mÓdulo de instrumentaciÓn

MÓDULO DE INSTRUMENTACIÓN

POR:

AGUSTÍN SOTO OTÁLORA INGENIERO ELECTRÓNICO

ESPECIALISTA EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

2005

CONCEPTUALIZACION Y TERMINOLOGIA

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CONTENIDO

1. CONCEPTUALIZACIÓN Y TERMINOLOGÍA.

1.1 Metrología 1.2 Calibración de instrumentos. 1.3 Patrones de medición 1.4 Medición y error 1.5 Clasificación de los instrumentos.

2. SENSORES 2.1 Elementos de un sistema de medición 2.2 Indicadores para seleccionar y emplear sensores 2.3 Medidores de temperatura 2.3.1 RTD = Resistencia dependiente de la temperatura.

2.3.2 Termopares o termocuplas

2.3.3 Termistores

2.4 Medidores de presión 2.4.1 Dinámica de fluidos

2.4.2 Ecuación de Bernoulli

2.4.3 Leyes básicas del flujo de fluidos

2.4.4 Sensores de presión

2.5 Medidores de caudal. 2.5.1 Medidores de caudal tipo turbina

2.5.2 Medidor de flujo por ultrasonido

2.5.3 Medidor de flujo por presión diferencial. Medidor de orificio

2.5.4 Medidor de flujo VORTEX

2.6 Medidores de nivel 2.6.1 Tipos de instrumentos de nivel.

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3. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLC)

3.1. GENERALIDADES 3.1.1 Definición

3.1.2 Ventajas de su empleo

3.1.3 Estructura básica

3.1.4 Estructura interna

3.1.5 Aspecto físico y presentación

3.1.6 Aplicaciones generales

3.1.7 Componentes básicos

3.1.8 Ciclo de tratamiento de un controlador programable

3.1.9 Manejo de la información

3.2 SELECCIÓN DE UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) 3.2.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN

3.2.2 Diseño con controladores lógicos programables

3.2.3 Especificaciones de un PLC

3.3 INTERFACES 3.3.1 Interfaces de entrada digitales, circuitos típicos

3.3.2 Interfaces análogas

3.4 PROGRAMACIÓN DE UN PLC 3.4.1 Comandos

3.4.2 Lenguajes

3.4.3 Programación de circuitos

4. CONCEPTOS DE LOS SISTEMAS "SCADA".

4.1 Introducción. 4.2 Funciones del sistema SCADA. 4.3 Elementos básicos de los sistemas SCADA.

BIBLIOGRAFIA


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1. CONCEPTUALIZACIÓN Y TERMINOLOGÍA. 1.1 Metrología La metrología es la ciencia de las medidas; de los sistemas de unidades y de los instrumentos usados para efectuarlas e interpretarlas. Esta comprende los aspectos teóricos y prácticos de las mediciones y su incertidumbre en los campos de aplicación científico, legal e industrial. Esta ciencia trata del estudio y aplicación de todos los medios propios para la medida de magnitudes, tales como longitudes, presiones, masas, tiempos, velocidades, potencias, temperaturas, etc. La metrología constituye uno de los vastos campos científicos en los que está basada gran parte de la tecnología e industria moderna, con el fin de asegurar la optimización de los procesos. 1.2 Calibración de instrumentos. El comportamiento de los equipos de medición y ensayo pueden cambiar con el paso del tiempo o por influencia ambiental, es decir, el desgaste natural, la sobrecarga o por un uso inapropiado. La exactitud de la medida dada por un instrumento necesita ser comprobada con base en un programa de calibración. La calibración de instrumentos se puede definir como el ajuste de la salida de un instrumento a valores deseados dentro de una tolerancia especificada para valores particulares de la señal de entrada, de acuerdo a un patrón de referencia reconocido, y que este patrón sea trazable a los patrones estandarizados. Los instrumentos de monitoreo y medición deberán "ser calibrados o verificados a intervalos especificados o antes de su uso; con equipos trazables a patrones de medición nacionales o internacionales... " 1.3 Patrones de medición Un patrón de medición es una representación física de una unidad de medición. Existen diferentes patrones de medición clasificados por sus funciones y aplicaciones en las siguientes categorías: Patrones internacionales: Los patrones internacionales se definen por acuerdos internacionales. Representan ciertas unidades de medidas con la mayor exactitud que permiten la tecnología de producción y medición. Los patrones internacionales se evaluan y se verifican periódicamente con mediciones absolutas en términos de las unidades fundamentales.

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Estos patrones se encuentran en la oficina internacional de pesas y medidas y no están disponibles como instrumentos de medición de uso ordinario o para propósitos de calibración. Patrones primarios (básicos): Los patrones primarios (básicos) se encuentran en los laboratorios de patrones nacionales en diferentes partes del mundo (EEUU, Alemania, Gran Bretaña,…). Los patrones primarios representan unidades fundamentales y algunas de las unidades mecánicas y eléctricas derivadas, se calibran independientemente por medio de mediciones absolutas en cada uno de los laboratorios nacionales. Los patrones primarios no están disponibles para utilizarse fuera de los laboratorios nacionales. Una de las principales funciones de los patrones primarios es la verificación y calibración de los patrones secundarios. Patrones secundarios: Son los patrones básicos de referencia que se usan en los laboratorios industriales de medición. Estos patrones se conservan en la industria particular interesada. Los patrones secundarios por lo general, se envían periódicamente a los laboratorios nacionales para su calibración con los patrones primarios, estos son devueltos al usuario industrial con un certificado del valor de medición en términos del valor primario y generalmente esta calibración es válida por un año. Ejemplo: Peso muerto. Patrones de trabajo: Son las herramientas principales en un laboratorio de mediciones. Se utilizan para verificar y calibrar la exactitud y comportamiento de las mediciones efectuadas en las aplicaciones industriales.

CADENA DE TRAZABILIDAD

FIGURA 1.1 En una empresa es necesario tener una programación para el mantenimiento y calibración de los equipos de medición. Adicionalmente deben contar con su respectivo procedimiento de calibración que


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generalmente se basa en los indicados por el fabricante y cuyos resultados deben quedar plasmados en una hoja de registro. 1.4 Medición y error Medir es una técnica por medio de la cual se le asigna un número o un valor a una propiedad física como resultado de la comparación de dicha propiedad con otra similar tomándola como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. Este proceso de medición generalmente requiere el uso de un instrumento como medio físico para determinar la magnitud de una variable. Los instrumentos constituyen una extensión de las facultades humanas y en muchos casos permiten a las personas determinar el valor de una cantidad desconocida, la cual no podría medirse utilizando únicamente las facultades sensoriales. Por lo tanto, un instrumento se puede definir así: Dispositivo para determinar el valor o magnitud de una cantidad o variable. Exactitud: Aproximación con la cual la lectura de un instrumento se acerca al valor real de la variable medida. La desviación del valor verdadero es un índice de que tan exactamente se ha llevado a cabo una lectura.

verdaderovalormedidovalorverdaderovalorerror

___ −

=

Ejemplo: Un medidor tiene una exactitud del 1% del valor de su escala completa. Si se emplea la escala de 100 V para medir voltajes de: a) 80V b) 12V Cual será la exactitud de las lecturas?

%25.1100*80

7980=

−=ae %8100*

121112

=−

=be

Hay varias formas para expresar la exactitud: a) Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en un instrumento, para una lectura de

150° C y una precisión de ±0,5% el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150±0.5*200/100 = 150±1, es decir, entre 149 y 151° C.

b) Directamente, en unidades de la variable medida. Por ejemplo: precisión de ± 1°C.

c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: Precisión de ± 1 % de 150°

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C, es decir ± 1.5° C. d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: precisión

de ± 0.5% de 300° C = ± 1.5° C. e) Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si la longitud de la

escala del es de 150 mm, la precisión de ± 0.5% representará ± 0.75% mm en la escala.

Precisión: Medida de la reproducibilidad de las mediciones; esto es, dado el valor fijo de una variable, la precisión es una medida del grado con el cual las mediciones sucesivas difieren una de otra. La precisión NO garantiza la exactitud, aunque la exactitud necesita de la precisión. Resolución: Cambio más pequeño en el valor medido al cual responde el instrumento. También se define como el mínimo incremento de cantidad que se puede medir con certeza. Sensibilidad: Es la razón entre el incremento 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 C.C., la sensibilidad es el cociente:

barcmAc /.5.010/)55.5(

)420/()9.113.12(±=

−−−

Histéresis: La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el instrumento 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 indicación es de 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:

%2.0100*0100

9.391.40±=

−−

Rango:


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Espectro o conjunto de valores de la variable física que están contenidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo, el campo de medida del instrumento de temperatura es de 100 – 300°C. Alcance (span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Incertidumbre de la medida: Los errores que existen necesariamente al realizar la medida de una magnitud, hacen que se tenga una incertidumbre sobre el verdadero valor de la medida. La incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. En el cálculo de la incertidumbre interviene la distribución estadística de los resultados de series de mediciones, las características de los equipos (deriva, ... ), etc. Linealidad: Es la aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. Zona muerta: 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: si en un instrumento es de ± 0.1 %, es decir, 0.1 *200/100 = ±0.2° C. 1.5 Clasificación de los instrumentos. Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se consideraran dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable de proceso. En función del instrumento.

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De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes: Instrumentos ciegos: Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos instrumentos de alarma, tales como presóstatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala de exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación. En la figura 1.2 se muestra ejemplos de esta clase de instrumentos.

Instrumentos ciegos.

Figura 1.2 Instrumentos indicadores: Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos. En la figura 1.3 se muestra algunos de estos instrumentos.


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Instrumentos indicadores.

Figura 1.3 Instrumentos registradores: Los instrumentos registradores registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora.

Instrumentos registradores.

Figura 1.4 Los transmisores: Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. La señal neumática de 3 a 15 psi equivale a 0.206 - 1.033 bar (0.21 - 1.05 kg/cm2) por lo cual, también se emplea señal en unidades métricas 0.2 a 1 bar (0.2 a 1 kg/cm2). Asimismo, se emplean señales electrónicas de 1 a 5 mA C.C., de 10 a 50 mA c.c. y de 0 a 20mA C.C., si bien la señal normalizada es de 4 a 20 mA c.c. La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para el ordenador.

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El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal de placa y orificio como elemento primario.

2. SENSORES Que es un sensor? Se define sensor como un dispositivo que convierte energía ó información de una forma a otra. 2.1 Elementos de un sistema de medición

Figura 2.1

Sensor: El objetivo es responder a la magnitud o cambio en la magnitud de la cantidad que se está midiendo. Acondicionador de la señal: Este elemento recibe la señal de salida del sensor y la modifica mediante la amplificación o por conformación adecuada de su onda. Elemento registrador: Cuando la señal del acondicionamiento de la señal, debe estar en forma para registrarse. Este registrador puede ser: - Registrador de carta - Tubo de rayos catódicos (osciloscopio) - Pantalla LCD - Computador digital 2.2 Indicadores para seleccionar y emplear sensores Cuando se examinan las especificaciones de un sensor en especial se debe considerar los siguientes puntos para determinar su capacidad para una medición en particular.

SENSORES

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- El Rango: El rango del sensor debe ser lo suficientemente grande tal que abarque las magnitudes esperadas de la variable a medir. - La Sensibilidad: Para obtener datos significativos, el sensor debe producir una señal de salida suficiente por unidad de entrada. - La Resolución - Respuesta en frecuencia: el sensor debe ser capaz de responder a la velocidad máxima de cambio en el efecto que se esté observando. - Impedancia de salida: La impedancia de salida del sensor debe tener un valor que lo haga compatible con las siguientes etapas eléctricas del sistema. Si existe incompatibilidad de impedancia, se deben agregar dispositivos modificadores de la señal al sistema para superar el problema. - Medio físico: El sensor seleccionado debe poder resistir las condiciones ambientales a las que está sujeto. Ejemplo: Humedad, sustancias químicas, temperatura, etc. - Exactitud 2.3 Medidores de temperatura 2.3.1 RTD = Resistencia dependiente de la temperatura.

Figura 2.2

En 1821, Sir Humphrey Davy descubrió que la resistividad de los metales muestran una dependencia de la temperatura. Casi 50 años después, Sir Williams

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Siemens ofreció el uso del platino como elemento par un termómetro de resistencia. El platino todavía se utiliza como de resistencia de gran exactitud. El cambio de resistencia de un metal hace posible medir la temperatura mediante el cambio en la resistencia de un elemento a través del cual fluye una corriente. La construcción clásica de una RTD consiste de una bobina de alambre delgado de platino fija a un bastidor de soporte para el ambiente industrial. El elemento medidor consiste en una bobina bifilar alrededor de un carrete de cerámica que esta encapsulado en una cubierta de vidrio fundido. El valor de la resistencia de las RTD puede ser desde los 10Ω a miles de ohmios. Un valor muy común es una RTD de 100Ω a 0° C llamada popularmente PT 100. SIMBOLO El coeficiente de temperatura es positivo, es decir, la resistencia aumenta con la temperatura. Esta dependencia se puede expresar de la siguiente forma.

( )nnTTTRR ααα ++++= …2

210 1 Donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia. T es el incremento de temperatura respecto a la referencia. Para el hilo de platino α1 ≅ 3,90 x 10-3 /k (dependiendo de la pureza) α2 ≅ -5,83 x 10-7 /k2; Hasta 650° C, el valor del termino lineal α1 T es, mas de 10 veces mayor que el termino no lineal α2 T2. Dependiendo del tipo de platino los valores de α1 , α2 ,..., αn cambian. Las RTD son mucho más sensibles que los termopares. Para las RTD fabricadas con Níquel, cobre y platino que son los materiales mas empleados con esta finalidad. Para esto, es su margen lineal, se reduce a

( )TRR 10 1 α+= . El margen o rango de temperatura: Platino: -200° C a +850° C Cobre: -200° C a +260° C Níquel: -80° C a +850° C Molibdeno -200° C a +850° C Conexión de la PT100 1. Conexión con 2 hilos.

+ t°

SENSORES

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Es el modo mas sencillo de conexión (pero el menos recomendado) es con solo 2 cables.

FIGURA 2.3

En este caso las resistencias de los cables RC1 y RC2 que unen la PT 100 al instrumento se suman generando un error inevitable. El lector medirá RT + RC1 + RC2 en lugar de RT.

FIGURA 2.4

R4= RTD + RC1 + RC2 ; RTD= R0 + ΔR0; RC1= RC1+ ΔRC1 RC2=RC2+ ΔRC2

R4= R0 + RC1 + RC2 + ΔR0 + ΔRC1 + ΔRC2

22 0

01

VccR

VccRE ==

40

02 RR

VccRE

+=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−+

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−=+

−=−=)(2

221

2 40

040

40

0

40

0210 RR

RRRVcc

RRR

VccRR

VccRVccEEV

Reemplazando R4

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Δ+Δ+Δ++++−Δ+Δ+Δ++++

=)(2

2

2102100

021021000

CCCC

CCCC

RRRRRRRRRRRRRRR

VccV

Como RC1=RC2= RC; ΔRC1=ΔRC2=ΔRC;

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Δ+Δ++

Δ+Δ+=

CC

CC

RRRRRRR

VccV4244

22

00

00

Como 4R0>>4RC + 4Δ RC +2 R0.

17

0

0

00 4

224 R

RRRVcc

RRVccV CC +Δ+Δ

=Δ

=

Como podemos ver el voltaje V0 está afectado por la resistencia de los alambres y por el incremento de estos debido a la temperatura. Esto hace que el valor medido de temperatura no sea correcto. 2. Medida a tres hilos. En un puente de Wheastone variaciones iguales en resistencias contiguas no desequilibran el puente. En este caso R3 y R4 son contiguas y observando el dibujo, las variaciones que sufren son las mismas. Teniendo en cuenta que Zi del amplificador de instrumentación es muy alta, por el cable R’C no circulara corriente. Se puede establecer que

cc RRRRR Δ++Δ+= 003 cc RRRR Δ++= 04

FIGURA 2.5

Como el cable sufre una variación de resistencia ΔRC debido al calor, se determina que:

CC RRRR Δ++Δ=Δ 03 CC RRR Δ+=Δ 4

2VccVa =

34

4 )(RR

RVccVb +

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−=−=)(2

221

34

434

34

40 RR

RRRVcc

RRR

VccVVV ba

SENSORES

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Reemplazando R3 y R4: ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Δ++Δ++Δ++Δ−−−Δ++Δ+

=)(2 000

0000

cccc

cccc

RRRRRRRRRRRRRR

VccV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Δ+Δ++

Δ=

)2444 00

00 RRRR

RVccV

cc

Como 4R0 >> 4RC + 4ΔRC + 2ΔR0

0

00 4R

RVccV

Δ=

Con esto se consiguió que V0 no dependa de los cables es decir en la configuración a 3 hilos del puente de Wheastone, el efecto de los cables se cancela. También es muy común la medida a 4 hilos donde se demuestra la independencia de la resistencia y el calentamiento de los cables de la PT 100.

SENSORES

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2.3.2 Termopares o termocuplas El funcionamiento de los termopares se basa en el principio físico de que si se unen 2 materiales disímiles (diferentes) un punto de la unión está a una alta temperatura (unión caliente) y la otra unión (unión fría) se somete a baja temperatura, cuando esto se hace, se crea una diferencia de potencial pequeña entre las temperaturas de las dos uniones.

