CARACTERíSTICAS DE LOS PROCESOS.

PROCESO

El término proceso utilizado en “control de procesos” o “procesos industriales”, se refiere a cambiar o refinar materias primas para lograr un producto final.

La materia prima, que puede o no cambiar de estado físico durante el proceso, es transferida, medida, mezclada, calentada, enfriada, filtrada, almacenada o manipulada de alguna manera para producir el producto final.

Ejemplos de procesos industriales:

Industrias químicas Petróleo y gas Alimentos y bebidas Productas farmacéuticos Tratamientos de agua Generación de energía

El control de procesos significa el conjunto de conocimientos, métodos, herramientas, tecnologías, aparatos y experiencia que se necesitan para medir y regular automáticamente las variables que afectan a cada proceso de producción, hasta lograr su optimización en cuanto a mejoras del control, productividad, calidad, seguridad, u otros criterios.

SISTEMA

En la terminología de la termodinámica un sistema es una cantidad de materia (formada por una o varias sustancias) considerada, separadamente del resto de universo para su estudio.

Sistema cerrado: Un sistema está cerrado cuando no exite intercambio de materia con

sus alrededores. Se da el nombre de sistema cerrado a aquellos sistemas cuyo comportamiento es determinístico y programado y que opera con muy pequeño intercambio de energía y materia con el ambiente. Se aplica el término a los sistemas completamente estructurados, donde los elementos y relaciones se combinan de una manera peculiar y rígida produciendo una salida invariable.

Sistema abierto: son aquellos que tienden a la relación permanente con su medio ambiente, como intercambio constante de energía.

AUTOMÁTICO

El control automático es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una cantidad o condición, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana. El elemento más importante de

cualquier sistema de control automático es lazo de control realimentado básico, que no es más que una trayectoria cerrada formada por un sensor, un controlador y un elemento final de control.

El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de control. Además hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado. La eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático.

El principio de todo sistema de control automático es la aplicación del concepto de realimentación o feedback (medición tomada desde el proceso que entrega información del estado actual de la variable que se desea controlar) cuya característica especial es la de mantener al controlador central informado del estado de las variables para generar acciones correctivas cuando así sea necesario. Este mismo principio se aplica en campos tan diversos como el control de procesos químicos, control de hornos en la fabricación del acero, control de máquinas herramientas, control de variables a nivel médico e incluso en el control de trayectoria de un proyectil militar.

MULTIVARIABLE

Frecuentemente existen procesos en los cuales se debe controlar más de una variable, tales procesos reciben el nombre de procesos multivariables o procesos de múltiples entradas múltiples salidas (MIMO, Multiple Input Multiple Output).

El controlador multivariable recibe señales de todas las salidas y simultáneamente calcula todas las señales de control teniendo en cuenta la interacción.

Es necesario mencionar que la repercusión económica de los sistemas y procesos multivariables suele ser grande, por lo que es muy importante controlar de forma correcta este tipo de procesos. Ejemplo de sistemas multivariables son los relacionados conel control de:

Columnas de destilación Unidades de cracking catalítico Unidades de coquización retardada Unidades de destilación de crudo

El control automático de procesos multivariables, por medio de controladores PID, presenta grandes dificultades debidas a la presencia de tiempos muertos, interacción y restricciones, por lo que es necesario recurrid a otro procedimiento que tnga en cuenta estas circunstancias.

Dos de las técnicas más utilizadas para el desarrollo de sistemas de control en procesos multivariables son:

Matriz de Ganancias Relativas (RGA) en estado estacionario. Tiene por objeto obtener el mejor emparejamiento de variables para desacoplar la interacción entre lazos.

Control Predictivo Basado en Modelos (CPBM). Tiliza un modelo exlpicito para predecir cuál será el comportamiento del proceos a lo largo del tiempo.

Ganancias relativas en estado estacionario: En un proceso multivariable, la ganancia en lazo abierto (controlador en manual) de una variable controlada (CV), en respuesta a un cambio en la variable manipulada (MV), puede cambiar cuando una segunda vairable se somete a control. La primera variable controlada puede tener un valor cuando el segundo lazo está manual y otro valor diferente cuando el segundo lazo está en automático.

Modelo de procesos: Cualquier modelo a partir del cual se puedan calcular predicciones puede utilizarse para CPBM (contiuo o discreto, función de trnasferencia, espacio de estados o convolución, lineal o no lineal, incluso modelos bassados en reglas, modelos basados en redes neuronales). La tecnología CPBM está abierta a futuras extensiones y a otros campso de investigación. Actualmente los mas utilizados son: Modelos de respuesta impusional y Modelo de respuesta a salto de escalón.

