Mantenimiento del sistema de barras de control y de seguridad en su posición. Si el sistema falla por manipulación incorrecta o fallos del sistema de movimiento se produce una liberación de radiactividad que causa un gran desprendimiento de calor. Para eliminarlo, sea en caso de emergencia o bien en caso de paro programado, es necesario que la instrumentación inicie una refrigeración de emergencia, accionando rápidamente las barras de seguridad. La característica de velocidad de éstas es muy importante, y como detalle señalemos que efectúan su carrera completa en un poco más de medio segundo.
Los criterios establecidos para la seguridad de la central nuclear se basan en la confiabilidad y en la redundancia de los instrumentos. Se han redactado normas que establecen métodos para ensayar los contadores de radiactividad, los materiales eléctricos, los motores, los requerimientos de inspección, de instalación y ensayo de los instrumentos, la calificación sísmica y resistencia al calor de los mismos, en particular en el interior de la contención, los ensayos para la comprobación de fallos con el reactor en marcha mediante los sistemas redundantes de instrumentos, etc. El dispositivo de seguridad es excitado principalmente ante un fallo de alimentación de los instrumentos, una temperatura alta en la refrigeración, un nivel de potencia de salida excesivo o un flujo elevado de neutrones.
El sistema de arranque del reactor debe tener en cuenta la gama tan amplia de niveles de potencia que el reactor puede generar y debe realizar los siguientes puntos:
Impedir que el grado de aumento del flujo de neutrones sea excesivamente rápido.
Impedir que la reactividad exceda los límites máximos de proyecto dentro de la gama de potencias de trabajo
Mantener la adecuada generación de calor en respuesta de la demanda.
La instrumentación no nuclear incluida en el bucle del agua de refrigeración primario del reactor contiene medidores de presión diferencial del núcleo del reactor y de la bomba de refrigeración, transmisores de temperatura y de presión, medidores de caudal de refrigerante, de temperatura diferencial, de calorías, etc.
4.1 Actuadores neumáticos y eléctricos para válvulas
El accionador o actuador es la parte de la válvula de control con que se convierte la energía de entrada, ya sea neumática o eléctrica, en movimiento mecánico para abrir o cerrar la válvula.
El uso de fluidos hidráulicos en los elementos finales de control tiene muchas ventajas: 1) se pueden usar altas presiones, por encima de 3000 psi y ocasionalmente mayores; 2) el fluido, comparado con el aire es, prácticamente incompresible y, por lo tanto, es de acción más rápida y más potente; y 3) el fluido tiene propiedades autolubricantes. Las funciones hidráulicas posicionan un pistón, un accionador giratorio o un motor hidráulico y así le transmiten el movimiento deseado al elemento final de control.
Actuador de diafragma con operación neumática
Estos son los actuadores más usuales en la industria de proceso. En la siguiente figura se muestra un actuador de diafragma típico; estos actuadores consisten en un diafragma flexible que se coloca entre dos compartimientos; una de las cámaras resultantes de este arreglo debe ser hermética. A la fuerza que se genera con el actuador se opone un resorte de rango. La señal neumática del controlador entra a la cámara hermética, y con el incremento o decremento de presión se produce una fuerza que se utiliza para vencer la fuerza del resorte de rango del actuador y las del interior del cuerpo de la válvula. La acción de la válvula, cerrar a falla de aire (CF) o abrir a falla de aire (AF) se determina mediante el actuador.
El tamaño del actuador depende de la presión del proceso contra la cual se debe mover el vástago y de la presión de aire de que se dispone; el rango de presión de aire más común es de 3-15 psig, pero también se utilizan los rangos de 6 a 30 y de 3 a 27 psig. Estos actuadores de diafragma son de construcción simple, confiables y económicos. El fabricante proporciona las ecuaciones para dimensionar los actuadores.
Accionador con difragma.
Actuadores Electrohidráulicos
En un actuador de dos posiciones electrohidráulico, se posiciona un pistón por la acción de una válvula de solenoide de 4 vías. La presión de entrada se conecta a Q, la parte inferior del cilindro a T y la superior a S. Cuando el solenoide está desexcitado, como se muestra el flujo será desde Q a T, guiando el pistón hacia arriba, y la salida desde la parte superior del pistón fluirá por S y saldrá en R. Cuando el solenoide está excitado, el flujo será desde Q a S, y la parte inferior del cilindro saldrá por T, N y R. El pistón se moverá entonces hacia abajo. Prácticamente se dispone de toda la presión hidráulica para colocar en posición el pistón. Si por ejemplo, se aplican 1000 psi a través de un pistón de 10 plg2, la fuerza posicionadora es de 10 000 lb.
Accionador electrohidráulico.
La necesidad específica de los controladores electrónicos exige elementos finales de control que sean capaces de responder a señales de estos controladores relativamente débiles. El actuador de válvula electrohidráulica, cuya figura se muestra a continuación, tiene como principales componentes el motor eléctrico acoplado a una bomba hidráulica, el sistema de señal de bobina móvil, la servoválvula, el cuerpo y el sistema mecánico de realimentación.
