Instrumentación

Instrumentación un término colectivo para medir instrumentos que se utilizan para indicar, medir y registrar cantidades físicas. El término tiene su origen en el arte y la ciencia de la fabricación de instrumentos científicos.

La instrumentación puede referirse a dispositivos tan simples como termómetros de lectura directa o tan complejos como componentes multisensor de sistemas de control industrial. Hoy en día, los instrumentos se pueden encontrar en laboratorios, refinerías, fábricas y vehículos, así como en el uso doméstico cotidiano (por ejemplo, detectores de humo y termostatos).

Historia y desarrollo

Un panel de instrumentación local sobre una turbina de vapor

La historia de la instrumentación se puede dividir en varias fases.

Preindustrial

Los elementos de la instrumentación industrial tienen una larga historia. Las escalas para comparar pesos y los punteros simples para indicar la posición son tecnologías antiguas. Algunas de las primeras mediciones fueron de tiempo. Uno de los relojes de agua más antiguos se encontró en la tumba del antiguo faraón egipcio Amenhotep I, enterrado alrededor del año 1500 a. Se incorporaron mejoras en los relojes. Hacia el 270 a. C. tenían los rudimentos de un dispositivo de sistema de control automático.

En 1663, Christopher Wren presentó a la Royal Society un diseño para un "reloj meteorológico". Un dibujo muestra sensores meteorológicos que mueven bolígrafos sobre papel impulsados por un mecanismo de relojería. Dichos dispositivos no se convirtieron en estándar en meteorología durante dos siglos. El concepto se ha mantenido prácticamente sin cambios, como lo demuestran los registradores de gráficos neumáticos, donde un fuelle presurizado desplaza una pluma. La integración de sensores, pantallas, grabadoras y controles era poco común hasta la revolución industrial, limitada tanto por la necesidad como por la practicidad.

Industria temprana

La evolución del lazo de control analógico de la era neumática a la era electrónica

Los primeros sistemas usaban conexiones de proceso directas a paneles de control locales para control e indicación, que desde principios de la década de 1930 vio la introducción de transmisores neumáticos y controladores automáticos de 3 términos (PID).

Las gamas de transmisores neumáticos se definieron por la necesidad de controlar válvulas y actuadores en campo. Por lo general, una señal con un rango de 3 a 15 psi (20 a 100 kPa o 0,2 a 1,0 kg/cm2) como estándar, se estandarizó con 6 a 30 psi ocasionalmente para válvulas más grandes. La electrónica de transistores permitió el cableado para reemplazar tuberías, inicialmente con un rango de 20 a 100 mA hasta 90 V para dispositivos alimentados por bucle, reduciéndose a 4 a 20 mA a 12 a 24 V en sistemas más modernos. Un transmisor es un dispositivo que produce una señal de salida, a menudo en forma de una señal de corriente eléctrica de 4 a 20 mA, aunque son posibles muchas otras opciones que usan voltaje, frecuencia, presión o Ethernet. El transistor se comercializó a mediados de la década de 1950.

Los instrumentos conectados a un sistema de control proporcionaban señales que se usaban para operar solenoides, válvulas, reguladores, disyuntores, relés y otros dispositivos. Dichos dispositivos podrían controlar una variable de salida deseada y proporcionar capacidades de monitoreo remoto o control automatizado.

Cada empresa de instrumentos introdujo su propia señal de instrumentación estándar, lo que provocó confusión hasta que se utilizó el rango de 4 a 20 mA como señal de instrumento electrónico estándar para transmisores y válvulas. Esta señal finalmente se estandarizó como ANSI/ISA S50, "Compatibilidad de señales analógicas para instrumentos electrónicos de procesos industriales", en la década de 1970. La transformación de la instrumentación de transmisores, controladores y válvulas neumáticos mecánicos a instrumentos electrónicos redujo los costos de mantenimiento ya que los instrumentos electrónicos eran más confiables que los instrumentos mecánicos. Esto también aumentó la eficiencia y la producción debido a su mayor precisión. La neumática disfrutó de algunas ventajas, siendo favorecida en atmósferas corrosivas y explosivas.

