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Bsicamente y, aunque hay va-riaciones de un suministrador aotro, un posicionador de los deno-minados inteligentes, consta delas siguientes partes:

- Medida de presin o presindiferencial en el actuador en fun-cin de que sea de diafragma o depistn (figuras 2 y 3).

- Medida de posicin bien seamovimiento lineal o rotativo enfuncin tambin del tipo de actua-dor. Los transductores ms comn-mente utilizados son:

Inductivos, que no requierencontacto.

Potenciomtricos.

1. Posicionadores

digitales

l mundo de lasvlvulas de con-trol tambin se

ha visto afectadopor la revolu-cin de la ins-trumentacin in-

teligente; aunque quizs empezaraun paso por detrs al resto de lainstrumentacin, se puede decirque ha habido un gran avance enlos ltimos aos. As, el posiciona-dor neumtico con convertidorelectroneumtico como el mostra-do en la figura 1 sigue siendo unestndar en muchas plantas de pro-ceso. Sin embargo, en los ltimosaos han salido al mercado tam-bin gran variedad de nuevos pro-ductos y ya es habitual entre losprincipales fabricantes la oferta deposicionadores inteligentes dentrode su gama de productos.

Este artculo pretende mostrar

las ltimas tecnologas en el

diagnstico de averas de lasvlvulas de control con

accionamiento neumtico, dada

su gran repercusin en la

fiabilidad de las plantas de

proceso. Se comienza exponiendo

el funcionamiento de los

posicionadores digitales, para

despus pasar a explicar los

distintos tipos de diagnsticos

obtenibles, as como los

beneficios que reportan. El autor

se ha basado para ello en la

informacin facilitada pordiferentes suministradores, as

como en su experiencia en la

utilizacin de esta tecnologa.

Instrumentacin

Ingeniera Qumica

Diagnsticos

en vlvulas de control

R. Conde CaveroGE Plastics de Espaa, S.C.A.

E

Figura 1.

Vlvula de control

de globo con actuador

neumtico de diafragma

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porcional y derivativa del propioposicionador.

Ganancia.

Adems de las mejoras desde elpunto de vista del control, el posi-cionador basado en microprocesa-dor tiene importantes ventajas deahorro de costes y de prestaciones,aunque es cierto que supone unainversin inicial ms elevada:

- Reduccin de tiempo en elarranque de la planta gracias a susistema de autocalibracin, mu-cho ms rpido que el sistema deajuste iterativo de prueba y errorde los posicionadores convencio-nales. Mediante la funcin de au-tocalibracin, se ajusta el cero el

- Unidad de suministro neum-

tico para llenado y vaciado de lacmara neumtica del actuador,con dos posibles variantes:

Vlvulas pilotadas, tales comopiezovlvulas o solenoides con am-plificadores neumticos. Este siste-ma asegura un rpido y precisoposicionamiento de la vlvula. Ade-ms, supone un importante ahorrode aire, ya que, en estado estaciona-rio, nicamente se consume una pe-quea cantidad para purga delcuerpo (figura 3).

Sistema tobera-paleta conven-cional (figura 2).

- Convertidores analgico/digi-tales cuando se utilicen protocolosdigitales como HART.

- Microprocesador, que realizalas siguientes funciones:

Almacenamiento de datos/pro-cesamiento de seales de entrada ysalida.

Algoritmo de control.

Configuracin e inicializacin. Comunicacin.

En la figura 2 se muestra el es-quema de un posicionador neum-tico digital para actuador decampana y en la figura 3 para unactuador de cilindro.

Dentro de las funciones ms ex-tendidas que estos equipos puedenincorporar, suelen encontrarse lassiguientes:

Autocalibracin local y remota. Rango de entrada. Caracterstica de regulacin (li-

neal, isoporcentual, por puntos).

Instrumentacin

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Tiempo mnimo de apertura ycierre.

Rango de la carrera. Lmites de carrera por software. Cortes de carrera, o travel cu-

toff, los cuales aseguran que seabra o cierre la vlvula en un por-centaje determinado, evitando asdesgaste de internos que se produceal trabajar a muy bajos porcentajes.

Transmisor de posicin de vl-vula.

Rango de presin de alimenta-cin de aire.

Alertas de carrera. Alertas de desviacin de carrera. Alertas de acumulador de ca-

rrera. Alerta de contador de ciclos. Definicin de acciones pro-

Figura 2.