INTELIGENTE

El control inteligente es el sistema capaz de comprender, razonar y aprender acerca del proceso, perturbaciones y condiciones de operaciónTiene un módulo característico encargado de realizar la tarea de evaluación de la eficiencia del control y aprendizaje de operaciones nuevas de operación. Esta labor la realiza una computadora

Dificultades presentadas:

Alta dimensionalidad del proceso Variación con el tiempo de las características del sistema No linealidades en el comportamiento del proceso Problemas de medición bajo incertidumbre Objetivos de control demasiado complejo Condiciones de alarma rigurosas Modelación muy pobre de la dinámica del proceso Restricciones operativas del proceso Probabilidad de falla en sensores o actuadores

CASCADA

Control en cascada es la configuración donde la salida de un controlador de realimentación es el punto de ajuste para otro controlador de realimentación, por lo menos. Más exactamente, el control de cascada involucra sistemas de control de realimentación o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro.

Una de las principales aplicaciones del control en cascada es en procesos donde la variable manipulada es un fluido de servicio (como el agua o el vapor) sometido a perturbaciones. El control en cascada se utiliza cuando se tiene una variable manipulable y más de una varaible medida.

Existen dos propósitos para usar control cascada:

1. Eliminar el efecto de algunas perturbaciones haciendo la respuesta de regulación del sistema más estable y más rápida.

2. Mejorar la dinámica del lazo de control.

La estructura de control en cascada tiene dos lazos un lazo primario con un controlador primario también llamado “maestro” K1(s) y un lazo secundario con un controlador secundario también denominado “esclavo”K2(s), siendo la salida del primario el punto de consigna del controlador secundario La salida del controlador secundario es la que actúa sobre el proceso.

Ventajas:

1. Produce estabilidad en la operación 2. Las perturbaciones en el lazo interno o secundario son corregidas por el controlador

secundario, antes de que ellas puedan afectar a la variable primaria. 3. Cualquier variación en la ganancia estática de la parte secundaria del proceso es

compensada por su propio lazo. 4. Las constantes de tiempo asociadas al proceso secundario son reducidas drásticamente

por el lazo secundario. 5. El controlador primario recibe ayuda del controlador secundario para lograr una gran

reducción en la variación de la variable primaria. 6. Es menos sensible a errores de modelado. 7. Incremento de la capacidad de producción.

Limitaciones:

1. Es aplicable solo cuando pueden obtenerse mediciones de variables adicionales de proceso.

2. Requiere medir las perturbaciones en forma explícita, y además es necesario un modelo para calcular la salida del controlador.

3. En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la realimentación no puede realizarse.

ON-OFF

El control On-Off es la forma más simple de controlar. Es comúnmente utilizado en la industria y muestra muchos de los compromisos fundamentales inherentes a todas las soluciones de control.

La salida del controlador ON-OFF, o de dos posiciones, solo puede cambiar entre dos valores al igual que dos estados de un interruptor. El controlador no tiene la capacidad para producir un valor exacto en la variable controlada para un valor de referencia dado pues el controlador produce una continua desviación del valor de referencia.

La acción del controlador de dos posiciones tiene un simple mecanismo de construcción, por esa razón este tipo de controladores es de los de más amplio uso, y comúnmente utilizados en sistemas de regulación de temperatura. Los controladores mecánicos de dos posiciones normalmente posee algo de histéresis, por el contrario los controladores electrónicos usualmente funcionan sin histéresis.

La histéresis está definida como la diferencia entre los tiempos de apagado y encendido del controlador.

El usar un controlador de acción de dos posiciones da como resultado una oscilación de la variable controlada. Para determinar la regulación del controlador, son importantes los parámetros amplitud y período de tiempo de la oscilación.

SCADA

El nombre de SCADA corresponde a la abreviatura de “Supervisory Control And Data Acquisition”, es decir: adquisición de datos y supervisión de control. Un SCADA es un software de aplicación especialmente diseñado para funcionar sobre ordenadores de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del

ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

Hay multitud de productos SCADA en el mercado, los cuales se pueden dividir en dos grupos:

Específico de cada fabricante, sólo funciona con sus productos (SCS de Omron, CXSupervisor de Omron, WinCC de Siemens, etc.)

Genérico, válido para productos de varios fabricantes. Necesita de software adicional para la realización de las comunicaciones (InTouch, LabView, etc.)

Las funciones principales de SCADA son:

1. Adquisición de datos, para recoger, procesar y alamacenar la información recibida.2. Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.3. Control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores

autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.

Un SCADA constará de una ventana de edición, desde la cual se va realizando la programación de todas las ventanas de la aplicación con todos sus condicionantes, y de el programa de RUNTIME que hace “correr” la aplicación en comunicación con los distintos dispositivos de campo.

Desde la ventana de edición, se podrá acceder a todas las opciones de configuración mediante menús desplegables ó botones de acceso directo.