La bomba proporciona un flujo continuo de 1 gpm, que se mantiene a 600 psi por medio de un regulador de presión incorporado. Una pequeña parte de este flujo se dirige por medio de un tubo inyector que arroja con fuerza el aceite por un orificio receptor, dentro de la cámara final de una válvula de carrete. La presión de esta cámara depende de que el tubo inyector se coloque directamente en el orificio receptor, o que está ligeramente desviado. Con un pequeño movimiento del tubo inyector, la presión de la cámara cambia desde un máximo a un mínimo. La relación entre esta presión y la posición del tubo inyector es casi igual.
El carrete está colocado entre la presión de la cámara y un resorte helicoidal. Entonces, para una presión de alimentación dada, la posición del carrete está estrictamente controlada por la posición del tubo inyector. El carrete está diseñado como una válvula de cuatro vías, y puede realizar tres tipos de operaciones diferentes: (1) puede dirigir el flujo hidráulico al espacio del cuerpo sobre el pistón, y desaforar el espacio bajo el pistón a una reserva; (2) puede bloquear el aceite a ambos lados del pistón, y entonces trabar el pistón en una posición contra las altas fuerzas de arrastre del vástago del pistón, y (3) puede dirigir el flujo hidráulico dentro del espacio del cuerpo bajo el pistón y desaforar el espacio encima del pistón a una reserva. La proporción del flujo que admite el cuerpo está regulada por el tubo inyector que posiciona adecuadamente el carrete. El tubo inyector es de acero y de diámetro pequeño. Al doblarlo actúa como resorte. El movimiento se realiza practicamente sin rozamiento y es producido por la fuerza de la bobina móvil a la que se conecta la señal de un controlador electrónico.
Entonces la pequeña potencia eléctrica se convierte en una fuerza comparablemente grande para posicionar la barra del pistón del accionador de válvula electrohidráulico. A medida que la servoval- vula mueve el pistón, este último hace girar una palanca por medio de un cable. En su momento la palanca controla la tensión del resorte de realimentación. El sistema está ajustado para que cuando la fuerza producida por la bobina móvil iguala la fuerza del resorte de realimentación, el tubo inyector está en una popsición que la válvula de carrete bloquea sus propias salidas y traba el pistón en su posición.
Un cambio en la señal y, por lo tanto, en la fuerza de la bobina móvil produce un flujo en la servoválvula, un movimiento del pistón, la realimentación a través del resorte, y finalmente la compensación de las fuerzas con una nueva posición del pistón. Entonces se obtiene una posición que es proporcional a la señal eléctrica.
El actuador de válvula electrohidráulico Vickers se halla disponible con carreras de prácticamente cualquier longitud. La velocidad en vacío es aproximadamente de 50 plg/min, y la fuerza de arrastre de la unidad estándar es de 2400 lb, aunque se pueden preparar para arrastres por encima de 25 000 lb.
El accionador Vickers, que se describió antes, se puede usar para un control de acción de flotador de velocidad proporcional quitándole la unión mecánica de realimentación. En este caso, el pistón continua moviéndose a medida que reciba una señal correctiva. La dirección del movimiento depende de cuándo la señal correctiva es un incremento o disminución de la señal base. La velocidad del vástago es proporcional a la señal sólo para pequeños cambios de ésta. Para cambios mayores, el accionador se moverá a velocidad máxima independientemente del tamaño del cambio de señal. Esto es normalmente deseable, para una acción correctiva rápida.
El accionador de válvula electrohidráulico descrito, contiene un transductor electrohidráulico o servoválvula. Su construcción es de dos etapas, que constan de un tubo inyector en la primera y una válvula de cuatro vías para la segunda; éste tiene muchas ventajas comparado con los de diseño de simple etapa. La más importante es la ganancia de presión extremadamente alta, que permite una presión completa a través del pistón accionador aun con señales de entrada muy pequeñas.
Esto ocurre en pequeñas bandas aunque haya un rozamiento considerable, y mantiene la posición del pistón bajo fluctuaciones de carga. Cuando no se necesita esta alta ganancia de presión, se utilizan con frecuencia las válvulas de simple etapa, como se describe a continuación.
En el transductor Rotget fabricado por la GPE Controls, Inc., el fluido hidráulico para presiones por encima de 1000 psi, entra por el eje central y es conducido por el disco rotor a dos toberas de chorro, situadas opuestamente en la circunferencia del disco. Las líneas del chorro que emergen desde estas toberas, caen sobre sus respectivos orificios receptores. La orientación del doble chorro compensa las fuerzas de reacción que actúan en el disco rotor y su eje. También duplican la capacidad del flujo.
Cuando cambia la señal de entrada a la bobina móvil, el eje y el disco giran un ángulo muy pequeño. Esto causa que la línea de inyección golpee desigualmente en los orificios receptores. Las presiones que se generan en los receptores son desiguales, y el pistón empieza a moverse. La dirección del movimiento del pistón depende de que la señal de entrada aumente o disminuya y esto determina también que el movimiento resultante del disco, sea en el sentido de las manecillas del reloj o contrario. La velocidad del pistón es proporcional a la señal de entrada. Esto significa que este transductor electrohidráulico se puede usar como un controlador de flotador de velocidad proporcional. También se puede usar como un flotador de posición proporcional. Para ello es necesario un dispositivo que realimenta la posición del pistón accionador, tal como un potenciómetro que convierta la posición en una señal eléctrica. Esto crea una acción de posición proporcional. Para una determinada señal de entrada a la bobina móvil se puede obtener cualquier posición que se desee del pistón accionador cambiando la tensión de resorte.
