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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU

SECCION INGENIERIA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 1 PERIODO: 2014-2

LABORATORIO 1

INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS Y DIAGRAMAS P&ID

I. TEMAS A TRATAR

Sistemas de Control Elementos de un Sistema de Control y Concepto de Lazo Cerrado. Sensores:

o Detectores de Proximidad o Presencia. o Sensores de Presión. o Sensores de Nivel. o Sensores de Temperatura o Flujómetros.

Actuadores: o Neumáticos o Eléctricos

Controladores. Descripción de los Diagramas P&ID.

II. OBJETIVO

Comprender la importancia de los elementos usados en un sistema de control. Conocer el principio de funcionamiento de los principales sensores y actuadores de importancia

industrial. Conocer la diferencia entre un sistema por control manual y otro por control automático. Comprender el rol que cumplen los sensores, actuadores y controladores dentro de la

automatización industrial. Observar y entender el funcionamiento y las características de los diversos elementos de control

y dispositivos neumáticos, mediante la práctica realizada en los laboratorios del CETAM y NEUMATICA.

Comprender y reconocer la importancia de los diagramas de instrumentación y tuberías (P&ID, Piping and Instrumentation Diagram).

III. EQUIPOS Y PROGRAMAS DE APLICACIÓN

Plantas piloto temperatura y nivel equipados con transmisores, válvulas y controladores de lazo. Sensores, detectores, actuadores y controladores lógico programables del CETAM. Equipos y dispositivos neumáticos.

Simbología de ISA (International Society of Automation).

IV. FUNDAMENTO TEÓRICO

No es imaginable, en la actualidad, la existencia de una industria moderna sin un completo sistema de instrumentación y control. La medición de los distintos parámetros que intervienen en un proceso de fabricación o transformación industrial es básica para obtener un control directo sobre los productos y poder mejorar su calidad y competitividad. Así pues, el conocimiento del funcionamiento de los instrumentos de medición y de control, y su papel dentro del proceso que intervienen, es fundamental para quienes desarrollan su actividad profesional dentro de este campo.

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Actuadores

Controles de

Actuadores

Proceso

Planta

Controlador

Acondicionadores

de señales

Sensores

Perturbaciones

Externas

Señales de

referencia/comando

1. SISTEMAS DE CONTROL:

Un sistema es un conjunto de elementos relacionados entre sí, dispuestos para realizar una o varias funciones. Este concepto se aplica no solamente a sistemas físicos, como los encontrados en la industria, sino también a fenómenos abstractos y dinámicos, como los sistemas económicos, biológicos, químicos y similares.

En el caso de un sistema de control, la función principal del mismo es mantener cualquier variable de interés, como la velocidad de una máquina o la tasa de inflación de un país, dentro de unos límites determinados, o modificarla a un valor deseado. Los sistemas de control industriales están enfocados principalmente al control de movimiento o de procesos.

Los sistemas de control de movimiento, conocidos también como servomecanismos o servos, se utilizan para controlar el movimiento o posición física de un objeto. Los controles de banda transportadora son ejemplos de este tipo. Otro ejemplo de servo es un brazo de robot industrial encargado de soldar partes en una línea de ensamblaje.

Los sistemas de control de procesos, por su parte, que son los más comunes, se utilizan para controlar procesos caracterizados por una serie de pasos o cambios graduales que se suceden uno a continuación de otro. También la función del sistema de control es permitir el mantenimiento y regulación de variables del proceso como presión, caudal, temperatura, pH, etc.

2. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL

Los sistemas de control constan de elementos funcionales, los cuales son el controlador del sistema, los actuadores y los sensores. También existen elementos auxiliares como los controles del actuador y las unidades acondicionadoras de la señal del sensor como se aprecia en la Figura 1.

Figura 1: Elementos de un sistema de control

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El controlador del sistema proporciona la inteligencia para el sistema de control. Puede ser un controlador lógico programable (PLC), un microprocesador, un microcontrolador, una computadora análoga o digital, un juego de relés o contactores, etc. El controlador es el cerebro del sistema.

Los actuadores o transductores de salida se comportan como los músculos del sistema de control, convirtiendo la potencia eléctrica, neumática o hidráulica aplicada a ellos en alguna forma de acción física. Ejemplos de actuadores son los motores, los frenos, los embragues, los solenoides, los relés, las válvulas y las bombas.

Los sensores o transductores de entrada actúan como los sentidos de un sistema de control, convirtiendo los parámetros a ser medidos, controlados o supervisados en señales eléctricas equivalentes que pueden ser interpretadas por el controlador. Existen sensores para cada necesidad industrial, incluyendo la medición de velocidad, posición, peso, volumen, tensión, temperatura, presión, humedad, densidad, torque, etc.

Incluyendo al objeto a controlar o Planta, tenemos entonces los 4 elementos de cualquier sistema de control:

Planta o Proceso Controlador Actuador Sensor

Un elemento esencial de todos los sistemas de control automático es el principio de retroalimentación o lazo cerrado, que permite dotar a una máquina de capacidad de auto corrección. Un lazo cerrado es un dispositivo mecánico, neumático o electrónico que detecta una magnitud física como una temperatura, un tamaño o una velocidad, la compara con una norma preestablecida, y realiza aquella acción pre programada (ejecuta el algoritmo de control) necesaria para mantener la cantidad medida dentro de los límites de la norma aceptable. El principio de realimentación se utiliza desde hace varios siglos. El conocido termostato doméstico es un ejemplo de dispositivo de realimentación, el funcionamiento se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Un termostato emplea un bucle de realimentación (flechas rojas) para

controlar la temperatura de una habitación, compara la temperatura deseada con la

temperatura real y envía las instrucciones pertinentes a la caldera. Mediante repeticiones

continuas de este bucle de realimentación, se alcanzará y mantendrá la temperatura

deseada.