1. Barra de menús desplegables. Contiene los menús habituales de Windows mas algunos específicos de cada fabricante

2. Barra de general de herramientas. 3. Barra de iconos de formato.

4. Barra de herramientas de dibujo 5. Zona del explorador de la aplicación 6. Pantalla de dibujo y animación. 7. Barra de tratamiento de objetos agrupados 8. Barra de estado

Todos los SCADAS incorporan una herramienta de dibujo, mediante la cual se puede dibujar cualquier objeto. Estos objetos, mediante las barras de herramientas, se podrán modificar, cambiar tamaño, color, grosor de líneas, textos, etc., a voluntad. Se podrán agrupar, alinear, colocar delante, etc., y una vez dibujados y configurados, guardarlos para su posterior utilización todas las veces que se desee.También se dispone de objetos complejos ya dibujados, tales como botones, gráficas, alarmas, incluso de la opción de insertar imágenes de un archivo ya creado (BITMAP).

RETROALIMENTACIÓN (FEEDBACK)

Se mide la variable controlada a la salida del proceso y se compara con la consigna (el valor deseado de la variable controlada). La diferencia (error) se alimenta al controlador por retroalimentación que modifica la variable manipulable

Ventajas:

1. No requiere la identificación y medida de todas las perturbaciones.2. Es insensible a los errores de modelado3. Es insensible a los cambios de parámetros.

Desventajas:

1. Antes de tomar la acción de control espera a que la perturbación haya sido eliminada del sistema.

2. Es insatisfactorio para procesos lentos con tiempos muertos significativos.3. La respuesta de bucle cerrado puede crear inestabilidad

DELANTE ALIMENTACIÓN (FEEDFORWARD)

Se trata de un sistema de control de lazo abierto. Se detecta perturbación cuando entra en el proceso y se realiza el cambio necesario en las variables manipulables para que la variable controlada se mantenga constante.

Ventajas:

1. Actúa antes de que la perturbación sea introducida en el sistema.2. Bueno para sistemas lentos (multicapacidad) o con tiempos muertos significativos.3. No introduce inestabilidad debida a la respuesta de ciclo cerrado

Desventajas:

1. Requiere la identificación de las posibles perturbaciones y su medida directa.2. No puede operar con perturbaciones no medibles.3. Sensible a las variaciones de los parámetros del proceso.4. Requiere un buen conocimiento del modelo del proceso.

PID

Los miembros de la familia de controladores PID, incluyen tres acciones: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Estos controladores son los denominados P, I, PI, PD y PID.

P; acción de control proporcional: Da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir: u(t) = KP.e(t),que descripta desde su funcion transferencia queda:

donde Kp es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee desempeno limitado y error en regimen permanente (off-set).

I; acción de control integral: Da una salida del controlador que es proporcional al error acumulado, lo que implica que es un modo de controlar lento.

La senal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la senal de error e(t) es cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante, o perturbaciones, el error en regimen permanente es cero.

PI; acción de control proporcional-integral: Se define mediante

donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la accion integral. La función de transferencia resulta:

Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una accion de control distinta de cero. Con accion integral, un error pequeño positivo siempre nos dara una acción de control creciente, y si fuera negativo la señal de control sera decreciente. Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en regimen permanente sera siempre cero. Muchos controladores industriales tienen solo accion PI. Se puede demostrar que un control PI es adecuado para todos los procesos donde la dinamica es esencialmente de primer orden. Lo que puede demostrarse en forma sencilla, por ejemplo, mediante un ensayo al escalon.

PD; acción de control proporcional-derivativa: Se define mediante:

donde Td es una constante de denominada tiempo derivativo. Esta accion tiene caracter de prevision, lo que hace m ´ as r ´ apida la acci ´ on de control, aunque tiene la desventaja importante que amplifica las senales de ruido y puede provocar saturacion en el actuador. La accion de control derivativa nunca se utiliza por sı sola, debido a que solo es eficaz durante per´ıodos transitorios. La funcion transferencia de un controlador PD resulta:

Cuando una accion de control derivativa se agrega a un controlador proporcional, permite obtener un controlador de alta sensibilidad, es decir que responde a la velocidad del cambio del error y produce una correccion significativa antes de que la ´magnitud del error se vuelva demasiado grande. Aunque el control derivativo noafecta en forma directa al error ea estado estacionario, anade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un valor mas grande que la ganancia K, lo cual provoca una mejora en la precision en estado estable.

PID; acción de control proporcional-integral-derivativa: Esta accion combinada reune las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuacion de un controlador con esta accion combinada se obtiene mediante:

y su funcion transferencia resulta:

HART

La mayoría de los dispositivos inteligentes de campo instalados alrededor del mundo son compatibles con HART. Pero algunos de los nuevos en el campo de la automatización pueden necesitar una actualización sobre esta poderosa tecnología.

En pocas palabras, el Protocolo HART (transductor remoto direccionable en red) es el estándar mundial para enviar y recibir información digital a través de cables analógicos entre dispositivos inteligentes y el sistema de control o de monitoreo. 

