Instrumentación Industrial: Conceptos, Tipos y Técnicas de Control

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¿Qué es la Instrumentación Industrial?

Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo.

Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:

  1. Sensar o captar una variable
  2. Acondicionar una variable dada
  3. Transmitir una variable
  4. Controlar una variable
  5. Indicar la magnitud de una variable
  6. Totalizar una variable
  7. Registrar una variable
  8. Convertir una variable
  9. Alarmar por magnitud una variable
  10. Interrumpir o permitir una secuencia dada
  11. Transmitir una señal
  12. Amplificar una señal
  13. Manipular una variable del proceso, etc.

Clasificación de los Instrumentos Industriales

Clasificar los instrumentos industriales implica entrar a un tema muy amplio, ya que se requiere un conocimiento tanto teórico como práctico en la aplicación industrial de estos equipos.

De acuerdo a la experiencia, se tratará de hacer algunas clasificaciones en forma breve y lo más explícito posible para el lector:

  1. Por su aplicación:
    1. Neumáticos
    2. Hidráulicos
    3. Eléctricos
    4. Electrónicos
    5. Electromecánicos
    6. Mixtos
    7. Transductores
    8. Amplificadores
    9. Indicadores
    10. Analizadores
    11. Estación de operador
    12. Estación de control
    13. Estación de transferencia
    14. Relevador de cálculo
  2. Por su localización:
    1. Instalados en campo
    2. Instalados localmente
    3. Instalados en tablero principal
    4. Instalados remotamente
  3. Por su tecnología:
    1. Sistemas discretos
    2. Sistemas de control digital directo
    3. Sistemas de supervisión
    4. Sistemas de control supervisorio
    5. Sistemas de control supervisorio y adquisición de datos
    6. Sistemas de control distribuido
    7. Sistemas de control avanzado
    8. Sistemas de control adaptables
    9. Sistemas expertos

Características de los Instrumentos

El sensor o captor

Este es el instrumento capaz de captar las variaciones de las magnitudes o intensidades de las variables, tales como:

  1. Temperatura
  2. Nivel
  3. Flujo
  4. Presión
  5. Conductividad
  6. PH
  7. Tensión eléctrica
  8. Potencia eléctrica
  9. Revoluciones por minuto
  10. Posición
  11. Intensidad de radiación
  12. Turbidez
  13. Intensidad luminosa
  14. Consistencia, etc.

Este instrumento puede estar como elemento unitario o integrado a un transmisor según sea el tipo de aplicación.

Técnicas de Control

Introducción

A medida que avanza la tecnología aplicada en la fabricación de los instrumentos industriales, los usuarios tienen en sus manos cada día herramientas más poderosas para fabricar los productos con mayor calidad a costos bajos y tiempos de entrega más cortos. Implementar una técnica de control a un proceso dado, implica un conocimiento amplio sobre la dinámica del proceso y de todas las variables que intervienen en él, además de tener presente los algoritmos de control de cada lazo.

Independientemente del sistema de control que se aplique a un proceso dado, los algoritmos y las estrategias son aplicables. Estas estrategias se aplican con el fin de lograr un control regulatorio óptimo sobre la variable o variables de interés, las cuales toman estados inestables en la operación normal del proceso, como resultado de las perturbaciones internas y externas al proceso. En consecuencia, el funcionamiento correcto de un sistema de control está determinado por la naturaleza del proceso, de las características de los lazos de control y de los ruidos externos.

Perturbaciones o Ruidos en el Proceso

En una planta industrial, por condiciones mismas de la carga existente para su operación, el ruido está implícito en ellas, por lo tanto, hay que tomar en cuenta sus efectos en la regulación de alguna variable.

Los ruidos son de distintos tipos, como son:

  1. Ruidos eléctricos:
    1. Variación de tensión
    2. Variación de corriente
    3. Armónicas en la señal eléctrica
    4. Factor de potencia
    5. Cortos circuitos
    6. Inductivos
    7. Por semiconductores
    8. Etc.
  2. Ruidos térmicos:
    1. Temperatura ambiente
    2. Constante térmica de los materiales
    3. Reacciones exotérmicas
  3. Ruidos por tiempos muertos:
    1. En motores
    2. En tanques
    3. En tuberías
    4. En reacciones químicas
    5. En transmisiones de señal electrónicas
    6. En transmisiones de señales eléctricas
    7. En transmisiones de señales mecánicas
    8. Etc.
  4. Ruidos por transmisión de señales:
    1. Vía inalámbrica

Técnicas de Control

En la industria, la aplicación del control retroalimentado en un proceso para regular la magnitud de una variable en un valor deseado es común. En algunos casos el error estático existente es pequeño y es relativamente sencillo mejorar el control a través de correcciones simples, pero en ocasiones no es posible, ya que, por condiciones del proceso se tiene un error estático considerable y/o inestable.

Antes de aplicar una técnica de control diferente a la retroalimentada en un proceso, es importante tomar en cuenta que un regulador instalado, al iniciar su operación, requiere de una sintonización en línea sin importar la calidad de esta.

