SENSORES E INSTRUMENTOS ELECTRÓNICOS PARA USO INDUSTRIAL Ing. Roberto Bacacorzo Cuba Jefe de Ingeniería y Proyectos INDUSTRIAL CONTROLS S.A.C.

INTRODUCCIÓN

La Medición y Control de Procesos (también llamada Instrumentación Industrial o Automatización Industrial) es una rama de la Ingeniería que involucra varias especialidades: Electrónica Electricidad Química Metalurgia

Petroquímica Industrias Alimentarias Neumática Hidráulica Mecánica Informática Telecomunicaciones Otras

En la Actualidad, la Electrónica y la Informática están presentes en casi todas las aplicaciones de Medición y Control de Procesos. Sin embargo, todavía es grande el número de aplicaciones netamente mecánicas, dados los bajos costos de algunos sensores mecánicos de amplia aplicación, como por ejemplo, los manómetros, los termómetros bimetálicos, etc.

Lazo de Control Un lazo de control es aquel sistema de control que involucra al menos un instrumento que permite realizar funciones de: Medición Indicación Control Transmisión Otros

En la Medición y Control existen 2 tipos de lazos de control: Abierto (el sistema no se controla sólo) Cerrado (el sistema se autocontrola)

Aún hoy, la mayoría de aplicaciones industriales involucran a lazos de control abiertos, para efectos de sólo medición (por ejemplo: manómetros para medir presión). Para hablar de automatización, debemos implementar lazos de control cerrados (que se controlen automáticamente) Ejemplo: El control de la presión, incluyendo sensor, Controlador y VCA.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL CERRADO . ELEMENTO FINAL DE CONTROL (EFC) RTU ALARMAS REGISTRADOR INDICADOR CONTROLADOR PROCESO SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO TRANSMISOR O ELEMENTO SECUNDARIO PC (SCADA) CABLE, TELÉFONO o RF DISTURBIOS DETECTOR DE ERROR O COMPARADOR VARIABLE CONTROLADA SET POINT O VALOR DE REFERENCIA + - SALIDA DE CONTROL VARIABLE MANIPULADA VARIABLE MEDIDA

EJEMPLO DE DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL ABIERTO . PC (SCADA) CABLE, TELÉFONO o RF RTU DISTURBIOS ALARMAS REGISTRADOR PROCESO INDICADOR VARIABLE MEDIDA TRANSMISOR O ELEMENTO SECUNDARIO SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO

Bloques de un lazo de control SENSOR: Es quizás el elemento más importante. Capta (sensa) la variable de proceso para tener una idea de la magnitud de la misma. TRANSMISOR: Es el instrumento o parte del instrumento que recibe la señal del sensor y la acondiciona para que se envíe a distancia, mediante una señal estandarizada

SET POINT (Valor de referencia): Es el valor en el cual deseamos que nuestra variable de proceso se mantenga (por ejemplo, 80 °C). Este bloque se encuentra físicamente dentro del equipo controlador. COMPARADOR (o detector de error): Compara la señal que viene del campo (proveniente del sensor o transmisor) con el Set Point. Este bloque también se encuentra dentro del equipo controlador.

CONTROLADOR: Es el “cerebro”, es quien controla automáticamente el proceso. La mayoría de controladores se configuran, pero también hay controladores que se programan. Emite una salida llamada “salida de control”. ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Es quien manipula directamente el proceso, en función de la señal proveniente del controlador.

AUTOMATIZACIÓN

Hay 2 tipos de automatización: De Proceso: procesos continuos o discontinuos de producción (petroquímica, metalurgia, cemento, etc.): Regulación De Planta: manufactura (estampado, prensado, etc.) y máquinas herramientas (tornos, soldadoras, etc.): Mando

Cada tipo tiene sus propios sensores e instrumentación asociada, la cual a veces usa instrumentos comunes, pero por lo general, cada tipo tiene sus propios instrumentos y estrategia de automatización: La Automatización de planta está más ligada a eventos discontinuos La Automatización de procesos está asociada a procesos continuos.

VARIABLES A MEDIR Y CONTROLAR

DE PROCESOS CONTINUOS Presión Temperatura Nivel Flujo (volumétrico y másico) Peso Variables analíticas (pH, conductividad, ORP, turbidez, etc.) Otras

DE PLANTA Velocidad Longitud Presencia / Ausencia Cuenta Tiempo

DE SEGURIDAD Gases Vibración Humo Fuego Presencia de intrusos Fallas eléctricas

SENSORES Y TRANSMISORES

PRESIÓN: la presión es la fuerza ejercida sobre un área (P = F / A) PRESIÓN: la presión es la fuerza ejercida sobre un área (P = F / A). Es una que se usa en casi todas las actividades productivas. Se mide con elementos mecánicos (manómetros) o electrónico-mecánicos (transmisores electrónicos analógicos o inteligentes). La presión se mide en Bar, psi, etc.