Más específicamente, HART es un protocolo bidireccional de comunicación que suministra acceso de datos entre instrumentos inteligentes de campo y sistemas centrales. Un sistema central puede ser cualquier aplicación de software desde el dispositivo de mano o laptop del técnico hasta el control de procesos de una planta, gestor de activos, seguridad u otro sistema que use cualquier plataforma de control. 

La tecnología HART ofrece una solución confiable a largo plazo para operarios de planta que buscan los beneficios de dispositivos inteligentes con comunicación digital – que está incluida en la mayoría de los dispositivos en instalación.  Sin embargo, en muchos casos, la mayoría de las aplicaciones no pueden actualizar sus sistemas de automatización existentes con un sistema que pueda aceptar los datos digitales suministrados por el Protocolo HART. 

Debido a que hoy en día la mayoría de las redes de automatización en operación se basan en el cableado analógico tradicional de 4 a 20 mA, la tecnología HART desempeña un papel fundamental porque la información digital se comunicará al mismo tiempo con la señal de 4-20 mA. Si ésta, no habría comunicación digital.

La Tecnología HART es fácil de usar y muy confiable cuando se usa para poner en servicio y calibrar dispositivos inteligentes así como para diagnóstico continuo en línea.

Hay varias razones para que una unidad central se comunique con los dispositivos inteligentes. Éstas incluyen:

Configuración o reconfiguración del dispositivo Diagnóstico del dispositivo Identificación y corrección de problemas del dispositivo Lectura de valores de medición adicionales suministrados por el dispositivo Estado de operación y bienestar del dispositivo

ALGEBRA BOLANEA

El álgebra booleana es un sistema matemático deductivo centrado en los valores cero y uno (falso y verdadero). Un operador binario " º " definido en éste juego de valores acepta un par de entradas y produce un solo valor booleano, por ejemplo, el operador booleano AND acepta dos entradas booleanas y produce una sola salida booleana.

Para cualquier sistema algebraico existen una serie de postulados iniciales, de aquí se pueden deducir reglas adicionales, teoremas y otras propiedades del sistema, el álgebra booleana a menudo emplea los siguientes postulados:

Cerrado . El sistema booleano se considera cerrado con respecto a un operador binario si para cada par de valores booleanos se produce un solo resultado booleano.

Conmutativo. Se dice que un operador binario " º " es conmutativo si A º B = B º A para todos los posibles valores de A y B.

Asociativo . Se dice que un operador binario " º " es asociativo si (A º B) º C = A º (B º C) para todos los valores booleanos A, B, y C.

Distributivo . Dos operadores binarios " º " y " % " son distributivos si A º (B % C) = (A º B) % (A º C) para todos los valores booleanos A, B, y C.

Identidad . Un valor booleano I se dice que es un elemento de identidad con respecto a un operador binario " º " si A º I = A.

Inverso . Un valor booleano I es un elemento inverso con respecto a un operador booleano " º " si A º I = B, y B es diferente de A, es decir, B es el valor opuesto de A.

Todas las variables y constantes del Álgebra booleana, admiten sólo uno de dos valores en sus entradas y salidas: Sí/No, 0/1 o Verdadero/Falso. Estos valores bivalentes y opuestos pueden ser representados por números binarios de un dígito (bits), por lo cual el Álgebra booleana se puede entender cómo el Álgebra del Sistema Binario. Al igual que en álgebra tradicional, también se trabaja con letras del alfabeto para denominar variables y formar ecuaciones para obtener el resultado de ciertas operaciones mediante una ecuación o expresión booleana. Evidentemente los resultados de las correspondientes operaciones también serán binarios.

MEDIDA DE FLUJO

Los medidores de flujo se utilizan para medir el flujo de un líquido a través de un área designada. Medir la velocidad de un líquido o los cambios en la energía cinética ayuda a determinar precisamente las tasas de flujo.

Existen básicamente cinco tipos de medidores, cada uno con sus propias aplicaciones prácticas. Los medidores deben estar propiamente instalados y mantenidos para mantener la precisión; una lectura incorrecta puede llevar a serios daños.

Algunos de estos miden la velocidad de flujo de manera directa y otros miden la velocidad promedio, y aplicando la ecuación de continuidad y la de energía se calcula la velocidad.

Factores para la elección del tipo de medidor de fluido:

Intervalo de medición Exactitud requerida

Pérdida de presión Tipo de fluido Tipo de medición Calibración Medio ambiente Lugar de ubicación

TIPOS DE MEDIDORES DE FLUJO

Los tipos más comunes son los medidores de flujo de presión diferencial, de desplazamiento positivo, de velocidad, de masa y de canal abierto. Cada uno tiene diferentes versiones que operan bajo el mismo concepto. Placas de orificio, tubos de venturi y de flujo, son todos ejemplos de medidores de flujo de presión diferencial. Pistones alternativos y paletas rotativas son ejemplos de medidores de desplazamiento positivo. Las turbinas y medidores doppler son tipos de medidores de velocidad. Los medidores tipo coriolis y termales son medidores de masa.