Esquema de un posicionador neumtico digital

para actuador de campana

(cortesa Emerson Process Management)

Figura 3.

Esquema de un posicionador digital

para actuador neumtico de cilindro

na vlvula de control cumpletres funciones bsicas: regular,interrumpir y contener el fluido

de proceso

U

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ello, muchos usuarios decidenmantener sus vlvulas de controldurante un tiempo programado(hasta la siguiente parada en la quese realizar un mantenimiento pre-

ventivo) o esperan a que falle (man-tenimiento correctivo).

Una vlvula de control cumpletres funciones bsicas: regular, in-terrumpir y contener el fluido deproceso. Aparentemente, el des-gaste, desajuste o dificultades deoperacin pueden producir el fallode algunas de estas funciones.

Los problemas ms frecuentesen las vlvulas de control son:

- Friccin en el vstago, produ-cida por la acumulacin de la des-composicin de productos en lasuperficie gua. Puede produciruna respuesta lenta o a saltos. Lacorrosin genera friccin.

- La empaquetadura en las vl-vulas de vstago deslizante es otrafuente de problemas. Si est muyfloja, se producirn fugas a travsde la misma. Si est muy dura, seproducir friccin y la vlvula semover a saltos.

- La vibracin del vstago gene-rada por las condiciones de opera-cin puede aumentar la toleranciaentre las superficies de la gua pro-ducindose el fallo en la misma oen la conexin entre el vstago y elobturador, produciendo cualquierade los dos problemas en el cierre.

- En las vlvulas rotativas, comolas de mariposa o las de bola, eldesgaste y la friccin del sello pue-de aumentar cuando el fluido se in-crusta entre las caras del mismo,producindose un control defec-tuoso.

- Los actuadores neumticostambin son susceptibles de prdi-das de aire a travs de los conecto-

intervalo y la ganancia automti-camente.

- Alta flexibilidad debido a laalta versatilidad de parametriza-cin. No nicamente caractersti-cas lineales o isoporcentualespueden ser ajustadas, sino que sepuede definir una funcin de trans-ferencia a medida en funcin delas necesidades.

- Funciones de diagnsticosavanzados que nos permiten deter-minar los intervalos ptimos demantenimiento.

- Funciones de supervisin me-joradas mediante el autotest yfunciones de fallo.

- Capacidad de comunicacin

que permiten la implementacin deaplicaciones.- Interfases a sistemas de buses

de campo con los ahorros de costesde instalacin que esto supone.

La clave de estos posicionado-res es la habilidad para comunicar-se. De esta manera, las vlvulaspueden ser configuradas sin nin-gn problema aun en sitios de dif-cil acceso mediante comunicacinen campo o mediante una estacinremota. Estos posicionadores, consu algoritmo de control digital,permiten minimizar la variabilidaddel proceso, que en el caso de loslazos crticos pueden mejorar larentabilidad de la planta. En la fi-gura 4 se muestra la variabilidadmedia en los lazos de control trasrealizar 5.000 auditoras. SegnB.L. Bialkowski, responsable delestudio, el comportamiento no de-seado de las vlvulas de control esla mayor fuente de malfunciona-miento de los lazos de control y de

la desestabilizacin del proceso.

Los ltimos avances apuntan,aprovechando esta capacidad decomunicacin, a desarrollar pro-gramas de gestin y diagnsticosavanzados que nos permitan hacerun mantenimiento predictivo, ade-lantndonos a un posible fallo an-tes de que ocurra. Esto, adems,nos permite planificar el trabajodel departamento de mantenimien-to con antelacin, movindonos,de esta manera, de un manteni-miento correctivo no programado aun mantenimiento predictivo/pre-ventivo programado que suponeimportantes ahorros en prdidas de

produccin, por un lado, y en re-cursos extras para las reparacionesde emergencia as como provisinde piezas de repuesto, por otro.

Los principales fabricantes devlvulas de control a nivel mundialhan desarrollado paquetes infor-mticos con la finalidad de realizardiagnsticos avanzados de losequipos y de gestionar los activos.Entre ellos, cabe destacar:

- Valve Manager de Neles Auto-mation.

- Valvelink de Emerson.- Starpack de Valtek.- Samson.- Masoneilan.- Siemens.

