• Author / Uploaded
• mark

Citation preview

ELEMENTOS DEL CONTROL DE PROCESOS

INTRODUCCIÓN Los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza, pero en general tienen como aspecto común, que se requiere del control de algunas magnitudes, como son: la temperatura, presión, el flujo, etc. El sistema de control para estas magnitudes se puede definir como: Un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana. Los sistemas de control industrial pueden ser operados como sistemas de lazo abierto o sistemas de lazo cerrado. Los primeros sistemas industriales de lazo abierto o lazo cerrado usados fueron controladores neumáticos, durante los 60´s y 80´s, la mayoría de los controladores usaban amplificadores operacionales para proporcionar las funciones de control, en los 80´s y 90´s se incorporaron los microprocesadores con amplificadores operacionales para proporcionar un control digital. Dado que todos estos tipos de controladores se encuentran en uso actualmente, es necesario estudiarlos con sus componentes y funciones que desarrollan. Un sistema de control elemental incluye la llamada unidad de medida, un indicador, el registrador, un elemento final de control y el propio proceso a controlar, estos elementos forman conceptualmente el lazo de control que puede ser abierto o cerrado. En la siguiente figura, se muestra el esquema de un lazo de control abierto

Fig. Lazo abierto de Regulación PARTES DE UN SISTEMA DE CONTROL TÍPICO Es importante comprender que las partes básicas de cualquier sistema de control tendrán los mismos nombres y proporcionarán las mismas funciones, en forma

independiente que el controlador sea neumático, con amplificador operacional en un sistema basado en microprocesadores. En la siguiente figura, se muestran las partes básicas de un sistema de control en un diagrama de bloques, generalmente es más fácil comprender estas partes básicas de un sistema de control si se tiene aplicación específica

Fig. Diagrama de bloques de un sistema de control Del diagrama de bloques generalmente mostrado en la figura anterior y que corresponde a lo que se conoce como un sistema de lazo cerrado, existen algunas variantes, en donde se incorpora la parte de medición, la acción del controlador y del elemento de control sobre el proceso, como se muestra en la siguiente figura:

Fig. Diagrama de bloques de un proceso de control Un ejemplo típico de un sistema de lazo abierto en la industria, podría ser el de un operador que llena un tanque con agua, como se muestra en la siguiente figura, de modo que cuando el operador abre la llave, se inicia el llenado del tanque y cuando se determina que el agua ha llegado a su nivel correcto, cierra la llave, este sistema se dice que opera como lazo abierto o en modo manual.

Fig. Ejemplo de un sistema de control de lazo abierto para el control del nivel de agua. El operador controla la apertura y cierre de la válvula

Otro ejemplo simple que se puede usar para explicar las principales diferencias entre un sistema de control de lazo abierto y otro de lazo cerrado, se encuentra en un sistema de bomba-sumidero, en donde la bomba se pone en operación para bombear y se saca para el sumidero cuando el nivel del líquido está muy profundo. Algunas industrias tienen un sumidero, el cual puede ser un gran agujero para colectar agua de desperdicio o residuos de aceite, cuando el nivel del líquido en el sumidero se eleva lo suficiente, el liquido se debe bombear fuera del sumidero a un tanque de respaldo, si el sistema es de lazo abierto, el sistema se debe verificar periódicamente.

Fig. Diagrama de aplicación para una bomba de sumidero En el sistema de lazo cerrado, se puede conectar un sensor al mecanismo de switch para poner la bomba en operación automática, este sensor y mecanismo de control, podría ser algo tan simple como un flotador montado en la parte final de una varilla.