FIGURA 2.6

Efecto Peltier: J. A. C. Peltier estableció que cuando se unen 2 conductores metálicos diferentes, por ejemplo Cobre (Cu) y Bismuto (Bi), en la unión se desarrolla una fuerza electromotriz (fem). Al hacer circular por dicha unión una corriente que tenga el mismo sentido de la fem, el calor de la unión se transforma en energía eléctrica.

FIGURA 2.7

Para este modo se obtiene un incremento de la diferencia de potencial en la unión y una reducción de la temperatura.

FIGURA 2.8

Para este modo se obtiene una reducción de la diferencia de potencial en la unión y un incremento de temperatura.

SENSORES

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Efecto Thomson: Este fenómeno se puede sintetizar de la siguiente manera: cuando los extremos de un conductor homogéneo tiene diferentes temperaturas, entre dichos extremos se desarrolla una fem.

FIGURA 2.9

Efecto Seebeck: Seebeck descubrió que en las proximidades de un circuito conformado por 2 metales diferentes, Cobre (Cu) y Bismuto (Bi), al acercar una aguja imanada, esta se movía, detectando que en dicho circuito había circulación de corriente. Él demostró que la corriente se dirigía del Bismuto hacia el cobre en la unión más caliente y del Cobre al Bismuto en la unión más fría. Si se intercambiaban las temperaturas de las uniones se invertirá también el paso de la corriente.

FIGURA 2.10

O sea, que una termocupla es la unión de 2 materiales diferentes. Dicha unión llamada unión caliente, sensará la temperatura en otro cuerpo y generará una tensión por efecto Peltier. Los extremos expuestos a la unión llamado punto frío o de referencia, por el fenómeno de convención alcanzará una temperatura menor. Sin embargo por ser materiales con diferentes coeficientes de temperatura, necesariamente un extremo estará más caliente que el otro. Luego en los extremos fríos o de referencia, se generará otra tensión más pequeña por el efecto Thomson. O sea, que en los terminales de una termocupla se obtiene la suma de 2 tensiones, una por efecto Peltier y otra por efecto Thomson. De otro modo, la suma de ambas da una tensión por efecto Seebeck. Para que el termómetro sea lineal, solo debe medir la tensión generada por el efecto Peltier y eliminar o reducir la generada por el efecto Thomson, que es una tensión de error.

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Datos técnicos de referencia de las termocuplas: De acuerdo a las características de los alambres con que se realicen, las termocuplas se pueden clasificar en:

TIPO COMPOSICIÓN RANGO B Platino 30% - Rhodium(+) 38° → 1800°C C Tungsten 5% - Rhenium (+) 0° → 2300°C E Cromel (+) – Constantan (-) 0° → 982°C J Hierro (+) – Constantan (-) -184° → 760°C K Cromel (+) – Alumen (-) -184° → 1260°C R Platinum (-) – Rhodium (+) 0° → 2800°C S Platinum (-) – Rhodium (+) 0° → 1590°C T Cobre (+) – Constantan (-) -184° → 400°C

TABLA N° 1 Códigos de colores de las termocuplas: El alambrado de las termocuplas esta codificado dependiendo del tipo. Diferentes países utilizan códigos diferentes para los colores. Los códigos más comunes son:

FIGURA 2.11 Compensación: Como se dijo antes, en los puntos fríos o de referencia, se genera por efecto Thomson una tensión de error que es necesario eliminar o minimizar, de modo que la lectura de temperatura sea lineal. Además para perfeccionar la medida, es necesario tener en cuenta que en la unión caliente y en las frías, se generan tensiones como consecuencia de la

SENSORES

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temperatura ambiente las cuales deben ser tenidas encuenta en el momento de medición. Para evitar la tensión de error por efecto Thomson, lo ideal sería introducir las puntas frías en una cubeta de hielo para reducir su temperatura a 0°C con el fin de minimizar el fenómeno termoeléctrico.

FIGURA 2.12

En una termocupla el voltaje (cambio) en terminales es: TVab Δ=Δ α

α = coeficiente de Seebeck

baabab

ab dTdV

TV

ααα −==ΔΔ

=

Vemos que α depende de la temperatura y no es constante Los coeficientes de Seebeck para termopares son: Termopar:

E → α = 62 μV/C° J → α = 51 μV/C° K → α = 40 μV/C° R → α = 7 μV/C° S → α = 7 μV/C° T → α = 40 μV/C°

La temperatura en un termopar se define como:

T = a0 + a1 x + a2 x2 + a3 x3 +…+ an xn Donde T = Temperatura en °C x = Voltaje de la termocupla a = Coeficiente del polinomio, único para cada termocupla. n = Máximo orden del polinomio. Por ejemplo para la termocupla tipo J

T = a0 + a1 x + a2 x2 + a3 x3 +…+ an xn x = Voltaje de la termocupla en mV

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a0 = - 0,04886 a1 = 19.873,145 a2 = 218.614,535 a3 = 11’569.199,78 a4 = -264’917.531,4 a5 = 2.018’441.314

Si x = 0,507mV ⇒ T= 9,972°C Si x = 3mV ⇒ T= 57,89°C Generalmente estos coeficientes vienen por rangos de temperatura para cada termopar.

TABLA N° 2

Cable de compensación:

FIGURA 2.13

Los cables compensados son aquellos con los que se realiza una extensión hasta la termocupla en el caso de que esta se encuentre muy alejada del lugar donde se va a realizar la medición. Esta se caracteriza por presentar el mismo coeficiente Seebeck de la termocupla y por lo tanto, no se generan termocuplas parásitas.

SENSORES

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TABLA N° 3

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Escalas de temperatura: Los 0° de la escala Celsius, es aquel punto donde el agua empieza a solidificarse (convertirse en hielo) y coinciden con los 273° en la escala Kelvin ó con los 32°F. Como podemos ver en esta figura, se deduce que a partir de 0°C ó 273°K ó con los 32°F.

FIGURA 2.14

Como podemos ver en esta figura 2.14, se deduce que a partir de 0°C ó 273°K ambas escalas coinciden en el tamaño por grado, hacia arriba o hacia abajo. En cambio se deduce que una variación de 1°C ó 1°K, equivale a 1,8°F. También vemos que la escala Celsius se divide en 100 partes y la Fahrenheit lo hace en 180 partes.

[ ]⎩⎨⎧

+°=°−°=°

−°°

=325/90329/50

;32180

100CFFC

FC

2.3.3 Termistores Son dispositivos que miden la temperatura mediante un cambio de resistencia. Se clasifican en: NTC: coeficiente de temperatura negativo Su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Poseen una resistencia muy elevada. Se fabrican a base de óxidos de Níquel, Manganeso, Hierro, Cobre y Titanio. En estos materiales los electrones de valencia están asegurados en los enlaces covalentes con sus vecinos. Cuando aumenta la temperatura del termistor, las vibraciones térmicas de sus átomos rompen algunos de esos enlaces y liberan electrones. Como los electrones no están ligados a átomos específicos en la red, son capaces de responder a campos eléctricos aplicados al moverse a través del material. Estos electrones en movimiento se suman a la corriente en el semiconductor y el material presenta menor resistencia. Como el cambio de resistencia por grado de temperatura en los termistores es tan grande, pueden dar buena exactitud y

SENSORES

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resolución cuando se emplean para medir temperaturas entre -100°C y 300°C. El cambio de resistencia de los termistores en respuesta a cambios en la temperatura es inherentemente NO LINEAL como se puede ver en la siguiente figura 2.15.

FIGURA 2.15

La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por:

( )0

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0TtTeRRT

−= β

Donde: RT = Resistencia en ohmios (Ω) a la temperatura Tt. R0 = Resistencia en ohmios (Ω) a la temperatura de referencia T0 (°K). β = Constante dentro de un intervalo moderado de temperatura. (2000 a 5000) La resistencia de un termistor puede variar desde 50Ω a 2MΩ a una temperatura de 25°C. Estos N.T.C. son los más usados comercialmente. Son muy empleados en hornos industriales. PTC: coeficiente de temperatura positivo La resistencia se incrementa con la temperatura. Se construyen a base de:

Titanio de Bario Ba Ti O2. Carbonato de Bario Ba C O3.

Se utilizan comúnmente en los televisores a color, donde son conectados en serie con la bobina desmagnetizadota.

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Inicialmente su resistencia suele ser muy baja; a la temperatura ambiente (25°C) es de unos 10Ω. Después de unas fracciones de segundo de encendido el aparato, su temperatura es de unos 120°C y su valor óhmico es superior a 1Ω. 2.4 Medidores de presión Presión: La presión, en particular, se define como la fuerza por unidad de

área ( )AF

Que actúa perpendicularmente a la superficie del fluido (líquidos y gases). Para

definir la presión en un punto específico dAdF

AFP

A=

Δ=

→Δlim

0

Unidades: Como presión es una fuerza por unidad de área, en el sistema

internacional de medidas (S.I) P= mN = pascal.

Hay otra unidades dependiendo de las unidades que tomen: Bar, atmósfera, PSI (libras por pulgada cuadrada) etc. Como un pascal es una unidad muy pequeña, se emplea en Kilopascal.

1 Kilopas = 210− Bar 1 Megapascal = 10 Bar. 1 Bar = 510 pascal

La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. Miremos mediante un gráfico las diferentes clases de presión que los instrumentos miden comúnmente en la industria

FIGURA 2.16

Presión absoluta: Se mide con la relación al cero absoluto de presión (A y A’) Presión atmosférica: Es la presión ejercida mediante un Barómetro. Al nivel del mar esta presión es de 760mm de mercurio absoluto o 14,7 PSIa (libras por

SENSORES

30

pulgada cuadradas absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar. La presión relativa: Es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición (punto B). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (B’ y B’’) Presión diferencial: Es la diferencia entre 2 presiones, puntos C y C’. El vacío: Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica. (D, D’ y D’’) viene expresada en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Como se pueda ver cuando se va a medir una presión se hace tomando una como referencia. Normalmente la presión de referencia es la presión atmosférica y la presión resultante se llama presión o se conoce como presión manométrica. Presión absoluta = Pab = Patm + Pgauge Pgauge = presión manométrica. La presión actúa uniformemente en todas direcciones sobre un pequeño volumen de fluido En un fluido confinado entre fronteras sólidas, la presión actúa perpendicularmente a la frontera.

FIGURA 2.17

Variación de la presión con la profundidad

31

Como bien saben los buzos, la presión en el mar o en un lago aumenta cuando se sumergen a grandes profundidades. De igual manera, la presión atmosférica disminuye con la altura creciente. Por esta razón los aviones que vuelan agrandes alturas deben tener cabinas presurizadas. Se supone que el tanque está abierto a la atmósfera.

FIGURA 2.18

F - F0 – Fg = 0; PA - P0 A - Pg A = 0 P - P0 - Pg = 0 P = P0 + Pg

AVgPVm

Amg

AF

P gg

gρ

ρ ==== ; ;

P = P0+ ρgh; P0 = presión atmosférica = 1.01x 510 pascal

Como podemos observar, la presión absoluta a una profundidad h debajo de la superficie de un líquido abierto a la atmósfera es mayor que la presión atmosférica en una cantidad ρgh. También podemos decir que la presión es la misma en todos los puntos que tienen la misma profundidad, independientemente de la forma del recipiente. En vistas del hecho de que la presión en líquido solo depende de la profundidad, cualquier incremento de presión en la superficie debe transmitirse a cada punto en el fluido esto se conoce como la ley de pascal. Una aplicación de la ley de pascal es la prensa Hidráulica.

FIGURA 2.19

SENSORES

32

Una fuerza 1F se aplica a un pequeño embolo de área 1A . La presión se transmite a través del líquido a un embolo más grande de área 2A . Puesto que

la presión es la misma en ambos lados, vemos que: P = 2

2

1

1A

FA

F =

1

212 A

AFF =

Los frenos hidráulicos, los elevadores de automóviles, los gatos hidráulicos, aprovechan este principio. 2.4.1 Dinámica de fluidos Son los fluidos en movimiento.

FIGURA 2.20

En un pequeño intervalo de tiempo tΔ , el fluido en el extremo inferior del tubo se mueve una distancia 1xΔ = 1v tΔ . Si 1A es el área de la sección transversal en esta región, entonces la masa contenida en la región sombreada es:

111 xAVolm Δ==Δ ρρ como tVx Δ=Δ 11 tVAm Δ=Δ 111 ρ

Así mismo, el fluido que se mueve a través del extremo superior del tubo en el tiempo tΔ es:

tVAm Δ=Δ 222 ρ .

Como la masa se conserva y si el flujo es estable, la masa que cruza 1A en un tiempo tΔ debe ser igual a la masa que cruza ZA en el mismo tiempo tΔ esto es: 1mΔ = 2mΔ

2211 VAVA ρρ = si los ρ son iguales

2211 VAVA = = Kte Ec de continuidad.

33

Conclusión: El producto del área y de la velocidad del fluido en todos los puntos a largo del tubo es una constante. En consecuencia, como se podría esperar, la velocidad es alta en donde el tubo se estrecha y es baja donde el tubo se ancha.

El producto AV tiene como dimensiones segvolumen , y se denomina flujo de

volumen o sea que la cantidad de fluido que entra por un extremo del tubo en un intervalo de tiempo determinado es igual a la cantidad que sale en el mismo intervalo de tiempo, suponiendo que no hay fugas. 2.4.2 Ecuación de Bernoulli A medida que un fluido se mueve por un tubo de sección transversal y altura variable, la presión cambia a lo largo del mismo.

FIGURA 2.21

Considérese que el tubo no es uniforme y que circula un flujo de un fluido en un tiempo tΔ .

=11 AP Fuerza en la sección 1. El trabajo realizado por está fuerza es 111111 xAPxFW Δ=Δ=

Pero olVAx 111 =Δ

111 VPW Δ= VΔ =volumen

22 AP = Fuerza en la sección 2. El trabajo realizado por está fuerza 222 xFW Δ−= 222 xAP Δ−= 22 VP Δ−= El trabajo es negativo (-) por que la fuerza del fluido se opone al desplazamiento El volumen que pasa por la sección 1 es igual al volumen que pasa por la sección 2. En el mismo tΔ o sea 21 VV Δ=Δ El trabajo neto realizado por estas fuerzas en un tΔ es:

SENSORES

34

VPPWT Δ+= )( 21 VPPWT Δ−= )( 21

El cambio de energía cinética es: 21

21 2

2 −Δ=Δ mVK 21mVΔ

El cambio de la energía potencial gravitacional

12 mgymgyU Δ−Δ=Δ Por el teorema del trabajo UKW Δ+Δ=

122

12

221 21

21)( mgymgymVmVVPP Δ−Δ+Δ−Δ=Δ−

Si divido por VΔ

122

12

221 21

21 gy

vmgy

vmV

vmV

vmPP

ΔΔ

−ΔΔ

+ΔΔ

−ΔΔ

=−

Como ρ = vm

vm

ΔΔ

=

122

12

221 21

21 gygyVVPP ρρρρ −+−=−

Ordenando esta ecuación 22

2212

11 21

21 gyVPgyVP ρρρρ ++=++

O sea, ktegyVP =++ ρρ 2

21

Si reemplazamos == g ργ peso específico

2

222

1

211

21

21 y

gVP

yg

VP++=++

γγ o sea, ktey

gVP

=++2

21

γ

La ecuación de Bernoulli señala que la suma de presión (P), la energía cinética por

unidad de volumen ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ 2

21 Vρ y la energía potencial gravitacional por unidad de

volumen gyρ tienen el mismo valor en todos los puntos a lo largo de una línea de corriente. Cuando el fluido está en reposo V1=V2=0 y la ecuación nos quedaría

ghyygPP ρρ =−=− )( 1221 Como se vió en fluidos en reposo

35

2.4.3 Leyes básicas del flujo de fluidos Número de Reynolds Las fuerzas que afectan el flujo de un fluido son debidas a la gravedad, la inercia del fluido, la viscosidad y la tensión superficial. La fuerza de la inercia del fluido y la viscosidad son las más significantes. Los flujos de fluidos en muchas situaciones importantes están dominados por la inercia o por la viscosidad del fluido. La razón adimensional de la fuerza de inercia con respecto a la fuerza viscosa se llama número de Reynolds.

Así pues: #de Reynolds =avisF

inerciaFcos.

..

Por consiguiente un número de Reynolds grande implica el predominio de la fuerza inercial; y un número de Reynolds pequeño el predominio de la fuerza de

viscosidad. El número de Reynolds está dada por: μρvD

=R donde:

- ρ: densidad de masa del fluido - μ: viscosidad dinámica - ν: velocidad promedio del fluido - D: una longitud característica Para el flujo en tubos, la longitud característica es el diámetro interior del tubo. Como Q = V A = es el flujo

42 y

222 DDrA

AQ

v πππ =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛===

2 4DQv

π=

Q= es la razón de flujo volumétrico A= área del tubo D= diámetro interior del tubo

Entonces: ⇒==DDvD

πμρ

μρ 4R para un tubo.

Flujo laminar y flujo turbulento Flujo laminar: Es el flujo dominado por la fuerza de viscosidad. Está caracterizado por un movimiento suave, según líneas paralelas.

SENSORES

36

FIGURA 2.21

Flujo turbulento: Es el flujo dominado por la fuerza de inercia. Está caracterizado por un movimiento del flujo irregular y como un remolino.

