Instrumentacion

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Instrumentacion

  1. 1. INSTRUMENTACIONPROCESOS INDUSTRIALESLos procesos industriales se tienen su propósito principal el de transformarmaterias primas en un producto final. Durante el proceso de la producción deestos bienes, se tienen diversos procesos, ya sea que sean reutilizados losmateriales, o se convierta energía para producir el producto final.La instrumentación provee el significado del proceso de producción paraasegurar que los productos sean elaborados apropiadamente.Aunque hay varios procesos industriales y ninguno es idéntico es importantesaber que los principios que aplica en los procesos son semejantes en susprincipios.Un proceso puede ser descrito como la secuencia de cambios en unasustancia. La secuencia de cambios puede ocurrir en el aspecto químico, físicoo ambos en la composición de una sustancia incluyendo parámetros como elflujo, nivel, presión, temperatura densidad volumen, acidez y gravedadespecífica, así como muchos otros, También muchos procesos requieren detransferencia de energía. La mezcla de fluidos, el calentamiento o elenfriamiento de substancias, el bombeo de agua de un lugar a otro, el enlatadode comida, la destilación de gasolina, el pasteurizado de la leche, y convertir laluz solar en energía eléctrica todos pueden ser descritos como procesos.Cuando una sustancia es calentada, su temperatura y su composición puedecambiar. Cuando la luz solar es convertida en electricidad, pueden ocurrircambios físicos como químicos.Control manualEn el control manual, el operario suministra todas las actividades de control.Un sistema sencillo de control manual es el control de nivel de un tanque,variable o condición que se tiene que controlar, frecuentemente se le conocecomo variable controlada. Los principales elementos de este sistema son: untanque, una fuente de agua para el tanque, una válvula de suministro que sepuede abrir o cerrar para regular la cantidad de agua que va al tanque, un flujode agua fuera del tanque, y un operario. En este ejemplo, el operario observacontinuamente el nivel de agua en el tanque. El sabe a qué nivel de agua sedebe encontrar el agua para que el proceso funcione como es debido. Sicambia el nivel, el operario debe accionar la Válvula manualmente pararegresar el nivel de agua a su nivel debido.Uno de las dificultades presentadas por el control manual es su falta deexactitud. El operario debe calcular que tanto debe hacer girar la Válvula pararegresar el agua a su debido nivel. Otra dificultad es que algunos procesos noson observables fácilmente. Así mismo, debido a que hay muchos procesos
  2. 2. que controlar en una planta, no es práctico contar con un operario que controlecada uno de los procesos.PROCESOS automatizadosAutomatización; del griego antiguo: guiado por uno mismo) es el uso desistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesosindustriales substituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá quela simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a operadoreshumanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, laautomatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental delhumano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más ampliaque un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, queincluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control ysupervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y lasaplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar lasoperaciones de plantas o procesos industriales.
  3. 3. Control electrónicoEl control electrónico es realizado por un elemento llamado controlador deprocesos, que normalmente se le conoce como Controlador LógicoProgramable o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en ingles)son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización Industrial.Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industriabuscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente parareemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés,interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de lossistemas de lógica combinacional.Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento demáquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizaroperaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategiasde control, tales como controladores proporcional integral derivativo (PID).Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores ycomputadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de losmodernos sistemas de control distribuido.Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizadosson el diagrama de escalera LADDER, lista de instrucciones y programaciónpor estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permitenimplementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo másfáciles de interpretar y mantener.En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde losmás simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos,bobinas y operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas comomanejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones decomunicación mutiprotocolos que le permitirían interconectarse con otrosdispositivos.Modos de controlUn controlador automático compara el valor real de la salida de un proceso conla entrada de referencia (valor deseado), determina el error, y produce unaseñal de control que reducirá el error a cero, o a un valor muy pequeño. laforma como el controlador automático produce la señal de control, se denominaacción de control o tipo de control y existen diversos tipos, comenzando por lasmodalidades básicas, hasta llegar a los controles más avanzados einteligentes, originalmente concebidos para procesos complejos (por ejemplo,refinerías).