MEDICIONES ESTÁNDAR En la mayoría de los circuitos eléctricos, electrónicos y de fluidos, se toman mediciones para indicar la presencia y nivel de una cantidad medible, tal como voltaje, presión, velocidad o temperatura, durante las condiciones normales de operación, algunas mediciones también se toman cuando se detectan problemas en los procesos. Las mediciones se pueden tomar con instrumentos portátiles, como son los voltímetros o los multímetros, cuando se trata de localizar fallas, pero cuando se desean tomar lecturas para indicaciones o desplegados permanentes, los instrumentos de medición se montan en tableros. Tomar y desplegar lecturas durante la operación normal da una indicación visual del comportamiento de uin circuito o de un proceso, por ejemplo, la observación del nivel de presión, temperatura, voltaje, corriente, velocidad, etc., en cualquier momento, permite tener sistemas seguros y productivos. Tomar mediciones cuando se tiene algún problema puede dar una clara idea del problema mismo en la operación del sistema y de los posibles problemas a futuro, de hecho, siempre se deben tomar mediciones cuando se observe o prevea un funcionamiento anormal. Algunas aplicaciones de las mediciones estándar En los procesos industriales, se pueden hacer mediciones de distintas variables y con distintos propósitos, de modo que los instrumentos de medición que se aplican dependen en primer término de la variable por medir, del rango de la variable y del objeto al que se va a aplicar. En los procesos de control, uno de los elementos fundamentales que intervienen en las acciones a tomar, es la lectura que tienen los instrumentos de medición, ya que en ciertos sistemas de control permiten establecer un criterio de evaluación. La evaluación del comportamiento de un sistema refleja el grado para el cual el lazo del proceso de control está representando la función establecida de regular alguna variable dinámica en el proceso, tal regulación es especificada a través de dos criterios: El primer criterio es el error del sistema para mantener la variable dinámica controlada al valor específico definido por el punto de ajuste o de referencia; el segundo criterio, es la respuesta dinámica del sistema a cualquier disturbio del proceso o a cambio en el punto de ajuste del lazo del proceso de control.

Fig. Ubicación de instrumentos en un lazo de control El primer criterio de error del sistema tiene que ver con los sistemas de medición y es una medida del error inherente entre el valor de ajuste de la variable controlada y el valor real de la variable dinámica mantenida por el sistema, este error se puede expresar por el porcentaje de desviación entre el valor real medido y el valor de ajuste o referencia, aún más, el error no es una función del ajuste o calibración del sistema, pero representa las incertidumbres agregadas al sistema en su conjunto y, si se tiene una medición relativamente buena, se puede reducir la apreciación de este error.

Medición de la Conductividad La conductividad (G) es la capacidad de una sustancia o material para conducir corriente eléctrica, se dice que la conductividad es la inversa de la resistencia, toas las substancias conducen corriente eléctrica en cierto grado, los materiales aisladores (vidrio, hule, plástico, etc.) tienen un valor de conductividad. La cantidad de conductividad se puede medir usando un medidor de conductividad. La medición de la conductividad es útil para las aplicaciones industriales en las cuales la calidad del agua o la mascarilla de una solución necesita que se conozca, tales aplicaciones se tienen en hospitales, cervecerías, industrias alimenticias, plantas de procesamiento de petróleo. La agricultura, el platinado electrolítico, la minería, la marina y las plantas de generación de energía eléctrica, son algunas de las áreas en donde se requiere que la calidad del agua sea conocida. La unidad de la conductancia es el Siemens (s), la conductividad se mide comúnmente entre los lados de un cubo de 1 cm de lado, del material bajo prueba, esta medida indica la conductividad en unidades de Siemens/centímetro (S/cm). Esta unidad generalmente es muy grande para la mayoría de las soluciones, por esta razón, la unidad de conductividad en la mayoría de los medidores de conductividad es el ms/m o ms/cm. Para medir la conductividad con mejores resultados, se recomienda usar un medidor que tenga compensaciones de temperatura automática.

Para medir la conductividad con un medidor de conductividad se aplica el siguiente procedimiento: 1.

Se energiza el medidor (ON).

2.

Se ajusta el medidor al rango más alto.

3.

Se mezcla la solución (si es posible) y/o se tomen varias lecturas distintas en diferentes puntos. Se debe llenar un recipiente de vidrio con una muestra de la solución por probar y se toma la lectura promedio si se hacen diferentes lecturas.

4.

Ponga o coloque la probeta de medición en la solución por probar y manténgala hasta que la lectura se haya estabilizado.

5.

leer el valor de la conductividad en el medidor.

Medidor de pH El pH es la unidad de medida que describe el grado de acidez o alcalinidad de una solución, la unidad pH está derivada de p que es el símbolo matemático de un logaritmo negativo y H que es el símbolo químico del hidrógeno. La medición del pH es útil en aplicaciones tales como purificación de agua, tratamiento de drenajes, procesamiento de alimentos, aplicaciones médicas, tratamiento de agua de piscinas, etc. El pH normalmente se mide sobre una escala de 0 a 14, el número 0 (cero) representa la más alta concentración de ácido a la más baja concentración de alcalinidad y el número 14 (catorce) representa la más baja concentración de ácido o la más alta concentración de alcalinidad. Para tener los mejores resultados en la medición, se usa un medidor que tenga compensación de temperatura en forma manual o automática, para medir el pH con el medidor del mismo, se aplica el siguiente procedimiento: 1. Encender el medidor (ON) 2. Medir la temperatura de la solución de prueba (algunos medidores de pH están diseñados para tomar mediciones de temperatura) 3. Ajustar el switch manual a la temperatura del producto bajo prueba, en caso de que el medidor tenga un switch de compensación manual. 4. Mezclar la solución (siempre que sea posible) y/o tomar diferentes lecturas en diferentes puntos para prevenir lecturas imprecisas. Asegúrese que la muestra de solución bajo prueba, sea representativa del total de la solución, cuando se toman varias lecturas se debe hacer un promedio. 5. Colocar la probeta o punta de prueba en la solución por probar y mantenerla en la solución hasta que la lectura se haya estabilizado. 6. Leer el valor de pH desplegado en el monitor. En la siguiente figura se muestra el procedimiento para efectuar estas mediciones.