Un sistema de control de proce-so ser tanto ms preciso, fiable ysensible cuanto ms lo sean lasvlvulas de control que operan enl. En muchas plantas, las vlvulasde control no reciben la atencinnecesaria. Generalmente, uno no

nota la existencia de estas vlvulascrticas hasta que comienzan a te-ner prdidas importantes o fallan aloperar. Como resultado de esto, lasplantas pierden eficacia en estosprocesos de control, corren el ries-go de paradas no programadas oincrementan las probabilidades detener problemas de calidad del pro-ducto o de seguridad.

Hasta hace poco no se disponande herramientas para medir el com-portamiento de una vlvula de con-trol sin tener que desmontarla parainspeccionarla. En muchos casos,el coste de una parada de planta im-pide realizar dicha inspeccin. Por

2. Tcnicas

de diagnstico

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Figura 4.

Variabilidad

tpica del

proceso en

5.000 auditoras

de control.

Fuente:

Entech ControlEngineering

Ciclos e incrementos de variabilidad debido aproblemas de mantenimiento de instrumentos

Reduce la variabilidad(adecuado ajuste

Ciclos e incrementos de lavariabilidad debidos al ajuste

Requiere rediseo dela estrategia de control

Requiere rediseodel proceso

20%

30%30%

15%5%

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tivo de vlvulas. ste est diseadopara determinar la condicin actualdel equipo sin tener que desarmarlo.El mantenimiento predictivo puedeayudar a evitar paradas no progra-madas, identificando aquellas vl-vulas cuya operacin est pordebajo de lo normal, antes de que el

equipo falle. Reparar o reemplazarvlvulas defectuosas antes de queimpacten negativamente sobre elproceso permite maximizar la efi-ciencia de la planta.

El anlisis con grficos es una tc-nica que est ganando sofisticacinen los programas de mantenimientopredictivo. Este mantenimiento re-quiere la acumulacin de datos deoperacin, tales como temperatura,ruido y vibracin en diferentespuntos del equipo. Con estos anli-sis, se pueden predecir fallos inmi-nentes o alertar al operador de losrequerimientos necesarios para unmantenimiento dado.

res, el diafragma y los sellos. Unapequea cantidad de aire que sepierda afectar en el tiempo de res-puesta. Una prdida grande puedeproducir que la vlvula no tengafuerza suficiente para realizar todoel recorrido.

- Un resorte desajustado en unactuador neumtico tambin puedeimpedir que la vlvula cierre oabra completamente. Los resortespierden parte de su fuerza con eltiempo y un mantenimiento peri-dico del actuador ha de recalibrar-lo en caso de estar desajustado.

Un programa normal de mante-nimiento de vlvulas consiste enatender una vlvula slo cuandoexiste un problema obvio. Prdidasvisibles, daos mecnicos, imposi-bilidad de efectuar la carrera totalo una falta total de control sonmandatarios para efectuar la repa-racin o reemplazo de una vlvula.Desgraciadamente, este concepto

muchas veces permite que sutilesdeficiencias de operacin de la vl-vula no sean notadas y, por lo tan-to, no reparadas. Estas deficienciasincluyen respuesta tarda, imper-ceptibles prdidas por el vstago,vibracin peridica bajo ciertascondiciones del proceso o cierre nohermtico.

En algunos casos, la informacinde operacin puede complementarun programa de mantenimiento.Cuando el departamento de produc-cin informa de problemas de con-trol o ruido en una vlvula decontrol, el departamento de mante-nimiento tiene la oportunidad de

corregir el problema antes de que seconvierta en algo ms serio. A faltade datos adecuados, muchas plantasrecurren a examinar todas las vlvu-las de control crticas peridica-mente, pero esta solucin nogarantiza un 100% de disponibili-dad, ya que, en funcin del servicio

y de las condiciones especficas alas que se haya visto sometido unequipo, fallar antes o despus.Adems, la mayor parte de las vl-vulas o estn bien o nicamente re-quieren un pequeo ajuste oreparacin que puede ser realizadocon la vlvula instalada en la plan-ta. La figura 5 corresponde a un es-tudio realizado por Dupont queindica que nicamente el 30% delas vlvulas requiere ser desmonta-da de la lnea para ser reparada. Es-to supone un ahorro de costes muygrande. Muchos expertos de mante-nimiento industrial creen que elprocedimiento ms efectivo es elprograma de mantenimiento predic-

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Figura 5 .

Estudio sobre el mantenimiento en vlvulas de control.

Fuente: Dupont

Figura 6.