En la fabricación y en la producción, los lazos de retroalimentación requieren la determinación de límites aceptables para que el proceso pueda efectuarse; que estas características físicas sean medidas y comparadas con el conjunto de límites, y que el sistema de realimentación sea capaz de corregir el proceso para que los elementos medidos cumplan la norma. Mediante los dispositivos de retroalimentación las máquinas pueden ponerse en marcha, parar, acelerar, disminuir su velocidad, contar, inspeccionar, comprobar, comparar y medir. Estas operaciones suelen aplicarse a una amplia variedad de operaciones de producción, por ejemplo el fresado, el embotellado y el refinado.

El advenimiento del ordenador o computadora ha facilitado enormemente el uso de lazo de retroalimentación en los procesos de fabricación. En combinación, las computadoras y los lazos de retroalimentación han permitido el desarrollo de máquinas controladas numéricamente y centros de maquinado (máquinas herramientas que pueden realizar varias operaciones de maquinado diferentes).

La aparición de las combinaciones de microprocesadores y computadoras ha posibilitado el desarrollo de la tecnología de diseño y fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM).

Tenemos como ejemplo, el control de rumbo de un automóvil. En este caso el objeto de control o “Planta” es el automóvil, ya que contiene la variable (rumbo) que se requiere mantener en un valor deseado. Cuando un humano controla esta planta, necesita ver si está en el rumbo correcto o no. Para esto, utiliza el “sentido de la vista”. Esta información es enviada al “cerebro”, en el que se toma la decisión de corregir el rumbo o mantenerlo; en el caso de corregir el rumbo, evalúa en qué dirección y en qué magnitud. Sin embargo, el cerebro por sí mismo no puede corregir el rumbo. Es así, que ordena a los “músculos de la mano” que muevan el timón para realizar la corrección.

Este ciclo se repite varias veces por segundo, lo que asegura que siempre se mantenga el rumbo deseado. Si queremos que una máquina realice el mismo proceso, tenemos que hacer los siguientes reemplazos:

Sentido de la vista → Sensor

Cerebro → Controlador

Músculos de la mano → Actuador.

Estos son los elementos básicos de todo lazo cerrado de control o lazo retroalimentado. El flujo de información en un lazo cerrado de control se puede esquematizar mediante el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 3. Para el caso del ejemplo anterior (control

Sensor Controlador Actuador




de rumbo de un automóvil), la variable que se quiere mantener en un punto deseado es el rumbo del automóvil. Entonces, es necesario utilizar un sensor de posición que “lea” la

variable de interés conocida también como variable de proceso (PV). La posición actual

(PV) se resta de la posición deseada o Set Point (SP), lo que permite conocer el error que

actualmente tiene el rumbo. Este error ingresa a un “algoritmo de control”, el cual es un

software de computadora que calcula una señal de corrección de rumbo o variable de control (CV). Si el error es cero, el rumbo es correcto y no se envía ninguna señal de corrección. Si el error no es cero, el controlador calcula la magnitud de la variable de control y esta señal se envía al actuador. En este ejemplo sería algún dispositivo conectado directamente al sistema de dirección del automóvil. Como se explicó anteriormente, este ciclo se repite varias veces por segundo, lo que asegura que el sistema se mantenga en el rumbo correcto.

ALGORITMO

CONTROLALGORITMO PID

DIGITALPLANTAACTUADOR

SENSOR

SEÑAL

CONTROL

VARIABLE

MANIPULADA

VARIABLE

PROCESOVARIABLE

REFERENCIAERROR

PE

RT

UR

BA

CIO

N

CONTROLADOR

+

-

+

+ENTRADASALIDA

3. SENSORES

Los sensores son, en general, dispositivos que transforman una cantidad física, por ejemplo la temperatura, en otra cantidad equivalente como un desplazamiento mecánico. También pueden ser empleados para medir o detectar propiedades químicas y biológicas. Asimismo la salida no siempre es una señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una placa bimetálica formada por dos metales con diferente coeficiente de dilatación, la cual produce un desplazamiento (señal mecánica) proporcional a la temperatura (señal térmica).

En el presente laboratorio estudiaremos sensores eléctricos que son aquellos cuya salida es una señal eléctrica de corriente o de voltaje, codificada en forma análoga o digital, ya que estos constituyen el principal medio de enlace entre los procesos industriales y los circuitos electrónicos encargados de controlarlos y monitorearlos.

ESTRUCTURA Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Todos los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada al tipo de variable de salida más adecuado para el control o monitoreo de cada proceso particular. Estos principios o fenómenos se manifiestan de forma útil en ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del material en sí o su disposición geométrica. Todos los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos llamados principios de transducción para convertir una variable de entrada al tipo de una variable de salida más adecuado para el monitoreo de cada proceso particular tal como se aprecia en la Figura 4.

Figura 3: Diagrama de bloques de un Sistema de Control. Aquí se muestra la interacción

entre los elementos funcionales del sistema de control.




En el caso de sensores cuya salida es una señal eléctrica, la obtención de ésta última, implica generalmente el uso de un transductor primario y, opcionalmente, uno o más transductores secundarios, como se ilustra en la Figura 5. La función del transductor primario, es convertir la magnitud física a medir en otra más fácil de manipular. Ésta última no tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica. Por ejemplo, un bimetal, que es un dispositivo formado por dos metales de distintos coeficientes de dilatación, es un tipo de transductor primario, porque convierte una variación de temperatura en un desplazamiento físico equivalente. Esto último puede ser utilizado para mover una aguja o accionar un interruptor. Otros ejemplos son los tubos de Bourdon (miden presión), los tubos de Pitot (miden velocidad de flujo), los rotámetros (miden caudal), los flotadores (miden nivel), las termocuplas (miden temperatura), etc.