Fig. Efecto de la temperatura en la lectura del pH La medición del pH en los procesos industriales, se hace a base de un medidor de pH que toma las señales por medio de electrodos, tal es el caso de la aplicación de la medición en tuberías bajo presión, como se muestra en la figura siguiente:

Fig. Los electrodos individuales están diseñados para su instalación directa en tuberías o tanques, por ejemplo se usan para medir pH en tuberías de vapor

Medición de la temperatura La temperatura es la medición de la intensidad de¡ calor, se mide normalmente en grados Celcius (oC) o grados Fahrenheit (oF) y es de gran importancia en la industria, se requiere en cada caso en que es necesaria la aplicación de calor o frío para controlar un proceso o una operación de fabricación; la precisión de la medición y la rapidez con que se pueda efectuar dependen de cada aplicación en particular, aspecto que también determina si es necesario usar un indicador simple, o bien, un registrador o control más complejo, como es el caso de los termógrafos. Para temperaturas inferiores a 538 IC (975 IF) es posible aplicar termómetros sencillos, cuando sólo es necesario una indicación, algunos termómetros también se pueden utilizar con registradores y dispositivos de control. Uno de los instrumentos más conocidos para medir la temperatura es el termómetro, su construcción puede ser de varios materiales que se expanden cuando se exponen al calor y se contraen cuando quedan expuestos al frío. Los materiales que se usan industrialmente son fluidos, como es el caso de los aceites que no se congelan, también metales líquidos como el mercurio, así como gases y vapores. Las mediciones industriales de temperatura entre -185 oC y mayores de 541 oC (300 a 1000 oF) se hacen normalmente utilizando termopares, pirómetros de radiación, pirómetros ópticos, etcétera, que alimentan instrumentos registradores que ven las variaciones de temperatura en el tiempo, como es el caso de los llamados termógratós. El problema que se presenta es que generalmente estos procesos de medición son continuos y los equipos se tienden a desajustar, lo que hace necesario su calibración para no perder precisión en la medición. Uno de los primeros requisitos para medir la temperatura es el establecimiento de una escala de temperatura que se pueda usar en el instrumento, ya sea indicador, de registro o de control. En las aplicaciones industriales, las escalas que más se usan son la Celcius y Fahrenheit. Para el caso de los instrumentos registradores, se requiere que la relación entre el medio detector y el cambio de temperatura, tengan una proporcionalidad que esté definida, ya que las gráficas se deben reemplazar a intervalos fijos y pueden ser intercambiables para cierto tipo de instrumentos. Esta relación no tiene que ser lineal, ya que se puede basar en la expansión física de un líquido, vapor, gas o metal, el único requisito que se tiene es que debe haber una relación termodinámica entre los dos extremos del rango indicado o del control con la temperatura para que se suscriba en la escala del instrumento medidor o de control. Si la escala del instrumento marca de 0 a 100 oC, la lectura tiene la misma confiabilidad e indica los mismos incrementos de temperatura si estuviera graduada de 32 a 212 oF de hecho, algunos instrumentos tienen ambas escalas.

Fig. Medición de temperatura

Las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit miden las mismas diferencias de temperatura, pero en forma arbitraria se han escogido diferentes valores para los puntos fijos en que está basado cada sistema, de acuerdo a las ecuaciones: o

C = (5/9)(oF – 32)

o

F = (9/5) (oC) + 32

Esto significa que en el punto de congelación de 0 oC, la escala Fahrenheit indica una lectura de 32 oC

Conversión de Fahrenheit -----> a Conversión Celsius Fahrenheit

Fig. Escalas de temperatura

Ejemplo Convertir 70 oF a Celsius o

C = (oF - 32)/1.8 = (70 - 32)/1.8 = 21.1 oC

Ejemplo Convertir 26 oC a Fahrenheit o

F = (1.8 x oC) + 32

o

F = (1.8 x 26) + 32 = 78.8 oF

de

Celsius

------>

a