INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA INGENIEROS

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA

INGENIEROS

COLOMBIA
2007

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INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA
INGENIEROS

BOGOTA, NOVIEMBRE 2007

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DISEÑADO POR: Ing. Hely Mier y Terán
INSTRUCTOR: Hely Mier y Terán
ASESOR: Hely Mier y Terán

DURACIÓN DEL CURSO: 24 HORAS

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CONTENIDO

Pág
Introducción
Objetivo del curso
CAPÍTULO I. MEDICIÓN DE VARIABLES DE PROCESOS
PROCESOS………………………………………….
OS 7
1.1 Fundamentos de Medición………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………… 7
1.1.1 Medición de Presión…………………………………………………………………………………………………… 16
1.1.2 Medición de Temperatura……………………………………………………………………………………….. 21
1.1.3 Medición de Flujo………………………………………………………………………………………………........ 25
1.1.4 Medición de Nivel………………………………………………………………………………………………........ 45
CAPÍTULO II. DOCUMENTACIÓN DE INGENIERÍA…………………………………………………………
INGENIERÍA 51
2.1 Diagramas de Tuberías e Instrumentación (P&ID’s)……………………………………………
…………………………………………… 51
2.2 Diagramas de Lazo…………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………. 58
2.3 Planos de Cableado y Canalizaciones……………………………………………………………………… 59
2.4 Planos de Ubicación de Instrumentos………………………………………………………………………. 61
2.5 Hojas de Datos de Instrumentos…………………………………………………………………………………. 62
CAPÍTULO III. VÁLVULAS DE CONTROL............................................................
CONTROL 63
3.1 Definición………………………………………………………………………………………………………………………………… 63
3.2 Componentes………………………………………………………………………………………………………………………… 64
3.3 Tipos de Válvulas de Control y Actuadores……………………………………………………………. 71
3.4 Conceptos Técnicos…………………………………………………………………………………………………………… 85
3.5 Selección y Dimensionamiento……………………………………………………………………………………. 96
CAPÍTULO IV. TEORÍA DE CONTROL.................................................................
CONTROL 105
4.1 Introducción……………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………… 105
4.2 Términos Importantes………………………………………………………………………………………………………. 107
4.3 Lazos de Control…………………………………………………………………………………………………………………. 111
4.4 Diagramas de Bloques……………………………………………………………………………………………………… 121
4.5 Modos de Control………………………………………………………………………………………………………………… 126
4.6 Estabilidad y Entonación de Lazos……………………………………………………………………………… 135
4.7 Controladores………………………………………………………………………………………………………………………. 146
CAPÍTULO V. INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE CONTROL.......................
CONTROL 149
5.1 Controladores Lógicos Programables……………………………………………………………………….
………………………………………………………………………. 149
5.2 Sistemas SCADA…………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………… 152
5.3 Sistemas de Control Distribuido……………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………… 153
5.4 Comparación entre SCADA y DCS…………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………. 157
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INTRODUCCIÓN

El campo de la instrumentación y control consta de diferentes áreas desde el

elemento sensor hasta los elementos finales que ejecutan las acciones de control y
mantienen a las variables de una planta o sistema dentro de los valores correctos de
funcionamiento. Aunque cada área o componente tiene una función específica, solo
una buena integración de los mismos logrará un correcto funcionamiento del sistema.

En general, se puede decir que el objetivo del control automático de procesos es

mantener un determinado valor de operación, las variables del proceso tales como
temperaturas, presiones, flujos, etc., con la finalidad de satisfacer los requerimientos
de seguridad y de calidad de los productos.

Como se verá, los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren
cambios y si no se emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del
proceso, es decir, aquellas que se relacionan con la seguridad, la calidad del
producto y los índices de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño.

Es notable el impacto que sobre el desarrollo de nuevos sensores, transductores y

sistemas de Instrumentación y control, ha tenido el avance tecnológico en el área de
la Instrumentación, tal como: mayor precisión, mayor sensibilidad, mayor
confiabilidad, etc., es por ello que los ingenieros que laboran en el campo de la
instrumentación y control tanto en el área de ingeniería como de mantenimiento,
deben mantener conocimientos actualizados de las nuevas tecnologías, lo cual en
conjunto con un detallado conocimiento del proceso y de los principios de operación
y control, generará resultados altamente satisfactorios en el desempeño de los
sistemas o plantas de proceso.

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OBJETIVO DEL CURSO

El Curso “INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA INGENIEROS” es una oportunidad

para que su personal profesional conozca con mayor profundidad el principio de
operación, aplicaciones, consideraciones y procedimientos de especificación y
mantenimiento de las diferentes tecnologías de instrumentación que normalmente se
encuentran en las plantas de procesamiento, con la finalidad que interactúe
eficientemente en la operación, diagnóstico, ingeniería y mantenimiento de las
mismas, y sea capaz de garantizar que el diseño cumplirá los requerimientos de la
filosofía de control o generar recomendaciones para esto. Además estará en
capacidad de efectuar cálculos de ingeniería para determinar si determinados
elementos de control se encuentra operando dentro de los parámetros adecuados,
pudiendo además generar la documentación de ingeniería, tales como planos,
especificaciones, etc.

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CAPITULO I

MEDICIÓN DE VARIABLES DE PROCESO

1.1 FUNDAMENTOS DE MEDICIÓN

Procesos

Es el conjunto de funciones colectivas realizadas en y por el equipo en el cual se

controla una variable. El termino proceso incluye todo lo que afecta la variable
controlada (excepto el controlador).

Valvula
Automatica Controlador

Flujo de Entrada
Flujo de Salida

Figura 1. Ejemplo de Lazo de Control

El bucle de control típico está formado por el proceso, el transmisor, el controlador y

la válvula de control.

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos

productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de
productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos
alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la industria
papelera, la industria textil, etc.

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Variables de Control

Variable medida

Es una cantidad física o condición que está siendo medida. Ejemplo: Temperatura,
Flujo, Presión, Nivel, etc.

Señal Medida

Es una variable eléctrica o neumática. Ejemplo: En un termopar la señal medida es

una fuerza electromotriz, la cual es el análogo eléctrico de la temperatura.

Elementos Primarios

Es la parte de la unidad de medición que está en contacto con el proceso y convierte

la energía de la variable en una señal adecuada para su medición. Cuando en un
lazo de control aparezca el transmisor, se entiende que debe existir un elemento
sensor (elemento primario) y uno de medición.

Tipos

Los tipos de elementos primarios pueden clasificarse en mecánicos y eléctricos. Los

elementos mecánicos emplean la acción de la variable de proceso para generar un
movimiento, desplazamiento, torsión, etc., lo cual se aprovecha para cuantificar la
variación de la medida.

Los elementos eléctricos generan una variación en la corriente o voltaje de un

determinado punto de un sistema cuando ocurre un cambio en la variable de
proceso.

Dentro de los elementos mecánicos mas conocidos se tienen los Tubos Bourdon, los
que funcionan bajo el principio mecánico de que un tubo enrollado, cerrado por un
extremo tiende a enderezarse cuando por el otro extremo del tubo se le aplica un gas
o liquido bajo presión.

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 A.- Tipo C

C.- Tipo Helicoidal

B.- Tipo Espiral

Figura 2. Tipos de Tubo Bourdon

Existen tres configuraciones de tubos Bourdon como son:

Tubo Bourdon tipo “C”: Se utilizan principalmente para indicación local en medidores
de presión, que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y
tuberías.

Tubo Bourdon en Espiral: Se construyen enrollando el tubo, de sección transversal

plana. Este arreglo da al espiral un mayor grado de movimiento por unidad de
cambio en la presión si se compara con el tubo tipo Bourdon tipo “C”.

Tubo Bourdon Helicoidal: Se construye de manera similar al tubo en espiral, pero

enrollando el tubo en forma helicoidal.

Aplicaciones: Se utilizan como sensores de medición directa y como sensores de

presión en ciertos tipos de controladores, transmisores y registradores.

Ventajas y desventajas: bajo costo, construcción simple, buena relación

precisión/costo pero pierden precisión por debajo de 50 Psig.

Un ejemplo de elemento primario eléctrico es el termopar, el cual es uno de los

sensores más sencillos y comunes utilizados para determinar la temperatura de los
procesos. Básicamente un termopar está constituido por dos metales diferentes
tales como alambres de hierro y constantán.

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En 1821 T.J. Seebeck descubrió que cuando se aplica calor a la unión de dos
metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (f.e.m.) la cual puede ser
medida en el otro extremo de estos dos metales (conductores). Este es el principio
en el cual se basa la medición de temperatura utilizando termopares.

Los conductores de un termopar forman un circuito eléctrico, por el cual fluye

corriente como resultado de la f.e.m. generada.

Otro elemento primario eléctrico es la RTD. El principio de operación de los

detectores de temperatura tipo resistencia (RTD) está basado en el hecho de que la
resistencia eléctrica de los metales varía directamente con la temperatura.

La magnitud de este cambio frente a 1°C de cambio e n la temperatura se conoce

como “el coeficiente de Resistencia de Temperatura” (α)

Los metales comúnmente utilizados en el diseño de detectores de resistencia son:

Platino el cual tiene un coeficiente α=0.00392 Ohm/Ohm/°C y se utiliza para medir
temperaturas en el rango de -263 °C a +545°C; y Níq uel el cual tiene un coeficiente
α= 0.0063 Ohm/Ohm/°C, utilizado para medir temperatu ras en el rango de -190 °C a
+ 310°C. Otros materiales utilizados son: plata, Tu ngsteno, Cobre y Oro.

Un elemento de tipo eléctrico para medición de presión es el basado en celdas

capacitivas, cuyo esquema se muestra en la figura siguiente:

Figura 3. Esquema de Celdas Capacitivas

Cuando la presión aplicada produce una deflexión en el diafragma, la capacitancia

del elemento sensor cambia en proporción a la presión aplicada, ya que la
capacitancia es función del material dieléctrico entre las placas del condensador y de
la distancia entre las mismas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en

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la señal de voltaje DC del circuito del puente. Esta variación de voltaje se convierte
en una señal standard de 4-20 mA. Estos transductores pueden sensar presiones
bajas, se usan frecuentemente en transmisores de presión manométrica y diferencial.

Sus principales ventajas son buen desempeño para medir presiones bajas, son de
construcción rígida y no son afectadas por vibración. Sus desventajas: sensibles a la
temperatura, requiere electrónica adicional para producir una señal de salida
standard y requiere fuente de poder externa.

Presión

Amplificador

Figura 4. Esquema de Sensores Piezoresistivos

Otro elemento primario eléctrico es el basado en sensores piezoeléctricos. La

piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la
presión sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanato de bario, etc.

Las piezoresistencias están difundidas en un medio homogéneo de silicona cristalino,

de esta manera las resistencias están integradas al elemento sensor.

En la figura se muestra un corte del elemento sensor con los cables soldados a los
contactos metálicos. El elemento sensor está formado por cuatro piezoresistencias
iguales difundidas o ensambladas en la superficie del diafragma delgado de silicona.
Contactos de oro en la superficie del diafragma de silicona proveen la conexión a las
piezoresistencias. Un cambio en la presión hace que el diafragma se deforme,
induciendo en él un esfuerzo y también en la resistencia. El valor de la resistencia
cambiará dependiendo de la cantidad de presión aplicada al diafragma.

Los transductores piezoeléctricos se utilizan para medir presiones absolutas,

diferenciales o manométricas.

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Transmisores

Los transmisores son sistemas de transmisión remota para enviar mediciones de

presión o de diferencial de presión, sobre distancias relativamente largas y pueden
ser neumáticos o electrónicos. Tienen muchas ventajas dentro de los cuales se
pueden mencionar seguridad, economía y conveniencia.

Transmisión Neumática:
Un amplificador neumático convierte un pequeño cambio en la señal de entrada, en
un gran cambio en la señal de salida.

Transmisión Electrónica:

Este transmisor está basado en un transductor capacitivo. La presión del proceso se

transmite a través de diafragmas separadores y un fluido de sello (aceite de silicona)
a un diafragma sensor en el centro de la celda. Este diafragma se deflecta en
respuesta al diferencial de presión a través de él. La diferencia en capacitancia entre
el diafragma sensor y las placas del capacitor se convierte electrónicamente en una
señal de 4-20 mA DC.

Figura 5. Transmisor Inteligente de Presión

Hasta hace poco, los transductores y transmisores habían sido de tipo analógico,
convirtiendo movimientos mecánicos y cambios en propiedades eléctricas en señales
normalizadas de 3-15 Psig o 4-20 mA DC. La exactitud total es mejorada eliminando
las fuentes principales de error en un transductor, como son aquellas generadas
debido a cambios en la temperatura y presión estática.
Con el poder del microprocesador es posible medir los efectos de la temperatura y
presión estática sobre cada sensor.

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Cálculo de Variables Entrada / Salida en Transmisores 4-20 mA

De variable medida a señal medida:

(16mA) (Variable − L
mA = 4mA + INF . RANGO )
(Span)

De señal medida a variable medida:

Variable = LINF . RANGO +

(Span) (mA − 4mA)
(16mA)
Un cálculo muy frecuente realizado en campo bien sea en labores de mantenimiento
o en pruebas de lazo para arranque de instalaciones, es la verificación de la salida
de los transmisores en cuanto a su salida y la correspondencia con la variable de
proceso. Aunque el procedimiento es sencillo muchas veces suelen cometerse
errores efectuando la conversión.

En esta diapositiva se pueden apreciar las ecuaciones aplicables a un transmisor

electrónico con salida 4-20 mA para convertir de la variable de proceso medida a la
señal medida en mA y viceversa. Este es el caso más común en las instalaciones
petroleras donde existe instrumentación electrónica.

Para el caso de instalaciones donde aún se manejan transmisores neumáticos cuyo

rango usual es 3-15 psi, aplican las mismas ecuaciones descritas, sólo que se debe
cambiar la unidad de la señal medida de mA a PSI, cambiar 16 mA por 12 PSI
(amplitud de salida) y cambiar los 4 mA por 3 PSI (BIAS).

Controladores

Los controladores son los que reciben la información del transmisor, la comparan con
un valor preestablecido, llamado comúnmente set-point y envía una señal de
corrección en función de la desviación al elemento final de control.

De acuerdo a la energía utilizada, se puede decir que los controladores más usados
son los neumáticos y los electrónicos y según su diseño, hay instrumentos de esta
clase para instalar en campo y en sala de control.

De acuerdo con los requerimientos de control de una variable determinada y las

características de los procesos, es necesario adecuar el controlador a uno de los
modos o acciones de control, lo cual constituye un aspecto muy importante para
asegurar la estabilidad de los procesos.

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Elementos Finales 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
de fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida
comportándose como un orificio de área continuamente variable.

Tipos:

•Válvulas de control

• Bombas dosificadoras accionadas por actuadores neumáticos o electrónicos

• Actuadores de velocidad variable que gobiernan la velocidad de bombas

centrifugas, ventiladores, compresores, etc.

En los sistemas de control automático la señal de salida del controlador actúa sobre
la válvula (elemento final de control) a través de un actuador, el cual provee la
potencia mecánica necesaria para operar la válvula de control.

Clasificación de los Instrumentos

Una de las formas de agrupar los instrumentos es considerando la variable donde

prestan servicio. La Cantidad de variables utilizadas en los procesos industriales es
muy amplia. A continuación se listan algunos de los instrumentos:

Instrumentos de: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Velocidad, Humedad, PH

Los instrumentos se pueden agrupar, también dependiendo del tipo de energía

empleada para generar la señal que transporta la información, como son: Mecánicos,
Neumáticos, Eléctricos, Electrónicos, Hidráulicos, Combinaciones.

La necesidad de realizar distintas operaciones en la medición y en el control de las

variables ha generado una gran variedad de instrumentos, de los cuales los más
utilizados son: Indicadores, Registradores, Transmisores, Controladores,
Convertidores.

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Errores de Los Instrumentos

Tal como puede observarse en la figura siguiente, un instrumento se considera que

está bien calibrado (A), cuando en todos los puntos de su campo de medida, la
diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado o registrado o
transmitido, está comprendido entre los límites determinados por la precisión del
instrumento. En un instrumento ideal sin error la relación entre los valores reales de
la variable comprendidos dentro del campo de medida, y los valores de lectura del
aparato es lineal.

(A) 100%
(B) 100%

L
Inst. Bien Error de
E L
Calibrado
C Cero E
T C
50%
U T
R U
A R
A
0%
0 50% 100 % 0 100%
VARIABLE REAL
(C) INTERVALO DE MEDIDA (D)
Error de 100% Error de 100%
Mult. Angularidad
L
L
E
E
C
C
T
T
U
U
R
R
A
A
0%

0 100% 0 100%
VARIABLE REAL VARIABLE REAL

Figura 6. Errores de los Instrumentos

Error de cero (B):

Todas las lecturas están desplazadas un mismo valor con relación a la recta
representativa del instrumento y puede ser positivo o negativo.

Error de Multiplicación (C):

Todas las lecturas aumentan o disminuyen progresivamente con relación a la recta

representativa. En la figura se observa que el punto base no cambia y que la
desviación progresiva puede ser positiva o negativa.

Error de angularidad (D):

La curva real coincide solo con los puntos de 0% y 100%.

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1.1.1 MEDICIÓN DE PRESIÓN

La presión se define como fuerza, dividida por el área sobre el cual se aplica.

En procesos industriales existen variadas aplicaciones de medición de presión, entre

estas aplicaciones se tienen:

(1) Calidad del producto, la cual frecuentemente depende de ciertas presiones que
se deben mantener en un proceso.

(2) Por seguridad, como por ejemplo en recipientes presurizados donde la presión no
debe exceder un valor máximo dado por las especificaciones de diseño.

(3) En aplicaciones de medición de nivel

(4) En aplicaciones de medición de flujo.

Tipos de Presión

Presión A

Presión
Presión Diferencial
Presión B
Manometrica
Presión Presión Atmosferica
Absoluta Presión Negativa
(Vacio)

Cero Absoluto

Figura 7. Tipos de Presión

Presión Absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presión atmosférica.

Presión Manométrica: Se define como la presión relativa a la presión atmosférica.

Presión de Vacío: Es la presión medida por debajo de la presión de vacío.

Presión Diferencial: Es la diferencia en magnitud entre el valor de una presión y el

valor de otra tomada como referencia.

Presión Hidrostática: Es la presión ejercida por una columna de líquido.

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Unidades de Medición de Presión

Figura 8. Tabla de Equivalencia de Unidades de Presión.

En las plantas Industriales se utilizan distintas formas para expresar las presiones de
los procesos, dependiendo del sistema de unidades aplicado en las plantas, el cual
puede variar de un lugar a otro.

La tabla anterior muestra las equivalencias entre las unidades de presión más
usadas.

Instrumentos de Medición de Presión

Indicadores

Figura 9. Indicador de Presión.

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Los elementos primarios más utilizados para la medición de presión trabajan
basados en el principio de la deformación elástica.

Entre los medidores de presión por principio mecánico el más usado por su bajo
costo, fácil instalación, poco espacio físico que ocupa y por su sencillez, es el
medidor de presión a base de tubo Bourdon, llamado así en honor a su inventor, el
Ingeniero Eugenio Bourdon.

La figura anterior muestra un medidor de presión tipo tubo Bourdon en “C” y a la

derecha todos sus componentes.

Los manómetros pueden fabricarse con tubos Bourdon de varios materiales, entre
los cuales se tienen: Acero Inoxidable 304 y 316, K Monel, Monel y Bronce
Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del
tubo a la corrosión. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para
presiones hasta de 300 Psig, mientras que uno de acero puede manejar presiones
hasta 4000 Psig.

Registradores

Locales:

Se caracterizan porque su elemento de medición está capacitado para recibir la

señal de la variable directamente del proceso.

Constan básicamente de un elemento de medición que registra por medio de un

sistema de entintado y de un reloj que, generalmente es el impulsor de la carta. Los
puede haber de presión estática o diferencial. Los de presión estática utilizan un tubo
Bourdon helicoidal como elemento primario, y los segundos emplean una cámara
diferencial de diafragma.

Hay también registradores combinados diferencial / estática, que serán analizados

más adelante en la sección de medición de flujo.

Remotos:

Están asociados a un transmisor, por lo tanto su elemento de medición sólo recibe

señales representativas de las variables de 3-15 Psig si es neumático y de 4-20 mA
si es electrónico.

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Patrones de Calibración

(a) (b) (c)

Figura 10. Patrones de Calibración

Columnas de líquido (a):

Las columnas de líquido sirven comúnmente como instrumento patrón de calibración

por su alta precisión y estabilidad. Su referencia se basa en la presión hidrostática
ejercida por una columna de líquido, normalmente mercurio, o agua destilada para
muy bajos rangos. Pueden utilizarse para calibrar instrumentos que midan presiones
manométricas positivas, negativas y diferenciales.

Peso muerto (b):

Es un instrumento patrón utilizado en los laboratorios y talleres de instrumentación,

para realizar calibraciones de los medidores de presión. Su referencia se basa en la
presión ejercida por la masa de una pesa calibrada. Viene calibrado en varias
unidades, según se requiera, incluso en pulgadas de agua.

El Comprobador de Manómetros (c):

Se utiliza para comprobar manómetros utilizando una bomba y un manómetro patrón

como referencia.

Calibradores Digitales (c):

Son instrumentos electrónicos de alta precisión que pueden ser utilizados tanto en
laboratorio como en campo. Versiones más recientes presentan equipos robustos
que permiten efectuar calibración documentada de instrumentos, la cual permite
interactuar en forma automática las bases de datos con los resultados de las
calibraciones. Ejemplo de estos equipos son los calibradores de procesos del
fabricante FLUKE, serie 74X, con en software DPC-TRACK.

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Corrección de Errores en Manómetros

Normalmente los manómetros de buena calidad o los manómetros patrones, tienen

tres puntos de ajuste (cero, multiplicación y angularidad), pero la mayoría de ellos
poseen solo dos puntos de ajuste (cero y multiplicación), ya que son los más
susceptibles a falla. Cuando uno de estos manómetros presenta error de
angularidad, es necesario desecharlo y reemplazarlo o en su defecto reemplazar el
tubo bourdon ya que es probable que fue sometido a un esfuerzo mayor al máximo
permisible, por lo que el material modificó su coeficiente de elasticidad.

Figura 11. Ajuste de Manómetros

El procedimiento de corrección de errores consiste en ajustar primero el cero

sometiéndolo a esa presión y ajustando el tornillo de cero, luego se le aplica la
presión máxima del rango y se ajusta la multiplicación y de último se ajusta la
angularidad (si la tiene) para el centro de la escala. Este procedimiento se debe
repetir tantas veces como sea necesario hasta que coincidan perfectamente los 3
puntos.

Interruptores de Presión

Los interruptores de presión son instrumentos que se accionan por un valor de

presión determinado, cortando o dejando pasar el flujo eléctrico o neumático hacia
otro dispositivo, para el resguardo del equipo donde están instalados.

Estos instrumentos son empleados protección de sistemas por alta y baja presión y
también para establecer las secuencias de arranque y las alarmas de altos o bajos
de presión, en diversos equipos industriales.

20
Tipos:

Con Microinterruptor: su principio de funcionamiento se basa en la fuerza que

produce la presión al actuar sobre un diafragma para accionar un microinterruptor,
que corta el fluido eléctrico hasta el dispositivo que protegerá al equipo ante
cualquier alta o baja presión.

Con cápsula de líquido: Funciona aprovechando la fuerza generada por la presión,

para mover una cápsula que contiene un liquido conductor de la corriente eléctrica, el
cual al desplazarse dentro de la cápsula interrumpe el paso del fluido eléctrico.

1.1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Escalas de Medición de Temperatura

-273,16 0 100 °C
0 273,16 373,16 °K
-459,69 32 212 °F
0 491,69 673,69 °R
Punto de Punto de
Cero Absoluto Congelación de ebullición del
agua a P. atm. agua a P. atm.

Figura 12. Escalas de Temperatura.

Celcius: Esta escala es usada en los países donde se adopta el sistema métrico. Fue
introducida en el año 1743 por Celcius Upsala (Suecia). En esta escala se ha
marcado con cero grado el punto de fusión del hielo y con 100 grados el punto de
ebullición del agua destilada, con una presión de una atmósfera y se designa con la
letra “C”.

Fahrenheit: Se identifica con la letra “F” y se diferencia de la escala en grados

centígrados solamente por su graduación. En su construcción se ha señalado el
punto de fusión del hielo en 32°F, en lugar de 0°C, y el punto de ebullición de agua
en 212°F, en vez de 100 °C.

