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Avance en la automatización de procesos


Control.


Análisis, síntesis y acciones necesarias para hacer evaluaciones en proceso de modo que corregir las diferencias entre la situación actual y lo que se plantea como meta.

Proceso.



Conjunto de fases sucesivas que tienen como objetivo el tratamiento de un fenómeno.

Control de Procesos Industriales.



Las industrias de procesos se caracterizan por plantas grandes y complejas que requieren un control automático (control de procesos) excelente para lograr una operación segura y rentable, en la mayor parte de las plantas se procesan fluidos, pastas agudas o sólidos a través de un conjunto integrado de operaciones unitarias como hornos, reactores químicos, unidades de separación física y cambiadores de calor se procesan grandes cantidades de materias hasta cientos de toneladas por hora a presiones externas de más de 100 bar (Unidad Física de Presión) y temperaturas externas que van desde -200 hasta por encima de 1000 ºC.

Ademas de los desafíos del control se tienen las estrictas especificaciones de productos, que pueden requerir composiciones con menos de 10 partes por millón de impurezas.

A menudo se puede incrementar la rentabilidad a través del control que hace que la operación de la planta se aproxime a las condiciones optimas. La experiencia ha demostrado que mediante el control de procesos puede lograrse grandes beneficios económicos en una amplia diversidad de plantas.

Para obtener estos beneficios, el control de procesos se aplica típicamente a todas las unidades de procesos de toda una planta.

Objetivos del Control de Procesos Industriales.



Lograr indices de producción deseados cumpliendo con la demanda de calidad especificados de forma segura y ambientalmente aceptable. Automatización.


Es la realización de tareas específicas sin la participación rutinaria directa del ser humano, en particular de las tareas de información y control.

Control Automático.



El control automático es un tema complejo. Las soluciones exactas para problemas de control requieren conocimientos detallados de un proceso, no solo las características físicas y químicas de los fluidos, sino también de aspectos mecánicos del equipo relacionado (bandas, mezcladores, reactores, intercambiadores de calor, etc.) del sistema de tuberías y del lazo de control.

El control automático puede ser definido como la técnica de medir el valor de una variable y producir una respuesta contraria, para limitar esta desviación de la referencia seleccionada.

El propósito básico del control automático es hacer que la producción pueda ser lograda mas económicamente. Algunos procesos no serán posibles sino es por el uso de controles automáticos, la economía se logra así de diferentes formas:

Diseño De Un Sistema De Control Automático


Fase 1 - Análisis

El análisis consta de 2 etapas que sirven para la toma de información y datos que sirven para estimar la envergadura del proyecto, fijar objetivos muy generales a cubrir con el desarrollo del mismo.

Estudio Preliminar.

En esta etapa del desarrollo del proyecto, se realiza una toma inicial de datos y se define el marco de aplicación del sistema. En esta parte se deben fijar las siguientes pautas:

Determinación de Requerimientos del Sistemas.

En esta etapa se determina los requerimientos del sistema para dar solución a los problemas y necesidades. Un aspecto fundamental es comprender todas las fases o procesos de la industria que se encuentra bajo estudio con el fin de comprender el proceso en su totalidad y poder diseñar un sistema de control idóneo.

Al estudiar los procesos se deben dar respuestas a algunas preguntas como son:

¿Qué es lo que se hace?

Definir exactamente la actividad que realiza la industria y que se realiza en el proceso en estudio.

¿Cómo se hace?

Determinar en forma ordenada los procesos de producción de la industria y pasos con que se realiza el proceso.

¿Dónde se realiza?

Estudio del lugar estableciendo factibilidades.

¿Con qué se realiza?

Determinar que se procesa (materias).

Luego de realizado el estudio del Proceso y determinando el problema y/o necesidades se determina los requerimientos para dar soluciones a los problemas y/o necesidades de la industria.

Fase 2 - Diseño

Diseño del Sistema.

Para el diseño del sistema se toma en cuenta las pasos anteriores. En esta etapa se diseña el sistema que satisfaga los requerimientos determinados en la etapa anterior considerando la factibilidad (técnico, económica y de operabilidad). Se debe determinar los intervalos de operación de la variables, y estados críticos del sistema.

En esta etapa se considerará los requerimientos de:

Software.

Que sea el más idóneo para el trabajo que se realizará detallando (tareas a realizar, datos a procesar y hardware a controlar).

Hardware.

Equipos o instrumentos que realizaran el control en los procesos como son: sensores, transductores, actuadores, etc. detallando las tareas que realizarán, condiciones de trabajo y cantidad.

Diseño del Plano de Instrumentación

En este diagrama debe mostrarse toda la instrumentación para el control, registro e indicación a la operación de la planta. Por lo general, el ingeniero de proceso indica de manera esquemática la instrumentación en el diagrama de flujo de proceso. Posteriormente este modelo gráfico se acondiciona al diagrama de ingeniería de flujo con toda la instrumentación requerida.

