Antecedentes históricos del control de procesos.

Antecedentes históricos del control de procesos

por danioc | buenastareas.com

Desde los comienzos de la humanidad, los esfuerzos por la supervivencia y el dominio de la tierra han dependido de la habilidad para desarrollar los 5 sentidos, el lenguaje y sobre todo, el ingenio. Desde entonces, el progreso de la civilización se ha hecho posible en gran parte por la segregación de estas capacidades básicas. Así, las necesidades en paralelo con los avances tecnológicos, han crecido en gran manera durante los últimos 100 años. Los procesos industriales se han vuelto más grandes y más complejos, las materias primas y la energía han incrementado los costos de los productos y las presiones para reducir gastos en los costos de operación se han hecho cotidianas. Sin lugar a dudas, el siglo XX ha sido el siglo de los especialistas del control, cuya habilidad para automatizar y optimizar parámetros críticos ha contribuido al éxito de las industrias que mueven nuestra creciente civilización global. Retrocediendo en la historia de los procesos industriales, en las primeras plantas químicas había una gran cantidad de operadores, quienes vigilaban los indicadores y manipulaban las válvulas; de hecho, la operación completa de la planta se realizaba mediante ir apuntando en pizarras los parámetros principales para cada una de las áreas y así, en los lapsos de tiempo de recolección de resultados, los operadores calculaban los ajustes necesarios para válvulas, compuertas y demás unidades para aplicarlos en corridas posteriores. Con esto, cada operador iba desarrollando una capacidad empírica para elproceso, y los supervisores tenían el reto de coordinar a los muchos operadores para que la planta se manejara correctamente y del mismo modo siempre. Es en 1900 cuando aparecen los primeros controladores neumáticos, los cuales se conectaban directamente al proceso que se deseaba controlar. Cada controlador tenía un sensor neumático que medía flujo, nivel o presión, y que enviaba una señal neumática de salida a un servicio o instrumento tal como una válvula de diafragma (inventada en 1890). El tipo de control usado era entonces proporcional o de encendido / apagado. Así, para 1940 cuando los cuartos centrales de control se hallaban en pleno desarrollo, un operador típico trabajaba en la planta prácticamente a un lado del proceso del cual tenía la responsabilidad de dirigir. La comunicación con los supervisores era mínima y los operadores tenían un alto grado de responsabilidad para cada una de las unidades de proceso. Casi todos los parámetros de control eran ajustados por el operador quien se basaba en su habilidad, experiencia y conocimiento del proceso. Un operador típico era el encargado de controlar desde una hasta cinco válvulas. Si la unidad de proceso requería de un mayor número de operaciones, se asignaban a más operadores. La acción derivativa fue introducida en 1935, con lo cual se establecieron las bases para el control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) y una serie de variables que no eran comprensibles del todo hasta el desarrollo del método propuesto por Ziegler y Nichols 1 en 1942.Mientras que el modo proporcional se ocupa del tipo de error, el control integral responde al tipo y a la duración de este y el derivativo se refiere a la rapidez de cambio del error. El primer transmisor neumático desarrollado en 1938 permitió que los controles neumáticos locales fueran convertidos en controles receptores y por consiguiente transferidos al cuarto de control. Debido a que estos controles eran muy grandes, los cuartos de control tenían que ser bastante espaciosos. La industria rápidamente adoptó la señal de 3 a 15 psi de aire para representar el rango de medición de las variables (0 a 100 %), los puntos de ajuste (set points) y las salidas de proceso. Cualquier señal por abajo de 3 psi o arriba de 15 psi indicaba la existencia de un error (por ejemplo la pérdida de presión de aire o el rompimiento de un sensor o regulador).

La mayor contribución de Ziegler y Nichols radica en reconocer que el control PID describe sistemas complejos de orden superior que pueden ser aproximados a un modelo de primer orden con tiempo muerto. Este modelo tiene la ventaja de presentar una estructura sencilla con amplia aplicación, además de que los parámetros pueden ser determinados experimentalmente y convertidos directamente a los puntos óptimos del control PID. Fue la primera vez que alguien propuso un método que iba más allá de la prueba y error. Ziegler y Nichols propusieron un conjunto de factores para calcular los parámetros del control PID como función de la última ganancia y el último periodo en elcircuito de control; este método también propuso un paso a circuito abierto vía experimental para generar la curva de la reacción de proceso en donde la última ganancia y el periodo podían ser calculados.

