INSTRUMENTACION UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN Y NORMAS
1.1. Introducción a la instrumentación. 1.2. Definiciones y conceptos 1.3. Simbología, normas y sistemas de unidades. 1.4. Norma sama. 1.5. Norma isa. UNIDAD II TIPOS DE SENSORES. 2.1.- Sensores de presión. 2.2.- Sensores de flujo. 2.3.- Sensores de temperatura. 2.4.- Sensores de nivel. 2.5.- Sensores para otras variables físicas: peso, velocidad, conductividad, luz, ph, y otros. 2.6.- Criterios para la selección de un sensor. UNIDAD III ACTUADORES FINALES DE CONTROL. 3.1.- Tipos de actuadores: eléctricos, neumáticos e hidráulicos. 3.2.- Tipos de válvulas de control. 3.3.- Otro tipos de actuadores. 3.4.- Criterios para la selección de un actuador.
UNIDAD IV CONTROLADORES 4.1.- Aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. 4.2.- Modos de control aplicados en instrumentación: 4.2.1.- On-off. 4.2.2.- Proporcional. 4.2.3.- Proporcional + integral. 4.2.4.- Proporcional + integral + derivativo. 4.3.- Criterios para la selección de un controlador. 4.4.- Sintonización de controles. 4.5.- Aplicaciones de controladores.
UNIDAD V TÓPICOS DE CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORA 5.1.- Adquisición de datos. 5.2.- Control supervisorio remoto. 5.3.- Control digital directo. 5.4.- Instrumentación virtual. 5.5.- Control distribuido
UNIDAD I
1.1.- Introducción a la instrumentación y normas. Si analizamos nuestras actividades cotidianas, desde el momento que suena la alarma de un despertador y nos preparamos para desarrollar nuestras actividades diarias, así como encender un foco o escuchar el encendido o apagado del motor de la bomba, etc., nos auxiliaremos de instrumentos que nos ayudan a desarrollar ciertas actividades oportunamente con eficiencia, rapidez, etc. igual manera mecánicos, electricistas, médicos, ingenieros y arquitectos, se auxilian de instrumentos para llevar a cabo sus actividades diarias, con el objetivo de lograr un avance con la mayor eficiencia, calidad y volumen de producción. Es lógico pensar que para las industrias, sin importar el tamaño de estas, es imprescindible el uso de instrumentos industriales, para facilitar la manufactura de sus productos. Como consecuencia de la globalización de los mercados internacionales, se ha orillado a los países del tercer mundo a competir en el mercado con productos de calidad, precio y tiempos de entrega oportunos. Para lograr lo anterior es importante, que los industriales de nuestro país, implementen la instrumentación y la automatización de sus procesos con el avance tecnológico requerido para mantenerse en el mercado nacional e internacional si es posible.
¿Qué es la instrumentación industrial? Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo. Los instrumentos industriales pueden realizar la siguiente
1.2.- Definiciones y conceptos. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, de la industria cerámica, de las centrales generadores de energía, de la siderurgia, de los tratamientos térmicos, de la industria papelera, de la industria textil, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el ph, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medios los instrumentos de medición y control. estos instrumentos han ido liberando al personal de campo de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del procesos desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas preparadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. en ambos tipos, debe mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor
variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.
Definiciones en control Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: - indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control. La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ansi/isa-s51.1-1979 (r 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995. Intervalo de medida (range) Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo: un manómetro de intervalo de medida 0-10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0-25 bar con señal de salida 4-20 ma ó un instrumento de temperatura de 100-300 °c. Alcance (span) Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manómetro, de 25 bar para el transmisor de presión y de 200 °c para el instrumento de temperatura. Error El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso. Es decir: Error = valor leído en el instrumento - valor ideal de la variable medida El error absoluto es: Error absoluto — valor leído ~ valor verdadero El error relativo representa la calidad de la medida y es: Error absoluto error relativo= valor verdadero Si el proceso está en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen
características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. siempre que las condiciones sean dinámicas, existirá en mayor o menor grado el llamado error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento): su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección (vaina), etc. el error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Cuando una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados unos a continuación de otros, el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. Exactitud (accuracy) La exactitud, es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. La exactitud (accuracy) define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado (normalmente 1 año). La exactitud se da en términos de inexactitud, es decir, un instrumento de temperatura de 0-100 °c con temperatura del proceso de 100 °c y que marca 99,98 °c se aproxima al valor real en 0,02 °c, o sea tiene una inexactitud de 0,02 °c. Hay varias formas para expresar la exactitud: A) tanto por ciento del alcance, campo de medida o range. Ejemplo: en el instrumento de temperatura de la figura 1.3, para una lectura de 150 °c y una exactitud de ± 0,5 %, el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150 ± 0,5 x 200/100 = 150 ± 1, es decir, entre 149 y 151°c; Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: exactitud ± 1 °c; Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: exactitud de ± 1 % de 150 °c, es decir, ±1,5 °c; tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: exactitud de ± 0,5 % de 300 °c = ± 1,5 °c; Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: si la longitud de la escala del Instrumento de la figura 1.3 es de 150 mm, la exactitud de ± 0,5 % representará ± 0,75 mm en la escala. La exactitud varía en cada punto del campo de medida, si bien el fabricante la específica, en todo el margen del instrumento, indicando a veces su valor en algunas zonas de la escala. Por ejemplo: un manómetro puede tener una exactitud de ± 1 % en toda la escala y de ± 0,5 % en la zona central. cuando se desea obtener la máxima exactitud del instrumento en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para este punto de trabajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por ejemplo: un termómetro de 0-150 °c y de ± 1 % de exactitud situado en un baño de temperatura constante a 80 °c, puede ser calibrado a este valor, de modo que su exactitud en
este punto de trabajo será la máxima que se pueda obtener con un termómetro patrón. Es obvio que para los valores restantes, en particular los correspondientes a los extremos de la escala, la exactitud se apartará de ± 1 %. Hay que señalar que los valores de la exactitud de un instrumento se consideran en general establecidos para el usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. Sin embargo, estos últimos suelen considerar también los valores de calibración en fábrica y de inspección. Por ejemplo, un instrumento que en fábrica tiene una exactitud de calibración de + 0,8 %, en inspección le corresponde + 0,9 % y la dada al usuario es ± 1 %. con ello se pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de las diferencias de apreciación de las personas que efectúan la calibración, las diferentes precisiones de los instrumentos de medida utilizados, las posibles alteraciones debidas al desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento, etc.
Precisión La precisión es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre exactitud, pero una gran precisión. Por ejemplo, un manómetro de intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presión en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del tiempo y en las mismas condiciones de servicio, para una presión del proceso de 5 bar. Tendrá un error práctico de 2 bar, pero los-valores leídos estarán muy próximos entre sí con una muy pequeña dispersión máxima de 7,052 — 7,049 = 0,003, es decir, el instrumento tendrá una gran precisión. Por lo tanto, los instrumentos de medida estarán diseñados por los fabricantes para que sean precisos, y como periódicamente se descalibran, deben reajustarse para que sean exactos. a señalar que el término precisión es sinónimo de repetibilidad. Zona muerta (dead zone o dead band) La zona muerta (dead zone o dead band) es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: en el instrumento de la figura 1.3 es de ± 0,1 %, es decir: 0,1 x 200/100 = ± 0,2 °c. Sensibilidad (sensitivity) La sensibilidad (sensitivity) es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 ma , la sensibilidad es el cociente: (12,3 -11,9)/ ((20-4) ________________
= ± 0,5 ma c.c/bar
(5,5 - 5) / 10 viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura 1.3 es de + 0,05 %, su valor será de 0,05 x 200/100 = ± 0,1 °c/°c. Hay que señalar que no debe confundirse la sensibilidad con el término de zona muerta; son definiciones básicamente distintas que antes era fácil contundir cuando la definición inicial de la sensibilidad era "valor mínimo en que se ha de modificar la variable para apreciar un cambio medible en el índice o en la pluma de registro de los instrumentos. Repetibilidad: Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice, o de la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. La repetibilidad es sinónimo de precisión. a mayor repetibilidad menor dispersión de los valores de salida para un valor de la señal de entrada del proceso y, por lo tanto, mayor precisión.
Histéresis (hysteresis) La histéresis (hysteresis) es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: si en un termómetro de 0-100 %, para el valor de la variable de 40 °c, la aguja marca 39,9 al subir la temperatura desde 0, e indica 40,1 al bajar la temperatura desde 100 °c, el valor de la histéresis es de: 40,1-39,9 —--------- . 100 = ± 0,2% 100-0 En la figura 1.3 c pueden verse las curvas de histéresis que están dibujadas exageradamente para apreciar bien su forma. Hay que señalar que el término zona muerta está incluido dentro de la histéresis. Otros términos Empleados en las especificaciones de los instrumentos son los siguientes: Campo de medida con elevación de cero es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, -10 °c a 30 °c. Campo de medida con supresión de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. por ejemplo, 20 °c a 60 °c.
Elevación de cero Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 10 °c en el campo —10 °c a 30 °c del instrumento, o sea: (10/40) x 100 = 25 %. Supresión de cero Es la cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 20 °c en el campo 20 °c a 60 °c del instrumento, o sea (20/40) x 100 = 50 %. Deriva Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la temperatura). la deriva está expresada usualmente en porcentaje de la señal de salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variación de la temperatura. por ejemplo, la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0,2 % del alcance. Fiabilidad {reliability) Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas. Resolución Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad, o la menor diferencia de valor que el aparato puede distinguir. Resolución infinita Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento. Trazabilidad (traceability) Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas. Ruido Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Un caso especial es la interferencia de radiotransmisores rfi (radio frecuencia interferente). puede expresarse en unidades de la señal de salida o en tanto por ciento del alcance.
Linealidad La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. Linealidad basada en puntos Falta de linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados correspondientes al cero y al 100 % de la variable medida. Temperatura de servicio Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de límites de error especificados. Vida útil de servicio Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas. Reproductibilidad (reproducibility) capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un período de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor representativo sería ± 0,2 % del alcance de la lectura o señal de salida a lo largo de un período de 30 días. Respuesta frecuenciál Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida) para una medida de variación senoidal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Se especifica usual-mente corno "dentro de ± ... % de ... a ... hz". Accesible Este término se aplica a un dispositivo o función que puede ser usado o visto por un operador con el propósito de controlar el desempeño de las acciones de control; como ejemplo: cambios en el set-point, transferencia auto-manual o acciones de encendido y apagado. Alarma Es un dispositivo o función que detecta la presencia de una condición anormal por medio de una señal audible o un cambio visible discreto, o puede tratarse de ambas señales al mismo tiempo, las cuales tienen el fin de atraer la atención. Asignable Este término se aplica a una característica que permite el cambio (o dirección) de una señal de un dispositivo a otro sin la necesidad de la activación de un switch o algún otro elemento. Estación auto-manual Término empleado como sinónimo de estación de control.
Balón Se emplea como sinónimo de burbuja. Detrás del panel Este término se refiere a la posición de un instrumento, el cual ha sido montado en un panel de control, pero no es normalmente accesible al operador. Binario Término aplicado a una señal o dispositivo que tiene solo dos posiciones o estados discretos. Cuando es usado en su forma más simple, como en ―señal binaria‖ (lo que es opuesto a señal analógica), el término denota un estado de ―encendido-apagado‖ o de ―alto-bajo‖. Board Término en inglés el cual se interpreta como sinónimo de panel. Burbuja Símbolo circular usado para denotar e identificar el
Dispositivo computable o de cómputo Propósito de un instrumento o función. Puede contener una etiqueta con un número. Es también un sinónimo de balón. Dispositivo o función que emplea uno o más cálculos u operaciones lógicas, o ambas, y transmite uno o más resultados a las señales de salida. Configurable Término aplicado a un dispositivo o sistema cuyas características funcionales pueden ser seleccionadas a través de un programa o de otros métodos.