Control automático de procesos

Ejemplo de un único circuito de control industrial, que muestra el control continuamente modulado del flujo de proceso

En los primeros años del control de procesos, los indicadores de proceso y los elementos de control, como las válvulas, eran monitoreados por un operador que caminaba alrededor de la unidad ajustando las válvulas para obtener las temperaturas, presiones y flujos deseados. A medida que la tecnología evolucionó, se inventaron y montaron controladores neumáticos en el campo que monitoreaban el proceso y controlaban las válvulas. Esto redujo la cantidad de tiempo que los operadores de procesos necesitaban para monitorear el proceso. Años posteriores, los controladores reales se trasladaron a una sala central y se enviaron señales a la sala de control para monitorear el proceso y las señales de salida se enviaron al elemento de control final, como una válvula, para ajustar el proceso según sea necesario. Estos controladores e indicadores estaban montados en una pared llamada tablero de control. Los operadores se pararon frente a este tablero caminando de un lado a otro monitoreando los indicadores del proceso. Esto nuevamente redujo la cantidad y la cantidad de tiempo que los operadores de procesos necesitaban para caminar alrededor de las unidades. El nivel de señal neumática más estándar utilizado durante estos años fue de 3 a 15 psig.

Grandes sistemas informáticos integrados

Pneumatic "tres plazos" controlador neumático PID, ampliamente utilizado antes de que la electrónica se convirtió en confiable y más barato y seguro de utilizar en áreas peligrosas (Siemens Telepneu Ejemplo)

Una sala de control central pre-DCS/SCADA era. Mientras los controles se centralizan en un solo lugar, todavía son discretos y no están integrados en un solo sistema.

Una sala de control DCS donde la información y los controles de planta se muestran en pantallas gráficas de ordenador. Los operadores están sentados y pueden ver y controlar cualquier parte del proceso desde sus pantallas, mientras conservan una visión general de la planta.

El control de procesos de grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente, el control sería desde paneles locales hasta la planta de proceso. Sin embargo, esto requería un gran recurso de mano de obra para atender estos paneles dispersos, y no había una visión general del proceso. El siguiente desarrollo lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. Efectivamente, esta fue la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de niveles de personal más bajos y una visión general más sencilla del proceso. A menudo, los controladores estaban detrás de los paneles de la sala de control y todas las salidas de control automáticas y manuales se transmitían a la planta.

Sin embargo, aunque proporcionaba un enfoque de control central, esta disposición era inflexible ya que cada lazo de control tenía su propio hardware de controlador y se requería un movimiento continuo del operador dentro de la sala de control para ver las diferentes partes del proceso. Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, se hizo posible reemplazar estos controladores discretos con algoritmos basados en computadora, alojados en una red de racks de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podrían distribuirse por la planta y comunicarse con la pantalla gráfica en la sala o salas de control. Nació el concepto de control distribuido.

La introducción de DCS y SCADA permitió una fácil interconexión y reconfiguración de los controles de la planta, como bucles en cascada y enclavamientos, y una fácil interfaz con otros sistemas informáticos de producción. Habilitó el manejo sofisticado de alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como registradores gráficos, permitió que los racks de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los tendidos de cableado, y proporcionó descripciones generales de alto nivel del estado y la producción de la planta. niveles

Solicitud

En algunos casos, el sensor es un elemento muy secundario del mecanismo. Las cámaras digitales y los relojes de pulsera podrían cumplir técnicamente con la vaga definición de instrumentación porque registran y/o muestran información detectada. En la mayoría de las circunstancias, ninguno se llamaría instrumentación, pero cuando se usa para medir el tiempo transcurrido de una carrera y para documentar al ganador en la línea de meta, ambos se llamarían instrumentación.

Hogar

Un ejemplo muy simple de un sistema de instrumentación es un termostato mecánico, que se usa para controlar un horno doméstico y, por lo tanto, para controlar la temperatura ambiente. Una unidad típica detecta la temperatura con una tira bimetálica. Muestra la temperatura mediante una aguja en el extremo libre de la tira. Activa el horno mediante un interruptor de mercurio. A medida que la tira gira el interruptor, el mercurio hace contacto físico (y por lo tanto eléctrico) entre los electrodos.

Otro ejemplo de un sistema de instrumentación es un sistema de seguridad para el hogar. Tal sistema consiste en sensores (detección de movimiento, interruptores para detectar aperturas de puertas), algoritmos simples para detectar intrusos, control local (armar/desarmar) y monitoreo remoto del sistema para que la policía pueda ser convocada. La comunicación es una parte inherente del diseño.

Los electrodomésticos de cocina utilizan sensores para el control.