1. Sondas de la Velocidad

1.1. Tubo de Pitot

Son instrumentos sencillos, económicos y disponibles en un amplio margen de tamaños. Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería.Su instalación simplemente consiste en un simple proceso de ponerlo en un pequeño agujero taladrado en la tubería.

El tubo Pitot tiene sección circular y generalmente doblado en L. Consiste en un tubo de pequeño diámetro con una abertura delantera, que se dispone contra una corriente o flujo de forma que su eje central se encuentre en paralelo con respecto a la dirección de la corriente para que la corriente choque de forma frontal en el orificio del tubo.

Donde se ve que p1 será la presión total o presión de estancamiento, que tiene en cuenta tanto la presión estática como la presión dinámica producida por la velocidad.

Si conocemos la presión estática en el punto 0 podríamos saber cual es el valor de la velocidad en el conducto.

Los manómetros de tubo de Pitot es un instrumento elemental para la medición de velocidades de flujo de gases o de aire en canales. Los manómetros de tubo de Pitot son una derivación de los clásicos tubos Prandtl, una combinación de tubo de Pitot para medir la presión total y una sonda de medición de la presión estática.

La ventaja de los manómetros de tubo de Pitot frente a otros métodos de medición consiste en el hecho de que un orificio relativamente pequeño sobre la pared del canal en las zonas más importantes del recorrido es suficiente para realizar en cualquier momento una medición rápida de la velocidad de flujo. Además, podrá utilizarlos a altas temperaturas y a velocidades de flujo muy elevadas (hasta 120 m/s dependiendo del modelo).

1.2. Tubo de Prandtl

Como se ha visto, el tubo de Pitot nos permite medir velocidades, pero necesitamos conocer la presión estática de la tubería. Así, a Prandtl se le ocurrió la idea de unir en un mismo dispositivo el tubo de Pitot y un medidor de presión, con lo que tener en un único dispositivo todo lo necesario para conocer la velocidad. Así, lo que comúnmente conocemos como tubo de Pitot en realidad es un tubo de Prandtl.

Así, con un manómetro diferencial que nos proporcione el valor de la diferencia podríamos obtener el valor de la velocidad del fluido. En verdad, la velocidad calculada de forma teórica no coincide exactamente con la real, se ha de multiplicar por un coeficiente experimental de la velocidad, Cv , el cual puede oscilar alrededor de la unidad.

2. Medidores diferenciales

Funcionan con vase en la reducción de la presión que se presenta entre dos puntos del aparato, la cual es directamente proporcional al caudal. Se clasifican en:

Diafragma Toberas Tubo de Venturi

Algunas caracteristicas generales son:

Precisión ±2% Rango de medida limitado (3:1) Pérdida de presión alta Económicos No es necesaria calibración

40% del mercado

2.1. Diafragma (Orificio)

Los diafragmas son placas con un orificio en su centro que se insertan dentro de la tubería ocasionando una contracción brusca del área de flujo.

La máxima reducción del área de flujo se presenta aguas abajo de la contraccón y se denomina vena contracta.

2.2. Toberas

El principio de funcionamiento es idéntico al del diafragma, convirtiendo energía potencial en cinética, midiendo la depresión entre el flujo aguas arriba y el flujo en la tobera. Si se mira en la figura se ve que la toma de baja presión se realiza en la parte baja. Experimentalmente se ha comprobado que la presión es ese punto coincide con la que existe en el punto medio de la tobera. La constnate de caudal Cq variará, y tendrá valores diferentes a los que tiene el Venturi, pero la expresión genérica para el cálculo es la misma.La pérdida de presuón es menos importante, pero su coste es superior.

2.3. Tubo Venturi.

Es similar sla placa de orificio, pero está diseñado para eliminar la separación de capas próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo venturí tiene una caída de presión no recuperable mucho menor.

Planteando energía entre 1-2, sin considerar las prdidas e incluyendo el principio de continuidad se obtiene:

Para incluir los efectsfriccionales se utiliza un coeficiente Cv

1.

Caudalímetros de Área Variable (rotametro)

Los caudalímetros de área variable disponen de un tubo de medida vertical cónico, de terminación más ancha, en el cual se mueve libremente un flotador de forma especial hacia arriba y hacia abajo.

El medio fluye a través del tubo de abajo hacia arriba. Al hacerlo así, se levanta el flotador hasta que hay un espacio anular entre la pared del tubo y el flotador; y se logra el equilibrio de las fuerzas aplicadas al flotador.

