definiciones basicas de control
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL
CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION
INTRODUCCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL
Ing. Jorge Cosco Grimaney
2011
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 2
INDICE
1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 1.1 Introduccin 1.2 Concepto de sistemas 1.3 Sistemas de control 1.4 Sistemas de medicin 1.5 Definiciones bsicas de control
1.5.1 Sistema 1.5.2 Sistema de control automtico 1.5.3 Planta 1.5.4 Variables del sistema 1.5.5 Perturbacin 1.5.6 Seal de referencia 1.5.7 Seal de error 1.5.8 Unidad de control 1.5.9 Unidad de realimentacin 1.5.10 Actuador 1.5.11 Transductor 1.5.12 Sensor 1.5.13 Amplificador 1.5.14 Proceso 1.5.15 Variable controlada 1.5.16 Variable manipulada 1.5.17 Variable perturbadora 1.5.18 Variable medida 1.5.19 Variable de entrada
1.6 Sistemas de control clsico 1.6.1 Sistemas de control de lazo abierto 1.6.2 Sistemas de control de lazo cerrado
1.7 Controlador 1.8 Actuador
1.9 Diagramas de control 1.9.1 Smbolos en instrumentacin 1.9.2 Smbolos en control de procesos 1.9.3 Smbolos de elementos finales de control 1.9.4 Smbolos de dispositivos primarios
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 3
1.1 INTRODUCCION
Un sistema automtico de control es un
conjunto de componentes fsicos conectados o
relacionados entre s, de manera que regulen o
dirijan su actuacin por s mismos, es decir sin
intervencin de agentes exteriores (incluido el
factor humano), corrigiendo adems los
posibles errores que se presenten en su
funcionamiento.
El control automtico estudia los modelos matemticos de sistemas
dinmicos, sus propiedades y el cmo modificar stas mediante el uso de
otros sistemas dinmicos llamados controladores.
El ser humano utiliza constantemente sistemas de control en su vida
cotidiana, como en su vista, en su caminar, al conducir un automvil, al
regular la temperatura de su cuerpo y otros. Los conocimientos de esta
disciplina se aplican para controlar procesos qumicos, procesos trmicos,
procesos mecnicos y en todo tipo de maquinaria industrial, vehculos
terrestres y aeroespaciales, robots industriales, plantas generatrices de
electricidad, etc.
El control ha evolucionado desde bsicos sistemas mecnicos, hasta
modernos controladores digitales. En un principio, los sistemas de control
se reducan prcticamente a reacciones; stas eran provocadas mediante
contrapesos, poleas, fluidos, etc. A principios del siglo pasado, se comenz
el trabajo con modelos matemticos ms estrictos para realizar el control
automtico. Se inici por ecuaciones diferenciales; luego, surgi el anlisis
de la respuesta en frecuencia y lugar geomtrico de las races. Con el
surgimiento de sistemas digitales que posibilitan el anlisis en el dominio del
tiempo, los sistemas de control moderno se basaron en ste y las variables
de estado.
El uso de las computadoras digitales ha posibilitado la aplicacin en forma
ptima del control automtico a sistemas fsicos que hace algunos aos atrs
eran imposibles de analizar o controlar. Uno de estos avances esta dado por
la aplicacin de las tcnicas de control difuso, aplicaciones con redes
neuronales, simulacin de sistemas de control y sistemas expertos entre
otros.
El Control Automtico juega un papel fundamental en los sistemas y
procesos tecnolgicos modernos. Los beneficios que se obtienen con un
buen control son enormes. Estos beneficios incluyen productos de mejor
calidad, menor consumo de energa, minimizacin de desechos, mayores
niveles de seguridad y reduccin de la polucin.
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 4
1.2 SISTEMA
Es una unidad formada por una serie de elementos que tienen algn tipo de
interrelacin entre s, y que pueden ser considerados como un conjunto
respecto a algunas propiedades o caractersticas
Cada elemento tiene condiciones fsicas asociadas que definen parmetros. A
los parmetros de cada elemento se les denomina parmetros del sistema.
Las condiciones fsicas de cada componente son cambiantes con el tiempo y
determinan el estado del sistema en cada momento y se les denominan
variables del sistema.
Figura 1
Los sistemas se definen en todas las reas. En control lo analizaremos en el
contexto de sistemas fsicos que se describen por leyes de las ciencias
fsicas.