Cuando los controles pudieron enlazarse se desarrollaron ingeniosos esquemas de control, como el control en cascada, control con retroalimentación (feedback) y técnicas de límite de control. Estos arreglos se hicieron muy útiles e indispensables en el desarrollo industrial que acompañó a la segunda guerra mundial. Sensores. El éxito de los primeros controles dependió en gran manera del descubrimiento y desarrollo de los sensores. El uso de estos en el siglo XX para los procesos industriales comenzó lentamente. Flotadores, niveles, mirillas, termómetros y armaduras eran instrumentos típicos usados para la detección y medición de los parámetros de proceso, pero en esencia, al inicio los sensores más usados eran la vista, el oído, el tacto, el olfato y el gusto; así el humo de proceso de una chimenea, el color o claridad del líquido de un proceso y la textura, olor o sensación al tacto del producto final eran a menudo usados para determinar la calidad de un producto. Los ingenieros supervisores típicamente hacían sus rondas en la planta para la lectura de las mediciones y reconocimiento de los procesos y productos obtenidos “de primera mano”. La invención del termómetro atribuida a Galileo alrededor de 1593 y la del termómetro de mercurio y alcohol difundidos por Gabriel Fahrenheit en 1709 y 1714 ayudaron aestablecer las bases para la detección y medición modernas de la temperatura. En 1821 T.J.Seebeck observó que dos metales distintos puestos en un circuito cerrado y sujetos a diferentes temperaturas podían utilizarse para generar un flujo de corriente eléctrica en tal circuito. Este descubrimiento permitió 50 años después la invención del termopar por Sir William Siemens. En 1856 Lord Kelvin fue el primero en reportar que los conductores metálicos sujetos a esfuerzos mecánicos presentaban un cambio en su resistencia eléctrica. Posteriormente el desarrollo de medidores de tensión permitió que los movimientos mecánicos fueran convertidos en señales electrónicas, esto basado en el hecho de que cambios en la capacitancia, inductancia o resistencia son proporcionales a la tensión detectada por el sensor. La ley de Faraday de inducción electromagnética desarrollada en 1881 (cuyo principio dice que cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético de cierta longitud se genera un cierto voltaje en tal conductor) fue base para que Faraday intentara medir el flujo del río Támesis. Así, es muy probable que la primera variable en ser medida y controlada con precisión por la industria halla sido la temperatura, esto debido al uso de máquinas y turbinas de vapor para proporcionar la potencia necesaria a las maquinas encargadas de la producción. El manómetro de mercurio fue uno de los primeros servicios usados para medir las presiones en las máquinas de vapor. Así, la era de los sensores mecánicos fue seguida porun periodo de instrumentos hidráulicos que usaban las presiones del aceite y otros fluidos para detectar y medir los parámetros involucrados en la producción. Incluso en el desarrollo de la instrumentación neumática en las décadas de 1920 y 1930 se continuó con el uso de los instrumentos hidráulicos. El primer termómetro de radiación comercialmente disponible fue introducido en 1931; este era usado para registrar y controlar la temperatura en los procesos industriales. No fue sino hasta después de la segunda guerra mundial cuando dichos termómetros fueron extensamente usados en la industria. Así, el uso de sensores de temperatura que no requerían de contacto permitió que objetos en condiciones ambientales extremas pudieran monitorearse remotamente. De manera general, la aplicación de los sensores en la industria comenzó justo antes de la segunda guerra mundial y su desarrollo continuó a través de la duración de esta; de hecho, fue durante este periodo cuando dicha instrumentación adoptó muchas de las técnicas eléctricas que fueron aplicadas con gran éxito en tal guerra. Al inicio, estas técnicas usaban predominantemente corriente alterna (CA) y posteriormente se incluyó el uso de la corriente directa (CD). La habilidad de tomar respuestas mecánicas y convertirlas en señales eléctricas fue uno de los mayores logros; una de las primeras aplicaciones de la conversión de señales fue el accionamiento de metales cuando estos se expandían o contraían con un cambio de temperatura o presión. Los transductores sonaparatos que transforman un tipo de energía en otro. Los transductores para la medición de tensiones fueron inventados a finales de la década de 1930 y desde entonces han llegado a ser herramientas importantísimas en las aplicaciones de ingeniería. Los termistores son semiconductores hechos de mezclas de metales fundidos a altas temperaturas y la construcción de estos fue