Controlador Dispositivo con una salida que variá para regular una variable de control de una manera específica. Un controlador manual varía su salida automáticamente en respuesta a una entrada directa o indirecta de un proceso variable. Un controlador manual es una estación manual de carga y su salida no depende de una medida de un proceso variable pero puede variarse solamente por medio de un procedimiento manual. Estación de control Una estación de carga manual que también proporciona un control en el cambio de manual a automático de los modos de control dentro de lazo de control, a ésta también se le conoce como estación auto-manual. Válvula de control Es un dispositivo, el más comúnmente usado, que actúa manualmente o por sí mismo, que directamente manipula el flujo de uno o más procesos.
Convertidor Es un dispositivo que recibe información en determinada manera de un instrumento y transmite una señal de salida en otra forma. un convertidor es también conocido como transductor , de cualquier forma, transductor es un término general, y su uso para conversión de señales no es recomendado. Digital Término aplicado a una señal o dispositivo que usa dígitos
SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDOS Elemento final de control Binarios para representar valores continuos o estados discretos. Sistema el cual, mientras es funcionalmente integrado consiste de subsistemas los cuales pueden ser físicamente separados y colocarse de una forma remota unos de otros. Dispositivo que controla directamente los valores de la variable manipulada en un lazo de control. Generalmente el elemento final de control es una válvula de control. Función Propósito que debe cumplir un dispositivo de control. Identificación Secuencia de letras o dígitos, o ambos, usados para señalar un instrumento en particular o un lazo. Instrumentación Colección de instrumentos o sus aplicaciones con el fin de observar mediciones, control, o cualquier combinación de estos. Local Es la localización de un instrumento que no está ni dentro ni sobre un panel o consola, ni está montado en un cuarto de control. Los instrumentos locales están comúnmente en el ámbito de un elemento primario o un elemento de control, la palabra ―campo ‖ es un sinónimo muy usado con local.
Panel local Que no está en un panel central, los paneles locales están comúnmente en el ámbito de subsistemas de plantas o sub-áreas. El término instrumento local de panel no puede ser confundido con instrumento local.
Lazo Combinación de uno o más instrumentos o funciones de Estación manual de carga Control que señalan el paso de uno a otro con el propósito de medir y/o controlar las variables de un proceso. Dispositivo o función que tiene un ajuste de salida manual que es usado con un actuador o como más dispositivos. La estación no proporciona un cambio entre un modo de control automático o manual de un lazo de control. La estación puede tener indicadores integrados, luces u otras características. Esto es normalmente conocido como estación manual o cargador manual. Medida Determinación de la existencia o magnitud de una variable. Monitor Término general para un instrumento o sistema de instrumentos usados para la medición o conocer la magnitud de una o más variables con el propósito de emplear la información en determinado momento. El término monitor no es muy específico, algunas veces significa analizador, indicador, o alarma. Luz del monitor Sinónimo de luz piloto. Panel Estructura que tiene un grupo de instrumentos montados sobre ella. el panel puede consistir de una o varias secciones, cubículos, consolas o escritorios. Montado en panel Término aplicado a un instrumento que está montado sobre un panel o consola y es accesible para un operador en uso normal. Luz piloto Es una luz que indica cual número o condiciones normales de un sistema o dispositivo existe. Una luz piloto es también conocida como una luz monitor o de monitor. Elemento primario Sinónimo de sensor. Proceso Es cualquier operación o secuencia de operaciones que involucren un cambio de energía, estado, composición, dimensión, u otras propiedades que pueden referirse a un dato. Variable de proceso Cualquier propiedad variable de un proceso. El término variable de proceso es usado en como un standard para la aplicación a todas las variables.
Programa Secuencia respetable de acciones que definen el nivel de Controlador lógico programable Las salidas como una compostura de las relaciones al establecimiento de las entradas. Un controlador, usualmente con entradas y salidas múltiples que contiene un programa alterable, es llamado de esta manera o comúnmente conocido como plc. Relay Dispositivo cuya función es pasar información sin alterarla o solo modificarla en determinada forma. Relay es comúnmente usado para referirse a dispositivos de cómputo. Sensor Parte de un lazo o un instrumento que primero detecta el valor de una variable de proceso y que asume una correspondencia, predeterminación, y estado inteligible o salida. El sensor puede ser integrado o separado de un elemento funcional o de un lazo. Al sensor también se le conoce como detector o elemento primario. Set point El set point o punto de referencia puede ser establecido manualmente, automáticamente o programado. Su valor se expresa en las mismas unidades que la variable controlada. Switch Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transfiere uno o más circuitos y no está diseñado como un controlador, un relay o una válvula de control. Punto de prueba Proceso de una conexión el cual no está permanentemente conectado, su conexión es solamente temporal o intermitente a un instrumento. Transductor Término general para un dispositivo que recibe información en forma de uno o más cuantificad ores físicos, modificadores de información y/o su forma si requiere, y produce una señal de salida resultante. Dependiendo de la aplicación un transductor puede ser un elemento primario, un transmisor un relay, un convertidor u otro dispositivo. Porque el término transductor no es específico, su uso para aplicaciones específicas no es recomendado. Transmisor Dispositivo que detecta la variable de un proceso a través de un sensor y tiene una salida la cual varía su valor solamente como una función predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede estar o no integrado al transmisor.
Instrumentación industrial - definición de instrumentación Instrumentación: es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste. El instrumento más conocido y utilizado es el reloj, el cual nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo. En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que está sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos parámetros del sistema y proceder de forma correctiva. la instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatización de los procesos industriales y mucho otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control preprogramada que actué sobre el sistema para obtener el resultado previsto.
Característica de los instrumentos De acuerdo con las normas sama (scientific apparatus makers association), pmc20, las características de mayor importancia, para los instrumentos son: Campo de medida o rango (range) Es el conjunto de valores dentro de los límites superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable. Por ejemplo, un termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 grados Celsius Alcance (span) Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida. Para el caso del termómetro del ejemplo, el span será de 50 grados Celsius. Error Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento. Precisión Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o controlar el instrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje (%) del span. Zona muerta (dead band) Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o control. Sensibilidad Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio en el proceso que causa este efecto.
Repetibilidad Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un mismo valor de la variable real en una única dirección de medición. Histéresis Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se efectuara en ambas direcciones Campo de medida con supresión de cero Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la variable. Campo de medida con elevación de cero Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables Campo de medida con elevación de cero Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables Clasificación de los instrumentos Existen dos formas de clasificar los instrumentos las cuales son: a.- de acuerdo a su función en el proceso. b.- de acuerdo a la variable de proceso que miden. Este modo de clasificarlos no es necesariamente el único, pero se considera bastante completo. • Instrumentos indicadores: son aquellos que como su nombre bien dice, indican directamente el valor de la variable de proceso. Ejemplos: Manómetros, termómetros, etc. • Instrumentos ciegos: son los que cumplen una función reguladora en el proceso, pero no muestran nada directamente. Ejemplos termostatos, presostatos, etc. • Instrumentos registradores: en algunos casos podrá ser necesario un registro histórico de la variable que se estudia en un determinado proceso. En este caso, se usaran instrumentos de este tipo. . • Elementos primarios: algunos elementos entran en contacto directo con el fluido o variable de proceso que se desea medir, con el fin de recibir algún efecto de este (absorben energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la variable en cuestión. (placa orificio) • Transmisores: estos elementos reciben la variable de proceso a través del elemento primario, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las variables de proceso en forma de señales proporcionales a esas variables. • Transductores: son instrumentos fuera de línea (no en contacto con el proceso), que son capaces de realizar operaciones lógicas y/o matemáticas con señales de uno o más transmisores. • Convertidores: en ciertos casos, la señal de un transmisor para ser compatible con lo esperado por el receptor de esa señal, en ese caso se utilizara un elemento convertidor para lograr el ante mencionada compatibilidad de señal •receptores: son los instrumentos que
generalmente son instalados en el panel de control, como interfase entre el proceso y el hombre. Estos reciben la señal de los transmisores o de un convertidor. • Controladores: este es uno de los elementos más importante, ya que será el encargado de ejercer la función de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para posteriormente, en base a la diferencia, envié una señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones. • Elemento final de control: será este elemento quien reciba la señal del controlador y quien estando en contacto directo con el proceso en línea, ejerza un cambio en este, de tal forma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado. Ejemplo: válvulas de control, compuertas, etc. • De acuerdo a la variable de proceso que miden: esta clasificación, como su nombre lo indica, se referirá a la variable de proceso que tratemos de medir. Ella actualidad, se pueden medir, casi sin excepción, todas las variables de proceso existentes, sin embargo, algunas se medirán de forma directa y otras indirectamente. 1.3.- Simbología, normas y sistema de unidades. En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir de una forma más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los sistemas de control. Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la isa (sociedad de instrumentistas de américa). La siguiente información es de la norma: ansi/isa-s5.1-1984(r 1992). Las necesidades de varios usuarios para sus procesos son diferentes. La norma reconoce estas necesidades, proporcionando métodos de simbolismo alternativos. Se mantienen varios ejemplos agregando la información o simplificando el simbolismo, según se desee. Los símbolos de equipo en el proceso no son parte de esta norma, pero se incluyen para ilustrar aplicaciones de símbolos de la instrumentación. Aplicación en la industria. La norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de poder, aire acondicionado, refinando metales, y otros numerosos procesos industriales. Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy especializados, diferentes a los instrumentos de procesos industriales convencionales. Se espera que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse muchas de las necesidades de campos especiales. Aplicación en actividades de trabajo. La norma es conveniente para usar siempre cualquier referencia de un Instrumento o de una función de sistema de control se requiere para los propósitos de simbolización e identificación. Pueden requerirse tales referencias para los usos siguientes, así como otros: Bocetos del plan Ejemplos instrucción Papeles técnicos, literatura y discusiones Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de vuelta, Diagramas lógicos
Descripciones funcionales Diagramas de flujo: procesos, mecánicos, ingeniería, sistemas, que Conduce por tuberías (el proceso) e instrumentación Dibujos de construcción Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos, y otras listas Identificación (etiquetando) de instrumentos y funciones de control Instalación, operación e instrucciones de mantenimiento, dibujos, y archivos se piensa que la norma proporciona la información suficiente para habilitar a cualquiera de los documentos del proceso de medida y control (quién tiene una cantidad razonable de conocimiento del proceso) para entender los medios de medida y mando del proceso. El conocimiento detallado de un especialista en la instrumentación no es un requisito previo a esta comprensión. Aplicación a clases de instrumentación y funciones de instrumentos. El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las clases de medida del proceso e instrumentación de control. Ellos no sólo son aplicables a la descripción discreta de instrumentos y sus funciones, pero también para describir las funciones análogas de sistemas que son "despliegue compartido," "control compartido", "control distribuido" y ―control por cimputadorta‖. Símbolos y números de instrumentación La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones ha sido aplicada en las típicas formas. El uso no implica que la designación o aplicaciones de los instrumentos o funciones estén restringidas en ninguna manera. Donde los símbolos alternativos son mostrados sin una preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una preferencia. La burbuja puede ser usada para etiquetar símbolos distintivos, tal como aquellos para válvulas de control. En estos casos la línea que está conectando a la burbuja con el símbolo del instrumento esta dibujado muy cerca de él, pero no llega a tocarlo. En otras situaciones la burbuja sirve para representar las propiedades del instrumento. Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que un diagrama no necesita ser etiquetado individualmente. Por ejemplo una placa con orificio o una válvula de control que es parte de un sistema más largo no necesita ser mostrado con un número de etiqueta en un diagrama. También, donde hay un elemento primario conectado a otro instrumento en un diagrama, hace uso de un símbolo para representar que el elemento primario en un diagrama puede ser opcional. Los tamaños de las etiquetas de las burbujas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños generalmente recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar dependiendo en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el número de caracteres seleccionados apropiadamente acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama. La líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada de un símbolo en cualquier ángulo. La función de los designadores de bloque y los números de las etiquetas podrían ser siempre mostrados con una orientación horizontal. Flechas direccionales podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite aclarar la dirección del
flujo para información. La aplicación de flechas direccionales facilita el entendimiento de un sistema dado. Eléctrico, neumático o cualquier otro suministro de energía para un instrumento No se espera que sea mostrado, pero es esencial para el entendimiento de las operaciones de los instrumentos en un lazo de control. En general, una línea de una señal representara la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo siempre a través de ellos. Pueden ser conectados físicamente por más de una línea. La secuencia en cada uno de los instrumentos o funciones de un lazo está conectada en un diagrama y pueden reflejar el funcionamiento lógico o información acerca del flujo, algunos de estos arreglos no necesariamente corresponderán a la secuencia de la señal de conexión. Un lazo electrónico usando una señal analógica de voltaje requiere de un cableado paralelo, mientras un lazo que usa señales de corriente analógica requiere de series de interconexión. El diagrama en ambos casos podría ser dibujado a través de todo el cableado, para mostrar la interrelación funcional claramente mientras se mantiene la presentación independiente del tipo de instrumentación finalmente instalado. El grado de los detalles para ser aplicado a cada documento o sección del mismo está enteramente en la discreción del usuario de la conexión. Los símbolos y designaciones en esta conexión pueden diseñarse para la aplicación en un hardware o en una función en específico. Los sketches y documentos técnicos usualmente contienen simbolismo simplificado e identificación. Los diagramas de flujo de un proceso usualmente son menos detallados que un diagrama de flujo de ingeniería. Los diagramas de ingeniería pueden mostrar todos los componentes en línea, pero pueden diferir de usuario a usuario en relación a los detalles mostrados. En ningún caso, la consistencia puede ser establecida para una aplicación. Los términos simplificado, conceptual, y detallado aplicado a los diagramas donde se escoge la representación a través de la sección de un uso típico. Cada usuario debe establecer el grado de detalle de los propósitos del documento específico o de documento generado. Es común en la práctica para los diagramas de flujo de ingeniería omitir los símbolos de interconexión y los componentes de hardware que son realmente necesarios para un sistema de trabajo, particularmente cuando la simbolización eléctrica interconecta sistemas. Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare el caso donde el círculo está dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar en los controles lógicos programables plc's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado.