El transductor o transductores secundarios cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente. Una vez obtenida, ésta última es sometida a un proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de los circuitos de control. En este caso, la presión asociada con el fluido se traduce inicialmente en un desplazamiento o deflexión proporcional utilizando como transductor primario un diafragma u otro elemento elástico especialmente diseñado para esta función.

Luego, esta deflexión es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando como transductor secundario una galga extensiométrica semiconductora u otro tipo de elemento especialmente diseñado para convertir movimiento en electricidad. Por último, la señal eléctrica producida se acondiciona, modifica o procesa mediante circuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener la respuesta y las características finales deseadas (en este caso un voltaje entre 0 y 5 voltios proporcional a valores de presión absoluta entre 0 y 6000 psi con una exactitud de ±0.5%).

Figura 4: Estructura genérica de un sensor, el cual puede utilizar uno o mas principios de

transducción con el fin de producir una salida útil en respuesta a la cantidad, propiedad o

condición física que se desee medir.




TIPOS DE SENSORES

Desde un punto de vista teórico, tanto la entrada como la salida de un sensor puede ser una combinación cualquiera de los siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza:

Variables mecánicas: Longitud, flujo másico, fuerza, velocidad, posición, etc. Variables térmicas: Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc. Variables eléctricas: Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, etc. Variables magnéticas: Intensidad de campo, densidad de flujo, etc. Variables ópticas: Intensidad, longitud de onda, polarización, fase, etc. Variables químicas o moleculares: Composición, concentración, pH, olor, etc.

Los sensores preferidos son aquellos que ofrecen una señal de salida eléctrica. Esto se debe a las numerosas ventajas que proporcionan los métodos electrónicos para el control y medición de procesos. Los sensores pueden ser clasificados de diferentes maneras. Una clasificación muy importante es según el tipo de señal de salida que envía:

Analógicos: Los sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una corriente continuamente variable dentro del campo de medida especificado. Los rangos de voltaje de salida más usuales son: +10V, +5V, ±10V, ±5V y ±1V; los rangos corriente de salida están mas estandarizados, siendo actualmente el mas común el de 4 a 20 mA, donde 4mA corresponde a cero de la variable medida y 20 mA a la escala plena.

Digitales: Los sensores digitales entregan como salida un voltaje o corriente variable en forma de saltos o pasos discretos de manera codificada (entregan directamente bytes o palabras). Esta característica es muy importante ya que les permite interactuar con un microcontrolador o un ordenador, como lo harían dos ordenadores conectados en red. Esta es la característica principal de los denominados sensores inteligentes.

Todo o nada: Estos tienen una salida digital codificada de sólo dos estados y únicamente indican cuándo la variable detectada rebasa un cierto valor umbral o límite. Es un caso especial de sensores digitales. Estos sensores, hasta hace algunos años, eran los más comunes y se encontraban en el hogar en forma de termostatos (terma, refrigeradora, etc.), sensores de presencia (activa o desactiva la luz interior de un automóvil, refrigeradora, etc.).

Dependiendo de la naturaleza de la magnitud o variable a detectar, los sensores se pueden clasificar en sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad,

Figura 5: Estructura genérica de un sensor de presión.




aceleración, vibración, fuerza, torque, flujo, corriente, gases, pH, proximidad, contacto, imagen, etc.

A continuación se explica el principio de funcionamiento de los principales sensores utilizados en la industria, en especial aquellos que se verán en la presente práctica. Se revisarán los sensores de proximidad, de presión, de nivel, de temperatura, flujo, así como el acondicionamiento de la señal del sensor.

SENSORES DE PROXIMIDAD

Son sensores que detectan la presencia o ausencia de un objeto dentro de un área de influencia, sin entrar en contacto físico con él y entregan como respuesta una señal binaria del tipo todo o nada equivalente a un contacto abierto o cerrado.

Los detectores de proximidad electrónicos son ampliamente usados en servomecanismos y sistemas de control de procesos debido, entre otras razones, a que pueden operar a muy altas velocidades, no necesitan estar en contacto físico con el objeto que detectan, no tienen piezas móviles, no se desgastan, pueden trabajar en ambientes hostiles, tienen una larga vida útil, pueden detectar objetos muy frágiles y delicados, son compatibles con PLC´s, etc.

Como ejemplo de aplicaciones podemos mencionar:

Verificar cuando una parte de una máquina ha alcanzado cierta posición. Verificar la colocación apropiada de partes durante un procedimiento de ensamblaje en

línea. Contar el número de objetos que son transferidos a una banda transportadora. Determinar la presencia, el tamaño, el color, el contenido, la alineación u otra

característica particular de un producto que pasa por un punto de inspección. Contar los dientes de un engranaje o medir las revoluciones de un eje para determinar la

velocidad rotacional de una máquina o parte de ella.

Los detectores de proximidad más comunes son los inductivos, los capacitivos y los ópticos. A continuación se describirán cada uno de ellos:

Sensores de Proximidad Inductivos: Se utilizan para detectar la presencia de objetos metálicos. Cuando se ubica un objeto metálico dentro del campo magnético del sensor se inducen corrientes eléctricas activando el sensor. Los objetos no metálicos no inducen corriente alguna, es por ello que no son detectados.

Sensores de Proximidad Capacitivos: Se utilizan tanto para detectar objetos metálicos o no metálicos. Cuando un objeto no metálico entra al campo eléctrico del detector, la capacitancia aumenta mientras que si el objeto es metálico, la capacitancia disminuye. Ambos hacen variar el estado del sensor logrando su activación. La sensibilidad de este tipo de sensor depende del tipo de material a detectar, de la temperatura y la humedad ambientales, por ello deben ajustarse para cada material y situación particular. Este tipo de sensor es empleado principalmente para detectar objetos no metálicos, tiene un mayor alcance que los detectores inductivos y puede sensar a través de paredes.