21
Kelvin: Se designa con la letra “K”. El punto de fusión del hielo corresponde a 273,16
°K y el punto de ebullición del agua a 373,16 °K.

Rankin: Se designa con la letra “R”. El punto de fusión del hielo corresponde a
491,69 °R y el punto de ebullición del agua a 671,6 9 °R

Equivalencias: °C = 5/9 (°F-32)

°F = 9/5(°C) + 32

Instrumentos de Medición de Temperatura

Termómetros

De Vidrio Bimetálicos Sistemas llenos

Figura 13. Tipos de Termómetros.

De Vidrio: Los termómetros de vidrio se basan en la propiedad que tienen los líquidos
de dilatarse al aumentar la temperatura. Los termómetros de vidrio están constituidos
por un capilar de vidrio y un depósito que contiene un líquido, por ejemplo, mercurio.
El líquido contenido se dilata o se contrae y varía la altura dentro del capilar.

Bimetálicos: Estos termómetros se basan en el hecho de que los metales tienen un

coeficiente de dilatación diferente. El principio de operación es que si dos láminas de
metal con coeficientes de dilatación diferentes, se funden una a la otra, ocurre una
distorsión al ser calentadas, ya que uno de los metales tratará de dilatarse más que
el otro. Para uso industrial, la cinta bimetálica generalmente se dobla en forma
helicoidal, de modo que al calentarse se produce un movimiento de rotación, el cual
se utiliza para mover una aguja de indicación.

Sistemas llenos: es un conjunto integrado por un bulbo, un capilar y un elemento

elástico, llenos de un gas, líquido o vapor. El bulbo va introducido en el proceso, el

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cual al cambiar la temperatura, modifica la presión del fluido dentro del conjunto,
deformando el elemento elástico, originando el movimiento para indicar la
temperatura.

Termopares

Los rangos mostrados se refiere al recomendado para

Figura 14. Tipos de Termopares.

El termopar es uno de los sensores sencillos y más comúnmente utilizados para

determinar la temperatura de los procesos y está constituido básicamente por dos
metales diferentes.

En 1821 T.J. Seeback descubrió que cuando se aplica calor a la unión de dos
metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (fem) la cual puede ser
medida en el otro extremo de estos dos conductores.

La junta de medición es el extremo en el cual se coloca en el medio cuya

temperatura se quiere medir y la junta de referencia es el extremo del termopar que
se conecta a los terminales del instrumento de medición.

Los conductores de un termopar forman un circuito eléctrico, por el cual fluye una
corriente como resultado de la fem generada. Esta fem es proporcional a la
diferencia de temperatura entre las dos juntas. La corriente fluirá cuando T1 sea
diferente a T2.

RTD´s

23
El principio de operación de los detectores de temperatura tipo resistencia (RTD)
está basado en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales varía
directamente con la temperatura.

La magnitud de este cambio frente a 1°C de cambio e n la temperatura se conoce

como “el coeficiente de Resistencia de Temperatura” (α)

Rt = Ro(1+αT)

Tapa

Rosca para montaje

(Tipico 1/2” NPT)
Entrada para
el conduit Conexión del
cabezal Termopozo

Alambres del elemento

Longitud sensible sensor
(Tipico 1”)
Aislante de ceramica

Figura 15. RTD.

Los metales comúnmente utilizados en el diseño de detectores de resistencia son:

Platino el cual tiene un coeficiente α=0.00392 Ohm/Ohm/°C y se utiliza para medir
temperaturas en el rango de -263 °C a +545°C; y Níq uel el cual tiene un coeficiente
α= 0.0063 Ohm/Ohm/°C, utilizado para medir temperatu ras en el rango de -190 °C a
+ 310°C. Otros materiales utilizados son: plata, Tu ngsteno, Cobre y Oro.

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1.1.3 MEDICIÓN DE FLUJO

Tipos de Flujo

Flujo Laminar Flujo Laminar Flujo

Uniforme No Uniforme Turbulento

Figura 16. Tipos de Regímenes de Flujo.

Existen métodos confiables y precisos para medir flujo. Algunos son aplicables
solamente a líquidos otros solamente a gases y vapores y otros a ambos. El fluido
puede ser limpio o “sucio”, seco o húmedo, erosivo o corrosivo.

El fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de flujo

determinado, dependiendo en alto grado de su velocidad. Estos patrones se conocen
como “laminar” y “turbulento”.

El flujo laminar es referido algunas veces como un flujo viscoso, se distingue por el
hecho de que las moléculas de fluido siguen trayectorias paralelas cuando el fluido
se mueve a través de la tubería. Es el flujo que regularmente se quiere tener, ya que
con él se reduce el error en la medición de caudales.

El flujo turbulento por otra parte, se caracteriza por patrones erráticos debido a que la
turbulencia crea remolinos que mueven las moléculas de fluido a lo largo de las
trayectorias irregulares.

Unidades de Medición

La cantidad de cierto líquido, gas o vapor se puede medir en unidades de masa, y el

régimen de flujo se puede medir en unidades de masa por unidades de tiempo, por
ejemplo, en libras por hora.

25
 Liquidos Gases Vapores
Galones por minuto
(G.P.M.) Ft 3/Hora, Ft 3/dia Libras/hora
Litros/seg
M 3/dia, M 3/hora Ton/hora, Ton/dia
Barriles/dia
cm 3/min Kilo/hora

Unidad Equivalencia

1 pie 3 /min 7,4805 G.P.M.

1 G.P.M. 3,75 L.P.M.

1 Barril/H 42 G.P.H.

1 Kg/H 2,205 Lb/H

1 m 3 /dia 35,28 pie 3 /dia

Figura 17. Unidades de Medición de Flujo.

Con mucha frecuencia, se mide la cantidad de fluido por unidades de volumen y el

régimen de flujo, en unidad de volumen por unidades de tiempo. Por ejemplo,
galones por minutos, barriles por día, pies cúbicos por hora, etc. Aun cuando la
cantidad de un fluido se exprese en unidades de volumen, lo que en realidad interesa
es conocer su masa. El volumen correspondiente a cierta masa es variable puesto
que depende de la presión y temperatura, por lo tanto para que haya una relación fija
entre volumen y masa es necesario que el volumen considerado sea el que
corresponde a ciertas condiciones de temperatura y presión.

Factores que Afectan el Flujo

Velocidad del fluido:

El termino velocidad, cuando se aplica al flujo de fluido en tuberías se refiere a la

velocidad promedio del fluido, ya que varía de acuerdo a cada sección transversal de
tubería. El fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de flujo
determinado como laminar o turbulento.

La fricción:

26
La fricción de la tubería reduce la velocidad del fluido, por lo tanto, se considera un
factor negativo. Debido a esta fricción, la velocidad del fluido es menor cerca de la
pared que en el centro de la tubería. Mientras más lisa es una tubería, menor es el
efecto de la fricción sobre la velocidad del fluido.

Viscosidad (µ):

La viscosidad es una medida cuantitativa de la tendencia del flujo a resistir la

deformación. Los fluidos que fluyen libremente tienen viscosidades bajas; los fluidos
que parecen resistir a fluir libremente tienen viscosidades altas. La Viscosidad se
mide en unidades de centipoise o viscosidad cinemática (centistoke) que se obtiene
dividiendo los centipoise por la gravedad específica.

Densidad:

La densidad de una sustancia se define como su peso por unidad de volumen. La

densidad de los líquidos cambia considerablemente con la temperatura, mientras que
los cambios por variaciones de presión son despreciables. La densidad de los gases
y vapores es mayormente afectada por los cambios de presión y temperatura.

La gravedad específica (SG) de un fluido es la relación de su densidad con respecto

a una densidad patrón.

El patrón para liquido es el agua (ρ = 1 gr/cm3 a 4°C y 1 atm). El patrón para gases
es el aire (ρ = 1.29 gr/lt a 0°C y 1 atm)

Presión y Temperatura:

Los efectos de la presión y la temperatura ya han sido descritos en el análisis de

densidad y viscosidad. El método más común de medición de flujo, el método de
diferencial de presión, asume que tanto la presión y temperatura del fluido son
constantes. En algunas aplicaciones esta suposición es valida, en otras es necesario
hacer compensaciones.

27
Instrumentos de Medición de Flujo

Medidores Diferenciales

mantenimiento

Figura 18. Medición de Flujo por Presión Diferencial.

Este método es el más usado en el mundo debido a que tiene muchas ventajas. No
es el mejor procedimiento en cuanto a precisión se refiere, ya que existen otros que
proporcionan una medición más exacta. Cuando el caso lo requiera, se puede
recurrir a otro método, pero cualquiera elegido siempre generará mayor costo.

El método de medición de flujo por presión diferencial se fundamenta en aprovechar

la diferencia de presión que genera la reducción del área, en el medio de transporte,
utilizando un instrumento conocido como elemento primario (Placa orificio, tubo
venturi, toberas de flujo, tubo pitot), etc.)

28
Esta diferencial de presión puede ser detectada por cámaras diferenciales adaptadas
a indicadores, registradores y transmisores lo cual generan una señal mecánica o
eléctrica proporcional a esta diferencia de presión.

Placas de Orificio

La placa de orificio está constituida por una placa delgada perforada, la cual se
instala en la tubería utilizando bridas especiales tal como se muestra en la figura.
Generalmente se construye de acero inoxidable con un espesor que oscila entre 1/8
y 1/2 pulgada. Otros tipos de materiales tales como Monel, Níquel, Hastelloy se
utilizan cuando se necesita prevenir la corrosión.

El orificio de la placa puede ser de tres tipos: Concéntrico, Excéntrico y Segmental.

Las placas de orificio de tipo excéntrico y segmental se utilizan principalmente en
aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de
vapor. Las placas de orificio concéntrico se recomiendan para aplicaciones de
líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases y vapor a baja
velocidad.

La relación del diámetro del orificio con respecto al diámetro interno de la tubería se
llama “relación beta” (β = d/D). Esta relación, para la mayoría de las aplicaciones,
debe estar entre 0.2 y 0.7. Los valores óptimos de β están entre 0.4 y 0.6. Para una
misma velocidad de flujo una relación de β alta produce menor caída de presión que
una baja relación de β.

Figura 19. Requerimientos de Tubería Recta para Placas de Orificio.

29
La instalación correcta de todos los medidores de flujo diferenciales, requiere la
existencia de tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor con el
fin de garantizar un perfil simétrico o uniforme de velocidad antes de la restricción.

Figura 20. Instalación de Transmisor en la Placa Orificio de acuerdo al Servicio

.

En cuanto al lugar de instalación de un medidor o transmisor respecto a la placa de

orificio, dependerá si el fluido a medir es gas o líquido.

Cuando se mide gas con posibilidades de existencia de líquidos, se recomienda que

el medidor esté ubicado por encima de la placa, y las tomas en la brida sean por
arriba o laterales con inclinación hacia arriba, con la finalidad que cualquier líquido
condensado en las tomas de proceso, drene nuevamente hacia el proceso y no hacia
el transmisor. Esto aplica igual donde se miden líquidos que puedan tener sólidos en
suspensión. Si se usan sellos remotos se pude instalar en cualquier posición.

Cuando se mide líquido por posibilidades de existencia de gas, se recomienda que el

medidor esté ubicado por debajo de la placa, y las tomas en la brida sean por debajo
o laterales con inclinación hacia abajo, con la finalidad que cualquier gas formado en
las tomas de proceso, drene nuevamente hacia el proceso y no hacia el transmisor.

30
Cajas de Orificio

Las cajas de orificio son accesorios que permiten introducir o sacar la placa de
orificio en la línea del proceso, sin tener que aislar y aliviar la presión dentro del
sistema, la cual representa un ahorro significativo por concepto de producción
diferida, si tuviese que detenerse el proceso de producción.

Estas cajas son muy utilizadas en los procesos de medición de flujo por presión
diferencial, en los cuales se requiere cambiar la placa de orificio frecuentemente. Tal
es el caso de la medición de gas natural en los separadores de medida de
producción, instalados en las Estaciones de separación de flujo.

Figura 21. Tubo Venturi

Tubo Venturi

El tubo venturi clásico (tipo Herschel) está caracterizado por una entrada
convergente y una salida divergente. La presión interna se mide en su sección de
entrada, la cual tiene el mismo diámetro que el de la tubería. Luego sigue una
sección de transición, en el cual el diámetro interno se reduce hasta el diámetro de
la sección de la garganta. La presión estática se mide en la sección de la garganta, la
cual se dimensiona para producir un diferencial de presión deseado a una
determinada tasa de flujo. En la sección de salida del tubo venturi, el diámetro de la
garganta se incrementa gradualmente hasta hacerse igual al diámetro de la tubería.

31
El tubo venturi se utiliza para medir flujo de líquidos y gases cuando se quiere
minimizar la pérdida de presión. El medidor de flujo venturi puede medir hasta un
60% mas de flujo que una placa de orificio pero so costo es de aproximadamente 20
veces más a las de una placa orificio.

Un medidor de tubo venturi no tiene partes móviles y no existe posibilidad de que

partículas se puedan acumular en la garganta, esto trae como consecuencia un bajo
costo de mantenimiento, por lo cual lo hace atractivo para flujos viscosos. La relación
de diámetro recomendable es de 0.4 ≤
≤0.75

Tobera

Figura 22. Tobera

La abertura de la Tobera es una restricción elíptica como se muestra en la figura.

Las tomas de presión se localizan aproximadamente 1/2D aguas abajo y 1D aguas

arriba, donde D es el diámetro de la tubería. La tobera se utiliza principalmente
cuando la turbulencia es alta tal como flujo de vapor a altas temperaturas. La caída
de presión que se produce en la tobera es mayor que en un tubo venturi pero menor
que en una placa orificio.

32
Tubo de Pitot

Figura 23. Tubo de Pitot

El elemento utilizado para medir la presión de impacto es un tubo con el extremo

doblado en ángulo recto hacia la dirección del flujo. Los tubos se pueden montar
separados o en una sola unidad como se muestra en la figura.

La Velocidad del fluido puede calcularse de acuerdo a la ecuación de Bernoulli y

resulta:

2( Pt − Ps)
V =
ρ

Cambios en los perfiles de velocidad del flujo pueden causar errores significativos
por ello normalmente se utilizan para medir gases. Los tubos Pitot tienen uso limitado
porque pueden obstruirse fácilmente con las partículas que puede tener el fluido.

Una variante del tubo de Pitot es el medidor Annubar, el cual consiste en un tubo
insertado en la tubería con orificios en los que impacta el fluido para medir la presión
total, y otro orificio en la parte posterior para restar la presión estática y obtener la
presión de impacto.

Registradores de Flujo por Presión Diferencial

33
Los registradores de presión diferencial son muy utilizados en las operaciones de
producción en el proceso de medición de flujo de gas natural. Constan, básicamente,
de una cámara diferencial y de un mecanismo de transmisión de movimientos que
amplifican el desplazamiento producido por la diferencial de presión en el elemento
primario.

Este movimiento se registra en una gráfica, cuya lectura, si es lineal, será

proporcional a la presión diferencial; pero si la gráfica es semilogaritmica
(Cuadrática), la lectura representará un porcentaje del flujo a través del elemento
primario.

Usualmente, en este registrador se integra la medición de presión estática fluyente,

por lo cual debe tener dos plumillas; una para la presión estática y otra para la
diferencial. Ambas se registran en la misma gráfica. Esto requiere dos colores
diferentes de plumillas el color rojo se le asigna a la presión diferencial y el azul a la
presión estática.

Para la lectura de datos en registradores de presión diferencial, se emplean las

siguientes ecuaciones:

L2DIF .Rango DIF

PDIF = Presión Diferencial
100

L2EST .Rango EST

PEST = Presión Estática
100

Q = C.LDIF .LEST Flujo con compensación de presión atmosférica

en el registrador.

1470 Flujo sin compensación de presión atmosférica

Q = C.LDIF . L2EST + en el registrador.
RangoEST

34
Para aplicaciones de medición de gases, el tipo de disco más usado es el de raíz
cuadrada de 0 a 10, en el cual ambas plumillas registran sobre la misma escala, lo
cual facilita la lectura del flujo, pero si se requiere calcular una de las dos presiones
(diferencial o estática) por separado, se debe aplicar una de las dos primeras
ecuaciones aquí mostradas según sea el caso.

Como las ecuaciones que definen el flujo a través de medidores diferenciales están
basadas en el uso de la presión estática absoluta, el registrador debe estar calibrado
en 14,7 psia para su cero en la estática y de esta manera poder aplicar la tercera
ecuación que es la más sencilla para el cálculo de flujo.

Si el registrador no se compensa de esta manera, hay que aplicar la última ecuación

para determinar el flujo. Esto es necesario hacerlo sólo para casos donde el rango
del resorte de presión estática es igual o menor a 500 psi.

Medidor de Desplazamiento Positivo

Figura 24. Medidor de Desplazamiento Positivo

Los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos que separan la corriente

de flujo en segmentos volumétricos individuales. Un volumen conocido de fluido se
aísla mecánicamente en el elemento del medidor y es transportado desde la entrada
de éste hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente los compartimentos o
cámara del medidor. El volumen total del fluido que pasa a través del medidor en un
período de tiempo determinado es el producto del volumen de la muestra por el
número de muestras. Los medidores de flujo de desplazamiento positivo
frecuentemente totalizan directamente el flujo en un contador integral pero también
pueden generar un tren de pulsos que pueden ser leídas localmente o transmitida a
una sala de control.

35
En la instalación de un medidor de desplazamiento positivo es recomendable la
instalación de un filtro aguas arriba para evitar que partículas extrañas entren en la
cámara del medidor. Estos medidores son sensibles a los cambios de viscosidad.
Para viscosidades menores a 100 Centistokes el medidor debe ser calibrado para el
fluido especifico. Por encima de este valor, cambios en la viscosidad no afectan el
funcionamiento. Entre las características más resaltantes están: Alta Precisión, Larga
Vida, Diseño simple, operación a altas temperaturas, amplio rango de medición, alto
costo de mantenimiento.

Medidor de Turbina

Figura 25. Medidor de Flujo Tipo Turbina

Un medidor de velocidad, utilizado para medir flujo volumétrico, puede definirse como
un medidor en el cual la señal del elemento primario es proporcional a la velocidad
del fluido.

Q=A.V , donde Q=Tasa de flujo, V= Velocidad del fluido, A=Área transversal de la

tubería

El medidor de turbina trabaja aprovechando la velocidad del fluido para hacer girar
un rotor. El fluido transfiere energía cinética al rotor haciéndolo dar vueltas a una
velocidad angular determinada.

Un medidor de turbina está constituido por un rotor con aspas o hélices instalado
dentro de un tramo recto de tubería, axialmente en la dirección del flujo. El rotor
generalmente está soportado por cojinetes para reducir la fricción mecánica y alargar
la vida de las partes móviles. Los álabes del rotor cortan un campo magnético creado

36
por un imán permanente, montado en una bobina captadora exterior, lo que produce
una frecuencia que es proporcional a la velocidad del fluido.

Las siguientes son las características más resaltantes de los medidores tipo turbina:

• Alta precisión en toda su escala.

• Presentación lineal de la medición

• Aplicaciones de presión relativamente altas

Medidor por Área Variable

Dt
P2 Df
Tubo

Orificio Anular

Flotador

P1

Figura 26. Medidor por Área Variable

Mientras que la placa de orificio mantiene una restricción constante al flujo y la caída
de presión resultante aumenta al aumentar el flujo, el rotámetro varía el área de la
restricción para mantener una caída de presión constante.

Un rotámetro está constituido por un tubo vertical de área interna variable a través
del cual se mueve el flujo en sentido ascendente y un flotador, bien sea esférico o
cónico que tiene una densidad mayor que la del fluido. El flotador crea un pasaje
anular entre su máxima circunferencia y el interior del tubo. A medida que el flujo
varía el flotador sube o baja para variar el área de flujo.

37
La exactitud de un rotámetro puede variar entre 0.5% y 5% de la tasa de flujo. El
rango puede variar desde una fracción de cm3/min hasta gpm.

La capacidad de un rotámetro se calcula en base al flujo de aire equivalente para

servicios de gas o vapor, y en base al flujo de agua equivalente para servicios de
líquido. Los fabricantes proporcionan las tablas de capacidad para varios diámetros
de tubos y para diferentes tipos de flotador basados en flujos de agua y aire en
condiciones Standard. Para hacer la conversión se usan las siguientes ecuaciones:

Para Líquidos:

gpmH 2 O = gpmfluido ( 7 . 02 x ρ ) /( ρ f − ρ )

Para Gas

(8.02)( SGx14.7 xTop

scfmaire = scfmdelfluido
ρ f Popx530

Donde

SG=gravedad específica del gas a condiciones Standard

TOP=Temperatura absoluta a condiciones de Operación °R

POP = Presión absoluta a condiciones de operación Psia

ρ = Densidad del fluido a las condiciones de operación gr/cm3

ρf =Densidad del flotador requerido

38
Medidores Ultrasónicos

Tiempo de Viaje Tipo Doppler

L∆f
V=
V=
1 L



2Cosφ
Cosφ  t − C 0 

T= tiempo de viaje
C0= Velocidad del sonido en el fluido( En agua 1481 mt/seg a 20°C)
L= Distancia entre transmisor y receptor
φ = Angulo entre dirección de flujo y la dirección de la onda de sonido

Figura 27. Medidores de Flujo Tipo Ultrasónico

Los medidores de flujo de tipo ultrasonido utilizan ondas de sonido para determinar el
flujo de un fluido.

Medidor ultrasónico que mide el tiempo de viaje:

Este medidor opera colocando dos transductores en posición opuesta de modo que
las ondas de sonido que viajan entre ellos forman un ángulo de 45° con la dirección
del flujo en la tubería. La velocidad del sonido desde el transductor colocado aguas
arriba hasta el transductor colocado aguas abajo representa la velocidad inherente
del sonido en el liquido y en sentido opuesto por lo que la diferencia entre estos dos
valores se determina electrónicamente dando la velocidad del fluido.

Medidor ultrasónico tipo Doppler:

Una onda ultrasónica de frecuencia constante es transmitida por uno de los

elementos. Partículas sólidas o burbujas presentes en el fluido reflectan la onda de
sonido hacia el receptor. El principio doppler establece que se produce un cambio en
la frecuencia.

39
Características Principales: buena precisión, buenos para medir líquidos con sólidos
en suspensión y se pueden adaptar a varios tamaños de tuberías, precisión entre
1% y 5%.

Medidor de Coriolis

Figura 28. Medidores de Flujo Tipo Coriolis

Este instrumento consta de un conjunto de tubos alojados en la unidad sensora. A

medida que el flujo pasa por medio de los tubos, es forzado a seguir el movimiento
vertical de los tubos en vibración. A medida que el fluido se acelera en la entrada y
se desacelera en la salida, los tubos se tuercen.

La resistencia de los tubos del fluido induce una fuerza de coriolis en cada uno de
sus lados. La torcedura provocada por la fuerza de coriolis hace que la amplitud de
torsión de los tubos sea directamente proporcional a la tasa de flujo de la masa del
fluido que va a través de los tubos. Los detectores de posición, ubicados a ambos
lados de los tubos, son los elementos sensores principales usados para determinar el
ángulo de torcedura en función del tiempo. Ellos envían esta información a la unidad
electrónica, donde es procesada.

Las principales características son:

• Mide el flujo de masas directamente

• Las variaciones de temperatura y presión no afecta la medición de la masa.

• Posee alta precisión

40
 • Tiene elevada velocidad de respuesta

Principio de operación

El fluido de proceso entra al sensor y es dividido, la mitad del flujo pasa a través de
cada tubo. Durante la operación una bobina de oscilación es energizada. Esta bobina
causa que los tubos oscilen hacia arriba y abajo en oposición uno al otro. La
generación de señal se produce al mover cada bobina al campo magnético uniforme
del magneto adyacente. El voltaje generado de cada bobina de carga crea una onda
senosoidal. Esta Onda generada representa el movimiento de un tubo relativo al otro.
Si ambas señales se muestran en fase significa que no hay flujo.

Figura 29. Medidores Coriolis para Condición No Flujo

41
 Figura 30. Medidores Coriolis para Condición de Flujo

Cuando el fluido está en movimiento a través de los tubos sensores, las fuerzas de
coriolis son inducidas. Estas fuerzas causan que los tubos se tuercen en oposición
uno del otro.

Como resultado de la torcedura de los tubos las ondas sinusoidales no están en fase.
La cantidad de tiempo entre las ondas sinusoidales es medida en microsegundos y
es llamada delta-T.

Delta-T es directamente proporcional a la cantidad de flujo de masa. Mientras más

grande sea Delta-T más grande será el flujo de masa.