Tres fuerzas principales actúan sobre el flotador: La flotabilidad A, que depende de la densidad del fluido y el volumen del flotador. Este es

constante (a una densidad constante). El peso G, que depende de la masa del flotador. Los flotadores se

pueden fabricar utilizando acero inoxidable, aluminio, titanio o de goma dura, por ejemplo.

La fuerza del caudal S: Los cambios de la fuerza del caudal fluyen transitoriamente, con un cambio en el flujo, hasta que se logra un nuevo estado de equilibrio.

Existen una gran variedad de modelos de rotámetros, cada uno indicado para un caudal, naturaleza del fluido, y condiciones de utilización. En general los podemos dividir en:

Rotámetros de Purga Rotámetros de indicación directa Rotámetros armados con indicación magnética, neumática o

eléctrica Rotámetros de Bypass

Su aplicación es importante en tuberiasde menos de 100 mm de diámetro.Algunas características son:

Simple y robusto Pequeña pérdida de presión Rango de aplicación de 10:1 Resiste alta temperatura (400 ºC) y presión (40 bar) Precisión del 1% - 4%

1.1. Rotámetro de Purga:

Se utilizan para caudales pequeños, en sus aplicaciones se destaca la purga hidráulica de sellos mecánicos en bombas, la medición por burbujeo, la purga de elementos de presión diferencial entre algunas.

Es un rotámetro con una válvula de aguja añadida. El rotámetro se coloca en paralelo a la tubería principal.

TRANSMISIÓN DE LA SEÑAL DE LAS VARIABLES.

Normalmente los sensores y los actuadores se encuentran próximos al proceso. Los controladores pueden estar:

en un armario de control (a varios metros del equipo de medida) en la sala de control (a decenas de metros) en otro edificio (a centenares de metros)

Es necesario transmitir la medida hasta los controladores y desde éstos al actuador. Para ello se requiere:

1. medio de transmisión2. código de interpretación de la información

1. Medios de transmisión

Puede ser a traves de:

Tuberías por las que se transmite alguna propiedad del fluido (línea de transmisión neumática)

Cables eléctricos por los que se transmite alguna propiedad eléctrica (líneas de transmisión eléctrica)

El espacio por el que se transmiten ondas Fibras ópticas, que son canales de comunicación por los que se transmiten ondas

luminosas de forma muy eficiente

Factores a tener en cuenta al transmitir la información:

Capacidad del canal Atenuación de la señal Inmunidad al ruido

Utilización típica:

Transmisión por radio: procesos alejados del centro de control y supervisión. Fibras ópticas: al ser canales de gran capacidad se utilizan cuando hay que transmitir gran

cantidad de datos. En sistemas de control de procesos se utilizan más los sistemas de transmisión

neumáticos y eléctricos.1.1. Transmisión neumática

Algunas caracteristicas de este tipo de transmisión son:

a) Normalizada por ISA (Instrumentation Systems and Automation Society) en dos rangos: 3-15 psi (327 psi)

a. 3 psi valor inferior del rango de medida (0%)b. 15 psi valor superior (100%)

b) El valor mínimo ≠0 se denomina cero vivo. Se utiliza por:a. 0 psi, menor que el cero vivo puede identificar tubería desconectada, atascada o

con fugas, o bien sensor estropeadob. Es más fácil calibrar el instrumento si existe presión por debajo del punto mínimo

de calibraciónc) Las distancias deben ser relativamente cortas

1.2. Transmisión eléctrica a) Es más utilizada:

i. Mejora las características dinámicas de la transmisión neumática (mejores tiempos de respuesta ⇒ mayor capacidad del canal)

ii. Menor coste de la línea (cables en lugar de tubos)iii. Menor coste de la instrumentación asociada (hoy en día tanto la

instrumentación como los controladores son en su mayoría electrónicos)iv. Introducción masiva de computadores en control y supervisión, a los que

se suministra información en forma de señal eléctricab) Rango: 4-20 mA (cero vivo)

2. Codificación de la información

2.1. Analógica: Por amplitud. La variable que se quiere transmitir es una función (normalmente lineal) de la

amplitud que se transmite. Poco inmune al ruido Por ancho de pulso (PWM - Pulse Width Modulation). La línea transmite una señal de dos

valores (alto y bajo). Más inmune al ruido Por frecuencia. La frecuencia de la onda es función de la señal que se quiere transmitir.

Muy inmune al ruido.

2.2. Digital: Se traduce la señal a digital (binario) Es mucho más inmune al ruido Se utilizan códigos para detección de errores en la transmisión (paridad, CRC (codigos

cíclicos redundantes), ...

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

Un elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variablemanipulada en respuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control automático; típicamente recibe una señal del controlador y manipula un flujo de material o energía parael proceso. El elemento final de control puede ser una válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servoválvula, un relé, elementos calefactores decarácter eléctrico o un amortiguador.