Sensores de Proximidad Ópticos: Son dispositivos electrónicos que pueden abrir o cerrar un circuito eléctrico por la acción de un haz de radiación electromagnética visible o no, y un elemento fotosensible. Garantizan una gran inmunidad a otras formas de radiación ambientales, un alto rendimiento luminoso, una alta velocidad de respuesta, la insensibilidad a choques y vibraciones, y una vida útil prácticamente ilimitada.




SENSORES DE PRESIÓN

Estos sensores detectan presión y la convierten inicialmente en movimiento mediante transductores primarios especialmente diseñados y construidos para producir una deflexión proporcional a la presión aplicada, luego esta deflexión (movimiento) es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando galgas extensiométricas, potenciómetros u otros tipos de transductores secundarios. Así, la presión se convierte en movimiento, y el movimiento en señal eléctrica. En la Figura 6, se muestran algunos elementos mecánicos comúnmente utilizados en los sensores de presión para convertir presión en movimiento. Los tubos de Bourdon, por ejemplo, son tubos metálicos curvados, abiertos en un extremo y sellados en el otro, con una sección transversal ovalada. El

fluido cuya presión se desea medir ingresa por el extremo abierto, anclado mecánicamente. Como resultado, aparece una fuerza en el extremo

sellado que causa la deflexión del tubo. Los diafragmas, por su parte, utilizan un material flexible plano, con un lado expuesto a la presión del proceso, y el otro a una presión de referencia. El diafragma se dobla hacia el lado de más baja presión.

En ambos casos, el movimiento mecánico resultante puede ser transmitido al núcleo de un LVTD, o al cursor de un potenciómetro, para convertirlo a una señal eléctrica.Los sensores de presión pueden ser de varios tipos dependiendo de la tecnología utilizada para convertir la información del transductor primario en una señal eléctrica.

Desde este punto de vista, se habla de transductores potenciométricos, inductivos, capacitivos, piezoeléctricos, de galgas, piezorresistivos, micro mecánicos, etc. Los sensores de presión potenciométricos, como el mostrado en la Figura 7, por ejemplo, utilizan un tubo de Bourdon, una cápsula o un fuelle para impulsar un cursor sobre un elemento

Figura 7: Estructura de un sensor de

presión potenciométrico.

Sensor de presión

Figura 6: Configuraciones típicas de transductores primarios utilizados

en sensores de presión.




resistivo. Son relativamente económicos y se utilizan en aplicaciones de bajo perfil, por ejemplo medidores de presión de aceite de vehículos.

Los sensores de presión inductivos utilizan el movimiento del transductor primario para accionar el núcleo de una bobina o un transformador para variar la inductancia o el acoplamiento inductivo entre el primario y el secundario. En la Figura 8 se muestra como ejemplo la estructura interna de un sensor de presión inductivo que utiliza un LVDT accionado por una cápsula.

Los sensores de presión capacitivos, como el mostrado en la Figura 9, utilizan un transductor tipo diafragma como una de las placas de un condensador. Al aplicar una presión, el diafragma se deflecta y varía la capacitancia. Este cambio, se aprovecha para controlar la frecuencia de un oscilador o el acoplamiento de una señal AC a través de una red, y transmitirse en forma de una señal eléctrica.

Los sensores de presión piezoeléctricos, como el mostrado en la Figura 10, utilizan una lámina metalizada de cuarzo o material cerámico, para convertir la fuerza transmitida por un diafragma en una señal eléctrica periódica, generalmente una onda seno o un tren de pulsos. Se emplean principalmente para medir presiones variables, y se caracterizan por su excelente estabilidad térmica.

Los sensores de presión de galga extensiométrica, como el mostrado en la Figura 11, utilizan un diafragma que se deflecta proporcionalmente a la presión aplicada y una galga o puente de galgas, adheridas a él que varían su resistencia de acuerdo a la magnitud de la fuerza resultante. Tanto el diafragma como las galgas pueden ser de material metálico o semiconductor, siendo esta última la opción más utilizada en la actualidad. Estas galgas, que son mucho más sensibles que las metálicas, se denominan piezorresistores y constituyen el núcleo de los sensores de presión piezorresistivos modernos. El efecto piezorresistivo es el principio de transducción de presión estándar adoptado por la industria semiconductora. Típicamente hay cuatro piezorresistores dentro del área del diafragma de un sensor piezorresistivo, y los mismos están interconectados formando un puente de Wheatstone, con dos de ellos sometidos a tensión tangencial y los otros dos a tensión radial.

Los sensores de presión micromecanizados como el mostrado en la Figura 12, consisten básicamente de una delgada estructura tipo puente de galgas, aislada térmicamente y suspendida sobre una cavidad hecha en el silicio a través de la cual pasa el fluido. Se utilizan para mediciones de baja presión en aplicaciones donde puede tolerarse un pequeño flujo a través del elemento, por ejemplo, sistema HVAC o de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Figura 8: Estructura de un sensor de

presión inductivo con LVDT

Figura 9: Estructura de un sensor

de presión capacitivo.

Figura 10: Sensores de presión

piezoeléctricos.




También se dispone de interruptores de presión, los cuales permutan el estado de uno o más contactos cuando la presión medida alcanza un nivel predeterminado o Set Point. Este cambio de estado puede ser utilizado, por ejemplo, para señalizar un circuito lógico, un microcontrolador, un PLC, etc., o energizar directamente un actuador, digamos una electroválvula, una bomba de vaciado, un compresor, etc.