Descripción de cómo los círculos indican la posición de los instrumentos. Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los símbolos con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son ariadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.
Identificación funcional. La identificación funcional de un instrumento o su equivalente funcional consiste de letras, las cuales incluyen una primera letra (designación de la medida o variable inicial) y una o más letras sucesivas (identificación de funciones). La identificación funcional de un instrumento está hecha de acuerdo a su función y no a su construcción. Un registrador de diferencia de presión usado para medir flujo se identifica como fr; un indicador de presión y un switch actuado a presión conectado a la salida de un transmisor de nivel neumático están identificados por li y ls, respectivamente. En un lazo de instrumentos, la primera letra de una identificación funcional es seleccionada de acuerdo a la medida y a la variable inicial y no de acuerdo a la variable manipulada. Una válvula de control varía el flujo de acuerdo a lo dictaminado por un controlador de nivel, esto es una lv. la sucesión de letras en la identificación funcional designa una o más funciones pasivas y/o salidas de función. Una modificación de las letras puede ser usada, si se requiere, en adición a una o más letras sucesivas. Por ejemplo, tdal contiene dos modificadores. La variable medida d cambia a una nueva variable t, como diferencia de temperatura. La letra l restringe la lectura de la función a, alarma, para representar solamente una alarma baja. La secuencia de identificación de las letras llega a ser con una primera letra seleccionada. Las letras de funciones pasivas o activas siguen cualquier orden, y las letras de la salida funcional siguen a ésta en cualquier frecuencia, excepto que la salida de la letra c (control) precede la salida de la letra v (valve), por ejemplo: pcv (válvula controladora de presión).
un dispositivo de función múltiple puede ser simbolizado en un diagrama por muchas burbujas como haya variables medidas, salidas y/o funciones. Un controlador de temperatura con un switch puede ser identificado por dos burbujas una con la inscripción tic-3 y una con la inscripción tsh-3. El instrumento podría estar designado como tic-3/tsh-3 para todos los usos y sus referencias. El número para las letras funcionales agrupadas en un instrumento pueden mantenerse con un mínimo de acuerdo al ajuste del usuario. El número total de letras contenidas en un grupo no pueden exceder de cuatro.
1.4.- Norma sama. El método sama (scientific, aparatus makers association) de diagramas funcionales que emplean para las funciones block y las designaciones de funciones. Para ayudar en procesos industriales donde la simbología binaria es extremadamente útil aparecen nuevos símbolos binarios en líneas. Propósitos El propósito de esta norma es establecer un medio uniforme de designación los instrumentos y los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. Con este fin, el sistema de designación incluye los símbolos y presenta un código de identificación. Visión general Generalidades En todo proceso trabajan diferentes usuarios o especialidades. La estandarización debe reconocer esta realidad y además ser consistente con los objetivos del estándar, por lo tanto debe entregar métodos para una simbología alternativa. Se entregan una serie de ejemplos como información adicional o simplificaciones para una determinada simbología según se desee. La simbología de los equipos de los procesos, no es el motivo de este apunte, por lo tanto al incluirse se hará, en razón de ilustrar aplicaciones de símbolos, de instrumentación. Aplicaciones industriales La estandarización de la instrumentación es importante para diversas industrias como: o o o o o o
Industria química Industria petrolera Generación eléctrica Aire acondicionado Refinadoras de metales Otros procesos industriales.
Existen otros campos con instrumentos muy especializados y diferentes a la industria convencional como: o o o o
Astronomía Navegación medicina etc.
Ningún esfuerzo específico se ha hecho para establecer una norma que reúna los requerimientos de estas actividades, sin embargo se espera que la norma sea lo suficientemente flexible como para abarcar áreas muy especializadas. Aplicaciones en procesos El estándar es recomendable emplearlo cada vez que se requiera cualquier referencia para un instrumento o para una función de control de un sistema con los propósitos de identificación y simbolización o o o o o o o o o o
esquemas diseño Ejemplos para enseñanza fichas técnicas, literatura y discusiones diagramas en sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, diagramas de lazos en procesos. Descripciones funcionales diagramas de flujo en: procesos, sistemas, elementos mecánicos, tuberías de procesos e instrumentación Dibujos de construcción Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos y otros listados Identificación (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de control instrucciones de mantención, operación, instalación, dibujos informes
El estándar pretende dar la suficiente información, que habilite a cualquiera para revisar documento de representación, de medición y control de procesos para que entienda el significado y el control del proceso no se requiere un conocimiento detallado de un especialista en instrumentación, como requisito para su comprensión. Aplicaciones a clases de instrumentación y para funciones de instrumentos. La simbología y las identificaciones entregadas en este estándar son aplicables a toda clase de mediciones en instrumentación para control de procesos. estas se pueden emplear no solo para describir instrumentos discretos y sus funciones sino que también funciones de sistemas análogos, donde aparecen términos como ―display compartido‖, ―control compartido‖,‖ control distribuido‖, ‖control computarizado‖.
1.5.- Norma isa Los símbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplicación en el proceso, el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectadas y de alguna manera, la instrumentación empleada. La sociedad de instrumentistas de américa (isa por sus siglas en ingles instruments society of america) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Este capítulo está basado en esas normas y ayudara a utilizar e interpretar los símbolos utilizados en el control de procesos. Identificación del instrumento los instrumentos son generalmente identificados por números en una etiqueta. El número de la etiqueta identifica (1) la función en el proceso y (2) el lazo de control en el cual está localizado. La figura 2–1 indica cómo las letras y los números son seleccionados y agrupados para lograr una rápida identificación. La función o variable de proceso puede ser fácilmente asociada con el tipo de medición hecha en el proceso. Así, el frc (flow recorder controler por sus siglas en ingles) mostrado en la figura. 2–1 identifica un controlador registrador de flujo. Las letras del alfabeto son utilizadas para formar la combinación de estos nombres. Un sistema de identificación de instrumentos podría incluir los siguientes componentes: 1. etiqueta con números para definir la función en el proceso y la localización del instrumento. 2. símbolos para identificar las señales del control de procesos neumáticas, hidráulicas, capilares, electrónicas, sónicas o radiactivas. 3. símbolos para representar dispositivos de control primarios y finales que gobiernan el flujo, nivel, presión y temperatura. UNIDAD 2 Tipos de sensores. 2.1.- sensores de presión. Los sensores de presión o transductores de presión son elementos que transforman la magnitud física de presión o fuerza por unidad de superficie en otra magnitud eléctrica que será la que emplearemos en los equipos de automatización o adquisición estándar. Los rangos de medida son muy amplios, desde unas milésimas de bar hasta los miles de bar. Para cubrir los diferentes rangos de medida, precisión y protección, disponemos de una gran variedad de transductores de presión, fabricados con diferentes tecnologías, que permiten cubrir todas sus necesidades. A continuación encontrará un resumen de prácticamente todos los sensores de presión disponibles en el mercado, agrupados según su formato y tipo de medida
Transductores de presión miniatura La gama de transductores de presión miniatura y ultra miniatura de meas. spec. Ha sido diseñada con el fin de conciliar tamaño pequeño y robustez. De tecnología piezorresistiva y fibraóptica, con membranas de acero inoxidable. Resistente a líquidos y gases corrosivos. Disponible en versiones de alta temperatura (hasta 600º c).
Características:
o o o o o o
Perfiles planos, roscados o enrasados. Rangos: desde 0..0,13 bar hasta 0..2.500 bar. Linealidad: 0,25 % a 1 % Ancho de banda: desde medidas estáticas hasta 1,7 MHz. Protección: hasta ip68. Diámetro del cuerpo: desde 1,27 mm, con 1 mm de espesor.
Manómetros digitales Los manómetros digitales de aep son la solución ideal cuando se busca un transductor de presión y un visualizador sin cables, ya que al unir el sensor y el visualizador en un solo bloque alimentado por baterías internas, permiten instalarse en cualquier punto donde se precise medir presión con unas buenas prestaciones.
aep dmm
Características: Rangos: 0.5 hasta 2.000 bar. Linealidad: 0.2 % hasta el 0.05 % fs. Resolución: hasta 65.000 divisiones. Funciones: pico, cero, tara, auto-apagado o filtro digital. Display tipo lcd (bajo consumo) o led. Salida analógica: 0-10 v, 4-20 ma o digital rs232
Aplicaciones: Instalaciones hidráulicas en general y laboratorios.
Presión de altos rangos y temperaturas
Sensing dispone de diferentes modelos de sensores de presión para altos rangos de presión, muchos de ellos con rangos de hasta 2.000 bar. También dispone de modelos especiales para la medida de temperatura como el tp8, que soporta hasta 150º c o los atek para inyección de plástico de hasta 400ºc. Movimiento es detectado por un transductor que convierte pequeños desplazamientos en señales eléctricas analógicas, más tarde se pueden obtener salidas digitales acondicionando la señal. Pueden efectuar medidas de presión absoluta (respecto a una referencia) y de presión relativa o diferencial (midiendo diferencia de presión entre dos puntos) generalmente vienen con visualizadores e indicadores de funcionamiento. características: tipo de sensor presión relativa, absoluta rango nominal de presiones en bar (0-10 bar) presión de ruptura bar (4,9 bar ... 15 bar) tensión de alimentación en cc, ca fluido aplicable gases no corrosivos tiempo de respuesta ms (10ms max) salida v máx (30 v) temperatura de funcionamiento 0ºc a +50ºc Aplicaciones control de sujeción, succión de elementos, succión de tornillos en atornilladores automáticos, apretado de tuercas automáticas, control de fuerza en pinzas prensoras , confirmación de presión a la soldadura
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.