El elemento final de control consta generalmente de dos partes:

a) Un actuador que convierte la señal del controlador en un comando para eldispositivo manipulador.

b) Un mecanismo para ajustar la variable manipulada

1. Válvula de control:

La válvula de control es básicamente un orificio variable por efecto de un actuador. Constituye el elemento final de control en más del 90 % de las aplicaciones industriales.

Esta válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormentetransformada en una de tipo neumática que incide el cabezal.

Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes:

Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal orotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.

Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje delfluido cambie y con ésta el caudal.

.

Desde el punto de vista estático el actuador es moderadamente lineal y la dinámica más significativaes la de llenado del cabezal con una constante de tiempo del orden de los segundos. El cuerpocarece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de flujo como se verá.

Tipos de válvulas:

Válvula de globo

Puede verse en las figuras a, b y c siendo de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado respectivamente. Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logran con obturadores provistos de una arandela de teflón. En la válvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.

Caracteristicas generales:

a) Alto costo en relación al Cvb) Aplicación limitada para fluidos con partículas en suspensiónc) Diámetros hasta 24 pulgadasd) Disponible en diversos modelos (simple y doble asiento, guiadoen caja, etc.)e) Existen tipos especiales para aplicaciones criogénicas, paraf) vaporización, etc.g) Rangeabilidad 35:1 a 50:1h) Amplia disponibilidad de características de flujo

Válvula en ángulo.

Esta válvula permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión.

Válvula de tres vías.

Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezclar fluidos –válvulas mezcladoras (fig. a)—o bien para derivar de un flujo de entrada de dos de salida – válvulas diversoras (fig.b). Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor.

Válvula de jaula.

Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados en las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien

cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador esta contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr así un cierre hermético.

Válvula de mariposa .

El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta (en control todo-nada se consideran 90° y en control continuo 60°, a partir de la posición de cierre ya que la última parte del giro es bastante inestable), siempre que la presión diferencial permanezca constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y cierre; se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada.

Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.

Caracteristicas:

a) Buena disponibilidad para grandes diámetrosb) Bajo costo en la versión estándar c) Bajo costo en relación a Cvd) Característica igual porcentaje salvo diseños especiales delplatoe) Susceptibles a cavitación y ruidof) Baja pérdida de cargag) Diámetros hasta 150 pulgadash) El cierre hermético requiere de recubrimientos especiales

Válvula Saunders.

En la válvula Saunders, el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de la goma o de plástico para trabajar con fluidos agresivos.

Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión.

Caracterisitcas:

a) Ampliamente usadas para el manejo de fluidos corrosivos o erosivos b) Construcción simplec) Cierre hermético y las partes móviles no tienen contacto con elfluidod) Limitado rango para presiones y temperaturas de trabajoe) Rangeabilidad entre 3:1 a 15:1

Válvula de bola.

El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre) (fig. a). La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que fija la cueva característica de la válvula, y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre estanco se logra con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula está cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75% del tamaño de la tubería. La válvula de bola se emplea principalmente en el control de caudal de fluidos negro, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspención.

Una válvula de bola típica es la válvula de macho (fig.b) que consiste en un macho de forma cilíndrica o troncocónica con un orificio transversal igual al diámetro interior de la tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y tiene un movimiento de giro de 90°. Se utiliza generalmente en el control manual todo-nada de líquidos o gases y en regulación de caudal.

Caracterisitcas:

a) Característica igual porcentaje salvo que el obturador tenga unasección especialb) Apta para el manejo de suspensiones muy viscosas o con fibras ysólidosc) Requiere motores de gran tamañod) Precisan posicionadorese) Deben ser extraídas de la línea para mantenimientof) Rangeabilidad típica de 50:1

2. Variadores de frecuencia

Un variador de frecuencia (siglas VFD, del inglés: Variable Frequency Drive o bien AFD Adjustable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Un variador de frecuencia es un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de frecuencia son también conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA, microdrivers o inversores. Dado que

el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia).

Sistema electrónico que convierte energía de red (senoidal de 50 Hz) en energía (señales cuadradas ~[3 kHz..20 kHz]).

Permite controlar las revoluciones de giro en los motores de AC. Convierte la señal eléctrica en giros controlados. La aplicación de pulsos de tensión sobre los arrollamientos da lugar a campos magnéticos

que tienden a alinear el imán (rotor) produciendo un giro controlado.

3. Bombas

Bomba centrifuga:

Las Bombas centrífugas también llamadas Rotodinámicas, son siempre rotativas y son un tipo

de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor . Elfluido entra por el

centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza

centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba,

que por el contorno su forma lo conduce hacia las tuberías de salida o hacia el siguiente rodete se

basa en la ecuación de Euler y su elemento transmisor de energía se denomina impulsor rotatorio

llamado rodete enenergía cinética y potencial requeridas y es este elemento el que comunica

energía al fluido en forma de energía cinética.