Actualmente la tendencia es hacia los sensores de presión inteligentes, los cuales, además de los bloques funcionales básicos ofrecen otras características avanzadas, incluyendo la indicación digital directa del valor de la presión y la posibilidad de ser programados por el usuario a la medida de sus necesidades.

SENSORES DE NIVEL

Los transductores de nivel, Figura 13, como su nombre lo indica detectan o miden nivel, es decir la altura a la cual un material llena un tanque, una tolva, un silo, un bolsillo, una bodega, u otro tipo de contenedor. El material puede ser un líquido o un producto sólido en forma de polvo, granos, hojuelas, etc.

Figura 11: Sensor de presión piezoeléctrico de

galgas extensiométricos con un rango de 0 a

5000psi.

Figura 12: Sensor de presión

piezorresistivo micromecanizado.

Figura 13: Transductores de nivel tipo flag (a) de flotador (b,i) ultrasónicos (c,e)

capacitivos (d,j) vibratorios (h) ópticos (f) y de montaje lateral (g).




El nivel se mide localizando la frontera o interfase entre dos medios, digamos un líquido o un polvo en contacto con el aire en un tanque abierto, o una capa de aceite flotando sobre agua como se muestra en la Figura 14. 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.

Actualmente se dispone de una gran variedad de tecnologías de transductores que miden y detectan nivel puntual o continuo de manera directa o indirecta y permiten la implementación de sistemas de control automático. Los más comunes son los basados en flotadores y efectos vibratorios, de desplazamiento, conductivos, ópticos, capacitivos y ultrasónicos; así como los basados en la medición de presión, peso, temperatura y otras variables indirectas.

SENSORES DE TEMPERATURA

La temperatura es una variable crítica utilizada para controlar la calidad de los productos en muchos procesos industriales. Estos requieren un control preciso para obtener productos de calidad o prevenir sobrecalentamientos, rupturas, explosiones y otros tipos de problemas. Las temperaturas elevadas son necesarias para ablandar metales y fundir plásticos antes de ser moldeados en formas específicas. Asimismo, las bajas temperaturas son necesarias para conservar los productos perecederos en una industria procesadora de alimentos. En el mercado existen diferentes tipos de sensores de temperatura, como son los sensores bimetálicos, termorresistivos, termoeléctricos, monolíticos, piroeléctricos. En la presente guía explicaremos brevemente el principio de funcionamiento de las termocuplas y de los RTD.

Termocuplas o termopares: Son transductores de temperatura constituidos por dos alambres conductores hechos de metales diferentes y soldados por uno de sus extremos formando una unión como se muestra en la Figura 15. Al calentar esta última (unión de medida) se produce en el otro extremo de la termocupla (unión fría) un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas entre las uniones. La unión fría debe estar a una temperatura de referencia, generalmente 0°C. Este efecto se conoce como efecto termoeléctrico o Seebeck. Los elementos de los termopares se fabrican a base de metales y aleaciones metálicas especiales, como platino, hierro, cobre, rodio, renio, tungsteno, cromel (90% Ni, 10% Cr), constantán (57% Cu, 43% Ni), alumenl (94% Ni, 2% Al, 3% Mn, 1% Si), nicrosil (Ni-Cr-Si), nisil (Ni-Si-Mg), etc. Los mismos están protegidos mediante una funda o cubierta metálica, generalmente de acero inoxidable, cuyo espesor determina la velocidad de respuesta y la robustez de la sonda.

Figura 14: El nivel se mide localizando la interfase entre

dos medios. En este caso, se usa un sensor de nivel

capacitivo para medir la altura de las columnas de agua y de

aceite. La emulsión que se forma entre ambos medio actúa

como capa fronteriza.




Detectores de Temperatura Resistivos (RTD): Son dispositivos basados en la variación normal que experimenta la resistencia de un conductor metálico puro con la temperatura, como resultado del cambio de su resistividad y sus dimensiones. Esta variación es directa, es decir, que si la temperatura aumenta o disminuye, la resistencia también aumenta o disminuye en la misma proporción. Todos los metales puros exhiben este comportamiento. Sin embargo, no existen dos metales con el mismo coeficiente de temperatura. Por tanto, una vez conocidas las propiedades de un metal, puede ser establecida una curva de resistencia vs. temperatura única para él.

SENSORES DE FLUJO

Los sensores de flujo detectan y miden la transferencia de materiales de un sitio a otro a través de tuberías, mangueras, canales, bandas transportadoras, conductos abiertos y cerrados, etc. Los sensores de flujo se denominan comúnmente caudalímetros y son:

Caudalímetros electromagnéticos: La ley de Faraday establece que la tensión inducida a través de cualquier conductor que se mueve dentro de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, como se muestra en la Figura 16. Este principio es el usado por los medidores de caudal magnéticos, donde, el conductor es el líquido y la tensión generada en el conductor es captada por dos electrodos rasantes en la superficie interior del tubo. Este tipo de sensores se utilizan generalmente con fluidos difíciles y corrosivos, así como con emulsiones, ácidos, aguas residuales, detergentes, comidas líquidas, etc.

Figura 15: Esquema de una termocupla industrial.

Figura 16: Principio de funcionamiento del caudalímetro electromagnético.




Caudalímetros de presión diferencial: Se utilizan para medir el flujo de fluidos a través de tuberías como se muestra en la Figura 17. En la tubería se interpone una placa con un orificio de tamaño y forma específica cuya función es la de reducir el área a través de la cual circula el líquido para cambiar su velocidad y crear así una diferencia de presión a ambos lados de la placa. Esta presión puede ser medida con un sensor de presión diferencial y usada para calcular la velocidad del fluido, Esta velocidad es multiplicada por el área de la sección de tubería y por un factor de corrección obteniéndose así el caudal volumétrico.

