CONTROL EN RANGO PARTIDO

1. QUÉ ES UN CONTROL EN RANGO PARTIDO
2. TIPOS DE CONTROL EN RANGO PARTIDO
2.1 Rango partido (propiamente dicho)
2.2 Rango en oposición
2.3 Rango en secuencia
3. PARTICULARIDADES DEL CONTROL EN RANGO PARTIDO
3.1- Rango en secuencia
3.2- Rango partido con margen
3.3- ¿Por qué un rango partido?
3.4- Detractores del control en rango partido

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1- QUÉ ES UN CONTROL EN RANGO PARTIDO

Un control en rango partido es controlar varios actuadores con una sola función PID (proporcional, integral y derivada).

Nota: "Pulsar este enlace" si se quiere saber más sobre la función PID.

Para entender cómo aplicar un control en rango partido, se mostrarán varios ejemplos de casos reales que se pueden encontrar en una planta  industrial.


En los ejemplos, se usarán  2 válvulas de control modulables. En estas válvulas se puede modificar desde un controlador el porcentaje de apertura a través de una señal cableada.



Ambas válvulas, intentarán regular la misma variable (que podría ser presión, temperatura, nivel,...).

La variable será media por un instrumento de campo y enviada al controlador.

Todo lo expuesto en este artículo pretende explicar qué se puede programar en el controlador para que ambas válvulas actúen de forma coordinada.

Para la programación de estos lazos en el controlador se configurará una sola función PID, y a cada válvula se le asignará un rango de la salida de dicha función PID (Es decir el rango se "parte" asignando a cada válvula un trozo del rango del PID).

Esto requiere que además de una función PID, se debe configurar otra función a cada actuador que le indique el rango asignado (F1(x), F2(x)).

Nota: Esto se entenderá mejor, viendo los siguientes ejemplos ;)

2- Tipos de control en rango partido

- Rango partido (propiamente dicho)
- Rango en secuencia
- Rango en oposición

2.1- Rango partido (propiamente dicho)

Este tipo de control se utiliza principalmente cuando hay que regular una variable y para ello se dispone de dos equipos cuya acción influye de forma opuesta sobre dicha variable.

Por ejemplo se necesita mantener una presión constante de 5 barg en un tanque (presurizado con nitrógeno), y se dispone de una válvula que aporta nitrógeno (aumentando la presión) y otra válvula que ventea el nitrógeno (disminuyendo la presión).


Nota: Set-Point =5 barg

El controlador recibe continuamente el valor de presión medido en el tanque y debe de indicar en todo momento a las válvulas en qué posición deben colocarse para mantener el valor deseado (5 barg). Para ello se ha decidido programar un lazo en rango partido que controle ambas válvulas

A la válvula que aumenta la presión aportando nitrógeno, se le asigna por ejemplo la mitad del rango del PID 0-50% e invertido.

La fórmula F1(x) es:
Salida a la válvula = 2 x (50% - ( Salida del PID))

De forma que la válvula estará totalmente abierta (100%) cuando la salida del PID sea 0% y cerrada cuando el PID tenga a su salida 50%.

Salida del PID = 0%, Salida de la válvula1= 100%
Salida del PID = 25%, Salida de la válvula1 = 50%
Salida del PID = 50%, Salida de la válvula1= 0%

A la segunda válvula (venteo de nitrógeno), se le asignará la otra mitad del rango (50%-100%).

La fórmula F2(x) es:
Salida de la válvula = 2 x ((salida del PID)-50%)

Salida del PID = 50%, Salida de la válvula 2= 0%
Salida del PID = 75%, Salida de la válvula 2 = 50%
Salida del PID = 100%, Salida de la válvula 2= 100%

Cuando el controlador vea que falta presión (valor medido < set point) irá reduciendo su salida hasta 0%, hasta que la válvula de entrada de gas quede totalmente abierta y la de venteo de gas totalmente cerrada.

A medida que la presión del proceso aumenta la válvula de entrada comienza a cerrarse.

Cuando la salida del PID llega al 50%, las dos válvulas están totalmente cerradas.

Si la presión del proceso continúa aumentando, la salida del PID superará el 50% y la válvula de venteo comenzará a abrir.

Si el valor de presión se mantiene muy alto la válvula de venteo podría llegar a abrirse completamente.

2.2- Rango en oposición

Este tipo de control se utiliza principalmente cuando se necesita regular una variable y para ello se controla dos equipos cuya acción influye de forma opuesta sobre dicha variable.

Pero a diferencia del caso anterior, en esta aplicación el proceso nos exige mantener el paso del fluido para que el caudal sea más o menos constante (por lo que no deberían estar ambas válvulas cerradas a la vez).

Por ejemplo, hay que aportar un caudal más o menos constante a un reactor, y el fluido tiene dos caminos con una válvula de control cada uno.

En un camino el fluido atraviesa un intercambiador calentándose.

En el otro camino el fluido pasa sin calentarse.Para regular la temperatura a la salida del sistema, se utilizarán las 2 válvulas configurando un control partido con rango en oposición.

Cuando la temperatura medida, sea superior a la temperatura objetivo (set-point), habrá que enfriar el reactor, con lo que la válvula del intercambiador irá cerrando mientras la otra va abriendo proporcionalmente.


Cuando la temperatura medida, sea inferior a la temperatura objetivo (set-point), habrá que calentar el reactor, con lo que la válvula del intercambiador irá abriendo mientras la otra va cerrando proporcionalmente.

