INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN

SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS

Son dispositivos diseñados para centralizar la recolección de los datos de los procesos en una planta, ejecutar programas de control y realizar acciones sobre los procesos en forma autónoma, a través de interconexiones con la instrumentación y con otros dispositivos de supervisión y control.

Los más comunes son los Controladores Lógicos programables (PLC) IHM (Gp:) Instrumentación de Planta (Gp:) PLANTA (Gp:) I (Gp:) O (Gp:) I (Gp:) O (Gp:) Infraestructura Física de Planta Controlador Lógico Programable PLC Telecomunicaciones Supervisión a Distancia (Scada) Configuración y Programación RTU PID DCS Sistemas de Control Distribuido PLC

VARIABLE

Una variable es aquello que varía o puede variar. Se trata de algo inestable, inconstante y mudable. En otras palabras, una variable es un símbolo que representa un elemento no especificado de un conjunto dado. Es la cantidad o condición que se mide y se controla, las variables controladas más comunes son la posición, peso, velocidad, temperatura, presión, nivel, flujos. La variable se refiere a todo lo controlable en un proceso.

VARIABLE MANIPULADA

La señal de control o variable manipulada es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Normalmente, la variable controlada es la salida del sistema. Controlar significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la variable manipulada al sistema para corregir o limitar la desviación del valor medido respecto del valor deseado.

PERTURBACIÓN

Una característica importante de los sistemas de control es la capacidad de reducir los efectos inferidos por las perturbaciones o disturbios. Se debe diferenciar entre las perturbaciones del proceso y las perturbaciones en la medición.

Las perturbaciones del proceso, son aquellas que afectan el control del proceso. Dan siempre fluctuaciones en la señal de salida del proceso, no importando si el sistema está realimentado o no. Normalmente es una tarea primordial del sistema de control el que los disturbios tengan tan poco efecto negativo como sea posible en la señal de salida

REPETITIVIDAD

Repetitividad indica el porcentaje de variabilidad o desviación presente que puede presentarse en los instrumentos de medición empleado durante el experimento. Se apoya en la estadística para evaluar la dispersión en los resultados obtenidos tras un experimento. Es recrear exactamente todos los resultados a partir de los datos originales.

Por ejemplo: El operador 1 mide una parte con un sistema de medición A 20 veces y luego mide la misma parte con el sistema de medición B.

La línea continua representa las mediciones con el sistema de medición A. La línea de trazo interrumpido representa las mediciones con el sistema de medición B. El sistema de medición A presenta menos variación, lo que significa que es más repetible que el sistema de medición B.

EXACTITUD

Es la capacidad de un instrumento de acercarse al valor de la magnitud real, es decir, la cercanía del valor experimental obtenido con el valor exacto de una medida.

Por ejemplo: Si los resultados obtenidos son similares entre si y además se acercan al valor real se puede decir que el instrumento de medición es preciso y exacto.

PRECISIÓN

En ciencia, ingeniería, industria y estadística se denomina precisión a la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas de la misma manera.

Por ejemplo: El más preciso no siempre es el más exacto. Como se observa en la figura, si bien los resultados son similares entre si, no se acercan al valor verdadero.

LINEALIDAD

Expresa lo constante que resulta la sensibilidad del sensor o aparato de medida. Una sensibilidad constante (alta linealidad) facilita la conversión del valor leído al valor medido.

A la máxima desviación con respecto a la recta proporcional se le denomina alinealidad y está dada en porcentaje:

INCERTIDUMBRE

Es el parámetro asociado con el resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían ser razonablemente atribuidos al valor a medir. El valor de incertidumbre incluye componentes procedentes de efectos sistemáticos en las mediciones, debido a componentes que se calcula a partir de distribuciones estadísticas de los valores que proceden de una serie de mediciones y valores que se calculan a partir de funciones de densidades de probabilidad basadas en la experiencia u otra información.

Ejemplo tras el proceso de calibración de la incertidumbre de medida se debe indicar el certificado de calibración, que deberá ser correctamente comprendido e interpretado.

CONTROLADOR

El controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador como se observa en la figura.

Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno o más procesos. Al principio los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos, conforme la tecnología fue desarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de micro-controladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o “Set point”, con el valor medido del parámetro más importante a controlar en un proceso

ACTUADOR

Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Los elementos finales de control son mecanismos que modifican el valor de una variable que ha sido manipulada como respuesta a una señal de salida desde un dispositivo de control automático; es decir, se encarga de manipular alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Según el tipo de proceso, hay dispositivos que reciben señales de control del tipo discretas, tipo batch o continuas.