Las Bombas Centrífugas se pueden clasificar de

diferentes maneras:

a) Por la dirección del flujo en: Radial, Axial

y Mixto.

b) Por la posición del eje de rotación o

flecha en: Horizontales, Verticales e

Inclinados.

c) Por el diseño de la coraza (forma) en:

Voluta y las deTurbina.

d) Por el diseño de la mecánico coraza en:

Axialmente Bipartidas y las Radialmente

Bipartidas.

e) Por la forma de succión en: Sencilla y

Doble.

Elemento final utilizado para aumentar la presión sobre un fluido y en consecuencia, hacerlo� circular por canalizaciones.

Partes constitutivas fundamentales.�

a) Ojo de succión : Orificio central de entrada del fluido.

b) Impulsor : Disco que posee vanos o estrías radiales por las que circula el fluido despedido hacia su periferia.

Bombas de desplazamiento

Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico.

Elemento final que moviliza de forma periódica un� volumen fijo de fluido.

Partes constitutivas fundamentales.

a) Cilindro Cavidad en la que se aloja el volumen de fluido a circular.

b) Pistón: Parte móvil solidaria con un actuador externo que se introduce y se retira periódicamente en el cilindro.

c) Válvula de entrada: Permite la entrada del fluido en el cilindro al retirarse el pistón.

d) Válvula de salida: Permite la salida del fluido del cilindro al introducirse el pistón en este.

Por su propia construcción no admiten fluidos con sólidos en suspensión.

Hay dos clases de bombas de desplazamiento positivo:

a) Las de pistón o reciprocantes, que desplazan el liquido por la acción de un émbolo o pistón con movimiento rectilíneo alternativo, o con movimiento de oscilación.

b) Las rotatorias, en las cuales, el desplazamiento se logra por el movimiento de rotación de los elementos de la bomba.

Bombas peristálticas

Una bomba peristáltica es un tipo de bomba hidráulica de desplazamiento positivo usada para bombear una variedad de fluidos. El fluido es contenido dentro de un tubo flexible empotrado

dentro de una cubierta circular de la bomba (aunque se han hecho bombas peristálticas lineales). Un rotor con un número de 'rodillos', 'zapatas' o 'limpiadores' unidos a la circunferencia externa comprimen el tubo flexible. Mientras que el rotor da vuelta, la parte del tubo bajo compresión se cierra (o se ocluye) forzando, de esta manera, el fluido a ser bombeado para moverse a través del tubo.

Adicionalmente, mientras el tubo se vuelve a abrir a su estado natural después del paso de la leva ('restitución'), el flujo del fluido es inducido a la bomba. Un rotor contrae y libera al mismo tiempo un

conducto flexible haciendo que su contenido avance (sistema peristáltico).

Ventajas:

a) Ningún contacto del producto con el órgano bombeante.b) Reversibilidad del flujo sin variación de caudal. c) Idoneidad para el bombeo de productos con cuerpos sólidos en suspensión hasta el 40%

del diámetro interno.d) Posibilidad de trasiego de productos frágiles o contaminantes

BIBLIOGRAFIA:

Principios de los procesos químicos- Olaf A. Hougen,Kenneth M. Watson,R. A. RagatzInstrumentación y control avanzado de procesos- José Acedo Sánchezhttp://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/transparencia/Control_de_Procesos.pdfhttp://www.enciclopediadetareas.net/2012/06/caracteristicas-de-los-procesos.html

http://facultad.bayamon.inter.edu/arincon/Introduccion%20al%20Control%20Aotomatico.pdf

http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/sistemas-de-control-automatico.pdf

http://ocw.upm.es/ingenieria-de-sistemas-y-automatica/control-de-procesos-industriales/Contenidos/Documentos/8_control_sistemas_multivariables.ppt

http://www.ceautomatica.es/old/actividades/jornadas/XXIV/documentos/suconin/58.pdf

http://galeon.com/ingprocesos/CONTROL_II/3CASCADA.pdf

http://dinamicaycontrol.files.wordpress.com/2012/03/resumen-control-cascada.pdf

http://www.etitudela.com/celula/downloads/controldeprocesos.pdf

http://web.udl.es/usuaris/w3511782/Control_de_procesos/Unidades_files/apuntes_10-11.pdf

http://www.eng.newcastle.edu.au/~jhb519/teaching/caut1/Apuntes/PID.pdf

http://www.amf.uji.es/Teoria_Tema6_910.pdf

http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0305MedicionCaudal1.pdf

www.inele.ufro.cl/...Control/.../Capitulo%205.%20Elementos%20finales...

http://www.disa.bi.ehu.es/spanish/asignaturas/17212/Introduccion_II.pdf

http://www.herrera.unt.edu.ar/controldeprocesos/tema_3/tp3c.pdf

http://www.uv.es/ramirez/Docencia/IA/Leccion_7.pdf