Fase 3 - Construcción

Con los requerimientos de Hardware y software obtenidos se realiza la implementación de los sistemas que consiste en las siguientes etapas:

Desarrollo del Software.

Se desarrolla el software que cumpla con los requerimientos que necesita en sistema. Existen hoy en el mercado muchos software’s que realizan la mayoría o todas las tareas de control (procesamiento de datos, control de hardware, etc.) desarrollado por empresas.

Desarrollo del Hardware.

Al igual que el software, el hardware debe cumplir con los requerimientos que necesita el sistema. En el mercado existen hardware’s para casi todas las necesidades (control de Tº, sensores, actuadores, etc.). Al elegir el Hardware adecuado para una aplicación se debe tomar en cuenta algunas consideraciones importantes como son:

También es importante considerar los limites entre la viabilidad de la información proporcionada por el sensor.

Implementación.

Teniendo los planos de instrumentación, el diseño del sistema, el hardware y software necesario se procede a la implementación del sistema en la industria.

Pruebas.

Luego de implementado el sistema se realiza las pruebas necesarias con el fin de calibrar y sintonizar los equipos para obtener la respuesta deseada del sistema.

Evaluación.

Luego de la prueba realizada al sistema se realiza la evaluación del sistema determinada la eficiencia y otros parámetros que determinan la calidad del sistema

Instrumentación Y Diagramas De Flujos



En los diagramas de ingeniería de flujos se muestran todos las lineas de proceso y lineas de servicios para el equipo de proceso. Las lineas de servicios se dibujan usando varios símbolos para permitir una fácil diferenciación de los diversos servicios. Las flechas se usan siempre que sea necesario para ayudar a seguir el flujo. Todas las válvulas se indican incluyendo las de retención pero los bridos y los accesorios no se muestran, excepto en el equipo.

También debe nombrase toda la instrumentación para el control, registro e indicaciones de la operación de la planta. Este diagrama se adiciona al diagrama de flujo con toda la instrumentación requerida.

La sociedad norteamericana de instrumentación (The Instrument Society of American) ha preparado un conjunto de símbolos standards para instrumentos, los cuales deben ser observados para evitar confusiones.

La identificación funcional del instrumento se realiza mediante de combinaciones de letras que indican la función del instrumento. En la siguiente pagina se describen las letras y su significado.

1- Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo la letra N puede representar como primera letra el módulo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.
2- La letra sin clasificar x, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan sólo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado figure en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 registrador de vibración.
3- Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (integración) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.
4- La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertas por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo del diagrama de proceso
5- El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primeras letras es opcional.
6- El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, intermedio y exploración es preferible pero opcional
7- El término seguridad, debe aplicarse sólo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o personal). Por este motivo una válvula autoreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema, mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia se designa PSV.
La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta si las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.
1- La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporcionan una visión directa no calibrada del proceso.
2- La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso. No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable sino hay indicación de ésta.
3- Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designará KL. Sin embargo si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única L. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL, suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.
1º Letra
Letras Sucesivas
Variable medida (3) Letra de modificación Función de lectura pasiva Función de salida Letra de modificación 
A Análisis (4) . Alarma  . .
B Llama (quemador)  . Libre (1) Libre (1)  Libre (1)
C Conductividad  . . Control  .
D Densidad o Peso Específico Diferencial  . . .
E Tensión  . Elemento Primario  . .
F Caudal o Flujo  Relación (3)  . . .
G Calibre  . Vidrio (8)  . .
H Manual  . . . Alto(6,13,14) 
I Corriente eléctrica . Indicación (9) o indicador  . .
J Potencia  Exploración (6)  . . .
K Tiempo  . . Estación de control  .
L Nivel  . Luz piloto (10)  . Bajo(6,13,14) 
MHumedad  . . . Medio o Intermedio (6, 13) 
N Libre (1)  . Libre  Libre  Libre 
O Libre (1)  . Orificio  . .
P Presión o Vacío  . Punto de Prueba  . .
Q Cantidad Integración (3)  . . .
R Radiactividad  . Registro  . .
S Velocidad o Frecuencia  Seguridad (7)  . Interruptor  .
T Temperatura  . . Transmisión o transmisor  .
U Multivariable (5)  . Multifunción (11)  Multifunción (11)  Multifunción (11) 
V Viscosidad  . . Válvula  .
W Peso o Fuerza  . Vaina  . .
X Sin Clasificar(2)  . Sin Clasificar Sin Clasificar Sin Clasificar 
Y Libre (1)  . . Relé o Computador (12)  .
Z Posición  . . Elemento Final de control sin Clasificar  .

La actuación de la luz piloto puede ser acompañada por una señal audible.

