UNIVERSIDAD DE ORIENTE

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS

CURSOS ESPECIALES DE GRADO

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL

MATURIN MONAGAS VENEZUELA

CONTROLADORES DE POSICION

Profesor:

Edgar Goncalves

Realizado por:

Equipo DCS

Cedeño W. Anthony J C.I.: 20597736

López R. José A. C.I.: 21350912

Maturín, Marzo 2014

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................1

MARCO TEÓRICO................................................................................................................2

Controlador Lógico Programable.......................................................................................2

Servomotor..........................................................................................................................2

Posicionador........................................................................................................................3

Posicionador de Válvula.....................................................................................................3

Tipos de Posicionadores......................................................................................................4

DISCUSIÓN...........................................................................................................................6

CONCLUSIONES..................................................................................................................8

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS......................................................................................9

INTRODUCCIÓN

Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.

Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.

La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo.

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MARCO TEÓRICO

Controlador Lógico Programable

Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas.

Los PLCs son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real duro donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producirá el resultado deseado.2

Servomotor

Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición

Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición.

Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.

Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar la dirección o posición de los motores de corriente continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, así las señales PWM tendrán un periodo de veinte milisegundos. La electrónica dentro del servomotor responderá al ancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 0,5 a 1,4 milisegundos, éste se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2 milisegundos moverá el servomotor en sentido antihorario; 1,5 milisegundos representa un estado neutro para los servomotores estándares.5

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Posicionador

El Posicionador es el instrumento que posiciona el vástago de una válvula cuando éste no presenta la presión aplicada para su movimiento. Este instrumento es uno de los más usados por las industrias debido a que aproxima a un valor casi exacto la posición del vástago, evitando así perdidas que no favorecen a las empresas. Existen casos en donde es preferible no usar posicionador debido a que se presentan cambios bruscos durante el proceso que realiza para cierto producto; un ejemplo de esto sería la magnitud de flujo debido a la rapidez inconstante en el tiempo que puede tener cualquier fluido usado en cualquier proceso industrial.3

Las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula de control influyen en la posición del vástago de la válvula y hacen que el control sea errático e incluso inestable. Estas fuerzas, son esencialmente las siguientes:

Fuerza de rozamiento del vástago al deslizarse a través de la empaquetadura, variable según el vástago esté en movimiento o parado y según el estado de su superficie.

Fuerza estática del fluido sobre el obturador, que depende de la presión diferencial existente, o sea, del grado de abertura de la válvula y de las presiones anterior y posterior a la misma.

Estas fuerzas pueden compensarse empleando el posicionador. Esencialmente, es un controlador proporcional de posición con punto de consigna procedente del controlador, variable entre 0,2 a 1 bar (3 a 15 psi según sea la señal estándar adoptada).

El posicionador compara la señal de entrada con la posición del vástago y, si ésta no es correcta (existe una señal de error), envía aire al servomotor o bien lo elimina en el grado necesario para que la posición del vástago corresponda exactamente, o bien sea proporcional, a la señal neumática recibida; en este último caso, el posicionador actúa además como un amplificador, por ejemplo señal de entrada 3-9 psi, señal de salida 3-15 psi, es decir, la válvula efectuará toda su carrera para la señal 3-9 psi del controlador.1

Posicionador de Válvula

Un posicionador de válvula es básicamente un dispositivo que sensa tanto la señal de un instrumento (controlador) como la posición del vástago de una válvula. Su función principal es la de asegurar que la posición de este vástago corresponda a la señal de salida del controlador o regulador.

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Por ejemplo, si el posicionador recibe una señal neumática de 35%, debe dar la suficiente presión de aire al actuador para hacer que el recorrido del vástago sea de 35% de todo su rango. Puede efectivamente ser descrito como un controlador de lazo cerrado, que tiene como señal de entrada a la del instrumento, su salida que va al diafragma del actuador y su señal de realimentación proveniente del vástago de la válvula.

