Introducción a La Instrumentación Industrial Para El Control de Procesos

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<ul><li><p>Introduccin a la Instrumentacin Industrial para el Control de Procesos </p><p>En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy an existe este tipo de control en muchas fbricas); la labor de este operador consista en observar lo que est sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y haca algunos ajustes (como abrir la vlvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. </p><p>Este lazo - proceso a sensor, a operador, a vlvula, a proceso - se mantiene como un concepto bsico en el control de procesos. </p><p>En el control manual, sin embargo, slo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errtico; ms an, esta persona estar siempre limitada por el nmero de variables que pueda manejar. </p><p>Por otro lado, la recoleccin de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya est dedicando tiempo importante en la atencin de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir nmeros y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difciles de manejar. </p><p>El control automtico 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, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con </p></li><li><p>varias funciones, algo que como se ha comentado, sera imposible de ser logrado por un operador con la precisin y eficiencia deseados. </p><p>Un poco de Historia siempre es bueno </p><p>El control de los primeros procesos industriales se bas en la habilidad de los operadores (control manual). En los aos siguientes, la aparicin de los controladores locales permiti al operador manejar varios lazos de control, pero subsista an el problema de recoleccin de datos. Los controladores locales son an muy tiles, as como tambin resistentes y simples. Sin embargo, debido a que estn directamente relacionados con el proceso y por lo tanto estn diseminados a travs de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo. </p><p>El desarrollo de los dispositivos de control operados neumticamente marc un mayor avance en el control de procesos. Aqu las variables pueden ser convertidas en seales neumticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumtico realizaba simples clculos basados en una seal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajusfar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador poda controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rpidos y frecuentes y a su inadecuada </p></li><li><p>aplicacin en situaciones en que los instrumentos estn demasiado alejados (prdidas). </p><p>Alrededor de los 60, los dispositivos electrnicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumticos. Los controladores electrnicos para un lazo cerrado, son rpidos, precisos y fciles de integrar en pequeos lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operacin con respecto a los neumticos era relativamente pequea y adems la recopilacin de datos, an no muy fcil de manejar. </p><p>Algn tiempo despus de la aparicin de los sistemas de control electrnicos analgicos, el desarrollo de los microprocesadores permiti el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, as como de los controladores lgicos programables (PLC), adems, de sistemas especializados como por ejemplo, las mquinas de control numrico computarizado (CNC) </p><p>El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicacin, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisin y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran nmero de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificacin de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc </p><p>Independientemente de la tecnologa, la evolucin de las tcnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la accin directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automticos, sin embargo, existe una analoga muy clara entre estos ltimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar </p><p>El tipo de proceso elegido para un determinado producto final depender de sus requerimientos de produccin y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentacin utilizada y en general de los aspectos mecnicos relacionados al proceso. El control ptimo sin embargo, no solamente est en funcin de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar. </p></li><li><p>Instrumentos y equipos para el Control y Automatizacin de Procesos </p><p>Industrialmente, los instrumentos se utilizan para monitorear y controlar variables de procesos. Dependiendo del tipo de procesos, como veremos ms adelante, se seleccionan los componentes del mismo. A continuacin se muestra un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. No es la nica forma de controlar un proceso, pero nos va a servir para identificar las funciones de los principales instrumentos de campo y panel utilizados para medir y controlar variables industriales. </p><p>Aqu el proceso puede ser fsico o una reaccin qumica o conversin de energa. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso. </p><p>La variable controlada, es el parmetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (setpoint). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una seal normalizada que puede ser transmitida. Esta seal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la funcin de los instrumentos en et sistema tales como registro, indicacin, control y activacin de alarmas o enclavamiento. </p></li><li><p>En el caso del controlador (en este caso un controlador de procesos), esta seal (variable medida) es comparada con el setpoint y la diferencia (desviacin) sirve para el elemento fina! de control (comnmente una vlvula) para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia. </p><p>Desde luego, no todos los sistemas de control automtico tienen exactamente este modelo (llamado de realimentacin); existen variaciones como por ejemplo, l control pre-alimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre stos, etc. basados en instrumentos de tecnologas antiguas o modernas; de todas estas tecnologas, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulacin automtica, como veremos ms adelante. </p><p>Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama anterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando tambin aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que tambin tienen importancia en algunos lazos de control. </p></li><li><p>Cuales son los instrumentos de medicin y control de procesos? ... Lo que no sabias de ellos </p><p>Son los elementos que detectan o censan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta seal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denomina transductor. </p><p>En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medicin, el registro o control de una variable; y su seleccin es el resultado de conocer bien las caractersticas de un proceso. Algunas de las caractersticas ms importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolucin, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la informacin final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendr un mejor control del proceso </p><p>Los retardos de medicin implican errores mientras el proceso est cambiando. La medicin no es slo tarda, sino tambin inexacta, debido a que sigue cambiando, an teniendo ya una lectura disponible. A ms lentitud en la respuesta, ms inexactitud en la medicin cuando sea recibida. Un disturbio de corta duracin, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duracin es corta comparada con el retardo de medicin. En ese caso, probablemente el disturbio tendr mnimo efecto en el proceso </p><p>La capacidad trmica de un sensor es funcin de su tamao, forma y material. La resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, 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 en 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. </p></li><li><p> Fig. 3 - Termocupla dentro de un termopozo </p><p>Que son en si los transmisores? </p><p> Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinacin de estos. Existen varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en la industria son las electrnicas las cuales han ido remplazando en el tiempo a las neumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor. </p><p>Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100% de la variable. Esta seal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumticos en Estados Unidos. En los pases que utilizan el sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como seales de entrada a vlvulas de control o a sus posicionadores. </p><p>Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corriente continua y seales digitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar </p></li><li><p>directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal. El "cero vivo" con el que empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avera por corte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el "ruido" de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo. </p><p>Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analgicos estn hoy prcticamente en desuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones. </p><p>La tecnologa actual, ha hecho que los transmisores electrnicos, no slo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que adems, tengan posibilidades de control (PID) sobre e! elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analgicos como veremos ms adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de seales digitales en estos transmisores determinar en algn momento la estandarizacin de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la seal analgica de 4-20 mA. </p><p>Fig. 4 - Transmisores Digitales </p></li><li><p>Y los controladores? </p><p>Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) tambin puede ser aquel que asegura las secuencias necesarias de produccin en base a un programa prestablecido (PLC). Vamos a referirnos aqu al primero de ellos. </p><p>Un controlador de procesos ( regulador), puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (seal de entrada) al valor deseado (setpoint) para producir una seal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnologa de estos equipos ha variado desde neumticos, hidrulicos hasta electrnicos, que son los empleados actualmente. </p><p>Anteriormente, se mostr un tpico lazo de control automtico con los componentes bsicos: el elemento de deteccin (sensor) el elemento de medicin (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (vlvula u otro). Es de destacar que dos o ms de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo ms usual. </p><p>Fig. 5 Controladores Digitales </p><p>Durante muchos, aos se emplearon controladores neumticos actuando con las seales neumticas estndares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrnicos analgicos y digitales. Los primeros, prcticamente ya no se fabrican (aunque todava se utilizan) y han sido reemplazados por los ltimos, los cuales estn basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores. </p></li><li><p>A que le llaman elementos finales de control? </p><p>Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable c...</p></li></ul>