Actuadores Eléctricos
La válvula de control más simple es probablemente la de solenoide, aunque éstas se encuentran preparadas sólo para controladores de dos posiciones. Las válvulas solenoide tipo compacto son particularmente ventajosas debido a su estructura compacta, y a pruebas de roturas que no necesita prensaestopas. Estando limitadas la presión y la temperatura, estos tipos se deben usar en los casos en que no haya estas limitaciones.
El accionamiento de dos posiciones no debe verse como referido sólo a condiciones de completamente abierto y completamente cerrado. Debe considerarse la acción de dos posiciones siempre que exista un cambio entre dos posiciones finitas de válvula. Generalmente se dispone de interruptores de ajuste en las válvulas solenoide; esto permite su fijación en cualquier punto en que la válvula actúe.
La siguiente figura muestra una vista de la sección transversal de una válvula solenoide fabricada por la Atkomatic Valve Company. Esta es una válvula autónoma y accionamiento piloto. El aislamiento está cerrado con un disco de material compuesto. Encima del asiento está el lado de alta presión, por ejemplo, la entrada del fluido, y debajo de éste, el lado de baja presión, por ejemplo, la salida del fluido. El vástago de la válvula es una pieza cilíndrica relativamente pesada, que es ancha por su parte baja para llenar el disco y también para proporcionar guías para el movimiento hacia arriba y abajo. Estas guías no prevén la alta presión del cuerpo de la válvula desde la comunicación libre con la cámara formada por la parte central del vástago, que es menor en diámetro que ambos extremos. El extremo superior del vástago es un pistón que por medio de anillos precinta contra las paredes dentro de las que él se mueve.
Vista de corte de una válvula solenoide
El vástago es hueco a lo largo de su eje vertical y cerrado en su extremo superior por la válvula auxiliar P. Ahí existe una conexión directa con el lado de baja presión de la válvula. Cuando se aplica la corriente, la barra levanta la válvula auxiliar P, reduciendo la presión en la parte superior del pistón por el asiento auxiliar con el orificio A, en el lado de baja presión de la válvula. Como este orificio es mayor que el orificio B, la presión en el lado inferior del pistón será mayor que el de la parte superior, y moverá el pistón hacia arriba, abriendo la válvula. Cuando se corta la corriente, la válvula auxiliar P cierra el orificio A. Esto igualará la presión encima y debajo del pistón por el orificio B. El resorte hará volver el pistón para cerrar la válvula y la misma línea de presión mantendrá la válvula cerrada.
La ventaja de esta solución es que no sólo permite la operación contra altas presiones con una potencia eléctrica relativamente pequeña, sino también que los efectos del golpe de aceite se reducen grandemente, debido a que el movimiento de cerrado se puede realizar lentamente por medio de la relación de diámetros entre los orificios A y B.
Una aplicación de interés es el elevador de campo donde se necesita una velocidad proporcional controlada para eliminar el golpe en la parada del elevador. En esta aplicación, el orificio B se cierra, y la camisa superior del pistón se desvía por medio de una válvula de aguja, en el exterior del cuerpo de la válvula solenoide. Esta válvula de aguja controla la cantidad de flujo por el pistón y, por lo tanto, ajusta la velocidad de cierre de la válvula.
4.2 Tipos de válvulas de control
En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.
Válvula de Control
Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador.
Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación:
1.-Válvula de globo
Las válvulas de globo pueden ser de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado respectivamente. Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores provistos de una arandela de teflón. En la válvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.
Válvula de globo de asiento sencillo y vástago deslizable
Puede señalarse que según la norma ANSI B 16.104-1976, las fugas admisibles son de 0.1% del caudal máximo en la válvula de simple asiento y de 0.5 % en la válvula de doble asiento. Asimismo, las válvulas con obturador dotado de anillo de teflón para cierre hermético admiten un caudal de fuga de 1 a 40 burbujas de aire o NZ por minuto.
2.- Válvula en ángulo
Esta válvula, permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión.
3.- Válvula de tres vías
Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezclar fluidos – válvulas mezcladoras – o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salidas – válvulas diversoras. Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor.
Válvula de tres vías.
4.- Vá1vula de jaula
Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador está contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr así un cierre hermético.
5.- Válvula de compuerta
Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total .
6.- Válvula en Y
Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de autodrenaje cuando está instalada inclinada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.
7.- Válvula de cuerpo Partido
Esta válvula es una modificación de la válvula de globo de simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria alimentaria.
8.- Válvula Saunders
En la válvula Saunders, el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o de plástico para trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión.
9.- Válvula de compresión
Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles, por ejemplo, un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se caracterizan porque proporcionan un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplican fundamentalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partículas sólidas en suspensión.
Las válvulas en las que el obturador tiene un movimiento circular se clasifican como se detalla a continuación.
