Concepto básicos de sensores, actuadores y control de procesos

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Concepto básicos de sensores, actuadores y control de procesos Tecsup Agosto 2007

INDICE 1. 2. 3. 4.

5.

6.

7. 8.

9. 10. 11. 12.

Introducción ................................................................... ....................................................................................... .................... 3 Objetivos .......................................................................... ............................................................................................. ................... 3 Sistema de Medidas........................................................................... 3 3.1. Sistema Electrónico de Medida........................................... 3 Definición de sensores y transmisores............................................ 5 4.1. Sensores.................................................................................. 5 4.2. Tiempo de respuesta ............................................................ 5 4.3. Transmisores ......................................................................... 7 Características descriptivas de los sensores................................... 9 5.1. Campo de medida (range).................................................... 9 5.2. Alcance (span) ..................................................................... ........................................................................ ... 9 5.3. Error...................................................................................... 10 5.4. Incertidumbre de la medida.............................................. 10 5.5. Exactitud ......................................................................... .............................................................................. ..... 10 5.6. Precisión (accuracy) ............................................................. 10 5.7. Zona Muerta (dead zone o dead band) ..... ........... ............ ........... ........... .......... .... 10 5.8. Sensibilidad .................................................................. ......................................................................... ....... 10 5.9. Repetibilidad ...................................................................... ........................................................................ 11 5.10. Histéresis.............................................................................. 11 Otras características......................................................................... 12 6.1. Resolución............................................................................ Resolución......................................................................... ... 12 6.2. Ruido ..................................................................... .................................................................................... ............... 12 6.3. Linealidad ......................................................................... ............................................................................ ... 13 El proceso de calibración ......................................................... ................................................................ ....... 13 Introducción al control de procesos .............................................. 14 8.1. Evolución histórica ............................................................ .............................................................. 15 8.2. Sistema de control realimentado ...................................... 19 Controladores................................................................................... 20 Elementos finales de control .......................................................... 21 Otros elementos ........................................................................... ............................................................................... .... 22 Referencias bibliográficas ............................................................... 24

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Concepto básicos de sensores, actuadores y control de procesos Agosto 2007

1. Introducción Es sabido que las mediciones extraen información acerca del estado del sistema que se está midiendo, usualmente en las magnitudes del dominio de la medición tales como tensión, corriente o potencia. En el caso de procesos industriales interesan los dominios de medición tales como temperatura, nivel, flujo, etc. o la detección de posición o velocidad de objetos para tareas de supervisión o control de procesos. En esta unidad se presentan conceptos introductorios de los sensores y actuadores y del rol que desempeñan en el control de procesos industriales, mencionando las características, tipos y algunas aplicaciones. 2. Objetivos •

• •

Reconocer sensores y actuadores y su relación con el control de procesos. Reconocer las características de los sensores y actuadores. Identificar los tipos de sensores y algunas aplicaciones industriales.

3. Sistema de Medidas Un sistema puede tener diferentes definiciones dependiendo del campo de aplicación, sin embargo se puede definir a un sistema como a la combinación de dos o más elementos, subconjuntos y partes necesarias para realizar una o varias funciones. En un sistema de medida una magnitud o propiedad es medida y su valor es convenientemente visualizado. Un ejemplo de un sistema básico de medida consiste de un elemento de medición que además proporciona lectura del valor medido, tal como un termómetro de columna de mercurio. Muchas veces es necesario indicar el valor medido a cierta distancia del punto de medida, para lo cual se introduce un dispositivo de transmisión de información entre el dispositivo de medida y el dispositivo de lectura. Los sistemas de transmisión de medidas mas usados son los sistemas de medidas electrónicos. 3.1.

Sistema Electrónico de Medida

Está compuesto por: a) Bloque sensor: dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida. b) Bloque transductor: convierte una señal de una forma física en una señal relacionada pero de forma física

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distinta, generalmente en una salida eléctrica utilizable. c) Acondicionador de señal: tiene la función de adaptar la señal a la salida del transductor en una magnitud eléctrica adecuada y que puede incluir etapas de filtrado y tratamiento de la señal. d) Fuente de alimentación: proporciona alimentación eléctrica para el acondicionador de señal, eventualmente al transductor en caso de requerir una excitación eléctrica externa, así como a posibles dispositivos de lectura.

Figura 1: Sistema general de medidas.