Figura 31. Medidores Coriolis para Medición de Densidad

42
La densidad del proceso puede ser derivada de la frecuencia natural de oscilación
del sensor y esta es tomada de la bobina de carga del lado izquierdo. Como es más
fácil medir tiempo que cantidad de ciclos el equipo contabiliza la cantidad de tiempo o
período del tubo. La densidad es directamente proporcional al período del tubo.

El sensor es operado con aire completamente y el período del tubo es grabado como
K1. La densidad del aire la cual es determinada separadamente es guardada como
D1. Luego es llenado de agua y el período del tubo es guardado como K2 y la
densidad del agua medida separadamente como D2. Entonces las relaciones K1/D1
y K2/D2 caracterizan la respuesta del sensor a la densidad del proceso.

En la gráfica siguiente se muestra las relaciones ploteadas de las dos calibraciones

K1/D1 y K2/D2.

Figura 32. Gráfica de relación Período - Densidad

43
Medidor de Torbellinos o Vortex

Figura 33. Medidor de Flujo Tipo Vortex

También llamados tipo Vortex, esta basado en la medición de la frecuencia de

oscilación de los vórtices que se crean detrás de un obstáculo colocado en la
corriente de un fluido. Cuando el fluido se hace pasar a través de un obstáculo, el
flujo es incapaz de seguir la superficie del objeto, apartándose del mismo en un
punto para formar una serie continua de corrientes de remolino. La frecuencia de la
vertiente es proporcional a la velocidad de flujo e inversamente proporcional al
diámetro del objeto.

La detección de frecuencia se logra con sensores de presión de cristales

piezoeléctricos que detectan los picos de presión en el lado contrario del torbellino.

Este instrumento puede utilizarse para medir gas o líquido, y den instalarse en
tubería recta con longitudes mínimas de 10 diámetros aguas arriba y 5 aguas abajo y
debe instalarse perfectamente alineado con la tubería.

44
1.1.4 MEDICIÓN DE NIVEL

Instrumentos de Medición de Nivel

Medición Directa:

Figura 34. Medición Directa de Nivel

La medición de nivel puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos, entre
un sólido granulado y un gas o entre un líquido y su vapor.

La medición directa son las más antiguas y simples. Entre estos tipos de medidores
se pueden mencionar: las cintas graduadas y los tubos de vidrio.

La medición por cinta graduada consiste en bajar una plomada con una cinta de
aforamiento dentro de un tanque, la huella dejada por el líquido señalará la medida
del nivel existente en el tanque.

La medición por tubo de vidrio consiste en un tubo montado al lado del recipiente y
conectado a este por medio de tuberías y válvulas; como el nivel del líquido del
recipiente y en el tubo son iguales se puede observar el nivel en el cristal.

Existen dos tipos el transparente usado para líquidos con color, viscoso o corrosivos;
y el de reflexión que utiliza la incidencia de rayos de luz y se utiliza para líquidos en
recipientes de alta presión y temperatura y con líquidos transparentes.

45
 Mínimo Nivel

Escala

Máximo Nivel

(a) (b)

Figura 35. Medición Directa de Nivel por Flotación

El método por flotación consiste un flotador (a) que actúa como elemento detector y
cambia de posición cada vez que el nivel de liquido varía. Esto origina un movimiento
que es transmitido, por medio de un cable y una polea, al exterior del recipiente. En
la extremidad exterior del cable existe un contrapeso y un indicador recorre la escala.

La figura (b) muestra un instrumento constituido por un flotador y una cinta que
acciona un indicador y un contador. Un motor mantiene una tensión constante sobre
la cinta. Este mecanismo puede ser equipado con interruptores por alto y bajo nivel
para activar alarmas, relés, válvulas solenoides, etc.

Medición Indirecta:

Por Presión Hidrostática Por Presión Diferencial

H Pe H Pe Atmósfera
H || L

P = PE × h P = Presión
P PE = Peso Específico
h =
PE h = altura

Figura 36. Medición Indirecta de Nivel por Presión de Columna

46
Uno de los métodos indirectos más usados en por presión de la columna. La
medición de nivel por presión hidrostática en un recipiente o tanque se obtiene del
peso del líquido en el fondo del recipiente, mediante el uso del manómetro. El nivel
se mide por medio del peso que ejerce una columna de líquido sobre el sensor de
presión. En este caso se asume que la densidad de líquido es constante, sin
embargo, las variaciones en la temperatura pueden afectar considerablemente la
densidad del líquido afectando la exactitud de la medición.

El método más común para medir nivel es utilizando transmisores de diferencial de

presión. En los transmisores de presión diferencial, la presión ejercida por la columna
de líquido actúa sobre una celda de diferencial de presión, cuyo movimiento es
utilizado para transmitir una señal electrónica proporcional a la altura del nivel. Estos
transmisores tienen precisiones de 0.2 % a 0.25% del span.

Los transmisores de presión manométrica utilizados para medir nivel de líquido,

miden la presión hidrostática. Esta presión es igual a la altura del líquido sobre la
conexión o toma de proceso, multiplicada por la gravedad especifica del líquido y es
independiente del volumen o forma del recipiente.

En tanques abiertos, un transmisor de presión instalado cerca del fondo del tanque
medirá la presión correspondiente a la altura del líquido sobre él. La conexión se
hace en el lado de alta presión del transmisor. El lado de baja presión se ventea a la
atmósfera. Si el transmisor está instalado por debajo del valor inferior del rango del
nivel deseado, entonces debe hacerse una supresión del cero.

Medición por Ultrasonido

LECTURA

CONTADOR

TRANSMISOR
BLOQUEADOR
OSCILADOR
Transductor

Superficie de Reflexión

Figura 37. Medición Indirecta de Nivel por Ultrasonido

47
La figura muestra el principio de operación de un sensor de nivel ultrasónico para
aplicaciones de nivel continuo. En estos sensores, se mide el tiempo empleado por el
sonido en su trayecto desde un emisor hasta un receptor. El instrumento tiene un
emisor que proporciona breves impulsos sónicos. Estos impulsos son reflejados por
la superficie del material en el recipiente y llegan de nuevo al emisor, que actúa
ahora como receptor.

El tiempo transcurrido es una medida de la distancia entre el material y el emisor-

receptor. Un convertidor electrónico proporciona la medida de nivel. El instrumento
puede incluir un sensor de temperatura para compensar los cambios en la
temperatura del aire.

Para aplicaciones de nivel puntual (control on-off, alarma) se utilizan interruptores en

los cuales el sensor se pone en contacto con el fluido del recipiente. El principio de
operación de estos interruptores es el de transmitir una onda ultrasónica desde un
cristal piezoeléctrico a través de un espacio llamado gap de aproximadamente 1/2”
hasta un cristal receptor, cuando este espacio se llena con el liquido la señal se
transmite.

Características: Sensores no intrusivos que evita problemas de corrosión, medición

continua y puntual, no posee partes móviles pero la medición puede ser afectada por
el movimiento del material en el tanque.

Medición por Radar

UNIDAD DE
UNIDAD ELECTRONICA INDICACION
DE MICROONDAS

ANTENA TIPO
PARABOLICA

Sensor de
RADARES CON ANTENA TIPO
Temperatura
CORNETA

Figura 38. Medición Indirecta de Nivel por Radar

Un sensor de nivel tipo microondas es un sensor no intrusivo. El sistema de medición

está formado principalmente por un módulo electrónico de microondas, una antena y
sensores de temperatura. Además una unidad local o remota de indicación.

48
El principio de operación está basado en el cambio de frecuencia de la señal de
radar emitida hacia la superficie del líquido. La señal reflejada por la superficie del
líquido en el recipiente tiene una frecuencia diferente a la de la señal transmitida.

Esta diferencia de frecuencia es proporcional a la distancia que existe entre el

transmisor y la superficie del líquido. La señal de microondas es emitida por una
antena la cual direcciona la señal perpendicularmente hacia la superficie del líquido.
Una aplicación muy común es la medición de nivel en tanques de techo fijo y flotante
en la Industria Petrolera.

Interruptores de Nivel

Por Flotación

Figura 39. Interruptor de Nivel Tipo Flotador

Los Instrumentos de medición de nivel constituidos por flotadores, operan por el

movimiento del flotador. El flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo con los
cambios en el nivel del liquido. Este movimiento del flotador puede ser transformado
por diversos medios en una acción de indicación, registro o control. Comercialmente
existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados en aplicaciones de nivel de
líquido. Los más utilizados son los flotadores horizontales y verticales.

El diseño mostrado en la figura (a) permite que el movimiento del flotador pueda ser
usado para operar un interruptor o switch eléctrico.

El montaje de este tipo de sensor puede hacerse directamente sobre el recipiente o

utilizando una cámara, en el cual se encuentra el flotador, y que puede ser conectada

49
al recipiente por medio de bridas. La figura (b) muestra diferentes esquemas de
conexión.

Ventajas: Desventajas:
•Fácil Instalación * Los depósitos de materiales
• No requiere Calibración pueden impedir su operación
• Adecuado a altas temp.(530°C) * La exactitud es tá limitada a 61/4”
•y presiones hasta 5000 Psig * Requiere mantenimiento frecuente
• No lo afecta la turbulencia y es- por partes móviles
•puma en la superficie

Tipo Desalojador o Desplazador

Figura 40. Medidor de Nivel Tipo Desplazador

Este método funciona de manera similar al de los flotadores con la diferencia que, en
vez de usar un flotador que se mantiene en la superficie del liquido, se utiliza un
desalojador o desplazador la cual a medida que pierda peso, la fuerza ejercida sobre
el resorte disminuye haciendo que este se mueva. Este movimiento se utiliza para
activar un interruptor.

Generalmente se utilizan para medición de nivel de interfaces, ya que la variable

medida es el nivel entre dos medios que tienen diferente gravedad especifica. Las
longitudes Standard van desde 0.3 Metros hasta 3 Metros (11.8 “ hasta 118”).

50
CAPITULO II

2.1 DOCUMENTACIÓN DE INGENIERÍA

DIAGRAMAS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID´S)

El diagrama de tuberías e instrumentación es el documento más importante y el

segundo que se debe generar en una ingeniería aplicada a una planta de procesos
(el primero es el diagrama de flujo de procesos), ya que en el se define como será el
funcionamiento de los diferentes sistemas mediante la representación de los equipos
que componen la planta, las tuberías que los interconectan y la instrumentación
asociada a cada uno de ellos, pudiendo ser posible definir la estrategia, filosofía y
arquitectura de control en este documento.

Simbología Según ISA S5.1

El propósito de esta Norma es el de establecer un criterio uniforme para designar y

sistemas de instrumentación utilizados para la medición y control.

La Sociedad de Instrumentación de los Estados Unidos (ISA: Instrument Society of

America) es una de las organizaciones más importantes que han dedicado esfuerzo
en la normalización de este campo de trabajo, ella tiene por objeto establecer
sistemas de designación (código y símbolos) de aplicación a las industrias químicas,
petroquímica, aire acondicionado, etc.

Señales de Transmisión

Los símbolos asociados a las señales de transmisión representan generalmente, la

forma como se transporta la información de un lugar a otro. Existe una gran variedad
de estas señales.

51
 (*)
AS Alimentación de Aire
ES Alimentación Eléctrica
GS Alimentación de gas
HS Alimentación de nitrógeno
SS Alimentación de vapor
WS Alimentación de agua

** Se aplica tambien a cualquier

señal que emplee gas como medio de
transmisión. Si el gas es diferente al
aire se debe identificar.

*** Los fenómenos

Electromagneticos incluyen calor,
ondas de radio, radiación nuclear y
luz.

Figura 41. Señales de Transmisión

Si se emplea un gas distinto al aire se debe indicar en una nota al lado del símbolo.

Las señales electromagnéticas incluyen ondas de radio, radiación nuclear y luz.

Figura 42. Nomenclatura

52
Nomenclatura

La simbología descrita en esta Norma puede ser utilizada para identificar

instrumentos y sistemas de medición y control en cualquier tipo de documento donde
se requiera hacer referencia a un instrumento, tales como diagramas de flujo,
diagramas de instrumentación, diagramas de instalación, especificaciones, etc. La
Norma proporciona la identificación de las funciones principales de un instrumento.
Los detalles complementarios del instrumento se dejan para ser descritos en hojas
de especificación apropiadas, hojas de datos, u otro documento.

Cada instrumento debe ser identificado por un sistema de letras utilizadas para
clasificar su funcionalidad. La identidad del Lazo al cual pertenece el instrumento se
designa un número al sistema de letras. Este número, en general será común para
todos los instrumentos que forman parte del lazo de control. Como ejemplo tenemos
el código típico de identificación (Tag Number) para un controlador registrador de
temperatura.

T R C 2 A
Primera letra Letras Subsiguientes # Lazo Sufijo
Identificación de la Función del Instrum. Identificación del Lazo

Estos símbolos sirven para señalar el lugar de la planta donde está ubicado el
instrumento. Los instrumentos se representan por un círculo, dentro del cual se
coloca el número de identificación del instrumento.

Los símbolos pueden ser dibujados en cualquier dirección siempre y cuando sean
nítidos y legibles. De la misma forma, las líneas de señales pueden ser dibujadas en
un diagrama entrando o saliendo de la parte apropiada del símbolo con cualquier
ángulo. Flechas de dirección de señales pueden ser añadidas para aclarar la
dirección del flujo.

La alimentación neumática, eléctrica o de otro tipo, no tiene que ser mostrada a

menos que sea esencial para comprender la operación del instrumento o lazo.

En general una sola línea de señal es suficiente para representar la interconexión

entre dos instrumentos en un diagrama de flujo, aún cuando ellos puedan estar
conectados físicamente por más de una línea.

La identificación de la función de un instrumento debe ser hecha utilizando las letras

de la tabla.

53
La identificación de la función de un instrumento debe hacerse de acuerdo a su
función y no de su construcción. Ej Un registrador de diferencial de presión utilizado
para medir flujo FR

La primera letra de la identificación debe seleccionarse de acuerdo a la variable

medida y no de la manipulada. Ejemplo una válvula de control que varía el flujo de
acuerdo a la señal de control suministrada por un controlador de Nivel es un LV no
un FV.

Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente

en un proyecto. Ej N modulo de Elasticidad y como sucesiva osciloscopio.

Letra sin clasificar X. Se emplea en designaciones no indicadas que se utilicen solo

una vez o un número limitado de veces. Ej XR-3

Cualquier primera letra si se utiliza con las letras de modificación D(Diferencial), Q

(Integración) cambia su significado para representar una nueva variable medida.
Ejemplo TDI y TI miden dos variables distintas.

La letra A para análisis es conveniente definir el tipo de análisis

El empleo de la letra U es opcional en lugar de combinación de primeras letras.

Ejemplo FQIEl empleo de los términos de modificaciones alto, bajo, medio o
intermedio y muestreo es preferible pero opcional.

El termino seguridad debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales

de control que protejan contra condiciones de emergencia. Ejemplo Válvula
autorreguladora de presión para alivio PCV pero si es para condiciones de
emergencia PSV.

La función pasiva Glass se aplica a instrumentos que proporcionan visión directa.

El termino indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso.

Una luz piloto que es parte de un lazo de control debe designarse por una primera
letra seguida de la letra sucesiva L Ejemplo KL Luz que indica un período de tiempo

El empleo de U como multifunción en lugar de combinación de letras es opcional

54
Las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirá al lado del
símbolo cuando sea conveniente. LY

Los términos alto, bajo deben corresponder a valores de la variable medida no a los
de la señal. Ejemplo Alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de
nivel de acción inversa debe designarse LAH aun cuando la alarma sea actuada
cuando la señal cae a un valor.

Los términos alto y bajo cuando se aplican a válvulas se definen como:

Alto: Indica posición de apertura

Bajo: Denota posición cerrada.

Estos símbolos sirven para señalar el lugar de la planta donde está ubicado el
instrumento. Los instrumentos se representan por un círculo, dentro del cual se
coloca el número de identificación del instrumento.

Los símbolos pueden ser dibujados en cualquier dirección siempre y cuando sean
nítidos y legibles. De la misma forma, las líneas de señales pueden ser dibujadas en
un diagrama entrando o saliendo de la parte apropiada del símbolo con cualquier
ángulo. Flechas de dirección de señales pueden ser añadidas para aclarar la
dirección del flujo.

La alimentación neumática, eléctrica o de otro tipo, no tiene que ser mostrada a

menos que sea esencial para comprender la operación del instrumento o lazo.

En general una sola línea de señal es suficiente para representar la interconexión

entre dos instrumentos en un diagrama de flujo, aún cuando ellos puedan estar
conectados físicamente por más de una línea.

Simbología de Instrumentos

El propósito de esta norma es establecer documentación para instrumentación de

computadores y controladores programables. Los símbolos se utilizan para la

55
interfase de la instrumentación de campo, instrumentación en sala de control y
equipos relacionados.

Símbolo Instrumento instalado

Localmente (en el campo)

En el panel principal

Detrás del panel principal

En el panel auxiliar

En el campo para dos variables

Controlador logico programable (PLC)

Sistema de control distribuido

Figura 43. Simbología

Figura 44. Simbología para Sistemas Computarizados

Definiciones:

Accesible (accesible): el sistema es visible por la interacción con el operador, permite

cambios en setpoint, transfer auto/manual.

56
Transferible (asignable): Permite al operador cambiar o dirigir una señal de un
dispositivo a otro sin tener que cambiar cables.

Interfase de comunicación (Comunication Link): es un dispositivo en el cual acciones

de control y/o indicación son generadas para ser utilizadas por otros dispositivos.

Sistema de control por computador (Computer Control System): Un sistema en el

cual toda acción de control tiene lugar en el computador.

Sistema de control distribuido (Distributed Control system): Sistema de

Instrumentación (dispositivos I/O, control y operación) que además de ejecutar sus
funciones de control envía información interactiva a otras localizaciones.

Interpretación de PID´s

PAH
PAL PIC PY FIC
dp/dt 101 101 102
PDA
PT FT
E/H
101 102

PAH: Alarma alta presión

PAL: Alarma baja Presión
dp/dt: Tasa de Cambio
PDA: Desviación del set-Point

Figura 45. Ejemplo de Lazo de Control

Los diagramas de tubería e instrumentación (PID´s) son generados por el

Departamento de Ingeniería de Procesos y Mecánica. El Departamento de
Instrumentación da su aporte para realizar estos diagramas. Proveen una
información más detallada que la que se presenta en los diagramas de flujo (PFD).
También muestran:

Todos los equipos con presiones y temperaturas de diseño

Todas las tuberías de interconexión, con su tamaño, material y especificaciones de

fabricación.

57
Representación esquemática de todos los lazos de control. Esta representación
deberá hacerse siguiendo las Normas S5.1 y S5.3.

Numeración de cada uno de los componentes de los lazos de control

Representación de los dispositivos e instrumentos de seguridad

En algunas situaciones muestran esquemáticamente las líneas de suministro de los

servicios.

2.2 DIAGRAMAS DE LAZOS

Los diagramas de lazos son planos de ingeniería de detalles y en ellos se representa

la ruta del cableado que siguen los instrumentos y señales asociadas a un lazo de
control desde los instrumentos sensores en campo, pasando por las cajas de
interconexión intermedias hasta los sistemas de control y visualizaciones en la
interfaz hombre máquina. Si el mismo lazo ejerce una acción de control hacia un
elemento final, también se representa la ruta de las señales pero en sentido
contrario.

En este diagrama debe identificarse cada punto de conexión dentro de la borneras

por las cuales pasen las señales involucradas, ya que la razón fundamental de este
plano es evaluar aisladamente cada lazo de control bien sea para verificación de las
conexiones, pruebas de lazos funcionales, detección de fallas (troubleshooting)
durante las etapas de construcción, pre-arranque, arranque o mantenimiento durante
la operación normal.

En la figura siguiente se muestra un ejemplo de un diagrama de lazo para un

sistema de control de presión.

58
 Figura 46 .Ejemplo de Diagrama de Lazo.

2.3 PLANOS DE CABLEADO Y CANALIZACIONES.

Según el tipo de proyecto o planta y de acuerdo al criterio aplicado al desarrollo de

la ingeniería, podrán existir diferentes planos donde se represente la descripción y la
ruta de los cables de instrumentación y control asociados a la planta o instalación. El
primer uso de estos planos es durante la construcción para efectuar el tendido de las
canalizaciones y los cables, sin embargo son de gran utilidad en mantenimiento para
detección de fallas o cuando se requiera hacer modificaciones a plantas existentes.

Normalmente estos planos son presentados en vista de planta, que podrá ser uno
solo o varios dependiendo del tamaño o complejidad de la instalación. Todas las
canalizaciones y cables deben tener un origen y un destino. Las canalizaciones
deber estar identificadas mediante un consecutivo o tag y pueden ser subterráneas o
a la vista, lo cual debe diferenciarse claramente e indicar los puntos de transición.

Los cables también deben identificarse, y para cada canalización debe indicarse la
cantidad y tipo de cables que por ella pasan. También es recomendable que se
indique el porcentaje de ocupación para verificar disponibilidad y cumplimiento de
normas y buenas prácticas de diseño.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un plano de canalizaciones de

instrumentos.

59
Figura 47. Ejemplo de Diagrama de Canalizaciones.

60
2.4 PLANOS DE UBICACIÓN DE INSTRUMENTOS.

Es un plano de ingeniería de detalles para especificar el sitio de instalación de cada

instrumento dentro de la planta, tipo de conexión y altura de instalación con respecto
al terreno.

En la figura siguiente se muestra un ejemplo de un plano de ubicación de

instrumentos.

Figura48. Ejemplo de Plano de Ubicación de Instrumentos.

61
2.5 HOJAS DE DATOS DE INSTRUMENTOS.

Las hojas de datos de instrumentos son los documentos donde se detallan la

totalidad de las especificaciones técnicas de los mismos, tales como condiciones de
proceso a las cuales estará sometido, rangos de medición, propiedades de los
fluidos, tipo de conexión eléctrica, mecánica y neumática, materiales de construcción,
función (indicación, transmisión, registro, etc.), tipos de señales a manejar,
accesorios adicionales, etc.

Cada instrumento que pertenezca a una planta o instalación debe poseer una hoja
de datos. Si existen dos o más instrumentos de características idénticas, pueden ser
referenciados desde una misma hoja de datos.

Normalmente, para muchos instrumentos, en el código de especificación se pueden

determinar todas sus características según lo indique el manual del fabricante, en el
ejemplo siguiente se tiene el caso de un transmisor del fabricante Rosemount.

Determinar las especificaciones del siguiente transmisor

Rosemount:

3051L3AB2JD21AAE5M5T1

De acuerdo a los catálogos del Fabricante Rosemount, el transmisor presenta las

siguientes especificaciones:

Modelo: 3051L medición de nivel con montaje en brida.

Rango de -1000 a 1000 inH2O
Salida 4-20 mA y protocolo digital Hart.
Lado de alta: diafragma de 4”/DN 100.
Brida de 4” ANSI 300 RF de SST.
Fluido de llenado lado de alta: D.C. Silicone 200.
Lado de baja: diferencial, adaptador SST, diafragma 316L SST, fluido de llenado
silicone.
Material del O’ring: Glass filled TFE.
Material de la carcasa: poliuretano cubierto de aluminio.
Aprobación FM Explosion-proof.
Display LCD
Protector de trasientes.

62
CAPITULO III

VÁLVULAS DE CONTROL

En este capítulo se estudiarán los conceptos básicos necesarios para conocer y

comprender el funcionamiento y operación las válvulas de control, conocimientos que
a su vez servirán como herramientas para diseñar o evaluar alguna válvula en
particular.

Se estudiarán los componentes y tipos principales de válvulas y actuadores, se

detallará el fenómeno físico que ocurre internamente en las válvulas, así como la
terminología y conceptos técnicos necesarios para poder calcular y/o evaluar
válvulas de control.

Dadas las características del curso, se realizarán cálculos analíticamente de casos

sencillos y empleando el software de cálculo se harán ejercicios de complejidad
moderada.

Por otra parte, el estudio de los casos de flujo multifásico, flujo laminar y de vapor de
agua, así como el análisis numérico de los fenómenos de cavitación, ruido y el efecto
de los conos reductores, corresponden a cursos más avanzados de selección y
dimensionamiento de válvulas de control.

3.1 DEFINICIÓN

Es el elemento final de control más común, y consiste en un dispositivo mecánico de

orificio variable cuya área transversal puede variar según la señal de mando,
controlando así el flujo a través del mismo.

qi

LIC
LT

q0

FO

Figura 49. Válvula de Control como Elemento Final

Las válvulas de control son el regulador y elemento final de control básico en

cualquier proceso que se manejan corrientes de fluidos.