FIGURA 2.22

Para un número de Reynolds por debajo de 2000 ó R < 2000, el flujo es siempre laminar. Para un número de Reynolds de 4000 ó R > 4000, el flujo es considerado turbulento. El flujo laminar es muy sensible a la temperatura, ya que depende de la viscosidad. Flujo a través de un orificio Un orificio es una restricción súbita de corta longitud en un conducto de flujo. A causa de la ley de continuidad, la velocidad de flujo a través de un orificio debe incrementarse por arriba de la velocidad de corriente arriba.

Flujo a través de un orificio (LAMINAR)

FIGURA 2.23

37

Flujo a través de un orificio (TURBULENTO)

FIGURA 2.24 El punto a lo largo del chorro, donde el área del chorro se hace mínima se llama vena contracta A2. La relación entre el área de la corriente A2 en la vena contracta y el área del

orificio A0 se llama coeficiente de contracción Cc, o sea, 0

2

AA

CC = .

Como el flujo es turbulento y aplicando la ecuación de Bernoulli

22

22

11

21

22z

Pg

Vz

Pg

V++=++

γγ

Si )(221

21

2221 PPgVVzz −=−⇒=

γ

De la ecuación de continuidad V1 A1 = V2 A2 , donde A1 y A2 son la áreas de la corriente entre las secciones 1 y 2

V1 A1 = V2 A2 ⇒ 21

21 V

AA

V =

)(2

1)(2

21

2

1

22221

22

2

1

222 PP

gAA

VPPg

VAA

V −=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⇒−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

γγ

)(2

1

121

2

1

2

2 PPg

AA

V −

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=γ

La razón de flujo volumétrico en la vena contracta es:

SENSORES

38

)(2

1

212

1

2

222 PPg

AA

AAV −

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=γ

Como 020

2 ACAAA

C CC =→= reemplazando se tiene:

=−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

= )(2

1

212

1

0

022 PPg

AAC

ACAV

C

C

γ Razón de flujo a través del orificio.

En la ecuación anterior no se tuvo en cuenta la fricción viscosa. Para tenerla en cuenta se introduce un factor empírico llamado coeficiente de velocidad CV para la razón de flujo.

22 AVCQ V= , reemplazando VC

QAV =22 en la ecuación y despejando Q se

obtiene:

)(2

*

1 21

21

20

2

0 PPg

AAC

ACCQ

C

CV −

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

=γ

Si llamamos =

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

=

1 2

1

20

2

AAC

CCC

C

CV coeficiente de descarga

El C (coeficiente de descarga) casi siempre se obtiene en forma experimental. EJEMPLO: Flujo desde un orificio en la pared de un tanque.

FIGURA 2.25

39

Aplicando la ecuación de Bernoulli desde la superficie libre (nivel1-1) hasta el centro de la vena contracta (nivel 2-2)

22

22

11

21

22z

Pg

Vz

Pg

V++=++

γγ

Si escogemos la presión atmosférica como referencia se tiene: V1=0 P1=0 Z2=0 Z1=H P2=0

gHVgHV 22 2

22 =⇒=

Para tomar las pérdidas por fricción, se introduce el coeficiente de velocidad CV

0

2

AA

CC = ; A0= área del orificio y A2= área del chorro

CVCV CCdondegHCAgHCCQAV ==== C ;22 022

C= coeficiente de descarga que generalmente en C=0.61 2.4.4 Sensores de presión Los diferentes procedimientos para la medición de presión industrial son numerosos, entre los cuales tenemos:

Elementos mecánicos 1. Tubo Bourdon: Son tubos metálicos curvados abiertos en un extremo y sellados en el otro, con una sección transversal ovalada. Todo el tubo es elástico, debido a la elasticidad del metal usado en su construcción. El fluido cuya presión se quiere medir ingresa por el extremo abierto, anclado mecánicamente. Como resultado, aparece una fuerza en el extremo sellado que causa la deflexión del tubo, en una cantidad proporcional a la magnitud de la presión. Esta deflexión es transmitida mecánicamente por un sector dentado y un piñón para hacer que la aguja se deflecte o también conectado a un potenciómetro o a un LVDT, para proporcionar una señal eléctrica. Hay varias formas de tubos Bourdon.

SENSORES

40

FIGURA 2.26

La ley de deformación del tubo de Bourdon es bastante compleja y se ha determinado empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos. 0.5 – 6000 Bar El material empleado para la construcción de estos tubos es acero inoxidable y otros. 2. Diafragma: Consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldaduras, de forma que al aplicar una presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamiento es amplificada por un juego de palancas.

FIGURA 2.27

Como el material es flexible y plano, un lado se expone a la presión del proceso y el otro a una presión de referencia. El diafragma se dobla hacia el lado de más baja presión. El movimiento mecánico resultante puede ser transmitido al núcleo de un LVDT, o al cursor de un potenciómetro, para convertirlo en una señal eléctrica. El material con que se fabrican los sensores de presión con diafragma es normalmente de Níquel. Se utiliza para medir pequeñas presiones hasta 2 bar. 3. Fuelle: Es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente y puede dilatarse y contraerse con un desplazamiento considerable.

41

Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración (millones de ciclos de deformación). El material con el que se construyen estos fuelles es de bronce ferroso. Se emplea para medir bajas presiones 100mmcda - 2Bar.

FIGURA 2.28

LDVT: Transformador diferencial de variación lineal. Un transformador diferencial de variación lineal da una señal de voltaje de salida de C.A. que es proporcional a un desplazamiento físico. Diagrama esquemático

FIGURA 2.29

FIGURA 2.30

Como vemos en la figura anterior se muestra que un LVDT tiene un devanado primario y dos devanados secundarios, todos enrollados de la misma manera. Su

SENSORES

42

forma misma es hueca y contiene un núcleo magnético que puede deslizarse libremente dentro de la forma. Mientras un núcleo magnético este perfectamente centrado en la forma, el enlace del campo magnético será el mismo para el devanado secundario 1 que para el devanado secundario 2. Por tanto, ambos voltajes de los devanados secundarios serán iguales. Si el núcleo se mueve a la izquierda, el enlace magnético será mayor para el devanado secundario 1 por que una parte mayor del núcleo está dentro de este devanado que en el devanado secundario 2. Por tanto, el voltaje del devanado 1 será mayor que el voltaje del devanado 2. Por otra parte, si el núcleo se mueve a la derecha, el voltaje del devanado 2 será mayor que el voltaje del devanado 1, por que el devanado 2 tendrá más del núcleo dentro de él. El LVDT es construido para que la diferencia entre los dos voltajes de los devanados secundarios sea proporcional al desplazamiento del núcleo. La mayoría de los LVDT tienen un rango de desplazamiento de más o menos 1 pulgada o sea el núcleo se puede mover una pulgada hacia arriba del centro o una pulgada hacia abajo del centro.

Vi <10 Voltios A.C V0 <10 Voltios A.C

Sensores Electromecánicos - Sensor capacitivo - Sensores de galgas extensiométricas - Sensores inductivos - Sensores piezoeléctricos Sensores capacitivos: Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarlo se una de las placas por la aplicación de presión.

FIGURA 2.31

La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra entre las 2 placas fijas. De este modo se tiene 2 condensadores, uno de capacidad fija o de referencia y

43

el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con C.A Los sensores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores. Sensores de galgas Extensiométricos: Como bien se sabe las galgas se basan en la variación de la longitud y su diámetro con la presión y en consecuencia su resistencia eléctrica. La galga forma parte de un puente de Wheatstone y cuando esta sin presión tiene una resistencia eléctrica determinada. Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente. Sensores de presión Inductivo: (Sensor de inductancia variable.) Consiste en que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenido de la bobina. El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la Fem. de autoinducción generada se opone a la Fem. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la Fem. de autoinducción. Sensor Piezoeléctrico: Son materiales cristalinos como el cuarzo o titanio de vario que al deformase físicamente , generan una señal eléctrica. Su señal de respuesta a una variable de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de responder a frecuencias hasta 1MHz. Son sensibles a los cambios de temperatura. 2.5 Medidores de caudal.

Presión diferencial → Platina placa orificio → Tubo venturi → Tubo pitut Todos estos conectados a un tubo U o aun elemento de fuelle ó diafragma

Área variable → Rotámetro

SENSORES

44

Velocidad → Turbina → Sondas ultrasónicas. → Vortex

Ultrasonido. 2.5.1 Medidores de caudal tipo turbina

FIGURA 2.32

FIGURA 2.33

45

Los medidores tipo turbina consisten de un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debido al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor esta equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anteriores y posteriores sin necesidad de usar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría. Son básicamente aspas rotatorias soportadas a lo largo de la línea central del tubo. El rotor de la turbina axial está ligeramente suspendido y rota con el flujo de fluido (gas o líquido) a través del medidor de flujo. La velocidad rotacional de la turbina es proporcional a la velocidad del fluido Vt α Vf. Como el paso de flujo es fijado, la velocidad rotacional es una representación exacta del volumen del fluido fluyendo a través del medidor de flujo. La única conexión mecánica entre la turbina y el Housing son los cojinetes de la turbina. La rotación de la turbina es sensada por un Pick – Up magnético en el cuerpo del medidor de flujo que responde al paso de cada aspa de la turbina. La salida del Pick – Up magnético es un tren de pulsos de voltaje con una frecuencia proporcional a la rata de flujo volumétrico. Los pulsos se transmiten a un sistema de procesamiento de datos cercanos al medidor, donde son amplificados, contados e interfasados con un microprocesador para medir el flujo del fluido.

FIGURA 2.34

Rango: 0.03 a 20000 galones/minuto Los medidores de flujo tipo turbina hacen uso del principio de momento angular para medir la rata de flujo. El intercambio de momentum entre el flujo y el rotor gira al rotor a una velocidad rotacional que es proporcional a la rata de flujo.

SENSORES

46

Como la bobina genera un pulso cada vez que un aspa pasa frente al Pick – Up magnético, entonces: V=kn; donde: V= volumen total del líquido pasando por el medidor k=volumen líquido/ pulso n= número de pulsos

Rata de flujo promedio t

knt

VQΔ

=Δ

= ; Δt= es un intervalo de tiempo

Q=kf ; f=frecuencia EJEMPLO: Un medidor tipo turbina tiene un valor k=12.2cm³/pulso. Determine el valor del volumen del líquido transferido para cada uno de los siguientes conteos de pulsos.

a) 220 b) 1200 c) 470 Determine la rata de flujo, si cada uno de los conteos de pulso ocurre durante un periodo de 140 seg. Solución:

a) 33

2684220*2.12 cmpulsospulso

cmknV ===

segcmsegcm

tVQ /2.19

1402684 3

3

==Δ

=

b)

33


cmknV === ;

segcmsegcm

tVQ /6.104

14014640 3

3

==Δ

=

c) 33


cmknV ===

segcmsegcm

tVQ /41

1405734 3

3

==Δ

=

El factor divisor para un medidor de líquido esta determinado por el Factor de Calibración del medidor (turbina) que ha sido determinado en la fábrica. Las unidades de este factor son pulsos/gal.

47

Medidas de flujo líquido. El divisor para la medida de un líquido es determinado por el factor de calibración en la medida de flujo y un factor de conversión apropiado para las unidades deseadas del registro. Ejemplo Se tiene una turbina de 2” con un factor de calibración de 55.2 pulsos por galón. Se desea tener unidades de registro en barriles. El divisor sería:

BBLPul2318

BBLPul2318.4

BBLGAL42x

GALPul55.2 ==

El divisor debe redondearse al número entero más cercano. En este ejemplo, 55.2 pulsos por galón es el factor de calibración, 42 galones por barril es el factor de conversión apropiado para la unidad de medida deseada, y 2.318 es el divisor resultante. Un divisor para otras unidades de medida deben calcularse de manera similar. Si se hubieran deseado unidades de registro en décimas de barriles el factor de conversión sería 4.2 galones por décimas de barril y el divisor será 232. El divisor máximo que puede teclearse es 32.767. El analizador MC-II no aceptara un divisor mayor a 32.767 ni un divisor de cero. Medidas de flujo de gas. El divisor en la medida de gas es determinado por el factor de calibración en la medida del flujo y un factor apropiado de conversión para las unidades deseadas en el registro. Generalmente es necesario compensar el divisor en la medición de gas ya que este se refiere a volúmenes estándar normales y no a los reales. Los volúmenes de gas medidos son afectados por la presión y la temperatura. Si el flujo fluye a temperatura y presión constante, es posible ajustar el divisor para registrar volúmenes estándar usando la siguiente ecuación:

TSxPFTFxPSxCFDivisor =

Donde: CF = Factor de calibración (pulsos/ACF) PS = Presión estándar 14.69 Psia PF = Presión de flujo Psia TF = Temperatura de flujo (°R) TS = Temperatura estándar 519.69 °R (60°F)

SENSORES

48

Ejemplo Suponga que se tiene instalada en la línea una turbina de 2” para la medición de gas, con un factor de calibración de 124.36 pulsos/ACF, con una presión de operación de 70 PSIG y una temperatura de operación de 80 °F. Se necesitan unidades de registro en MCF. El divisor es:

( )( ) MCF

P22.401MCF

P22401.15MCF1

CF1000x519.69x14.6970

459.6980x14.69x124.36==

++

El divisor debe ser redondeado al número entero más cercano. Para obtener un divisor en otras unidades de medida se procede de manera similar. El máximo divisor que se debe introducir es 32.767. El analizador no acepta un divisor de cero. Calculo del multiplicador. El multiplicador es un número que producirá la lectura deseada del caudal por la medida de su frecuencia de flujo. Este numero se calculara automáticamente para las unidades seleccionadas (Barriles/Día) cuando el analizador esta en el modo numero de calibración. Cuando en la lectura del caudal se requiere otro volumen por día, o una mayor exactitud, el multiplicador puede calcularse de la siguiente manera

CON xFCCTDORMULTIPLICA =

Donde: TC = Conversión de tiempo (segundos / unidades de tiempo) CF = Factor de calibración de la turbina (pulsos / Galón) CON = Factor de conversión (Galón / Unidad de volumen)

Ejemplo Se tiene una turbina de 1” con un factor de calibración de 891.54 pulsos por Galón, se quiere leer el caudal en Barriles por Día. El multiplicador será:

2.307 ilGalón/Barr 42ón x Pulsos/Gal 891.54

íaSegundos/D 86400 =

Ejemplo Se tiene una turbina de ¾” con un factor de calibración de 2891.83 Pulsos por Galón. Se requiere una lectura en galones por minuto. El multiplicador sería:

49

0.021 nGalón/Galóón x Pulsos/Gal 2891.83

inutoSegundos/M 60 =

2.5.2 Medidor de flujo por ultrasonido Es otra forma para medir flujo utilizando sensores de ultrasonido.

FIGURA 2.35

Una onda de sonido que viaja en la dirección del flujo de fluido requiere menos tiempo entre un punto fijado y otro que una onda viaja en la dirección opuesta. Este es el principio empleado para medir la rata de flujo con ondas ultrasónicas. Tiempos diferentes de transiente son una indicación de la velocidad de flujo del fluido. En la gráfica anterior se muestra un esquema para un medidor de flujo particular, en el que se observan dos sensores e ultrasonido montados en lados opuestos el tubo a un ángulo ϕ con respecto al eje del tubo. Ambos sensores pueden recibir y transmitir ondas ultrasónicas. Las ondas ultrasónicas viajan desde A a B a la velocidad VAB, y desde el punto B al punto A a la velocidad VBA. Los tiempos del transiente tAB y tBA se pueden encontrar diciendo: A: transmisor – receptor B: transmisor – receptor L: Distancia de medición C0: Velocidad del sonido en el producto Vm: Velocidad promedio de flujo de fluido VAB (tAB) = velocidad de propagación A-B VBA (tBA) = velocidad de propagación B-A

ϕϕ

cos ;cos

00

mABmAB VC

LtVCV+

=+=

SENSORES

50

ϕϕ

cos ;cos

00

mBAmBA VC

LtVCV−

=−=

BAAB

ABBAm tt

ttGkV

**

−= tAB y tBA se están midiendo continuamente.