Funcionamiento Los sensores piezorresistivos de la presión del silicio de la detección y del control de honeywell contienen los elementos de detección que consisten en cuatro piezoresistores enterrados frente a un diafragma fino, químico-grabado al agua fuerte del silicio. Un cambio de la presión hace el diafragma doblar, induciendo una tensión en el diafragma y los resistores enterrados. Los valores del resistor cambian en proporción con la tensión aplicada y producen una salida eléctrica. Características Estos sensores son pequeños, bajos costo y confiables. Ofrecen la capacidad de repetición excelente, la alta exactitud y la confiabilidad bajo variación de condiciones ambientales. Además, ofrecen características de funcionamiento alto constantes a partir de un sensor al siguiente, y de la capacidad de intercambio sin la recalibración. Mejor usado para: dispositivos médicos y de la hvac, equipo del almacenaje de datos y de la cromatografía de gas, controles de proceso, maquinaria industrial, bombas y robótica.
Sensores de presión micromecánicos. El sensor de presión de alimentación está montado por lo general directamente en el tubo de admisión. Mide la presión absoluta en el tubo de admisión (2 .... 400 kpa o 0,02 ....4,0 bar), o sea que mide la presión contra un vacío de referencia y no contra la presión del entorno. De este modo es posible determinar la masa de aire con toda exactitud y regular el compresor de acuerdo con las necesidades del motor. Si el sensor no está montado directamente en el tubo de admisión, este se hace comunicar neumáticamente con el tubo de admisión mediante una tubería flexible. Sensor de presión atmosférica (adf) este sensor puede estar montado en la unidad de control o en otro lugar del vano motor. Su señal sirve para la corrección, en función de la altura, de los valores teóricos para los circuitos reguladores (como ejemplo: retroalimentación de gases de escape egr, regulación de la presión de sobrealimentación). Con ello se pueden tener en cuenta las diferencias de la densidad del aire del entorno. El sensor de presión de entorno mide la presión absoluta (60 .....115 kpa o 0,6 ....1,15 bar). Sensor de presión del aceite y combustible Los sensores de presión de aceite están montados en el filtro de aceite y miden la presión absoluta del aceite para que se pueda averiguar la carga del motor para la indicación de servicio. Su margen de presiones se sitúa en 50 ....1000 kpa o 0,5 ...10,00 bar. Estructura El componente esencial del sensor de presión micro mecánico es el elemento sensor con la "célula de sensor" (figura inferior). Ella consta de un chip de silicio (2) micromecánico que lleva grabada una membrana delgada (1). Sobre la membrana hay dispuestas cuatro resistencias de medición (r1, r2), cuya resistencia eléctrica varia bajo tensión mecánica. En el sensor de presión puede estar integrado adicionalmente un sensor de temperatura que se puede evaluar independientemente. Esto significa que hay que montar solamente un sensor para medir la temperatura y la presión.
Funcionamiento Según cual sea la magnitud de la presión se curva de manera distinta la membrana de la célula del sensor (pocos micrómetros). Las cuatro resistencias de medición sobre la membrana modifican su resistencia eléctrica bajo las tensiones mecánicas producidas (efecto piezorresistivo).las resistencias de medición (r1, r2) están dispuestas sobre el chip de silicio (2) de tal forma que al deformarse la membrana (1) aumenta la resistencia de dos de las resistencias de medición, a la vez que disminuye la misma en las dos restantes. Las resistencias de medición están dispuestas en un "puente wheatstone". Debido al cambio de las resistencias se va modificando también la relación de las tensiones eléctricas en las resistencias de medición. Debido a ello se modifica la tensión de medición (ua). La tensión de medición es, pues, una medida para la presión en la membrana. Mediante el puente resulta una tensión de medición más alta que al evaluarse solamente una resistencia individual. El "puente wheatstone" permite obtener así una alta sensibilidad. El lado de la membrana que no queda sometida a la presión de medición se encuentra expuesto a un vació de referencia (3), de modo que el sensor mide el
valor absoluto de la presión. El sistema electrónico evaluador completo está integrado en el chip y tiene la misión de amplificar la tensión de puente, de compensar influencias de temperatura y de linealizar la curva característica de presión. La tensión de salida es del orden de 0 ....5 v y se suministra a la unidad de control de motor a través de conexiones eléctricas. Mediante una curva característica programada se calcula la presión.
Sensores de alta presión aplicación Los sensores de alta presión se emplean en el automóvil para medir la presión del combustible y del líquido de freno: sensor de presión "rail" diésel este sensor mide la presión del combustible en el tubo distribuidor (rail) del sistema de inyección diésel "common rail". La presión máxima de trabajo (presión nominal) pmax: es de 160 mpa (1600 bares). La presión del combustible es modulada en un circuito de regulación. Es casi constante e independiente de la carga y de la velocidad de rotación. Las posibles desviaciones del valor teórico se compensan mediante una válvula reguladora de presión. Sensor de presión "rail" para gasolina este sensor mide la presión del combustible en el tubo distribuidor (rail) del sistema med-motronic de inyección directa de gasolina; la presión, que depende de la carga y de la velocidad de rotación, es de 5 a 12 mpa (50 a 120 bares). La presión medida se utiliza como magnitud real para la regulación de la presión rail. El valor teórico, que depende de la carga y del número de revoluciones, está memorizado en un diagrama característico y se ajusta mediante una válvula de control de la presión en el rail
Sensor de presión del líquido de freno este sensor de alta presión mide la presión del líquido de freno en el grupo hidráulico de sistemas de seguridad de marcha (p. ej. esp); la presión es en general de 25 mpa (250 bares). Los valores de presión máximos pmáx pueden subir hasta 35 mpa 350 bares). La medición y la vigilancia de la presión son activadas por la unidad de control, que efectúa asimismo la evaluación a partir de una
Estructura y funcionamiento el corazón del sensor lo constituye una membrana de acero, sobre la que están metalizados por evaporación unos elementos piezorresistivos formando un circuito en puente (figura 1, pos. 3). El campo de medición del sensor depende del espesor de la membrana (membrana gruesa para presiones elevadas, membrana delgada para presiones reducidas). Tan pronto como la presión a medir atraviesa el racor (4) y actúa sobre un lado de la membrana, el valor de resistencia de los elementos piezorresistivos varía a causa de la deformación de la membrana (aprox. 20 µm a 1500 bares).la tensión de salida de 0 a 80 mv generada por el puente es conducida por líneas de unión a un circuito de evaluación (2) del sensor. Este circuito amplifica la señal emitida por el puente a un valor entre 0 y 5 v y lo transmite a la unidad de control, que partiendo de él calcula la presión con la ayuda de una característica memorizada
2.2.- Sensores de flujo.
Sensor de flujo tipo pistón. El sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas. Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. De pistón Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 lpm y 20 lpm. Consiste en un pistón que cambia de posición, empujado por el flujo circulante. El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte. El pistón contiene en su interior un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el imán se acerca y activa un reed switch, que cierra o abre (según sea la configuración) el circuito eléctrico. El área entre el pistón y la pared del sensor determina su sensibilidad, y por ende a qué caudal se activará el sensor. De paleta (compuerta) Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 lpm. Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo que se pretende detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el exterior del sensor. Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.
Diagrama sensor de flujo tipo paleta
De elevación (tapón) Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi cualquier caudal. Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja un interruptor ubicado en el exterior del sensor. Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.
Diagrama sensor de flujo tipo tapón. Sensor de flujo tipo paleta. Para determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los siguientes factores:
caudal de disparo: se debe seleccionar un sensor más sensible si se requiere detectar flujos muy bajos. pérdida de presión: al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se está reduciendo en alguna medida su presión. la presión de salida siempre va a ser menor a la de entrada, siendo el sensor de tapón el que más reduce la presión y el sensor de paleta el menos intrusivo. impurezas en los fluidos: los sólidos en los fluidos pueden obstruir el sensor de pistón. en cambio, el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los sólidos. tipo de fluido: se debe seleccionar un sensor que esté fabricado con materiales que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar. la temperatura, presión, acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los materiales.
2.3.- Sensores de temperatura. Aquí encontrará diferentes modelos de sensores de temperatura para múltiples aplicaciones. Los sensores de temperatura se usan para medir la temperatura del aire o la temperatura superficial de líquidos y sólidos. Nuestra gama de sensores de temperatura es igual de amplia que las aplicaciones que se le pueden dar. Además de sensores de resistencia (pt100) encontrara termoelementos del tipo k (nicr-ni). La serie wtr le ofrece para muchas aplicaciones una solución al problema. Además de los sensores estándar para el uso industrial, también tiene
a disposición versiones para la industria alimentaria. Estas se distinguen por una conexión de acero inoxidable y por la posibilidad de crear un punto de medida aséptico. La particularidad de los sensores de temperatura del tipo wtr-400 es la construcción compacta. La conexión se realiza a través de una clavija m12. Opcionalmente puede añadir un transductor en la parte inferior de la carcasa, que da una señal de salida de 4-20 ma. Puede pedir adicionalmente tornillos de sujeción y manguitos soldados. Una versión especial es el modelo wtr-270. Los sensores de temperatura de este tipo están pensados como sensores de hincado, y no de instalación fija. Si tiene preguntas técnicas sobre estos sensores de temperatura, póngase en contacto con nosotros al número de teléfono 902 044 604 en España o al +56 2 562 0400 para Latinoamérica. Nuestros técnicos le asesorarán con mucho gusto sobre este tema, así como de otros instrumentos del sector de medidores y balanzas. Encontrará las fichas técnicas de nuestros sensores de temperatura si sigue uno de los siguientes enlaces:
2.4.- Sensores de nivel.
UNIDAD III 3.1.- Tipos de actuadores: eléctricos, neumáticos e hidráulicos. Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula. Existen varios tipos de actuadores como son: Electrónicos Hidráulicos Neumáticos Eléctricos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. Actuadores electrónicos Los actuadores electrónicos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento. Actuadores hidráulicos Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos: Cilindro hidráulico Motor hidráulico Motor hidráulico de oscilación
Cilindro hidráulico De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación en el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente. Cilindro de presión dinámica Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro. Cilindro de efecto simple La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro. Cilindro de efecto doble La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón
Cilindro telescópico La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro Motor hidráulico En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: el primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranajes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de motores Motor de engranaje Tipo rotatorio motor de veleta Motor de hélice Motor hidráulico motor de leva excéntrica Pistón axial Tipo oscilante motor con eje inclinado Motor de engranaje. El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad.
Motor con pistón eje inclinado El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje. Motor oscilante con pistón axial Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise. Actuadores neumáticos A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.
De efecto simple Cilindro neumático Actuador neumático de efecto doble Con engranaje Motor neumático con veleta Con pistón Con una veleta a la vez Multivalente Motor rotatorio con pistón De ranura vertical De émbolo Fuelles, diafragma y músculo artificial Cilindro de simple efecto Cremallera Transforman un movimiento lineal en un movimiento rotacional y no superan los 360° Rotativos de paletas Son elementos motrices destinados a proporcionar un giro limitado en un eje de salida. La presión del aire actúa directamente sobre una o dos palas imprimiendo un movimiento de giro. Estos no superan los 270° y los de paleta doble no superan los 90°. Actuadores eléctricos La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. Utilización de un pistón eléctrico para el accionamiento de una válvula pequeña. La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, sería la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas. Existen alambres musculares®, los cuales permiten realizar movimientos silenciosos sin motores. Es la tecnología más innovadora para robótica y automática, como así también para la implementación de pequeños actuadores.
