Definiciones basicas

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TÁCHIRA
VICERRECTORADOR ACADÉMICO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AMBIENTAL
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL EN PROCESOS AMBIENTALES
Prof. Luis Alejandro Mora

Definiciones Básicas en control e instrumentación.
Instrumentación:
Es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar
variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en
éste.
En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo
que esta sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar
si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así,
podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos parámetros del
sistema y proceder de forma correctiva.
Control:
La Real Academia Española (2001) define el termino control como la
“regulación, manual o automática, sobre un sistema”. Es decir, desde el
punto de vista de ingeniería, el control es la acción o conjunto de acciones
que permiten mantener un o varias variables de un proceso dentro de ciertos
rangos deseados.
Sistema de control:
Un sistema de control es un conjunto de instrumentos interconectados
entre si que se acoplan a un proceso para controlarlo.

Figura 1. Sistema de control de un motor diesel


Figura 2. Sistema de control de un intercambiador de calor

Proceso:
Según la Real Academia Española (2001) un proceso es un “conjunto
de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial”.

Figura 3. Proceso de potabilización del agua. Cortesía de HidroCapital

Según Acevedo (2004) se pueden llegar a diferentes definiciones de
los que es un proceso. “… desde el punto de vista de producción, se conoce
generalmente como un lugar donde materia, y muy a menudo energía, son
tratados para dar como resultado un producto deseado o establecido. Por
ejemplo, son procesos de producción: reactores, hornos, intercambiadores
de calor, etc…” y “… desde un punto de vista de control … un proceso es un


bloque que se identifica porque tiene una o más variables de salida de las
cuales es importante conocer y mantener sus valores…”

Figura 4. Proceso de secado.

Clasificación general de los procesos.
Existen diferentes maneras de clasificar los procesos según sea el
criterio utilizado. De acuerdo a la naturaleza del proceso se distinguen:
•

Procesos de separación: Son aquellos en los que uno o
varios compuestos de interés se separan de una corriente
principal o de alimento. Los agentes de separación
comúnmente usados son: energía, afinidad química,
propiedades físicas, difusión, etc. La acción de separación se
realiza mediante las llamadas operaciones unitarias:
destilación, absorción, extracción, evaporación y otras.

•

Procesos de conversión química: Consisten en la
transformación de uno o varios compuestos, llamados
reactivos, a otros, llamados productos, mediante una reacción
química. Se llevan cabo en los reactores químicos, equipos que
presentan características bastante interesantes para propósitos
de control. La fuerza impulsora es la energía interna o calórica.


•

Procesos de transporte: Traslado de materia por sistemas de
flujo, incluyen tanques de almacenamiento, procesos de nivel,
recirculaciones. La fuerza impulsora
es, usualmente, un
gradiente de presión.

¿Por qué debemos controlar la operación de un proceso?
1. Para mantener del punto de operación:
El punto de operación requerido puede ser simple (un cierto pH o una
cierta temperatura) o complejo (una cierta rentabilidad).
2. Para satisfacer restricciones de:
•

Seguridad: mantener una variable de proceso -presión,
temperatura, composición, etc- entre un valor máximo y un
valor mínimo.

•

Especificaciones del producto: cantidad y calidad.

•

Regulación ambiental: efluentes, emisiones, residuos sólidos,
nivel de ruido.

•

Restricciones operacionales en los equipos o en la operación:
alturas de tanques, potencias a las bombas, presiones en
recipientes confinados.

•

Optimización de costos de producción: variaciones no previstas
en costos de insumos, consumo de energía, procesos de
reciclado, etc.

Control Manual:
Es aquella acción de control que requiere de la intervención directa de
una persona, es decir, que necesita del elemento humano para llevar a cabo
el control.
Control Automático:
Es aquel control que es realizado por dispositivos o maquinas sin la
intervención directa de una persona.


Variables asociadas al control:
Según Acevedo existen 3 tipos de variables a tomar en cuenta cuando
se va a ejercer una acción de control y son:
•

La variable controlada (CV). Es la característica de calidad o
cantidad que se mide y controla. La variable controlada es una
condición o característica del medio controlado, entendiendo
por tal la materia o energía sobre la cual se encuentra situada
esta variable, es decir, la variable controlada es el elemento
que se desea controlar. Por ejemplo, para el proceso que se
muestra en la figura 2 la CV es la temperatura del liquido a la
salida del intercambiador de calor.

•

La variable manipulada (MV). Es la cantidad o condición de
materia o energía que se modifica por el controlador automático
para que el valor de la variable controlada resulte afectado en la
proporción debida. La variable manipulada es una condición o
característica de la materia o energía que entra al proceso, es
decir, es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para
lograr la respuesta deseada. Por ejemplo, para la figura 2 la
variable MV es el flujo del vapor caliente que entra al
intercambiador.

