Modo de control en continuo para sistemas de vapor

Al modo de control en continuo para sistemas de vapor se le llama frecuentemente control modulante y significa, simplemente, que la válvula es capaz de ser movida continuamente para cambiar el grado de apertura o cierre.

No se limita a moverse de totalmente abierta a totalmente cerrada, como lo hace el modo de control todo o nada para sistemas de vapor. Hay tres acciones de control básicas que se usan a menudo en el modo de control en continuo para sistemas de vapor:

• Proporcional (P)
• Integral (I)
• Derivativa (D)

También es necesario considerar la combinación de las tres: P + I, P + D, P + I + D. Aunque sea posible combinar las diferentes acciones y que todas ayuden a producir la respuesta requerida, es importante recordar que las acciones integrales y derivativas suelen ser funciones correctivas de una acción de control proporcional básico.

Control Proporcional

Este es el más básico modo de control en continuo para sistemas de vapor y para simplificar normalmente se le indica con la letra “P”. El objetivo principal del control proporcional es controlar el proceso según vayan cambiando las condiciones. En esta sección se muestra que:

• Cuanto más ancha sea la banda proporcional, más estable será el control, pero el offset será mayor.
• Cuanto más estrecha sea la banda proporcional, menos estable será el proceso, pero el offset será menor.

El objetivo, por tanto, debe ser introducir la banda proporcional aceptable más estrecha que mantendrá siempre el proceso estable con un offset mínimo. Al explicar el control proporcional debemos introducir varios términos nuevos. Para definirlos, consideremos una simple analogía con un tanque de agua fría alimentado con agua a través de una válvula de flotador y con una válvula de globo en la tubería de salida “V”.

Como se muestra en la primera figura, ambas válvulas son del mismo tamaño y tienen la misma capacidad y característica de flujo. El nivel deseado de agua del tanque está en el punto B (equivalente al punto de consigna de controlador de nivel). Supongamos que, con la válvula “V” medio abierta (50% de carga), hay el caudal justo de agua entrando por la válvula de flotador para proporcionar el caudal deseado de salida a través de la tubería de descarga, y para mantener el nivel de agua del tanque en B.

Se puede decir que el sistema está en equilibrio (el caudal de agua que entra y sale del tanque es el mismo), en una condición estable (el nivel no varía), con el nivel de agua deseado (B) y proporcionando el caudal de salida necesario. Con la válvula “V” cerrada, el nivel de agua en el tanque se eleva hasta el punto A y la válvula de flotador corta el suministro de agua.

El sistema sigue estando bajo control y estable pero controlando por encima del nivel B. La diferencia entre el nivel deseado B y el nivel actual controlado A, está relacionado con la banda proporcional del sistema de control. De nuevo, si la válvula ‘V’ está medio abierta para proporcionar un 50% de la carga, el nivel del agua en el tanque retornará al nivel deseado, punto B.

Ahora, en la gráfica anterior de este ejemplo de modo de control en continuo para sistemas de vapor, la válvula ‘V’ se abre totalmente (100% de carga). La válvula de flotador necesitará caer para abrir del todo la válvula de entrada y admitir un caudal de agua fría que satisfaga la demanda incrementada de la tubería de descarga. Cuando alcance el nivel C, entrará el agua suficiente para satisfacer las necesidades de descarga y el nivel de agua se mantendrá en C.

El sistema está bajo control y estable pero hay desviación u offset, la desviación de nivel entre los puntos B y C, tal y como se muestra en la siguiente figura:

La diferencia de nivel entre los puntos A y C es conocido como Banda Proporcional o banda P, ya que es el cambio de nivel (o temperatura en el caso de un control de temperatura) para que la válvula se mueva de totalmente abierta a totalmente cerrada. El símbolo para la Banda Proporcional es Xp.

La analogía ilustra varios puntos básicos e importantes relativos al control proporcional:

• La válvula se mueve proporcionalmente al error en el nivel de agua (o la desviación de temperatura en el caso de un control de temperatura) en relación con el punto de consigna.
• El punto de consigna solo puede ser mantenido para una condición de carga específica.
• Mientras que el control estable se puede obtener entre los puntos A y C, cualquier carga que cause una diferencia de nivel al del B tendrá siempre una desviación u offset.

Al modificar la posición del punto de apoyo, la banda proporcional del sistema cambia. Más cerca de la boya da una banda-P más estrecha, mientras más cerca de la válvula da una banda-P más ancha. La siguiente figura nos muestra porqué esto es así. Diferentes posiciones del punto de apoyo requieren diferentes cambios en el nivel del agua para mover la válvula de totalmente abierta a totalmente cerrada. En ambos casos, se puede ver que el nivel B representa el nivel con 50% de carga, A representa el nivel con el 0% de carga, y C representa el nivel con el 100% de carga. También se puede ver cómo el offset es mayor a cualquier carga con la banda proporcional más ancha.

Los ejemplos anteriores del modo de control en continuo para sistemas de vapor describen banda proporcional como el cambio de nivel (o de temperatura, presión, etc.) necesario para mover la válvula desde totalmente abierta a totalmente cerrada. Esto es conveniente para sistemas mecánicos, pero una definición más general (y más correcta) de la banda proporcional es el cambio porcentual en el valor medido necesario para producir un cambio del 100% en la salida. Por tanto, se expresa habitualmente en términos de porcentajes más que en unidades de ingeniería, como grados centígrados. Los controladores eléctricos y neumáticos toman como valores de consigna la posición media de la banda proporcional. Podemos describir el cambio de la banda-P para sistemas eléctricos y neumáticos con un ejemplo ligeramente diferente, utilizando un control de temperatura.

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