Partes de un actuador Sistema de "llave de seguridad": este método de llave de seguridad para la retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de
deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las llaves de seguridad incrementan de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos. Piñón con ranura: esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma namur). Cojinetes de empalme: estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven para simplificar el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. (Bajo normas iso 5211 y vdi). Pase de aire grande: los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes permiten una operación rápida y evita el bloqueo de los mismos. Muñoneras: una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente lubricada, resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las aplicaciones más severas. Construcción: se debe proveer fuerza máxima contra abolladuras, choques y fatiga. Su piñón y cremallera debe ser de gran calibre, debe ser labrado con maquinaria de alta precisión, y elimina el juego para poder obtener posiciones precisas. Ceramigard: superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las partes del actuador contra desgaste y corrosión. Revestimiento: un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos. Acople: acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de presión de aire. Tornillos de ajuste de carrera: provee ajustes para la rotación del piñón en ambas Direcciones de viaje; lo que es esencial para toda válvula de cuarto de vuelta. Muñoneras radiales y de carga del piñón: muñoneras reemplazables que protegen contra cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial. Sellos del piñón - superior e inferior: los sellos del piñón están posicionados para minimizar todo hueco posible, para proteger contra la corrosión. Resortes indestructibles de seguridad en caso de falla: estos resortes son diseñados y fabricados para nunca fallar y posteriormente son protegidos contra la corrosión. Los resortes son clasificados y asignados de forma particular para compensar la pérdida de memoria a la cual está sujeto todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire. Los actuadores más usuales son: Cilindros neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos lineales motores (actuadores de giro) neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos de giro por medio de energía hidráulica o neumática. Válvulas. Las hay de mando directo, motorizadas, electro neumáticas, etc. se emplean para regular el caudal de gases y líquidos.
3.2.- Tipos de válvulas de control. Válvulas de compuerta. La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
Recomendada: Para servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación. Para uso poco frecuente. Para resistencia mínima a la circulación. Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería. Aplicaciones Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Cierre hermético. Bajo costo. Diseño y funcionamiento sencillos. Poca resistencia a la circulación. Desventajas Control deficiente de la circulación. Se requiere mucha fuerza para accionarla. Produce cavitación con baja caída de presión. Debe estar cubierta o cerrada por completo. La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco. Variaciones Cuña maciza, cuña flexible, cuña dividida, disco doble.
Materiales Cuerpo: bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, monel, acero fundido, acero inoxidable, plástico de pvc. Componentes diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Lubricar a intervalos periódicos. Corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. Enfriar siempre el sistema al cerrar una tubería para líquidos calientes y al comprobar que las válvulas estén cerradas. No cerrar nunca las llaves a la fuerza con la llave o una palanca. Abrir las válvulas con lentitud para evitar el choque hidráulico en la tubería. Cerrar las válvulas con lentitud para ayudar a descargar los sedimentos y mugre atrapados. Especificaciones para el pedido Tipo de conexiones de extremo. Tipo de cuña. Tipo de asiento. Tipo de vástago. Tipo de bonete. Tipo de empaquetadura del vástago. Capacidad nominal de presión para operación y diseño. Capacidad nominal de temperatura para operación y diseño. Válvulas de macho La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90°.
Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Para accionamiento frecuente. Para baja caída de presión a través de la válvula. Para resistencia mínima a la circulación. Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.
Aplicaciones Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Bajo costo. Cierre hermético. Funcionamiento rápido. Desventajas Requiere alta torsión (par) para accionarla. Desgaste del asiento. Cavitación con baja caída de presión. Variaciones Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples. Materiales Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, monel, níquel, hastelloy, camisa de plástico. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Dejar espacio libre para mover la manija en las válvulas accionadas con una llave. En las válvulas con macho lubricado, hacerlo antes de ponerlas en servicio. En las válvulas con macho lubricado, lubricarlas a intervalos periódicos. Especificaciones para pedido Material del cuerpo. Material del macho. Capacidad nominal de temperatura. Disposición de los orificios, si es de orificios múltiples. Lubricante, si es válvula lubricada.
Válvulas de globo Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería
Recomendada para Estrangulación o regulación de circulación. Para accionamiento frecuente. Para corte positivo de gases o aire. Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. Aplicaciones Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas.
Ventajas Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento. Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete. Control preciso de la circulación. Disponible con orificios múltiples. Desventajas Gran caída de presión. Costo relativo elevado. Variaciones Normal (estándar), en "y", en ángulo, de tres vías. Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, monel, acero inoxidable, plásticos. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Instalar de modo que la presión este debajo del disco, excepto en servicio con vapor a alta temperatura. Registro en lubricación. Hay que abrir ligeramente la válvula para expulsar los cuerpos extraños del asiento. Apretar la tuerca de la empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. Especificaciones para el pedido Tipo de conexiones de extremo. Tipo de disco. Tipo de asiento. Tipo de vástago.
Tipo de empaquetadura o sello del vástago. Tipo de bonete. Capacidad nominal para presión. Capacidad nominal para temperatura.
Válvulas de bola Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto
Recomendada para Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. Cuando se requiere apertura rápida. Para temperaturas moderadas. Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. Aplicaciones Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. Ventajas Bajo costo. Alta capacidad. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por si sola. Poco mantenimiento. No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par). Desventajas Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación.
Variaciones Entrada por la parte superior, cuerpo o entrada de extremo divididos (partidos), tres vías, venturi, orificio de tamaño total, orificio de tamaño reducido. Materiales Cuerpo: hierro fundido, hierro dúctil, bronce, latón, aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo, zirconio; plásticos de polipropileno y pvc. Asiento: tfe, tfe con llenador, nylon, buna-n, neopreno. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Dejar suficiente espacio para accionar una manija larga. Especificaciones para el pedido Temperatura de operación. Tipo de orificio en la bola. Material para el asiento. Material para el cuerpo. Presión de funcionamiento. Orificio completo o reducido. Entrada superior o entrada lateral. Válvulas de mariposa La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación.
Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Servicio con estrangulación. Para accionamiento frecuente. Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. Para baja ciada de presión a través de la válvula. Aplicaciones Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.
Ventajas Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento. Número mínimo de piezas móviles. No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por si sola. Desventajas Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación.
Variaciones Disco plano, disco realzado, con brida, atornillado, con camisa completa, alto rendimiento. Materiales Cuerpo: hierro, hierro dúctil, aceros al carbono, acero forjado, aceros inoxidables, aleación 20, bronce, monel. Disco: todos los metales; revestimientos de elastómeros como tfe, kynar, buna-n, neopreno, hypalon. Asiento: buna-n, viton, neopreno, caucho, butilo, poliuretano, hypalon, hycar, tfe. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Se puede accionar con palanca, volante o rueda para cadena. Dejar suficiente espacio para el movimiento de la manija, si se acciona con palanca. Las válvulas deben estar en posición cerrada durante el manejo y la instalación. Especificaciones para el pedido Tipo de cuerpo. Tipo de asiento. Material del cuerpo. Material del disco. Material del asiento. Tipo de accionamiento. Presión de funcionamiento. Temperatura de funcionamiento. Válvulas de diafragma Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación.
Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Para servicio de estrangulación. Para servicio con bajas presiones de operación. Aplicaciones Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos. Ventajas Bajo costo. No tienen empaquetaduras. No hay posibilidad de fugas por el vástago. Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan. Desventajas Diafragma susceptible de desgaste. Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.
Variaciones Tipo con vertedero y tipo en línea recta. Materiales Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Lubricar a intervalos periódicos. No utilizar barras, llaves ni herramientas para cerrarla. Especificaciones para el pedido Material del cuerpo. Material del diafragma. Conexiones de extremo. Tipo del vástago. Tipo del bonete. Tipo de accionamiento. Presión de funcionamiento. Temperatura de funcionamiento.
Válvulas de apriete La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o más elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre sí para cortar la circulación.
Recomendada para Servicio de apertura y cierre. Servicio de estrangulación. Para temperaturas moderadas. Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula. Para servicios que requieren poco mantenimiento. Aplicaciones Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos. Ventajas Bajo costo. Poco mantenimiento. No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan. Diseño sencillo. No corrosiva y resistente a la abrasión. Desventajas Aplicación limitada para vació. Difícil de determinar el tamaño. Variaciones Camisa o cuerpo descubierto; camisa o cuerpo metálicos alojados. Materiales Caucho, caucho blanco, hypalon, poliuretano, neopreno, neopreno blanco, buna-n, buna-s, viton a, butilo, caucho de siliconas, tfe. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Los tamaños grandes pueden requerir soportes encima o debajo de la tubería, si los soportes para el tubo son inadecuados.
Especificaciones para el pedido Presión de funcionamiento. Temperatura de funcionamiento. Materiales de la camisa. Camisa descubierta o alojada. Válvulas de retención (check) y de desahogo (alivio) Hay dos categorías de válvulas y son para uso específico, más bien que para servicio general: válvulas de retención (check) y válvulas de desahogo (alivio). Al contrario de los otros tipos descritos, son válvulas de accionamiento automático, funcionan sin controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido de circulación o de las presiones en el sistema de tubería. Como ambos tipos se utilizan en combinación con válvulas de control de circulación, la selección de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de las condiciones para seleccionar la válvula de control de circulación. Válvulas de retención (check). La válvula de retención (fig. 1-8) está destinada a impedir una inversión de la circulación. La circulación del líquido en el sentido deseado abre la válvula; al invertirse la circulación, se cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de retención: 1) válvulas de retención de columpio, 2) de elevación y 3) de mariposa. Válvulas de retención del columpio. Esta válvula tiene un disco embisagrado o de charnela que se abre por completo con la presión en la tubería y se cierra cuando se interrumpe la presión y empieza la circulación inversa. Hay dos diseños: uno en "y" que tiene una abertura de acceso en el cuerpo para el esmerilado fácil del disco sin desmontar la válvula de la tubería y un tipo de circulación en línea recta que tiene anillos de asiento reemplazables. Recomendada para Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. Cuando hay cambios poco frecuentes del sentido de circulación en la tubería. Para servicio en tuberías que tienen válvulas de compuerta. Para tuberías verticales que tienen circulación ascendente. Aplicaciones Para servicio con líquidos a baja velocidad. Ventajas Puede estar por completo a la vista. La turbulencia y las presiones dentro de la válvula son muy bajas. El disco en "y" se puede esmerilar sin desmontar la válvula de la tubería. Variaciones Válvulas de retención con disco inclinable.
Materiales Cuerpo: bronce, hierro fundido, acero forjado, monel, acero fundido, acero inoxidable, acero al carbono. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento En las tuberías verticales, la presión siempre debe estar debajo del asiento. Si una válvula no corta el paso, examinar la superficie del asiento. Si el asiento está dañado o escoriado, se debe esmerilar o reemplazar. Antes de volver a armar, limpiar con cuidado todas las piezas internas. Válvulas de retención de elevación Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal de la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.
Recomendada para Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería. Para uso con válvulas de globo y angulares. Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema. Aplicaciones Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación. Ventajas Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida. Variaciones Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical. Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor. Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, monel, acero inoxidable, pvc, penton, grafito impenetrable, camisa de tfe. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento La presión de la tubería debe estar debajo del asiento.
La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento. Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento.