alrededor de 1930. No fue sino hasta 1950 cuando se aceptaron y empezaron a utilizarse en aplicaciones industriales. El magnetrol, un pionero en el control de nivel data de 1932 y surgió de la necesidad de controlar los niveles de líquidos adecuadamente; tal control primario estaba basado en conceptos de acoplamiento magnético como flotadores para aplicaciones de control del tipo abrir / cerrar (on / off). En 1934 los laboratorios Bell patentaron una especie de barra delgada de vidrio usada para transmisión óptica; este tubo de luz fue el primer antecedente de las fibras ópticas de vidrio utilizadas posteriormente en los años de 1970 y 1980 en numerosas aplicaciones industriales. Controles. Durante el desarrollo de la primera guerra mundial se precisó de movimientos masivos de personas y para ello, vehículos tales como aviones y tanques tuvieron una mayor demanda de productos derivados del petróleo, los cuales dependían de las refinerías y estas a su vez del control en sus procesos para una operación más competente y eficiente. El automóvil fue también un punto de arranque para el control de procesos, ya que una vez que se comenzó con laproducción en masa de estos (en los primeros años del siglo XX), la demanda de gas y petróleo fue un parámetro fundamental en el desarrollo de grandes refinerías De igual modo sucedió durante la segunda guerra mundial; la necesidad de transportación de personas y materiales hizo que la demanda de combustible y por consiguiente de refinerías, se expandiera exponencialmente; tan solo la capacidad de una refinería se incrementó de 30,000 barriles por día de petróleo en 1940 a 580,000 barriles por día para 1945. La demanda de instrumentación para el control de los procesos también creció, con lo cual la complejidad y velocidad de los nuevos procesos pronto empezó a excluir las habilidades cultivadas por los operadores para el control de estos procesos. Para reducir los errores y aumentar la producción se introdujeron en 1943 indicadores con la representación gráfica de las señales de los controles instalados en el cuarto de control. En 1948 aparecieron instrumentos neumáticos miniatura, en donde los controles típicos tenían 6x6 pulgadas y frente a estos se encontraba un indicador que permitía al operador monitorear la variable medida, los puntos de ajuste, salidas a válvulas y controles y así el operador podía decidir entonces entre utilizar el modo automático o el modo manual para la operación. Con esto los cuartos de control se hicieron más compactos. También se introdujo el ajuste a cero para que el punto deseado estuviera siempre en el centro del indicador, así, cuando el proceso estuviera en el punto deajuste (set point), la señal de entrada al proceso y la salida a la válvula deberían mostrarse en el centro del indicador. Un operador podía vigilar una docena de controles neumáticos mediante asegurarse que todos los indicadores estuvieran en el centro y de ese modo mantener a la planta en una operación correcta. Si cualquier circuito se empezaba a desviar del punto de ajuste (set point) la válvula se abría o cerraba más según fuera necesario para corregir el error. Pocos controles PID funcionaban de un modo completamente automático, por lo que los operadores tenían que estar vigilando; si un circuito comenzaba a fallar, el operador tenía que localizarlo y posteriormente mover manualmente la salida del control para compensar el error. Aunque el control neumático siguió floreciendo por varias décadas más, poco después de la guerra se empezaron a reemplazar estos por servicios análogos con partes electrónicas para eliminar el desgaste y los errores asociados con la instrumentación mecánica. Uno de los primeros registradores de este tipo fue introducido por Foxboro en 1946 y, posteriormente Westinhouse introdujo uno de los primeros controles digitales directos (DDC) el Prodac 4449 utilizado más tarde (el Prodac 7300 en 1972) para el control de procesos y la protección de reactores en más de 40 plantas nucleares. El cambio a control electrónico fue guiado por la precisión, exactitud y confiabilidad que este trajo consigo, ya que resultaba difícil controlar grandes plantas con sistemas neumáticos y los retrasosde tiempo eran demasiados para un control exacto. El control neumático moderno comenzó con el desarrollo de los transmisores neumáticos en 1940 y continuó con gran fuerza y auge hasta finales de 1960 y principios de 1970 cuando las computadoras hicieron su aparición en el control de procesos. En un principio los sistemas neumáticos fueron fusionados con computadoras mediante convertidores de I/P y P/I, pero pronto fue obvio que estos sistemas neumáticos no podían competir con los electrónicos; aun así, los controles neumáticos no fueron desechados