Es usado en válvulas que operan en rango partido, para invertir la acción de una válvula de control, para superar las fuerzas de fricción dentro de una válvula y en aplicaciones que requieren un control rápido y preciso. Normalmente, se monta sobre la válvula de control.4

Tipos de Posicionadores

Los posicionadores se pueden dividir neumáticos, electroneumáticos y electroneumático digital:

Neumáticos

El posicionador neumático es generalmente un instrumento neumático del tipo de equilibrio de fuerzas. La fuerza ejercida por un resorte de margen, comprimido por una leva unida al vástago de la válvula, se equilibra contra la fuerza con que actúa un diafragma alimentado neumáticamente por un relé piloto.1

Consiste básicamente de un fuelle que recibe la señal del controlador, una barra fija al fuelle por un lado y un relé neumático cuya tobera forma un sistema tobena-actuador con la barra.

Mientras el fuelle se mueve respondiendo al cambio de la señal del instrumento, el arreglo tobera-obturador se mueve, admitiendo aire al diafragma o expulsando aire del mismo, hasta que la posición del vástago corresponda a la señal enviada por el controlador. En ese momento el posicionador estará nuevamente en equilibrio con la señal de control.4

Electroneumáticos

Los posicionadores electroneumáticos surgieron por el uso cada vez mayor de sistemas de control electrónicos que actúan sobre válvulas de control neumáticas. Básicamente, consisten en una combinación de un conversor de corriente a presión (I/P) y un posicionador. Es un dispositivo de balance de fuerzas y se puede utilizar con acción directa o acción inversa.

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Ante la aparición de los controladores electrónicos y la necesidad de controlar válvulas neumáticas, aparecieron los denominados conversores de corriente a presión (1/ P). Estos convierten las señales estándar de 0/ 4 -20 mA en señales neumáticas para actuar sobre la válvula de control o el posicionador respectivo. Poco tiempo después son fabricados posicionadores con el conversor incorporado lográndose así los denominados posicionadores electroneumáticos.1

Electroneumático Digital

El posicionador electroneumático digital funciona del modo siguiente: un motor paso a paso de c.c. es excitado por la señal de entrada en escalón y gira unos 200 pasos por revolución, con un total de 5 revoluciones para el campo de medida total. El eje del motor arrastra, en su giro, una tuerca que tensa un resorte. Éste actúa sobre el conjunto tobera-obturador y el relé piloto, alimentando la válvula a una señal neumática proporcional a la señal de entrada.

La realimentación es proporcionada por una palanca _ jada al vástago de la válvula. La señal neumática a la válvula se mantiene en un valor fijo cuando el momento creado por el resorte del mecanismo de tornillo iguala el momento producido por el resorte de la palanca de realimentación. Este posicionador es muy sensible y cambia la posición de la válvula en ambos sentidos con sólo una variación en escalón del 0,05%.

El posicionador inteligente o digital dispone de una interfaz con protocolos de comunicaciones HART (Highway Addressable Remote Transducer) o Fieldbus FOUNDATION (u otros) y de un microprocesador, lo que le permite realizar diversas funciones, aparte de la propia del posicionador que es la de posicionar el obturador de la válvula y convertir la señal de intensidad 4-20 mA c.c. a una señal neumática de salida hacia el servomotor neumático de la válvula.1

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DISCUSIÓN

Los controladores en si son mecanismos de control que nos ayudan a llevar las variables de estudios ante una escala o parámetros deseados, se puede hablar en este aspecto de un umbral de medición bajo el cual tiene que regirse el sistema completo pero que necesita un objeto que forme parte del sistema y ayude a esta regulación del mismo

Cuando ya se habla en aspectos de parámetros deseados en cuanto a los obtenidos se debe hacer una comparación y podemos notar la introducción de lo que se denomina retroalimentación, que no es mas que la constante comparación del sistema al final de una ejecución o recorrido completo con los estándares que se deberían obtener, y de no ser así entonces se aplicarían métodos de regulación o acciones que van a permitir estos cambios.