Caudalímetro de área variable o rotámetro: Consiste de un tubo cónico provisto en su interior de un pistón el cual es arrastrado por el fluido (Figura 18). En este tipo de sensor se mantiene constante la diferencia de presión a ambos lados del pistón y se varía la sección de paso del fluido. La posición del pistón puede ser leída con sensores ópticos o magnéticos.

ACONDICIONADORES DE SEÑAL

Los circuitos de acondicionamiento hacen prácticas las señales de salida de los sensores y, por tanto, juegan un papel clave en los sistemas de control, medida y adquisición de datos utilizados en la industria. Los acondicionadores de señal son elementos de un sistema de control que ofrecen, a partir de una señal de salida del sensor electrónico, una señal apta para ser presentada, registrada o procesada mediante un equipo o instrumento estándar; generalmente un sistema de adquisición de datos, un controlador lógico programable o una computadora. Estos generalmente están conformados por circuitos electrónicos que realizan funciones específicas y generales como compensación, amplificación, filtradas, adaptación de impedancias, modulación, demodulación, aislamiento, multiplexaje, etc. La mayoría de sensores reales generan señales que deben ser previamente acondicionadas para poderlas procesar de una manera exacta y confiable.

4. ACTUADORES

Los actuadores o accionamientos son una parte muy importante en los sistemas de control industriales puesto que son los encargados de regular finalmente la potencia de la planta o proceso, así como de amplificar las señales de mando de la misma. En esta sección haremos especial énfasis en los servomotores y en los motores paso a paso, utilizados principalmente como pre-actuadores en procesos industriales.

Figura 17: caudalímetro de obstrucción o presión

diferencial.

Figura 18: Principio de

funcionamiento de un rotámetro.




Los actuadores más comúnmente utilizados en aplicaciones industriales son los destinados a producir movimiento (motores y cilindros), transvasar fluidos (bombas y válvulas) y manipular calor (hornos, intercambiadores, etc.). Los actuadores pueden ser básicamente de cuatro tipos como veremos a continuación.

Actuadores eléctricos: relés, contactores, servomotores y motores paso a paso. Actuadores hidráulicos: Válvulas, servoválvulas, cilindros, ventosas de sujeción por

vacío y bombas centrífugas. Actuadores neumáticos: Válvulas, servoválvulas, cilindros, ventosas de sujeción por

vacío y bombas centrífugas. Actuadores térmicos: hornos y sistemas de enfriamiento.

A continuación estudiaremos algunos tipos de actuadores frecuentes en la industria.

ACTUADORES ELÉCTRICOS

Los actuadores eléctricos más utilizados son los motores. Entre las ventajas que presentan tenemos: no necesitan de instalación neumática, mínimo consumo eléctrico, menores costos de instalación y mantenimiento, no necesitan convertidor ya que trabajan directamente con señales eléctricas. Las desventajas son su elevado precio, necesitan de protección eléctrica, riesgo a explosión, menor potencia específica, mas lentos que los neumáticos. A continuación veremos las principales clases de motores y su uso industrial:

Servomotores

Este término se emplea para definir cualquier tipo de motor que en un sistema de lazo cerrado utilice una señal de realimentación para monitorear su velocidad o posición. Los servomotores pueden ser AC o DC, operan con bajos niveles de potencia, y están especialmente diseñados para proporcionar el gobierno preciso de la posición o la velocidad de objetos en sistemas de control de movimiento.

Los servomotores DC operan en forma similar a los motores DC de excitación independiente convencionales, excepto que sus características constructivas, principalmente la forma del rotor, Figura 19, son ligeramente diferentes con el fin de obtener un comportamiento dinámico rápido y estable, así como un par de arranque importante. Pueden ser de rotor bobinado, de bobina móvil, o sin escobillas.

Figura 19: Formas constructivas del rotor en servomotores de DC.




Motores Paso a Paso

Son dispositivos que convierten comandos digitales en movimientos incrementales de exactitud conocida, es decir se mueven en pasos discretos. Puesto que la marcha a pasos (stepping) ocurre en estricta concordancia con los comandos digitales de entrada proporcionados, la posición final del eje es muy precisa y siempre la misma para el mismo comando digital.

ACTUADORES NEUMÁTICOS

Un actuador neumático es un dispositivo que convierte la presión de un gas en un movimiento mecánico. Suelen tener instalados dos sensores magnéticos para la detección de la posición del émbolo en su interior. Los principales dispositivos finales dentro de un sistema neumático pueden ser lineales o rotatorios. También se tienen los dispositivos neumáticos utilizados para accionar las válvulas de control.

Actuadores Neumáticos Lineales,

También denominados cilindros, son los más utilizados a nivel industrial, poseen una pieza central denominada pistón que recibe la presión del aire por una de sus caras, haciéndolo desplazar en forma lineal. Estos pueden ser de simple efecto o de doble efecto.

Los cilindros de simple efecto poseen una sola entrada de aire, por lo cual la acción provocada por la presión del gas es solo en un sentido. Tiene un resorte para retornar a su posición normal. Los cilindros de doble efecto tienen dos entradas para el aire a presión. Cuando se le inyecta aire por una de ellas, la otra funciona como salida, evacuando el aire que estaba dentro del cilindro.

Actuadores Neumáticos Rotatorios

Este tipo de actuador no es tan común como los cilindros. En estos actuadores la presión del aire es convertida en torque o fuerza de rotación.

Actuadores de Válvulas de control

Realizan la función de mover una válvula según a una posición deseada, con el objeto de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador. En el laboratorio contamos con válvulas accionadas por un diafragma neumático con resorte que trabaja entre 3 a 15 psig, es decir, que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 3 y a 15 psig. Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.