63
En las plantas de procesos químicos se utilizan muchas válvulas de control
automáticas para regular flujos desde menos de una gota por minuto hasta miles de
galones por minuto de fluido y caídas de presión desde pocas pulgadas de agua
hasta miles de libras por pulgada cuadrada de presión.

La válvula de control actúa como una resistencia variable en la línea de proceso;

mediante el cambio de su apertura se modifica la resistencia al flujo, y en
consecuencia, el flujo mismo.

3.2 COMPONENTES

Cuerpo:

Figura 50. Cuerpo de una Válvula de Control

Es un accesorio provisto de rosca o bridas para su conexión, y sirve para el paso del
fluido y como contenedor de los elementos internos. Está sometido a las mismas
condiciones de presión, temperatura y corrosión que el resto del proceso.

Su fabricación más común es en acero al carbono, cuyo espesor y conexiones

terminales dependerán del rango de presión a manejar.

Externamente es el elemento de la válvula cuya diseño geométrico varía más según

el tipo de válvula. Por ejemplo, los cuerpos pueden ser de globo, angulares, de tres
vías, de cuerpo dividido, etc. Tal como se detallará más adelante.

Actuador:

64
 Figura 51. Actuador de una Válvula de Control

Es el elemento motriz que recibe la señal de control y suministra la fuerza necesaria

para hacer variar la posición del elemento móvil dentro del cuerpo de la válvula.

El mostrado en la figura es una actuador neumático tipo diafragma, pero tal como se
analizará mas adelante, los puede haber tipo pistón, eléctrico, electrohidráulico, etc.

Su configuración también puede variar en energía para extender o energía para

contraer, lo cual en combinación con el tipo de válvula en la cual se instale, definirá el
tipo de falla, es decir si es falla abierta o cerrada.

Trim:

Figura 52. Trim de una Válvula de Control

El tapón es el elemento móvil ubicado dentro del cuerpo de la válvula y su posición

determina la sección transversal libre a través de la misma, y por lo tanto el
porcentaje de apertura. De esta manera, este elemento es el que directamente
regula el flujo a través de la válvula.

65
En el caso de válvulas rotativas, la función del tapón la suele ejercer un disco (en el
caso de válvulas de mariposa) o una bola (en las válvulas de bola).

El asiento no es más que la base donde asienta el tapón cuando la válvula esta
completamente cerrada. Geométricamente se adapta a la forma del tapón para
garantizar la hermeticidad.

El conjunto conformado por el tapón y el asiento se denomina trim. Debido a que el

diámetro del trim es el que determina la máxima sección transversal libre a través de
le válvula, es éste el que define realmente la capacidad de la misma, no el tamaño
del cuerpo.

Vástago, Bonete, Empaque y Sellos:

Figura 53 Vástago, Bonete, Empaque y Sellos de una Válvula de Control

El vástago o stem es el componente deslizante que transmite la fuerza ejercida por el

actuador al elemento móvil dentro del cuerpo de la válvula. Tanto la válvula como el
actuador poseen un vástago y cuando son acoplados, el sistema es capaz de operar
integralmente.

El bonete está normalmente ubicado en la parte superior del cuerpo, sirve de guía
para el vástago de la válvula y de base para el acople del actuador y a su vez
contiene los empaques. En servicios de alta temperatura suele emplearse un bonete
extendido como el mostrado en la figura del lado derecho para reducir la
transferencia de calor hacia el actuador.

Los sellos y empaques evitan la emisión de fluidos desde el cuerpo de la válvula

hacia el ambiente a través del espacio entre vástago y el bonete y en la unión del
bonete y el cuerpo.

66
 VÁSTAGO

SELLOS

BONETE

EMPACADURA

CUERPO

ASIENTO TAPÓN

Figura 54 Esquema de Componentes Principales de la Válvula

En la figura se muestra un diagrama integral con las partes principales de una válvula
de control anteriormente descritas.

Accesorios

Posicionador

Figura 55. Posicionador

Mediante un acople mecánico con el vástago del actuador, este dispositivo obtiene
una retroalimentación de la posición de la válvula, variable que es comparada con la
señal del controlador para mejorar el desempeño completo del sistema y aumentar la
precisión al posicionar el vástago.

67
 Si el vástago no está en la posición que indica el controlador, el posicionador
adiciona o quita aire al actuador hasta que tenga la posición correcta.

Se recomienda instalar posicionadores en procesos con constante de tiempo lenta tal

como temperatura o nivel en recipientes grandes o cuando exista retardo por
actuadores de gran capacidad, fricción en al vástago por ajuste excesivo de sellos o
fricción por productos viscosos.

El posicionador posee tres conexiones neumáticas: la alimentación que viene directo

de un regulador a la presión requerida, la entrada que corresponde a la salida del
controlador y la salida hacia el actuador de la válvula.

Convertidor Corriente / Presión

Posicionadores
º Inteligentes:
Figura 56. Convertidor I/P y Posicionador Inteligente

En los casos más comunes, cuando existen controladores electrónicos o PLC con
tarjetas analógicas, la salida de controlador es de 4-20 mA, en estos casos es
necesario instalar un elemento para convertir esta salida a una señal neumática
capaz de accionar el actuador. Este elemento se conoce como convertidor
corriente/presión y normalmente traducen una señal de 4-20 mA linealmente en una
señal de 3-15 psi.

Este convertidor puede existir integrado al posicionador, en este caso se llama a este
conjunto electroposicionador.

Existen adicionalmente posicionadores inteligentes los cuales se comunican con los

controladores o sistemas de control y supervisión mediante protocolos digitales como
Hart, Mobdus, Fieldbus, etc. Tienen la ventaja que pueden intercambiar más
información con los sistemas de control ya que la señal digital además de contener la
salida del controlador, contiene porcentaje de apertura, status de la válvula, límites,
configuración, etc., se pueden calibrar remotamente y pueden hacer diagnósticos a la
válvula.

68
Multiplicadores, Interruptores de Límite

ENTRADA
DIAFRAGMAS TORNILO DE AJUSTE
BY-PASS
PUERTO DEL BY-PASS
VENTEO
VENTEO
PUERTO DEL
SUPPLY
SUPPLY
SALIDA

Interruptores de límite:

Figura 57 Multiplicadores e Interruptores de Límite

Los multiplicadores (boosters) también se conocen como relevadores de aire. Suelen

instalarse en la señal neumática hacia el controlador para acelerar la respuesta de la
válvula a un cambio de señal proveniente de un controlador o de un I/P con baja
capacidad de salida.

Cuando el caso es el mencionado se utilizan boosters con relación 1:1. En ocasiones

es necesario multiplicar la salida del I/P o controlador para adecuarse al rango del
actuador. En estos casos se utilizan boosters de 1:2 o de 1:3 según sea el caso. Por
ejemplo: en un I/P con salida de 3-15 psi que acciona un actuador de 6-30 psi se
debe duplicar la señal con un booster 1:2 si no existe posicionador.

Los interruptores de límite se acoplan mecánicamente en el recorrido del vástago y

se disparan a determinada posición, para ser usados como alarma, disparar válvulas
solenoide o para tomar alguna otra acción de control.

69
Válvulas Solenoide, Reguladores

Figura 58 Válvulas Solenoide y Reguladores

Las válvulas solenoide son elementos de funcionamiento on/off operados por una
señal eléctrica discreta de 24 Vdc o 110 Vac. Pueden ser de dos o tres vías.

Estas válvulas normalmente se instalan en la línea neumática que acciona el

actuador para ejercer una acción extrema de control tal como hacer abrir o cerrar
completamente la válvula de control, como resultado de alguna condición insegura
del proceso. Por ejemplo: cuando se recibe una señal de muy alto nivel en un
separador gas - líquido se debe hacer abrir completamente la válvula de control de
nivel accionando la selenoide e inhabilitando la señal del controlador o I/P.

Los reguladores de presión son válvulas autorreguladoras capaces de mantener

constante su salida siempre que las variaciones en su entrada ocurran por encima
del punto de control. Su función básica es suministrar una presión constante para la
alimentación neumática requerida por posicionadores, boosters, I/P, controladores,
etc.

70
3.3 TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROL Y ACTUADORES

Existen muchos tipos diferentes de válvulas de control en el mercado, los fabricantes

con mucha frecuencia ofrecen una “nueva” válvula de control “mejorada”, en
consecuencia resulta difícil clasificar toda la gama de válvulas existentes.

No obstante, estructura mas frecuente de clasificación consiste es clasificarlas según

su acción y según su construcción.

Debido a la importancia que tiene la determinación del tipo de acción, se incluye

como el elemento básico de su clasificación al momento de especificar una válvula,
luego se determina el tipo de válvula según su construcción.

Cualquier válvula de los diferentes tipos según su construcción puede ser falla
abierta o cerrada, según se escoja también su actuador.

Las válvulas según su construcción se clasifican en vástago deslizante o

“reciprocantes” y vástago rotatorio o “rotativas”.

Válvulas Reciprocantes

Las válvulas de vástago recíproco también conocidas como reciprocantes o de

vástago deslizante, son aquéllas en las que el desplazamiento del vástago ocurre en
la misma dirección y sentido que el tapón dentro de la válvula y normalmente
perpendicular al fluido o a la tubería de proceso. Esta última condición puede variar
en válvulas de cuerpo angular como se analizará mas adelante.

Los tipos de válvulas reciprocantes listados son los más comunes en la industria y
serán detalladas a continuación.

Válvulas Rotativas

En las válvulas de vástago rotatorio también conocidas como rotativas, el porcentaje

de apertura de éstas viene dado por el ángulo de giro del tapón, disco o bola dentro
del cuerpo, con relación al eje de referencia de la válvula. Debido a que los
actuadores igualmente son deslizantes, existe una conversión de movimiento lineal
en movimiento giratorio, análogo a lo que ocurre entre una biela y un cigüeñal en un
motor.

La extensión o contracción completa del vástago de la válvula, hará girar el tapón,

disco o bola a su máximo o mínimo ángulo de apertura según sea el tipo de falla.

Los tipos más comunes de válvula rotativas se detallarán seguidamente.

71
Tipos de Actuadores

Los tipos de actuadores más comunes en la industria petrolera para válvulas de

control regulatorio son del tipo neumático de diafragma, sin embargo en resto de los
indicados suele tener usos en diversas aplicaciones.

Además del desempeño y los costos, uno de los criterios determinantes en la

especificación de un actuador para una válvula determinada, es el tipo de energía
disponible localmente, es decir, si existe o no disponibilidad de aire para
instrumentos, energía eléctrica, etc.

Si este tipo de limitación no existe, su especificación se reduce al que ofrezca un

mejor conjunto; desempeño - inversión - costo de mantenimiento - espacio físico.

Válvulas Según su Acción

Falla abierta (aire para cerrar):

ENTRADA DE AIRE

VENTEO

VENTEO

ENTRADA DE AIRE

Figura 59. Válvulas Falla Abierta

Se define como falla abierta al conjunto válvula - actuador que adopta la posición de
apertura total en estado de reposo o cuando no recibe señal de control alguna,
quedando completamente libre el paso de fluido a través de la válvula.

En la figura de la izquierda se observa que el tapón de la válvula está colocado en

posición “flujo para cerrar”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para
extender” o “de acción directa” para que el conjunto sea falla abierta. En este

72
actuador la presión de aire entra por la parte superior del diafragma y el resorte de
rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la
cámara opuesta para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara.

En la figura de la derecha se observa que el tapón de la válvula está colocado en

posición “flujo para abrir”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para
contraer” o “de acción inversa” para que el conjunto sea falla abierta. En este
actuador la presión de aire entra por la parte inferior del diafragma y el resorte de
rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la
cámara opuesta para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara.

Falla cerrada (aire para abrir):

ENTRADA DE AIRE

VENTEO

VENTEO

ENTRADA DE AIRE

Figura 60. Válvulas Falla Cerrada

Se define como falla cerrada al conjunto válvula - actuador que adopta la posición de
cierre total en estado de reposo o cuando no recibe señal de control alguna,
quedando completamente bloqueado el paso de fluido a través de la válvula.

En la figura de la izquierda se observa que el tapón de la válvula está colocado en

posición “flujo para cerrar”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para
contraer” o “de acción inversa” para que el conjunto sea falla cerrada. En este
actuador la presión de aire entra por la parte inferior del diafragma y el resorte de
rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la
cámara opuesta para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara.

73
En la figura de la derecha se observa que el tapón de la válvula está colocado en
posición “flujo para abrir”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para
extender” o “de acción directa” para que el conjunto sea falla cerrada. En este
actuador la presión de aire entra por la parte superior del diafragma y el resorte de
rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la
cámara opuesta para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara.

Tipos de Válvulas Reciprocantes

Válvula de Globo

Simple Asiento Doble Asiento

(no balanceada) (balanceada)

Figura 61. Válvula de Globo

Se les conoce con el nombre de válvula de globo por la forma del cuerpo de la
misma. Es el tipo de válvula reciprocante mayormente usada en la industria
petrolera. Se puede emplear en altas caídas de presión pero caudales medios a
bajos. Puede ser de simple asiento o de doble asiento.

Se dice que el simple asiento es no balanceado porque la diferencia de presión en la

válvula ejerce una presión sobre el tapón que debe ser manejada por el actuador y
F = ( P1 − P2 ) S
se conoce como “bench set”. Llamando F a esta fuerza y S la superficie del tapón:

En el caso de las válvulas de doble asiento o “v-port”, se dice que son balanceadas
porque la fuerza que el fluido ejerce sobre uno de los tapones es ejercida en sentido
contrario sobre el otro tapón, resultando nula la sumatoria de fuerzas por efecto del
fluido:
F = ( P1 − P2 ) S1 − ( P1 − P2 ) S 2 ≅ 0 ⇔ S1 ≅ S 2
En este caso el actuador normalmente es de menor tamaño porque no debe vencer
la fuerza ejercida por el proceso, por lo que se recomienda para altas caídas de
presión. El costo de esta válvula es mayor.

74
Válvula de Jaula

Figura 62. Válvula de Jaula.

La válvula de jaula es una variante de la válvula de globo, con la diferencia que el
trim es tiene forma de “jaula” o caja con pasajes internos a través de los cuales pasa
el fluido.

Por su configuración geométrica, esta válvula también puede manejar eficientemente

altas caídas de presión. Su desventaja es que no se recomienda en fluidos sucios o
altamente viscosos ya que podría ocurrir obstrucción de los pasajes internos del trim.

Válvula de Cuerpo Dividido

Figura 63. Válvula de Cuerpo Dividido.

La válvula de cuerpo partido o dividido tiene la particularidad que su cuerpo es

fácilmente separable para tener acceso a sus internos sin necesidad que sea
desmontada mecánicamente del proceso, por lo que se recomienda en procesos

75
donde se requiere cambio frecuente del asiento o del tapón, bien sea por variaciones
frecuentes en las condiciones del proceso o por la existencia de fluidos altamente
corrosivos y/o erosivos que demanden mantenimiento constante del trim.

Válvula Angular

Figura 64. Válvula de Cuerpo Angular.

El cuerpo esta diseñado con un ángulo de 90° entre la entrada y la salida. Es una de
las más usadas en servicios de alta caída de presión por su excelente desempeño
bajo esas condiciones.

Los fabricantes normalmente emplean este tipo de válvula con algunos trim
anticavitación como la mostrada en la figura.

76
Válvula de Tres Vías

Figura 65. Válvula de Tres Vías.

Las válvulas de tres vías como la mostrada en la figura pueden ser del tipo
convergentes o divergentes y, en consecuencia, con ellas se puede separar una
corriente en dos o se pueden mezclar dos corrientes en una sola. Estas son las
configuraciones cuando se emplea para control.

Existe otro tipo de válvula de tres vías que no se emplea control sino en forma on/off
para direccionamiento de fluidos, en las cuales la configuración típica es que el flujo
entra en la válvula y sale por solo una de los otras dos conexiones dependiendo de la
posición del vástago. Este es el caso de las empleadas en los múltiples de
producción de petróleo donde el flujo del pozo se direcciona a prueba o a producción
general.

77
Válvula Saunders

Figura 66. Válvula de Saunders.

La válvula de Saunders representada en la figura, consta de un diafragma que es

empujado por el actuador a través del vástago contra un vertedero en el cuerpo para
cerrar el área de flujo.

La construcción del cuerpo es de bajo costo y se puede fabricar de cualquier

aleación.

Se usa principalmente en servicios químicos, para aceite lodoso, para líquido con
partículas sólidas o sustancias altamente corrosivas.

Los límites de temperatura dependen del material del diafragma.

78
Válvula de Aguja

Figura 67. Válvula de Aguja.

La válvula de aguja posee un trim con forma cónica, normalmente de área muy
pequeña. Es ideal para caudales muy bajos por lo cual se emplea para dosificación
de productos químicos. Puede ser de cuerpo recto o angular.

Es común su aplicación en múltiples de inyección de gas o diluente, donde se

requiere un control de flujo preciso.

Tipos de Válvulas Rotativas

Válvula de Bola

Figura 68. Válvula de Bola.

79
Consta de un elemento giratorio esférico cuyo grado de giro determina la sección
transversal libre. En su posición de apertura total puede presentar mínima restricción
al flujo, por lo que utiliza en aplicaciones de alto caudal, pero no se recomienda para
altas caídas de presión ya que es más propensa a generar cavitación o ruido que
una válvula de globo.

Otro aspecto importante de esta válvula es que es recomendable cuando se requiere

alta hermeticidad, como es el caso de válvulas de corte (shut-down) y
despresurización (blow-down) especialmente en plantas de gas a alta presión. Su
costo es relativamente alto.

Válvula de Mariposa

Figura 69. Válvula de Mariposa Convencional.

La válvula convencional de mariposa consta de un disco que gira alrededor de un

eje; se requiere mínimo espacio para su instalación, y al igual que la de bola, posee
alta capacidad de flujo con mínima caída de presión; normalmente se le emplea en
servicios de baja presión.

Por la simplicidad del cuerpo es una de las válvulas más económicas.

Son muy comunes en sistemas de venteo y transferencia de gas en baja presión.

80
Válvula de Mariposa de Alto Desempeño

Figura 70. Válvula de Mariposa de Alto Desempeño.

La válvula de mariposa de alto desempeño tiene un disco con su eje descentrado

desde la línea de centros de la válvula, con lo que se obtiene un movimiento
excéntrico del disco cuando abre o cierra la válvula.

Una característica importante es que el disco solo hace contacto con el asiento unos
cuantos grados de rotación durante el cierre de la válvula; Esto reduce el desgaste
del sello y su deformación permanente.

Además, como el sello no tiene rozamiento contra el disco cuando la válvula está en
posición de estrangulación, se requiere baja torsión para su accionamiento, y por lo
tanto un actuador de menor tamaño o potencia.

Con esta válvula se puede obtener alta hermeticidad, por lo que se emplea en
aplicaciones similares a la válvula de bola.

Válvula de Tapón Excéntrico Rotativo (Camflex ®)

Figura 71. Válvula de Tapón Excéntrico Rotativo.

La válvula de tapón excéntrico rotativo es fabricada por Masoneilan International Inc.,
bajo el modelo Camflex II ®. Consta de un tapón rotativo cuyo asiento se encuentra

81
en uno de los laterales. El eje de rotación es excéntrico como se muestra en la
figura. Cuando la válvula está completamente cerrada, la superficie del tapón se
encuentra perpendicular a la dirección del flujo.

Esta válvula se ha venido empleando cada vez con mayor frecuencia en la industria
petrolera en aplicaciones de baja presión, por su versatilidad, simplicidad y excelente
desempeño.

Tipos de Actuadores

Actuador de Diafragma

Figura 72. Actuador de Diafragma Aire para Extender y Aire para Contraer.

En este actuador la presión de aire entra por la parte superior o inferior del diafragma
dependiendo si es aire para extender (acción directa) o aire para contraer (acción
inversa), y un venteo en la cámara opuesta para liberar o permitir la entrada de aire
en esa cámara. También posee un resorte “de rango” que ejerce una contrapresión
en sentido contrario. Se denomina “de rango” porque de su constante de elasticidad
dependerá el rango de presión que manejará el actuador, los rangos más comunes
son:
•3 a 15 psi
•6 a 30 psi
•7 a 15 psi
•7 a 24 psi
•21 a 54 psi
Tanto el resorte a emplear como el diámetro del actuador son los factores manejados
por los fabricantes para el diseño de los mismos en función de la máxima caída de

82
presión que deberán manejar, ya que como es conocido, a mayor área, mayor será
la fuerza ejercida por el actuador.

Actuador de Pistón

Figura 73. Actuador de Pistón.

El actuador neumático tipo pistón opera según idéntico principio físico que el de
diafragma pero en su lugar emplea un émbolo deslizante dentro de un cilindro recto.
Puede usar presiones de control más altas que un actuador de diafragma, por lo que
generalmente son de menor diámetro.

También suele ser más duradero que el de diafragma debido a que es menos
susceptible a perforaciones.
Actuador de Doble Acción

Figura 74. Actuador de Doble Acción.

El actuador neumático tipo pistón de doble acción posee igualmente un émbolo
deslizante dentro del cilindro, pero con la diferencia que no usa resorte de

83
contrapresión sino que esta función es realizada con presión de aire en la cámara
opuesta, controlado todo por un posicionador.

Una de sus principales aplicaciones es para operaciones donde se requiere manejar

caídas de presión muy grandes o válvulas de gran tamaño.

Actuador de Eléctrico

Figura 75. Actuador Eléctrico.

Este tipo de actuador posee un motor eléctrico que ejerce el movimiento necesario
para desplazar el vástago de la válvula.

Se puede usar para control continuo pero su aplicación más común es en servicios
on/off en válvulas de compuerta especialmente las de diámetros grandes, donde la
apertura manual es lenta y forzada.

Normalmente se alimentan eléctricamente en 480 VAC, y la señal de control puede

ser a dos o a siete hilos.

El control a dos hilos involucra el intercambio de información mediante un protocolo

de comunicaciones manejado por una maestra de actuadores u otro dispositivo
inteligente de control. Este sistema es muy práctico cuando se desean controlar
varios actuadores.

El control a siete hilos no es más que un bus con un conductor para cada señal de
control requerida para su acción bien sea del sistema de control hacia la válvula o
viceversa.

84
Actuador Electro Hidráulico

Figura 76. Actuador Electro Hidráulico

El actuador electro-hidráulico ejerce el movimiento del vástago de la válvula basado

en la acción de la presión de aceite sobre un émbolo. Es controlado por
servomecanismos los que a su vez son manejados por un sistema electrónico que
los controla y se comunica con el sistema inteligente.

La utilidad de este actuador es que puede manejar torques de gran magnitud, pero
su costo es muy alto en comparación con otro tipo de actuadores.

3.4 CONCEPTOS TÉCNICOS

En esta sección se definirán y detallarán conceptos importantes para comprender el

funcionamiento de una válvula de control y que a su vez son de manejo
indispensable para el cálculo de la capacidad, para determinar posibles problemas
en su funcionamiento, o para evaluar si una válvula está bien especificada para un
proceso determinado.

85
Característica de Flujo:

La característica de flujo de una válvula de control se define como la relación entre el

flujo que pasa a través de la válvula y la posición de la misma conforme varía la
posición de 0 a 100 %.

Esta característica puede variar en las válvulas de control dependiendo de su

aplicación. Existen tres tipo fundamentales de característica de flujo: lineal, apertura
rápida e igual porcentaje. Algunos fabricantes han hecho variantes para aplicaciones
especiales.

La característica de flujo lineal produce un flujo directamente proporcional al

desplazamiento o posición de la válvula, por lo que su representación gráfica es una
línea recta. Ejemplo: con un 60 % de apertura, se tiene un 60% del flujo máximo.

La característica de flujo apertura rápida produce un gran flujo con un pequeño

desplazamiento de la válvula. La curva es casi lineal en la primera parte, con
pendiente pronunciada. No es recomendable para control regulatorio ya que no
afecta el flujo en la mayor parte de su desplazamiento. Por esto suele usarse para
servicios on/off y en especial en válvulas de despresurización donde se requiere
desplazar altas cantidades de flujo de manera rápida.