Si por algún motivo no es posible reducir el error estático a la inestabilidad del proceso, se debe pensar entonces en la estrategia de control, para mejorar la respuesta de esa variable en función a la calidad del producto.

Técnicas o Estrategias de Control

  1. Control retroalimentado
  2. Control anticipativo
  3. Control en cascada
  4. Control de relación
  5. Control selectivo
  6. Control de set point programable
  7. Control de set point programable cíclico
  8. Control de rango dividido
  9. Control de ajuste de punto final

Control retroalimentado (feed back)

Objetivo: Mantener constante una variable en un valor deseado o variable a través del tiempo.

El control retroalimentado es la forma más simple de aplicar un control en lazo cerrado. El problema en este tipo de control es que la corrección se hace después de que se presentó el problema y una cantidad del producto no lleva la calidad deseada, ya que la corrección llega un tiempo después.

Control anticipativo (feed forward)

Objetivo: Sensar la perturbación de una variable antes de afectar al proceso y tomar la acción correctiva para evitar un efecto dañino al producto.

En los procesos que tienen tiempos muertos muy grandes, se presentan desviaciones en magnitud y frecuencia variables, la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio en la carga y ha sido afectado el producto, y como consecuencia la corrección actúa cuando ya no es necesario.

El problema anterior se resuelve aplicando al proceso esta técnica, que parte de la medición de una o varias señales de entrada y actúan simultáneamente sobre la variable de entrada, produciendo la salida deseada sobre el proceso.

Aplicar esta técnica de control implica un conocimiento amplio, exacto y completo de las características estáticas y dinámicas del proceso. La relación entre la variable de salida y la variable de entrada constituye el modelo del proceso y es la función de transferencia del sistema de control en adelanto.

El controlador es quien debe responder a los cambios de las perturbaciones, pero como es lógico, su eficiencia depende de la exactitud del captor y elementos de interfase de una o más variables de entrada y de la exactitud alcanzada en el modelo, calculada en el proceso.

Cabe señalar que es costoso y algunas veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del proceso, por lo tanto, siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicación dará lugar a un offset significativo, es decir, se tendrá un error estático permanente y a veces creciente.

El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos (estado transitorio), pero puede presentar un error estático considerable. Por tal motivo, regularmente se aplica combinado con el control retroalimentado.

Control en cascada

Objetivo: Mejorar la estabilidad de una variable del proceso aun con una óptima sintonización del controlador en lazo retroalimentado.

La aplicación de esta técnica de control es conveniente cuando la variable no puede mantenerse dentro del valor de set point deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso.

Para que un sistema de control en cascada esté bien aplicado es necesario que se tomen en cuenta algunos aspectos importantes para su aplicación, estos son:

  1. Localizar las variables más importantes del proceso
  2. Localizar la variable básica a controlar
  3. Localizar la variable que introduce la inestabilidad
  4. Determinar la velocidad de cambio de ambas señales
  5. Hacer un arreglo en cascada, de tal forma que el lazo mayor sea más lento y el controlador también (control maestro)
  6. El lazo menor deberá contener la variable más rápida y el controlador debe ser de respuesta con retardos mínimos (control esclavo)
  7. La relación de la constante de tiempo: TM/TE = 5 ó mayor
  8. El controlador del lazo menor deberá sintonizarse con la ganancia más alta posible
  9. El controlador esclavo se selecciona con set point remoto, mientras que el controlador maestro es de tipo local

Naturalmente que estas recomendaciones son, basándose en la experiencia que se tiene sobre la dinámica del proceso, sobre el controlador y algo de sentido común.

Control de relación

Objetivo: Controlar el flujo o el volumen de una variable en función de otra.

Esta técnica de control se aplica por lo general a dos cantidades de flujos, que deben mantener una relación prefijada por el usuario.

Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se mide la cantidad del fluido existente en velocidad o volumen, este valor se envía a un controlador que contiene un factor multiplicador o un divisor, cuya señal actúa sobre la válvula de control de otra línea con flujo proporcional al valor censado (flujo controlado).

El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama flujo dependiente.

Para este tipo de estrategia de control, es muy importante tomar las siguientes consideraciones:

  1. Ambas señales deben tener las mismas unidades
  2. Ambas señales deben estar linealizadas o en forma cuadrática
  3. El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales recibidas de un 0% a un 100%
  4. Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde en los extremos de la medición
  5. Las características de los fluidos deben ser muy similares

Medición en el Control Automático

Instrumentos Activos - Pasivos

Instrumento Activo

Un ejemplo es un indicador de nivel de un tanque como se muestra en la figura.

El cambio de nivel en el tanque mueve el brazo de un potenciómetro y la señal de salida consiste en una proporción de la fuente de voltaje externo aplicado en las terminales del potenciómetro.

Instrumento Pasivo

En este ejemplo es un dispositivo de medición de presión, la presión del fluido se traduce en movimiento de un apuntador contra una escala. La energía gastada moviendo el apuntador es derivada del cambio de presión medida, no hay otras entradas de energía al sistema.