1.3 SISTEMA DE CONTROL
Un sistema de control est definido como un conjunto de componentes que
pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr
un funcionamiento predeterminado
Un sistema de control controla la salida del sistema a un valor o secuencia
de valores determinados. El objetivo de cualquier estrategia de control es
mantener una variable llamada controlada prxima a un valor deseado
conocido como punto de ajuste set-point. La variable controlada debe
permanecer estable,
El principio de todo sistema de control automtico es la aplicacin del
concepto de realimentacin o feedback (medicin tomada desde el proceso
que entrega informacin del estado actual de la variable que se desea
controlar) cuya caracterstica especial es la de mantener al controlador
central informado del estado de las variables para generar acciones
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correctivas cuando as sea necesario. Este mismo principio se aplica en
campos tan diversos como el control de procesos qumicos, control de
hornos en la fabricacin del acero, control de mquinas herramientas,
control de variables a nivel mdico e incluso en el control de trayectoria de
un proyectil militar.
Figura 2
Un sistema de control puede ser mecnico, neumtico, hidrulico, elctrico,
electrnico o por computadora (PLC)
Un sistema de control de un intercambiador de calor controlado por un
hombre sera como en la figura 3.
FIGURA 3
El operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado,
calcula cuanto ms abrir la vlvula de vapor, y hace las correcciones
correspondientes; as las funciones bsicas del control manual realizado por
un ser humano son: Medir, Comparar, Calcular, Corregir.
Los fundamentos de un sistema de control automtico se encuentran en las
funciones de control manual realizadas por el hombre.
ENTRADA DEAGUA FRIA
Lazo de Control
sensor
accincorrectora
proceso
computa
comparacontrolador
ENTRADADE VAPOR
SALIDA DEAGUA CALIENTE
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1.4 SISTEMA DE MEDICIN Los sistemas de medicin permiten conocer las magnitudes de los
parmetros fsicos de los sistemas de control que se analiza o controlan.
Un sistema de medicin esta formado por:
SENSOR.- Transforma una variable fsica en una seal elctrica
Figura 4
ACONDICIONADOR.- Amplifica, filtra y linealiza la seal proporcionada por
el sensor
CONVERTIDOR ANALOGO DIGITAL.- Es el dispositivo que convierte la
seal anloga a seales digitales. CAD
Figura 5
PROCESADOR.- Analiza y memoriza la informacin y lo enva a los visualizadores
VISUALIZADOR.- Es el dispositivo donde se presentan los resultados puede
ser un display, un dispositivo electromecnico, etc.
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1.5 DEFINICIONES BASICAS DE CONTROL
Sistema: es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de realizar
una operacin dada o de satisfacer una funcin deseada
Sistema de control automtico: El control automtico es el
mantenimiento de un valor deseado para una cantidad o condicin fsica,
midiendo su valor actual, comparndolo con el valor referencia, y utilizando
la diferencia para proceder a reducirla mediante una accin correctiva.
Planta: Sistema sobre el que pretendemos actuar.
Figura 6
Variables del sistema: Son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia y
control, que definen el comportamiento de un sistema (velocidad,
temperatura, posicin, etc.).
Entrada: Es la excitacin que se aplica a un sistema de control desde una
fuente de energa externa, con el fin de provocar una respuesta.
Salida: Es la respuesta que proporciona el sistema de control.
Perturbacin: Son las seales no deseadas que influyen de forma adversa
en el funcionamiento del sistema. Por ejemplo abrir una ventana representa
una perturbacin en el sistema de control de temperatura mediante
termostato.
Seal de referencia: es una seal de entrada conocida que nos sirve para
calibrar al sistema.
Seal de error: tambin denominada seal activa. Representa la diferencia
entre la seal de entrada y la realimentada.
Unidad de control: Gobierna la salida en funcin de una seal de
activacin.
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Unidad de realimentacin: est formada por uno o varios elementos que
captan la variable de salida, la acondicionan y trasladan a la unidad de
comparacin.
Actuador: Es un elemento que recibe una orden desde el regulador o
controlador y la adapta a un nivel adecuado segn la variable de salida
necesaria para accionar el elemento final de control, planta o proceso.
Transductor: Transforma una magnitud fsica en otra que es capaz de
interpretar el sistema.
Sensor: Transforma una magnitud fsica en una
seal elctrica
Los sensores son los elementos primarios de
medicin de variables del proceso, siendo
algunos usados para lectura e indicacin y otros
para transformar la variable medida en una
seal elctrica, los ms usados en la industria
son los de velocidad, nivel, presin, temperatura,
flujo, proximidad, tensin, densidad, humedad,
color, entre otros.
Pueden ser de Contacto, No Contacto, Digital o
Analgico.
Los sensores de contacto realizan la medida en
contacto fsico con el producto; por ejemplo los
sensores de boyas para medir el nivel de un
tanque.
