PLANTASY PROCESOS INDUSTRIALES: INSTRUMENTOS INDUSTRIALES

INSTRUMENTOS INDUSTRIALES

INTRODUCCIÓN 

Los instrumentos y dispositivos de medición y control son ampliamente utilizados en la industria. En líneas generales, el porcentaje económico que ocupan en la inversión de una planta de proceso varía desde un 5% en plantas de poca instrumentación hasta un 10-15% máximo en plantas automatizadas.

De aquí que sea importante el que los dispositivos e instrumentos, en todas sus versiones (sensores, transmisores, controladores, registradores, válvulas de control), estén en prefecto estado de funcionamiento, a fin de evitar paros parciales o totales en la planta o de reducir al máximo el costo del mantenimiento. Los dispositivos e instrumentos permiten garantizar la calidad de los productos terminados y aseguran su producción masiva manteniendo una buena repetitividad en sus características finales. En los procesos industriales es absolutamente necesario controlar algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, la velocidad, etc. 

DISPOSITIVOS E INSTRUMENTOS 

1. Transmisores 

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, indicador, registrador, controlador o combinación de estos.

Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticos, electrónicos, digitales, hidráulicos, telemétricos. Los más empleados en la industria son los tres primeros, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemáticas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor.

Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15PSI (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 - 100% de la variable.

En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2 - 1 bar (1 bar = 1,02Kg/cm2) que equivale aproximadamente a 3 - 15 PSI (3PSI = 0,206 bar 6 0,21Kg/cm2, 15 PSI = 1,033 bar ó 1,05Kg/cm2). 

Los transmisores eléctricos generan la señal estándar de 4 - 20mAc.c, a distancias de 200m a 1 Km, según sea el tipo de instrumento transmisor la señal electrónica de 4-20mA cc. Tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas y emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje.

La relación de 4 a 20mA c.c es de 1 a 5, la misma que la razón de 3 a 15 PSI en la señal neumática y el nivel mínimo seleccionado de 4mA elimina el problema de la corriente residual que se presenta al desconectar los circuitos a transistores. EI"cero vivo" con que empieza la señal (4mAc.c) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el "ruido" de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.

Nótese también que el nivel mínimo de la señal neumática de salida no es cero, sino que vale 3 PSI (0,2 bar). De este modo se consigue calibrar correctamente el instrumento, comprobar su correcta calibración y detectar fugas de aire en los tubos de enlace con los demás instrumentos neumáticos.

Las fibras ópticas en la transmisión se están utilizando en lugares de la planta donde las condiciones son duras (campos magnéticos intensos que influyen sobre la señal...). Los módulos de transmisión pueden ser excitados por fuentes de luz de LED o diodo láser. Los módulos receptores disponen de foto detector y pre amplificación, con los cables o multi cables de fibra óptica y con convertidores electro óptico.

1.1 Transmisores neumáticos 

a. Sistema Tobera - obturador 

Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera - obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.

El sistema tobera - obturador consiste en un tubo neumático alimentado a una presión constante Ps, con una reducción en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lámina llamada obturador cuya posición depende del elemento de medida.

b. Transmisor de equilibrio de movimientos 

Este transmisor compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con un fuelle de realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal, que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida. 

Estos instrumentos se utilizan, en particular, en la transmisión de presión y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manómetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo y capilar, son capaces de generar un movimiento amplio. 

c. Transmisor de equilibrio de fuerzas 

La presión es aplicada a un fuelle. La fuerza en la cápsula es transmitida a través de un fleje al extremo inferior de la barra de fuerzas. El sello del diafragma de metal sirve tanto como de fulcro para la barra de fuerzas como de sello para la cámara de presión. La fuerza es trasmitida a través del fleje conectar a la barra de gama la cual hace pivote en la rueda de gama.

Cualquier movimiento de la barra de gama produce un cambio minúsculo en la separación entre la tobera y la lengüeta. Esto produce un cambio en la presión de salida del relevador al fuelle de retroalimentación hasta que la fuerza en el fuelle de retroalimentación balancee la fuerza en el fuelle de la cápsula. 

La presión de salida establecida por este balance de fuerzas es la señal trasmitida y es proporcional a la presión aplicada a la cápsula del fuelle.

Esta señal trasmitida a un receptor neumático para registrar, indicar y lo controlar. 

2. Transmisores electrónicos 

a. Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas

Los transmisores electrónicos son generalmente de equilibrio de fuerzas. Consisten en su forma más sencilla en una barra rígida apoyada en un punto sobre la que actúan dos fuerzas en equilibrio: 

- La fuerza ejercida por el elemento mecánico de medición (tubo bourdon, espiral, fuelle...

 - La fuerza electromagnética de una unidad magnética 

El desequilibrio entre estas dos fuerzas da lugar a una variación de posición relativa de la barra, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado a cualquier de estos detectores alimenta a una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de la variable del proceso. Estos instrumentos, debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance complicado y una alta sensibilidad a vibraciones. Su precisión es del orden del 0,5 - 1%.

b. Transmisores digitales

Sus funciones las gobierna un microprocesador. Hay dos modelos básicos: 

• El capacitivo, está basado en la variación de capacidad que se produce en un condensador formado por dos placas fijas y un diafragma sensible interno y unido a las mismas, cuando se les aplica una presión o presión diferencial a través de dos diafragmas externos.