• Un refrigerador mantiene una temperatura constante accionando el sistema de refrigeración cuando la temperatura se vuelve demasiado alta.
• Una máquina de hielo automática hace hielo hasta que se lanza un interruptor límite.
• Las tostadoras de pan pop-up permiten el momento de establecerse.
• Los hornos de gas no eléctricos regularán la temperatura con un termostato controlando el flujo de gas al quemador de gas. Estos pueden tener una bombilla de sensor situada dentro de la cámara principal del horno. Además, puede haber un dispositivo de vigilancia de la llama cortada de seguridad: después del encendido, el botón de control del quemador debe mantenerse por un corto tiempo para que un sensor se caliente, y permitir el flujo de gas al quemador. Si el sensor de seguridad se vuelve frío, esto puede indicar que la llama del quemador se ha extinguido, y para evitar una fuga continua de gas se detiene el flujo.
• Los hornos eléctricos utilizan un sensor de temperatura y encenderán elementos de calefacción cuando la temperatura es demasiado baja. Los hornos más avanzados actuarán en respuesta a los sensores de temperatura, para distribuir calor o para enfriar.
• Un retrete común rellena el tanque de agua hasta que un flotador cierra la válvula. El flotador actúa como un sensor de nivel de agua.

Automoción

Los automóviles modernos tienen instrumentación compleja. Además de las pantallas de velocidad de rotación del motor y velocidad lineal del vehículo, también hay pantallas de voltaje y corriente de la batería, niveles de fluidos, temperaturas de fluidos, distancia recorrida y retroalimentación de varios controles (señales de giro, freno de mano, faros, posición de la transmisión). Es posible que se muestren precauciones para problemas especiales (combustible bajo, revisar el motor, baja presión de las llantas, puerta entreabierta, cinturón de seguridad desabrochado). Los problemas se registran para que puedan informarse al equipo de diagnóstico. Los sistemas de navegación pueden proporcionar comandos de voz para llegar a un destino. La instrumentación automotriz debe ser económica y confiable durante largos períodos en entornos hostiles. Puede haber sistemas de bolsas de aire independientes que contengan sensores, lógica y actuadores. Los sistemas de frenos antideslizantes usan sensores para controlar los frenos, mientras que el control de crucero afecta la posición del acelerador. Se puede proporcionar una amplia variedad de servicios a través de enlaces de comunicación como el sistema OnStar. Se han demostrado automóviles autónomos (con instrumentación exótica).

Aviones

Los primeros aviones tenían algunos sensores. "Medidores de vapor" Convirtió las presiones del aire en desviaciones de la aguja que podrían interpretarse como altitud y velocidad del aire. Una brújula magnética proporcionó un sentido de dirección. Las pantallas para el piloto eran tan críticas como las mediciones.

Un avión moderno tiene un conjunto mucho más sofisticado de sensores y pantallas, que están integrados en los sistemas de aviónica. La aeronave puede contener sistemas de navegación inercial, sistemas de posicionamiento global, radar meteorológico, pilotos automáticos y sistemas de estabilización de aeronaves. Los sensores redundantes se utilizan para la confiabilidad. Un subconjunto de la información puede transferirse a un registrador de accidentes para ayudar en las investigaciones de percances. Las pantallas de piloto modernas ahora incluyen pantallas de computadora que incluyen pantallas de visualización frontal.

El radar de control de tráfico aéreo es un sistema de instrumentación distribuido. La porción de tierra transmite un pulso electromagnético y recibe un eco (al menos). Las aeronaves llevan transpondedores que transmiten códigos al recibir el pulso. El sistema muestra la ubicación del mapa de la aeronave, un identificador y, opcionalmente, la altitud. La ubicación del mapa se basa en la dirección de la antena detectada y el tiempo de retardo detectado. La otra información está incrustada en la transmisión del transpondedor.

Instrumentación de laboratorio

Entre los posibles usos del término se encuentra una colección de equipos de prueba de laboratorio controlados por una computadora a través de un bus IEEE-488 (también conocido como GPIB por General Purpose Instrument Bus o HPIB por Hewlitt Packard Instrument Bus). El equipo de laboratorio está disponible para medir muchas cantidades eléctricas y químicas. Tal colección de equipos podría usarse para automatizar las pruebas de contaminantes en el agua potable.

Parámetros de medición

La instrumentación se utiliza para medir muchos parámetros (valores físicos). Estos parámetros incluyen:

Válvula de control

Ingeniería de instrumentación

La parte de instrumentación de un diagrama de pipa e instrumentación será desarrollada por un ingeniero de instrumentación.