Manómetros

Transmisores Inteligentes PTG Series Gage Pressure Transmitter High Performance micro-processor based design BILINGUAL - DE and HART Protocols Compact and Lightweight! World’s Smallest! Temperature Compensated Output +/- 0.2% FS Accuracy Wide measurement range: 0 - 7000psi Local Zero Adjustment – Standard High Performance - Competitive Price Digital DE Integration with Honeywell TDC 3000 Competitive Size Comparison!

TEMPERATURA: Es la variable industrial más importante TEMPERATURA: Es la variable industrial más importante. A nivel productivo, se mide en °C o °F. Los sensores de temperatura son muy diversos, desde los elementos mecánicos (termómetros bimetálicos), de dilatación (termómetro de vidrio y otros), hasta los eléctricos (RTDs, termocuplas, termistores, IC) o de no contacto (infrarrojos).

Transmisores inteligentes de Temperatura ATT Series Temperature Transmitter Universal sensor input Same housing package as the PTG Available in DE or HART Protocol Data hold function provides minimum and maximum PV value Self-diagnostics High Performance - Competitive Price +/- 0.2 % Accuracy

NIVEL: Es una variable que se usa mucho en procesos en donde intervienen tanques, reactores, pozos, etc. Se mide en Metros o pulgadas. Hay diversos tipos de tecnologías (más de 20), como la boya, electrodos, vibración (medición y control discontinuo) o presión, ultrasonido, capacitancia, radar, etc. (medición continua).

Sensor de Nivel Magnético con flotador

Aplicaciones Storage tanks Process tanks Low velocity agitation will not effect performance

SENSOR DISCONTINUO RECOMMENDED MOUNTING LOCATIONS: (not recommened for high density medium) Vibration rod 9/12

FLUJO: Es la cantidad de fluido que atraviesa una determinada sección (área) transversal. El flujo puede ser instantáneo (lpm) o totalizado (m3). También puede ser volumétrico (gpm) o másico (T/h). Entre los sensores más usados están: los de turbina, desplazamiento positivo, rotámetro, presión diferencial, electromagnético y ultrasónico.

Sensor / Transmisor Electromagnético Key Features: Backlit LCD Operator Panel Infrared Keyboard Allows Configuration in Hazardous Areas without Electrical Exposure Field Replaceable Electrodes Patented Liner Design – 304SS Punch Plate, Dove Tail, & all welded SST Housing Mirror Finished Liner – abrasion resistance Broad product offerings – HENRI, Multi-Variable, 2-Wire, Open-Channel, and Ceramic Smart Diagnostics – Easy to use

Sensor : Componentes Case: Carcaza Weld Neck flange: Bridas para conexión al proceso Juntion Box: Caja de conexiones Flow splitter Manifold: Conexión para bifurcacion del fluido Flow Tubes: Tubos conductores del fluido Pickoff Coil and Magnet: Bobinas detectoras Drive coil: Bobina impulsora RTD: Sensor de temperatura

PESO: Es una variable muy usada, especialmente para despacho de materiales. Se mide en kg., Toneladas o gramos. Se utilizan sensores mecánicos o electrónico-mecánicos (celdas de carga).

VARIABLES ANALÍTICAS Se miden en procesos en donde se requiere tener una gran precisión en el manejo de la acidez, turbidez, etc. de un fluido. También se encuentran en aplicaciones de protección del Medio Ambiente (en actividades productivas). Por ejemplo, en el control de los desechos vertidos al desagüe.

Las más importantes son: pH ORP Conductividad Turbidez Oxígeno disuelto Cloro

Hay diferentes formas de medición, pero las más usuales son usando sensores llamados electrodos, que utilizan corrientes eléctricas (usualmente de mV) para obtener el valor de la variable medida en función de alguna característica eléctrica de estas variables.

VELOCIDAD: Se usa mucho en automatización de plantas. Se mide en rpm. Los sensores más usados son: - Inductivos - Encoders - Opticos

LONGITUD: Se usan en plantas que fabrican telas, cables, alambrón, etc LONGITUD: Se usan en plantas que fabrican telas, cables, alambrón, etc. También en construcción, proyectos, etc. La medición se realiza de manera similar a la velocidad (se basa en el número de revolucione por minuto, multiplicado por el radio del eje de giro). Se miden con los mismos sensores de velocidad, pero usando un instrumento que permita escalar las unidades de longitud.