1.- Válvula de obturador excéntrico rotativo
Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que está unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles. El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por el vástago de un servomotor. El par de éste es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica del obturador. La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y a las de bola y por su elevada pérdida de carga admisible.
2.- Válvula de obturador cilíndrico excéntrico
Esta válvula tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta contra un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La válvula es de bajo costo y tiene una capacidad relativamente alta. Es adecuada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión.
3.- Válvula de mariposa
El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta (en control todo-nada se consideran 900 y en control continuo 60o, a partir de la posición de cierre ya que la última parte del giro es bastante inestable), siempre que la presión diferencial permanezca constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones de complete apertura y de cierre; se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada.
Las válvula de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.
Válvula de Mariposa
4.- Válvula de bola
El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre). La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que fija la curva característica de la válvula, y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre estanco se logra con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula esta cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75% del tamaño de la tubería. La válvula de bola se emplea principalmente en el control de caudal de fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión.
Una válvula de bola típica es la válvula de macho que consiste en un macho de forma cilíndrica o troncocónica con un orificio transversal igual al diámetro interior de la tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y tiene un movimiento de giro de 900. Se utiliza generalmente en el control manual todo- nada de líquidos o gases y en regulación de caudal.
5.- Válvula de orificio ajustable
El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que esta perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y salidas de la válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede así fijarse manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo.
La válvula es adecuada en los casos en que es necesario ajustar manualmente el caudal máximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre límites amplios de forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general.
6.- Válvula de flujo axial
Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado neumáticamente que mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un obturador formado por un material elastómero. De este modo, el obturador se expansiona para cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso. Otra variedad de la válvula de flujo axial es la válvula de manguito, que es accionada por compresión exterior del manguito a través de un fluido auxiliar a una presión superior a la del propio fluido. Se utiliza también para gases.
4.3 Pistones neumáticos
Una aplicación de los pistones neumáticos en la industria, es en los actuadores de pistón, los cuales se utilizan cuando se requiere máxima confiabilidad junto con una respuesta rápida, lo cual generalmente ocurre cuando es alta la presión de proceso contra la que se trabaja. Estos actuadores operan con un suministro de aire a alta presión, de más de 150psig. Los mejores diseños son de acción doble, con el fin de brindar máxima confiabilidad en ambos sentidos.
Las válvulas de doble asiento, tal como se usan generalmente con los accionadores de diafragma, tienen la desventaja de dejar cavidades inevitables que pueden producir una erosión excesiva y también pueden reducir los valores de Cv.
En estos casos es preferible utilizar válvulas de asiento sencillo. Sin embargo, se necesita más potencia para accionar una válvula de asiento sencillo que una de doble asiento, con la misma presión diferencial.
La válvula accionada por pistón proporciona esta potencia adicional. Esta válvula es muy compacta, versátil y fácil de ensamblar; permite su exacta colocación para condiciones en las que se necesita un posicionador de válvula, en las accionadas por diafragma. Más aún, como ésta trabaja generalmente con presiones de aire mayores que la válvula convencional, se obtiene una mayor velocidad de respuesta.
La válvula de control Domotor fabricada por la Annin Company, se instala con el flujo dirigido sobre el tapón de la válvula. Esto hace que en caso de una falta de aire las fuerzas de arrastre del fluido del proceso cierran las válvula. Se dispone de otro modelo en el que el flujo se dirige bajo tapón y la válvula se abre en caso de falta de aire. La sección superior es un regulador de presión que equilibra la fuerza que ejerce la presión de carga en un diafragma con la fuerza del resorte en el diafragma.
Válvula de control Domotor
La flexión del diafragma actúa sobre una pequeña válvula que admite una presión de alimentación a la presión de carga, o desaloja ésta a la atmósfera, las presiones de alimentación son normalmente de 25 a 50 psi. El regulador de presión mantiene una presión constante en la parte superior del pistón suministrando aire a medida que el pistón se mueve hacia abajo y eliminándolo cuando éste se eleva. Se admite la presión de señal entre dos diafragmas. El superior es de superficie efectiva menor que el inferior. Así un incremento de la señal de presión mueve hacia abajo el conjunto del diafragma con el pequeño tapón de la válvula conectado a é1. Esto abre la alimentación y el orificio de purga entre la presión de suministro y la presión accionadora, y cierra el orificio de escape. Ahora se admite el aire bajo el pistón. El movimiento hacia arriba resultante del pistón comprime el resorte de realimentación el que a su vez aumenta la fuerza que éste ejerce sobre el conjunto del diafragma. La posición del conjunto del diafragma cierra el orificio de suministro y para el movimiento del pistón cuando las fuerzas originadas por la señal de presión y el resorte se compensan una a la otra. Esto ocurre en una posición del pistón que es proporcional a la señal de presión. El vástago de la válvula está conectado directamente con el pistón.
Debido a que se usan válvulas de asiento sencillo y al diseño de este accionador, las fuerzas del pistón se oponen a las fuerzas de arrastre cuando la presión de carga trabaja con ellas. Una presión de carga pequeña, por ejemplo de 5 psi, es generalmente la necesaria en estos casos. Con una superficie de 100 plg2 y una alimentación de aire de 50 psi, se pueden obtener una fuerza aproximada de 4000 lb.