2.5.3 Medidor de flujo por presión diferencial. Medidor de orificio Los elementos de presión diferencial son: Placa – orificio: Consiste en una placa perforada (disco metálico) con un orificio circular y biselado insertado en la tubería. Su propósito es determinar la rata de flujo de mediciones de presión diferencial a través del orificio. El área del flujo mínima (vena contracta) es más pequeña que el área de la abertura en la placa de orificio. Un cambio en la sección transversal (área) de una corriente (tubería) causa un cambio correspondiente en la velocidad y la presión de fluido dentro del tubo. Ecuación de Bernoulli: Fluido incompresible

2

222

1

211

21

21 z

gVP

zg

VP++=++

γγ

Se demostró atrás que: ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+−= 21

212 zzPP

gCVAQγγ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+−= 21

210 2 zz

PPgCAQ

γγ

1 2

1

20

2

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

=

AAC

CCC

C

CV ; A0 = área del orificio

ρPCEAQ Δ

=2

0 ( ) 1

02/141/2

21

20

;1

1

1

1dd

AA

E =−

=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

= ββ

51

Ya que 4

4

2

1211

202

00d

rAd

rA ππππ ====

d0= diámetro del orificio d1= diámetro de la tubería

4

1

02

1

02

1

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1

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β

2.5.4 Medidor de flujo VORTEX El medidor vortex o torbellino, mide la frecuencia de torbellino producida por una hélice estática situada en la tubería, perpendicular a la dirección del fluido. La frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del fluido. El coeficiente de proporcionalidad es función de la forma de la hélice y se determina experimentalmente. El límite inferior de Número de Reynolds, para que se produzca torbellino también depende de la hélice y típicamente esta entre 10,000 y 20,000. La frecuencia de torbellino puede ser detectada de múltiples maneras y no existen resultados de pruebas que permitan establecer cual es la mejor. Son usuales: Sensores piezoeléctrico, termistores de baja inercia, Sensores capacitivos o ultrasonido. La frecuencia de torbellino no es afectada apreciablemente por las propiedades del fluido, mientras el Número de Reynolds sea superior al mínimo no es requerida compensación por cambios de densidad, viscosidad ni temperatura de fluido, a menos que esta varíe drásticamente. Si el fluido es altamente corrosivo o erosivo puede deteriorar la hélice y variar la constante de calibración. Es muy sensible a las condiciones de instalación, las recomendaciones de tramos rectos son similares a las de una platina de orificio con d/D= 0,7. La rangoabilidades típicas son de 10:1 para líquidos y 20:1 para gases y vapor, deben ser calculadas para cada aplicación y es definida por el mínimo numero de Reynolds y la máxima velocidad de fluido (usualmente 25 ft/sec líquidos y 250 ft/sec gases y vapor). Por esta razón fluidos viscosos (u>8cp) no son generalmente recomendados. El costo total del medidor hace que sea una alternativa para reemplazar platinas de orificio; su costo inicial es similar hasta 4", costos de instalación y mantenimiento son generalmente más bajos y tumba entre 50 y 67% menos presión que esta. Sin embargo el hecho de que pueden ser afectados por problemas de vibración en las tubería, inhabilidad para indicación de flujo nulo

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(Salida es 0% con flujo nulo o por debajo del número de Reynolds mínimo), e imposibilidad de chequeo de calibración hacen que su uso no sea extendido.

Medidor tipo VORTEX FIGURA 2.36

2.6 Medidores de nivel El nivel es definido como la altura entre la superficie libre de un líquido de un recipiente y un punto de referencia. La medición del nivel es fundamental y se utiliza en el control automático del proceso continuo en una batería. Una amplia variedad de dispositivos de medición de nivel se utilizan hoy en día para satisfacer los más diversos procesos de la industria petrolera, van desde el más sencillo y económico como es el tipo de cinta hasta el más sofisticado como es el tipo de radiación. Esta medición puede hacerse por métodos directos, por ejemplo utilizando un flotador; o por métodos indirectos, digamos midiendo la presión en el fondo de un tanque. Los métodos directos son generalmente invasivos, es decir, implican un contacto directo del sensor con el material a medir, mientras que los métodos indirectos son típicamente no invasivos. Estos últimos son los preferidos cuando se trabaja con materiales corrosivos, peligrosos o sometidos a altas temperaturas o altas presiones. Las mediciones de nivel pueden ser también puntuales o continuas, dependiendo, respectivamente, de si la detección de la interfase se realiza en puntos específicos o a través de todas las posiciones posibles dentro de un rango dado. La detección puntual es la requerida, por ejemplo, para marcar los límites inferior y superior de llenado de un tanque y alertar así cuando el mismo necesita ser rellenado o se ha desbordado. Actualmente se dispone de una gran variedad de tecnologías de transductores que miden y detectan nivel puntual continuo de manera directa o indirecta y permiten la implementación de sistemas de control automático.

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Instrumentos y accesorios de un sistema de control de nivel FIGURA 2.37

2.6.1 Tipos de instrumentos de nivel. Tenemos dos grupos

Instrumentos de acción directa

Nivel de cinta. Consta de una cinta de acero debidamente graduada en pulgadas con una plomada en un extremo de peso especifico, que le asegura que penetre el liquido sin importar la viscosidad del mismo y en el otro extremo de la cinta se ubica una polea que hace descender y ascender la plomada dentro del tanque, la cinta se almacena convenientemente en un carrete. Se utiliza ampliamente para la medición de nivel en tanques que almacenan crudos o productos similares.

Nivel de vidrio (LG). Consta de un tubo de vidrio soportado sobre dos

válvulas de cierre hermético, las cuales vienen provistas con sellos en donde se acopla el tubo. Este sistema opera por vasos comunicantes (ver Figura 2.38)

El ensamblaje tiene integrado dos guardas (varillas) metálicas dispuestas paralelamente al tubo para protegerlo o algunas veces viene cubierto con un

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plástico transparente. Se utiliza normalmente en sistemas de proceso por debajo de 600 PSI a baja temperatura y que maneje fluidos no peligrosos.

Indicadores de nivel

FIGURA 2.38 Accesorios de los indicadores de nivel: Entre los dispositivos que complementan una instalación correcta y segura de un nivel de vidrio deben mencionarse las válvulas de cierre hermético, ubicadas en la parte superior e inferior del conjunto de nivel, las cuales vienen provistas de unos cheques (bolas), que sellan y evitan que el producto se salga del recipiente cuando se presenta en forma accidental una rotura de las laminas de vidrio. Es importante instalar una válvula de drenaje para sacar de servicio el indicador cuando sea necesario y para limpiar el visor drenando el fluido.

Nivel de flotador. Es un instrumento de nivel de desplazamiento donde un flotador está parcialmente sumergido en el líquido. El peso del flotador es generalmente ajustado por pesas internas o contrapesas externas para mantenerlo sumergido hasta su parte central y obtener así una máxima fuerza de operación, en un liquido de una gravedad especifica dada. La flotación del peso permanece constante o sea que el flotador subirá o bajará la misma cantidad de acuerdo a los cambios de nivel. Para todos los propósitos, la posición del flotador es una indicación directa de nivel. Se divide en tres (3) grupos:

• Flotadores directos operando transmisores y controladores, dispositivos de

control o válvulas de control. • Flotadores tipo cinta.

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• Flotadores tipo switches. Flotador operando válvula de control. Los instrumentos de nivel con flotador y palanca, son operados en este caso controlan el nivel en un recipiente empleando generalmente una boya cilíndrica montada en el extremo de una palanca pivoteada en un punto localizado en uno de los lados del recipiente. El sistema actúa por un juego de articulaciones o engranajes acoplados con la palanca. El flotador puede extenderse directamente hacia el nivel o hacia una cámara especialmente diseñada para tener simultáneamente el mismo nivel del recipiente. Cuando estos instrumentos se quieren usar como transmisores o controladores, están provistos de una válvula piloto de aire a presión, operada por el mismo sistema de la palanca. La salida regulada del piloto va a la válvula de control respectiva. Ventajas

• Construcción rígida y sencilla. • Resistente a la corrosión. • Funciona adecuadamente con fluidos turbulentos.

Limitaciones

• Muy alta histéresis y banda muerta. • Requieren un conjunto de empaquetadura. • En un margen grande, un cambio de nivel pequeño no es

representativo. • Algunas veces presenta dificultades su instalación.

Flotador tipo cinta. Estos son usados en tanques de mucha altura donde resulta inconveniente hacer las mediciones manualmente. Consta esencialmente de un cable (o cadena) de la cual pende un flotador que va sobre la superficie del fluido. El cable sigue hacia la parte superior del tanque donde rueda sobre un equipo de poleas, y baja a un lado de la cara exterior, guiado por una pesa. Esta hace su recorrido sobre una escala graduada en las unidades de nivel o volumen, deseadas. Tienen el cero marcado en la parte superior y el margen máximo (lectura de máximo nivel), en la parte interior. Cuando el nivel de fluido cambia, el flotador sube o baja y la pesa de balance indicara el nivel del tanque sobre la escala. Flotador tipo switch. Como su nombre lo indica un flotador switch lee cambios de nivel, en algún punto de su rango actúa un switch de mercurio o microswitch magnético.

SENSORES

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Switches de bajo nivel normalmente están sumergidos y actúan cuando el nivel desciende por debajo del centro del flotador, mientras que el flotador por alto nivel descansa en el espacio libre de vapor de la cámara y actúa cuando el nivel supera su parte central. En el switch magnético (el mas usado), el interruptor descansa sobre un brazo al cual también se le halla acoplado un imán. Cuando la parte superior del eje del flotador sube por la camisa central entra al campo magnético del imán, en el cual actúa un interruptor, produciendo de esta forma una señal eléctrica de alarma o de corte. Cuando el nivel desciende, la parte superior del eje del flotador queda fuera del campo magnético, baja por gravedad, y el interruptor retorna a la posición normal por la acción de un resorte (Ver sección 4.17).

FIGURA 2.38

Ventajas

• Es compacto. • Puede operar sobre un amplio rango de temperatura • Costo moderado • No requiere conjunto de empaquetadura.

Limitaciones

• Opera satisfactoriamente con líquidos limpios, no adecuada para líquidos viscosos, fluidos con sólidos en suspensión o que trate de adherirse a las paredes de la cámara.

• No adecuado para usar con fluidos turbulentos. • Ajustes complejos con márgenes angostas.

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Instrumentos de acción indirecta

Nivel tipo desplazador. Es un sistema usado desde hace muchos años en la industria petrolera con gran eficiencia. Se basa en el principio de Arquímedes: "Cuando un cuerpo es parcial o totalmente sumergido en un liquido experimenta una pérdida de su peso igual al peso del liquido que desplaza”. Este sistema consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. El peso del desplazador ejerce una fuerza sobre el tubo de torsión, pero al subir el nivel, el desplazador desplaza más líquido y este ejercerá una fuerza o empuje sobre el desplazador, el cual se vuelve más liviano. Esto trae como consecuencia que el tubo de torsión gire debido a la disminución de la torsión. Este giro es aprovechado acoplándose una aguja, para indicar el nivel directamente, u otro instrumento para el control del nivel.

Los desplazadores tienen forma cilíndrica y hueca. Pequeñas cantidades de plomo (lastre) se añaden para llegar al peso correcto y satisfacer de esta forma a las diferentes gravedades específicas de los procesos.

Principio de operación de un sensor de nivel por desplazamiento.

FIGURA 2.39

Nivel por altura hidrostática. La presión ejercida por la altura de una columna hidrostática sobre el fondo de un recipiente abierto a la atmósfera la podemos medir por medio de un manómetro o una columna de agua o mercurio. Se aplica a recipientes de amplio rango, en condiciones corrosivas con materiales viscosos.

Ventajas

• Exactitud buena. • Largos años de uso. • Bajo costo.

Limitaciones

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• Se utiliza en recipientes a presión atmosférica

Nivel presión diferencial. Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico, es decir: P = Hϒg, donde:

P = presión, H = altura de líquido sobre el instrumento, ϒ= densidad del líquido, g = 9,8 m/s2

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial.

Medición de nivel por capacitancia. Los sensores de capacitancia (figura 41) se utilizan para detectar cambios de nivel en líquidos y sólidos. se utilizan para mediciones de nivel continuo en materiales no conductores o con una baja constante dieléctrica. Constan básicamente de un electrodo aislado el cual, al ser sumergido, forma con las paredes metálicas del tanque un condensador. El material actúa como dieléctrico. En el caso de tanques no metálicos se utiliza un segundo electrodo como placa de referencia. A medida que varía el nivel del material, cambia también la capacitancia del sistema. Al cambiar el nivel, la capacitancia cambia, un circuito eléctrico de puente de Wheastone se desbalancea y un voltaje de salida se produce. Este cambio es convertido, por un circuito de radiofrecuencia (RF), en una señal análoga proporcional al nivel o en señal "todo o nada" que acciona, por ejemplo, un relé. En el caso de un material conductor se aplica la misma lógica, excepto que el material actúa como la placa de referencia del condensador. También es posi-ble medir nivel por métodos capacitivos no intrusivos o de no contacto. En este caso, el electrodo sensor es una placa plana paralela a la superficie del material. Si este último es conductivo, entonces actúa como la placa de referencia del condensador, mientras que si no lo es actúa como dieléctrico, con el tanque como placa de referencia.

Ventajas

• Fácil instalación. • Opera con fluidos conductores o no. • Relativo bajo costo. • No requiere partes movibles.

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• Uso extendido en controles abierto-cerrado. • No requiere partes movibles expuestas al fluido. • Ajustes de uso y alcance remotos son posibles. • Puede usarse en servicios de alta temperatura y presión.

Limitaciones

• El fluido a medir debe tener características dieléctricas • La sonda debe resistir la corrosión • Presenta problemas con fluidos adherentes.

Sensores de capacitancia FIGURA 2.40

Nivel por resistencia eléctrica. Otro sistema de obtener la medición de nivel consiste en una serie de electrodos introducidos dentro del fluido, de tal manera que puedan cerrar en un circuito eléctrico separado, cuando el nivel alcanza el extremo de cada uno de los electrodos en forma escalonada. El circuito puede ser usado para iluminar una serie de bombillas eléctricas o actuar cualquier mecanismo que pueda convertir las señales eléctricas en términos de nivel.

En otro tipo el haz de electrodos constituye un elemento resistivo. Las variaciones en el nivel, cambian el valor óhmico del elemento. El instrumento realmente es medidor de resistencia, pero cada valor del elemento resistivo corresponde en la escala a un nivel determinado.

SENSORES

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Los sensores de nivel ultrasónicos, trabajan en forma similar a los sensores ópticos reflexivos, excepto que en lugar de luz utilizan ultrasonidos. El transmisor envía un pulso ultrasónico (20 - 250kHz) hacia la superficie del líquido mientras que el receptor capta el eco, es decir, el pulso reflejado. El tiempo transcurrido desde el instante en que se produce el pulso ultrasónico hasta el instante en que se recibe el eco, es proporcional a la distancia entre el sensor y la superficie del líquido y, por tanto, al nivel de este último. El sensor puede estar o no en contacto con el líquido.

FIGURA 2.41

FIGURA 2.42

CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES

3. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLC) 3.1. GENERALIDADES Para los sistemas de control secuencial el progreso se ha sentido particularmente a nivel de la unidad de procesamiento lógico, hoy conocida y denominada Unidad de Procesamiento Central (CPU). Inicialmente la unidad de procesamiento central se construyó mediante relés. Los equipos resultantes de esta tecnología son relativamente lentos, grandes, pesados y difíciles de ensamblar y mantener. Emplean lo que se denomina una lógica cableada, caracterizada por el empleo de elementos independientes conectados entre sí por cables, exigiendo mucha mano de obra en su construcción y en modificaciones posteriores. Actualmente se emplean cuando los automatismos son muy sencillos. En los últimos años se ha recurrido al empleo de los semiconductores (tiristores y diodos) como una excelente alternativa para los relés. Al principio se aplicaron como simples sustitutos (interruptores estáticos) por las ventajas de la alta veloci-dad de conmutación, la ausencia de arco y de ruido, el menor consumo de energía, etc. Esta técnica se conoce como técnica del control estático, y emplea también la lógica cableada. Posteriormente aparecieron los circuitos integrados que permitieron la realiza-ción de funciones lógicas a mayor velocidad, ocupando menor espacio y con menor consumo. Con ellos aparecen también dispositivos de registro, conteo, temporización, memorias, etc., con los cuales se puede abordar muy fácilmente la realización de automatismos secuenciales mas complejos, a bajo costo, livianos, pequeños, libres de mantenimiento y confiables. Se comienzan a abandonar los esquemas de relés como elementos descriptivos y se usan en su lugar, las ecuaciones lógicas. Se desarrollan sistemas de control con los denominados PLA (Arreglos Lógicos Programables), que consisten en una reunión de compuertas organizadas en forma matricial y contenidas en un "chip", en las que se implementa la ecuación booleana deseada. Con el empleo de los circuitos integrados se reduce considerablemente el cableado de los elementos internos. La llegada de los microprocesadores aparece como una alternativa mejor a la lógica cableada existente y a la lógica de los semiconductores y circuitos integra-dos convencionales. Con los microprocesadores se configura la - lógica programada. Con ella, el automatismo no está implementado por una interconexión de componentes básicos mediante cables sino mediante una sucesión de instrucciones que se almacenan en la memoria interna de la máquina, y que generalmente se introdu-cen por un teclado.

CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES

La lógica programada está ligada íntimamente con el secuenciador, llamado también ordenador, que asocia al automatismo la noción de ejecución paso a paso en un orden previsto. Comercialmente hay dos tipos de máquinas que realizan el automatismo mediante lógica programada: - Los computadores (minis ó micros). - Los controladores lógicos programables (PLC). La diferencia radica en que el computador emplea lenguajes informáticos en cambio el PLC emplea lenguajes específicos. En general, el computador es empleado para campos de acción más diversos y no solo para aplicaciones industriales. La arquitectura de ambos es similar. El lenguaje utilizado en la programación del PLC depende del problema que se este considerando, y pueden ser, entre otros: booleano, de contactos ("Ladder" ó escalera), grafcet, literal, etc. 3.1.1 Definición Un controlador lógico programable (PLC) es una máquina electrónica programa-ble, por personal no informático, destinada a cumplir funciones de automatismos lógicos y control de procesos de manufactura, en ambiente industrial y tiempo real, tanto sean de tipo combinacional ó secuencial. Esta definición no debe interpretarse en forma rigurosa ya que los controladores lógicos programables modernos tienden a incorporar funciones especiales no solo de tratamiento lógico sino también de cálculo numérico (función aritmética), de regulación PID y de servocontrol. 3.1.2 Ventajas de su empleo - Utiliza la lógica programada y no la cableada. - Permite introducir cambios fácilmente, según sea el desarrollo (evolución) de la maquinaria ó del proceso. - Emplea menor tiempo de realización y menor mano de obra. - Facilita la implementación de sistemas de control distribuido ó de control jerarquizado. - Tanto los costos, como el peso, el tamaño, el volumen de los componentes, el mantenimiento y la mano de obra, son menores.