UNIDAD IV Controladores Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño. La manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control. Clasificación de los controladores industriales. 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 5. proporcionales-derivativos 6. proporcionales-integrales-derivativos Casi todos los controladores industriales emplean como fuente de energía la electricidad o un fluido presurizado, tal como el aceite o el aire. Los controladores también pueden clasificarse, de cuerdo con el tipo de energía que utilizan en su operación, como neumáticos, hidráulicos o electrónicos. 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, precisión, peso y tamaño.
4.1.-aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. Lazo abierto Generalmente son manuales, pues requieren que una persona ejecute una acción que indique al sistema qué hacer. La estabilidad del sistema no es un problema importante en este tipo de sistemas y es más fácil de lograr. Son aplicables cuando se conoce con anticipación las entradas y no existen perturbaciones significativas. Se usan componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado.
En la figura se muestra un sistema a lazo abierto. Para mantener constante el nivel del agua en el tanque es necesario que una persona accione la válvula cuando el caudal de salida cambie.
Lazo cerrado Son automáticos y operan sin interrupción, ni participación externa.
En la figura se muestra un sistema a lazo cerrado en donde la válvula se abre o cierra automáticamente, de acuerdo con las variaciones de nivel, para mantenerlo constante
Elementos constituyentes de un sistema A de control a lazo cerrado
La figura muestra los elementos de un sistema a lazo cerrado. Cada bloque representa un elemento del sistema y ejecuta una función en la operación de control. Las líneas entre los bloques muestran las señales de entrada y salida de cada elemento, y las flechas, la secuencia de acciones en el orden en que ocurren. Variable controlada: se refiere a la variable cuyo valor debe mantenerse igual al de referencia, durante el proceso
Variable medida: es el valor de la variable que se desea controlar. Para hacerlo, es necesario conocer su valor en el proceso y compararlo con el valor de referencia. Instrumentos de medición: es el conjunto de sensores que mide la variable que deseamos controlar y produce señal/es de salida que proporcionales al valor de esta variable. Señal de retroalimentación: es la salida del instrumento de medida Valor de referencia: (.set point.). Es el valor deseado de la variable controlada Comparador: compara el valor de referencia con el valor medido de la variable controlada Señal de error: es la salida del detector comparador. Provee el valor de la diferencia entre el valor deseado y el medido Actuador: es un aparato o instrumento que ejecuta las acciones que conducen a la variable controlada a adquirir el valor de referencia Variable manipulada: es la variable que se manipula para cambiar las condiciones de la variable controlada. En un horno, la válvula del gas se abre o cierra para cambiar el valor del flujo de gas que alimenta al quemador. Si el flujo aumenta, lo hace también la temperatura, que es la variable controlada. Perturbación: es cualquier factor responsable de cambiar el valor de la variable controlada y que está fuera del control del sistema Controlador: recibe la señal de error y produce los ajustes necesarios para minimizarla. Para nosotros, usualmente un microcontrolador o una pc corriendo un programa o algoritmo que determine las acciones a tomar Lazo de control Como vimos entonces, el control a lazo cerrado o control realimentado se refiere a una operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y la entrada de referencia de manera continua y automática, tratando de mantener les diferencia por debajo de un margen de error previamente determinado. Para ello es necesario implementar en el controlador un algoritmo, es decir una serie de pasos y cálculos, que determine las acciones a tomar. Por ejemplo, si estamos controlando la temperatura de un proceso químico y se está enfriando ¿cuánto debe abrirse la válvula del gas para mantener esa temperatura sin recalentarlo? El algoritmo más comúnmente utilizado para el control es el conocido como pid, por las iniciales, en inglés o español, de los tres modos diferentes de control que integra en uno solo: proporcional, integral y derivativo. El modo proporcional determina la reacción al valor de error existente en el instante actual. El modo integral considera la reacción basado en la acumulación de los errores recientes en el
tiempo y el modo derivativo lo hace según la tasa de cambio (velocidad de variación) de esos errores recientes.
La sumatoria de los tres -ponderada cada una por una constante kp, ki, kd, respectivamentedetermina la acción correctiva final que se tomará sobre la variable controlada. Ajustando las constantes k en el algoritmo se puede conseguir un control muy preciso sobre el grado de respuesta al error, así como la prevención de las sobrecargas y de las oscilaciones bruscas del sistema.
4.2.1.- On-off. Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (on/off). En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado. El control de dos posiciones o de encendido y apagado es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos. Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso se usa extensamente una válvula eléctrica operada por solenoides. Los controladores neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos posiciones y, en ocasiones, se denominan controladores neumáticos de dos posiciones se muestra un sistema De control del líquido que es controlado por una acción de control de dos posiciones.
4.2.2.- Proporcional. Acción de control proporcional para un controlador con acción de control proporcional, la relación entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t) es: Ut=kpet o bien, en cantidades transformadas por el método de Laplace uses=kp en donde Kp se considera la ganancia proporcional cualquiera que sea el mecanismo real y la forma de la potencia de operación, el controlador proporcional es, en esencia, un amplificador con una ganancia ajustable. El controlador proporcional es el tipo más simple de controlador, con excepción del controlador de dos estados (del cual se hace mención en la primera parte del texto) la ecuaci6n con que se describe su funcionamiento es la siguiente: mt=m+kcrt-ct o mt=m+kcet Dónde: m(t) = salida del controlador, psig o ma r(t) = punto de control, psig o ma c(r) = variable que se controla, psig o ma; ésta es la señal que llega del transmisor. e(r) = señal de error, psi o ma; ésta es la diferencia entre el punto de control y la variable que se controla. kc = ganancia del controlador, psi/psi ó ma/ma m = valor base, psig o ma. el significado de este valor es la salida del controlador cuando el error es cero; generalmente se tija durante la calibración del controlador, en el medio de la escala, 9 psig o 12 ma. Es interesante notar que es para un controlador de acción inversa; si la variable que se controla, c(f), se incrementa en un valor superior al punto de control, r(t), el error se vuelve negativo y, como se ve en la ecuación, la salida del controlador, m(t), decrece. La manera común con que se designa matemáticamente un controlador de acción directa es haciendo negativa la ganancia del controlador, kc; sin embargo, se debe recordar que en los controladores industriales no hay ganancias negativas, sino únicamente positivas, lo cual se resuelve con el selector inverso/directo. La kc negativa se utiliza cuando se hace el análisis matemático de un sistema de control en el que se requiere un controlador de acción directa. Se ve que la salida del controlador es proporcional al error entre el punto de control y la variable que se controla; la proporcionalidad la da la ganancia del controlador, k,; con esta ganancia o sensibilidad del controlador se determina cuánto se modifica la salida del controlador con un cierto cambio de error. Esto se ilustra gráficamente
Efecto de la ganancia del controlador sobre la salida del controlador. (a) controlador de acción directa. (b) controlador de acción inversa. Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja de que solo cuentan con un parámetro de ajuste, kc sin embargo, adolecen de una gran desventaja, operan con una desviación, o ―error de estado estacionario‖ en la variable que se controla. A fin de apreciar dicha desviación gráficamente, considérese el circuito de control de nivel que se muestra en la figura 2.2; supóngase que las condiciones de operación de diseño son qi = qo = 150 gpm y h = 6 pies; supóngase también que, para que pasen 150 gpm por la válvula de salida la presión de aire sobre ésta debe ser de 9 psig. Si el flujo de entrada se incrementa, qi, la respuesta del sistema con un controlador proporcional es como se ve. El controlador lleva de nuevo a la variable a un valor estacionario pero este valor no es el punto de control requerido; la diferencia entre el punto de control y el valor de estado estacionario de la variable que se controla es la desviación. Se muestran dos curvas de respuesta que corresponden a dos diferentes valores del parámetro de ajuste kc,. Se aprecia que cuanto mayor es el valor de kc, tanto menor es la desviación, pero la respuesta del proceso se hace más oscilatoria; sin embargo, para la mayoría de los procesos existe un valor máximo de kc, más allá del cual el proceso se hace inestable.
4.2.3.- Proporcional + integral. La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador proporcional, para eliminar la desviación. Esta nueva inteligencia o nuevo modo de control es la acción integral o de reajuste y en consecuencia, el controlador se convierte en un controlador proporcional-integral (pi). La siguiente es su ecuación descriptiva: mt=m+kcrt-ct+kcτirt-ctdt mt=m+kcet+kcτietdt Donde τi = tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. Por lo tanto, el controlador pi tiene dos parámetros, kc, y τi , que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Para entender el significado físico del tiempo de reajuste, τi , considérese el ejemplo hipotético que se muestra , donde 7, es el tiempo que toma al controlador repetir la acción proporcional y, en
consecuencia, las unidades son minutos/repetición. Tanto menor es el valor de τi , cuanto más pronunciada es la curva de respuesta, lo cual significa que la respuesta del controlador se hace más rápida
Respuesta del controlador proporcional integral (pi) (acción directa) a un cambio escalón en el error. Otra manera de explicar esto es mediante la observación de la ecuación, tanto menor es el valor de ti, cuanto mayor es el término delante de la integral, kcτi y, en consecuencia, se le da mayor peso a la acción integral o de reajuste. De la ecuación (3.1) también se nota que, mientras está presente el término de error, el controlador se mantiene cambiando su respuesta y, por lo tanto, integrando el error, para eliminarlo; recuérdese que integración también quiere decir sumatoria. La función de transferencia del controlador es: uses=kp1+1tis En donde kp, es la ganancia proporcional y ti se denomina tiempo integral. Tanto kp como ti son ajustables. El tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un cambio en el valor de kp afecta las partes integral y proporcional de la acción de control. El inverso del tiempo integral ti se denomina velocidad de reajuste. La velocidad de reajuste es la cantidad de veces por minuto que se duplica la parte proporcional de la acción de control. La velocidad de reajuste se mide en términos de las repeticiones por minuto. Muestra un diagrama de bloques de un controlador proporcional más integral. Si la señal de error e(t) es una función escalón unitario, como se aprecia en la figura 3.1(b), la salida del controlador u(t) se convierte en lo que se muestra . 4.2.4.- Proporcional + integral + derivativo.
Algunas veces se añade otro modo de control al controlador pi, este nuevo modo de control es la acción derivativa, que también se conoce como rapidez de derivación o preactuación; tiene como propósito anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la rapidez para el cambio del error, su derivada. La ecuación descriptiva es la siguiente: mt=m+kcet+kcτietdt+kcτdd etdt
Donde τd= rapidez de variación en minutos por lo tanto, el controlador pid se tiene tres parámetros, c o pb, τ i o τir y τd que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Nótese que solo existe un parámetro para ajuste de derivación, τd , el cual tiene las mismas unidades, minutos, para todos los fabricantes. Como se acaba de mencionar, con la acción derivativa se da al controlador la capacidad de anticipar hacia dónde se dirige el proceso, es decir, ―ver hacia adelante‖, mediante el cálculo de la derivada del error. La cantidad de ―anticipación‖ se decide mediante el valor del parámetro de ajuste, τd los controladores pid se
utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. Ejemplos típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. Los procesos en que las constantes de tiempo son cortas (capacitancia pequeña) son rápidos y susceptibles al ruido del proceso, son característicos de este tipo de proceso los circuitos de control de flujo y los circuitos para controlar la presión en corrientes de líquidos. Considérese el registro de flujo que se ilustra en la aplicación del modo derivativo solo da como resultado la amplificación del ruido, porque la derivada del ruido, que cambia rápidamente, es un valor grande. Los procesos donde la constante de tiempo es larga (capacitancia grande) son generalmente amortiguados y, en consecuencia, menos susceptibles al ruido; sin embargo, se debe estar alerta, ya que se puede tener un proceso con constante de tiempo larga, por ejemplo, un circuito de temperatura, en el que el transmisor sea ruidoso, en cuyo caso se’ debe reparar el transmisor antes de utilizar el controlador pid.