Con el fin de utilizar las válvulas accionadas por diafragma y por pistón desde controladores electrónicos, la señal eléctrica se debe convertir en una presión neumática. Los transductores electroneumáticos y posicionadores sirven para este propósito.
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Tópicos de control de procesos por computadora
5.1 Control de procesos por computadora
Al tender los sistemas a evolucionar hacia una complejidad cada vez mayor, fue inevitable el intentar desarrollar un computador de gran capacidad que realizara la función de controlar todas las variables del proceso en una forma óptima. Este computador programable y para usos generales evolucionó en dos etapas: el control digital directo y el control supervisor.
Estos computadores iniciaron la separación de la instrumentación analógica del mando directo del operador, pasando éste gradualmente a funciones de supervisión e interviniendo sólo en caso necesario al ser avisado por el computador.
La decisión de instalación de un computador conectado al proceso se realizaba hace unos 10-15 años de acuerdo con múltiples factores de los cuales se exponen los siguientes:
La planta debia tener una producción anual muy grande para que fuera factible obtener un pequeño porcentaje de mejora en su rendimiento que pudiera justificar la inversión grande que representaba la instalación de control por computadores. Actualmente los costos se han abaratado enormemente y las prestaciones han mejorado espectacularmente de modo que puede afirmarse que, a partir de unos 20-25 lazos, es más barata la adquisición de instrumentos de control digital que la de analógicos (neumáticos o electrónicos).
Que haya varias lineas del proceso muy importantes.
Que el proceso cambie sus características internas con el tiempo, tal como en el caso de los coeficientes de transferencia del calor en un horno, en un intercambiador de calor, etc., donde se espera que la instalación de instrumentos convencionales dará menor rendimiento.
En procesos en desarrollo puede ser muy útil la instalación de un computador, puesto que permite realizar estudios de manera continua que facilitan su mejor diseño.
a) Monitoreo (Adquisición de datos)
Dos de los componentes básicos de un sistema de control son los sensores y los transmisores cuya función es la adquisición de datos. Con los sensores y transmisores se realizan las operaciones de medición en el sistema de control. En el sensor se produce un fenómeno mecánico, eléctrico o similar, el cual se relaciona con la variable de proceso que se mide; el transmisor a su vez, convierte este fenómeno en una señal que se puede transmitir y, por lo tanto, ésta tiene relación con la variable de proceso.
Estas señales de entrada procedentes del campo, que son utilizadas para realizan una acción de control pueden tener varios orígenes:
1.- Señales de tensión procedentes de:
Termopares que se caracterizan por una f.e.m. pequeña que les hace sensibles al ruido eléctrico, no mantienen una linealidad entre la f.e.m. y la temperatura y necesitan una compensación de la unión fría.
Reóstatos
Tacómetros
pH y conductividad.
2.- Señales de corriente procedentes de transmisores
3.- Variaciones de resistencia de sondas que se caracterizan por una relación no lineal con relación a la temperatura.
A continuación se conectan a un multiplexor donde, de forma aleatoria o secuencial, pasan al computador.
a) Control supervisorio
El control supervisorio nace como una mejora del control DDC. El control supervisorio presenta una protección parcial utilizando estaciones de transferencia automático-manual colocadas fuera del computador y disponiendo de controladores analógicos adicionales en los lazos críticos. Sin embargo, para garantizar la ausencia total de fallos hay que utilizar más de un computador interconectados entre sí para que puedan sustituirse mutuamente en su función.
Para alcanzar la máxima seguridad de funcionamiento y lograr la optimización idónea del proceso, el computador podría determinar los puntos de consigna más convenientes en cada instante, aplicarlos a los lazos de control situados dentro del propio computador o bien en el exterior en controladores individuales. Este tipo de control recibe el nombre de o SPC (set point control), o bien control supervisorio. En paralelo con el bucle de control entre el transmisor y el controlador analógico, el computador calcula los puntos de consigna y los envía secuencialmente a cada instrumento. Si se presenta cualquier avería, el controlador regula la variable del proceso en el último punto de consigna que recibió del computador.
Dentro del control supervisor se usa el término SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) significando el uso de un ordenador huésped (host) que usa los datos transmitidos desde el campo y presenta los resultados al operador para que actúe como supervisor e inicie alguna acción de control, y utiliza unidades remotas de transmisión situadas a largas distancias (kilómetros) del ordenador. Las unidades remotas de transmisión suelen ser , por lo menos en los lazos críticos.
Poco a poco, las funciones aportadas por los sistemas SCADA se han hecho semejantes al control distribuido, y la única diferencia reside en el tipo de circuito. SCADA transmite las señales a través de circuitos de baja velocidad y poco fiables para la integridad de los datos (líneas telefónicas y radio), mientras que el control distribuido lo hace mediante circuitos locales de alta velocidad y seguridad de transmisión.
b) Control Digital Directo (DDC)
En el control digital directo que apareció hacia los años 60, el computador lleva a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente los controladores P, P + I, P + I + D generando directamente las señales que van a las válvulas. Este tipo de control se denomina o DDC (direct digital control) y realiza las siguientes funciones:
a) explora las variables de entrada analógicas o digitales;
b) las compara con los puntos de consigna e introduce la señal de error en el algoritmo de control correspondiente;
c) envía las señales de salida a las válvulas de control del proceso;
d) se disponen de instrumentos analógicos en paralelo con el computador en los puntos críticos y actúan como reserva en caso de fallo.