En la Figura 1 se muestra un diagrama con la realización de una medida mediante un sistema general de medidas. La magnitud a medir puede originar seis tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y moleculares (químicas). El siguiente ejemplo puede servir para mostrar lo mencionado anteriormente. El sistema general de medidas a describir es un dispositivo de medición de temperatura para un intervalo de funcionamiento determinado y con características específicas, del tipo sonda de inmersión que incorpora la circuitería necesaria para convertir los cambios de resistencia de un hilo de platino en una tensión continua. El sistema de medida se puede describir como un transductor de temperatura resistivo, de hilo de platino, tipo sonda, salida DC. Note que aquí el elemento sensor es el hilo de platino y el principio de transducción es resistivo, tal como se observa en la Figura 2. Algunas veces los conceptos de sensores y transductores son utilizados como sinónimos, como el caso en que el elemento de medición (llamado elemento primario de medición) y el bloque que recibe la salida del sensor conforman un solo bloque. Por ejemplo un método para

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medir una diferencia de presiones consiste en emplear un diafragma cuya deformación se mide con una galga extensiométrico (que es utilizado para la medición de nivel o presión, como se verá en la Unidad III). En este caso el diafragma es el sensor primario y la galga hace de transductor, los cuales se encuentran embutidos en un solo dispositivo. Sin embargo se suele denominar transductor o sensor al conjunto de ambos elementos.

Figura 2: Sistema de medida de temperatura.

4. Definición de sensores y transmisores Los sensores y transmisores, en sentido amplio, son los elementos del sistema de medida que ofrecen a partir de la señal de salida del bloque sensor, una señal apta para ser presentada, registrada o utilizada para realimentación de un lazo de control. El principio de medición, el estudio de las características y los criterios de selección son expuestos a lo largo de este texto teniendo en cuenta las aplicaciones citadas en el campo del control de procesos. 4.1.

Sensores

Los sensores son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de una variable medida. Cuando utilizados en un lazo de control se les suele denominar elementos primarios. La respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. 4.2.

Tiempo de respuesta

Un aspecto importante en la selección de sensores es el tiempo de respuesta. Tanto el tiempo de respuesta como el tiempo de subida y la constante de tiempo caracterizan la respuesta de un sensor a un cambio en escalón,

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magnitudes que la podemos apreciar en la Figura 3. El tiempo de respuesta se define como el tiempo requerido para que la salida alcance un porcentaje especificado de su valor final como resultado de un cambio en escalón de la magnitud de medida. Note que este porcentaje final se especifica en forma de un prefijo en función del tiempo de respuesta, por ejemplo 95% del tiempo de respuesta. Una magnitud especial se asigna a 63% del tiempo de respuesta, denominada la constante de tiempo de símbolo, denotada por τ .

τ

Figura 3: Tiempo de respuesta de un sensor.

Desde el punto de vista del control convencional, este representa un retardo en la medición por lo que en la práctica lo que se busca es reducirlo con el objetivo de mejorar el desempeño de los controladores. Los retardos de medición implican errores mientras el proceso está cambiando. La medición no es sólo tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aún teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso. Esto se puede evidenciar cuando comparamos las capacidades térmicas de dos sensores de temperatura distintos o bajo condiciones diferentes. La capacidad térmica es función a su tamaño, forma y material. La

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resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, como la observada en la Figura 4, llegará a su amplitud final en un tiempo menor que el de una termocupla dentro de un termopozo, debido a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo caso. En general para cualquier variable a medir, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros componentes de un determinado sistema de control.

Figura 4: Termocupla dentro de un termopozo.

4.3.

Transmisores

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Observando la Figura 1, se considera al transmisor al conjunto de bloques sensortransductor-acondicionador-fuente de alimentación, y puede incluir o no el dispositivo de lectura. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

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Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores. Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El “cero vivo” con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el “ruido” de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo. Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones. La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no solamente incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales, como los mostrados en la Figura 5, tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante. Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores ha originado algunos protocolos para redes de instrumentación (Fieldbus), tales como el protocolo

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HART, antecesor a las actuales redes IECSP50-H1, WorldFIP o Profibus-PA.

Figura 5: Transmisores digitales (cortesía de Yokogawa).

5. Características descriptivas de los sensores Los sensores, transmisores y actuadores empleados en la industria de proceso tienen una terminología común que los describe (Creus, 1998) y que son características que soportan a los criterios de selección de instrumentos industriales. 5.1.

Campo de medida ( range)

Es el conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento y que es expresado estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo el campo de medida de un instrumento de medición de presión, de 0 PSI a 80 PSI. 5.2.

Alcance (span)

Se describe como la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En el instrumento de presión mencionado este valor es de 80 PSI.

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5.3.

Error

Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. A esta característica de los sensores están relacionados los errores estáticos (diferencia obtenida cuando el sistema que esta siendo medido se encuentra en régimen estacionario) y los dinámicos (diferencia obtenida entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento). 5.4.

Incertidumbre de la medida

Está asociada al propio proceso de medición y a los errores inherentes a este proceso. La incertidumbre representa la dispersión de los valores medidos alrededor del verdadero valor de la magnitud medida, dispersión de valores y que es descrita por su distribución estadística. 5.5.

Exactitud

Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. 5.6.