Registro de un circuito de flujo. La función de transferencia de un controlador pid ―ideal‖ se obtiene a partir de la ecuación (4.2), la cual se reordena como sigue: mt-m=kcet-0+kcτi(et-0)dt+kcτdd (et-0) definiendo las variables de desviación mt=mr-met=et-0 se obtiene la transformada de laplace y se reordena para obtener: mses=kc1+1τis+τds esta función de transferencia se conoce como ―ideal‖ porque en la práctica es imposible implantar el cálculo de la derivada, por lo cual se hace una aproximación mediante la utilización de un adelanto/retardo, de lo que resulta la función de transferencia ―real‖: mses=kc1+1τisτds+1α τds+1…….ecuación 4.4 los valores típicos de α están entre 0.05 y 0.1. En resumen, los controladores pid tienen tres parámetros de ajuste: la ganancia o banda proporcional, el tiempo de reajuste o rapidez de reajuste y la rapidez derivativa. La rapidez derivativa se da siempre en minutos. Los controladores pid se recomiendan para circuitos con constante de tiempo larga en los que no hay ruido. La ventaja del modo derivativo es que proporciona la capacidad de ―ver hacia dónde se dirige el proceso‖. 4.3.- Sintonización de controles. El diseño de controladores, tal como se mostró en la sección anterior, se realiza en unción del conocimiento del proceso, es decir, a partir del modelo del proceso, del esquema de control y de las restricciones que se le imponen al mismo. a diferencia de ello, la sintonización de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. los métodos de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que en el caso de la sintonización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se obtenga una respuesta temporal aceptable.
Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parámetros del controlador que se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta medianamente indeseable. es por ello que dichos parámetros se utilizan como punto de partida para la definitiva sintonización de los mismos, lo cual se realizará ajustándolos finamente de forma tal que se logre obtener la respuesta deseada. En esta sección se mostraran dos reglas de sintonización de controladores desarrolladas por ziegler y nichols, las cuales simplifican altamente el problema dejar los parámetros de un controlador. Dichas reglas podrían no ser la mejor alternativa pero su sencillez y disponibilidad las mantienen como una fuerte opción aún hoy en día. 4.4.- aplicaciones de controladores. Los reguladores pid son de mucha utilidad, en la regulación de procesos industriales, de tal modo que la gran mayoria de reguladores utilizados en la industria, son de este tipo, ya que por lo general, se busca simplicidad en las estrategias de control. se suelen utilizar en plantas industriales, en el control de niveles, presiones, flujos, temperaturas, movimientos o posiciones, velocidades etc. los procesos anteriormente mencionados, poseen ciertas características dinamicas, muy importantes, como por ejemplo el tiempo muerto, constantes de tiempo, tiempo de establecimiento o ganancias de proceso. Las cuales definen, la clasificación del proceso, en procesos de primer orden, de segundo orden o de orden superior. En el presente caso, el estudio de respuesta, en lazos de control con reguladores pid, se limitará hasta procesos de segundo orden, ya que es hasta los cuales se alcanza una regulación adecuada o estable, y por lo tanto, es la situación que se encuentra en la práctica, debiéndose utilizar para procesos de orden superior, otro tipo de estrategias de control. Por tal razón, se propondrá un modelo equivalente para estos procesos, con el fin de realizar análisis de respuesta o modelaciones, ya que las características dinámicas de estos procesos industriales son iguales cualitativamente, aunque cambian cuantitativamente dependiendo de la variable o proceso a ser regulado. UNIDAD V Tópicos de control asistido por computadora El propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. La adquisición de datos basada en pc utiliza una combinación de hardware modular, software de aplicación y una pc para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación, cada sistema comparte una meta en común de adquirir, analizar y presentar información. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales, sensores, actuadores, acondicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación. La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una
computadora o pac. se requiere una etapa de condicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (daq). A lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital, si bien es cierto que el primero es el más usado en países del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el más ventajoso a emplear en los procesos industriales. Debido a lo cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para la resolución de problemas numéricos. Asimismo la alta velocidad conseguida en las señales de mando a los diversos instrumentos de control, permite mantener el set point casi constante y monitoreado en todo momento. Sin embargo este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información. Lo anterior puede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (al comparar este y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierde gravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en la modificación de parámetros y variables que operan en el proceso. Aunado a lo anterior, con el control digital asistido por computador se puede: • Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores costes gracias a la utilización eficiente del material y del equipo. • Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos. • Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata. Introducción al control asistido por computadora Hoy en día, ante la complejidad creciente de los procesos industriales y el aumento en la producción de estos, resulta necesario desde el punto de vista financiero lograr una producción óptima; que sea capaz de reducir sus costos y de proporcionar una calidad buena en sus productos. Lo anterior solo puede lograrse con un adecuado control industrial. a lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital, si bien es cierto que el primero es el más usado en países del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el más ventajoso a emplear en los procesos industriales. Debido a lo cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para la resolución de problemas numéricos. Asimismo la alta velocidad conseguida en las señales de mando a los diversos instrumentos de control, permite mantener el set point casi constante y monitoreado en todo momento. Sin embargo este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información. Lo anterior puede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (al comparar este y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierde gravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en la modificación de parámetros y variables que operan en el proceso. Aunado a lo anterior, con el control digital asistido por computador se puede: lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores costes gracias a la utilización eficiente del material y del equipo. •Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos.
• Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata. Proporciona una gran cantidad de información a la dirección de control, en forma simultánea y en tiempo real. 5.1.- Adquisición de datos. La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o pac. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. el elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (daq). Proceso de adquisición de datos definiciones Dato: representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica de un valor. no tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones. Adquisición: recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador. Sistema: conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo prestaciones más completas y de más alto nivel. una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del pc. Una vez los datos están en memoria pueden procesarse con una aplicación adecuada, archivarlas en el disco duro, visualizarlas en la pantalla, etc. Bit de resolución: número de bits que el convertidor analógico a digital (adc) utiliza para representar una señal. Rango: valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones. Teorema de nyquist: al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que dos veces el ancho de banda de la señal de entrada, para poder reconstruir la señal original de forma exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposible recuperar el original. velocidad de muestreo recomendada: *frecuencia mayor (medida de frecuencia) *frecuencia mayor (detalle de la forma de onda) Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el hardware de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un ordenador, ya sea utilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Los controles y visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programación de propósito general como visualbasic, c++, fortran, java, lisp, pascal. Los lenguajes especializados de programación utilizados para la adquisición de datos incluyen epics, utilizada en la construcción de grandes sistemas de adquisición de datos, labview, que ofrece un entorno
gráfico de programación optimizado para la adquisición de datos, y matlab. Estos entornos de adquisición proporcionan un lenguaje de programación además de bibliotecas y herramientas para la adquisición de datos y posterior análisis. de la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica. En este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de adquisición de datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del pc la genera un programa adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y, luego de procesarla, es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores. Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores, convertidores analógico digital (a/d) y digital - analógico (d/a), para procesar información acerca de un sistema físico de forma digitalizada. ¿Cómo se adquieren los datos? La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura de una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos puede medir todas estas diferentes propiedades o fenómenos. Un sensor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o condensador, etc. la capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos depende de los transductores para convertir las señales de los fenómenos físicos mensurables en la adquisición de datos por hardware. Transductores son sinónimo de sensores en sistemas de daq. Hay transductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la temperatura, la presión, o flujo de fluidos. daq también despliega diversas técnicas de acondicionamiento de señales para modificar adecuadamente diferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizados usando ced.
Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en función del transductor utilizado. El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es adecuado para la daq hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o desamplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar demodulación. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puente de conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc. este pretratamiento de la señal normalmente lo realiza un pequeño módulo acoplado al transductor. daq hardware son por lo general las interfaces entre la señal y un pc. Podría ser en forma de módulos que pueden ser conectados a la computadora de los puertos (paralelo, serie, usb, etc...) o ranuras de las tarjetas conectadas a (pci, isa) en la placa madre, por lo general, el espacio en la parte posterior de una tarjeta pci es demasiado pequeño para todas
las conexiones necesarias, de modo que una ruptura de caja externa es obligatorio. El cable entre este recuadro y el pc es cara debido a los numerosos cables y el blindaje necesario y porque es exótico. las tarjetas daq a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, adc, dac, ttl-io, temporizadores de alta velocidad, memoria ram). Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede ejecutar pequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógica dura cableada, pero más barato que una cpu de modo que es correcto para bloquear con simples bucles de preguntas. Driver software normalmente viene con el hardware daq o de otros proveedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware daq y dar así a los programas acceso a las señales de lectura por el hardware daq. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso. Ejemplos de sistemas de adquisición y control: • daq para recoger datos (datalogger) medioambientales (energías renovables e ingeniería verde). • daq para audio y vibraciones (mantenimiento, test). • daq + control de movimiento (corte con laser). • daq + control de movimiento+ visión artificial (robots modernos). Tiempo de conversión Es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y dependerá de la tecnología de medida empleada. Evidentemente nos da una cota máxima de la frecuencia de la señal a medir. Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una señal de inicio de "conversión" (normalmente llamada soc, start of conversión) hasta que en la salida aparece un dato válido. Para que tengamos constancia de un dato válido tenemos dos caminos: • esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja de características. • esperar a que el convertidor nos envíe una señal de fin de conversión. si no respetamos el tiempo de conversión, en la salida tendremos un valor, que dependiendo de la constitución del convertidor será: • un valor aleatorio, como consecuencia de la conversión en curso • el resultado de la última conversión La etapa de acondicionamiento de la señal con más detalle, en una etapa de acondicionamiento podemos encontrar estas etapas, aunque no todas están siempre presentes: • Amplificación • Excitación • Filtrado • Multiplexado • Aislamiento • Linealización
Amplificación es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada debe ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer. Aislamiento - otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común. Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas, apareciendo un "bucle de masa", que puede devolver resultados erróneos. Multiplexado - el multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. Se aconseja que los multiplexores se utilizen antes del conversor y después del condicionamiento del señal, ya que de esta manera no molestará a los aislantes que podamos tener. Filtrado - el fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 hz, que eliminará interferencias, incluidos los 50/60 hz de la red eléctrica. Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error. Excitación la etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores, como por ejemplos las galgas "extesométricas", "termistores" o "rtd", que necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de wheatstone). linealización - muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuitería externa. Ejemplo: A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y por tanto la información recibida se procesa para obtener una serie de señales de control. En este diagrama podemos ver los bloques que componen nuestro sistema de adquisición de datos: Como vemos, los bloques principales son estos: • Transductor • El acondicionamiento de señal • El convertidor analógico-digital • La etapa de salida (interfaz con la lógica)
El transductor es un elemento que convierte la magnitud física que vamos a medir en una señal de salida (normalmente tensión o corriente) que puede ser procesada por nuestro sistema. Salvo que la señal de entrada sea eléctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierte energía de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar poca energía del sistema bajo observación, para no alterar la medida. El acondicionamiento de señal es la etapa encargada de filtrar y adaptar la señal proveniente del transductor a la entrada del convertidor analógico / digital. Esta adaptación suele ser doble y se encarga de: • Adaptar el rango de salida del transductor al rango de entrada del convertidor. (normalmente en tensión). • Acoplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada del otro. La adaptación entre los rangos de salida del convertidor y el de entrada del convertidor tiene como objetivo el aprovechar el margen dinámico del convertidor, de modo que la máxima señal de entrada debe coincidir con la máxima que el convertidor (pero no con la máxima tensión admisible, ya que para ésta entran en funcionamiento las redes de protección que el convertidor lleva integrada). Por otro lado, la adaptación de impedancias es imprescindible ya que los transductores presentan una salida de alta impedancia, que normalmente no puede excitar la entrada de un convertidor, cuya impedancia típica suele estar entre 1 y 10 k. el convertidor analógico/digital es un sistema que presenta en su salida una señal digital a partir de una señal analógica de entrada, (normalmente de tensión) realizando las funciones de cuantificación y codificación. La cuantificación implica la división del rango continuo de entrada en una serie de pasos, de modo que para infinitos valores de la entrada la salida sólo puede presentar una serie determinada de valores. Por tanto la cuantificación implica una pérdida de información que no podemos olvidar. La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según un determinado código binario, de modo que las etapas posteriores al convertidor puedan leer estos datos adecuadamente. Este paso hay que tenerlo siempre en cuenta, ya que puede hacer que obtengamos datos erróneos, sobre todo cuando el sistema admite señales positivas y negativas con respecto a masa, momento en el cual la salida binaria del convertidor nos da tanto la magnitud como el signo de la tensión que ha sido medida. La etapa de salida es el conjunto de elementos que permiten conectar el s.a.d con el resto del equipo, y puede ser desde una serie de buffers digitales incluidos en el circuito convertidor, hasta una interfaz rs232, rs-485 o ethernet para conectar a un ordenador o estación de trabajo, en el caso de sistemas de adquisición de datos comerciales. Ventajas Flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis posteriores (a fin de analizar los posibles errores), gran capacidad de almacenamiento, rápido acceso a la información y toma de decisión, se adquieren gran cantidad de datos para poder analizar, posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios instrumentos al mismo tiempo, facilidad de automatización, etc. se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas y de producción, la detección de fallas y el control de calidad entre otras aplicaciones.