Existen diferentes métodos y herramientas para solventar estas necesidades que tiene el hombre de controlar y regular lo que le rodea, ya sea fuera o dentro del contexto industrial, la regulación de variables para nuestro beneficio siempre será algo representativo del hombre, esa necesidad de tener el control total de todo lo que sucede.

En este caso ponemos de ejemplo a las válvulas y sus funciones con, y sin los controladores, es cierto que las válvulas cumplen con una función primaria que es paso o la obstrucción del fluido ya sea este liquido, solido o gas, para cada uno de estos interactuaría un tipo de válvula especifico, pero enfocándonos en el caso de las válvulas de posición no son mas que la fusión de una válvula mas un posicionador, ya que de por si el posicionador es el que va a realizar la acción de regulación sobre la válvula actuando directamente sobre el vástago de esta.

El vástago es la parte de la válvula que permite la apertura o cierre del fluido a través de la válvula mediante el obturador que puede ser de tipo compuerta o persiana, esto con el fin de reducir el impacto que tendrá el fluido al momento de la apertura.

¿Pero como sabemos exactamente cual es la apertura necesaria para que el fluido pase de manera correcta sin irrumpir de manera abrupta sobre la siguiente fase que le siga a este?

Es común saber que el humano busca las maneras de automatizar todo, ya que dejar el control de una variable como esta a la percepción o el punto de vista de una persona es algo ciertamente arriesgado, ya que no garantiza de manera exacta que la apertura de la válvula es la correcta y lo mas probable solo se note este tipo de errores tras ocurrir un desastre industrial, porque el manejo de estas presiones independientemente de la parte donde se maneje siempre va a afectar las demás como una reacción en cadena.

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La solución a este problema es el uso del posicionador que actuara sobre el vástago dependiendo de la señal de presión que reciba el posicionador a través de una tobera de manera neumática que transforma la señal de presión en una acción mecánica de control, dándole al posicionador el valor exacto sobre el cual debe posicionarse el vástago en la valvula, por ejemplo si se recibe una señal de 35% el vástago debe posicionarse a un 35% de su capacidad completa, para que de esta manera el flujo se adapte al valor necesitado.

CONCLUSIONES

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El principal objetivo de la seguridad industrial radica en la prevención de los accidentes de trabajo.  En este aspecto mantener una continua supervisión sobre las válvulas que controlan y regulan el paso de fluidos en todas las operaciones.

Para lograr los objetivos que tiene la seguridad industrial se tiene que llevar a cabo una estrategia

El mantenimiento de equipos, infraestructuras, herramientas, maquinaria, etc. representa una inversión que a mediano y largo plazo acarreará beneficios no sólo para el empresario  a quien esta inversión se le revertirá en mejoras en su producción, sino también los trabajadores ya que los índices de accidentalidad serán bajos.

La seguridad industrial representa un arma importante en el ámbito laboral, ya que un gran porcentaje de accidentes son causados por desperfectos en los equipos que pueden ser prevenidos. También el mantener las áreas y ambientes de trabajo con adecuado orden, limpieza, iluminación, etc. es parte del mantenimiento preventivo de los sitios de trabajo.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS

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1-CREUS, Antonio, Instrumentación Industrial, 8° edición, México: Editorial Alfaomega, 2010. 441 pag. ISBN: 978-607-707-042-9

2-Controlador Lógico de posición http://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_programable (Mar 13 2014)

3-Posicionador http://es.wikipedia.org/wiki/Posicionador (Mar 13 2014)

4-José C. Villajulca (Mayo, 30, 2010) Posicionador de Válvula http://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/instrumentacion/curso-completo-instrumentacion-industrial/item/224-los-posicionadores-de-valvulas-conceptos-claros-y-definitivos.html (Mar, 13, 2014)

5-Servomotor http://es.wikipedia.org/wiki/Servomotor (Mar, 13, 2014)

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