  4. 4. Control electrónico – variablesDurante todos los procesos, ciertas condiciones están también sujetas acambio, tales como la temperatura, presión, nivel y flujo. Estas condicionesfísicas mutables se les conocen con el nombre de variables del proceso.Control electrónico - variables_nivelEl nivel del líquido es la posición de su superficie por debajo o encima de unpunto fijo de referencia, o línea dato. La línea dato es un punto cero al que serefiere una medida. El punto cero en la medición del nivel es simplemente elpunto de arranque para realizar la medición. Eso no quiere decir que no hallalíquido en el recipiente.para conocer los principios de medición de nivel puedes dar click en elsiguiente linkhttp://www.schillig.com.ar/principios_medicion_nivel_fr.htm
  5. 5. Control electrónico - variables_flujoSe puede definir como la cantidad de fluido que pasa por determinadoelemento en la unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujovolumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.Menos frecuentemente se identifica con el flujo másico o masa que pasa porun área dada en la unidad de tiempo.El cálculo del caudal de agua en una tubería viene expresado por laecuación de continuidad:en la que: Q es el caudal (m³/s) V es la velocidad (m/s) S es la sección de la tubería (m²)para conocer los dispositivos para la medición de caudal puedes dar click en elsiguiente linkhttp://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Medidores.htmControl electrónico - variables_PRESionLa presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, endonde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibriodirectamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columnaliquida un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado conun resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformacióncualitativa cuando se le aplica la presión.El control de la presión en los procesos industriales da condiciones deoperación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máximade operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y laconstrucción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destruccióndel equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente yponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando estánimplícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturasabsolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es laseguridad extrema.Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en elvalor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en elproceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controladocon precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productosponiéndolos fuera de especificación.
  6. 6. Clases de presión: Presión absoluta: es la que se mide a partir de la presión cero de un vacío absoluto. Presión atmosférica: (barométrica) es la que ejerce la atmosfera sobre todos los objetos. Presión relativa: (manométrica) es la presión mayor a la atmosférica.Instrumentos para medir la presión: Manómetro: nombre genérico de los instrumentos que miden presión, Vacuómetro: instrumento que mide presión por debajo de la presión atmosférica, medir presiones negativas o vacíos. Barómetro: instrumento que mide la presión atmosférica.para conocer más puedes dar click en el siguiente linkhttp://newton.cnice.mecd.es/4eso/presion/index.htmlControl electrónico - variables_temperaturaEl concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdadrelativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conllevaun aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición.En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del máscaliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance elequilibrio térmico (véase Transferencia de calor). Por tanto, los términos detemperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptosdiferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujode energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura:la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Aunqueparezca confuso, cada una de las tres escalas de temperatura discutidas nospermite medir la energía del calor de una manera ligeramente diferente. Unamedida de la temperatura en cualquiera de estas escalas puede ser fácilmenteconvertida a otra escala usando esta simple fórmula.
  7. 7. INTRUMENTOS DE MEDICIÓNSe han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura enmovimiento.SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura enpresión (y después en movimiento).TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura enenergía eléctrica (y mediante un circuito en movimiento).Termómetrosa. De Alcoholb. De Mercurioc. BimetálicoElementos Primarios de medición de temperatura Sistemas Termalesa. Liquido (Clase I)b. Vapor (Clase II)c. Gas (Clase III)d. Mercurio (Clase IV)Termoeléctricosa. Termoparb. Resistenciac. Radiaciónd. ÓpticoControl electrónico - variables_otrasOtras variables de proceso que no son tan comunes como las mencionadasanteriormente, pero que a la vez son usadas en los procesos industriales seclasifican en:Variables Químicas: Ph, viscosidad, Humedad Relativa, Potencial Oxido -Reducción y ConductividadVariables Derivadas: Velocidad, Aceleración y Densidadpara aprender más sobre estas variables puedes dar click en los siguienteslinks:
  8. 8. http://es.wikipedia.org/wiki/PHhttp://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Humedadhttp://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/redoxhttp://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_(f%C3%ADsica)Acciones básicasLas acciones del controlador generalmente se denominan modalidades decontrol. Las cinco modalidades básicas del control son:1. On-Off2. Proporcional3. Derivativo4. Integral5. Proporcional + Integral + Derivativocontrol_on-off El control de dos posiciones es el modo más elemental de control. se puededefinir como la acción controladora (en la forma de una señal de salida de uncontrolador) que hace mover un elemento de control final de un extremo al otro,normalmente de encendido on a apagado off, de apagado off a encendido on,de abierto a cerrado, o de cerrado a abierto.Un buen ejemplo de un controlador de dos posiciones es un termostato caserocomún, que controla la temperatura de un cuarto encendiendo o apagando unsistema de calefacción. Si la temperatura del cuarto cae debajo de cierto límite,el termostato percibe el cambio y enciende el sistema de calefacción. Cuandola temperatura del cuarto ha regresado al estado deseado, el termostato lopercibe y apaga el sistema de calefacción. Este tipo de acción controladora esde dos posiciones: el sistema de calefacción, o está apagado, o estáencendido.El control de dos posiciones se emplea en la industria para apagar o encendercomponentes (tal como una bomba de sumidero). las bombas de sumidero
  9. 9. generalmente se usan para mantener el nivel de un pozo, o sumidero, dentrode ciertos límites, extrayendo agua cuando el nivel sube demasiado. Al subir elnivel del agua, también sube un flotador conectado a una varilla que sobresaledel sumidero. Cuando sube el flotador, la varilla es empujada hacia arriba y uncollar en ella sube el brazo actuador de un interruptor. este brazo abre o cierralos contactos del interruptor el cual activa un circuito eléctrico que arranca elmotor de la bomba. cuando la bomba ha extraído suficiente agua hasta bajar elnivel al mínimo necesario para succión, otro collar en la varilla del flotador bajael brazo actuador del interruptor, abriendo los contactos, lo cual desactiva elcircuito eléctrico y apaga el motor de la bomba.En el siguiente grafico está ilustrado el ejemplo anterior.Control proporcionalEl control proporcional es el control cuyas características de la señal de salidason proporcionales a las características de la señal de entrada. Es decir que siaumenta en una cierta cantidad la entrada de un controlador proporcional,aumentará la salida del controlador en cierta cantidad; si disminuye la entradaen una cierta cantidad, disminuirá la salida en cierta cantidad. En otraspalabras, en el control proporcional, la señal de salida es proporcional a laseñal e entrada. La imagen ilustra un sistema simple de control automático quepuede usarse para ayudar a explicar el concepto de control proporcional.En este ejemplo, cuando cambia el nivel de agua en el tanque, el elementoprimario (1) transforma el cambio en movimiento mecánico. El movimiento esmedido por el elemento medidor (2) y transformado en una señal eléctrica. Estaseñal eléctrica es enviada al elemento controlador (3), el cual mide la señal, lacompara con el punto de referencia donde se desea mantener el nivel de agua.Calcula la diferencia y produce una señal correctiva que es trasmitida alelemento de control final (4). El elemento de control final reacciona a la señalque procede del elemento controlador, ajustando el flujo de agua que va altanque.
  10. 10. DerivativoEl control derivativo es la parte de la salida del controlador que responde a laderivada de la desviación del punto de referencia. Si la variable de un procesocambia rápidamente, el controlador derivativo responderá con una mayorcantidad de acción controladora. Si el cambio es lento, hay menor accióncontroladora. Si no hay cambio, no hay ninguna acción controladora.Como en el caso del control integral, el control derivativo no existeindependientemente: siempre esta combinado con el control proporcional. Alañadirle el control derivativo al controlador proporcional, cuando cambia laentrada del controlador, el controlador mide la velocidad del cambio y produceun refuerzo instantáneo de la señal de salida proporcional. En efecto, estamodalidad de controles opone a los cambios en la entrada (la variable delproceso) y trata de parar los cambios tan pronto como son detectados. Cuandola entrada deja de cambiar, cesa la parte derivada de la acción controladora,quedando solamente la parte proporcional de la salida.
  11. 11. control_integralEl control integral es la parte de la salida del controlador que responde a lacantidad de desviación con relación al punto de referencia (donde se deseamantener la variable de proceso), durante el tiempo que dure la desviación. Entérmino más simples, mientras la variable del proceso esté fuera del punto dereferencia o set point, en controlador integral continuamente ajustará su salida,según la cantidad de desviación que haya entre la variable del proceso y elpunto de referencia.El control integral no existe por sí mismo: siempre está combinado con elcontrol proporcional. En el caso del control proporcional, cuando cambia laentrada del controlador, también cambia su salida proporcionalmente. En otraspalabras, si aumenta la entrada de un controlador proporcional en una cantidaddeterminada, la salida del controlador aumentará en una cantidad determinada.Cuando deja de cambiar la entrada, también deja de cambiar la salida,produciendo muchas veces un desajuste cuando se le añade la acción integralal control proporcional, el controlador sigue ajustando su salida hasta que lavariable del proceso regrese a su punto de referencia. En realidad, el controlintegral es el control proporcional + integral; añade una acción correctiva a laacción proporcional.
  12. 12. CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVATIVOEl control proporcional + integral + derivativo es la salida del controlador quecombina una respuesta proporcional con la acción precisa de respuesta delcontrol integral y la rápida acción de respuesta del control proporcional. estetipo de salida del controlador suministra una rápida acción controladora queelimina el desajuste.Al control proporcional + integral + derivativo muchas veces se le llama controlPID: P por proporcional, I por integral y D por derivado.La parte de reposición del controlador PID continuamente ajusta la salidamientras haya desajuste y hasta que la variable del proceso regrese a su puntode referencia.

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