5.3. Control digital directo. El control digital directo (ddc) es el registro automático de un dispositivo digital, como la computadora. El sistema ddc completó sus obligaciones con la creación del hardware r-tec, el cual fue diseñado por el negociante australiano midac, en los años 1981-1982, en australia. Este sistema fue instalado en la universidad de melbourne y utiliza una red de comunicaciones en cadena, conectando los edificios del campus a una sala de control del sistema "front-end", en el sótano del edificio antiguo de geología de la misma. Cada control remoto o unidad de inteligencia satelital (siu) corrió dos microprocesadores z80, mientras que el enorme satélite delantero corrió solo once, en una configuración de procesamiento en paralelo con la memoria paginada. Los microprocesadores z80 fueron diseñados para compartir la carga que pasa por las tareas entre sí a través de la memoria común y la red de comunicaciones. Esta fue la primera implementación exitosa de un sistema de procesamiento distribuido de control digital directo. Los controladores centrales y los controladores de la unidad en los terminales son programables, es decir, el programa del control digital directo puede ser modificado con requisitos particulares para otros usos previstos. Las características del programa incluyen: 1- Horarios. 2- Puntos de ajuste. 3- Los controladores. 4- La lógica. 5- Temporizadores. 6- Registros de tendencia. 7- Las alarmas.
5.4.-instrumentación virtual. El concepto de instrumentación virtual La instrumentación virtual es un concepto introducido por la compañía national instruments (2001). En el año de 1983, truchard y kodosky, de national instruments, decidieron enfrentar el problema de crear un software que permitiera utilizar la computadora personal como un instrumento para realizar mediciones. Tres años fueron necesarios para crear la primera versión del software que permitió, de una manera gráfica y sencilla, diseñar un instrumento en la computadora. De esta manera surge el concepto de instrumento virtual, definido como, "un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora y tiene sus funciones definidas por software." (national instruments, 2001). A este software le dieron el nombre de laboratory virtual instrument engineering workbench, más comúnmente conocido por las siglas labview. A partir del concepto de instrumento virtual, se define la instrumentación virtual como un sistema de medición, análisis y control de señales físicas con un pc por medio de instrumentos virtuales. Labview, el primer
software empleado para diseñar instrumentos en la pc, es un software que emplea una metodología de programación gráfica, a diferencia de los lenguajes de programación tradicionales. Su código no se realiza mediante secuencias de texto, sino en forma gráfica, similar a un diagrama de flujo. Instrumentación virtual La instrumentación virtual nace a partir del uso de la computadora como forma de reemplazar equipos físicos por software y así manejar la computadora como si realmente fuese un instrumento real. El usuario opera un instrumento que no es real, realiza mediciones con él, se ejecuta en una computadora, pero realiza las mismas funciones que un instrumento real. el concepto de la instrumentación virtual es de reemplazar elementos hardware por software obteniendo sus mejores ventajas e incluso mejorándolas. De esta manera el usuario final del sistema solo ve la representación gráfica de las variables manipuladas en el sistema y botones de control virtuales en la pantalla del ordenador. El concepto de instrumentación virtual implica adquisición de señales, el procesamiento, análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información relacionados con la medición de una o varias señales, interfaz hombremáquina, visualización, monitoreo y supervisión remota del proceso, la comunicación con otros equipos, etc. Un sistema de instrumentación virtual esta enfocado a los instrumentos encargados de medir señales, registrar datos y decidir las acciones de control, evidentemente, se requiere de una etapa de actuación, que conforma la interfaz entre la computadora y el sistema a controlar, por tanto esta etapa implica drivers de potencia o transductores de señal especiales. además, existen otras etapas auxiliares que no intervienen en el proceso de medida, como es el caso del subsistema de alimentación. En los últimos 20 años, el auge en el uso de las computadoras generó un cambio en la instrumentación de ensayos, mediciones y automatización. Un importante resultado de la ubicuidad de la computadora es la instrumentación virtual, la cual ofrece varias ventajas a científicos e ingenieros que requieran mayor calidad, rendimiento y eficiencia. Un instrumento virtual consiste básicamente de una computadora tradicional o una estación de trabajo, software de instrumentación, hardware que suele ser económico y los drivers que actualmente existen para prácticamente cualquier sistema operativo. Algunos paquetes de software utilizados para este fin son: o Labview o Latlab simulink o Cyber tools o Agilent-vee (anteriormente hp-vee) o Beta instruments manager El hardware usado generalmente se conecta vía los siguientes puertos: o isa o pci o usb o rs-232 o rs-422 o pcmcia o paralelo epp
o o o o o
compact pci camac pc/104 vmebus vxi gpib
Es decir, el pc comienza a ser utilizado para realizar mediciones de fenómenos físicos representados en señales de corriente (ej. 4-20ma) y/o voltaje (ej. (0-5vdc). Sin embargo, el concepto de "instrumentación virtual" va más allá de la simple medición de corriente o voltaje, sino que también involucra el procesamiento, análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información relacionados con la medición de una o varias señales específicas. Es decir, el instrumento virtual no se conforma con la adquisición de la señal, sino que también involucra la interfaz hombre máquina, las funciones de análisis y procesamiento de señales, las rutinas de almacenamiento de datos y la comunicación con otros equipos. Como un ejemplo; el osciloscopio tradicional viene con parámetros de diseño y funcionalidad predefinidos por el fabricante. Es decir, la funcionalidad de este equipo está dada por el fabricante y no por el usuario, quien sólo se limita a utilizar sus características. El concepto virtual surge del hecho de que cuando se utiliza la computadora es el usuario mismo quien define los parámetros de funcionalidad y apariencia de dicho dispositivo, por esto se dice que el instrumento es virtualizado, ya que sus parámetros pueden ser modificados a gusto del usuario y no del fabricante, según sea preciso. En la figura 1 se muestra un ejemplo de un instrumento virtual hecho con Labview:
Panel frontal de un instrumento hecho con labview debido a que están basados en pc, los instrumentos virtuales aprovechan inherentemente las ventajas de la tecnología. Estos avances en tecnología y rendimiento incluyen poderosos procesadores, tales como el pentium 4, y sistemas operativos y tecnologías tales como microsoft windows xp, .net y el apple mac os x.
Los 10 instrumentos convencionales también adolecen de naturaleza portátil, en cambio, los instrumentos virtuales que corren en computadoras portátiles incorporan automáticamente esa naturaleza portátil el instrumento virtual es definido entonces como una capa de software y hardware que se le agrega a un pc en tal forma que permite al usuario interactuar con la computadora como si estuviese utilizando su propio instrumento electrónico hecho a la medida. En la tabla 1 se resumen las principales diferencias entre el instrumento convencional y el instrumento virtual
.Algunos beneficios de la instrumentación virtual son: o flexibilidad o bajo costo de mantenimiento o reusabilidad o personalización de cada instrumento o rápida incorporación de nuevas tecnologías o bajo costo por función 5.5. Control distribuido Los sistemas de control automático son fundamentales para el manejo de los procesos de producción de las plantas industriales. Se ha comprobado que el aumento de la productividad está muy relacionado a la automatización de los procesos en la medida que se haga un uso eficiente de los equipos y sistemas asociados. Actualmente la tecnología permite establecer una serie de estrategias de control que eran de difícil implementación hasta hace solamente algunos años atrás, en especial en procesos industriales complejos. El desarrollo del control distribuido en la industria va paralelo al de las comunicaciones. Cada vez se hace más necesario disponer de dispositivos inteligentes para realizar el control o la supervisión remota, tanto de procesos de fabricación, como de almacenamiento o distribución. Los sistemas o redes de comunicación empleados en entornos industriales se encuentran condicionados a una problemática específica que los hace diferentes de las redes de datos o redes de oficina. El desarrollo de los microprocesadores, microcontroladores y controladores
lógicos programables (plcs) dio lugar al surgimiento del control distribuido. En este tipo de esquema el plc, o un microprocesador, controla una o más variables del sistema realizando un control directo de las mismas. Estos equipos de control se comunican con otros elementos de su nivel y con el nivel superior de supervisión. Evolución del control distribuido Los conceptos del control distribuido tienen sus orígenes en la revolución industrial. Los elementos con los que se llevaba las decisiones de control eran mecánicos y electromagnéticos. Esto tenía el inconveniente de que a medida que las operaciones de control y automatización se hacían más complejas, los tableros de control (armarios eléctricos) se volvían más voluminosos. En los años 50 con la aparición de la electrónica de semiconductores se reduce el tamaño de los armarios eléctricos y el número de averías por desgaste de componentes eléctricos. Aunque esto era mucho más amigable que los tableros eléctricos de la revolución industrial, presentaba problemas de flexibilidad ya que un sistema de control sirve sólo para una aplicación en específico, y no es reutilizable. Hacia finales de los años 70 aparecen mejoras en los autómatas dándoles a estos: o mayor memoria o capacidad de gobernar bucles de control o más tipos de e/s o lenguajes de programación más potentes o comunicaciones más potentes o en los años 80 se continúa con mejoras, siendo algunas de estas: o mayor velocidad de proceso o dimensiones más reducidas o técnicas de control más complejas o múltiples lenguajes (contactos, listas de instrucciones, grafcet,etc.) En la actualidad tenemos disponibles gran cantidad de autómatas híbridos compactos, sencillos y modulares, incluso para aplicaciones domésticas. Presentan grandes posibilidades de ampliación. y con una tendencia hacia una evolución continua de los sistemas de comunicación, constituyendo redes de autómatas que permitan implementaciones más complejas y seguras. las nuevas características de los sistemas de automatización apuntan a incorporar características de los sistemas distribuidos como: o o o o o o
escalabilidad apertura concurrencia tolerancia a fallas transparencia control distribuido
Se muestra un esquema de control distribuido, donde puede observarse que la comunicación se da entre cada controlador de proceso (comunicación horizontal).
Ahora se explica la figura: existencia de varias unidades de control que llevan a cabo las tareas. En caso de avería o sobrecarga de trabajo, será posible transferir todo o parte de las tareas a otras unidades.