del todo, ya que al no requerirse de electricidad existía mayor seguridad y confiabilidad para los operadores. A inicios de 1930 se logró enlazar los controles PID en donde la salida de un control PID correspondía a la entrada o alimentación de otro control PID. Estos métodos de control pronto se conocieron como de retroalimentación (feedforward), adaptivos, en cascada, ratio, selectivos, entre otros, en donde algunos incluso contenían a docenas de controles PID. Algunos de los sistemas más complejos de control en el siglo XX fueron construidos de hecho con controles neumáticos alrededor de 1950. Cuando las computadoras hicieron su aparición en los años 60, los programadores probaron a imitar acciones análogas de los PID’s en programas de computo, con varios grados de éxito. De este modo es como el desarrollo en software de computadoras simplificó el uso de los algoritmos PID para el control; de hecho, en los años 80 es cuando se introdujeron algoritmos de PID,contribuyendo así al aumento del control automático en los procesos; con todo esto, el uso de las computadoras ha tenido sus reservas y casi en ninguna planta se ha utilizado a estas para el control total de un proceso, sino que siempre se les ha acotado a operar en modo de supervisión, mandando los cambios en los puntos de ajuste (set points) a los controladores PID neumáticos o electrónicos. Aunque los tubos de vacío todavía predominaron en la década de 1950, el transistor y la tecnología del estado sólido vino a la vanguardia de aplicaciones industriales antes de que la década terminara. Shockley, Bardeen y Brattain compartieron en 1956 el premio Nóbel por el invento del transistor, el cual era un dispositivo de estado sólido que podía amplificar la corriente eléctrica. De los beneficios derivados de esta invención fueron partícipes los sensores y muchos instrumentos de control. Si bien el concepto de tubos magnéticos para la medición de la velocidad del agua y otros fluidos conductivos que pasan a través de una tubería ya había sido probado en el laboratorio, Foxboro introdujo los primeros medidores de flujo magnéticos con gran éxito en 1954. La división Boston de industrias Honeywell introdujo el primer detector de metales en 1957; se trataba de un dispositivo magnético sin partes móviles usado para detectar la presencia de objetos ferromagnéticos sin tener contacto con ellos. El objeto era detectado mediante atravesar el campo magnético al extremo contrario del interruptor; en ese mismo año, Honeywellprodujo los primeros botones modulares de encendido. A mediados de los años 50, científicos de los laboratorios Bell desarrollaron las características piezorresistivas del germanio y silicón. Más elásticos que los metales, las barras de silicón recuperan más rápidamente su forma original después de someterse a esfuerzos. Posterior a esto, científicos de Honeywell completaron las investigaciones respecto a las propiedades piezorresistivas de las capas difusas del silicón. Las primeras aplicaciones de estas investigaciones fueron en un medidor de aceleración desarrollado para Honeywell Avionics Div. Esta tecnología se adaptó posteriormente en el uso de sensores de presión para el control de procesos en la industria. A finales de la década de 1950, eran comunes los transmisores de presión y los equipos en cuartos de control, todos ellos con transistores. En 1960 salió la primera patente para la aplicación práctica de un láser. Analizadores. La técnica de cromatografía tiene gran crédito en la revolución de la instrumentación aplicada al análisis. De hecho, la cromatografía es un proceso físico para separar una mezcla de compuestos químicos. Rápidamente ha llegado a ser una de las técnicas analíticas más exitosas en el laboratorio y el análisis de los procesos en línea. La cromatografía trabaja discontinuamente, de manera similar a una destilación por lotes (proceso batch). Es un proceso físico en el cual ningún cambio químico está envuelto. En la práctica, esto involucra gases disolviéndose en un líquido oatrayéndose a la superficie de materiales sólidos. La cromatografía data de 1903 cuando un ruso botánico Tswett acuñó el término para un procedimiento inventado por él para estudiar los diferentes pigmentos en hojas. Tswett puso una columna de arena en un tubo de vidrio y vertió una solución preparada de hojas. El material poco a poco se separó en bandas de color dentro del tubo y tales bandas iban desde los pigmentos rojos hasta los amarillos presentes en las hojas; este tipo de prueba fue conocida posteriormente como análisis de desplazamiento. Tswett publicó una monografía con casi 1000 aplicaciones para la separación de una gran variedad de materiales orgánicos.

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