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- Aumenta la confiabilidad. - Se puede instalar en cualquier tipo de ambiente. El PLC es diseñado para aplicación industrial y puede estar sometido a influencias físicas, eléctricas y químicas (temperatura, humedad, vibración), ruidos, cortes de energía, conta-minantes ambientales como el polvo, etc. - Permite la simulación de procesos, alarmas y fallas, sin influir en forma directa sobre las máquinas. 3.1.3 Estructura básica La estructura básica de un controlador lógico programable se puede representar mediante el diagrama de bloques mostrado en la figura 3.1.

Estructura básica de un PLC FIGURA 3.1

3.1.4 Estructura interna Un diagrama funcional que muestra la estructura interna de un controlador lógico programable (PLC) se ilustra en la figura 3.2.

a)

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b) FIGURA 3.2

3.1.5 Aspecto físico y presentación Existen dos formas constructivas típicas para los controladores programables: Compacta y modular La forma compacta se utiliza generalmente en automatismos lógicos con equipos pequeños y donde se tiene un número fijo de entradas y salidas (I/O).

FIGURA 3.3

La forma modular se emplea más frecuentemente en aplicaciones industriales. Los módulos son desmontables y el sistema tiene la posibilidad de expandirse en entradas y salidas (I/O) tanto digitales como análogas.

FIGURA 3.4

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3.1.6 Aplicaciones generales Los PLC tienen infinidad de aplicaciones en la industria, entre ellas se pueden destacar las siguientes: - Control de movimientos en máquinas - herramientas (avanzar, retroceder, girar, doblar, plegar). - En prensas, estampadoras, trefiladoras, embutidoras, máquinas de soldadura. - En procesos de manufactura como: embotellado, embalaje, etiqueteado, pesaje, dosificación. - En diferentes aplicaciones donde se requiere el control de automatismos lógicos, tales como: ascensores, bombas, compresores, hornos industriales, señalización (semáforos), grupos electrógenos, manejo de materiales (metalurgia, siderurgia), calderas, programación de energía, lavadoras, control de motores, etc. - En subestaciones eléctricas, actuadores, seccionadores, interruptores y en coor-dinación de protecciones en fallas de alta tensión. - Para regulación, en procesos fisicoquímicos, cuando el controlador programable está configurado con bloques funcionales PID. 3.1.7 Componentes básicos Secuenciador: El secuenciador realiza operaciones de tiempo (retardo y temporización), de secuencia, de combinación, de automantenimiento ó retención, etc., en forma análoga a como lo hacen los sistemas convencionales de relés. El secuenciador emplea códigos binarios para actuar. Al interior del secuenciador encontramos: las interfaces l/O, las memorias, los acumuladores y registros, los medios de comunicación interna (bus de control, de datos, de dirección, de comunicación) y la unidad de procesamiento central (CPU). Interfaces I/O Las interfaces de entrada/salida l/O (Input/Output), son circuitos mediante los cuales el sistema puede comunicarse con el mundo exterior. Una interface adecua las señales de entrada y salida, de tal modo que estas se puedan acomodar a los dispositivos que conecta. Todas se implementan con señalización por "led".

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Las interfaces de entrada permiten adecuar a la lógica interna las señales que provienen de los sensores (análogos ó digitales) del proceso. Evitan el rebote de contactos, acoplan los niveles de tensión, y acondicionan la señal para reducir el efecto de señales de ruido e interferencia. Las interfaces de salida permiten adecuar las señales de salida lógica para el funcionamiento correcto de los actuadores, que son los que van a modificar las condiciones del proceso de acuerdo a una acción de control predeterminada. Aislan el mundo de la lógica interna con el de la carga. Acoplan una salida de bajo nivel a una de alto nivel y generalmente, son optoacopladas (con separación galvánica). Memorias: Las memorias son dispositivos que contienen en forma binaria las instrucciones que constituyen el programa y los datos que deberán utilizarse durante la ejecución del mismo. Existen muchos tipos de memorias: - Memorias de solo lectura ( Read Only Memory -ROM-): estas memorias solo pueden ser leídas. El usuario tiene acceso a la información de la memoria pero no la puede alterar. Se fabrican con los datos ya escritos. Son memorias no volátiles (no se borran ante un corte de energía). Hacen que el PLC actúe de la forma para la que ha sido diseñado y que ejecute correctamente lo contenido en la memoria. Son programadas por los fabricantes y definen las capacidades y posibilidades del equipo. - Memorias de lectura y escritura (Random Acces Memory -RAM-): se conocen como memorias de usuario, es donde el programador almacena ó deposita su programa, son memorias de acceso aleatorio, más complicadas que las ROM. En ellas se puede tanto leer como escribir, se puede entrar y/o sacar y/o modificar datos. Son memorias volátiles, es por esto que se deben sostener con baterías cuando no se quieren correr riesgos por posibles interrupciones del fluido eléctrico. Una batería proporciona respaldo por períodos de cuatro a cinco años y es usual que se implemente con una alarma de preaviso. - Memorias PROM ( Programable Read Only Memory ): son memorias ROM programables por el usuario pero no borrables por este. Una vez el usuario introduce los datos solo puede leerlas. - Memorias EPROM ( Erasable Programable Read Only Memory ): son memorias PROM borrables y reprogramables. Su borrado se hace con rayos ultravioleta. - Memorias EEPROM ( E2pROM ): son memorias PROM borrables eléctricamente y reprogramables.

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- Memorias EAPROM: este tipo de memorias son alterables eléctricamente, y pueden borrarse por sectores ó secciones y no en su totalidad como la EPROM. Acumuladores y registros: En los acumuladores y registros se memorizan y guardan por un momento los datos antes y después del tratamiento. Los datos que se van a procesar se extraen de la memoria central ó principal y se llevan a los acumuladores y a los registros, los cuales van proporcionando los datos que necesita la unidad de procesamiento central (CPU). Estos datos se van entregando en forma ordenada. Para lograr un almacenamiento prolongado se emplea la memoria central. Medios de comunicación interna: Los medios de comunicación interna están conformados por: el bus de control, el bus de datos, el bus de dirección y el bus de comunicación. - Bus de control: es la conexión mediante la cual la unidad de procesamiento central (CPU) envía las instrucciones (órdenes) a los demás componentes y recibe de ellos las señales de respuesta. - Bus de datos: es la conexión física mediante la cual se transmiten los datos entre el procesador, la memoria, las interfaces l/O y el programador. - Bus de dirección: es la conexión por donde van las señales que constituyen la dirección, es decir, la localización en la memoria ó la puerta l/O en la que deben ser escritos ó leídos los datos. - Bus de comunicación: es el bus que sirve para la comunicación con otros periféricos ó sistemas computarizados. Unidad de procesamiento central (CPU) Es el elemento más complejo del controlador programable. Se divide en dos partes principales, cada una con funciones diferentes: - Unidad de comando: rige el comportamiento de todos los demás componentes, da las órdenes y los comandos que implican la ejecución de operaciones, e interpreta (decodifica) y ejecuta las instrucciones.

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- Unidad de tratamiento: efectúa los cálculos y las operaciones lógicas y aritmé-ticas.

FIGURA 3.5

Al interior de la CPU se hacen las operaciones lógicas y matemáticas, como también todos los cálculos, se procesa la información,. y se reciben y envían los datos. La CPU contiene gran cantidad de registros, contadores, y acumuladores. Si la CPU está contenida en un solo circuito integrado, se le llama microprocesa-doro El primer microprocesador desarrollado fue en 1.971 por la INTEL eo. Funciones en un controlador programable realizadas por la CPU: - Operaciones lógicas y matemáticas entre dos datos. - Comparación entre dos datos y consiguiente elección. - Transferencia y memorización de datos. - Tratamiento de palabra y manejo de texto, en los equipos mas avanzados. Programador (PG): El programador es el dispositivo mediante el cual es posible programar y controlar la operación del secuenciador. Es el medio que tiene el usuario para comunicarse con el procesador. Contiene un teclado con comandos lógicos y de servicio, además de un "display" ó pantalla de cristal líquido. Desde el programador también es posible monitorear los estados y el funcionamiento de todos los dispositivos de entrada y salida. La operación del programador es de tipo instruccional y se efectúa por lo que se denomina pasos' de programación. Una vez se tiene todo el sistema configurado, se puede desmontar el programador.

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Periféricos Los periféricos sirven para documentar los programas ó para hacer supervisión del proceso. Son todos los dispositivos que no forman parte de los circuitos internos, tales como: - Cinta magnética ("cassette"). - Impresora. - Pantalla monitor (video). - Graficadores ("plotters") . - Unidad de disco. - Pantallas alfanuméricas (LCD). - Led. - Teclado. - Teletipo, T elefax. - Perforadora de cinta. - Puerto de salida para comunicación con otros equipos. - Otros sistemas. 3.1.8 Ciclo de tratamiento de un controlador programable El ciclo de tratamiento del programa del PLC, el cual es establecido por el fabricante, tiene como función básica la solución de la función aritmética ó de la ecuación booleana tomando en cuenta los valores lógicos que tengan las variables en un instante determinado. Para hacer un ciclo, desde la primera hasta la última instrucción, el PLC se gasta un tiempo ("scan time") del orden de microsegundos a milisegundos. La memoria de programa (la que contiene las instrucciones) se lee en forma secuencial (paso a paso), a una velocidad determinada, recurriendo a un contador de programa y a unos registros y acumuladores que van entregando la información a la CPU. Debe tenerse presente que el PLC ejecuta siempre una tarea a la vez y no realiza eventos simultáneos. El ciclo de tratamiento se repite continuamente.

FIGURA 3.6

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3.1.9 Manejo de la información La información (señales) que se procesa en un programa está caracterizada por tres aspectos: - Instrucción: expresa la acción a realizar, se maneja a través del bus de control. - Dato: contenido de información con base en la cual se realiza la acción, manejado a través del bus de datos. - Dirección: localización ó punto a donde puede ó debe enviarse la información, manejada a través del bus de dirección. Los códigos de instrucción, datos y direcciones se escriben en las memorias del sistema. En el momento de conectar la máquina ó cuando se inicia una tarea, la CPU toma la primera instrucción, la ejecuta, pasa a la segunda, y así sucesivamente. Las instrucciones tienen lugar de acuerdo con una secuencia de operaciones denominada ciclo. Todo ciclo se gasta un cierto tiempo para realizar la orden (10 a 50 mseg.). 3.2 SELECCIÓN DE UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) 3.2.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN Existen diferentes criterios generales para la escogencia de un controlador lógico programable (PLC): - Criterios funcionales: según sea la tarea a realizar. - Criterios tecnológicos: permiten adecuar correctamente el equipo con el entorno. - Criterios operacionales: dependen de las limitaciones del equipo (espacio, evolución, producción, mantenimiento). Para seleccionar correctamente un (PLC) se deben comparar diferentes modelos y considerar los siguientes aspectos: - Ficha de identidad: documento donde se incluye la marca, el modelo, el tipo, el fabricante, el representante en el respectivo país, el año de aparición en el mercado y la documentación técnica disponible. - Tecnología empleada: se debe considerar el tipo y tamaño de la memoria que posee, la extensión de la palabra que maneja la memoria (número de bits), la naturaleza de los circuitos integrados (TIL ó CMOS) que utiliza, el tipo de

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alimentación que requiere, su consumo de energía, las condiciones ambientales para las cuales está fabricado, el tamaño de sus tarjetas ó módulos y, su forma física de presentación (compacta ó modu1ar). - Órganos de comunicación externa: se deben tener en cuenta las especificaciones de las entradas y de las salidas (l/O) del PLC, es decir, el número mínimo y máximo que posee, las características de éstas (optoacopladas, por relé, por SCR ó TRIAC, etc.), la rapidez con que responden, el tipo de acopladores con que cuentan (con ó sin aislamiento), si tienen ó no entradas y salidas análogas normalizadas ( 0-20mA, 4-20mA, 0-10V, etc.), las l/O especiales con que cuenta (conexión a periféricos, conexión con otros PLC ó con un computador determi-nado, etc.). - Lenguajes de programación: se debe saber que lenguaje de programación emplea el PLC: lógico, booleano, literal, escalera ("Ladder"), grafcet, de flujo, de etapas ("step"), etc. - Tipo de programador: es importante considerar el tipo de instrucciones que recibe y la forma en que ejecuta el programa, el ciclo de tratamiento que emplea, el juego de instrucciones básicas y especiales que acepta, las funciones lógicas, aritméticas y de salto que puede hacer, el manejo de palabra (texto), el tipo de comandos (teclado) que posee, el manejo de bloques funcionales ó algoritmos PID, el manejo de códigos de error, de acceso y de borrado que pueda tener, la posibilidad de alteración, búsqueda, monitoreo, chequeo de errores, y forzado de datos, etc. - Soporte lógico: el soporte lógico es de suma importancia puesto que permite conocer el número de elementos que pueden configurarse en el PLC, a saber: relés auxiliares comunes (retenidos ó no), relés especiales, temporizadores, contadores ascendentes, descendentes y de conteo diferencial, registros de desplazamiento y de datos, bloques funcionales PID, secuenciadores, compa-radores, etiquetas ("Iabel") para identificación de tareas, etc. - Medios de diálogo con el operador (Periféricos): es importante analizar los periféricos que permite interconectar : unidad de disco, impresora, consola, monitor de video, "plotter", fax, teletipo, "display", etc. También los puertos para comunicación con otros PLC ó computadores y la unidad de comprobación y de puesta a punto que dispone. - Consideraciones económicas: son de gran relevancia; en ellas influyen varios factores: el precio del equipo incluyendo los periféricos, el costo de la capacitación del personal, del mantenimiento y de la mano de obra necesaria y, el extracosto por la capacidad de reserva para futuras ampliaciones.

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3.2.2 Diseño con controladores lógicos programables Para hacer un diseño que permita obtener la solución óptima de un problema con controladores lógicos programables, se requiere además de escribir una serie de instrucciones seguir una serie de pasos. Las siguientes sugerencias resultan de gran ayuda a pesar de que cada persona tiene su propia manera de diseñar.

Definición del problema Lo primero que se debe hacer para empezar a solucionar un proceso de automa-tización es definir el objetivo del control y fijar el alcance del trabajo. La definición de la tarea del control la deben realizar las personas que están familiarizadas con la operación de la máquina ó del proceso. Si el proceso ya se está realizando, lo primero que sé debe hacer es revisar posibles mejoras que se puedan implementar. Los controladores lógicos programables son de gran utilidad siempre y cuando se utilicen de manera organizada y se haga una correcta planeación.

Análisis del sistema El análisis del sistema consiste en hacer un estudio profundo que permita: - Conocer globalmente el sistema. - Dividir el sistema en procesos. Para poder comprender la operación global del sistema es necesario conocer los sistemas que se interrelacionan con él, las personas que lo operan y el medio ambiente donde funciona. Se debe hacer una descripción general del sistema para obtener una idea del funcionamiento del proceso a controlar, teniendo en cuenta: uso, ciclo de trabajo, medios de obtener la información, tiempos de respuesta, sitios donde se genera la información y sitios a donde se envía, rapidez, etc. Se deben identificar todos los equipos que intervienen en la operación del sistema, las condiciones, que los caracterizan y la información que necesitan para operar adecuadamente. Se deben conocer los datos de producción, los formatos que se utilizan para su almacenamiento, la frecuencia con que se toman, y las formas de mantenimiento y actualización de los archivos. Para lograr un conocimiento mejor del proceso es necesario dividirlo en subpro-cesos y a cada subproceso se le nace el tratamiento descrito anteriormente. Si existen subsistemas muy grandes se debe continuar subdividiendo hasta donde se considere necesario, mientras más se subdivida mejor. La descripción del sistema se hará incluyendo los estados de falla y las acciones correctivas que ha de tomar cuando estas se presenten.

Prediseño

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En esta etapa se plantean alternativas de solución, siendo el resultado má5 importante la definición de los subprocesos que serán controlados por el contro-lador lógico programable. Algunos criterios para que un proceso no sea involucrado en el control por el PLC son: - Procesos que no tienen relación directa con el objeto de control (p.e. la iluminación). - Variables analógicas para regulación especial. - Variables digitales que generen alarmas ó prealarmas de ocurrencia poco frecuente, etc. En esta etapa sé debe llegar a una definición del tipo de controlador ó controla-dores lógicos programables que se utilizarán.