• El de semiconductor, aprovecha las propiedades eléctricas de los semiconductores al ser sometidos a tensiones. El modelo de semiconductores difundido está fabricado a partir de una delgada película de silicio y utiliza técnicas de dopaje para generar una zona sensible a los esfuerzos. Se comporta como un circuito dinámico de puente de Wheatstone aplicable a la medida de presión, presión diferencial y nivel, formado por una pastilla de silicio difundido en el que se hallan embebidas las resistencias RA, RB, RC y RD de un puente de Wheatstone. El desequilibrio del puente originado por cambios en la variable, da lugar a una señal de salida de 4-20mAc.c. 

REDES INDUSTRIALES 

Introducción 

En el entorno industrial coexisten una serie de equipos y dispositivos dedicados al control de una máquina o una parte cerrada de un proceso. Entre estos dispositivos están los autómatas programables, ordenadores de diseño y gestión, sensores, actuadores, etc.

El desarrollo de las redes industriales ha establecido una forma de unir todos estos dispositivos, aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades. Las ventajas que se aportan con una red industrial son, entre otras, las siguientes: 

• Visualización y supervisión de todo el proceso productivo. 
•Toma de datos del proceso más rápida o instantánea.
•Mejora del rendimiento general de todo el proceso. 
•Posibilidad de intercambio de datos entre sectores del proceso y entre departamentos. 
•Programación a distancia, sin necesidad de estar a pie de fábrica. 

Las ventajas son evidentes, pero a cambio de un cierto coste, que debe ser estudiado para determinar si la inversión es rentable o innecesaria. 

Niveles en una red industrial 

En una red industrial coexistirán equipos y dispositivos de todo tipo, los cuales suelen agruparse jerárquicamente para establecer conexiones lo más adecuadas a cada área. De esta forma se definen cuatro niveles dentro de una red industrial: 

• Nivel de gestión: es el nivel más elevado y se encarga de integrar los niveles siguientes en una estructura de fábrica, e incluso de múltiples factorías. Las máquinas aquí conectadas suelen ser estaciones de trabajo que hacen de puente entre el proceso productivo y el área de gestión, en el cual se supervisan las ventas, stocks, etc. Se emplea una red de tipo LAN (Local Area Network) o WAN (Wide Area Network). 
• Nivel de control: se encarga de enlazar y dirigir las distintas zonas de trabajo. A este nivel se sitúan los autómatas de gama alta y los ordenadores dedicados a diseño, control de calidad, programación, etc. Se suele emplear una red de tipo LAN. 
• Nivel de campo y proceso: se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, etc.) dentro de sub redes o "islas". En el nivel más alto de estas redes se suelen encontrar uno o varios autómatas modulares, actuando como maestros de la red o maestros flotantes. En este nivel se emplean los buses de campo. 
• Nivel de E/S: es el nivel más próximo al proceso. Aquí están los sensores y actuadores, encargados de manejar el proceso productivo y tomar las medidas necesarias para la correcta auto matización y supervisión 

Esta estructura citada no es universal, habrá casos en los que conste de un número mayor o menor de niveles, dependiendo del tamaño del proceso y la propia Industria. 

Redes LAN Industriales 

Son las redes más elevadas jerárquicamente. Los estándares más conocidos y extendidos son dos: 

• MAP (Manufacturing Automation Protocol): nació como un producto especialmente diseñado para el entorno industrial, lo que hace que sea de mayor éxito en LAN industriales. Fué impulsado por General Motors y normalizado por el IEEE. No actúa a nivel de bus de campo, pero establece pasarelas hacia estos bus es mediante terminales. También permite integración en redes WAN. 

• ETHERNET: diseñada por Xerox Corporation y registrada posteriormente junto con Digital e Intel. Es compatible con el modelo OSI en los niveles l' 2 y 3 (el último a través de puentes). Permite topologia en Bus o arbol con comunicación semidúplex. Las velocidades van des de los 10 Mbits/s a los 100 Mbits/s de Fast-Ethernet. Es uno de los estándar de red que más rápidamente evolucionan, debido a su uso masivo en redes ofimáticas. 

El Bus de campo en una red Industrial 

El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Está basada en procesadores simples y utiliza un protocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Los buses de campo más recientes permiten la comunicación con buses jerárquicamente superiores y más potentes. 

En un bus de campo se engloban las siguientes partes: 

• Estándares de comunicación: cubren los niveles físico, de enlace y de comunicación establecidos en el modelo OSI (Open Systems Interconnection). 
• Conexiones físicas: en general, las especificaciones de un determinado bus admiten más de un tipo de conexión física. Las más comunes son semidúplex (comunicación en banda base tipo RS-485), RS-422 y conexiones en bucle de corriente. 

• Protocolo de acceso al medio (MAC) y de enlace (LLC): consiste en la definición de una serie de funciones y servicios de la red mediante códigos de operación estándar. 

• Nivel de aplicación: es el dirigido al usuario, apoyándose en las funciones estándar antes mencionadas para crear programas de gestión y presentación. La aplicación suele ser propia de cada fabricate, permitiendo a lo sumo la programación en un lenguaje estándar.