Beneficios en los diagnsticos

en las vlvulas de control

DIAGNSTICOS

REDUCCIN DE COSTES

Menosvlvulas

reparadasMenos

importaciareparacin

Msvlvulas

chequeadas

Sobre todascondicionesde mejora

Mejorarla eficienciadel proceso

Menosparadas

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En la figura 6 se muestran losdiferentes aspectos en los que losdiagnsticos de las vlvulas decontrol contribuyen a la reduccinde costes:

- Menos vlvulas a reparar.- Menor importancia de la repa-

racin, puesto que se pueden de-tectar las averas en un estadoincipiente.

- Menos prdidas de produccinpor mal funcin de las vlvulas.

- Reduccin de la variabilidaddel proceso por un mejor ajuste dela vlvula.

El diagnstico de vlvulas nos

permite determinar los siguienteparmetros crticos:

- Ajuste en banco y constante delresorte del actuador.

- Friccin y recorrido de la vl-vula.

- Velocidad de recorrido.- Fuerza de cierre.- Ajuste del vstago.- Presin de suministro de aire.- Calibracin, linealidad e hist-

resis del posicionador.- Calibracin, linealidad e hist-

resis del convertidor.- Friccin de la empaquetadura.

Dichos diagnsticos se realizanmediante unas curvas tipo:

Banda de error dinmico:Muestra la posicin de la vlvulafrente a la seal de entrada. Da unaimagen de la respuesta conjuntadel montaje (funcin de transferen-cia de la vlvula)

Respuesta escaln: Nos da la po-sicin de la vlvula frente al tiempo.Da una imagen de la respuesta din-mica de la vlvula. Se muestra unejemplo de dicha curva en la figura 7.

Firma: Presin del actuadorfrente a la posicin del vstago. Dauna imagen y una medida de lafuerza necesaria para mover el ob-turador. Esta curva es la que mayorinformacin nos da y ha de hacer-se por primera vez durante la pues-ta en marcha y despus, durante elfuncionamiento de la planta, peri-dicamente. Nos indicar la evolu-cin de la vlvula y nos avisar deaveras incipientes (figura 8).

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Figura 7.

Curva de

respuesta

escaln

Figura 8.

Firma de la

vlvula.

Figura 9.

Diagnsticos

de vlvulas con

posicionadoresneumticos

analgicos

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rante ms de 10 aos ha sido muypositiva y avala toda la informa-cin mostrada en el artculo.

[1] Manual de instrumentacin y control de pro-cesos. Editorial Alcin (1998).

[2] Creus, A. Instrumentacin Industrial. 6 edi-cin Editorial Marcombo (1997).

[3] Control valve Handbook. Emerson ProcessManagement. Third edition.

[4] Las vlvulas. Neles-Jamesbury (1992).

Agradecimientos

Quiero agradecer a las compaas Emer-son, Neles Automation, Valtek, Siemens,Samson y Masoneilan la informacin facili-

tada para la elaboracin de este artculo.

4. Bibliografa

Se estn desarrollando tambinotras tcnicas que ayudarn a deter-minar las condiciones de operacinde las vlvulas de control, entre laque se incluyen sensores de vibra-cin para determinar las prdidas ycondicin de los internos de la vl-vula. Para vlvulas con posiciona-dor convencional, es posibletambin realizar diagnsticos. Paraello, lo que se hace es conectar sen-sores de posicin y de presin a lavlvula. Estas seales, con sus co-rrespondientes transductores y conel software adecuado, nos dan lascurvas anteriormente descritas consus diagnsticos asociados (figura9). Tambin existen mtodos de

diagnstico que recogen la infor-macin necesaria mientras la vl-vula trabaja normalmente; es decir,no es necesario realizar una seriede ciclos de apertura y cierre paradeterminar el estado de la vlvula

tal. Esto supone no producir ningu-na perturbacin sobre el proceso,ya que los diagnsticos pueden serrealizados en operacin normal dela vlvula.

La utilizacin de tcnicas dediagnstico en vlvulas de controlaccionadas neumticamente se hadesarrollado mucho en los ltimosaos, aunque an su implantacinno esta ampliamente extendida.Para el futuro cabe esperar una ma-yor implantacin, acompaada denuevos desarrollos que permitan

una mayor posibilidad de diagns-ticos, as como una mayor robustezde los existentes.

La experiencia prctica del au-tor en el uso de esta tecnologa du-

3. Conclusiones

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