Diseño Esta etapa del proceso depende en gran parte de la habilidad y de la experiencia del diseñador. Los puntos a considerar en esta actividad son: representación del proceso, asignación de direcciones, definición de circuitos independientes del controlador y documentación. Representación del proceso: las técnicas más comunes para representar un proceso son los diagramas de flujo y los lenguajes de programación. Los diagramas de flujo se usan para describir de una manera secuencial el proceso y para ayudar a recordar, analizar y tener rápida información del problema. Es conveniente realizarlos antes de elaborar la programación. Después de tener el diagrama de flujo se emplea el lenguaje de programación disponible en el controlador (lógico, grafcet, escalera, etc.). Asignación de direcciones: la asignación de direcciones, tanto para los dispositivos de entrada y de salida, como para los dispositivos internos, es muy importante para la documentación del diseño. Dicha información servirá para el cableado, el mantenimiento, y para ampliaciones futuras. Definición de circuitos independientes del controlador: son los que trabajan de manera continua una vez iniciado el proceso, además de los elementos de seguridad tales como: señalización ó paro por sobrecarga en motores, paradas de emergencia y pulsadores de inicio de proceso. Estos circuitos aseguran que el proceso se pueda parar sin el controlador (por si este falla). Documentación: en la etapa de diseño también se deben considerar los diagramas de cableado y el manual de operación y mantenimiento. Los diagramas de cableado corresponden a la caracterización geográfica y por tanto informan sobre la cantidad de conductores que van de un sitio a otro, el

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calibre, la identificación, el tipo de señal, etc. Estos diagramas sirven como base del diseño de los ductos y sus rutas, y son vitales para los electricistas en la construcción y posterior mantenimiento. El manual de operación y mantenimiento debe constar de dos partes. La primera debe estar dirigida a los operarios y debe hacer referencia a la operación normal y a los procedimientos en caso de alarmas. La otra debe tratar labores de mantenimiento predictivo y correctivo. 3.2.3 Especificaciones de un PLC NOTA: Para el desarrollo de los temas que a modo de ejemplo se consideran en este libro, se ha tomado como referencia un PLC típico cualquiera que maneja lenguajes normalizados, sin pretender asumir ninguna preferencia. - Marca: General Electric. - Modelo: Series One Junior. - Alimentación: 115V / 230Vca, con fuente interna de 24Vcd. - Frecuencia: 60 Hz. - Entradas ("Inputs"): 15 digitales. Alimentadas a 110Vca utilizando una fuente externa (circuito tipo "source") ó 24Vcd empleando una fuente interna (circuito tipo "sink"). Son optoacopladas, con señalización de estado. Hay disponibles dos tipos de entradas: normales y especiales, codificadas así: . 00 - 07 . 10 - 16 Las entradas normales, 13 en total, operan en un circuito tipo "sink" de 97 132Vca / 10mA, con sensor normalmente abierto (NA). Las entradas especiales, 15 Y 16, son para conteo de pulsos de alta velocidad (hasta 2 kHz) y funcionan a 24Vcd / 12mA, en circuito tipo "source". - Salidas ("Outputs"): 9 digitales, con señalización de estado, optoacopladas, pueden ser alimentadas a 110/220 Vca, funcionan en un circuito con salida por triac, se codifican de la siguiente manera: . 17 . 20 - 27 Las 24 l/O disponibles en el equipo se pueden expandir en 40 más por medio de la conexión de un "rack" expansor de 5 ó 10 "slots", quedando el PLC con una capacidad total de 64 l/O.

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- Relés auxiliares internos (marcadores ó bits): son 160 de diferentes tipos: sin proteger, protegidos y especiales. Se pueden configurar como relés con memoria del tipo SET - RESET. - Sin proteger: son 96 y no tienen retención, es decir, pierden el estado ante cortes de energía, estos van del 140 al 277 en grupos de a ocho. - Protegidos: para que se vuelvan retenidos, ó sea que tomen el estado que tenían antes de la falla del fluido eléctrico, hay que programarlos con un relé especial (el 373). Son 59 codificados del 300 al 372 en grupos de a ocho. - Especiales: son en total cinco (373, 374, 375, 376, 377), retenidos. · 373: sirve para programar los relés que se deseen con retención (300 - 372). . 374: es un pulso de RESET que se presenta cada vez que se conecta el equipo a la línea ó cuando hay retorno de la energía. Sirve tanto para borrar contadores como para inicializar temporizadores. . 375: es un astable que produce pulsos cada 0.1 seg. y sirve como base de tiempo ó reloj ("dock"). · 376: es un inhibidor de salidas para emplearse en paros de emergencia. · 377: es una alarma indicadora del estado de la batería. Algunos de ellos cuando se están programando no es necesario definirlos como salidas ya que el equipo lo hace automáticamente; simplemente se llaman los contactos. - Temporizadores (TMR): son de conteo ascendente desde 0.1 s. hasta 999.9 s. El tipo de retardo es al trabajo ("on delay") y se pueden configurar con contactos secuenciales. Son retenidos. Tienen código compartido con los contadores y en total se dispone de 20 comunes y 4 especiales. Los comunes van del 600 al 619 y los especiales del 620 al 623. Los especiales son diseñados para ser programados desde el exterior por medio de un interruptor externo tipo "thumb switch" (dedo gordo), en procesos que necesitan cambio en la referencia de tiempo. - Contadores (CNT): son de conteo ascendente desde cero hasta 9999.0. Tienen código compartido con los temporizadores y son retenidos. Los especiales (620 al 623) son diseñados para ser programados desde el exterior por medio de un interruptor externo tipo "thumb switch", en procesos que necesitan cambio en la referencia de conteo. - Secuenciadores ó selectores: son en total 20, de código compartido con los temporizadores y contadores. Se comportan como un interruptor selector que origina diferentes salidas en cada posición que toma. Pueden manejar nueve salidas y hasta mil posiciones.

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- Registros de desplazamiento (SFR): son del tipo FIFO ("First In First Out"), es decir, el primer dato en entrar es el primero en salir. Se puede elaborar uno de 155 pasos (pueden manejar 155 salidas a la vez) ó varios de 4, 8 ó 16 pasos. Con ellos se pueden energizar las salidas de un proceso en una secuencia deseada ó energizar una salida de proceso en una secuencia determinada, ó simplemente almacenar un dato numérico. - Lenguaje de programación: se programa en lenguaje booleano y maneja el "ladder" ó escalera por impresora. - Programa: el programa se escribe por teclado y se puede leer por "display". - Modos de operación: tiene tres modos de operación: RUN, PROG y LOAD. - RUN: ejecución del programa, en operación. - PROG: modo de programación. - LOAD: permite conectar el equipo programador a un dispositivo externo (periférico) ó cargar un programa en una EPROM. - Borrado: la instrucción de borrado del programa y limpieza total de la memoria es: CLR SH F 348 DEL NXT. - Periféricos: permite adaptar un quemador de memoria, "plotters" y una unidad de comunicación (DCU) para conexión con otros PLC. - Programador: el programador escribe el programa y puede leerlo, borrado y alterado, ya sea agregando, insertando ó borrando instrucciones. Además, puede constatar estados lógicos de las entradas y de las salidas, verificar "timers", contadores, registros y relés, chequear el programa paso a paso y, realizar forzado de salidas. - Compatibilidad: los Controladores Lógicos Programables (PLC) General Electric son compatibles con IBM. 3.3 INTERFACES Las interfaces l/O, de entrada/salida ("Input/Output"), son circuitos mediante los cuales los circuitos que realizan la lógica interna del PLC pueden comunicarse con el mundo exterior. Toda interface debe proporcionar un aislamiento eléctrico entre la parte externa y la parte interna para garantizar el óptimo funcionamiento del microprocesador. El aislamiento debe ser por encima de 2kV y este se logra por medio de optoacopladores ó por relés. En principio se descarta el empleo de transformado-res. Una interface adecúa las señales de entrada y salida, de tal modo que se puedan acomodar a los dispositivos que conecta. Todas se implementan con señalización por "led".

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Las interfaces de entrada adecúan las señales de entrada que provienen de los sensores (análogos ó digitales) del proceso. Evitan el rebote de contactos, acoplan los niveles de tensión y, conforman y acondicionan la señal para reducir el efecto de señales de ruido e interferencia. Las interfaces de salida adecuan las señales de salida para el funcionamiento correcto de los actuadores, los cuales modifican las condiciones del proceso de acuerdo a una acción de control predeterminada. Su función es aislar el mundo de la lógica interna de los circuitos de carga. Acoplan una salida de bajo nivel a una de alto nivel, y generalmente son optoacopladas (con separación galvánica). Para su funcionamiento requieren de una fuente de polarización interna ("sink") ó externa ("source") que puede ser de corriente alterna ó de corriente directa, según el tipo de dispositivos que se conecten. 3.3.1 Interfaces de entrada digitales, circuitos típicos Son muchos los circuitos desarrollados por los fabricantes de interfaces. Algunos de los más típicos se ilustran a continuación. - Interface de entrada digital tipo "source", 110/220 Vca En general, las entradas vienen en grupos de cuatro u ocho y cada grupo tiene un punto común (C) que permite manejar diferentes voltajes y disminuir el cableado de campo.

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FIGURA 3.7- Interface de entrada digital tipo "sink", 24 Vcd

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FIGURA 3.8- Interface de salida digital tipo "source"

FIGURA 3.9- Interface de salida digital tipo "sink"

FIGURA 3.10 Interface de salida digital por relé tipo "source"

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FIGURA 3.11 Interfases Análogas 3.3.2 Interfaces análogas Las interfaces de entrada y salida análogas se emplean en la implementación de controladores análogos, muchos de los cuales vienen configurados ya en los PLC modernos como bloques funcionales P, PI, PO, PID. En ellos se puede visualizar su operación, indicando el valor de entrada, los puntos de "preset" programados y el estado de la salida. Es posible también modificar el "set point" de los controladores, lo mismo que el valor de los parámetros que definen la acción de control. Para definir una interface análoga se debe especificar el tipo de alimentación, el número de canales, el direccionamiento, la resolución del convertidor y el tiempo de conversión. Las interfaces de entradas análogas reciben información de tipo análogo del proceso, tales como:" temperatura, velocidad, peso, humedad, distancia, etc., las cuales deben estar convertidas a señales normalizadas de: 4 - 20 mA O - 20 mA 0- 10V Las interfaces de salida análogas permiten el manejo de elementos finales de control del tipo análogo, tales como: válvulas, indicadores, posicionadores, etc. Producen salidas normalizadas de: 4 - 20 mA 0- 20 mA 0-10 V 3.4 PROGRAMACIÓN DE UN PLC El funcionamiento interno de un PLC está determinado por el programa monitor. El usuario no tiene posibilidad de acceder a dicho programa. Con el programa de usuario se logra la adaptación a las diferentes condiciones del proceso. El programa de usuario se escribe en la memoria del usuario, en el lenguaje exigido por la unidad, y por medio del programador. Inicialmente el programa se escribe en una memoria RAM no volátil (respaldada con una batería), y luego, se puede grabar, imprimir ó traspasar a una memoria EPROM.

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La CPU (Unidad de Procesamiento Central) tiene la facultad de leer el programa del usuario y ejecutar las instrucciones contenidas, escrutar el estado de las entradas, configurar/as y transmitir el resultado a las salidas, para así controlar el proceso en la forma deseada. Para hacer la programación deben ejecutarse una serie de instrucciones, según el lenguaje de programación exigido por el PLC. 3.4.1 Comandos El teclado del programador se divide en tres partes: los comandos lógicos, los comandos de servicio, y los comandos alfanuméricos con los cuales se pueden introducir los datos. COMANDOS LÓGICOS En código internacional, los comandos lógicos que se emplean para la programación del PLC son:

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Tanto el comando MCS como el MCR permiten el ahorro de memoria al hacer la programación. Con estas funciones se pueden conectar varios órganos receptores que inician la lógica desde una sola línea. COMANDOS DE SERVICIO Se les conoce también como instrucciones de servicio. Los más utilizados en la programación del PLC son: - NEXT ó STEP+: comando para saltar paso a paso en avance una línea de programa. Permite ver el contenido de dicha línea. - PRV ó STEP-: comando para saltar paso a paso en avance una línea de programa. Permite ver el contenido de dicha línea.

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- MON: comando para monitorear ó supervisar los estados lógicos de las variables de entrada ó salida, temporizadores, contadores, registros, etc., en ejecución del programa (modo RUN). - SCH ó SRC: comando para encontrar rápidamente una instrucción de programa ó para saber en que paso del programa está una información específica. - CLR: comando para limpiar ó clarificar el contenido de una línea en el "display", no sirve para borrar la memoria. - DEL: comando para borrar instrucciones de programa en la memoria. - ENT: comando para entrar y validar una instrucción de programa en la memoria. Con la validación se pasa a la siguiente instrucción. - INS: comando para insertar una instrucción de programa en la memoria. - SET y, RST ó RES: comandos para forzar el estado lógico de entradas, salidas y relés internos. - SHF: comando con el cual se habilita el teclado que define una doble informa-ción. - STEP SET: instrucción para buscar información en una línea de instrucción deseada, es una función salto, la poseen algunos PLC. - F: comando especial para hacer funciones aritméticas, no todos los PLC lo traen. - R: comando para introducir constantes ó parámetros en los registros de datos. Al igual que el comando anterior, no todos los PLC lo poseen. - READ: comando para pasar a la memoria el contenido de un "cassette" ó un disco. El selector de funciones debe estar en LOAD. - WRITE: comando para manejar periféricos como impresora, "plotters" y otros. - CHECK: comando para verificar la transferencia adecuada del programa en el manejo de periféricos. 3.4.2 Lenguajes Los lenguajes utilizados en los PLC son específicos y de alto nivel. Los mas empleados son: Booleano, Escalera ó "Ladder" y Grafcet.

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BOOLEANO Es un lenguaje donde las ecuaciones booleanas se escriben en forma literal (las ecuaciones se suponen conocidas). Para emplearlo es necesario conocer la configuración circuital ó el diagrama de control. Es el lenguaje más utilizado. ESCALERA O "LADDER" Este lenguaje se apoya en el Booleano. Los programadores empleados en los PLC que utilizan el lenguaje de Escalera están configurados con un menú de símbolos normalizados que se trasladan a la pantalla por medio de una tecla de comando y se posicionan a voluntad, en cuatro direcciones, con la ayuda de cursores, para configurar finalmente el circuito de control deseado. Al representar cada dispositivo se le asigna un código de identificación ó instruc-ción y luego se valida hasta tener el circuito totalmente configurado y listo para que ejecute la tarea que tiene asignada. Los símbolos empleados en un diagrama de escalera están configurados con símbolos básicos tomados del código ASCII. GRAFCET Es un lenguaje de diseño para procesos secuencia les que se apoya en el lenguaje Booleano pero que no requiere conocer ni las ecuaciones booleanas en su totalidad ni el diagrama Escalera. ESTRUCTURA BÁSICA DEL LENGUAJE BOOLEANO La programación en lenguaje booleano se hace por medio del teclado del programador y consiste en una agrupación de instrucciones literales que definen la ecuación booleana de cada órgano receptor. La ecuación booleana se obtiene del diagrama de escalera según normas ANSI-NEMA. Cada instrucción en el programa del usuario consta de una línea de programación, en algunos casos de dos. Cada línea de programación contiene tres tipos de información: STEP, CODE y DATA. - STEP: indica el paso de programación ó número de la línea. Con este número se identifica la posición de la instrucción en la memoria del usuario. Se incrementa automáticamente. Puede definirse con dos ó más dígitos. - CODE: representa la operación que debe ejecutar el PLC. El código de la instrucción puede introducirse de dos formas y varía de un fabricante a otro: • Código alfabético: con abreviaturas de la expresión en inglés ó en otro idioma, para la instrucción correspondiente. Es el sistema más empleado internacionalmente y más comprensible. • Código numérico: utiliza números de un dígito. Hay algunos PLC que emplean números de dos dígitos pero son poco empleados.

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- DATA: indica el dato ó la información relacionada con las entradas u órganos de mando, con las cuales el PLC debe ejecutar la operación que se le ordena. Los datos son códigos propios de cada PLC y se introducen en forma numérica ó alfanumérica, la información se entra con el código de identificación del elemento considerado.

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3.4.3 Programación de circuitos La función de control principal (“Master Control Function”) es una instrucción conformada por dos códigos: MCS (“Master Control Set”) y MCR (“Master Control Reset”). Con esta función se puede ahorrar tiempo y memoria al hacer la programación porque permite conectar varios órganos receptores que inician la lógica desde una sola línea sin necesidad de separar la lógica. No todos los PLC la poseen.

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El máximo número de líneas horizontales que se pueden derivar de una línea inicial y el número de órganos de mando que se pueden agrupar en una misma línea, están definidos por el fabricante del equipo. PROGRAMACIÓN CON CONTADORES Los contadores se identifican con un código dado por el fabricante y sus salidas pueden ser en número limitado, únicamente por la capacidad de la memoria, de contactos abiertos ó cerrados. El conteo puede ser ascendente ó descendente y pueden responder al flanco ascendente (cuando se cierra el contacto) ó al flanco

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descendente (cuando se abre el contacto). Siempre, aliado del contador, se define el número hasta el cual debe contar.

XX: Es un pulso de RESET con código definido por el fabricante, implementado en la mayoría de los PLC. PROGRAMACIÓN CON TEMPORIZADORES Los PLC manejan muchos tipos de temporizadores:

- Al trabajo (típico). - Base de tiempo de .01, .1, 1, 10, 100, 1K. - Conteo ascendente ó descendente. - Contactos de salida con temporización simultánea ó secuencia!.

