperatura del edificio, pero no es así porque se trata de un control de bucle abierto de la caldera, que no proporciona un control de bucle cerrado de la temperatura.
En el control de circuito 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 para garantizar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Por lo tanto, un controlador de circuito cerrado tiene un circuito de retroalimentación que garantiza que el controlador ejerza una acción de control para proporcionar una salida del proceso igual a la "entrada de referencia" o "punto de ajuste". Por este motivo, los controladores de bucle cerrado también se denominan controladores de retroalimentación. [2]
La definición de un sistema de control de circuito cerrado según la British Standard Institution es "un sistema de control que posee retroalimentación de monitoreo, utilizándose la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tienden a reducir la desviación a cero." [3]
Asimismo; "Un sistema de control de retroalimentación es un sistema que tiende a mantener una relación prescrita de una variable del sistema con otra comparando funciones de estas variables y utilizando la diferencia como medio de control". [4]
Un ejemplo de sistema de control es el control de crucero de un automóvil , que es 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, la planta es el automóvil y el sistema es el automóvil y el control de crucero. La salida del sistema es la velocidad del automóvil y el control en sí es la posición del acelerador del motor , que determina cuánta potencia entrega el motor.
Una forma primitiva de implementar el control de crucero es simplemente bloquear la posición del acelerador cuando el conductor activa el control de crucero. Sin embargo, si el control de crucero está activado en un tramo de carretera no plana, el automóvil viajará más lento en las subidas y más rápido en las bajadas. Este tipo de controlador se denomina controlador de bucle abierto porque no hay retroalimentación ; no se utiliza ninguna medición de la salida del sistema (la velocidad del automóvil) para alterar el control (la posición del acelerador). Como resultado, el controlador no puede compensar los cambios que actúan sobre el automóvil, como un cambio en la pendiente de la carretera.
En un sistema de control de circuito cerrado , los datos de un sensor que monitorea la velocidad del automóvil (la salida del sistema) ingresan a un controlador que compara continuamente la cantidad que representa la velocidad con la cantidad de referencia que representa la velocidad deseada. La diferencia, llamada error, determina la posición del acelerador (el control). El resultado es hacer coincidir la velocidad del automóvil con la velocidad de referencia (mantener la salida deseada del sistema). Ahora, cuando el coche va cuesta arriba, la diferencia entre la entrada (la velocidad detectada) y la referencia determina continuamente la posición del acelerador. A medida que la velocidad detectada cae por debajo de la referencia, la diferencia aumenta, se abre el acelerador y aumenta la potencia del motor, acelerando el vehículo. De esta manera, el controlador contrarresta dinámicamente los cambios en la velocidad del vehículo. La idea central de estos sistemas de control es el circuito de retroalimentación : el controlador afecta la salida del sistema, que a su vez se mide y se devuelve al controlador.
El diagrama adjunto muestra un bucle 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 alterar el valor de la variable manipulada (MV). En este ejemplo, se muestra un circuito de control de flujo, pero puede ser el nivel, la temperatura o cualquiera de los muchos parámetros del proceso que deben controlarse. La función de control que se muestra 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 solo una señal de encendido/apagado. [1]
En este ejemplo, el valor de PV es siempre 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 controlar el nivel usando la válvula de llenado, el PV sería el nivel del tanque y el MV sería el flujo al 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 circuito 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 bucles de control normalmente se abrevian utilizando símbolos estándar en un diagrama de tuberías e instrumentación , que muestra todos los elementos de la medición y control del proceso basándose en un diagrama de flujo del proceso . [5]
A nivel detallado, se crea el diagrama de conexión del circuito de control para mostrar las conexiones eléctricas y neumáticas. Esto ayuda enormemente al diagnóstico y la reparación, ya que todas las conexiones para una única función de control están en un diagrama.
Para ayudar a la identificación única del equipo, cada bucle y sus elementos se identifican mediante un sistema de "etiquetado" y cada elemento tiene una etiqueta de identificación única. [6]
Basado en las normas ANSI / ISA S5.1 e ISO 14617 -6, las identificaciones constan de hasta 5 letras.
La primera letra de identificación es para el valor medido, la segunda es un modificador, la tercera indica la función pasiva/lectura, la cuarta - función activa/salida y la quinta es el modificador de función. A esto le sigue el número de bucle, que es exclusivo de ese bucle.
Por ejemplo, FIC045 significa que es el controlador indicador de flujo en el circuito de control 045. Esto también se conoce como el identificador de "etiqueta" del dispositivo de campo, que normalmente se asigna a la ubicación y función del instrumento. El mismo circuito puede tener FT045, que es el transmisor de flujo en el mismo circuito.
Para la designación de referencia de cualquier equipo en sistemas industriales, la norma IEC 61346 ( Sistemas, instalaciones y equipos industriales y productos industriales. Principios de estructuración y referencia).