La característica de flujo igual porcentaje produce un cambio muy pequeño en el flujo

al inicio del desplazamiento de la válvula, pero aumenta considerablemente a medida
que ésta se acerca a su apertura máxima.
A A
PORCENTAJE DE FLUJO %

ID R
AP U
R ERT
AP

L
A
NE
LI

JE
EN A L
TA
RC GU
POI

POSICIÓN DE LA VÁLVULA %

Figura 77. Tipos de Característica de Flujo

“Igual porcentaje” significa que para incrementos iguales en el desplazamiento de la

válvula, el cambio del flujo respecto a éste, es un porcentaje constante de la tasa de

86
flujo en el momento del cambio. Por ejemplo cuando la posición de la válvula se
incrementa en 1% al pasar la posición de 20% a 21%, el flujo se debe incrementar en
1% respecto al flujo que tenía en 20%, si la posición de la válvula se incrementa en
1% al pasar la posición de 60% a 61%, el flujo se debe incrementar en 1% respecto
al flujo que tenía en 60%.

APERTURA IGUAL
LINEAL
RAPIDA PORCENTAJE

Figura 78. Configuración Geométrica del Trim

La característica de flujo de una válvula es definida por la configuración geométrica

del trim de la misma. En la figura anterior se aprecia la diferencia entre cada una de
las características de flujo mencionadas para el caso de una válvula de jaula.

Una de los puntos más importantes que se deben definir cuando se diseña o se
evalúa una válvula de control, es el tipo de característica de flujo apropiada al
proceso específico.

El método ideal para determinarla es mediante un análisis dinámico del proceso, que
con la ayuda de simuladores se puede determinar la característica que ofrece una
mejor respuesta en el transitorio de una perturbación ofreciendo una mejor
estabilidad del sistema. Sin embargo, la limitación de este método es que requiere
del modelo matemático del sistema o de su función de transferencia, además de
análisis de ingeniería complejos que muchas veces no se disponen de los recursos
para su realización.

Producto de estos análisis en procesos de propiedades análogas, se han tipificado

los tipos de característica de flujo más idónea para cada uno, dependiendo también
de la magnitud de la caída de presión.

La tabla mostrada funciona muy bien y puede servir de gran ayuda al momento de
diseñar o evaluar una válvula de control.

87
 ∆ P de V á lvula ∆ P de V á lvula
S ERV ICIO m e nor de 2:1 m a yor de 2:1 y
m e nor de 5:1
Flujo por orficio A pertura rápida Lineal
Flujo lineal Lineal Igual %
Nivel Lineal Igual %
Gas a pres ión Lineal Igual %
Líquido a pres ión Igual % Igual %

Figura 79. Reglas Empíricas para Selección de la Característica de Flujo

Coeficiente de Flujo (Cv)

Se define como Cv a la cantidad de galones U.S. por minuto de agua que fluyen a
través de una válvula completamente abierta con una caída de presión de 1 psi en la
sección transversal de la misma. Su ecuación básica es:
ecuación básica es:
Gf
CV = q
∆P
q = flujo de líquido, en gpm
∆P = caída de presión en la válvula, en psi
G f = gravedad específica del líquido a la temp. que fluye.

El dimensionamiento de una válvula de control no es más que el procedimiento

mediante el cual se calcula el coeficiente de flujo de una válvula, Cv. Este coeficiente
es el más usado y aceptado por la mayoría de los fabricantes, siendo usado por
primera vez por Masoneilan International Inc., en 1944.

Una vez que se calcula el Cv y se ha determinado el tipo de válvula que se empleará,

se puede obtener el tamaño de la válvula con base en el manual del fabricante.

Para ejemplificar la definición descrita de Cv: a través una válvula Cv máximo de 120
deben pasar 120 gpm de agua cuando ésta se abre completamente y existe una
caída de presión de 1 psi.

Es importante tener en cuenta que cuando se dice que una válvula es de un Cv

determinado, se está refiriendo al máximo Cv, es decir, a 100% de apertura. En la

88
medida que la válvula se cierra su Cv disminuye de la misma manera que lo hace en
la gráfica de característica de flujo vs recorrido. En las tablas de capacidad de la
válvula, los fabricantes especifican el Cv cada 10% de apertura normalmente.

Para fluidos compresibles la ecuación es la siguiente:

Q = flujo de gas, scfh

T = Temperatura del fluido, en °R
Q GTZ G = gravedad específica del gas
CV =
834C f P1 ( y − 0.148 y 3 ) Z = Factor de compresibilidad
1.63 ∆P
y=
Cf P1
función de compresibilidad

La diferencia más importante entre fabricantes se encuentra en las ecuaciones de

dimensionamiento de fluidos compresibles y surge a raíz del modo en que expresa o
considera el fenómeno de flujo crítico, que será estudiado más adelante.

La ecuación presentada en este caso corresponde a la de Cv propuesta por el

fabricante Masoneilan International Inc.

Coeficiente de Flujo para Gases (Cg)

Fisher Controls otro de los principales fabricantes de las válvulas de control que se
utilizan en la industria. Para el caso de líquidos, este fabricante también emplea el
coeficiente Cv, pero en el caso de gases difiere de Masoneilan International Inc.,
introduciendo otro factor conocido como Cg, cuyo concepto se deriva de la Ecuación
Universal para dimensionamiento de gases. Su ecuación es:

Qscfh
Cg =
520  59.64 ∆P 
P1  
GT  C1 P1 

Sin embargo existe una relación directa entre Cv y Cg en el caso de gases, que
permite determinar uno a partir del otro, lo que permite comparar la capacidad de las
válvulas cuyos fabricantes empleen diferentes coeficientes. Esta relación será
definida más adelante.

Perfil de Presiones a Través de una Restricción

89
Cuando un fluido atraviesa una restricción cualquiera en una tubería ocurre una
caída de presión, pero no ocurre un cambio instantáneo de P1 a P2, sino que
describe un fenómeno como el representado en la figura, la cual se conoce como
perfil de presiones y es la representación del comportamiento de la presión del fluido
cuando atraviesa una restricción o la sección transversal de la válvula.

En la figura se puede apreciar que inmediatamente después del área menor sección
transversal (área de puerto de una válvula de control) se obtiene el punto de menor
presión dentro del perfil, punto en cual también ocurre la velocidad máxima del fluido.
Este punto es conocido como vena contracta. Dependiendo de la geometría o
configuración del trim de la válvula, la forma del perfil de presiones podrá variar de tal
manera que alcancen diferentes presiones y velocidades en la vena Cuando la
presión baja considerablemente en este punto se dice que la válvula posee
recuperación baja, como es el caso de válvulas de globo, angulares o v-port. En
estos casos la válvula se desempeña mejor para altas caídas de presión. Si la
presión no baja considerablemente en este punto se dice que la válvula posee
recuperación alta, como es el caso de válvulas de mariposa y bola. En estos casos la
válvula se desempeña mejor para bajas caídas de presión.

P1

P2 - RECUPERACION ALTA

P2 - RECUPERACION BAJA

VENA CONTRACTA

Figura 80. Perfil de Presiones a Través de una Restricción

Factor de Recuperación de Líquidos (FL, Cf, Km, C1)

El término FL es el empleado en la nomenclatura ISA, Cf es usado por Masonelinan

International Inc., y Km por Fisher Controls, pero los tres son equivalentes.

90
Una válvula con baja recuperación tiene un FL mayor por lo tanto, como se dijo
anteriormente, es más favorable para procesos con altos delta P. más se acerca a 1,
mejor es la recuperación de presión. La válvula ideal tiene FL = 1

Para el caso de fluidos compresibles, Fisher Controls emplea el factor C1, que a su
vez define la relación entre Cv y Cg, de acuerdo a la siguiente expresión:

Cg
C1 =
CV
Normalmente el valor de C1 está comprendido entre 33 y 38.

La ecuación que define este factor viene dada por:

P1 = Presión aguas arriba

P1 − P2
FL = P2 = Presión aguas abajo
P1 − PVC PVC = Presión en la vena contracta

Con esta ecuación queda demostrado lo anteriormente expuesto sobre el FL ideal.

Aquí se observa que si la presión en la vena contracta es igual a P2, entonces FL=1.

De igual forma, mientras más por debajo de P2 se encuentre Pvc, menor será el
factor de recuperación de líquidos, y por lo tanto la válvula será menos conveniente
para aplicaciones con altas caídas de presión.

Cavitación / Flashing

Flujo Crítico

Cuando a través de una válvula de control ocurre una caída de presión relativa alta
(delta P mayor que la mitad de P1), se debe tener especial atención el análisis de la
válvula, porque existe la posibilidad que existan fenómenos físicos relacionados a
cambios de fase, que desvíen el comportamiento de la válvula de su funcionamiento
ideal. Por lo tanto, en esos casos se hace necesario determinar cual es el valor
exacto de la caída de presión en la que se pudiesen a comenzar a formar esos
fenómenos, dicho valor es conocido como delta P crítico, que viene definido por:

91
 ∆PCRIT . = FL2 (∆PS )

Donde ∆Ps para la mayoría de los casos se puede aproximar a:

∆PS = P1 − PV

Donde Pv es la presión de vapor del fluido.

Flashing o Vaporización Instantánea

P1

PV

P2

VENA CONTRACTA

Figura 81. Ocurrencia de Flashing

La vaporización instantánea también conocida como flashing ocurre cuando la

presión en la vena contracta se hace inferior a la presión de vapor del fluido, y se
mantiene por debajo, generándose un cambio de fase instantáneo dentro de la
válvula, de líquido a gas.

Además de producir daño físico a la válvula, el flashing tiende a disminuir la

capacidad de flujo de la válvula. A medida que se forman las burbujas se tiende a
formar una condición de obstrucción hasta el punto de agravarse de tal manera que
puede ocurrir el “flujo tapón”, en el cual un incremento en el delta P no reflejará un
aumento del flujo, es decir, la ecuación mostrada para Cv ya no tendría validez.

92
Cavitación

P1

P2
PV

VENA CONTRACTA

Figura 82. Ocurrencia de la Cavitación.

Si la recuperación que experimenta el líquido es suficiente como para elevar la

presión aguas abajo nuevamente por encima de la presión de vapor del líquido,
entonces las burbujas de vapor comienzan a colapsar o a implosionar, lo cual se
conoce como cavitación. La energía que se libera durante la cavitación produce
ruido como si fuera grava a través de la válvula.

En las válvulas de vástago rotatorio como la de mariposa o de bola, que poseen alta
recuperación o bajo FL suelen ser más propensas a generar cavitación que las
reciprocantes como las de globo o cuerpos angulares.

Ruido

Flujo Crítico en Gases

Así como en los líquidos existe el flujo crítico cuando la caída de presión a través de
la válvula es muy grande, igualmente en los gases aplica un concepto de flujo crítico
que en este caso ocurre al alcanzar la velocidad sónica en la vena contracta.

Masoneilan International Inc., emplea la función de compresibilidad “y” para definir el

flujo crítico:

1.63 ∆P
y=
Cf P1
Cuando “y” alcanza un valor igual a 1.5, existe la condición de flujo crítico, por debajo
de éste, es sub-crítico.

Para Fisher Controls, el flujo crítico se determina mediante:

93
  59.64  ∆P 
sen   
  C 1  P1  rad

Cuando el argumento del seno alcanza un valor igual a π/2, existe flujo crítico, por
debajo de éste, es sub-crítico

El ruido generado en una válvula de control puede ser de dos tipos, aerodinámico e
hidrodinámico.

El ruido aerodinámico ocurre en fluidos compresibles y es el resultado directo de la

conversión de energía mecánica en energía acústica cuando el fluido pasa a través
de la restricción de la válvula. Si el flujo es subcrítico (velocidad del flujo en la vena
contracta < velocidad sónica) el ruido es producido por la intensa turbulencia creada
aguas debajo de la vena contracta. Para flujo crítico (velocidad del flujo en la vena
contracta >= velocidad sónica) se adiciona el ruido generado por la interacción entre
la turbulencia y las ondas de choque desarrolladas por la velocidad del flujo crítico.

DURACIÓN DE LA
EX P OS ICIÓN Nive l de Ruido (dBA)
(HRS )

8 90
4 95
2 100
1 105
1/2 110
1/4 o m enos 115

Figura 83. Ruido Permisible.

En aplicaciones con líquidos ocurre el ruido hidrodinámico. En el flujo subcrítico se

genera de la turbulencia del líquido y en el flujo crítico, se adiciona el generado bien
sea por el flashing o por la cavitación. En especial esta última puede generar ruido de
alta intensidad.

Efecto del Flujo Crítico en el Cálculo de Cv y Cg

Cuando existe flujo crítico, las ecuaciones para el cálculo de Cv y Cg se modifican

para líquidos a:

94
 q Gf
CV =
Cf ∆PS
Y para fluidos compresibles:

Qscfh
Q GTZ Cg =
CV = 520  59.64 ∆P 
834C f P1 P1 sen  
GT  C1 P1  rad

Para el caso de líquidos se observa que a diferencia del caso sub-crítico, se debe
tomar en cuenta el Cf y emplear ∆Ps en lugar de ∆P.

En fluidos compresibles, en el caso de los fabricantes que emplean Cv, su ecuación

se reduce ya que para flujo crítico (y=1.5): se tiene que:

y − 0.148 y 3 = 1

En el caso de los fabricantes que emplean el término Cg para fluidos compresibles,

la ecuación se reduce es para el caso de flujo sub-crítico, es decir, para condiciones
bastante por debajo del flujo crítico:

 59.64  ∆P   59.64  ∆P
sen    ≅  
  C 1  P1  rad  C 1  P1

4Ejercicio de ∆ P Crítico
1.-Se tiene una válvula de control Camflex II, en la
descarga de una bomba de agua. Si la presión de
descarga de la bomba es 350 psig, determinar el
mínimo valor de P2 antes que exista flujo crítico. La
presión crítica del agua es 3198.8 psia y la presión de
vapor es 0.9501 psia. Asumir para este tipo de válvula
Cf = 0.85.

95
Primero que nada se debe calcular ∆Ps:

∆PS = 364.7 − 0.9501 = 363.75

Luego, aplicando la ecuación de flujo crítico:

∆PCRIT = 0.85 2 (363.75) = 262.81 psi

∆P = P1 − P2 ⇒ P2 = P1 − ∆P

P2 = 364.7 − 262.81 = 101.89 psia

Por lo tanto, para que no exista flujo crítico, se debe cumplir que:

P2 ≥ 87.19 psig

3.5 SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROL

En esta sección se detallará el procedimiento a seguir para calcular la capacidad de

una válvula de control, bien sea para fines de diseño o para evaluar una válvula
existente en un proceso determinado.

Es importante destacar que el manejo de la información técnica descrita hasta ahora

es vital para realizar un dimensionamiento efectivo de la válvula en cualquier
variedad de casos que se puedan presentar.

Igualmente, se recomienda conocer y manejar bien el método de cálculo en forma

manual, para poder manejar efectivamente cualquier software de dimensionamiento
que se tenga disponible.

En esta sección, el método manual se basará en ejemplos simples dadas las

características del curso, pero también se manejarán los software de
dimensionamiento de los fabricantes Fisher Control y Masoneilan International Inc.,
con los que se obtendrá mejor precisión en los cálculos con problemas más
específicos para visualizar los casos más frecuentes.

Consideraciones de Diseño

- Criterios para el cálculo

El dimensionamiento de una válvula de control es el procedimiento mediante el cual

se calcula el coeficiente de flujo requerido de la válvula Cv o Cg.

96
Una vez determinado el tipo de válvula a emplear y su acción o tipo de falla, continúa
el cálculo del coeficiente de flujo de la válvula. Esta es la información más importante
para obtener el tamaño de la válvula con base a los catálogos del(los) fabricante(s),
luego se especifica y dimensiona el actuador y accesorios.

Se deben determinar las condiciones mínimas, normales y máximas para el cálculo

de la válvula:

PORCENTAJE DE CONDICIONES DE
AP ERTURA (%) PROCES O

15 M ÍNIM A S

50-60 NORM ALES

85 M ÁXIM A S

Para realizar un dimensionamiento efectivo y preciso de una válvula de control es

recomendable disponer de las condiciones de operación mínimas, normales y
máximas, en cuyo caso se debe diseñar para que la válvula opere dentro de los
porcentajes de apertura indicados en la tabla anterior.

Estos porcentajes de apertura sugeridos para las diferentes condiciones de

operación no deben ser necesariamente en valores exactos los indicados en la
tabla, aquí muchas veces prevalece el criterio del diseñador según las características
del proceso, de hecho, es difícil encontrar una válvula de control que se adapte
exactamente a estos porcentajes, por ese motivo se trabaja con aproximaciones.

Cuando solo se dispone de las condiciones normales de operación se puede asumir

que:

qmax diseño = 2qrequerido

Hay ocasiones en las que no se dispone de la información de proceso para

condiciones mínimas, normales y máximas, es esos casos se suele establecer la
relación indicada para estimar el flujo máximo ya que así se garantiza mejor
rangoabilidad en torno al punto de operación, es decir, la válvula tendrá
aproximadamente igual capacidad de manejo del flujo si las condiciones varían en
incremento o decremento.

Ocurre con cierta regularidad que se instala una válvula la cual opera en óptimas
condiciones, pero luego ocurren variaciones en las condiciones de proceso
(normalmente un mayor flujo) que demandan una mayor capacidad, quedando a
veces insuficiente la válvula.

97
Si es predecible que ocurra lo indicado, se recomienda instalar trim reducido en una
válvula de mayor tamaño, de esta manera se evitaría el cambio futuro del cuerpo
completo de la válvula, sólo sería necesario cambiar del trim de la misma.

Cuando se instala una válvula “full-trim” se debe estar seguro que las condiciones de
proceso no demandarán a futuro una capacidad mayor a la que pueda manejar la
válvula.

Dimensionamiento de la Válvula

El tipo de acción de una válvula de control es el primer paso y el más importante, ya

que el mismo está ligado a las condiciones de seguridad de la instalación. Este se
define dependiendo del proceso y la función de la válvula, escogiendo el caso
“menos desfavorable” entre una falla de la válvula completamente abierta o cerrada.
Por ejemplo, en una válvula de control de venteo de gas debe fallar abierta, en la
alimentación de gas combustible a un horno debe fallar cerrada, en la recirculación
de una bomba debe fallar abierta.

Igualmente se debe predefinir el tipo de válvula en función de sus características ya

descritas y del proceso a manejar, es decir, si se requiere manejar altas caídas de
presión se debe instalar una tipo globo o angular, si se requiere manejar bajos delta
P y altos flujos se debe instalar una de mariposa o bola, si van a manejar flujos muy
bajos se debe instalar una válvula de aguja, etc.

Seguidamente se determina cual es el sentido de flujo más conveniente para el

proceso en función de la seguridad, si es mejor que el flujo haga cerrar el tapón (flujo
para cerrar) o que lo haga abrir (flujo para abrir).

El rating se determina por el rango de presión estática a manejar que según ANSI
pueden ser 300, 600, 900, 1500, 2500.

Es importante determinar previamente el tipo de característica de flujo de la válvula,

para garantizar desempeño óptimo de la válvula en todo el rango de operación.
Existen diferentes tablas de capacidad en cada caso ya que, tal como se analizó, la
forma en que varía el coeficiente de flujo en cada una, es diferente. Se puede
emplear el método empírico señalado para su determinación.

Luego se procede a calcular el coeficiente de flujo mediante las ecuaciones ya

analizadas para cada grupo de condiciones de proceso, es decir, para el caso
mínimo, normal y máxima. Aquí es importante conocer las propiedades físicas del
fluido y determinar previamente si existe flujo crítico, tomando en cuenta el Cf, FL o
Km.

98
Una vez cumplidos todos los pasos anteriores, se debe buscar en los catálogos las
tablas de capacidad de la válvula, los cuales presentan los valores de los
coeficientes de flujo en función de los porcentajes de apertura para los diferentes
tamaños existentes. En estas tablas se determinará el tamaño que se adapte a los
coeficientes de flujo calculados para las condiciones de proceso.

Tabla de capacidades de una válvula:

Figura 84. Ejemplo de Tabla de Capacidades de una Válvula.

Aquí se muestra una sección de una típica tabla de capacidades de una válvula de
control, donde se observa toda la información que se ha mencionado, para este caso
la tabla corresponde a una válvula marca Masoneilan, serie 35002 (Camflex II),
característica de flujo lineal, ANSI 150 a 600. Se indican los FL para cada porcentaje
de apertura dependiendo si es flujo para abrir o para cerrar.

Se observa que para cada tamaño de cuerpo hay diferentes diámetros de trim.
Finalmente en el rango de Cv es que se determina el tamaño óptimo.

Dimensionamiento del Actuador

99
 Figura 85. Ejemplo de Tabla de Capacidades de Actuadores.

El tamaño del actuador depende básicamente de la caída de presión que deberá

manejar, el tamaño de la válvula y la presión de control y de suministro disponible
(supply).

El método más fácil y directo de determinar el tamaño adecuado del actuador e

dirigiéndose a las tablas de delta P permisible de la válvula de control previamente
seleccionada. Estas tablas varían su estructura de acuerdo al fabricante y tipo de
válvula.

En el caso de la sección de tabla mostrada, se presenta la capacidad de manejo de

diferencial de presión para un actuadores tipo 37/38 para válvulas Masoneilan serie
21000, en función de los posibles valores de presión de control y para cada tamaño.

Ejemplos de Dimensionamiento

100
 Problema 1
En la salida de agua de un equipo deshidratador se
va a instalar una válvula para controlar el nivel de
interfase crudo-agua, la cual descarga a un sistema
de aguas efluentes. Se desea dimensionar la válvula
requerida, según las condiciones de proceso:
M IN NOR M AX
FLUJO (B P D) 1000 5000 20000
P1 (PS IG) 60 90 125
P2 (PS IG) 50 75 90
Grav. E spec ífic a del agua = 1

Siguiendo los pasos indicados se tiene:

1.- Tipo de falla debe ser cerrada ya que el caso más desfavorables es pase de
crudo al sistema de agua.
2.- El sentido de flujo debe ser “flujo para cerrar” y rating ANSI 300. Puede ser 150
pero las normas PDVSA exigen mínimo 300 en válvulas de control.
3.- La característica de flujo debe ser lineal, según las reglas empíricas estudiadas.
4.- Pasando el flujo a gpm y empleando la ecuación básica para el Cv para líquidos
en cada caso se obtiene:

MIN NOR MAX

flujo en gpm 29,17 233,33 583,33
Cv 9,22 60,25 98,60

5.- Revisando el catalogo (ver apéndice 1) para una válvula Camflex II, se observa
que la que mejor se adapta a estas condiciones es una de 3” full trim.

101
 4 Empleando el software:

Problema 2
Se requiere calcular una válvula de control de
presión a la entrada de un múltiple de gas-lift. Se
desea dimensionar la válvula requerida según las
condiciones de proceso: (Asumir gas ideal)
M IN NOR M AX
FLUJO (M M P CND) 0,9 8 17
P 1 (P S IG) 1300 1450 1500
P 2 (P S IG) 1250 1250 1250
TE M P (°F) 90 100 110
Grav. E spec ífic a del gas = 0,62

Este problema corresponde al cálculo para el servicio de gas, el cual para este caso
se realizará mediante el software de uno de los fabricantes, Fisher Controls o
Masoneilan International Inc.

Se observa que P2 se mantiene constante en las tres condiciones ya que es el punto

o set de control de la válvula.

Problema 3
Una bomba de 12 MBD, transfiere crudo 29 API. Se
instalará una válvula de recirculación para mantener
constante la presión de descarga. Diseñar la válvula
si las condiciones de proceso son las siguientes:

NOR
P 1 (P S IG) 350
P 2 (P S IG) 80
TE M P (°F) 90
P v (P S IA ) 1,21
P c (P S IA ) 2265
V is c .(Cp) 19,5

La situación planteada en este problema suele ser muy usual en muchas

aplicaciones de la industria. También será calculado mediante software.

Se observará que el proceso se encuentra cercano a la cavitación, por lo cual se

debe ser cuidadoso en el tipo de válvula que se seleccionará.

102
 Problema 4
En la descarga de un sistema de bombeo de agua
hacia pozos inyectores, se encuentra instalada una
válvula Masoneilan serie 41000 de 6” full trim, igual
porcentaje, manejando un flujo de 130 MBD a 120°F.
La válvula se diseñó con P1=1200 psig y P2=900
psig. Por obstrucciones en los pozos, P2 se ha
incrementado a 1100 psig. Determinar que efecto
ocurre sobre la válvula. Utilizar el software de
Masoneilan. ¿Que acción recomendaría para corregir
este problema?.

En este problema se muestra una de las tantas variantes que pueden ocurrir en
cualquier proceso, en los que constantemente pueden cambiar las condiciones de
proceso.

Estos cambios a veces no se les da la importancia requerida, pero en muchos casos

pueden afectar gravemente el proceso. En este problema se observará que una
variación no muy grande en P2 ocasiona problemas en el sistema.

