Un bucle de control es el componente fundamental de los sistemas de control en general y de los sistemas de control industrial en particular. Está formado por 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 que sea igual al valor de un punto de ajuste deseado (SP).
Existen 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 de 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 de proceso es la temperatura del edificio. Este controlador hace funcionar 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 deseada y real. En el caso de la analogía de la caldera, se utilizaría un termostato para controlar la temperatura del edificio y enviar una señal para garantizar que la salida del controlador mantenga la temperatura del edificio cerca de la temperatura 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 en el 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 y apagado de la caldera, pero la variable controlada debería 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 bucle 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, de ese modo, enviar una señal para garantizar que el controlador mantenga el edificio a la temperatura establecida en el termostato. Por lo tanto, un controlador de bucle cerrado tiene un bucle de retroalimentación que garantiza que el controlador ejerza una acción de control para proporcionar una salida de proceso que sea 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 lazo cerrado según la British Standards Institution es "un sistema de control que posee retroalimentación de monitoreo, siendo la señal de desviación formada como resultado de esta retroalimentación utilizada para controlar la acción de un elemento de control final de tal manera que tienda a reducir la desviación a cero". [3]
De igual modo, “Un sistema de control por 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 un medio de control”. [4]
Un ejemplo de un 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 se activa en un tramo de carretera que no es plana, entonces el coche se desplazará 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 coche) para alterar 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 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 automóvil 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 cae por debajo de la referencia, la diferencia aumenta, el acelerador se abre y la potencia del motor aumenta, acelerando el vehículo. De esta manera, el controlador contrarresta dinámicamente los cambios en la velocidad del automóvil. La idea central de estos sistemas de control es el bucle de retroalimentación : el controlador afecta la salida del sistema, que a su vez se mide y se envía de regreso al controlador.
El diagrama adjunto muestra un bucle de control con una única entrada de 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 bucle de control de flujo, pero puede ser nivel, temperatura o cualquiera de los muchos parámetros de proceso que se deben controlar. La función de control que se muestra es un "tipo intermedio", como un controlador PID , lo que significa que puede generar un rango completo de señales de salida en cualquier lugar 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 desde la válvula fuera a un tanque y la función del controlador fuera controlar el nivel mediante la válvula de llenado, el valor de PV sería el nivel del tanque y el valor de 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 bucle 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 el control del proceso en función de un diagrama de flujo del proceso . [5]
En un 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 sola función de control se encuentran en un solo diagrama.
Para facilitar 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]
Basados en los estándares 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, el modificador de la función. A continuación, aparece el número de bucle, que es exclusivo de ese bucle.
Por ejemplo, FIC045 significa que es el controlador indicador de caudal 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 caudal en el mismo circuito.
Para la designación de referencia de cualquier equipo en sistemas industriales se utiliza la norma IEC 61346 ( Sistemas industriales, instalaciones y equipos y productos industriales. Principios de estructuración y referencias).