En el control DDC, el computador está enlazado con el proceso. Las señales procedentes de los transmisores de campo se reúnen en una terminal y pasan a una unidad de filtrado y acondicionamiento donde son convertidas a señales digitales, para ser usadas en los cálculos posteriores de control.
El computador permite comprobar cada señal de entrada y compararla entre límites prefijados para detectar si sale fuera de estas magnitudes y determinar así, a través de la 1ógica del computador, las causas de la desviación iniciando una alarma o bien imprimiendo instrucciones para la operación de la planta.
Por otro lado, el sistema DDC compara la señal enviada a la válvula de control con la de entrada y determine la aceptabilidad de la información para la acción de control. Si ésta no es aceptable se retiene la ú1tima posición de la válvula y el operador es prevenido, tomando el computador una acción de emergencia. De este modo, los límites de operación del proceso pueden estrecharse con seguridad de manera que éste puede llevarse a un punto de operación crítico sin problemas.
El DDC permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite una fácil modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control, lo cual es muy importante en la puesta en marcha de la planta. El DDC tiene la ventaja sobre los controladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde a las condiciones de operación instantáneas. Es decir, el computador ajusta la calibración de sus algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de una combinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cada instrumento por un instrumentista o especialista en instrumentos, tal como ocurre en los instrumentos convencionales.
El computador propiamente dicho admite la información de entrada del sistema proveniente de cintas o disquetes u otros tipos de soporte y almacena estos datos en una conectada a una compuesta por una y una sección de ; de esta última salen y entran los datos del proceso a través de la interfaz. La unidad de memoria almacena las instrucciones de programa y los datos empleados por la unidad central de tratamiento.
Entre los diversos tipos de memoria empleados en los computadores de proceso se encuentran la memoria de núcleo magnético, apoyada por memorias de tambor o de disco.
El tiempo de acceso en las memorias de tambor y de disco magnético es relativamente largo ya que es necesario que el tambor o el disco giren para que los cabezales se sitúen en el punto exacto de localización, y aunque la velocidad de giro sea elevada, del orden de varios miles de r.p.m., el tiempo de acceso es significativo. Por este motivo se utilizan generalmente como memorias auxiliares.
La unidad central de tratamiento es el verdadero centro nervioso del computador al realizar por un lado las operaciones aritméticas y 1ógicas (unidad aritmética y lógica) y por el otro controlar el flujo de datos (unidad de control).
La presentación de la información accesible al operador desde el computador puede adoptar varias formas:
Teleimpresores e impresoras de alta velocidad.
Pantalla de televisión que muestra a voluntad del operador el estado operacional de la planta o de una sección de la misma, o bien de un bucle de control.
Entre las ventajas del sistema DDC figuran:
Flexibilidad en el diseño del sistema de control, pudiéndose pasar fácilmente de una acción de control a otra, diseñar la ecuación de control que más convenga al proceso, y añadir cómodamente acciones de control en adelanto o en cascada.
Rendimiento del control al trabajar muy próximamente al punto óptimo de operación
Seguridad al poder comprobar cada variable entre unos límites prefijados.
Control Distribuido
a) Arquitectura básica
Los componentes de la arquitectura básica del Control Distribuido son:
El ordenador personal también incorporado al control distribuido. Permite la visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de transmisión, el acceso a los datos básicos de calibraci6n y a los datos de configuración de los transmisores.
El controlador básico del sistema es un microprocesador que proporciona los clásicos controles PID y otros algoritmos de control. Es apto para el manejo de 8 lazos que proporciona, entre otros, los siguientes algoritmos de control:
Salida manual
PID normal
PID con ajuste externo del punto de consigna
PID con control anticipativo (feedforward)
Adelanto-retardo
Sumador
Multiplicador-Divisor
Relación
Extracción de raíz cuadrada
Rampas programadas (temperatura en procesos discontinuos)
Contador
Estos algoritmos pueden configurarse definiéndose de este modo, el último modo de control a retener en caso de avería, las unidades de ingeniería (tipo de termopar, termorresistencia ….), la acción de control (directa, inversa), el tipo de señal de entrada (lineal, raíz cuadrada,…), las alarmas, etc.
El controlador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control 1ógico que permiten regular un proceso discontinuo (batch control), y el manejo de procesos complejos, en los que el controlador básico está limitado. Tal es el caso del control de una columna de destilación donde el control es dinámico, y es necesario realizar cálculos en sobre las ecuaciones de equilibrio entre el reflujo interno y el reflujo externo en cabeza de la columna. Otros casos típicos son la manipulación de reactores en condiciones anormales, el precalentamiento de líquidos de alimentación de procesos mediante la creación matemática de modelos, etc.