Suele ocurrir que en los procesos cambia el flujo, la gravedad específica, las
presiones, temperatura, etc. Cuando esto ocurre es necesario analizar el efecto
sobre la capacidad de la válvula, puede ser que el problema sea del proceso y no de
la válvula en sí. A pesar que las válvulas se diseñan para que sean capaces de
manejar un rango determinado en las variables de proceso, hay algunas variaciones
que cuando ocurren en conjunto pueden afectar significativamente la capacidad.

103
 Problema 5
Se necesita una válvula para operar con gas en las
condiciones indicadas abajo. Obtener la dimensión de
la válvula para un factor de sobrediseño de 2:

NOR
FLUJO (sc fh) 55000
P 1 (P S IG) 110
P 2 (P S IG) 11
TE M P (°C) 40
Grav. E s pec ífica del gas = 1,54

Este es un sencillo caso de dimensionamiento para fluidos compresibles donde es

importante tomar en cuenta uno de los criterios mencionados en cuanto al factor de
sobrediseño cuando se dispone solo de las condiciones normales.

También es importante en este caso verificar la condición de flujo crítico dada la

caída de presión existente en la válvula.

104
CAPITULO IV

TEORÍA DE CONTROL

4.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se estudiarán los conceptos básicos necesarios para conocer y

comprender el mundo de los sistemas de control y de todos los elementos que los
componen y que de manera integral se encargan del control de procesos en las
instalaciones industriales.

Se estudiarán inicialmente conceptos básicos importantes, luego se establecerán los

tipos más comunes de sistemas y lazos de control en la industria, así como sus
componentes.

Así mismo, se estudiará la representación de sistemas de control mediante

diagramas de bloques, para lo cual será necesario conocer el concepto de función de
transferencia, lo cual es base para analizar cualquier sistema.

Se revisarán también los controladores neumáticos y electrónicos más comunes, sus

componentes, teoría de funcionamiento y su operación. Finalmente, se analizarán las
más comunes acciones de control, donde se le dará especial importancia a la
compresión de las acciones proporcional, integral y derivativa y a los métodos
prácticos de entonamiento de los lazos de control para garantizar su estabilidad ante
cualquier perturbación.

200°F
VALOR DESEADO = 200°F
CRUDO
Qi

GAS

Figura 86. Ejemplo de Lazo de Control.

105
En cualquier planta industrial siempre existen variables que afectan directamente el
proceso y por lo tanto el funcionamiento óptimo de la misma. En la maypría de las
plantas industriales las variables más comunes son presión, flujo, nivel y
temperatura, las cuales en todos los casos poseen rangos y puntos de operación que
deben mantenerse para que las instalaciones operen de manera confiable y segura.
En sus inicios, el control era realizado manualmente por operadores quienes se
encargaban de abrir o cerrar válvulas para mantener los procesos dentro de los
parámetros, lo cual generaba graves accidentes y múltiples problemas operacionales
además de los altos costos y desgaste humano.

Luego nacieron los sistemas automáticos de control, que han venido avanzando
técnicamente en forma exponencial hasta los sistemas inteligentes que hoy
conocemos. Con ellos se logra mantener en valores constantes las variables de
proceso y dentro de los rangos o puntos deseados con tiempos de respuesta muy
rápidos ante cualquier perturbación y garantizando la estabilidad del sistema en esos
casos.

Como se observa en el caso de la figura, a fin de ejemplificar, en un horno de

calentamiento de crudo la variable que desea ajustar es la temperatura de salida, y
se dice que el sistema está operando bien cuando dicha temperatura es igual a su
valor deseado.

Razones para el Control de Procesos

SEGURIDAD COSTOS
CALIDAD

Figura 87. Razones para el Control de Procesos.

106
La importancia de mantener la variable controlada en el punto de control a pesar de
las perturbaciones, se debe fundamentalmente a tres grandes razones que han sido
producto de la experiencia industrial. Tal vez no sean las únicas, pero si las más
resaltantes:

1.-Seguridad: se evitan lesiones al personal que labora en la planta o a los

equipos existentes en ella. La seguridad debe ser siempre el factor más
importante al diseñar, modificar o evaluar sistemas de control.

2.-Calidad: en segundo lugar de importancia se tiene mantener la calidad del

producto (composición, pureza, color, dureza, espesor, etc.) en un nivel
continuo y a bajo costo.

3.-Costos: evidentemente un adecuado control de procesos permitirá un

mejor aprovechamiento de los insumos requeridos por la planta y por lo
tanto optimizará sus costos de operación, incrementando su eficiencia y
gananciales.

4.2 TÉRMINOS IMPORTANTES EN CONTROL DE PROCESOS

CRUDO
Qi CRUDO
Qo
SEÑAL
ELEMENTO FINAL TT
SENSOR
DE CONTROL
TRANSMISOR

GAS
TC CONTROLADOR

Figura 88. Componentes de un Sistema de Control.

Retornando al ejemplo del horno de calentamiento de crudo, se observa que se ha

representado el esquema básico requerido para poder efectuar el control de la
temperatura de salida de crudo en forma automática. Los componentes mostrados
son los siguientes:

107
 1.-Sensor: también conocido como elemento primario, es el encargado de
traducir el valor de una variable de proceso a otra variable que pueda ser
interpretada por el elemento secundario.

2.-Transmisor: también conocido como elemento secundario, su función

tomar la lectura generada por el sensor y convertirla en una señal transmisible
con los niveles adecuados de potencia eléctrica, neumática o electrónica.

3.-Controlador: es el “cerebro” del lazo de control. Es allí donde se toma la

decisión de la acción de control a ejecutar en función de la señal recibida por
el transmisor.

4.-Señal: Es el medio por el cual se transmite la información bien sea del

transmisor al controlador o del controlador al elemento final de control:

5.-Elemento final de control: En los casos más comunes es una válvula de

control, pero también puede ser un motor, un variador de frecuencia, etc. Es
quien ejecuta la acción de control directamente al proceso.

Operaciones Básicas de Todo Sistema de Control

Según lo analizado en el diagrama de control del horno de calentamiento de crudo

existen tres operaciones básicas, medición, decisión y acción. Es fácilmente
deducible que elemento realiza cada una de las operaciones básicas mencionadas,
las cuales siempre estarán presentes en todo sistema de control,
independientemente de su complejidad o tecnología empleada.

La medición es la conversión de un valor de una señal de proceso (presión, nivel,

flujo, etc.) en una señal que puede ser neumática, eléctrica o digital en valor
escalado (3-15 psi, 4-20 mA, etc.)

La decisión consiste en la selección de la acción mas apropiada que se deberá

efectuar y en que cantidad y velocidad. Básicamente resulta de una comparación
entre el valor deseado y el valor real medido.

La acción es la modificación que se efectúa sobre determinada variable del sistema

para obtener como resultado que el valor medido se acerque más o sea igual al
valor deseado.

108
Variables Involucradas en un Sistema de Control

VARIACION DE Qi =
PERTURBACIÓN Qg

Qi
NIVEL = VARIABLE CONTROLADA

LT LC SET-POINT = 2 PIES

FLUJO = VARIABLE
MANIPULADA

Qo

Figura 89. Variables en un Sistema de Control.

Otros términos empleados en el campo del control de procesos son los aplicados a
las variables involucradas en el sistema. Para simplificar, se estudiará en base al
ejemplo precedente y al horno de calentamiento previamente mostrado.
1.-Variable controlada: es que se debe mantener o controlar para la
operación óptima del proceso. En este caso es el nivel de líquido. En el caso
del horno es la temperatura de salida.

2.-Variable manipulada: es la se modifica mediante el elemento final de

control a fin de mantener la variable controlada en punto de control. En este
caso es el flujo de salida y en el caso del horno es el flujo de gas al quemador.

3.-Punto de control: también conocido como “set-point” es el punto de ajuste

o valor deseado para la variable controlada. En este caso el set-point es 2 pies
de nivel, en el horno es 200°F en la salida de cru do.

4.-Perturbaciones: son variables que ocasionan que la variable controlada se

desvíe del punto de control, pueden ser de diferente índole. En este caso
pueden ser el flujo de entrada, la relación gas-petróleo, viscosidad del crudo,
etc. En el horno, puede ser flujo de entrada, temperatura de entrada, calidad
del gas, etc.

109
Otros Términos Importantes

El estado estacionario también es conocido como régimen permanente y es

alcanzado cuando todas las señales están estables, lo que involucra que la
normalmente variable controlada es igual o cercana al punto de ajuste.

Cuando en un sistema ocurre una perturbación, responde ante ella dependiendo de

su naturaleza y su esquema de control, hasta finalmente entrar de nuevo es estado
estacionario, ese período de tiempo es conocido como transitorio de un sistema.

La constante de tiempo (τ) guarda relación con la velocidad de respuesta de un

proceso, y se define como el tiempo en alcanzar el 63,2% del cambio total luego de
una perturbación. Todos los sistemas pueden tener diferentes constantes de tiempo,
en algunos de ellos el transitorio es mucho mas lento (constante de tiempo grande) y
en otros más rápido (constante de tiempo pequeña). Este parámetro es el que define
la “personalidad” del proceso.

Cuando un sistema es afectado por una perturbación, existe un retardo entre la

ocurrencia de la misma y la modificación en su salida o variable controlada, este
retardo se conoce como tiempo muerto y se representa por to.

La estabilidad es una característica muy importante en todo sistema ya que define

la capacidad del mismo de mantener la salida limitada para una entrada limitada.
Mientras más estable es un sistema, oscila menos ante una perturbación,
alcanzando más fácilmente el estado estacionario.

La ganancia (K) indica cuanto cambia la variable de salida por unidad de cambio de
la variable de entrada, es decir:

∆O ∆ variable de salida
K= =
∆I ∆ variable de entrada
La función de transferencia debe su nombre a que con la solución de la ecuación
se transfiere la función de entrada a la salida o variable de respuesta. Es
desarrollada a partir de la transformada de Laplace de las ecuaciones diferenciales
que definen el comportamiento del sistema, puede ser de primer, segundo u orden n,
dependiendo del orden de las ecuaciones diferenciales.

El error es la diferencia o desviación que existe entre la salida o variable controlada

y el punto de ajuste de la misma. Puede estar definido por una función y puede existir
tanto en régimen transitorio como en el estado estacionario.

110
4.3 LAZOS DE CONTROL

Lazo Cerrado de Control

SALIDA DE VAPOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR ENTRADA DE CRUDO

TY
SALIDA DE CRUDO
TE

TT

TC
ENTRADA DE VAPOR

Figura 90. Lazo de Control Cerrado.

En un lazo de control cerrado, se efectúa la medición de la variable controlada y es

transmitida al controlador. Cuando por producto de una perturbación, existe una
diferencia o error entre el valor medido y el valor deseado, el controlador cambia su
salida hacia el elemento final de control para que éste actúe sobre el sistema,
haciendo llevar nuevamente la variable controlada al valor deseado.

En la figura mostrada, cuando la temperatura de salida de crudo se hace inferior al

punto de ajuste, el controlador ordena incrementar el porcentaje de apertura de la
válvula de control para aumentar el flujo de vapor al intercambiador y por ende la
temperatura de salida del crudo. Si la temperatura de salida de crudo se hace
superior al punto de ajuste, el controlador ordena disminuir el porcentaje de apertura
de la válvula para reducir el flujo de vapor al intercambiador y por ende la
temperatura de salida de crudo.

Existen varios tipos de control a lazo cerrado, el más común en la industria es por
retroalimentación, pero también existen otros tipos como control por previsión, control
de relación, control selectivo, control de rango partido, control en cascada y control
multivariable.

111
Lazo Abierto de Control

MÚLTIPLE DE INYECCIÓN DE DILUENTE FI

HACIA EL POZO

ENTRADA DE DILUENTE

Figura 91. Lazo de Control Abierto.

En un lazo de control abierto, no existe una retroalimentación ni controlador que

ejerza acción sobre la válvula en caso de desviación de la variable controlada con
respecto al punto de ajuste. Esto involucra que se debe conocer o mantener bajo
control las posibles perturbaciones que puedan hacer variar la variable controlada.

Un lazo cerrado de control puede convertirse en abierto inhabilitando el controlador o

desconectándolo del sistema.

En la figura mostrada se presenta el caso de un múltiple de inyección de diluente a

pozos de crudo pesado, en los que anteriormente se dosificaba el flujo manualmente
con una válvula y un indicador de flujo, dejándola en un porcentaje fijo de apertura.
Mientras el resto de las condiciones de proceso se mantengan constantes, el flujo no
variará, pero cuando varíe cualquiera de ellas, si se modificará sin posibilidad que
retorne automáticamente a su valor deseado.

112
Lazo de Control ON / OFF ó TODO / NADA

DESHIDRATADOR LSH
MECANICO
LSL
A.S. LY

Figura 92. Lazo de Control ON / OFF.

El control de dos posiciones, también conocido como “on / off” o “todo / nada” es el
más sencillo de implementar y suele implementarse en algunos procesos.

La filosofía de control consiste en que la válvula de control sólo tiene dos posiciones
posibles, completamente abiertas o completamente cerradas, acciones que ocurren
cuando la variable controlada alcanza los valores límites de operación máxima o
mínima.

En el caso de la figura, cuando el nivel de interfase alcanza el nivel mínimo (LSL), el

control ordena el cierre total de la válvula y cuando alcanza el nivel máximo (LSH)
ordena la apertura total de la misma.

Pueden existir variantes en cuanto a los elementos sensores, pueden ser dos
interruptores de máximo y mínimo (como el caso de la figura) o puede ser un mismo
interruptor con brecha diferencial para que la apertura y cierre no ocurra en el mismo
punto.

La ventaja de este sistema es que es sencillo y económico y su desventaja es que es

de poca precisión y puede ocasionar efectos no deseados en el proceso como
variaciones en la salida, conificación de líquidos, limitaciones de flujo en tuberías,
etc.

113
Controles por Retroalimentación y por Previsión

SISTEMA INTELIGENTE
DE CONTROL

CONTROL POR PREVISIÓN

SALIDA DE VAPOR
TT FT
TE FE

INTERCAMBIADOR DE CALOR ENTRADA DE CRUDO

TY SALIDA DE CRUDO
TE

TT

CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN

TC
ENTRADA DE VAPOR

Figura 93. Controles por Retroalimentación y por Previsión.

El control por retroalimentación es el más utilizado en la industria para casi todos los
procesos, y consiste en medir la variable de salida del sistema y compararla con el
punto de ajuste para entonces decidir la acción de control.

La principal ventaja de este sistema de control es que compensa todas las

perturbaciones, indistintamente de su origen, además es sencillo y de fácil diseño e
instalación. Su desventaja estriba en que debe esperar que la variable se desvíe del
punto de control para entonces tomar las acciones correctivas, es decir, la
perturbación se debe propagar por todo el proceso antes que pueda ser compensada
por el control por retroalimentación.

El control por previsión se basa en la medición y análisis de las variables de entrada

al sistema, ejerciendo acciones de control cuando existan variaciones en las mismas
que pudiesen afectar la variable de salida, es decir, se antepone o previene que la
perturbación afecte al sistema, compensándola antes que varíe la salida, lo cual es
su principal ventaja. Su desventaja principal es que requiere complicados algoritmos
para su instalación y su costo es elevado, por lo que se justifica solo en procesos
críticos, donde no son aceptables variaciones transitorias en la variable controlada.

114
Control de Relación

FLUIDO A
FT
FC FY
ESTACIÓN DE A
R=
RELACIÓN FY B

FC FY
FT

FLUIDO B

MEZCLADOR

Figura 94. Control de Relación.

El control de relación es muy usado en algunos procesos industriales,

particularmente donde se requiere efectuar mezclas de fluidos con una proporción
definida y constante que se denomina R:

A
R=
B

En el caso de la figura, se tiene un mezclador de dos corrientes A y B. Hay procesos

en los que B no se controla, simplemente se mide y el control de relación ajusta el
flujo de A según la proporción definida.

En el esquema mostrado aquí, la corriente B es controlada por un simple lazo de

control que pudiese ser parte de otro más complejo y cuyo punto de ajuste será
definido en función del proceso. El control de relación toma la lectura de flujo de B y
fija el punto de ajuste del controlador de flujo de la corriente A.

Otra aplicación muy común de este tipo de control es en la mezcla de gas / aire para
ser usado como combustible en equipos de calentamiento y mecheros.

115
Control Selectivo

LT LC LS FC

FT

Figura 95. Control Selectivo.

El control selectivo consiste en dos o más controladores para manejar solo uno a la
vez, un mismo elemento final de control. Existe un selector de baja señal cuya
función es comparar las señales de los controladores y seleccionar la más baja para
aplicarla al elemento final. Este tipo de control se aplica básicamente cuando se
requiere mantener a algunas variables del proceso (diferentes a la variable
controlada), dentro de ciertos límites, generalmente por razones de seguridad,
protección de los equipos, economía o eficiencia.

En el caso de la figura, se tiene una bomba cuya succión está conectada a la salida
de líquidos de un separador. La velocidad de la bomba es controlada mediante un
variador de frecuencia como elemento final. En condiciones normales de operación,
cuando hay un nivel de líquidos dentro del recipiente suficiente para superar el
volumen positivo neto de succión (NPSH) de la bomba, la velocidad a la que debe
operar, es controlada en función del flujo de salida, pero si el nivel comienza a
descender, cuando la salida del controlador de nivel se hace inferior a la del
controlador de flujo, el selector le entrega el mando a éste para reducir la velocidad
de la bomba en función de nivel y evitar que ocurra cavitación dentro de la misma.

Control de Rango Partido.

El control de rango partido consiste en un solo controlador que maneja dos válvulas
de control. Normalmente se usa en procesos donde las condiciones pueden variar en
una relación muy alta. Hay casos en los que el flujo a través de una válvula de
control puede tener valores bajos y súbitamente incrementarse a valores altos,
entonces si se dimensiona la válvula para el máximo flujo, no podrá controlar
eficientemente para bajos flujo y, por supuesto, si se dimensiona para bajos flujo no
podrá manejar los altos caudales. En estos casos se recomienda instalar dos

116
válvulas en rango partido, es decir, se calibran sus posicionadores de tal manera que
la primera válvula abra de 0 a 100% al variar la presión de control de 3 a 9 psi, y la
segunda válvula abra de 0 a 100% cuando la presión del control varíe de 9 a 15 psi.

AGUA 9 - 15 PSI
TY

TC

TY
3 - 9 PSI

TT

VAPOR

TE

Figura 96. Control de Rango partido.

En el caso mostrado en la figura se tiene el caso de un intercambiador de calor para

un proceso cuya temperatura puede tener valores o muy altos o muy bajos, en al
caso que la temperatura sea muy baja se le suministra vapor para incrementar su
temperatura y si la temperatura está muy alta se le suministra agua fría para
disminuir su temperatura. La válvula de vapor se moverá desde completamente
abierta a completamente cerrada al pasar la señal de control de 3 a 9 psig y la
válvula de agua se moverá de completamente cerrada a completamente abierta al
pasar la señal de control de 9 a 15 psi.

Control en Cascada

El control en cascada es una técnica muy común en los diferentes procesos de la

industria de petróleo y gas. Consiste en dos controladores conectados de manera tal
que la salida del primero corresponde al punto de ajuste del segundo. Cuando se
aplica correctamente el sistema de control en cascada se logra que todo el lazo de
control sea más estable y de respuesta más rápida.

El controlador que maneja la variable controlada principal, se conoce como

controlador maestro, externo o principal. Al controlador que maneja la variable
controlada secundaria se le conoce como controlador esclavo, interno o secundario.

117
 CRUDO
Qi CRUDO
Qo

FY TT

GAS
FT

SET-POINT
FC TC

Figura 97. Control en Cascada.

La consideración más importante que se debe tomar en cuenta al diseñar un sistema

en cascada es que el lazo interno o secundario debe ser más rápido que el primario.

En la figura se presenta el caso de un horno de calentamiento de crudo en el cual el

lazo primario es el de la temperatura de salida que actúa como maestro y cuya salida
le fija el punto de ajuste al controlador del lazo secundario que es el de flujo de gas
combustible.

Control Multivariable

Hasta ahora las técnicas de control estudiadas has sido considerando una sola
variable controlada y una manipulada. Estos sistemas son conocidos como de
entrada simple y salida simple (SISO). No obstante, con frecuencia existen procesos
donde se deben controlar y/o manipular dos o más variables, éstos se conocen como
de múltiples entrada y múltiples salidas (MIMO).

No existe una técnica de control definida para los procesos multivariables, en todos
los casos se requiere realizar análisis para determinar cual es la mejor agrupación de
pares de variables controladas y manipuladas, cuanta interacción existe entre los
diferentes lazos de control y como afectan a la estabilidad de los mismos.

118
 FLUIDO A
FT

VARIABLES
MANIPULADAS

FT

FLUIDO B
VARIABLES
CONTROLADAS

FT AT

MEZCLADOR

Figura 98. Multivariable.

Existen métodos para realizar estos análisis que se estudian en cursos más
avanzados de control de procesos. Uno de los más usados es la gráfica de flujo de
señal, la cual es un grupo de representaciones gráficas de las funciones de
transferencia con las que se describen a los sistemas de control.

En la figura mostrada se presenta el caso de un mezclador de dos fluidos diferentes

en el cual hay que controlar tanto el flujo total como la composición del fluido
resultante, para lo cual hay dos variables manipuladas que son los flujos de entrada
de cada fluido.

Acciones de Control

La acción del controlador es uno de los parámetros más importantes que se debe
tener en cuenta cuando se diseña un lazo de control o se configura un controlador ya
que es así como se define cuando debe ordenar abrir la válvula y cuando debe
ordenar cerrarla. El tipo de acción depende básicamente de la lógica de operación y
del tipo de falla de la válvula de control.

Acción Directa

Cuando un controlador aumenta su salida con un incremento en su señal de entrada,

se dice que es de acción directa, y cuando disminuye su señal de salida cuando se
incrementa su entrada, se dice que es de acción inversa.

119
 SEÑAL:
ACCIÓN DIRECTA
SALIDA: PC

PY
PT

FA

LT

LC

DESHIDRATADOR
MECANICO
LY

SEÑAL:
SALIDA: FC

Figura 99. Acción de Control Directa.

En los ejemplos de la figura se observan dos casos comunes de acción directa. En el

caso del deshidratador de crudo, la válvula de control es falla cerrada, por lo que la
acción debe ser directa para que cuando el nivel de interfase agua-crudo aumente, el
controlador también incremente su salida para hacer abrir la válvula de salida de
agua. En el caso del control de presión aguas abajo de la bomba, la válvula de
control es falla abierta, por lo que la acción debe ser directa para que cuando la
presión controlada disminuya, el controlador también disminuya su salida para hacer
abrir la válvula.

Acción Inversa

En los ejemplos de la figura siguiente se observan dos casos comunes de acción

inversa. En el caso de la recirculación de la bomba, la válvula de control es falla
abierta, por lo que la acción debe ser inversa para que cuando la presión de
descarga se incremente, el controlador disminuya su salida para hacer cerrar la
válvula. En el caso del horno, la válvula de control es falla cerrada, por lo que la
acción también debe ser inversa para que cuando la temperatura de salida
disminuya, el controlador incremente su salida para hacer abrir la válvula de control
de gas combustible.

120
 PY
ACCIÓN INVERSA

PC
FA
SEÑAL:
PT
SALIDA:

SEÑAL:
SALIDA:

TT
TY

FC TC

Figura 100. Acción de Control Inversa.

En resumen, para determinar cual debe ser la acción del controlador, se debe
primeramente establecer el tipo de falla de la válvula y luego verificar cual debe ser
su condición cuando la variable controlada aumente o disminuya para que el proceso
opere normalmente.

4.4 DIAGRAMAS DE BLOQUES

El diagrama de bloques es una representación esquemática de las funciones de

transferencia de todos los elementos que interactúan en un sistema. Consta de
flechas, bloques, puntos de sumatoria y de bifurcación.

BLOQUE DERIVACIÓN
SUMATORIA

R (s) E (s) M (s)

+ _ Gc (s)

C (s) M (s)

FLECHAS

Figura 101. Diagrama de Bloques.

121
El empleo de los diagramas de bloques para la representación gráfica de las
funciones de transferencia, es una herramienta muy útil en el control de procesos.
Su uso fue introducido por primera vez por James Watt cuando aplicó el concepto de
retroalimentación a una máquina de vapor.