Exactitud y Precisión

Exactitud

Exactitud es la extensión en la cual la lectura puede ser incorrecta y generalmente se representa como un porcentaje de la escala completa de lectura de un instrumento.

Precisión

Precisión es un término que describe el grado de libertad de un instrumento de alta precisión, entonces la dispersión de las lecturas será muy pequeña.

Acción de Control Directa e Inversa

Directa

La acción directa se considera cuando a punto de ajuste constante, si la variable aumenta, la salida aumenta.

Inversa

Se considera cuando a punto de ajuste constante si la variable aumenta la salida disminuye.

Alcance (SPAN)

Diferencia algebraica entre los 2 valores alto y bajo de rango.

Autorregulación

Característica inherente del proceso la cual lleva a una condición de equilibrio sin la intervención de un control automático.

Banda Proporcional

La gama de valores a través de los cuales la variable controlada debe cambiar para causar que el elemento final de control se mueve de un extremo a otro.

Cavitación

Las cavidades de vapor no pueden existir con una presión aumentada y son forzadas a un colapso o implosión que produce ruido, vibración, daño físico.

Circuito de Control

Es un sistema dentro del cual un cierto valor en magnitud debe ser mantenido dentro de límites preestablecidos. Un circuito de control automático (LOOP) puede ser manual o automático.

Constante de Tiempo

Tiempo transcurrido para alcanzar el 63.2% de un cambio cuando tenemos la estabilidad en la medición.

Controlador Automático

En un mecanismo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus límites.

Posiciones

Acción del controlador en el cual el elemento final de control es movido de una de las posiciones fijas a la otra a valores determinadas de la variable controlada.

Efecto Peltier

Cuando una corriente eléctrica es pasada por a través de dos metales diferentes, en un sentido el calor es absorbido y la unión enfriada y en el sentido opuesto el calor es liberado este efecto es reversible, es decir, si la unión se calienta o enfría se genera una fem. en uno u otro sentido.

Efecto Thompson

En un metal homogéneo se absorbe calor cuando una corriente eléctrica fluye en un sentido y se libera calor cuando fluye en sentido contrario. Este efecto es reversible de modo que se genera una fem. en uno u otro sentido si hay un gradiente de temperatura en un metal homogéneo.

Elemento Final de Control

Es la parte del circuito de control tal como una válvula de diafragma, motor de palanca o calentador eléctrico, los cuales directamente varían al agente de control; dispositivo que directamente cambia el valor de la variable manipulada de un circuito de control.

Elemento Primario

La parte de un circuito de control o instrumento que detecta primero el valor de una variable de proceso, que asume una condición predeterminada y una salida. El elemento primario puede ser separado o integrado con otro elemento funcional del circuito de control. El elemento primario es también conocido como un detector o sensor.

Instrumentos Analógicos y Digitales

Un instrumento analógico proporciona una salida que varía continuamente conforme cambia la cantidad que se está midiendo.

La salida puede tener un número infinito de valores dentro del rango de medición para el cual el instrumento fue diseñado, por ejemplo en un manómetro de carátula, conforme el valor de entrada, cambia el apuntador se mueve con un movimiento continuo suave. Mientras que el apuntador puede estar en un número infinito de posiciones dentro de su rango de movimiento el número de diferentes posiciones que el ojo humano puede discriminar es muy limitado depende de las dimensiones de la escala y de sus divisiones.

Un instrumento digital tiene una salida que varía en pasos discretos y por lo tanto solo puede tener un número finito de valores. Un contador de revoluciones es un ejemplo de un instrumento digital. En este caso se coloca una leva al cuerpo cuyo movimiento está siento medido por cada revolución que cumple, la leva abre o cierra un interruptor, las operaciones de cerrado son contadas por medio de un contador electrónico. El sistema solo puede contar revoluciones completas y por lo tanto no registra cualquier movimiento que no complete una revolución.

Un instrumento digital es ventajoso porque puede interfasarse directamente a una computadora de control.

Elementos Primarios de Medición

Es aquel que detecta el valor de salida o sea es la porción de los medios de medición que primero utiliza o transforma la energía del medio controlado.

Los elementos primarios de medición más comunes son:

  • Temperatura
    • Termómetros bimetálicos
    • Termómetros de vástago de vidrio
    • Pirómetros de radiación ópticos
    • Pirómetros de radiación infrarrojos
    • Indicadores pirométricos
    • Termómetros de cristal de cuarzo
    • Sistemas termales
    • Termopares
    • Resistencias eléctricas
  • Presión
    • Tubo Bourdon
    • Columnas
    • Sensores electrónicos
    • Diafragmas
    • Fuelles
    • Cápsulas
    • Campanas
  • Flujo
    • Tubo pifot
    • Magnético
    • Turbina
    • Bomba dosificadora
    • Tubo Venturi
    • Derramadores
    • Tubo de Dali
    • Tubo de Gentile
    • Rotámetro
    • Annubar
    • Placa de orificio
    • Tarjet
    • Remolino
    • Vortex, Etc.

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