1- El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras, es opcional.
2- Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.
3- Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida no a los de la señal a menos que se indiquen de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.
4- Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, u a otros dispositivos de cierrea-pertura, se define como sigue:
Alto: Indica que la válvula está o se aproxima a la posición de apertura completa.
Bajo: Denota que se acerca o está en la posición completamente cerrada.
Los Avances Del Control De Procesos


En casa y en la oficina, el ordenador personal continua su progreso triunfal. El PC se ha establecido en un gran número de campos. Análogamente al lema "Más rápido, más alto, más lejos", los componentes hardware y software estan siendo cada vez más potentes y más rentables. Es lógico, por tanto, que la industria quiera tomar provecho de este hecho, para reducir costos y/o incrementar la productividad.

Ciertas tareas industriales están actualmente en manos de los ordenadores desde hace tiempo: desde emplear la tecnología Windows cuando se manejan pedidos y/o se ajustan parámetros de maquinaria hasta preparar o visualizar datos prácticamente de cualquier tipo.

No hay que sorprenderse entonces, que los especialistas en automatización y los usuarios estén pensando ahora en que forma se pueden transferir al PC otras tareas, para poder llegar a un mayor ahorro. Más recientemente un gran número de simuladores de PLC por software han aparecido en el mercado, que están ayudando a transferir el control de tareas al disco duro y presentan una automatizacióm más efectiva en costos en una simple pieza de hardware (la PC).

Esto nos deja las siguientes preguntas:

¿Qué sucede con el software PLC?

¿Quién puede emplearlo, cómo y en qué condiciones?

Y sobre todo, ¿tiene el PLC sus días contados?

Hardware o Software

El hecho es que las tareas automatizadas de control, visualización y computación pueden ser efectuadas por controladores lógicos programables (conectados en red mediante los módulos adecuados) mejor que con sistemas exclusivos de control basados en PC. Lo que finalmente es práctico, no obstante, depende de un gran número de factores y la mayoría deben ser considerados individualmente para cada proyecto de automatización.

Así, por ejemplo, los actuales conocimientos y preferencias del usuario pueden jugar un mayor papel que la pura potencia del ordenador. Los factores cruciales, no obstante, son los atributos de capacidad en tiempo real y las propiedades de seguridad que hasta ahora han sido fuertemente asociadas con la PC. No obstante, un sistema de control es inconcedible sin capacidad en tiempo real o la dependencia que es demandada en industria.

Tiempo real

La capacidad en tiempo real se refiere a la capacidad del ordenador en programas de procesamiento de datos para que siempre esté listo para procesar y proporcionar los resultados dentro de un tiempo especificado. En este contexto "estrictamente en tiempo real" significa que un sistema reacciona a los eventos externos dentro de un tiempo especificado en un 100% de los casos. Si, de otra forma, los tiempos de reacción pueden superarse en ciertos casos, como en el simple caso de controladores de temperatura, hablamos de "tiempo real suave".

Los controladores lógicos programables, en la mayoría de los casos, están diseñados específicamente para ser empleados en ambientes industriales exigentes y han sido continuamente desarrollados de forma que sus sistemas operativos en tiempo real representan su mayor virtud. Ellos son y seguirán siendo, no obstante, la primera elección para todo control de tareas críticas o extremas por su rendimiento y simpleza, en los que una PC podría estar simplemente "sobrecargado".

Si, además del control de tareas, se necesita un procesamiento de datos, trabajo en red o visualización, un sistema basado en una PC debe ser tomado en consideración.

Esto se aplica en particular si una PC (de calidad industrial donde sea posible) está actualmente en disposición y el software existente puede y debe continuar siendo empleado.

No obstante Windows NT no es extrictamente un sistema operativo en tiempo real como el de un PLC, pero puede actuar de forma suficientemente rápida para aplicaciones "suaves" en tiempo real, gracias a su arquitectura de micro-kernel. Puede llegar a ser considerado como un estándar para soluciones de automatización basadas en PC, aun dejando un sistema "suave" en tiempo real.

La estructura abierta como inconveniente

Aún no se ha establecido un estándar para poseer extensiones compatibles en tiempo real de sistemas operativos. De una forma estrictamente determinante, los sistemas estándar actuales deben ser modificados de forma general, así que la principal ventaja de un sistema basado en una PC -su estructura abierta- es rápidamente un inconveniente. La solución comienza a ser propietaria nuevamente (cada empresa ofrece su solución) y la conversión a futuras generaciones de sistemas operativos lo hace más difícil.

Resumidamente: si es necesario operar en tiempo real, entonces debe hacerse independientemente del sistema operativo de una PC.

Tarjetas de expansión

Como el sistema operativo sólo puede proporcionar respuestas suaves en tiempo real lo más simple es emplear extensiones hardware para las tareas críticas (placas de expansión de PC) y soluciones software para el resto de tareas. Esto nos lleva a una compatibilidad con futuros sistemas operativos y una solución totalmente factible actualmente.

No obstante las placas de expansión PC no son sino PLC's, por lo que siempre acabamos trabajando de una forma u otra con los clásicos PLC's para tareas en estricto tiempo real, pero con un costo mucho menor para la mayoría de las aplicaciones.