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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

INDICE

UNIDAD I: "TECNOLOGÍAS EN INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL"

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................. 1 2. OBJETIVOS ......................................................................................... 1

2.1 Generalidades ........................................................................ 1 2.2 Evolución Histórica ............................................................... 3 UNIDAD II: "COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL"

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................. 5 2. OBJETIVOS ......................................................................................... 5

2.1 Sistema De Control Realimentado ..................................... 5 2.2 Sensores ................................................................................. 7 2.3 Transmisores ......................................................................... 8 2.4 Controladores ....................................................................... 9 2.5 Elementos Finales De Control .......................................... 10 2.6 Otros Elementos ................................................................. 11

UNIDAD III: "MEDICIÓN DE PRESIÓN"

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................... 18 2. OBJETIVOS ..................................................................................... 18

2.1 Unidades De Presión ............................................................ 18 2.2 Dispositivos de balance de gravedad ............................. 19 2.3 Elementos de deformación elástica ................................. 19 2.4 Transductores eléctricos de presión ................................ 20

UNIDAD IV: "MEDICIÓN DE TEMPERATURA" 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................... 27 2. OBJETIVOS ..................................................................................... 27

2.1 Termómetros ....................................................................... 27 2.2 Sistemas térmicos de llenado ........................................... 28 2.3 Métodos eléctricos .............................................................. 28

2.3.1 Termocuplas………………………………………. 28 2.3.2 RTD…………………………………………………30 2.3.3 Termistores…………………………………………31 2.3.4 Sensores de estado sólido………………………….31 2.3.5 Pirómetros…….. ………………………………… 32


UNIDAD V: "MEDICIÓN DE NIVEL Y FLUJO"


2.1 Medidores de nivel ...................................................................... 38

2.1.1 Medición directa……………………………………………………...38 2.1.2 Medición indirecta……………………………………………………..40

2.2 Medidores de flujo ....................................................................... 42 2.2.1 Medición por presión diferencia……………………..43 2.2.2 Medidores de área variable…………………………..45 2.2.3 Medidores Magnéticos………………………………..45 2.2.4 Medidor A Turbina……………………………………45 2.2.5 Medidor De Vórtice…………………………………...46 2.2.6 Medidores De Flujo Total…………………………….47

UNIDAD VI: “CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESOS"


2.1 Generalidades ............................................................................... 48

2.2 Cambios de carga ......................................................................... 49 2.3 Retardos del proceso .................................................................... 49

UNIDAD VII: "TIPOS DE CONTROL Y SINTONÍA" 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................... 52 2. OBJETIVOS ....................................................................................... 52

2.1 Control De Dos Posiciones ............................................... 52 2.2 Acciones De Control .......................................................... 53

2.2.1 Acción Proporcional ......................................................... 53

2.2.2 Acción Integrativa ............................................................. 54

2.2.3 Acción Derivativa ............................................................. 55

2.3 Respuestas De Control Combinadas ............................... 56 2.3.1 Control Proporcional ........................................................ 56

2.3.2 Control Proporcional - Integrativo (PI) .......................... 57

2.3.3 Control Proporcional - Derivativo (PD) ......................... 57

2.3.4 Control De Tres Modos (PID) ......................................... 57

2.4 Sintonía De Controladores ................................................ 58 2.5 Métodos De Ajuste De Controladores ............................ 59

2.5.1 Método Del Tanteo ........................................................... 59

2.5.2 Método De Ganancia Límite............................................ 62

2.5.3 Método De La Curva De Reacción ................................. 63


UNIDAD VIII: “VALVULAS DE CONTROL AUTOMÁTICO”

1. PARTES DE UNA VÁLVULA DE CONTROL ........................... 65 2. VÁLVULA ........................................................................................ 65 3. TIPOS DE CUERPO DE VÁLVULA............................................. 66

3.1 Válvula De Globo De Doble Asiento ................................. 66 3.2 Válvula De Globo De Simple Asiento ................................ 67