Industrialmente lo más común es que la variable manipulada por estos dispositivos sea un caudal, el elemento de control de más amplia difusión es la válvula y por ello se hará énfasis en éste.

Las válvulas funcionan según el teorema de Bernoulli, el cual describe que el flujo a través de un orificio como:

SENSOR

Un sensor es un dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos externos y responder en consecuencia. Estos aparatos pueden transformar las magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas.

Lo cual encontramos los siguientes tipos de sensores:

•          Sensores de posición.
  
  •         Sensores de contacto.
  •          Sensores por ultrasonido.
  •          Sensores de movimiento.
  •          Sensores de deslizamiento.
  •          Sensores de velocidad.
  • ·       Sensores de aceleración.

TRANSMISOR

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, tal como un: indicador, registrador, controlador o una combinación de éstos. Un sistema transmisor consiste generalmente en: 

• ·         Un elemento primario o detector de variaciones de la magnitud a medir.
• ·         El elemento transmisor, algunas veces lleva incorporado el elemento detector. 
•     El elemento receptor de las distintas magnitudes de la variable a medir (indicador, registrador, totalizador, etc.).

TRANSDUCTOR

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida.  Generalmente se trata de un dispositivo utilizado para convertir un fenómeno físico en una señal eléctrica o neumática.

También se podría llamar transductor al conjunto sensor-transmisor, pues toma la magnitud del proceso y la traduce a una señal normalizada para el sistema de control. 

ACONDICIONADOR

Un acondicionador de señales es un dispositivo que convierte un tipo de señal electrónica en otro tipo de señal. Su uso principal es convertir una señal que puede ser de difícil lectura mediante instrumentación convencional en un formato que se puede leer más fácilmente. Al ejecutar esta conversión ocurren numerosas funciones.

MICRO CONTROLADOR

Un microcontrolador es un circuito integrado digital que puede ser usado para muy diversos propósitos debido a que es programable. Está compuesto por una unidad central de proceso (CPU), memorias (ROM y RAM) y líneas de entrada y salida (periféricos).

Un microcontrolador puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, agendas, avisos lumínicos, secuenciador de luces, cerrojos electrónicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros. El límite es la imaginación.

REGISTRADOR

El registrador es un dispositivo tecnológico el cual proporciona una imagen gráfica del comportamiento de alguna variable dinámica de proceso, tal como la presión, el nivel, la temperatura, la potencia eléctrica, humedad, pH, y flujo entre muchas otras. Es considerado un instrumento muy importante para los operadores de las plantas de procesos industriales pues mide, indica, registra e incluso controla un proceso desatendido por varios días.

CONVERTIDOR

El convertidor de señales sirve para convertir señales eléctricas unitarias, p. ej.: 4 … 20 mA en 0,2 … 1 bar (3 ... 15 psi). Con ello constituye un vínculo entre los sistemas eléctricos-electrónicos y los sistemas neumáticos. Las señales se convierten analógicamente mediante un principio de comparación de fuerzas patentado.

CIRCUITO ABIERTO O LAZO ABIERTO

Son los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control. En un sistema en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada.

En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. Por tanto a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. En la práctica, el control en lazo abierto sólo se utiliza si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas no son de control realimentado.

ELEMENTOS BÁSICOS

1. Elemento de control: Este elemento determina qué acción se va a tomar dada una entrada al sistema de control.

2. Elemento de corrección: Este elemento responde a la entrada que viene del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor requerido.

3. Proceso: El proceso o planta en el sistema en el que se va a controlar la variable.

CIRCUITO CERRADO O LAZO CERRADO

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.

El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:

• Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.
• Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.
• Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una atención que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.

Sus características son:

• Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.
• La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema.
• Su propiedad de retroalimentación.
• Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.

Un ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado sería el termotanque de agua que utilizamos para bañarnos.

Otro ejemplo sería un regulador de nivel de gran sensibilidad de un depósito. El movimiento de la boya produce más o menos obstrucción en un chorro de aire o gas a baja presión. Esto se traduce en cambios de presión que afectan a la membrana de la válvula de paso, haciendo que se abra más cuanto más cerca se encuentre del nivel máximo.