Figura 20: Sección transversal de un motor

paso a paso híbrido.




VÁLVULA NEUMÁTICA DE CONTROL VÁLVULA TOTALMENTE CERRADA Y VÁLVULA TOTALMENTE ABIERTA

Idealmente con una señal de 3 psi la válvula debe estar en la posición cero de su carrera y para una señal de 15 psi en la posición 100. Asimismo debe existir una proporcionalidad entre las señales intermedias y sus correspondientes posiciones. En la práctica las válvulas de control se desvían de este comportamiento debido a las siguientes causas: rozamientos, falta de linealidad en el resorte, área variable del obturador, etc.

5. CONTROLADORES

Son los procesadores inteligentes los cuales reciben los datos de entrada captados por los sensores, los procesan y entregan datos de respuesta que son ejecutados por los actuadores.

Autómatas o PLCs.

Los controladores lógicos programables son dispositivos electrónicos de procesamiento que poseen entradas y salidas de diferentes tipos de señal, su funcionamiento depende de un programa que se le ha introducido previamente, con el cual se ejecuta cierta secuencia en forma completamente automática.

Microcontroladores

Son dispositivos electrónicos pequeños, en los cuales es posible programar acciones determinadas para implementar desde sistemas automáticos sencillos hasta sistemas complejos. Todo depende de las características del proceso a automatizar.

Controladores PID

Es uno de los dispositivos más usados en todo el mundo para controlar procesos o sistemas. Estos dispositivos llevan a cabo una acción de corrección PID (Proporcional, Integral y Derivativa) que es un algoritmo matemático que se aplica sobre el error (diferencia entre la variable medida y el valor deseado) al cual lo amplifica, lo integra y lo deriva. El resultado obtenido es la señal que se introducirá al actuador para minimizar el error y obtener una respuesta lo más rápida posible ante perturbaciones externas.




Control por Computadora

El uso de las computadoras también esta incluido en el control y supervisión de procesos industriales. Con ellos se obtiene información completa de determinado proceso y a la vez se ejecutan labores automáticas que prescinden de la intervención del hombre.

6. DIAGRAMAS P&ID

Los diagramas de bloque son representaciones académicas de un sistema de control. Cuando se ha montado este sistema en un proceso industrial, la representación estandarizada son los Diagramas de Instrumentación y Tuberías (P&ID), los cuales son una descripción gráfica de un proceso que muestran una vista general de los instrumentos empleados (sensores, actuadores, controladores y elementos auxiliares) en un formato estándar. En el diagrama está identificado cada instrumento, su función y su relación con los otros componentes del proceso.

Simbología

El símbolo ordinario para presentar un instrumento es un círculo que contiene líneas, letras y números que identifican la localización del instrumento, su función en el proceso y especifica si el instrumento es empleado para indicar, medir, almacenar o controlar una variable.

El círculo se emplea para instrumentos autónomos, un círculo encerrado por un cuadrado indica un instrumento que posee un display o un control compartido, un hexágono denota funciones de computadora y un cuadrado con un rombo interno identifica controladores lógicos programables. Un instrumento multifunción deberá simbolizarse por tantos círculos como variables de medida, salidas o funciones tenga.

Las líneas internas se emplean para informar como están montados los instrumentos: línea continua para montaje en panel, doble línea para montaje en localidad auxiliar, línea de trazos para montaje atrás del panel y ausencia de línea para montaje en campo.

Montado en Tablero

Normalmente accesible al

operador

Montado en Campo

Ubicación Auxiliar. Normalmente accesible al operador.

Ubicación parte posterior del

panel no accesible al

operador

Instrumento discreto o Aislado

Display compartido, Control compartido.

Función de Computadora

Control Lógico Programable

En el interior del símbolo se presenta una etiqueta alfanumérica o código de identificación de instrumentos. Esta etiqueta contiene dos tipos de identificadores: el identificador de la función del instrumento y el identificador del lazo de control en el que está inserto

Como se vio, un lazo de instrumentación y control está conformado por una combinación de instrumentos dispuestos para medir y controlar una variable de proceso. Cada lazo debe estar




identificado por un número. Cada instrumento en el lazo debe tener asignado el mismo número del lazo

La identificación funcional de un instrumento consiste de letras, e incluyen una primera letra (designación de la variable medida) y una o más letras sucesivas (identificación de funciones).

La variable medida, la función secundaria y la función principal de los instrumentos son codificadas en el interior del círculo a través de letras mayúsculas. Cuando la función secundaria no es necesaria, se puede omitir. Así por Ejemplo:

FRC

105

Instrumento localizado en el campo

Variable Medida : Flujo (F)

Función Secundaria : Registrador (R)

Función Principal : Controlador (C)

Lazo de Control : 105

PIT

101

Instrumento localizado en el panel

Variable Medida : Presión (P)

Función Secundaria : Indicador (I)

Función Principal : Transmisor (T)

Lazo de Control : 101

La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los instrumentos.