A todo temporizador se le debe definir el tiempo ó duración del retardo. Sus contactos son limitados únicamente por la capacidad de memoria y pueden ser abiertos ó cerrados. Se identifican por un código dado por el fabricante. Al lado de cada temporizador se escribe el tiempo que define el retardo.

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PROGRAMACIÓN CON SECUENCIADORES Un secuenciador es un contador paso a paso que permite activar de modo repetitivo un número determinado de salidas en un orden preestablecido. Al utilizar los contactos no se llama el contador, para que la orden la tome como secuenciador. Con un secuenciador se pueden programar tablas de verdad que establezcan comportamientos de cualquier circuito lógico ó secuencia!. Las diferentes posiciones se logran con un pulsador ó una lógica de entrada aplicada al terminal de conteo. Ejemplo: Para la siguiente tabla de verdad, realizar el circuito del secuenciador (selector de 2 salidas, 4 posiciones):

4. CONCEPTOS DE LOS SISTEMAS "SCADA". 4.1 Introducción. La expresión "SCADA" está compuesta por las iniciales de la denominación inglesa "Supervisory Control And Data Adquisition", que en nuestro idioma se traduce como "Control Supervisorio y Adquisición de Datos". Sin embargo, dado que los primeros sistemas de supervisión se originaron en los Estados Unidos, se ha generalizado el uso de las siglas SCADA para aludir a dichos sistemas. Se trata de un sistema capaz de obtener y procesar información de procesos industriales dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Esto significa que permite supervisar simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes áreas, tales como las redes de distribución eléctrica, oleoductos, gasoductos, etc. Un SCADA no debe confundirse con un Sistema de Control Distribuido (DCS, Distributed Control System), aunque actualmente los principios y tecnologías que utilizan son muy similares. Su principal diferencia consiste en que: los sistemas de control distribuido, normalmente se usan para controlar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetro de una planta; por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los de una planta de GLP, etc. El SCADA describe un número de unidades terminales remotas RTU's, (Remote Terminal Units) instaladas en las cercanías del proceso, las cuales se comunican con una estación maestra MTU, (Master Terminal Station) ubicada en una sala de control central. Una RTU es un sistema que cuenta con un microprocesador e interfaces de entrada y salida tanto analógicas como digitales que permiten tomar la información del proceso provista por los dispositivos de instrumentación y control en una localidad remota y, utilizando técnicas de transmisión de datos, enviarla al sistema centralizado maestro. La MTU, bajo un software de control, permite la adquisición de los datos a través de todas las RTU’s ubicadas remotamente y brinda la capacidad de ejecutar comandos de control remoto cuando es requerido por el operador. Los datos adquiridos por la MTU se presenta a través de una interfaz gráfica en forma comprensible y utilizable, y más aun esta información puede ser impresa en un reporte. El sistema SCADA es la tecnología que permite la captura y control de variables de diferentes puntos de medición en lugares remotos, inaccesibles o inconvenientes. La información capturada es transmitida a un lugar conveniente (normalmente en una Sala de Control) y presentada de una manera compresible y utilizable. En resumen el SCADA es un sistema de Telemetría. 4.2 Funciones del sistema SCADA. Las funciones básicas de un sistema SCADA son las que se describen a continuación:

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• Supervisión Remota de Instalaciones. Mediante esta función, una de las principales del sistema SCADA, el usuario es capaz de conocer el estado de las instalaciones bajo su responsabilidad y coordinar eficientemente las labores de producción y mantenimiento en el campo. El intervalo de recolección periódica de la información del campo depende de las dimensiones, pero generalmente está en el orden de unos cuantos milisegundos.

• Control Remoto de Instalaciones. Los sistemas SCADA permiten activar o

desactivar equipos remotos (Por ejemplo: Interruptores, Transformadores, bombas, válvulas, compresores, etc.) de manera automática o a solicitud del operador. Igualmente es posible realizar ajustes en parámetros en lazos de control analógicos (punto de consigna).

• Procesamiento de Información. En algunos casos, los datos capturados

requieren procesamiento adicional, a efectos de consolidar información proveniente de diferentes lugares remotos, como por ejemplo de balance de masa entre diferentes instalaciones.

• Presentación de Gráficos Dinámicos. Esto se refiere al despliegue de

pantallas con el diagrama del proceso conteniendo información instantánea del comportamiento del mismo.

• Generación de Reportes. Los sistemas SCADA permiten la generación

automática o a petición de reportes impresos de producción y balances. • Presentación de Alarmas. Mediante esta función se alerta al operador sobre

la ocurrencia de condiciones anormales o eventos que pudieran requerir su intervención. Normalmente, la criticidad del evento o alarma se. indica mediante el uso de colores y/o señales auditivas. Las alarmas se registran para análisis posteriores.

• Almacenamiento de Información Histórica. Los sistemas SCADA

permiten registrar y almacenar información operacional y alarmas. Por ejemplo, se pueden llevar datos de los últimos 5 minutos, 1 hora, 1 día, 1 mes y hasta un año.

• Presentación de Gráficos de Tendencias. Con información en tiempo real

o histórico, se pueden construir gráficos e inferir el comportamiento de variables operacionales en el tiempo.

• Programación de Eventos. Se refiere a la posibilidad de programar en el

tiempo de ejecución la generación de reportes, despliegue de diagramas del proceso o activación de tareas o comandos del sistema.

Otras funciones, no asociadas directamente a las operaciones en una sala de control, pero igualmente importantes serían: • Diagnóstico de hardware y software.

CONCEPTOS DE LOS SISTEMAS SCADA

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• Sistemas automatizados de mantenimiento preventivo y correctivo • Integración con otros sistemas operacionales. • Integración con sistemas de información divisionales. • Herramientas propias de desarrollo y mantenimiento del sistema operativo y

lenguajes de la unidad terminal remota y la unidad terminal maestra. • Calibración de equipos. De lo mencionado anteriormente podemos decir que en un sistema SCADA existen tres tareas críticas a ejecutarse:

1. Recolección periódica, procesamiento y monitoreo de información del sistema a controlar.

2. Control remoto de dispositivos y reemplazo de valores en la base de datos del sistema.

3. Presentación de despliegues y alarmas a los operadores del sistema. 4.3 Elementos básicos de los sistemas SCADA.

Elementos básicos de los sistemas SCADA

FIGURA 4.1 En la figura se muestran los elementos básicos que constituyen a los sistemas SCADA, a saber:

a. Unidad Terminal Maestra (MTU) e. Interfaz Humano - Maquina.

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b. Canales o Medios de Comunicación. c. Unidades Remotas. d. Transductores.

a. Unidad terminal maestra (MTU) e interfaz humano - máquina (HMI). El elemento central de control de un sistema de adquisición de datos y control supervisorio es denominado Unidad Terminal Maestra (MTU) o Estación Maestra. Este término ha sido comúnmente utilizado para designar al sistema electrónico de computación que adquiere toda la información procedente de las unidades terminales remotas y que la presenta de una forma a una RTU para ejecutar una acción de control remoto. La capacidad funcional de una estación maestra incluye todas las tareas de recolección de datos y envío de comandos remotos. Adicionalmente las funciones de la MTU incluyen el almacenamiento de la información histórica, programación, despacho y ejecución de tareas específicas tales como reportes y contabilidad de producción. La transmisión de datos entre la estación maestra y las remotas generalmente se inicia por la primera, ya que el modo general de operación es la continua información almacenada en la RTU. Esto significa que los mensajes de interrogación se transmiten a cada RTU de forma secuencial y luego que todas son interrogadas, el proceso vuelve a comenzar. La estación maestra es generalmente un minicomputador o un microcomputador de altas prestaciones que contiene módulos de "software", los cuales consisten en programas de aplicación específicos para llevar a cabo cada una de las tareas de la unidad. Cada módulo de "software" está interrelacionado con el resto para realizar la adquisición, el procesamiento y el almacenamiento de datos, la presentación de despliegues alarmas, generación de reportes, envíos de comandos, etc. Las funciones de un sistema computacional maestro son gobernadas por el sistema operativo. El almacenamiento y adquisición de datos, la interfaz humano - máquina y demás programas de aplicación son todas funciones de software dentro del sistema computacional basadas en las capacidades que ofrece su sistema operativo. El operador sentado frente a una consola de operación, la cual cuenta con una unidad de despliegues visuales y un teclado, y un sistema independiente conectado a él, es capaz de monitorear y controlar las operaciones de un proceso remoto. Sin embargo, todas las funciones son gobernadas mediante software. Las aplicaciones SCADA se consideran funciones en tiempo real, en las cuales los programas operan continuamente basados en una secuencia de reloj y pueden


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operar ciertas funciones de un programa sobre la base de las interrupciones generadas, por lo tanto ciertos eventos en el proceso pueden afectar la ejecución de un programa mediante la generación de interrupciones las cuales tienen asignadas niveles de prioridad. Los sistemas computacionales en tiempo real tienen múltiples niveles de interrupción, con el más alto nivel signado a las tareas más importantes o críticas. Sistema de Alarmas: El sistema de alarmas es responsable del monitoreo y reporte de las mismas. Una señal de alarma es sencillamente una señal (analógica o digital) que tiene información asociada a ella y que es utilizada para determinar condiciones anormales de funcionamiento. Cuando el valor o estado de una señal está fuera de operación normal, se dice que la señal está en alarma. Tan pronto una alarma es detectada, el sistema de alarmas informa de la condición de la misma a través de las estaciones de trabajo, las impresoras y dispositivos audibles. El sistema permite observar el listado de alarmas a través de una opción denominada "ALARM SUMMARY" (Resumen de Alarmas ). Un mensaje de alarma contiene información referente al lugar de procedencia y al grado de importancia que posee dentro del proceso. Esto constituye la!: características de la alarma, a saber: Tipo de Alarma: El tipo de alarma describe cual fue la condición que generó la alarma. La!: condiciones que causan una alarma dependen si la señal es analógica e discreta, y el grado de prioridad que posea. Alarmas de Señales Analógicas: Una de las funciones de las RTU's es la detección de alarmas la cual es generada cuando el valor de la señal excede su rango normal de operación sobrepasando sus límites. Dichos límites son constituidos por valores que pueden ser constantes o variables, información la cual se encuentra almacenada en la RTU. Una señal analógica puede tener cuatro límites posibles: - Muy alto (High- High). - Alto (High). - Bajo (Low). - Muy Bajo (Low- Low). El rango normal de operación está entre el límite alto y bajo. Los límites muy alto y muy bajo son utilizados para indicar una señal que ha excedido los niveles máximos permitidos.

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Además de que es importante conocer cuando una señal entra en alarma, es también importante saber cuando la señal deja la condición de alarma, reportando al momento de su ocurrencia en campo el retorno a su condición normal. Hay casos en que el valor de una señal oscila cerca de un límite de alarma provocando que entre y salga del estado de alarma repetidamente, ocasionando al operador molestias innecesarias. Para evitar lo anterior, se coloca un rango dentro del cual estas variaciones no son consideradas como alarmas. Esto es conocido como banda muerta, estableciendo ésta según la condición del instrumento. Alarmas de Señales Discretas: Una señal discreta es una señal que representa un estado, tal como abierto/cerrado, verdadero/falso, encendido/apagado, etc. La prioridad de una alarma le indica al operador la importancia de la misma dentro del sistema. Dependiendo de la prioridad, el mensaje de la alarma aparecerá en pantalla con colores diferentes. En el sistema existen cuatro niveles de prioridad de alarma: crítica, no crítica, guía del operador, y señalización del evento. Niveles de prioridad de alarmas: Cuando una señal se encuentra en estado de alarma su presentación en la pantalla depende de su tipo y prioridad. Cualquier alarma estará inicialmente intermitente para indicar que no ha sido reconocida por el operador. Cuando ésta es reconocida, inmediatamente se detiene la intermitencia y permanecen en rojo. El color informa sobre la prioridad y tipo de alarma. Los colores usados comúnmente son el rojo, amarillo, gris y azul.

Tabla 1. Nivel de prioridad de alarmas

Sistema de Tendencias. Una tendencia es la representación gráfica del comportamiento de una variable analógica en un período determinado de tiempo.


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El sistema de tendencias está conformado por un conjunto de programas que permiten preservar la variable como un gráfico multicolor configurable de forma interactiva en la pantalla. Permite además, configurar un gráfico de tendencia en función de un punto de selección. La información que conforma una tendencia puede ser representada de dos maneras diferentes: la primera, consiste en un gráfico donde se presenta el valor de una variable (eje vertical) en el tiempo (eje horizontal); y la segunda consiste en un gráfico del comportamiento de una variable con respecto a la otra. Un gráfico puede contener hasta seis variables y el valor de cada variable puede estar representado por un color diferente. La escala es configurable y puede ser diferente en cada variable. Igualmente, la base de tiempo es seleccionable y todas las variables tendrán la misma base de tiempo. También existe la opción de representar las variables de cada una en una selección o ventanas independientes del despliegue. En el caso de las tendencias históricas se presenta la información que ha sido almacenada en la base de datos histórica. Por tanto, requiere que el punto seleccionado esté definido en la misma aplicando las restricciones definidas para los datos históricos en cuanto a observaciones y permanencia. Para desplegar tendencias en tiempo real la información es colectada cada cinco segundos de la base de datos y plasmada en pantalla. Este data no es almacenable ni recuperable una vez que se cierra la ventana de tendencias. Con el fin de garantizar la confiabilidad de las operaciones, el sistema SCADA está diseñado con recursos redundantes, duplicando el procesamiento de los datos y sus periféricos más críticos. La MTU consta de dos computadores dispuestos en una configuración maestra redundante, en las cuales se ejecuta el software del servidor bajo un sistema operativo en tiempo real, multiusuario, multitarea y con interfaz gráfica de ventanas (por ejemplo Open VMS) y donde se va almacenando la información de campo en una base de datos de tiempo real. Ésta información puede ser almacenada a su vez en bases de datos históricas y de tendencias, en las cuales además pueden definirse cálculos sobre señales de las bases de datos real e histórica. Los datos en tiempo real, históricos y toda la información necesaria es enviada a las estaciones de operación a través de una red local o a través de módem. Cada uno de los computadores que constituyen el conjunto MTU, es capaz de operar independientemente y están configurados en "Host - Stand by", de tal manera que una unidad se considera la principal o en línea mientras la otra se considera de respaldo. La maestra de respaldo se mantiene energizada y debe contar con la información de la base de datos, despliegues, cargas, etc. Actualizados. Esto permite asumir el

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completo control del sistema al ocurrir una falla en la maestra principal. Este tipo de configuración permite maximizar la disponibilidad y confiabilidad del sistema. La estación de trabajo es el principal recurso a través del cual el operador es notificado de los cambios en las condiciones del proceso. Consiste básicamente de un computador personal, un monitor a color, un teclado y un ratón (mouse). La información se despliega en la pantalla de la estación de trabajo a través del software Windows que es ejecutado bajo el soporte del sistema operativo OS/2. Este software presenta al operador la información en diversas formas, tal como despliegues de gráficos, tendencias y mensajes de alarmas. Adicionalmente permite imprimir y almacenar las alarmas generadas en la red de controladores. El operador puede imprimir reportes diarios de los mensajes así como también un reporte general del sistema. b. Canales o medios de comunicación. La efectividad y confiabilidad operacional de un sistema SCADA depende en gran medida de la transmisión de datos entre la estación maestra y las unidades terminales remotas, por lo tanto, debe ser provisto de un medio a través del cual se establezca el intercambio de datos entre éstas unidades de una forma coordinada, confiable y segura. Para establecer intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación maestra sólo se requiere un medio de comunicación, como por ejemplo una línea telefónica, un radio enlace, un enlace de microondas o satelital, cable coaxial o fibra óptica y un protocolo de transmisión de datos. Los fabricantes de equipos para sistemas SCADA emplean diferentes protocolos de comunicación y no existe un estándar para la estructura de los mensajes, sin embargo existen estándares internacionales que regulan el diseño de las interfaces de comunicación entre los equipos del sistema SCADA y equipos de transmisión de datos. De acuerdo a lo expresado anteriormente, el sistema de comunicación que forma parte de un sistema SCADA es el conjunto de elementos, dispositivos y equipos de transmisión de datos a través de los cuales se realiza el intercambio efectivo de mensajes entre las RTU's y la MTU. Entre los componentes del sistema de comunicación de un SCADA típico, se encuentran las interfaces de comunicación digital, módems, medios de transmisión de datos, el computador frontal de comunicaciones. (CFE, Communication Front End) y el protocolo de comunicación. Interfaces de Comunicación Digital. Las interfaces de comunicación digital son circuitos que permiten interconectar un equipo terminal de datos y un equipo terminal del circuito de datos para la


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transferencia de datos, señales de control y temporización entre ellos. Por lo tanto, es un vínculo que permite que señales digitales pasen de un equipo emisor a otro receptor con las características deseadas. Existe un gran número de interfaces estandarizadas, y un ejemplo de ello es la popular RS-232C. Una interfaz de comunicación digital se caracteriza por un tipo de conector específico (nivel mecánico), tensión y corrientes de operación (nivel eléctrico) y una señalización (nivel lógico). Módem. Un "módem" es aquel dispositivo que convierte las señales digitales provenientes de un equipo terminal de datos, en señales aptas para ser transmitidas eficazmente para canales de comunicación analógicos. Por otro lado, convierte en el extremo terminal de un circuito teleinformático, las señales analógicas que entrega la red, en señales digitales aptas para ser procesadas por el equipo terminal de datos, ubicado en el extremo receptor. Estos dispositivos son precisamente utilizados para interconectar equipos terminales de datos digitales, como lo son las RTU's y la estación maestra, utilizando para ello bien sea un canal de radio o un canal telefónico. Las funciones básicas de un módem son la decodificación y la modulación, consecuentemente las funciones inversas, decodificación y demodulación.