Ingeniería de instrumentación es la especialización de ingeniería enfocada en el principio y funcionamiento de los instrumentos de medición que se utilizan en el diseño y configuración de sistemas automatizados en áreas como los dominios eléctrico y neumático, y el control de cantidades que se Medido. Por lo general, trabajan para industrias con procesos automatizados, como plantas químicas o de fabricación, con el objetivo de mejorar la productividad, confiabilidad, seguridad, optimización y estabilidad del sistema. Para controlar los parámetros en un proceso o en un sistema en particular se utilizan dispositivos como microprocesadores, microcontroladores o PLCs, pero su finalidad última es controlar los parámetros de un sistema.

La ingeniería de instrumentación está vagamente definida porque las tareas requeridas dependen mucho del dominio. Un experto en instrumentación biomédica de ratas de laboratorio tiene preocupaciones muy diferentes a las de un experto en instrumentación de cohetes. Las preocupaciones comunes de ambos son la selección de sensores adecuados en función del tamaño, el peso, el costo, la confiabilidad, la precisión, la longevidad, la solidez ambiental y la respuesta de frecuencia. Algunos sensores se disparan literalmente en proyectiles de artillería. Otros detectan explosiones termonucleares hasta que son destruidos. Invariablemente, los datos del sensor deben registrarse, transmitirse o mostrarse. Las velocidades y capacidades de grabación varían enormemente. La transmisión puede ser trivial o puede ser clandestina, encriptada y de baja potencia en presencia de interferencias. Las pantallas pueden ser trivialmente simples o pueden requerir consultas con expertos en factores humanos. El diseño del sistema de control varía de trivial a una especialidad separada.

Los ingenieros de instrumentación son responsables de integrar los sensores con los registradores, transmisores, pantallas o sistemas de control, y producir el diagrama de tuberías e instrumentación para el proceso. Pueden diseñar o especificar la instalación, el cableado y el acondicionamiento de la señal. Pueden ser responsables de la puesta en marcha, calibración, prueba y mantenimiento del sistema.

En un entorno de investigación, es común que los expertos en la materia tengan una gran experiencia en sistemas de instrumentación. Un astrónomo conoce la estructura del universo y mucho sobre telescopios: óptica, apuntamiento y cámaras (u otros elementos de detección). Eso a menudo incluye el conocimiento adquirido con tanto esfuerzo de los procedimientos operativos que brindan los mejores resultados. Por ejemplo, un astrónomo a menudo conoce técnicas para minimizar los gradientes de temperatura que causan turbulencias en el aire dentro del telescopio.

Los tecnólogos, técnicos y mecánicos de instrumentación se especializan en la resolución de problemas, reparación y mantenimiento de instrumentos y sistemas de instrumentación.

Tipos de señales de transmisores industriales típicos

• Loop neumático (20-100KPa/3-15PSI) – neumático

• Loop actual (4-20mA) – Electrical

• HART – La señalización de datos, a menudo superada en un bucle actual

• Foundation Fieldbus – Data signalling

• Profibus – señalización de datos

Impacto del desarrollo moderno

Ralph Müller (1940) afirmó: 'Que la historia de la ciencia física es en gran medida la historia de los instrumentos y su uso inteligente es bien conocido. Las amplias generalizaciones y teorías que han surgido de vez en cuando se han mantenido o fracasado sobre la base de mediciones precisas, y en varios casos se han tenido que idear nuevos instrumentos para este fin. Hay poca evidencia que demuestre que la mente del hombre moderno es superior a la de los antiguos. Sus herramientas son incomparablemente mejores."

Davis Baird ha argumentado que el cambio principal asociado con la identificación de Floris Cohen'de un " cuarta gran revolución científica" después de la Segunda Guerra Mundial es el desarrollo de la instrumentación científica, no solo en química sino en todas las ciencias. En química, la introducción de nueva instrumentación en la década de 1940 fue "nada menos que una revolución científica y tecnológica" en el que se descartaron los métodos clásicos húmedos y secos de química orgánica estructural y se abrieron nuevas áreas de investigación.

Ya en 1954, W. A. Wildhack habló sobre el potencial tanto productivo como destructivo inherente al control de procesos. La capacidad de realizar mediciones precisas, verificables y reproducibles del mundo natural, a niveles que antes no eran observables, utilizando instrumentación científica, ha "proporcionado una textura diferente del mundo". Esta revolución de la instrumentación cambia fundamentalmente las habilidades humanas para monitorear y responder, como se ilustra en los ejemplos de monitoreo con DDT y el uso de espectrofotometría UV y cromatografía de gases para monitorear los contaminantes del agua.