1° Letra Letras sucesivas

Letra

Variable Medida Función de lectura pasiva

Función de Salida Letra de Modificación

A Análisis Alarma

B Combustión

C Conductividad, concentración

Regulación (ON-OFF)

Control

FIC

101

Identificación funcional

Identificación de lazo




D Densidad, Peso especifico

E Voltaje Sensor

F Flujo

G Calibre Vidrio

H Manual Alarma de alta

I Corriente Eléctrica Indicación (indicador)

J Potencia

K Tiempo Estación de Control

L Nivel Luz Piloto Alarma de baja

M Humedad Medio o intermedio

N Libre a elección

O Orificio

P Presión o vacío Punto de prueba o conexión

Q Cantidad

R Radiactividad Registro

S Velocidad o frecuencia Interruptor

T Temperatura Transmisor

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

V Viscosidad Válvula

W Peso o Fuerza Vaina

X Libre a elección Libre a elección Libre a elección Libre a elección

Y Evento, Estado, Presencia

Relé, Computadora

Z Posición Actuador, Manejador

Tabla 1: Codificación ISA utilizada para identificación de instrumentos

Para saber como se interconectan los diferentes instrumentos así como las tuberías dentro de un lazo de control se utilizan distintas líneas de conexión .Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales como son neumáticas, eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc., tal como se muestra en Tabla 2:

Conexión al proceso, enlace mecánico, o

alimentación de instrumentos.

Señal indefinida




ó

E.U. Internacional

Señal Eléctrica

Señal Hidráulica

Señal Neumática

Señal electromagnética o sónica (guiada)

Tubo capilar

Enlace de sistema interno (software o enlace de información)

Enlace mecánico

Tabla 2: Tipos de líneas utilizadas para expresar conexión entre instrumento y tuberías.

Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos):

AS Alimentación de aire.

ES Alimentación eléctrica.

GS Alimentación de gas.

HS Alimentación hidráulica.

NS Alimentación de nitrógeno.

SS Alimentación de vapor.

WS Alimentación de agua.

En el control de procesos industriales los actuadores por lo general recaen en tres tipos distintos: válvulas regulables de control, motores y pistones (neumáticos o hidráulicos). Debido a la gran variedad de estos elementos en el mercado, es que se han desarrollado una gran cantidad de símbolos que permiten identificarlos con precisión.

En el caso de las válvulas regulables, podemos distinguir dos componentes: la válvula propiamente dicha, que interrumpe o permite el flujo; y el actuador, que acciona la válvula. Este actuador puede ser neumático, hidráulico o eléctrico. Los actuadores más comunes utilizados en la industria son los diafragmas con muelle y los motores rotativos. Para válvulas “todo o nada” se utilizan solenoides, y en ese caso reciben el nombre de “electroválvulas”. Los símbolos utilizados para representar las válvulas y sus actuadores se muestran en las Tablas 3 y 4 respectivamente.

Compuerta

Ángulo

Mariposa

Bola




Tres vías

Cuatro vías

Globo

Diafragma

Tabla 3: Símbolos utilizados para representar distintos tipos de válvulas de control

Diafragma con muelle

~

Posicionador neumático

Motor rotativo

Cilindros:

Simple efecto Doble efecto

Solenoide

Para Válvula de alivio o de seguridad

Tabla 4: Símbolos utilizados para representar actuadores de válvulas

Un actuador se encuentra en fallo cuando no tiene alimentación para mover la válvula. Por ejemplo, un motor rotativo que no esta conectado a una fuente de alimentación, por más que se indique abrir o cerrar la válvula, no funcionara. Los símbolos utilizados para representar la condición de fallo se muestra en la Tabla 5.




Abre en fallo

Cierra en fallo

Abre en fallo a vía A-C

Abre en fallo a vías A-C y D-B

Se bloquea en fallo

Posición indeterminada en fallo

Tabla 5: Símbolos utilizados para representar la condición de fallo de los actuadores

Los accesorios más utilizados para la conversión de un tipo de señal en otra (transductores) pueden representarse de la siguiente forma:

Donde: I (Input) y O (Output) pueden codificarse con las siguientes letras: I = Corriente, E = Voltaje, P = Presión de aire, H = Hidráulico, F = Frecuencia

Este símbolo se coloca cerca de la esquina superior derecha del símbolo ISA que representa el instrumento.

Para aclarar el uso de la simbología ISA analizaremos un lazo de control:




LECTURA DE UN LAZO SIMPLE DE CONTROL

Para aclarar el uso de la simbología ISA analizaremos un lazo de control:

Es posible obtener información con solo observar el diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID). Para este ejemplo observamos la primera letra identificadora en todos los instrumentos: L (nivel) pudiendo determinarse que el propósito primario para este lazo es la medición y control de nivel de un tanque.

Los instrumentos en el lazo incluyen un sensor de nivel (LE), un transmisor indicador de nivel (LIT), un controlador indicador de nivel (LIC) y un elemento final de control (válvula de control LV). Como elemento accesorio se tiene un transductor o conversor de corriente a presión I/P (LY).

Al observar el símbolo del sensor y del transmisor vemos que están montados en campo, debido a que no hay una línea dentro del círculo. La línea dentro del círculo del controlador indica que el instrumento puede ser accedido por el operador en la sala de control. La línea punteada dentro del círculo del conversor I/P nos indica que está montado en una posición fuera del alcance del operario.

Por la simbología de las líneas concluimos que la señal que ingresa al sensor es de tipo electromagnética, y la señal que sale del mismo es de tipo eléctrica. Asimismo, la señal enviada del transmisor hacia el controlador es de tipo eléctrica. La señal que sale del controlador es enviada al conversor I/P que convierte la señal eléctrica en una señal neumática. La señal neumática posiciona la válvula de compuerta con posicionador neumático y cerrada en fallo (LV) de acuerdo con la señal de salida que recibió del controlador.

V. BIBLIOGRAFIA

- Sistemas de Control de Procesos, F.G. Shinskey, Ed. Mc Graw Hill 1996. - Manual del curso de “Laboratorio de Automatización Industrial”. J. Dávalos y Edwin Avila, Ed. PUCP, 2008 - La Automatización de la Fabricación de Alimentos y Bebidas, I. McFarlene, Ed. A. Madrid V. 1995.

- Automatización: tópicos de instrumentación y control, R. Carranza, Ed. PUCP, 2001.