Los sensores de no contacto se basa en las
propiedades fsicas de los materiales para realizar
su medida, son menos propensos a fallas.
Los sensores digitales son ms fciles de usar y
trabajan como una computadora en forma binaria
en dos estados: encendido (ON) o apagado
(OFF).
Los sensores analgicos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser ms
utilizadas en diversos parmetros de operacin, como son: el nivel, la
presin, temperatura y el flujo
Amplificador: Proporciona un nivel de seal
procedente de la realimentacin, entrada,
comparador, etc., adecuada al elemento sobre el que
acta.
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Proceso: El trmino planta o proceso, para los fines de control significa el
equipo a automatizar en donde se estabiliza la variable de control, a travs
de los sensores, actuadores y controladores.
Las respuestas de un proceso a una determinada perturbacin estn casi
siempre caracterizadas por dos constantes: una constante de tiempo () y una ganancia esttica.
La ganancia es la amplificacin o atenuacin de la perturbacin en el interior
del proceso y no tiene interferencia con las caractersticas de tiempo de
respuesta.
La constante de tiempo, es la medida necesaria para ajustar un sistema de
una perturbacin en la entrada y puede ser expresada como producto de:
= resistencia x capacidad
Otro factor importante en la dinmica de procesos incluye el movimiento de
masas entre dos puntos y es denominado atraso de transporte o tiempo
muerto
Variable Controlada
Es el parmetro ms importante del proceso, debindose mantener estable
(sin cambios), pues su variacin alterara las condiciones requeridas en el
sistema, su monitoreo a travs de un sensor es una condicin importante
para dar inicio al control.
Figura 7
En el ejemplo mostrado del intercambiador de calor de la figura se observa,
la intencin de calentar agua a travs del vapor, para lo cual se deber tener
en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y
agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la ms
importante del sistema es la temperatura de salida del agua, que sera en
este caso la Variable Controlada.
BULBO
TERMOMETROINDICADOR
SALIDA DEAGUA CALIENTE
ENTRADA DEAGUA FRIA
VALVULADE VAPOR
ENTRADADE VAPOR
Variable
controlada
TEMPERATURA
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 10
PROCESO
SENSOR ELEMENTO DE
MEDICIN
SALIDAENTRADA
DETECTOR DE ERRORO CONTROLADOR PERTURBACIN
SET POINT
VALOR DEREFERENCIA
ERROR
VARIABLEMEDIDA
VARIABLEMANIPULADA
VARIABLEPERTUBARADORA
VARIABLECONTROLADA
ACTUADOR ELEMENTO
FINAL DECONTROL
Variable Manipulada
Es el parmetro a travs del cual se debe corregir las perturbaciones del
proceso, colocndose un actuador para lograr estabilizar el sistema.
En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor
cantidad de energa al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la
variable a manipular ser el flujo de ingreso de vapor.
Figura 8
Variable Perturbadora
Es el parmetro desestabilizacin del sistema por cambios repentinos
afectando el proceso.
En el ejemplo, la variable perturbadora sera el flujo de entrada de agua fra,
si por una baja de tensin se altera el funcionamiento de la bomba de
suministro de agua, provocara un menor ingreso de flujo al proceso
originando la desestabilizacin del sistema.
Variable Medida
Es todo parmetro del proceso requerido para conocer su valor, por lo tanto
deber ser monitoreado; no siendo necesariamente la mas importante para
controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data.
Variable de Entrada
Es el parmetro fijado mediante medios elctricos, electrnicos, o por
software para que el sistema actu
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1.6 SISTEMAS DE CONTROL CLASICO
Existen diversas estrategias de control como; Control de lazo abierto (open
loop control), Control con retroalimentacin (Feedback), Control en cascada,
Control de relacin (Ratio control) y Control Predictivo. Los sistemas de
control bsicos son el de lazo abierto y el de lazo cerrado de ellos se
disean sistemas para satisfacer necesidades especiales de un proceso y su
comprensin es importante para entender los sistemas complejos de control.
1.6.1.- Sistemas de Control de Lazo Abierto
En estos sistemas la variable controlada no se retroalimenta. La conformidad
entre el valor alcanzado por la variable controlada y su valor de referencia
depende de la calibracin, y consiste en establecer una relacin entre la
variable manipulada y la variable controlada. Estos sistemas solo son tiles
en ausencia de perturbaciones
En estos sistemas de control la salida no tiene efecto sobre la accin de
control, es decir no se compara la salida con la entrada de referencia. Por lo
tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condicin de
operacin fija. As, la precisin del sistema depende de la calibracin y del
operador cuya funcin ser la del controlador.