Precisión (accuracy)

Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento, que viene a ser el intervalo en donde es admisible que se sitúe la magnitud de la medida. Este intervalo define los límites para los errores de medición del instrumento en condiciones normales de servicio por un determinado tiempo (cerca de un año). 5.7.

Zona Muerta (dead zone o dead band )

Es el intervalo de valores en que no se percibe respuesta en la indicación del instrumento o de la señal de salida del mismo. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida, por ejemplo +/- 0.1%, lo que implica que valores comprendidos dentro de este intervalo no producirán lectura. 5.8.

Sensibilidad

Es el cambio mínimo que la variable debe realizar para producir lectura en el instrumento de medición y es definido por la relación entre el incremento de lectura y el

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incremento de la variable que la ocasiona. Es expresada también en tanto por ciento del alcance de medida. Por ejemplo, +/- 0.05%. Esto implicará, para el caso del sensor de presión mencionado anteriormente, un valor de 80 PSI x 0.05/100 = +/- 0.04 PSI/PSI. Esto quiere decir que el cambio mínimo para lectura será +/- 0.04 PSI por cada PSI de variación. 5.9.

Repetibilidad

Es la capacidad de que se reproduzca la señal de salida del instrumento al medir de forma repetida valores idénticos de la variable para las mismas condiciones de medición y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. Por lo general se considera su valor máximo y se expresa en tanto por ciento del alcance, por ejemplo 0.02%. En el caso del sensor de presión, 80 x 0.02/100 = +/- 0.016, lo que quiere decir que las lecturas de la variable medida al recorrer todo el campo diferirán solamente para valores de máximos de +/- 0.016 PSI. 5.10.

Histéresis

Se describe mediante la diferencia máxima entre los valores de lectura del instrumento para un mismo valor de medida cuando se recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo, una histéresis de +/- 0.2% para el sensor de presión, para un valor de la variable de 50 PSI, implicará en una diferencia máxima de +/- 50 x 0.2/100 = +/- 0.1 PSI. Esto quiere decir, que las lecturas pueden ser como máximo 50 + (0.1 / 2) = 50.05 PSI al aumentar la presión desde cero PSI y como mínimo 50 – (0.1 / 2) = 49.95 PSI al disminuir la presión desde 80 PSI.

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Figura 6: Características descriptivas de un sensor de temperatura.

6. Otras características 6.1.

Resolución

Es la capacidad del instrumento de distinguir la menor diferencia del valor medido, como una medida mínima posible de la magnitud de cambio. Se expresa en tanto por ciento de la salida de toda la escala. 6.2.

Ruido

Es cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseada que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados.

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6.3.


Linealidad

La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. 7. El proceso de calibración La calibración es el proceso en el cual se compara la salida de un sistema de medida con los valores conocidos de un campo de medida para una entrada conocida. La señal de calibración debe de ser lo más cercana posible al tipo de la señal de entrada del sensor que esta siendo calibrado. Es importante notar que un sensor usado para señales dinámicas debería ser calibrado usando entradas dinámicas. Esto quiere decir que las señales de entrada deberían cambiar siguiendo un padrón dinámico de señales conocido. Por otro lado, la calibración estática es un test durante el cual se aplica una magnitud de valor conocido a un transductor y se registra la lectura de la salida correspondiente. Esto permite determinar la histéresis así como la repetibilidad del sistema de medida. La sensibilidad es determinada a partir de la pendiente de la recta graficada por los puntos de calibración. La mayor parte de los procesos de calibración son efectuados de forma estática, sin embargo un sensor calibrado con señales estáticas puede no brindar lecturas correctas cuando se quiere medir señales de entrada dinámicas. En general, se considera que un instrumento está bien calibrado cuando en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado, o registrado o transmitido está comprendido entre los límites determinados por la precisión del instrumento. Calibradores digitales de laboratorio y del tipo hand-held pueden ser apreciados en la Figura 7.

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Figura 7: Calibradores del tipo laboratorio y tipo hand-held .

8. Introducción al control de procesos En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que estaba sucediendo en el proceso (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir una válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo – proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos. En el control manual, como el mostrado esquemáticamente en la Figura 8, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar. Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar. Un lazo de control automático de procesos como el de la Figura 9, a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales.

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Adicionalmente a esto, existe una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseadas. 8.1.

Evolución histórica

El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, estos están ubicados a través de toda la planta por estar directamente relacionados con el proceso, lo que implica que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo. El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos.

Válvula manual

Indicador

Instrumentista

Reservorio

Figura 8: Control manual.

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Válvula de control

Controlador Sensor

Reservorio

Figura 9: Control automático.

Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point ) y la variable del proceso y para ajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control ante cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados del propio proceso en sí (introduciendo pérdidas). Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar. Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de

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sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC). El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc. Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar. Esta analogía se ilustra en la Figura 10, en donde para ejecutar una acción el hombre previamente utiliza sus sentidos. Es el cerebro quien procesa esta información y en virtud de los conocimientos y el raciocinio adquirido envía una acción a través del sistema nervioso para que mediante las manos y la voz actúe sobre determinado entorno. Note que un sistema automático opera de forma análoga, como se observa en la Figura 11, en donde los sensores realizan la labor de la impresión sensorial y en donde una unidad de control procesa la información proveniente de los sensores de forma similar a la tarea ejecutada por el cerebro. Finalmente, la unidad de control toma una decisión basado en el algoritmo de control, decisión que se traduce en una acción de control y se ejecuta mediante el actuador, quien hace la vez de las manos y la voz de la Figura 10.

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8.2.


Sistema de control realimentado

Al hablar de sistemas de control, es necesario hacer una diferencia entre lo que es un sistema de mando y otro de regulación. El primero está relacionado principalmente con procesos de manufactura, en los cuales, la repetición de secuencias es la característica fundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantener constante el valor de una o más variables, como sucede en un sistema realimentado. Aquí nos vamos a referir al segundo tipo. Con el fin de ver más claramente la relación de los componentes típicos de un sistema automático, analicemos un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado, como el de la Figura 12. Cada bloque representa a un elemento cuyas características definen, en conjunto con los demás, el funcionamiento adecuado de determinado proceso en particular. Aquí el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso. La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar hasta el valor de set point. El sensor, mide el valor de la variable controlada y el transmisor cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida (variable medida). Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función de los instrumentos en el sistema (registro, indicación, control o activación de alarmas). Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente esta estructura (llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, el control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, etc. basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas. De todas estas tecnologías, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática, como veremos más adelante. Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama anterior, tales como

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controladores y actuadores, mencionando también aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que también tienen importancia en algunos lazos de control.

9. Controladores Un controlador puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida con un valor deseado para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable medida produciendo una señal de salida con el objetivo de manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde controladores basados en tecnología neumática, hidráulica hasta electrónica digital con capacidad de comunicación en redes industriales.

PROCESO ENTRADA

SALIDA

LAZO ABIERTO

VARIABLE VARIABLE MANIPULADA

CONTROLADA PROCESO SALIDA

ENTRADA

ELEMENTO

SENSOR

FINAL DE CONTROL

VARIABLE MEDIDA

SET CONTROLADOR

TRANSMISOR

POINT REGISTRADOR INDICADOR ALARMAS LAZO CERRADO ENCLAVAMIENTOS

Figura 12: Sistema de control realimentado.

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Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor), el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo más usual. En este lazo, el controlador responde como se ha dicho, a la diferencia entre el set point y la variable medida y en base al algoritmo de control elegido entregará una señal de control al elemento final. Durante muchos años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

Figura 13: Controladores digitales (cortesía de Honeywell).

10. Elementos finales de control Son aquellos que finalmente responden a la decisión del controlador, dentro de un lazo determinado para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayoría de los procesos, las válvulas de control son las usadas, si se trata de controlar variables como flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla de componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas; en otros casos se emplean bombas. Para

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servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad a través de variadores electrónicos.

Figura 14: Válvulas de control (cortesía de Paxton).

11. Otros elementos Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales. En lo que respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable medida directamente en forma numérica. Los registradores, como los mostrados en la Figura 15, proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Los registradores multi-punto son usados cuando se necesita registrar más de una variable. Actualmente se disponen también de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reportes, etc.) siendo una tendencia el dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memorias semiconductoras (acción hasta hace poco realizada solamente por los llamados data

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loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora mediante la comunicación de ésta con el equipo. En muchos casos ya se opta por el registro de las variables a través de la misma computadora sin mayor equipo adicional y en base a un software especializado. Esto definitivamente elimina la necesidad de equipo para este fin.

Figura 15: Registradores (cortesía de Endress + Hauser).

El desarrollo de controladores electrónicos creó la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen señales de un tipo de energía a otro y de un nivel de señal a otro, como el conversor de corriente a presión para actuar sobre las válvulas neumáticas. A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital. Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo. Se ha dado en esta primera parte una visión general de lo que es Instrumentación y Control. A continuación, nos centraremos en las diversas formas de medir variables industriales. La selección de los métodos de medición aplicables depende de diversos factores que incluyen las características de los procesos y de los

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dispositivos de medición mismos. En este curso, mencionaremos los métodos de medición más utilizados en las variables consideradas más importantes por su presencia en la mayoría de estos procesos.

12. Referencias bibliográficas •

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Norton N., Harry. Sensores y analizadores, Prentice Hall, Inc., 1982. Pallás A., Ramón. Sensores y analizadores de señal, Marcombo S.A., 2001. Creus, A., Instrumentación Industrial, Ed. Marcombo, 1998.

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