3.2.1 Válvula Mariposa ........................................................... 67 3.2.2 Válvula De Bola ............................................................... 68 3.2.3 Válvula De Membrana .................................................... 68 3.2.4 Válvula De Jaula .............................................................. 68

4. OBTURADOR .................................................................................. 69 5. ACCIÓN DE LA VÁLVULA ......................................................... 70 6. MATERIALES .................................................................................. 70 7. ACTUADORES ................................................................................ 71

7.1 Neumáticos ........................................................................... 71 7. 2 Eléctricos ................................................................................ 73 7.3 Electrohidráulicos ................................................................ 74

8. POSICIONADOR DE VÁLVULA ................................................. 74 8.1 ¿Por Qué Usar Un Posicionador? ....................................... 75 8.2 ¿Qué Aplicaciones Llaman Al Uso De Un Posicionador?77 8.3 ¿Cuándo Un Posicionador No Es Empleado O Cuando No

Es Necesario? ...................................................................... 77 8.4 Posicionadores Digitales ...................................................... 78

9. SELECCIÓN DE UNA VÁLVULA DE CONTROL .................... 78 9.1 Capacidad De Una Válvula ................................................. 79 9.2 Rangeabilidad De Una Válvula .......................................... 80 9.3 Corrección De Viscosidad .................................................... 80 9.4 Ejemplo De Dimensionamiento .......................................... 81

10. PROBLEMAS DEBIDOS AL MAL DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROL .................................................................... 83

10.1 Funcionamiento Inadecuado Por Estar Fuera De Rango 83 10.2 Flashing O Vaporización ...................................................... 83 10.3 Cavitación ............................................................................... 84 10.4 Ruido ....................................................................................... 86

10.4.1 Características Del Ruido .......................................... 86 10.4.2 Ruido En Las Válvulas ................................................ 86 10.4.3 Disminución Del Ruido En Las Válvulas .................. 88

11. INSTALACIÓN Y MONTAJE ....................................................... 88 12. MANTENIMIENTO ........................................................................ 89 13. ESTÁNDARES ................................................................................. 90

UNIDAD IX: "ESTRATEGIAS DE CONTROL"

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................... 91 2. OBJETIVOS ....................................................................................... 91

2.1 Control En Cascada................................................................ 91


2.2 Control De Razón ............................................................... 93 2.3 Control Prealimentado (Feedforward) ........................... 95 2.4 Control De Rango Partido (Split Range) ........................ 95 2.5 Control Por Programa ....................................................... 96

UNIDAD X: "SUPERVISIÓN DE PROCESOS" 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................... 98 2. OBJETIVOS ....................................................................................... 98

2.1 Sistemas Digitales En La Industria .................................. 98 2.2 Partes De Un Sistema De Supervisión Por

Computadora ...................................................................... 99 2.3 Software De Supervisión Y Control .............................. 101 2.4 Interfaz Del Operador ..................................................... 102

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales 1

UNIDAD I

"TECNOLOGÍAS EN INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL"

1. INTRODUCCIÓN

Como se ha comentado anteriormente, ha habido en estas últimas décadas avances considerables en la tecnología de fabricación de los dispositivos, equipos y sistemas de instrumentación y control industrial. Hagamos ahora una breve reseña de como se ha dado este desarrollo para tener una idea general de las posibilidades actuales.

2. OBJETIVOS

Revisar los conceptos de control manual y control automático de procesos.

Identificar las diversas tecnologías existentes en la instrumentación industrial.

2.1 Generalidades

En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo – proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos. En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar. Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que

2 Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar.

El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseadas.

Figura N° 1: Control manual

Figura 2: Control automático

Reservorio

Controlador

Válvula de control

Sensor

Reservorio

Indicador

Instrumentista

Válvula manual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales 3

2.2 Evolución Histórica

El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo. El desarrollo de los dispositivos de control operados

neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas). Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar. Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores

digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC). El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y

4 Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc. Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar.

Figura N° 3: Ser Humano

Figura N° 4: Sistema automático

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