TECNOLOGIAS DE LA INSTRUMETACIÓN INTRODUCCION Como se ha comentado anteriormente, ha habido en estas últimas décadas avances considerables en la tecnología de fabricación ce los dispositivos, equipos y sistemas de una breve reseña de cómo se ha dado este desarrollo para tener una idea general de las posibilidades actuales. OBJETIVOS
Revisar los conceptos de control manual y control automático de procesos. Identificar las diversas tecnologías existentes en la instrumentación industrial.
GERALIDADES En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aun existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso de la temperatura) y hacías algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo – proceso a sensor, a operador, válvula, a proceso – se mantiene como un concepto básico en el control de procesos. En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que puede manejar. Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son importantes para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar. El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existe una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para poder lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseadas. EVOLUCION HISTÓRICA El control de los primeros industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también son muy útiles, así como también
resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por tanto están diseminados, a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demanda mucho tiempo. El desarrollo de dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radican en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas). Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de remplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeñas lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar. Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC). El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc. Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar.
COMPONENETES DE UN SISTEMA DE CONTROL INTRODUCCIÓN Al hablar de sistemas de control es necesario hacer una diferencia entre lo que es un sistema de mando y otro de regulación. El primero está relacionado principalmente con procesos de manufactura, en los cuales, la repetición se secuencias es la característica fundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantener constante el valor de una o más variables, como ocurre en un sistema realimentado. En este curso este curso nos vamos dirigir al segundo tipo. OBJETIVOS
Identificar los componentes que forman parte de un típico sistema de control realimentado Conocer las funciones y características generales de estos componentes.
SISTEMAS DE CONTROL REALIMENTADO Con el fin de ver más claramente la relación de los componentes típicos de un sistema automático, se muestra en la figura 1 un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. Cada bloque representa a un elemento cuyas características definen, en conjunto con los demás, el funcionamiento adecuado de determinado proceso en particular. Aquí el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso. La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar, hasta el valor deseado o referencia (Set Point). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, de pendiendo de la función de los instrumentos en el sistema tales como el registro, indicación, control y activación de alarmas o enclavamiento. En el caso del controlador que viene ser el corazón del sistema, esta señal (variable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviación) sirve para el elemento final de control (comúnmente una válvula) para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada, se dirija hacia el valor de referencia. Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo (llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, el control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, etc. basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tecnologías, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática, como veremos más adelante. Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama siguiente, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando también
aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que también tienen importancia en algunos lazos de control.
PROCESO ENTRADA
SALIDA LAZO ABIERTO
VARIABLE CONTROLADA
VARIABLE MANIPULADA PROCESO ENTRADA
SALIDA
SENSOR
ELEMENTO FINAL DE CONTROL
SET POINT
CONTROLADOR
VARIABLE MEDIDA
TRANSMISOR
REGISTRADOR INDICADOR ALARMAS
LAZO CERRADO
CLAVAMIENTOS SENSORES Son los elementos que detectan, o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denomina elementos primarios en algunos casos forman parte de un bloque llamado transmisor o aquel que reciba la salida del sensor y adapta esta señal con fines de transmitirla; a éste conjunto se le denomina transductor. en general, la respuesta de un sensor determina cuán bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc., términos incluidos en glosario incluido en el Apéndice I. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control de proceso.
Los retardos de medición implican errores mientras el proceso estás cambiando. La medición no solo es tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aún teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso. La capacidad térmica de un sensor es función de su tamaño, forma y material. La resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza, del fluido y de si velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitud final en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. La diferencia de retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo sensor. en general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos e instrumentos que existen en un determinado sistema de control. TRANSMISORES Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un registrador, un indicador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidraúlicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido remplazando en el tiempo a las nuemáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidraúlicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor. Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 – 100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2 – 1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3 – 15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores. Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4 – 20 mA y 0 – 20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4-20mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplean sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadoras analógicos, etc. sin necesidad sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El “cero vivo” con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo
(la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el “ruido” de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo. Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicas y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones. La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se le denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante. Por otro lado, el empleo cada vez más de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento al estandarización de un producto digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA. CONTROLADORES Un controlador puede ser definido, como el dispositivo que compara el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde neumáticos, hidraúlicos hasta electrónicos, que son los empleados actualmente. Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor) el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más elementos pueden estar formados en un solo bloque, pero no es lo más usual. En este lazo, el controlador responde como se ha dicho, a la diferencia entre el set point y la variable medida y en base al tipo de control elegido, entrega una señal de control al elemento final. Durante muchos, años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya nos fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido remplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchos e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Son aquellos que finalmente responde, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayoría de los procesos las válvulas de control, son las usadas, si se trata de controlar variables como el flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla de componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas nuemáticas o eléctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con
control de velocidad electrónico. Debido a que las válvulas son los elementos finales de control más utilizados, estudiaremos sus características en el módulo correspondiente. OTROS ELEMENTOS Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales. En los respecta a indicadores, se incluye elementos que tienen escalas graduales que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicas (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable mediante en forma numérica. Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: puede ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Los registradores multi-punto son usados cuando se necesita más de una variable. Actualmente se disponen también de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reporte, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memoria (acción hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora. El desarrollo de controladores electrónicos creó la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen señales de un tipo de energía a otro y de un nivel de señal a otro, como el de conversión de corriente a presión, para actuar sobre las válvulas nuemáticas. A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital. Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se puede citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, vávulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.