Figura 9
En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no
cumple su funcin asignada, por no tener una forma de conocer el resultado
del control efectuado o salida del proceso. La figura 10 corresponde a un el
intercambiador de calor donde la variable controlada est expuesta a
perturbaciones que la entrada no entera.
Ajuste deParmetros
A(s)Controlador
Gc(s)Elemento
Final de controlGv(s)
ProcesoGp(s)
PerturbacinGD(s)
D(s)
++
VariableManipulada
M(s)Accin de
ControlF(s)
Valor deReferencia
V(s)"Set point"R(s)
VariableControlada
C(s)
Figura 10
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 12
HIK
solucinconcentrada
B, XBManmetrocalibrado enunidades deconcentracin
P, XpSolucinSalina
Agua
A, Xa = 0
En la figura 11 se muestra un control de concentracin de una solucin
salina donde se puede observar que la salida no modifica la posicin de la
vlvula de la solucin concentrada en caso de perturbaciones externas al
sistema
Figura 11
Luego podemos afirmar que los fundamentos de un sistema de control
automtico en este sistema deben de provenir de las funciones bsicas del
control manual realizadas por un ser humano. En la prctica el control de
lazo abierto slo se utiliza si la relacin entre la entrada y la salida es
conocida y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas
significativas.
Sus caractersticas mas importantes son.
Fcil montaje y mantenimiento
Bajo costo
No tiene problemas de estabilidad
Nada asegura su estabilidad ante una perturbacin
La salida no se compara con la entrada
Afectado por las perturbaciones
La precisin depende de la previa calibracin del sistema
1.6.2.- Sistema de Control de Lazo Cerrado
Se denomina sistema de control de lazo cerrado cuando frente a presencia
de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y
el valor deseado o set point. El principio de funcionamiento consiste en
medir la variable controlada mediante los captadores o sensores, convertirla
en seal y retroalimentarla para compararla con la seal de entrada de
referencia. La diferencia entre sta y la seal retroalimentada constituye la
seal de error, la cual es empleada por la Unidad de Control para calcular la
variacin a realizar en la variable manipulada y mediante los accionadores
restablecer la variable controlada en su valor de referencia.
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 13
Figura 12
En la figura 13 la planta o proceso entrega informacin mediante los
captadores o sensores a la unidad de control y este ordena mediante los
accionadores o actuadores la correccin de la variable controlada que es
proporcionada a la unidad de control por el nivel de supervisin
Figura 13
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 14
1.7 CONTROLADOR
El controlador es una componente del
sistema de control que detecta los
desvos existentes entre el valor medido
por un sensor y el valor deseado o set
point, programado por un operador;
emitiendo una seal de correccin hacia
el actuador La seal que entrega el
controlador se llama seal de control o
manipulada y la entregada por la salida,
seal controlada, como se observa en la
figura 14.
Figura 14
Un controlador puede ser del tipo elctrico, electrnico, neumtico o
hidrulico, encargado de controlar uno o ms procesos. Al principio los
controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos,
conforme la tecnologa fue desarrollndose actualmente se utilizan
microprocesadores microcontroladores o Pic.
En la figura 15 el controlador recibe una seal del sensor, procesa la
informacin y mediante un transductor lo convierte en una seal neumtica
para que el actuador regule el nivel del tanque..
Seal controlada Seal
manipulada
Vlvula Neumtica
Actuador
Controlador
TransductorSensor
Seal Elctrica Seal Elctrica
Seal Neumtica
PROCESO
Figura 15
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 15
Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de
control, como:
1. De dos posiciones o de encendido y apagado (on/of)
2. Proporcionales
3. Integrales
4. Proporcionales-integrales - PI
5. Proporcionales-derivativos - PD
6. Proporcionales-integrales-derivativos - PID
Figura 16
Casi todos los controladores industriales
emplean como fuente de energa la
electricidad o un fluido presurizado, tal
como el aceite o el aire. Los controladores
tambin pueden clasificarse, de acuerdo con
el tipo de energa que utilizan en su
operacin, como neumticos, hidrulicos o
electrnicos. Existe otro tipo de
clasificaciones que analizaremos mas
adelante
El tipo de controlador que se use debe
decidirse con base en la naturaleza de la
planta y las condiciones operacionales,
incluyendo consideraciones tales como
seguridad, costo, disponibilidad,
confiabilidad, precisin, peso y tamao.
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1.8 ACTUADOR Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por funcin alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviacin del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores como: motores, vlvulas, rels, y swicthes. Los actuadores ms importantes son:
Actuadores Elctricos Son usados en la industria y en aplicaciones comerciales para posicionar dispositivos de movimientos lineal o rotacional. Tales como swicthes, rels, motores y otros.