Constan básicamente de cuatro elementos: bloques, flechas, puntos de sumatoria y

puntos de bifurcación. Las flechas indican la dirección y sentido de la información, y
representan a las variables de procesos o señales de control. Los bloques
representan la función matemática de la función de transferencia y su salida es igual
al producto de la entrada por dicha función, en el ejemplo M(s)=E(s)Gc(s). Los
puntos de sumatoria representan la suma algebraica de los puntos que entran, en
el ejemplo: E(s)=R(s)-C(s). Los puntos de bifurcación son posiciones sobre las
flechas, en las cuales la información sale y va concurrentemente a dos o más puntos
dentro del diagrama. En resumen, el diagrama de bloques de la figura se puede
representar mediante la siguiente ecuación matemática:

M ( s ) = GC ( s ) E ( s ) = GC ( s )(R( s ) − C ( s ) )

Reglas del Algebra de Diagrama de Bloques.

1.- Y=A-B-C
B B
_ _ Y
Y A
A + _
+ + _ =
C C

2.- Y=G1G2A

A Y A Y
G1 G2 = G1 G2

Cualquier diagrama de bloques se puede tratar y estudiar de manera algebraica,

siguiendo una serie de normas o leyes para su tratamiento, que a su vez permiten la

122
simplificación en diagramas equivalentes. A continuación se presentan los casos más
comunes:

En el caso 1 cuando se desean sumar dos o más variables se debe usar el punto de
sumatoria, los cuales se pueden simplificar hasta tres señales por punto.

En el caso 2, cuando se tienen dos bloques de función de transferencia conectados

en cascada, la señal resultante es el producto de la entrada por la función de
transferencia de cada uno y se puede simplificar a un solo bloque cuya función de
transferencia sea el producto de las dos funciones originales.

3.- Y=G(A-B)
A + _
Y
A Y G
+ _ G =
B
B G

4.- Y=(G1+G2)A

A G2 Y A Y
G1
G1
+
+
= G1 +
+

G2

En el caso 3, la función de transferencia es aplicada al resultado de la diferencia

entre las señales A y B, lo cual también puede expresarse de manera análoga en la
diferencia de cada una de las señales previamente multiplicadas por la función de
transferencia G, es decir:
(A-B)G = AG-BG

En el caso 4, tenemos dos funciones de transferencia G1 y G2 que son aplicadas a

una misma señal A, representada de dos maneras análogas, que de manera
algebraica, sería equivalente a:

G 
AG1  2  + AG1 = AG2 + AG1
 G1 

123
 5.- Y=G1A+G2B
A + _
Y
G1

B
G2

6.- Y=AG1/(1+G2G1)

A Y A G1 Y
+ _ G1 = 1 + G1G2

G2

En el caso 5, se presentan dos funciones de transferencia G1 y G2 diferentes

aplicadas cada una a dos señales diferentes A y B respectivamente.

En el caso 6, se muestra uno de los casos más frecuentes e importantes que se

pueden presentar en el estudio de sistemas de control, ya que consiste en la
representación de un sistema con retroalimentación negativa, que corresponde al ya
estudiado sistema de control por retroalimentación.

Principio de Superposición.

La respuesta total del sistema se obtiene mediante la

sumatoria algebraica de la respuesta generada por cada
una de las entradas, es decir, en la figura, “Y” se puede
definir como el efecto sólo de A (con B=0) menos el efecto
sólo de B (con A=0).

A + _
Y
G1

B
G2

La propiedad de la suma algebraica de las respuestas debidas a varias entradas

para obtener la respuesta final es particular de los sistemas lineales y se conoce
como principio de superposición, por eso cuando el principio de superposición es
aplicable a un sistema, se dice que el sistema es lineal.

124
Este principio es de gran ayuda para el estudio de los diagramas de bloque y
funciones de transferencia, ya que cuando se posee un sistema de entradas
múltiples y se desea hallar la función de transferencia con respecto a cada entrada,
se pueden hacer el resto de las entradas igual a cero y hacer el análisis como si la
entrada analizada fuese la única en el sistema.

Ejemplo de Diagrama de Bloques

A partir del siguiente diagrama de bloques, determinar las

funciones de transferencia que relacionan a Y con X1 y a Y
con X2:

X1(s) Y1 Y3
G1 + G3
_

Y (s)
=?
G2
X 1 (s)
+ Y(s)
+ Y (s)
=?
X 2 (s)
X2(s) Y2
G4 +
_

Para encontrar la solución al ejemplo planteado, se deben emplear las normas

anteriormente señaladas a fin de simplificar y determinar la función de transferencia
resultante en cada sector del diagrama.

Aplicando la propiedad 4 para Y1, se tiene que:

Y1 = (G1 − G2 ) X 1 ( s )
Y en la rama de X2, se tiene que:

Y2 = G4 X 2 ( s ) − X 2 ( s ) = X 2 ( s )(G4 − 1)

Luego, aplicando la regla 2 en la rama de X1, se tiene:

Y3 = G3 (G1 − G2 ) X 1 ( s )

Finalmente, aplicando principio de superposición, se deduce que:

Y ( s) Y ( s)
= G3 (G1 − G2 ) y = G4 − 1
X 1 (s) X 2 ( s)

125
Ejemplo de Simplificación de Diagramas de Bloques

Reducir el siguiente diagrama de bloques y hallar la

función de transferencia:

H2

R _ C
+ + G1 + G2 G3
_ +

H1

Para resolver este ejercicio se deben emplear igualmente las normas de

simplificación y álgebra de diagramas de bloques. En este caso no se requiere
emplear el principio de superposición ya que existe una sola entra. Se debe emplear
la ecuación para la simplificación de un sistema con retroalimentación para poder
reducir los tres lazos presentes y transformar todo a un solo bloque con una función
de transferencia equivalente. El resultado final debe ser el siguiente:

C G1G2G3
=
R 1 − G1G2 H 1 + G2G3 H 2 + G1G2G3

4.5 MODOS DE CONTROL

Debido a que el sistema de control por retroalimentación es el más común en la

industria, en esta sección se estudiarán los principales modos de control aplicable
para estos casos.

Con las diferentes acciones de control indicadas (acción proporcional, integral y

derivativa) se pueden generar diferentes modos de control, de los cuales los más
comunes son los siguientes:

• Control proporcional puro (P).

• Control proporcional + integral (PI).

126
 • Control proporcional + integral + derivativo (PID).

• Control proporcional + derivativo (PD).

Adicionalmente existe también el control ON/OFF o “todo/nada” que suele

encontrarse en algunos procesos de la industria, pero no es considerado como
control regulatorio.

Modo Proporcional Puro (P)

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )] ó m(t ) = m ± K C e(t )

donde :
m(t) = salida del controlador, psig o mA
r(t) = punto de control, psig o mA
c(t) = variable controlada, psig o mA (salida de transmisor)
psi mA
K C = ganancia del controlador, ó
psi mA
m = valor base BIAS, 9 psig ó 12 mA

El controlador proporcional es el modo más simple de control. Tal como se ve en su

ecuación, consiste en adicionar o sustraer un valor al valor base o BIAS dependiendo
de la magnitud y signo del error por un factor Kc. Si en la ecuación se aplica el signo
“+”, el control es de acción inversa ya que si la variable controlada c(t) se incrementa
por encima del punto de control r(t), el error será negativo y por ende la salida del
controlador decrece. Si en la ecuación se aplica el signo “-”, el control es de acción
directa ya que para el mismo caso, la salida del controlador se incrementará.

Cuando el error es cero, la salida del controlador debe ser igual al valor base, que en
el caso de los controladores neumáticos será 9 psig y en los controladores
electrónicos será 12 mA.

En este modo de control la salida es proporcional al error en un factor dado por la

ganancia Kc, mediante la cual se determina cuanto se modifica la salida del
controlador con un cierto cambio de error.

127
La ventaja del modo de control proporcional puro es que existe un solo parámetro de
ajuste (Kc). La desventaja es que luego de una perturbación, siempre existirá una
desviación o diferencia entre el punto de control y la variable controlada, la cual se
conoce como error de estado estacionario.

c(t) c(t)
mA mA
1 mA Pto. de 1 mA Pto. de
control control

t t
ACCION DIRECTA ACCION INVERSA
m(t) m(t)
mA mA
Kc=2 BIAS
14 12
Kc=1 Kc=1
13 11
12 10 Kc=2
BIAS

t t

Figura 102. Efecto Proporcional.

En la figura de detalla como varía la salida del controlador proporcional en caso de

existir una perturbación tipo escalón unitario en la variable controlada c(t). Aplicando
la definición de error, se tiene que éste es igual a -1 mA, por lo que para el caso del
control en acción directa, la salida será:

m(t ) = 12 − Kc(−1mA)
Por lo que para Kc=1, m(t) será igual a 13 psig y para Kc=2, m(t) será igual a 14 psig.

Si el control es de acción inversa, la salida será:

m(t ) = 12 + Kc (−1mA)
Por lo que para Kc=1, m(t) será igual a 11 psig y para Kc=2, m(t) será igual a 10 psig.

128
 l(t)
PERTURBACIÓN

c(t)
mA Kc1>Kc2
VARIABLE CONTROLADA
1,6
1,4
Kc2
1,2 Kc1
Pto. de 1
control 0,8
0,6
0,4
0,2
0
t
Figura 103. Efecto de la Acción Proporcional.

En la gráfica se observa el comportamiento típico de la variable controlada ante una

perturbación escalón unitario y el efecto de un controlador proporcional puro con dos
valores diferentes de ganancia Kc. Se observa que en ambos existe un error de
estado estacionario, pero mientras mayor es la ganancia, este error es menor, sin
embargo, también es importante notar que mientras mayor es la ganancia también es
mayor la oscilación, lo que hace más inestable al sistema. Más adelante se estudiará
el efecto de la variación de la ganancia sobre la estabilidad de los sistemas.

Con un control en modo proporcional puro, siempre existirá error de estado

estacionario ya que en la ecuación que define a m(t), la única forma que la salida
varíe con respecto al BIAS para compensar una perturbación es que el término
“Kc.e(t)” sea diferente de cero, y por supuesto, mientras mayor sea Kc menor será la
magnitud de e(t) para generar la variación requerida en la salida del controlador.

Esta es la razón por la que no se recomienda este modo de control para procesos
rigurosos donde no se acepten desviaciones, sino para casos donde se puede
controlar dentro de una banda alrededor del punto de control.

129
 Punto de Control

15 20

%
%
0% mA

=50
PB=25
Salida del psig 10
B=

PB
Controlador P
% 16 100
PB =
12
= 200
PB

9
KC
12

6 8

3 4
0 25 50 75 100
Porcentaje de la Variable Controlada

Figura 104. Ganancia y Banda Proporcional.

En una amplia gama de fabricantes de controladores, se emplea el término banda

proporcional en lugar de ganancia, por lo que es importante conocer esto antes de
configurar un controlador, de acuerdo a la ecuación mostrada, la salida del
controlador será:
100
m(t ) = m + e(t )
PB
La banda proporcional se puede definir como el error (expresado en porcentaje de
rango de la variable que se controla) que se requiere para llevar la salida del
controlador del valor más bajo al valor más alto.

Por ejemplo, se tiene un transmisor de presión de 0-200 psig conectado a un

controlador y el punto de ajuste es 100 psig. Las variaciones serán de la siguiente
manera:

Salida del Controlador

3 psig 9 psig 15 psig
PB 4 mA 12 mA 20 mA
100% 0 psig 100 psig 100 psig
50% 50 psig 100 psig 150 psig
25% 75 psig 100 psig 125 psig
200% 100 psig

130
Modo Proporcional + Integral (P+I)

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )] ± ∫ [r (t ) − c(t )]dt

KC
τi
ó
KC
m(t ) = m ± K C e(t ) ±
τi ∫ e(t )dt
donde :
minutos
τ i = tiempo de integración o reset,
repetición

El modo de control Proporcional + Integral (PI) es el más común en la mayoría de los

procesos de la industria. La gran ventaja de este modo de control es que elimina el
error de estado estacionario que, tal como se explicó, es inevitable con un
controlador proporcional puro.

Este modo de control requiere del ajuste de dos parámetros para su buen
funcionamiento, la ya conocida constante Kc y ahora τi, que no es más que el tiempo
de integración dado en minutos por repetición y que seguidamente se explicará.

Como se puede apreciar en la ecuación de m(t) para este caso, se le adiciona un

nuevo término con respecto al controlador proporcional puro, el cual depende de Kc,
de τi y de la integral del error. Es decir que mientras exista un error, el controlador lo
integrará lo multiplicará por Kc y dividirá entre τi y el resultado los sumará a la salida
del controlador hasta garantizar que el error sea igual a cero.

Si el error o desviación es un escalón, entonces la integral será una rampa, tal como
se verá seguidamente.

131
 c(t)
mA
1 mA Pto. de
control

ACCION DIRECTA
m(t)
mA

Kc
Respuesta del
Kc τi control proporcional
12
BIAS

Figura 105. Efecto del Control P+I.

El tiempo de integración τi, también conocido como reajuste o reset, tal como puede
apreciarse fácilmente en la gráfica, es el tiempo requerido para que salida del
controlador vuelva a alcanzar el efecto proporcional suministrado por la ganancia Kc.
En la gráfica se presenta la respuesta del controlador ante una perturbación escalón
unitario.

La salida será al inicio el mismo efecto proporcional ya estudiado y luego se le

adiciona una rampa cuya pendiente depende de Kc y de τi. Mientras menor sea τi,
mayor será la pendiente de la rampa porque se debe alcanzar nuevamente el efecto
integral en menos tiempo. Igualmente, mientras Kc sea mayor, también será mayor la
pendiente o velocidad del efecto integral ya que deberá alcanzar en igual tiempo un
valor mayor.

Una vez que el error se hace igual a cero, la fracción de salida adicionada por el
efecto integral, se mantiene constante o “añadiendo cero” a la salida.

Similarmente a lo que ocurre en el caso de la ganancia y la banda proporcional en

los distintos fabricantes, en el caso de el tiempo integral también hay dos tendencias,
una de las cuales es el ya mencionado reajuste o reset, expresado en minutos por
repetición, y el otro caso es el de rapidez de reajuste expresado en repeticiones por
minuto.

1 repeticiones
τ iR =
τi minuto

132
Ambos parámetros son recíprocos y expresan lo mismo pero expresado de manera
diferente. La rapidez de reajuste se define como la cantidad de repeticiones del
efecto proporcional originado por Kc que se deben repetir en un minuto.

También es de suma importancia que se conozca con cual de los parámetros opera
el controlador que se desee operar o configurar, ya que pudiese originarse un efecto
no deseado en el sistema que en algunos casos pudiese involucrar un riesgo
operacional.

Modo Proporcional + Integral + Derivativo (P+I+D)

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

KC de(t )
m(t ) = m ± K C e(t ) ±
τi ∫ e(t )dt ± K Cτ D dt

donde :
τ D = rapidez de derivación en minutos

En el modo de control proporcional + integral + derivativo (PID) se añade un nuevo

término a los indicados en el PI, y corresponde al efecto derivativo de la función error
e(t), el cual tiene como propósito anticipar hacia donde va el proceso y con que
rapidez, por lo que el efecto derivativo será mayor mientras mas rápida sea la razón
de cambio en la variable controlada y de manera proporcional a la ganancia Kc y a la
rapidez de derivación τD.

Por lo tanto, en el control PID es necesario ajustar tres parámetros para lograr su
correcto funcionamiento, los ya conocidos Kc y τi y ahora τD.

La desventaja principal del modo de control PID es que es cuando hay ruido en la
variable controlada, lo toma como el inicio de una perturbación de gran pendiente y
genera una gran salida para intentar compensar este efecto, por este motivo se
utiliza básicamente en procesos donde la constante de tiempo es larga, como es el
caso de la temperatura, concentración o nivel en recipientes grandes que no son
susceptibles al ruido. En los procesos de constante de tiempo corta como control de
flujo o presión, son rápidos y susceptibles al ruido, por lo que no se recomienda el
efecto derivativo.

133
 PERTURBACIÓN
l(t)

t
c(t)
VARIABLE CONTROLADA

Pto. de
control

t
e(t)
t a tb

FUNCIÓN ERROR

t a tb
t

Figura 106. Efecto del Control P+I+D.

La figura muestra el efecto de la acción derivativa en un controlador en modo PID.

Suponiendo que haya una perturbación con la forma mostrada, inicialmente la
variable controlada tratará de desviarse del punto de control con una forma de onda
similar, pero el sistema de control comenzará a corregir dicha desviación. En el
punto ta la señal error es muy pequeña por lo que el efecto proporcional y el
derivativo serán muy pequeños sobre la señal de salida del controlador, pero como la
pendiente es pronunciada positiva, el controlador detecta que la variable se está
desviando a gran velocidad, por lo que adiciona una parte importante en la señal
para compensar más rápidamente esta variación antes que se incremente
demasiado.

Cuando la variable controlada pasa por el punto tb la señal error es grande por lo que
el efecto de la acción proporcional e integral será grande. Pero en este caso la
pendiente es pronunciada negativa y el controlador anticipa que la variable bajará
mucho del punto de ajuste, por lo que le resta una parte a la señal del controlador,
haciendo que la bajada sea mas suave.

Tal vez este efecto haga que la señal llegue más lentamente al punto de ajuste pero
reduce significativamente las oscilaciones y por lo tanto mejora la estabilidad.

134
Modo Proporcional + Derivativo (P+D)

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )] ± K Cτ D [r (t ) − c(t )]

d
dt
ó
de(t )
m(t ) = m ± K C e(t ) ± K Cτ D
dt

Este modo de control se emplea en aquellos procesos donde es permisible un error

de estado estacionario y a la vez son de constante de tiempo larga y se requiere que
cumpla el efecto de anticipación ya descrito.

La ventaja del modo PD es que con respecto al proporcional puro es más estable por
lo que se puede emplear una ganancia mayor, reduciendo el error de estado
estacionario, que a pesar de esto, siempre estará presente. Sólo es posible
eliminarla completamente mediante la acción integral.

4.6 ESTABILIDAD Y ENTONACIÓN DE LAZOS

Como se definió anteriormente, se dice que un sistema es estable, si para una

entrada limitada, su salida permanece también limitada. Por ejemplo, en un lazo de
control por retroalimentación como el de la temperatura de salida del horno, si
equivocadamente se configura el controlador como de acción directa, cuando la
temperatura de salida aumente, incrementará la salida del controlador y por ende la
apertura de la válvula, haciendo que la temperatura aumente aún mas. No obstante,
aún si la acción del controlador está en el modo correcto, el sistema puede tornarse
inestable debido a los retardos y ganancias del sistema.

Para comprender el último fenómeno descrito, es necesario conocer y manejar

ciertos conceptos como el de la función de transferencia que ya fue mencionado. A
partir de la función de transferencia, se determina la ecuación característica, cuya
representación el plano S servirá de base para el estudio de su estabilidad.

Existen una serie de métodos analíticos para determinar los parámetros adecuados
del controlador para evitar la inestabilidad (proceso conocido como entonación del
lazo), sin embargo en este curso se estudiarán los métodos prácticos, que serán de
gran ayuda para los instrumentistas en el área de trabajo al momento de efectuar la
entonación de los lazos de control.

135
Función de Transferencia de Lazo Cerrado

l u
ENTRADA Gl

CONTROLADOR VÁLVULA DE
CONTROL PROCESO
+ c
SET-POINT e p m
r
+ _ Gc Gv Gs +
SALIDA

TRANSMISOR
b c
Ht

Figura 107. Función de Transferencia de Lazo Cerrado

En la figura mostrada se representa el diagrama de bloques genérico que aplica para

todos los casos de sistemas de control por retroalimentación.

Recorriendo el lazo, la variable medida “b” proveniente del transmisor y elemento de

medición es comparada en el enlace sumador dentro del controlador con el punto de
ajuste “r”, esta comparación produce una señal de error “e” que se aplica bloque Gc
que define la ganancia y acción del controlador, generando una señal de salida “p”
que es entregada a la válvula de control o elemento final de control para producir un
cambio en la variable manipulada “m” según lo establece la función de transferencia
de la válvula Gv. La variable manipulada “m” ejercerá algún efecto sobre el proceso
Gs, haciendo modificar su salida con la finalidad de reducir al mínimo posible la señal
error “e”. El transmisor mide la salida “c” convirtiéndola a través de la función de
transferencia Ht en la señal “b” que podrá ser interpretada por el controlador.
Adicionalmente, existen en todo sistema entradas, cuyas variaciones ocasionen que
en el sistema entre una perturbación “l” la cual según la función de transferencia Gl
producirá un efecto “u” en la salida del sistema que luego deberá ser compensado
por el sistema de control tal como se explicó.

A partir del diagrama de bloques se obtiene:

Señal de error : E (s) = R(s) − B(s)

Salida del controlado r : P ( s ) = GC ( s ) E ( s )
Variable manipulada : M(s) = GV (s)P(s)
Variable controlada : C (s) = GS (s)M (s) + GL (s) L(s)
Señal del transmiso r : B ( s ) = H t ( s )C ( s )

136
Mediante el empleo de las reglas del álgebra de diagrama de bloques, previamente
estudiadas, son fácilmente deducibles las ecuaciones mostradas a partir del
diagrama de bloques para el sistema retroalimentado indicado en la lámina
precedente.

Se puede observar en las ecuaciones anteriores que están expresadas en

mayúsculas y en función de “s”, ya que así es indicativo que las expresiones
corresponden a la transformada de Laplace de las ecuaciones diferenciales que rigen
el comportamiento de cada señal y cada bloque que conforma el diagrama. El
trabajo de los sistemas en base a sus transformadas de Laplace es una condición
necesaria para hallar la función de transferencia y para facilitar el estudio de la
estabilidad.

En el caso del diagrama de bloque mostrado, se tiene una salida C(s) y dos entradas
R(s) y L(s). Se puede determinar la función de transferencia de la salida con respecto
a cada una de las entradas por separado, aplicando el ya mencionado principio de
superposición, siempre y cuando se trate de un sistema lineal:

C ( s) C (s)
y
R(s) L( s )
Eliminando todas las variables intermedias y combinando ecuaciones se obtiene:

C ( s) = GS ( s )GV ( s )GC ( s )[− H t ( s )C ( s )] + GL ( s ) L( s )

Y reordenand o la ecuación :

C ( s) GL ( s )
=
L( s ) 1 + H ( s )GS ( s )GV ( s )GC ( s )

A partir de las ecuaciones escritas anteriormente para el diagrama de bloques de

sistema retroalimentado, es posible hallar la función de transferencia de la salida con
respecto a cada una de las entradas.

En este caso se determinó la función de transferencia con respecto a la variable de

entrada L(s). Es importante destacar que para hacer esto es necesario hacer la
entrada R(s) igual a cero (principio de superposición).

137
De la misma manera se puede determinar la función de transferencia de C(s) pero
con respecto a R(s), para lo cual habría que hacer L(s)=0:

C ( s ) = GS ( s )GV ( s )GC ( s )[R ( s ) − H t ( s )C ( s )]

Y reordenand o la ecuación :

C (s) GS ( s )GV GC
=
R ( s ) 1 + H ( s )GS ( s )GV ( s )GC ( s )

Es importante notar que el denominador es igual en ambos casos. Estas son las
funciones de transferencia genéricas de un sistema de control a lazo cerrado. En
cada sistema particular las funciones individuales de cada bloque pueden variar su
estructura.

Partiendo de la función de transferencia hallada, la ecuación característica será:

1 + H ( s)GS ( s )GV ( s )GC ( s ) = 0

Esta es la ecuación característica de un sistema de control por retroalimentación.
Ahora bien, cuando en esta ecuación se reemplazan las funciones de transferencia
de cada bloque individual, se obtendrá una ecuación en función de “s”, y como esta
ecuación está igualada a cero, existirán cierto valores de “s” para los cuales se
cumple esta igualdad, esos valores son las denominadas raíces de la ecuación
característica y son quienes realmente definirán la estabilidad del sistema.

Es importante notar que en la ecuación característica está incluida la función de

transferencia del controlador, de allí es que mediante el ajuste de los parámetros del
controlador es posible dar forma a la respuesta del circuito y variar su estabilidad.

Adicionalmente, son importantes la función de transferencia de la válvula de control,

la del transmisor y por supuesto la parte del proceso que afecta la variable
manipulada a la variable controlada, en este caso llamada Gs(s).

El plano S

Es el plano complejo donde es representada la variable “s” de la transformada de

Laplace:

138
 s = σ + jω (número complejo)
Eje Imaginario

+ jω
Plano Izquierdo Plano Derecho

−σ +σ
Eje Real

− jω

Figura 108. El plano S

Ante nada, es importante recordar que un número imaginario puro es aquel que
contiende la raíz cuadrada de la unidad negativa (raíz de -1) y por lo tanto no
pertenece a los números reales. Un número complejo es aquel que no puede
representarse como un número real puro ni como un imaginario puro y consta de una
parte real y otra imaginaria.