•

La variable de perturbación (DV). Es toda variable que tiene
influencia sobre la variable controlada pero no puede ser
modificada directamente por la variable manipulada. Para el
ejemplo anterior las variables de perturbación son el flujo del
líquido frío y la temperatura del vapor que entran al
intercambiador.

Sin embargo hay que tomar en cuenta otros factores o valores que
también son importantes cuando se realiza un control, como lo son:
•

La consigna. Es la posición de referencia de la variable
controlada para llevar a cabo el control del proceso. También se
conoce con los nombres de punto de ajuste o set Point. Puede
cambiarse de forma manual, o bien automáticamente en
función de otro controlador.

•

El punto de control. Es la posición (medida) de la variable
controlada en que se encuentra realmente el proceso.
Dependiendo del tipo de control efectuado, a veces no coincide


con el punto de consigna, dando como resultado una
desviación permanente.
Control de lazo abierto:
Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de
entrada y da como resultado una señal de salida independiente, es decir, no
realimenta información del proceso al controlador. Estos sistemas se
caracterizan por ser sencillos y de fácil aplicación; nada asegura su
estabilidad ante una perturbación; la salida no se compara con la entrada; es
afectado por las perturbaciones y la precisión depende de la previa
calibración del sistema.
Control de lazo cerrado:
Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la
señal de salida, es decir, la información de la variable controlada de proceso
se capta por medio de un sistema de medición adecuado y se utiliza como
entrada al controlador. Son sistemas complejos, pero amplios de parámetros;
la salida se compara con la entrada y la afecta para el control del sistema;
estos sistemas se caracterizan por su propiedad de retroalimentación y es
más estable a perturbaciones y variaciones internas.
PLC:
Los CLP o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en
inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización
Industrial.

Figura 5. PLC MicroLogix 1100. Cortesía Allen-Bradley.

SCADA:
SCADA es el acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition
(en español, Control supervisor y adquisición de datos). Comprende todas


aquellas soluciones de aplicación para referirse a la captura de información
de un proceso o planta industrial (aunque no es absolutamente necesario
que pertenezca a este ámbito), para que, con esta información, sea posible
realizar una serie de análisis o estudios con los que se pueden obtener
valiosos indicadores que permitan una retroalimentación sobre un operador o
sobre el propio proceso.
Un sistema SCADA incluye un hardware de señal de entrada y salida,
controladores, interfaz hombre-máquina, redes, comunicaciones, base de
datos y software.
El termino SCADA usualmente se refiere a un sistema central que
monitoriza y controla un sitio completo o un sistema que se extiende sobre
una gran distancia (kilómetros / millas). La mayor parte del control del sitio es
en realidad realizada automáticamente por una Unidad Terminal Remota
(RTU) o por un Controlador Lógico Programable (PLC). Las funciones de
control del servidor están casi siempre restringidas a reajustes básicos del
sitio o capacidades de nivel de supervisión. Por ejemplo un PLC puede
controlar el flujo de agua fría a través de un proceso, pero un sistema
SCADA puede permitirle a un operador cambiar el punto de consigna (set
point) de control para el flujo, y permitirá grabar y mostrar cualquier condición
de alarma como la pérdida de un flujo o una alta temperatura. La
realimentación del lazo de control es cerrada a través del RTU o el PLC; el
sistema SCADA monitorea el desempeño general de dicho lazo.
Parámetros:
Propiedad del proceso o de su entorno, al que se pueden asignar
valores numéricos arbitrarios, también puede ser una constante o coeficiente
de una ecuación.
Estabilidad:
Es una característica del proceso. Un proceso se dice inestable si su
salida aumenta sin límite cuando el tiempo aumenta. Afortunadamente la
mayoría de los procesos reales no exhiben este tipo de comportamiento. Un
proceso lineal se dice que está en el límite de la estabilidad cuando oscila
continuamente aún sin la presencia de perturbaciones.
Instrumento:
Un instrumento es aquello que sirve de medio para hacer algo o
conseguir un fin.


Figura 6. Ejemplo de un sistema SCADA.

Clasificación de los instrumentos.
Según Creus (2005) existen principalmente 2 tipos de clasificaciones
básicas de los instrumentos de medición y control, que son de acuerdo con la
variable medida y acorde a la función que realiza el instrumento.
Según la variable medida se clasifican en instrumentos de:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Presión.
Temperatura.
Nivel.
PH.
Fuerza.
Frecuencia.
Turbidez.
Humedad.
Velocidad.
Posición.
Densidad.
Concentración.
Conductividad.