El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían continuamente en la válvula de control) con el control 1ógico. Por ejemplo, el arranque y el paro de una caldera de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo de una explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera con el nivel muy bajo y con los tubos del serpentín al rojo. El control secuencial se realiza con un conjunto de instrucciones o sentencias, parecidas a programas de ordenador, que establecen en el tiempo los puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia deseada. El lenguaje empleado es de alto nivel, parecido al BASIC, y orientado al usuario del ordenador personal, por lo que es fácil de escribir y de interpretar.
En el control discontinue (batch control) es usual automatizar la entrada de ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo su naturaleza y cantidades en lo que se llama la fórmula (recipe). Debido a que se fabrican muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación, es necesario que el equipo de control sea versátil para satisfacer la gran variedad de formulas (recipes) que pueden presentarse. La práctica usual es disponer de un programa de la fórmula principal grabado en diskette, y modificar ésta dinámicamente de acuerdo con los datos de la fórmula, las fases del proceso discontinuo y el tiempo estimado de ejecución de la operación.
Los controladores programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en la industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador programable aporta la solución versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en la 1ógica de relés.
El teclado del controlador dispone de símbolos que representan la 1ógica de los contactos: NA (normalmente abierto), NC (normalmente cerrado), Temporización ON u OFF, Contador, Constante, etc. De este modo, pueden desarrollarse programas que representen cualquier circuito de enclavamiento, y comprobarlos con un simulador de contactos, antes de acoplar el controlador programable a la planta.
La estación del operador proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información a cada uno de ellos, se realiza mediante programas de operación. De este modo:
1. El operador de proceso ve en la pantalla (o pantallas) un gráfico o gráficos del proceso que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesantes, obtener copias en impresora de las tendencias, el estado de las alarmas, etc.
2. El ingeniero de proceso puede editar programas del proceso, construir las representaciones en la pantalla de partes del proceso, etc.
3. El técnico de mantenimiento puede fundamentalmente diagnosticar y resolver problemas en los elementos de control distribuido de la planta.
El computador permite implementar los programas de aplicación de los usuarios, destinados a obtener información determinada de la planta, y procesarla con objeto de analizarla más adelante. El sistema se presta a optimizar variables, hacer cálculos especiales o complejos sobre balance de energía o de consumo de materias primas de la planta, y a confeccionar especiales.
Por otro lado, el computador puede comunicarse con otros ordenadores de mayor capacidad para obtener información sobre el consumo de materias primas, sobre los factores que influyen en la producción y en su rendimiento, y sobre los datos analíticos que se utilicen en la optimización de la planta. Y, como es 1ógico, esta información actual obtenida del proceso es accesible a la dirección, que puede utilizarla para el control de costos de la planta.
El lenguaje utilizado suele ser de alto nivel, Fortran 77, Pascal y C. Se desarrollan programas que permiten utilizar el control distribuido de manera óptima para mejorar la productividad de la fábrica y minimizar los costes. Entre estos programas se encuentran:
Monitorización y control de turbinas generadoras
Mezclas en refinerías y en la industria del papel
Autoajuste de lazos de control
Librería de gráficos para la construcción de diagramas de flujo
Control de calderas de vapor
La tendencia del computador es a generar cada vez más información, la que debe ser transmitida rápidamente dentro de la planta, y a veces en tiempo real.
Esta información es manejada por los llamados periféricos del ordenador. Estos periféricos deben trabajar a la misma velocidad que los sistemas basados en los procesadores 286 y 386. Entre ellos se encuentran memorias magnéticas de 40, 80, 240 Mbytes, memorias láser de 1 Gbyte, memorias ópticas de 40 Gbytes, impresoras rápidas con escritura de alta calidad, etc.
Las alarmas son importantes en el control de procesos. Existen alarmas de alto y bajo valor de la variable, alarmas de desviación entre el punto de consigna y la variable controlada, alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede de un valor prefijado, alarmas de estado de la señal de entrada o de salida, etc. Conviene evitar la instalación de un número excesivo de alarmas, ya que el operador se ve obligado a silenciarlas apretando el pulsador correspondiente y, además, le predisponen a no prestarles atención. Los casos en que la alarma actúa demasiadas veces durante el día son debidos a un mal diseño o a una condición del proceso que hay que corregir. Por ejemplo, una alarma de nivel de flotador situada en un tanque con agitador, en el cual no existan dispositivos de barrera contra las olas formadas en la superficie, estará actuando intermitentemente cuando el nivel alcance justamente al flotador. La solución a este caso y a otros parecidos es la llamada alarma que actúa siguiendo la 1ógica del circuito. En el ejemplo anterior, el sistema dispondría de un circuito 1ógico que, después de la primera alarma, comprobaría si el nivel bajaba y se separaba en un valor mínimo de la posición del flotador, y si éste no fuese el caso no actuaría por considerar que la situación no es una condición anormal.
El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas convencionales de control. Tal como se ha indicado, los transmisores disponen de un sistema de autocalibración y diagnóstico de averías que permite al personal de mantenimiento localizarlas y resolverlas rápidamente, en caso de que se produzcan. El sistema es redundante y puede considerarse como una (Inteligencia distribuida) que, en forma parecida a la humana, limita las consecuencias de un fallo, manteniendo el control del sistema.