Con la aplicación de la transformada de Laplace se cambia la ecuación en función

del tiempo “t” a una ecuación en función de s, la cual es un número complejo, por lo
que su representación debe ser en un plano complejo denominado plano s o dominio
Laplace:

s = σ + jω (número complejo)

Un número complejo se puede representar gráficamente en el plano s, situando su

parte real en el eje horizontal y su parte imaginaria en el eje vertical. Es muy común
en término lado derecho o lado izquierdo del plano s. Lado derecho se refiere a
aquella parte de plano donde se ubican todos los números con parte real positiva y
lado izquierdo todos los números con parte real negativa.

139
Criterio de Estabilidad
característica se encuentran en el plano izquierdo.
PLANO s

Eje Imaginario

+ jω
Sistema Estable Sistema Inestable

−σ +σ
Eje Real

− jω

Figura 109. Criterio de Estabilidad

Las raíces reales, así como la parte real de las raíces complejas de la ecuación
característica, deben ser negativas para que el sistema sea estable. Los enunciados
del criterio de estabilidad dicen lo siguiente:

“Para que el circuito de control con retroalimentación sea estable, todas las raíces de
su ecuación característica deben ser números reales negativos o números complejos
con partes reales negativas”.

“Para que el circuito de control con retroalimentación sea estable, todas las raíces de
su ecuación característica deben caer en la mitad izquierda del plano s, que también
se conoce como plano izquierdo”.

Cuando se modifica la ganancia de un controlador, lo que se está haciendo es mover

las raíces de la ecuación característica dentro del plano s, existiendo la posibilidad de
caer en el lado derecho y hacer inestable al sistema. Cuando las raíces están
ubicadas sobre el eje imaginario o vertical, se encuentran en el límite de la
estabilidad, entonces, la ganancia del controlador para la cual las raíces de la
ecuación característica se encuentran al límite de la estabilidad o en el eje vertical,
se llama ganancia última.

140
Métodos Experimentales de Entonación de Lazos

La entonación es el procedimiento mediante el cual se ajustan los parámetros del

controlador por retroalimentación para obtener una respuesta específica en lazo
cerrado según los requerimientos de proceso. La entonación incrementa su dificultad
en mientras se requiera ajustar mayor número de parámetros, es decir, el caso más
sencillo sería un controlador proporcional puro y el más complejo un proporcional +
integral + derivativo.

Existe una diversidad de métodos analíticos para determinar los valores idóneos para
los parámetros del controlador. Aquí se mencionan solo algunos de ellos. Para
aplicarlos se requiere disponer de la función de transferencia del sistema y por lo
tanto de todas las ecuaciones diferenciales que rigen el proceso, lo cual no es
objetivo ni materia de este curso.

En este caso se analizarán con mayor detalle los métodos experimentales para
entonación de lazos, los cuales pueden hacerse en campo y no requieren complejos
conocimientos matemáticos para su aplicación y ofrecen excelentes resultados.
Estos métodos se clasifican en: de lazo cerrado como el método de Ziegler-Nichols o
de la ganancia última, y de lazo abierto como el método de la curva de reacción o el
de los dos puntos.

Método de la Ganancia Última (Ziegler – Nichols). Lazo Cerrado

SISTEMA OSCILATORIO

c(t) ASENTAMIENTO DE 1/4 c(t)

TU
1
A
A 4 A = ctte
SP

t t

Figura 110. Método de Ziegler – Nichols. Razón de Asentamiento de ¼.

Entre los métodos más conocidos para el entonamiento de lazos de control se

encuentra el de Ziegler-Nichols de lazo cerrado o de ganancia última.

El asentamiento es la relación de amplitud entre dos oscilaciones sucesivas, deben

ser independientes de las entradas del sistema y depender únicamente de las raíces
de la ecuación característica del sistema. Con este método se logra un asentamiento
de 1/4, es decir, la amplitud de primera oscilación se reducirá en 1/4 para la segunda

141
oscilación y así sucesivamente. Este tipo de respuesta es muy deseable ante
perturbaciones porque se evita una gran desviación inicial del punto de control sin
que exista demasiada oscilación.

Para poder aplicar este método, es necesario hallar experimentalmente la máxima

ganancia a la cual el sistema es estable, que tal como se ha mencionado se conoce
como ganancia última Kcu. A este valor de ganancia las raíces de la ecuación
característica están sobre el eje vertical del plano s. En este punto la salida del
sistema oscila con amplitud constante y con una frecuencia que vendrá dada por las
características dinámicas del mismo. El período de tiempo para esa frecuencia se
conoce como Tu. A continuación se explicará el procedimiento para aplicar el
método.

La ganancia y período último se deben hallar de manera experimental con el sistema

real, mediante el siguiente procedimiento:

1.-Se desconectan las acciones integral y derivativa, dejando el controlador en modo

proporcional puro y en modo automático (lazo cerrado).

2.-Se aumenta gradualmente la ganancia proporcional (o reduce banda proporcional)

hasta que el lazo oscile con amplitud constante. Entre cada cambio de ganancia se
debe alterar el sistema con pequeños cambios en el punto de control. Los
incrementos de ganancia deberán ser más pequeños conforme se está más cerca
de la ganancia última. Se debe registrar el valor de la ganancia en este punto como
Kcu.

3.-Del registro de tiempo de la variable controlada, se mide y registra el período de

oscilación como Tú o período último.

M odo de
Control Kc τi τD
P K cu / 2
PI K cu / 2.2 Tu / 1.2
P ID K cu / 1.7 Tu / 2 Tu / 8
PD K cu / 1.6 Tu / 8

Una vez hallados el período y ganancia última se procede a aplicar las ecuaciones
mostradas en la tabla anterior para determinar los valores óptimos de los parámetros
del controlador para obtener una razón de asentamiento de 1/4.

142
La desventaja de este método es que en ocasiones se dificulta colocar el sistema a
oscilar sin ocasionar inconvenientes en los procesos relacionados al mismo.

Método de la Curva de Reacción (Ziegler – Nichols). Lazo Abierto

Estos métodos se aplican en lazo abierto, es decir con el controlador en manual y se

procede a hallar la curva de reacción del proceso mediante el siguiente
procedimiento:

1.-Con el controlador en manual, se aplica un cambio en escalón en la salida m(t) del

controlador. El cambio debe ser lo suficientemente grande para que para que sea
apreciable pero no tanto para que las no linealidades del sistema ocasionen
distorsión en la respuesta.

2.-La salida del transmisor que mide la señal c(t) se debe registrar en un graficador
de papel continuo o en un PC, garantizando que tenga la amplitud adecuada en las
escalas de tiempo y amplitud. La graficación debe hacerse desde que es introducido
el escalón en la salida del controlador hasta que el sistema vuelve a alcanzar el
estado estacionario, tiempo que dependerá de la naturaleza del proceso.

CURVA DE REACCIÓN
SALIDA DEL CONTROLADOR
m(t) c(t)

VALOR FINAL
∆cs
K=
∆m ∆m t0 τ
VALOR INICIAL
t
t1 + t0 + τ
t
t1 t1 t1 + t0
Figura 111. Método de la Curva de Reacción

Es importante que no entren perturbaciones externas mientras se grafica la

respuesta. La gráfica obtenida será del tipo mostrada en la figura anterior y se
conoce como curva de reacción del proceso.

Si en la gráfica se traza una recta tangente el punto de inflexión de la curva de

respuesta, se obtiene que su intersección con la línea de valor inicial ocurre después
de t1 con un retardo igual a t0 (tiempo muerto).

143
 M odo de
Control Kc τi τD
P τ / Kt o
PI 0.9 τ / K t o 3.33t o
P ID 1.2 τ / K t o 2.0t o 0.5t o

De la misma manera, se observa que la intersección de la misma recta con la línea

de valor final ocurre en un tiempo igual a τ, luego que finaliza to. Ese el valor es la
constante de tiempo del sistema y tal como se mencionó anteriormente corresponde
al 63,2% del cambio total.

Por otra parte, la ganancia de estado estacionario del proceso conocida como K,
viene dada por la relación entre el cambio en la señal de salida del sistema c(t) y la
señal de salida del controlador m(t).

Finalmente, luego de haber determinado gráficamente los valores de la ganancia de

estado estacionario K, el tiempo muerto t0 y la constante de tiempo τ, se aplican las
ecuaciones mostradas para el ajuste de los parámetros del controlador y se obtendrá
una razón de asentamiento de 1/4 ante cualquier perturbación, igual que en el
método de la ganancia última.

Método de los Dos Puntos

CURVA DE REACCIÓN
SALIDA DEL CONTROLADOR
m(t) c(t)

VALOR FINAL
∆cs 0.283∆cs 0.632∆cs ∆cs
K= τ
∆m ∆m
VALOR INICIAL
t t
t1 t1 t2

Figura 112. Método de los Dos Puntos

En este método se obtiene mejor aproximación entre el modelo real y el estimado

debido a que se elimina la dependencia de la línea tangente la cual puede ser
trazada con desviación en el punto de inflexión.

144
De resto se procede de manera muy similar al método anterior, pero en este caso, se
deben determinar los valores de dos puntos t1 y t2 en la gráfica los cuales deben
corresponder al 28.3% y 63.2% respectivamente del cambio total en la salida. Luego,
se aplican las siguientes ecuaciones para determinar to y τ:

τ = 1.5(t 2 − t1 )
t0 = t2 − τ

Finalmente se aplican las mismas ecuaciones del método anterior para determinar
los parámetros de entonamiento del controlador.

Método de Ensayo y Error

Este es el método menos recomendado en la teoría de control de procesos por ser

netamente empírico, sin embargo en muchos casos es el más usado por operadores
y mantenedores en plantas industriales donde a veces no se dispone de los
recursos para la aplicación de otras técnicas. Es por ello que aquí se menciona como
debe hacerse este procedimiento, ya que de lo contrario podría tardarse horas para
lograr el entonamiento e inclusive no encontrarlo.

1.-Controlador P: se empieza con una ganancia baja y se va aumentado paso a

paso, moviendo el punto de ajuste para crear perturbaciones, hasta lograr la
estabilidad deseada.

2.-Controlador P+I: con el tiempo integral en su valor más alto, se realiza el

procedimiento anterior hasta una razón de amortiguamiento de 1/4. Luego se baja un
poco la ganancia y se comienza a reducir el tiempo integral por pasos creando las
mismas perturbaciones hasta que la variable alcance rápidamente el punto de ajuste
con mínimas oscilaciones.

3.-Controlador P+I+D: Se repite el paso 1 hasta obtener razón de amortiguamiento

de 1/4, se reduce el tiempo integral hasta acercarse al límite de la estabilidad. Se
aumenta el tiempo derivativo gradualmente con las mismas perturbaciones, hasta
tener un comportamiento aceptable. Al final, se puede aumentar un poco la ganancia.

145
4.7 CONTROLADORES

El Controlador Neumático

Figura 113. Controlador Neumático Fisher 4160K

Tal como se ha estudiado, el controlador es el elemento del lazo de control

encargado de determinar la magnitud de la señal hacia el elemento final de control,
en función de la diferencia existente entre la variable controlada y el punto de ajuste.

Desde los inicios del control, la naturaleza y tecnología de los controladores ha

variado considerablemente, pero sin duda el controlador neumático ha sido el más
usado en gran parte de los procesos. A pesar que hoy en día, la mayoría de las
plantas industriales emplean sistemas inteligentes, todavía se les suele encontrar en
algunos casos donde se requiere gran robustez e independencia de sistemas
integrados.

Es por ello que en esta sección se hace un pequeño análisis del funcionamiento del
controlador neumático que a su vez, sirve de base para entender el principio de
funcionamiento de cualquier tipo de controlador.

En la figura se muestra uno de los controladores neumáticos más conocidos, Wizard

4160K fabricado por Fisher Controls.

146
 SISTEMA DE
AMPLIFICACIÓN
FIJA
SISTEMA SISTEMA DE
TOBERA REFERENCIA
OBTURADOR

SISTEMA DE MEDICIÓN

SISTEMA DE
SISTEMA DE RETROALIMENTACIÓN AMPLIFICACIÓN
AJUSTABLE

Figura 114. Diagrama del Controlador Neumático Fisher 4160K

El controlador neumático opera mediante los siguientes sistemas:

1.-Sistema de medición: es el elemento primario de medición que emplea el

controlador para medir la variable controlada, puede ser un tubo bourdon, un
desplazador, un bulbo y capilar, etc.

2.-Sistema tobera - obturador: es un tubo capilar con reducciones en la entrada y

salida en forma de tobera, la cual es obstruida por una lámina llamada
obturador. Su función es convertir el movimiento recibido del elemento de
medición en una señal de presión.

3.-Sistema de amplificación fija: consiste en un relevador cuya función es

amplificar la señal de salida del sistema tobera obturador.

4.-Sistema de retroalimentación: devuelve una parte de la señal de salida hacia la

señal de entrada. Normalmente es negativa.

5.-Sistema de referencia: es quien fija el valor del punto de ajuste mediante la

ubicación del soporte de la tobera con respecto al obturador.

147
 6.-Sistema de amplificación ajustable: su función es darle proporcionalidad a la
señal de salida, de acuerdo con la diferencia existente entre la variable
controlada y el punto de ajuste.

El Controlador Electrónico

DISPLAY PRINCIPAL

RECONOCIMIENTO
DISPLAY DE DE ALARMAS
IDENTIFICADOR
BARRA DE SET-POINT

BOTON DISPLAY
CAMBIO MANUAL /
AUTOMATICO BARRA DE PROCESO

UP / DOWN
BARRA DE
SALIDA

Figura 115. Controlador Electrónico PAC 353 de MOORE

Los controladores electrónicos están basados en el uso de un microprocesador para

ejercer todos los algoritmos y operaciones requeridas para el lazo de control. Esto
permite que toda la configuración del controlador pueda hacerse mediante software o
por el teclado sin necesidad de accesar a sus componentes internos.

Normalmente este tipo de controladores tienen capacidad de manejar dos lazos de

control, existiendo la posibilidad de conectarlos en cascada. Otra de las ventajas es
que se pueden conectar a un sistema supervisorio mediante protocolos de
comunicación para centralizar las operaciones, fijar set-points remotamente, etc.

En la figura se muestra un controlador electrónico PACS 353 fabricado por Moore, en

la cual se muestran la utilidad de sus principales teclas y displays.

Adicionalmente a este tipo de controladores, ha tomado mucho auge en grandes

plantas el uso de sistemas de control distribuido (DCS), controladores lógico
programables (PLC) o sistemas de control y adquisición de datos (SCADA), los
cuales pueden hacer las funciones de los controladores remotamente y de manera
centralizada. Estos sistemas son objeto de otros cursos de control.

148
CAPITULO V

INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE CONTROL

5.1 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES

Los Controladores Lógicos Programables o PLC (Programmable Logic Controller

en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización
Industrial.

Figura 116. Esquema de un PLC

Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó en

las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los
sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros
componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica
combinacional.
Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas,
plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones
aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales
como controladores proporcional integral derivativo (PID).
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en
redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de
control distribuido.
Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son el
diagrama de escalera LADDER, lista de instrucciones y programación por estados,
aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar
algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar
y mantener.
En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los más
simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y

149
operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas
(recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación mutiprotocolos
que le permitirían interconectarse con otros dispositivos.

Figura 117. Diagrama Interno de un PLC

Historia

El PLC fue inventado en respuesta a las necesidades la industria automotriz

Norteamericana. Antes del PLC, el control, las secuencias, y los permisivos en la
lógica para la manufactura de automóviles era realizada utilizando relevadores,
temporizadores, y controladores dedicados de lazo cerrado. El proceso para
actualizar dichas instalaciones para la industria cambiante año con año era muy
costosa y consumía mucho tiempo, así como los sistemas basados en relevador
tenían que ser recableados por electricistas especializados. En 1968 GM Hydramatic
(la división de transmisiones automáticas de General Motors) realizo un
requerimiento para una propuesta para un reemplazo electrónico para los sistemas
cableados.
La propuesta ganadora vino de Bedford Asociados de Boston, Massachussets. El
primer PLC designado el 084, debido a que fue el proyecto ochenta y cuatro de
Bedford Asociados. Bedford Asociados iniciaron una nueva compañía dedicada al

150
desarrollo, manufactura, venta y servicio para este nuevo producto: Modicon
(Modular Digital Controller o Controlador Digital Modular). Una de las personas que
trabajo en ese proyecto fue Dick Morley, el que es considerado como "padre" del
PLC. La marca Modicon fue vendida en 1977 a Gould Electronics, y posteriormente
adquirida por la compañía Alemana AEG y más tarde por Schneider Electric, el
actual dueño.
Uno de los primeros modelos 084 que se construyeron se encuentra mostrado en el
corporativo de Modicon en el Norte de Andover, Massachussets. Fue regalado a
Modicon por GM, cuando la unidad fue retirada tras casi veinte años de servicio
ininterrumpido.
La industria automotriz es todavía una de las más grandes usuarias de PLCs, y
Modicon todavía numera algunos de sus modelos de controladores con la
terminación ochenta y cuatro. Los PLCs son utilizados en muchas diferentes
industrias y maquinas tales como maquinas de empacado y de semiconductores.
Algunas marcas con alto prestigio son ABB Ltd., Koyo, Honeywell, Siemens,
Schneider Electric, Omron, Rockwell (Allen-Bradley), General Electric, Tesco
Controls, Panasonic (Matsushita), Mitsubishi y Isi Matrix machines.

PLC en comparación con otros sistemas de control

Los PLCs están bien adaptados para un amplio rango de tareas de automatización.
Estos son típicamente procesos industriales en la manufactura donde el costo de
desarrollo y mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto
contra el costo de la automatización, y donde existirán cambios al sistema durante
toda su vida operacional. Los PLC’s contienen todo lo necesario para manejar altas
cargas de potencia; se requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se
centra en expresar las operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o
diagramas de funciones). Las aplicaciones de PLC son típicamente sistemas a la
medida, por lo que el costo del PLC es bajo comparado con el costo de la
contratación del diseñador para un diseño específico de una sola vez. Por otro lado,
en caso de productos de alta producción, los sistemas de control a la medida
rápidamente se pagan por si solos debido a los ahorros en los componentes, lo cual
puede ser elegido de manera óptima en vez de una solución "genérica".
Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC’s ya no tienen un precio alto. Los
PLC’s actuales tienen capacidades completas por algunos cientos de dólares.
Para un alto volumen o una simple tarea de automatización, diferentes técnicas son
utilizadas. Por ejemplo, una lavadora de trastes de uso doméstico puede ser
controlada por un temporizador CAM electromecánico costando algunos cuantos
dólares en cantidades de producción.
Un diseño basado en un microcontrolador puede ser apropiado donde cientos o miles
de unidades pueden ser producidas y entonces el costo de desarrollo (diseño de
fuentes de poder y equipo de entradas y salidas) puede ser dividido sobre muchas

151
ventas, donde el usuario final no tiene necesidad de alterar el control. Aplicaciones
automotrices son un ejemplo, millones de unidades son vendidas cada año, y pocos
usuarios finales alteran la programación de estos controladores. (Sin embargo,
algunos vehículos especiales como son camiones de pasajeros para tránsito urbano
utilizan PLC’s en vez de controladores de diseño propio, debido a que los volúmenes
son bajo y el desarrollo no sería económico.)
Algunos procesos de control complejos, como los que son utilizados en la industria
química, pueden requerir algoritmos y desempeño más allá de la capacidad de PLC’s
de alto desempeño. Controladores de alta velocidad también requieren de soluciones
a la medida; por ejemplo, controles para vuelo de aviones.

5.2 SISTEMAS SCADA

SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Adquisition", es decir:
adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación software
especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de
producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo
(controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso
de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la
información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del
mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad,
supervisión, mantenimiento, etc.
En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa tareas de
supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de
procesos. La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo
esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador
de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.
Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se
denomina en general sistema SCADA.

Capacidades.

Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes bondades:

− Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador

para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias
− Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su
proceso sobre una hoja de cálculo.

152
 − Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o
modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones.

− Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos

aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.
Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por
ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla,
envío de resultados a disco e impresora, etc.
Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones
que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal,
o Visual Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad.
Algunos SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general que
permiten personalizar de manera muy amplia la aplicación que desee realizarse con
dicho SCADA.

Figura 118. Arquitectura de un Sistema SCADA.

Requerimientos
Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea
perfectamente aprovechada:

− Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse

según las necesidades cambiantes de la empresa.

− Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con

el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).

153
 − Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de
hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.
Módulos de un SCADA.
Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición,
supervisión y control son los siguientes:

− Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA,

adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.

− Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control

y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos
gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor
incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la
configuración del paquete.

− Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir

de los valores actuales de variables leídas.

− Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesado

ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener
acceso a ellos.

− Comunicaciones: se encarga de la transferencia de información entre la planta

y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de
elementos informáticos de gestión.
En la figura siguiente se muestra un esquema de los bloques que componen un
SCADA.

154
 Figura 119. Diagrama Interno de un Sistema SCADA.

5.3 SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS)

Los sistemas de control distribuido sin sistemas dedicados usados para control en
procesos industriales continuos o por lotes, tales como plantas refinadoras de
petróleo, petroquímicas, plantas de generación eléctrica, farmacéuticas, alimentos,
producción de cemento, papel, entre otros.
Un DCS consiste en un grupo de controladores digitales distribuidos funcional y/o
geográficamente capaces de ejecutar desde 1 hasta 256 o más lazos de control
regulatorios. Los dispositivos de entrada pueden ser integrales al controlador o
localizados remotamente vía red de campo. Hoy en día, los controladores poseen un
amplio rango de capacidades computacionales y, además de los lazos proporcional
integral derivativo (PID), pueden desempeñar lógica y control secuencial.
Los DCS recolectan la data de campo y deciden que hacer con ella. La data puede
ser almacenada para referencia futura, usada para simple control de procesos o
usada en conjunto con data de otra parte de la planta para estrategias avanzadas de
control.

155
 Figura 119. Ejemplo de un DCS.
Partes de un DCS.

Consola de Operador.

Son los monitores o interfases hombre máquina. Ellos proveen al operador de la

información que está ocurriendo en la planta y de los efectos ocasionados por las
acciones de control. Aquí también el operador envía los comandos a los instrumentos
de campo.

Estación de Ingeniería.

Son las estaciones para los ingenieros que configuran el sistema e implementas
algoritmos nuevos de control o modifican los existentes.

Módulo de Históricos.

Es como el disco duro de un PC. Ellos almacenan la configuración del DCS y

también la de todos los puntos de la planta. También almacenan los archivos gráficos
que son mostrados en la consola y en muchos sistemas, ellos almacenan datos de
operación de la planta.

Data Histórica.

Son usualmente segmentos de software que son dedicados a almacenar variables de

proceso, puntos de ajuste y valores de salida. Son de más alta frecuencia de barrido
que la disponible en el módulo de históricos.

Módulos de Control.

Estos son como los brazos del DCS. Estos módulos son programados para hacer
funciones de control como PID, controles de relación, aritmética simple y
compensaciones dinámicas. Hoy en día ejecutan técnicas avanzadas de control.

I/O

156
Este módulo administra las entradas y salidas del DCS. Las entradas y salidas
pueden ser digitales o analógicas. Las entradas digitales son normalmente señales
on/off, arranque / parada, etc. La mayoría de las mediciones de procesos y salidas
de controladores son consideradas analógicas.

Todos los componentes mencionados arriba son interconectados usando una red de
control. Hoy en día la más frecuentemente usada es Ethernet.

5.4 COMPARACIÓN ENTRE SCADA Y DCS

ASPECTO SCADA’s DCS

TIPO DE
CENTRALIZADA DISTRIBUÍDA
ARQUITECTURA

SUPERVISORIO:
REGULATORIO: Lazos de
Lazos de control
control cerrados
cerrados por el
TIPO DE CONTROL automáticamente por el
operador.
PREDOMINANTE sistema. Adicionalmente:
Adicionalmente: control
control secuencial, batch,
secuencial y
algoritmos avanzados, etc.
regulatorio.

TIPOS DE VARIABLES DESACOPLADAS ACOPLADAS

Áreas geográficamente
ÁREA DE ACCIÓN Área de la planta.
distribuidas.

UNIDADES DE
Controladores de lazo,
ADQUISICIÓN DE Remotas, PLC’s.
PLC’s.
DATOS Y CONTROL

Radio, satélite, líneas

MEDIOS DE Redes de área local,
telefónicas, conexión
COMUNICACIÓN conexión directa.
directa, LAN, WAN.

BASE DE DATOS CENTRALIZADA DISTRIBUÍDA

157