Esquema básico de un módem.

FIGURA 4.2 Entre las características más importantes de un módem está el tipo de modulación que emplea, el tipo de transmisión, el control de flujo de datos y la velocidad de transmisión. Medios de Transmisión de Datos.

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Uno de los elementos principales para llevar a cabo el diálogo entre equipos terminales de datos es el medio físico por el cual se propaga la información. En los sistemas SCADA se utilizan distintos medios de transmisión de información a lo largo de todo el proceso que involucra tomar una medición de un fenómeno físico hasta mostrarla mediante un computador. Algunos de estos medios son: • Cable de Par Trenzado. • Sistemas de Enlaces de Radio (VHF, UHF y Microondas). • Sistemas basados en Redes Celulares. • Sistemas basados en Redes Satelitales. Procesador Frontal de Comunicaciones. En los sistemas distribuidos donde un computador central puede tener conectados un gran número de equipos terminales, éste debe encargarse simultáneamente de las siguientes tareas: • Procesamiento de datos propios de la aplicación que ejecuta dicho

procesador. • Manejo de las comunicaciones de datos entre el prosador y los equipos

terminales conectados al mismo. Algunos computadores, denominados de "configuración aislada", están especialmente diseñados para manejar de forma simultánea ambos procesos. Otros sistemas de computación, denominados de "configuración delantera", tienen las funciones de procesamiento de datos y de comunicaciones separadas. Precisamente el nombre está dado porque poseen un equipamiento auxiliar denominado "procesador frontal de comunicaciones". En los sistemas organizados de esta manera existe una clara diferencia entre el procesamiento de datos por un lado y el manejo de las comunicaciones por el otro. A estos equipos se les conoce como controladores frontales de comunicación, pues su misión es controlar la transmisión de datos entre el computador central y los equipos terminales remotos. Están capacitados para realizar el máximo posible de funciones relacionadas con las comunicaciones, a efectos de que la unidad central de procesamiento del equipo principal, tenga una menor carga de trabajo. Protocolo de Comunicación. La información transmitida entre la unidad remota y la unidad maestra va "empaquetada" en un lenguaje y un formato conocido tanto por el emisor como


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por el receptor. Es la única forma de que un extremo pueda interpretar correctamente el (los) mensaje (s) por el otro extremo. Para que pueda tener éxito la comunicación debe haber compatibilidad en dos niveles básicos: el que se refiere a las señales eléctricas presente en el medio de comunicación y el que se refiere a la interpretación de tales señales como información. En sistemas prácticos, se utilizan más de dos niveles para incluir mayor información (por ejemplo direccionalidad en ambiente de redes). Con base en lo explicado anteriormente, la interfaz entre los diferentes equipos se definen dividiendo el manejo de información en niveles o capas, cada una usando los servicios suministrados por las capas debajo de ellas y agregando información o capacidad adicional. En el modelo de capas, el nivel 1 define las características eléctricas, mecánicas y funcionales de la interfaz, lo cual permite intercambiar unos (1) Y ceros (O) lógicos; se definen voltajes, cables y conexiones y se establecen secuencias de control. Este nivel también es conocido como capa física. El nivel 2 se refiere al formato de mensajes, detección de errores y exactitud de la transmisión. El nivel 3 se refiere al enrutamiento de mensajes, dependiendo del tipo de red utilizada. El intercambio de información en un sistema de transmisión de datos exige una serie de pasos bien definidos o diálogo entre las estaciones transmisoras y receptoras. Estos pasos son: • La determinación o selección de un circuito dado entre las estaciones. • El pedido o demanda para transmisión o recepción de información. • La verificación de que la información no contiene errores. • La repetición de un bloque de información que ha sido recibido con errores. • La finalización de la transmisión. • La supervisión, control y sincronización de las estaciones en el caso de

transmisión sincrónica. "Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a las unidades remotas y maestra el intercambio de información". Los protocolos empleados dependen si el control se efectúa mediante caracteres especiales o por conteo de byte s o bit por bit. Típicamente, en los sistemas SCADA los protocolos utilizados son orientados a bit debido a que la naturaleza de

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la secuencia de intercambio de mensajes entre la estación maestra y las RTU's, son del tipo direccionamiento y envío. Para la utilización de este tipo de protocolo se ha creado una estructura de bloques o entramado general para el intercambio de información, comandos ':1 reconocimientos que se muestra a continuación:

Estructura de bloques para el intercambio de información.

FIGURA 4.3 El campo bandera permite la sincronización del sistema, el campo de dirección identifica las dos estaciones entre las cuales se establece la transacción de datos y el campo de control contiene 8 bits para la identificación de comandos o respuestas en forma codificada. En el campo de información se localiza la data a transmitir entre los equipos terminales de datos fuente y destino. A través del último campo se puede realizar la verificación de errores (Chequeo de Errores), garantizando la integridad de la información. En el mercado existe una diversidad considerable de protocolos, muchos de los cuales han sido desarrollados en forma individual por cada fabricante (denominados protocolos propietarios), y otros han sido producto del consenso de varias empresas en búsqueda de una estandarización (denominados protocolos abiertos) obteniendo la posibilidad de integración de dispositivos de diversas marcas comercia/es. A continuación se presentan las características básicas de algunos protocolos utilizados por Unidades Remotas de los Sistemas SCADA: MODBUS: Trabaja bajo la filosofía Maestro - Esclavo, donde el maestro controla toda la actividad de transmisión de datos, interrogando en un instante de tiempo distinto a cada unidad esclava (proceso conocido como polling). Es muy utilizado en los Controladores Lógicos Programables (PLC), y debido a su naturaleza, puede facilitar el uso de PLC como Unidad Remota de un Sistema SCADA. Puede direccionar hasta 254 esclavos. Opera sobre una interfaz de conexión basada en el estándar IEEE RS-485; que define el número y disposición física de los conductores, así como los valores de tensión correspondientes a cada nivel lógico. Distributed Network Protocol (DNP): Permite la implementación de sistemas Maestro - Esclavo que posean una o más estaciones Maestras, así como la operación en diversos modos que permiten la transmisión de datos desde /a


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Unidades Terminales Remotas (RTU) a petición de la Unidad Maestra, o exclusivamente cuando se presenten estados de alarma. Es por ello que su uso se ha generalizado sobre las RTU. Bristol Standard Asvnchronous Protocol (BSAP): Es un protocolo propietario orientado a bit en el cual la estación central siempre interroga a la RTU, y ésta puede contestar según el estado de sus variables. La información es transmitida por Modulación de Duración de Pulsación (PDM). IEC 870-5: Es un protocolo que se aplica para equipos y sistemas de Telecontrol con transmisión de datos con codificación serial de bit. Este es orientado por bytes y se basa en un modelo de referencia de tres capas. La capa Física preserva un alto nivel de integridad de la información del método de codificación de bloque. La capa de enlace utiliza una selección de formatos para proporcionar la integridad / eficiencia y conveniencia de transmisión requerida. La capa de aplicación contiene un número de "Funciones de Aplicación" que envuelven la transmisión de "ASDU's" entre la fuente y el destino. c. Unidades terminales remotas (RTU's). Para el sistema SCADA el uso de un tipo determinado de unidad remota responde a las necesidades e importancia del proceso a supervisar y/a controlar, en consecuencia de las elementos constitutivos del sistema se describen a continuación las unidades remotas RTU's y PLC como elementos de suma importancia en la supervisión y/o control de las variables de un proceso determinado. El concepto de RTU se muestra a continuación:

Las Unidades Terminales Remotas (RTU's. Remote Terminal Units) son dispositivos de adquisición de datos y control en campo, cuya función principal es hacer de interfaz entre los equipos de instrumentación y

control local y el sistema de adquisición de datos y control supervisario. La arquitectura de la unidad terminal remota consta típicamente de: a. Módulo de Entrada y módulo de salida. b. Módulo de Control. c. Módulo de Procesamiento de Información (CPU). d. Módulo de Comunicaciones. e. Módulo de Sincronización de Tiempo (GPS).

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a. Módulo de entrada y módulo de salida. Una RTU cuenta con módulos de entradas/salidas los cuales son conectados al sistema de instrumentación y control local. Los módulos de entrada tiener como función adquirir la información suministrada por la instrumentación de campo y el sistema de control local y, acondicionarla a los niveles de operación adecuados. El módulo de entrada permite el manejo de información discreta y analógica, siendo el tratamiento de cada una diferente. La información discreta normalmente es tomada a través de un panel de interconexión el cual releva las señales de campo y viene representada come dos niveles de voltaje, siendo esto convertido en información digital por el módulo de entrada a fin de ser procesada. Es de hacer notar que: La información analógica obtenida de campo típicamente viene representada en voltajes de 0 a 5 voltios o por un flujo de corriente de 0 a 1 mA. El módulo de entrada analógico procesa esta información mediante un convertidor analógico / digital (A/D) transformándola en información binaria a fin de que pueda ser procesada por el módulo procesador de información. Los módulos de salida tienen como función dar al proceso las señales de control, digitales o analógicas, provenientes del sistema SCADA. Las mismas siguen el proceso inverso que en el módulo de entrada, ya que de formato binario deben ser transformadas a los niveles adecuados de campo para las señales discretas y en un valor proporcional a la acción de control en señales de control analógico. b. Módulo de control. Este módulo tiene como función el registro, recepción y transmisión de los comandos de control recibidos desde la unidad maestra o sistema supervisorio. Deberá garantizar la confiabilidad de la operación mediante el uso de mecanismo de seguridad y detección de errores. En general, el módulo de control recibe los mensajes de la unidad maestra y se realiza la comprobación del código para determinar si no se ha incurrido en algún error de transmisión. Tras efectuar la comprobación del código y la decodificación de la dirección en forma satisfactoria se envía un mensaje de respuesta a la estación o unidad maestra. c. Módulo de procesamiento de información (CPU).


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La CPU es la unidad controladora de todas las funciones de la unidad terminal remota, ya que dirige todas las transferencias de información (datos) entre los registros y las localidades de memoria, y controla las interrupciones de la interfaz de comunicación la cual envía la información de la RTU a la unidad maestra. El microprocesador de la RTU contiene una serie de registros destinados al almacenamiento temporal de instrucciones, direcciones de memoria y/o resultados de ciertas operaciones. Esta unidad central de procesamiento es la encargada, como su nombre lo indica, de procesar la información adquirida del campo o transmitida por la unidad maestra, con la finalidad de ejecutar la tarea correspondiente, bien sea una acción de controlo de comunicación. Las funciones de procesamiento de datos de la RTU se conocen en una secuencia determinada por el software de la misma. Los datos e instrucciones se almacenan en módulos de memoria RAM y/o ROM y las instrucciones del programa son secuenciadas por un reloj de tiempo real. Este módulo coloca una marca de tiempo con precisión de 1 milisegundo a los eventos registrados. d. Módulo de comunicaciones. Este módulo se encarga de codificar la información recibida del campo para poder ser transmitida por los canales de comunicación; de igual manera la información recibida de la estación maestra es procesada por este módulo y decodificado. Motivado a que la transmisión de información es realizada entre equipos remotos y mediante el uso de canales de comunicación con ancho de banda limitado, se requiere que la información sea adecuada y codificada en forma idónea, incluyendo métodos de verificación de error. En la industria no existe un estándar en cuanto a comunicaciones remotas y protocolos por lo cual cada fabricante posee un método diferente de agrupamiento de la información, con sus esquemas propios de verificación de error. Notas sobre las RTU 's: • Una unidad terminal remota tiene la capacidad de monitorear un número de

entradas / salidas (l/O) relacionadas con un proceso, analizar y mantener datos en tiempo real, ejecutar algoritmos de control programados por el usuario, comunicarse con la estación maestra y en algunos casos, con otras estaciones remotas.

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• La RTU realiza una exploración periódica de las variables del proceso y, a través de un módulo de comunicación permite el intercambio de dicha información con una estación maestra (MTU) ubicada en una sala de control central, utilizando diversos medios de comunicación: línea telefónica, UHF / VHF, microondas, satélite, fibra óptica u otro medio, a través de puertos auxiliares con otras estaciones remotas y/o terminales portátiles. El protocolo de comunicación, estructura del mensaje y técnicas de corrección de errores son propias de cada fabricante.

• La tecnología de estado sólido ha revolucionado el diseño electrónico de las

RTU's en los últimos años, extendiéndose al uso de unidades microprocesadoras equipadas con memoria tipo de solo lectura y borrada electrónicamente (Electronic Erase Programmable Read Only Memory, EEPROM) y del tipo de Acceso Directo (Random Acces Memory, RAM) respaldada con batería de litio para salvaguardar la programación en caso de fallas eléctricas. A las RTU's también les son incorporadas una interfaz humano - máquina (HMI, Human Machine Interace), capacidades de comunicación con sistemas de medición, transductores, controladores lógicos programables (PLC), etc.

e. Transductores. Los transductores constituyen uno de los elementos de mayor relevancia para el sistema SCADA. El correcto dimensionamiento de los transductores y la correcta calibración de estos con el sistema SCADA, permiten un funcionamiento preciso y óptimo del sistema al momento de realizarse las acciones de supervisión del sistema de potencia. La instrumentación es un área específica de la ingeniería de automatización y control de procesos la cual comprende la medición de cantidades físicas asociadas a los mismos. En toda acción de supervisión y/o control de algún proceso se requiere el manejo de variables de estado del mismo. Los instrumentos de campo cumplen con las funciones de convertir una variable física, comúnmente, en una señal eléctrica, en un rango manejable por el próximo elemento en la cadena de adquisición de información. Un instrumento está compuesto por el elemento sensor, llamado también transductor, que transforma el fenómeno físico que se está midiendo en una señal eléctrica y, el elemento acondicionador que adecúa el nivel de tensión o de corriente de la señal de salida del instrumento.


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La señal eléctrica de salida de un instrumento puede ser: • Analógica: de 4 a 20 mA, 1 a 5 Vdc, 10 a 50 mV, tales como las mediciones

de flujo, presión y temperatura. • Digital: 0 a 24 Vdc. Tales como interruptores de nivel, estado de bombas y

compresores. • Frecuencia de pulsos: como en el caso de controladores de flujo. Actualmente, existen instrumentos de medición de cantidades analógicas cuyas salidas son digitales, directamente compatibles con dispositivos microprocesadores. Las características que definen la calidad de un instrumento son: → Mínima inferencia en el proceso. → Exactitud. → Linealidad. → Rango de operación (entrada, salida, frecuencia). → Estabilidad (susceptibilidad ante vibración, temperatura, humedad, polvo, etc.) → Impedancia de salida → Tiempo de respuesta. Clasificación de los transductores de corriente según el Estándar ISA-S50.1. Tres tipos de lazos de control por corriente están definidos en el estándar ISA-S50.1. Cada uno está compuesto de una fuente de poder, un transductor y un receptor. Estos sistemas están designados como tipo 2, 3 o 4 dependiendo del número de conductores que utilice el transductor. El sistema tipo 2 utiliza el mismo par de cables para conducir la potencia que alimenta al transductor y también la señal 4 - 20mA. El sistema tipo 3 conduce la potencia para el transductor por un cable, y utiliza otro para transmitir la señal 4-20mA con un retorno común a ambos. El sistema 4 utiliza dos cables para alimentar de potencia al transductor, y otros dos cables para conducir la señal 4-20mA.

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Tipos de lazos de control por corriente FIGURA 4.3

Adicionalmente a la clasificación por los tipos, los transductores pueden ser clasificados según tres clases (L, H, U). Estas letras son utilizadas como sufijo para definir el valor de la resistencia de carga externa a la que el transductor es capaz de entregar la corriente requerida a un mínimo de tensión de la fuente de alimentación. Como se indica en la figura 4, el receptor contiene una resistencia que convierte la corriente transmitida en una tensión, en concordancia con la Ley de Ohm. Por ejemplo, un transductor clase 2L es capaz de enviar la señal de corriente a través de una resistencia de carga de 300 Ohm mediante una alimentación mínima de 23V. La curva de comportamiento de un instrumento (señal de entrada vs. señal de salida), no siempre es lineal, es más bien una curva. Sin embargo, para ciertos rangos de operación los valores de la curva se pueden aproximar con una línea recta. La selección del tipo de instrumento a usar está determinada por el proceso o variable física a medir además, normalmente se establece un compromiso entre la calidad requerida y consideraciones de costo. Casi toda cantidad física puede ser convertida en una señal eléctrica con un transductor disponible comercialmente. Los transductores analógicos más comunes son de temperatura, presión, nivel, flujo, velocidad, posición, fuerza, humedad, potencia eléctrica, tensión, corriente, factor de potencia, etc. Entre los detectores discretos existen: Detectores de nivel alto/bajo, detectores de presión alta/baja y detectores de flujo / no flujo.


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BIBLIOGRAFIA

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LOPEZ, Juan C – TOVAR, Mario. Fundamentos para instrumentación y calibración de equipos en una batería de producción.

VALENCIA, Hernán. Controladores lógicos programables (PLC)

mÓdulo de instrumentaciÓn

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