La fórmula F1(x) es:
Salida de la válvula = Salida del PID
(Son iguales)

La fórmula F2(x) es:
Salida de la válvula = 100- (Salida del PID)
(Es invertir el valor)

Salida del PID = 0%
Salida de la válvula1= 0%
Salida de la válvula2= 100%

Salida del PID = 100%
Salida de la válvula1= 100%
Salida de la válvula2= 0%

Nota: En resumen cuando una válvula abre la otra cierra.

Nota: La diferencia principal entre esta filosofía y la anterior, es que en el rango partido propiamente dicho se buscaba que nunca estén ambas válvulas abiertas al mismo tiempo (o se aportaba presión o se venteaba), evitando malgastar fluido. Sin embargo en el control en oposición se busca mantener constante el paso del fluido, haciendo que en la mayoría de los casos se esté trabajando con ambas válvulas abiertas al mismo tiempo.

2.3- Rango en secuencia

Este tipo de control se suele dar cuando hay dos o más equipos que influyen de forma similar sobre el proceso.

Por ejemplo dos válvulas que ventean gases de un tanque. La válvula 1 envía gases a otro tanque del proceso y la válvula 2 ventea gases hacía la atmosfera por una antorcha. Actuando sólo en los casos en los que la primera válvula esté abierta 100% y la presión no se reduzca lo suficiente.

Las graficas que les corresponden podrían quedar así.

Salida de la válvula 1 = 2 x (Salida del PID)
Salida de la válvula 2 = 2 x (Salida del PID - 50%)

Cuando la presión medida en el ejemplo (por ejemplo 6 barg) supera el set-point establecido (por ejemplo 5 barg). La salida del PID empezará a incrementarse, con lo que la "Válvula 1" comenzará a abrir, mientras las "Válvula2" se mantendrá cerrada.

Cuando la presión sigua aumentando y la salida del PID haya alcanzado el 50%, la primera válvula estará 100% y la segunda válvula empezará a abrir.

3- PARTICULARIDADES DEL CONTROL EN RANGO PARTIDO

3.1- Rango en secuencia

Otro ejemplo de rango en secuencia, es cuando se tiene que regular el caudal que pasa por una tubería y el rango de caudales posibles, es muy amplio.

En esta aplicación, es común instalar dos válvulas en paralelo, una para regular los bajos caudales y otra para los altos caudales.

En el ejemplo que hemos visto de rango en secuencia del apartado 2.3, se ha repartido la salida del PID al 50% para cada válvula, pero cuando el tamaño de las válvulas es distinto se puede asignar más peso a la válvula más grande.


Por ejemplo el 25% del las salida del PID a la pequeña y el 75% de la salida del PID a la grande.

En todos los ejemplos, se han utilizado dos actuadores. Pero al igual que dos, se podrían instalar tres o más válvulas y repartir el rango en tres o más partes. Provocando que las válvulas se abran o cierren secuencialmente en función de la variable a controlar.

 3.2- Rango partido con margen

En una aplicación real, la gráfica mostrado en el primer ejemplo, se suele realizar una pequeña modificación.

Se suele dejar un margen llano del 5 o 10% en el que ambas válvulas permanecen cerradas, esto evita posible oscilaciones en el momento en el que una válvula cierra y debe empezar a abrir la otra.


Esto evita que cuando la variable medida esté fluctuando en torno al set-point, que el control demande continuamente pequeñas aperturas de una y otra válvula. Estas pequeñas aperturas no hacen que el control mejore en nada y sin embargo desgastan a las válvulas innecesariamente.

3.3- ¿Por qué un rango partido?

Si no se aplicase control en rango partido y a cada válvula se asignase un PID independiente, como en este ejemplo. Las dos válvulas se pondrían a controlar la misma variable (la presión del tanque) de forma independiente.

Tras dejarlas un tiempo trabajando de forma independiente, se podría llegar a situaciones en las que se estaría perdiendo nitrógeno de forma innecesaria.


Por ejemplo, si la presión deseada es 5 barg y el transmisor indica que el valor medidor es 5 barg. Una válvula esta abierta 25% introduciendo 3 m3/h de nitrógeno y la otra abierta al 10% expulsando 3 m3/h. Como el valor medido es el deseado, ninguna válvula se mueve.

En este ejemplo, se está consumiendo nitrógeno cuando no sería necesario. Si ambas válvulas estuvieran cerradas seguramente la presión se mantendría en 5 barg. Para evitar que se pueda dar esta situación se aconseja un control en rango partido, como el que se expuso al principio de este artículo.

3.4- Detractores del control en rango partido

Los detractores del control en rango partido, como solución prefieren configurar dos PID independientes con distintos set-points cada uno.

Por ejemplo, la válvula de venteo con una consigna de 5,5barg y la válvula que presuriza con una consigna de 4,5 bar.

De esta forma la válvula que ventea y cuyo PID suele ser más lento, empezará a abrir cuando el valor medido se acerque a su set-point (5,5 barg), en este punto la otra válvula permanecerá cerrada ya que su set-point (4,5 barg) tiene un margen adecuado de diferencia.

Esto evitará que el sistema pueda llegar a situaciones de equilibrio con ambas válvulas abiertas.

Nota: Cómo conclusión, en instrumentación y control, no suele haber una sola manera correcta de hacer bien las cosas, normalmente, nos encontraremos varios caminos y basándonos en nuestra experiencia, recomendaremos más, unos que otros.

Tras habernos estrellado con muchos muros levantados por nosotros mismos, nuestro consejo personal, es que debéis tener siempre la mente abierta y saber escuchar. No existe la opción correcta, sólo existen opciones mejores que otras y lo que hoy se hace de una manera, mañana por las circunstancias que sea, se hará de diferente forma.

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Elaborado por:
David Espinos Palenque y Julio.C Fernández Losa 28/05/2017
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a: InstrumentacionHoy@gmail.com