Desde el punto de vista de la fiabilidad del equipo, el numero de horas/fallo de los elementos de un sistema de control distribuido es considerable y varía en régimen permanente y a la temperatura de 25oC desde 10,000 horas/fallo en los controladores básicos hasta 220,000 horas/fallo en la vía de comunicaciones (cable coaxial), y este tiempo sigue creciendo con las nuevas técnicas de fabricación que se van incorporando a la industria.
Otro parámetro interesante es la llamada disponibilidad, es decir, la fracción de tiempo que el sistema es operable. Por ejemplo, una disponibilidad de 90 % significa que el sistema trabaja el 90 % del tiempo, mientras que el 10 % restante esta en reparación. Pues bien, en los sistemas de control distribuido, la disponibilidad típica varía desde 99.2 hasta 99.9 %, dependiendo de la bondad del equipo, de la existencia de piezas de recambio criticas y del mantenimiento. Por lo tanto, si el usuario dispone en la planta de dichas piezas, y ha contratado un buen mantenimiento, la seguridad de funcionamiento es clara.
Cabe pues afirmar que los sistemas de control distribuido se han consolidado en el mercado industrial como los sistemas ideales de control y, hoy en día, sus ventajas son tan claras que, al estudiar la instrumentación y el control de una nueva fabrica o la reforma de una antigua, es inimaginable no considerarlos como posibles opciones de elección.
Los sistemas electrónicos, al usar la 1ógica binaria, presentan la ventaja de poder aplicarse y ser compatibles tanto para producción a gran escala como en la fabricación de un número pequeño de unidades (procesos de fabricación o por lotes).
El coste del equipo electrónico disminuye de forma continua, el software continúa su creciente desarrollo, y la presión económica que induce a la automatización se mantiene, por lo cual es de esperar que se ampliara la difusión de la automatización en los próximos años.
c) Fundamentos
En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución del problema del control de fábricas con gran número de lazos, y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores y la característica de la industrial se llegó a las siguientes conclusiones generales:
1. Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así el riesgo del control único.
2. Cada controlador digital debía ser , es decir, disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema. (De este modo, un solo controlador digital podía efectuar un control P, o PI, o PID, o de relaci6n, o en cascada,…. )
3. La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia las válvulas de control debía ser en , lo que obligaba a utilizar microprocesadores de 16 bits (que en los años setenta eran comercialmente una novedad).
4. Para comunicar entre sí los transmisores electrónicos de campo, los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de la planta, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial instalado en la planta, con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de control.
5. Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico, se adoptó el uso de uno o varios monitores TRC, en los cuales, el operador, a través del teclado, debía examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta, y con la opción de cambiar cualesquiera características de control de las variables del proceso.
Como resultado de estos esfuerzos, el primer para la industria apareció en noviembre de 1975 (TDC 2000 de Honeywell).
En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararse a la existencia entre el primer ordenador, el ENIAC, que se configuraba cambiando cables, y el actual ordenador personal donde los cables existen configurados por el programa escrito (software) que se ejecuta.
d) Sistemas Comerciales Existentes
Algunos se los sistemas comerciales más reconocidos existentes en el mercado son los siguientes ;
Honeywell Instrumentation.
Fisher Controls.
Masoneilan división.
Taylor Instrument Co.
Rosemount, Inc.
Foxboro Co.
En conclusión, en la actualidad la instrumentación es una materia que tiene mucha aplicación en todas las industrias ya que siempre existirá una variable que controlar por medio de un lazo de control por lo que es necesario contar con conocimientos acerca de los diferentes sensores e instrumentos de medición y control, los tipos de controladores y elementos finales de control que existen así como también conocer los procesos de control más actuales que son llevados por medio de computadoras tal como el control distribuido.
La intención de estos apuntes es básicamente proporcionar información básica de los diferentes temas que comprende la materia de instrumentación, y en este sentido, creo que se cumplieron los objetivos trazados. Por otra parte la instrumentación sigue evolucionando por lo que todavía hay mucho que investigar acerca de estos temas y la invitación es que realicen practicas en cada unidad para fortalecer los conocimientos adquiridos.
1.- ANTONIO CREUS
Instrumentación Industrial
5ª. Edición
Editorial Marcombo
México 1995
2.- W. G. HOLZBOCK
Instrumentos para Medición y Control
2ª. Edición
Editorial CECSA
México 1991
3.- CARLOS A. SMITH, ARMANDO B. CORRIPIO
Control Automático de Procesos
1ª. Edición
Editorial LIMUSA
México 1995
4.- JOSE NACIF N.
Ingeniería de Control Automático (Tomo I y II)
2ª. Edición
México 1994
ELABORADO POR: ING. FRANCISCO JAVIER RIVERA MEDINILLA, ING. SILVIA PATRICIA GUTIERREZ FONSECA
Enviado por:
Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.
"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®
www.monografias.com/usuario/perfiles/ing_lic_yunior_andra_s_castillo_s/monografias
Santiago de los Caballeros,
República Dominicana,
2015.
"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"®
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