PRESENCIA / AUSENCIA: Se usa para determinar la presencia de un objeto o una marca y podr realizar alguna acción asociada. Por ejemplo, para determinar el número de botellas a llenar en una caja, o para determinar la presencia de una tela a ser estampada. También para detectar las tacas para realizar el corte de bolsas, etc.

Se detecta con Sensores: Inductivos (metales) Capacitivos (no metales) Fotoeléctricos Electromecánicos (límites de carrera)

TIEMPO: Se emplea mucho para medir el funcionamiento de una máquina, o para realizar el control de un proceo mediante el tiempo (en realidad, no es tan preciso). El control por tiempo es muy sencillo de implementar. Se usan los Temporizadores o los Horómetros.

GASES: Se usan para seguridad personal y de planta GASES: Se usan para seguridad personal y de planta. Tienen por finalidad el determinar la presencia de gases en un ambiente determinado. Permiten dar alarma para evitar desgracias personales o daños en planta. También se les usa para determinar características de gases en un determinado proceso (por ejemplo, en la combustión).

Hay diferentes tipos de sensores: Catalíticos Electroquímicos Infrarrojos Semiconductores Conductividad Térmica

Detectores Portátiles Instrumentos para protección personal Custodian Triple Plus Safegard Gasman II

Espejos Receptor Rayo

Otros Fallas eléctricas Presencia de intrusos Humo Fuego Vibración (mantenimiento)

CONTROLADORES Y SISTEMAS DE CONTROL

Los Controladores tienen la función de controlar un proceso, en función de una o más instrucciones que han sido prefijadas. Existen controladores muy simples (mecánicos o electrónicos analógicos) y otros muy complejos, que constituyen un sistema de control, incluyendo comunicación de datos, reportes, mando a distancia, etc.

Controladores Monolazo Son controladores que permiten la regulación de un lazo de control. Son de los más sencillos. Se configuran (no se programan). Configurar significa darle ciertos valores y seleccionar ciertas características de un menú establecido.

Controladores Multilazo Permiten el control de 2 o más lazos. También se configuran, aunque hay otros que se programan mediante bloques de funciones. Incorporan funciones adicionales, como funciones de cálculo (matemáticas), son RTUs., tienen comunicación de datos, falla segura, etc.

Controladores Lógicos Programables (PLCs) Son controladores que permiten programar el control de secuencias. Usualmente se usan para controlar variables discretas En menor cantidad, controlan variables continuas. Son lentos para controlar un lazo continuo Son de control centralizado

Sistemas de Control Distribuido (DCS) Se usan en plantas en donde se requiere controlar una gran cantidad de variables continuas. Reemplazan a varios controladores continuos. Son de control distribuido. También pueden controlar variables discretas.

System Architecture HUB HUB Company Office Operation Center Rack Room Office PC Company Office Company LAN Operation Center DOSS Open Supervisory Station Operations Engineering DOSS_OH DOSS_OH DOSS DOSS_ENG Rack Room Fiber Optic Ethernet 100Mbps Redundant Ethernet CONV CONV HUB HUB HUB HUB CONV CONV Redundant Ethernet Rack Room DOPC-II Continuous Control Sequence Control Interlock Redundant Communication Bus Max. 1000m by Fiber Optic cable Distributed I/O Module I/O Marshalling Cabinet Redundant I/O JB JB JB Field JB FIELD INSTRUMENT

SCADA Sistema de supervisión y control a distancia. Usualmente, emplean RTUs para capturar las señales de campo y enviarlas a una PC remota. Se emplean mayormente para supervisión, registro y exportación de la data

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Los más usados son las Válvulas de Control Automático (VCA). También se emplean: Variadores de velocidad de motores Semiconductores de potencia (diodos, Tiristores, etc.) Bombas dosificadoras Otros

Válvulas de Control y Accesorios

ESTÁNDARES

Los instrumentos de control deben ser fabricados, probados e instalados de acuerdo a estándares internacionalmente aceptados. Algunos de ellos son: Código Eléctrico Nacional – Tomo V (Utilización) Código Eléctrico de EUA (NFPA 70)

Instituciones Normativas Indecopi (Perú) Ministerio de Energía y Minas (Perú) ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society) IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) EN (Normas Europeas)

IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) ASME (American Society of Mechanical Engineers) ASTM (American Society for Testing and Materials). ISO (International Standarization Organization) OIML (International Organization of Legal Metrology) Otras

CALIBRACIONES

La calibración es la comprobación de que la medida del instrumento se encuentra dentro de un margen de error aceptable. Todos los instrumentos deberían ser calibrados periódicamente. Las empresas con ISO 9000, ISO 14000 y OSHAs 18000 están obligadas a calibrar sus instrumentos. También las que usan el sistema HACCP (Alimentos)