•

Flujo o caudal, etc.

Acorde con la función del instrumento se la siguiente clasificación:
•

Instrumentos ciegos: son los que no poseen ninguna
indicación de la variable.

Figura 7. Instrumento Ciego. Medidor de metano TCgard CH4.
Cortesía de PCE Group

•

Instrumentos Indicadores: son los instrumentos que poseen
una pantalla, un display o una escala graduada donde se puede
leer el valor de la variable.

Figura 8. Instrumentos Indicadores. Transmisor Flamgard plus-CH y medidor de
concentración cloro respectivamente. Cortesía de PCE Group

•

Registradores: Son aquellos que registran o almacenan un
histórico de los valores de que tenido la variable a través de
cierto tiempo.

Figura 9. Registradores Digitales. De izquierda a derecha: registradores SIREC
D200 y SIREC DH. Cortesía de Siemens AG


Figura 10. Registradores analógicos. De izquierda a derecha: registradores
VARIOGRAPH 7ND3560 y SIREC PU 7ND3523. Cortesía de Siemens AG

•

Sensores: también llamados detectores o elementos primarios,
son los que entran en contacto directo con variable del proceso,
captando su valor y generando una señal de salida acorde a
dicho valor.

Figura 11. Sensores. De izquierda a derecha: sensor de proximidad inductivo,
Termocupla y sensor de proximidad capacitivo. Cortesía de Siemens AG.

•

Transmisores: son los instrumentos que captan la variable de
proceso a través de los sensores y la transmiten a distancia en
forma de señales neumática (3 - 15 psi) o electrónica (4 – 20
mA).

Figura 12. Transmisores. De izquierda a derecha: de presión SITRANS P DS III, de
temperatura SITRANS TF, de flujo SITRANS F M MAG 6000, de nivel SITRANS
Probe LU. Cortesía de Siemens AG.


•

Convertidores: son aparatos utilizados para acoplar las
señales estándares de transmisión,
reciben un señal
neumática y la convierten en una señal electrónica (convertidor
P/I) o viceversa (convertidor I/P).

Figura 13. Convertidote de I/P. Cortesía de ABB Group.

•

Transductores: es un dispositivo capaz de transformar o
convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra
diferente de salida. Los transductores reciben una señal de
entrada en función de una o más variables físicas y la
convierten modificada o no en una señal de salida. Son
transductores un elemento primario o un transmisor.

Figura 14. Transductor ultrasónico Echomax XRS-5.Cortesia Siemens AG.

•

Controladores: Son los encargados de realizar las
modificaciones acciones necesarias para mantener la variable
controlada en el punto deseado. Estos instrumentos comparan
la variable controlada con la consigna o set point y ejercen una
acción correctiva de acuerdo con la desviación.


Figura 15. Controladores SIPART DR21 y DR19. Cortesía de Siemens AG.

•

Elemento final de control: Es el equipo que recibe la señal del
controlador y ejerce directamente sobre el proceso la acción
correctiva, ya sea cambiando el caudal de un fluido o gas,
aumentando las revoluciones de un motor, aumentando una
corriente eléctrica, etc. Los elementos finales de control suelen
ser válvulas neumáticas o electroneumáticas o motores
acoplados al proceso. Estos dispositivos también suelen
llamarse actuadotes.

Figura 16. Actuadotes. De izquierda a derecha: posicionador. Cortesía de
Siemens AG. posicionador RSD10. Cortesía de ABB Group.


Referencias
Acedo Sánchez, José. (2004). Control Avanzado De Procesos. Teoría y
práctica. España: Ediciones Díaz de Santos. Recuperado Agosto 13,
2008,
desde
http://site.ebrary.com/lib/unetsp/Doc?id=10047589&ppg=172.

Creus Sole, Antonio. (2005). Instrumentación Industrial. (7ª ed.). España:
Marcombo. Recuperado Agosto 15, 2008.
http://books.google.co.ve/books?id=cV6ZOqQ0ywMC&printsec=frontcov
er&dq=instrumentacion+industrial&sig=ACfU3U2oAxdXNkxGwt7KqxWll
bz25UTbjQ#PPA15,M1

Real Academia Española (2001). Diccionario de la Lengua Española. (22ª
ed.). España. Recuperado Agosto 13, 2008, desde http://www.rae.es.

Siemens. Image Database. Recuperado Agosto 18, 2008, a partir de
http://www.automation.siemens.com/bilddb/index.asp?lang=en&nodeID=
10001562

Wikimedia Español (n.d). Recuperado Agosto 14, 2008, desde Wikipedia
Foundation, Inc: http://www.wikipedia.org


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LIT
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