Actuadores Neumticos Aceptan seales de presin pequeas, desde los posicionadores neumticos y mediante un diafragma, convierten estas seales en movimientos mecnicos.
Actuadores Hidrulicos Los actuadores hidrulicos operan en forma similar a los posicionadores neumticos, pero con una mayor fuerza de accin, para ser usados en compuertas, gras, elevadores y otros.
1.9 DIAGRAMAS DE CONTROL Los smbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplicacin en el proceso, el tipo de seales empleadas, la secuencia de componentes interconectadas y de alguna manera, la instrumentacin empleada. La Sociedad de Instrumentistas de Amrica (ISA por sus siglas en ingles Instruments Society of Amrica) publica normas para smbolos, trminos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Estas normas ayudan a utilizar e interpretar los smbolos utilizados en el control de procesos.
1.9.1 Smbolos en Instrumentacin
Los instrumentos son generalmente identificados por nmeros en una etiqueta. El nmero de la etiqueta identifica (1) la funcin en el proceso y (2) el lazo de control en el cual est localizado. La figura 17 indica cmo las letras y los nmeros son seleccionados y agrupados para lograr una rpida identificacin.
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 17
Figura 17
Las seales de instrumentacin utilizadas en el control de procesos son usualmente de los siguientes tipos: Neumtica, electrnica (elctrica), capilar, hidrulica, snica o indicando radioactividad. Cada seal tiene un smbolo diferente y los smbolos son mostrados en la figura 18.
Fig. 18. Lneas de Conexin de Instrumentos
1.9.2 Smbolos en el Control de Procesos
Los smbolos de los instrumentos que representan un proceso de intercambio de calor estn mostrados en la figura 19.
Note que se utilizan varios elementos primarios y varios tipos de seales son utilizados. Aunque las seales elctricas y neumticas no son comnmente utilizadas juntas, ambas son utilizadas en este diagrama para demostrar aplicaciones tpicas de los smbolos de instrumentos. As el registrador de flujo 100 que est montado en el panel, tiene una entrada neumtica y el controlador registrador de temperatura 101 que est montado en el panel, tiene un sistema de llenado trmico o entrada capilar
La salida neumtica del transmisor montado localmente FT 102 (figura.19) enva una seal al registrador que est en el panel de control con la identificacin FR 102. El 1 identifica la localizacin en el panel. Informacin similar del lazo de presin (PT 103 y PR 103) incluye el hecho que la presin de salida es registrada.
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 18
Fig. 19. Smbolos de Instrumentos en un Proceso
Cuando se miden fluidos compresibles (gas, aire, vapor), el uso de la presin de entrada o la de salida afectar significativamente la cantidad final o el volumen que se calcule con los datos registrados en las graficas.
En el ejemplo mostrado en la figura 19, el vapor fluye al intercambiador para calentar el fluido del proceso. La lnea que une el transmisor de presin al proceso es colocada en el intercambiador en el lado de salida de la placa de orificio, lo cual indica que se registra la presin de salida .En el lazo de flujo 100, el elemento de flujo o dispositivo primario difiere del que se utiliz en el lazo de vapor.
En el lazo de temperatura (TRC 101), el elemento final de control es una vlvula. Las letras FO justo debajo del smbolo de la vlvula, indica que la vlvula abre si el diafragma se rompe, o la seal de aire falla, o si existe una condicin similar. El segundo circulo unido al TRC (TS 101) significa que se utiliza un interruptor para activar un TAL (alarma por baja temperatura por sus siglas en ingles Temperarure Alarm Low), la cual tambin est localizada en el panel de control.
1.9.3 Elementos finales de control.
Las vlvulas, elementos finales en los lazos de control se muestran en la figura 20 las vlvulas son los elementos de control ms comunes, sin embargo se utilizan tambin otros elementos finales de control como son los amortiguadores, controles de velocidad o circuitera de posicin. Ntese que cualquiera de los actuadores listados puede ser utilizado con cualquiera de los cuerpos de las vlvulas mostradas. Usualmente se utilizan slo los smbolos ms simples y se reservan las especificaciones detalladas para los diagramas de los lazos de control.
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 19
Fig. 20. Smbolos de Elementos finales de control
1.9.4 Los dispositivos primarios para temperatura, presin, nivel, flujo, etc
Fig. 21. Smbolos de Temperatura
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INTRODUCION A LOS SISTEMAS AUTOMATICOS DE CONTROL 20
Fig. 22. Smbolos de Presin
Fig. 23. Smbolos de fluidos