Instrumentación Industrial: todo lo que necesitas saber
Hoy vamos a abordar los conceptos básicos de la instrumentación industrial, una disciplina fundamental en la industria y en las plantas de producción. Posiblemente es menos conocida que la automatización industrial, pero hay técnicos e ingenieros especializados sólo en este campo.
Intentaremos explicar en qué consiste la instrumentación industrial y su importancia. En pocas palabras, se refiere a un campo multidisciplinar que requiere conocimientos de química, mecánica, electricidad, electrónica, microcontroladores y microprocesadores, lenguajes de software, control de procesos, entre otros, como los principios de la neumática e hidráulica y las comunicaciones industriales.
Pero, en primer lugar, conozcamos qué se entiende por instrumentación.
¿Qué es la instrumentación?
El proceso en el que el conjunto de varios instrumentos eléctricos, de medición y control interconectados para medir, analizar y controlar las magnitudes físicas eléctricas y no eléctricas se denomina instrumentación.
Básicamente, hay varios tipos de instrumentos, como los eléctricos, los electrónicos y los mecánicos. La instrumentación se clasifica a su vez en diferentes tipos, como la instrumentación eléctrica, la instrumentación industrial, la instrumentación electrónica, la instrumentación mecánica, etc.
Una vez aclarado este concepto, es un buen momento para centrarnos en la instrumentación industrial.
Qué es la instrumentación industrial y para qué sirve
El proceso de medir y controlar diversas cantidades en los procesos de producción utilizando diversos instrumentos o elementos industriales se define como instrumentación industrial.
Para controlar cualquier cantidad, se debe medir principalmente esa magnitud en particular. Después de medir la cantidad deseada, los valores medidos se transmiten con fines de indicación, cálculo o de control, ya sea con funcionamiento manual o automático.
En una operación de control automático la cantidad puede ser controlada usando la señal de control enviada por la CPU a los dispositivos de control.
En la práctica, los sensores leen los distintos datos de campo como el caudal, la presión, el desplazamiento, las vibraciones, etc., y los transmiten a los sistemas de control que regularán estas cantidades variables.
En la industria, el control se lleva a cabo, normalmente, por autómatas programables (PLC) o sistemas de control distribuidos (DCS).
Cómo funciona la instrumentación industrial
La instrumentación industrial está considerada como la ciencia de la medición y el control de los sistemas automatizados. Las aplicaciones de esta tecnología proliferan en la investigación tecnológica, la industria y la vida cotidiana.
Desde sistemas de control para motores de automóviles hasta termostatos domésticos, pilotos automáticos de aviones, fabricación de fármacos, centrales eléctricas, petróleo y gas, refinerías, etc.
El primer paso del funcionamiento de la instrumentación industrial, como ya hemos comentado anteriormente, es la medición. Si no podemos medir algo, es realmente inútil tratar de controlarlo. Este «algo» suele adoptar una de las siguientes formas en la industria:
- La presión del fluido
- El flujo de los fluidos
- La temperatura de un objeto
- El volumen de fluido almacenado en un recipiente
- La concentración química
- La posición de la máquina, el movimiento o la aceleración
- Las dimensiones físicas de un objeto
- El Recuento (inventario) de objetos
- El Voltaje, la corriente o resistencia eléctrica, etc.
Una vez que medimos la cantidad que nos interesa, normalmente transmitimos una señal que representa esta cantidad a un sistema PLC/DCS donde entonces tiene lugar una acción humana (manual) o automatizada.
Por tanto, si la acción de control es automatizada, el PLC/DCS envía una señal a un dispositivo de control final que luego influye en la cantidad que se está midiendo.
En general, los dispositivos de control son el motor eléctrico, la válvula de control y el calentador eléctrico. Estos dispositivos de instrumentación y control se conectan a los dispositivos de medición mediante un sistema físico denominado «proceso».
La mayoría de las industrias están automatizadas para facilitar la operación con este fin; el microcontrolador y los microprocesadores son necesarios para la conmutación programable. Por ejemplo, en muchas industrias, la programación de la energía industrial se automatiza utilizando sistemas incorporados.
Te muestro un ejemplo en un diagrama de bloques básico para que lo entiendas mejor:
Ejemplo práctico de instrumentación industrial
El termostato doméstico común es un ejemplo de un sistema de medición y control, en el que la temperatura interna del aire del hogar es el «proceso» bajo control.
En este ejemplo, el termostato suele cumplir dos funciones: detectar y controlar, mientras que el calefactor de la casa añade calor a la casa para aumentar la temperatura, y/o el aire acondicionado de la casa extrae calor de la casa para disminuir la temperatura.
El trabajo de este sistema de control es mantener la temperatura del aire a un nivel confortable, con el calentador o el aire acondicionado tomando medidas para corregir la temperatura si se aleja demasiado del valor deseado (llamado punto de ajuste).
Características de la instrumentación industrial
Las características de la instrumentación industrial en aplicaciones en tiempo real se basa en su arquitectura. En definitiva, esta formada principalmente por sensores, transductores o dispositivos de entrada, controladores, procesadores, transmisores y actuadores o dispositivos de salida.
- La instrumentación de entrada se utiliza para medir, regular las cantidades físicas como el flujo, el nivel, la presión, la temperatura y así sucesivamente.
- La instrumentación de salida incluye dispositivos de control como válvulas, reguladores, interruptores y relés. Estos están destinados a controlar la variable de salida deseada, proporcionando capacidades de control a distancia o automáticamente. Se consideran como dispositivos o elementos de control final.
A continuación se explican los tres elementos principales de la instrumentación industrial.
Elementos principales de la instrumentación industrial
1. Sensores
Hay muchos sensores utilizados como dispositivos de entrada en aplicaciones de instrumentación y control en tiempo real, pero los sensores más utilizados son:
- Sensor de temperatura
- Sensor de presión
- Sensor fotoeléctrico
- Sensor de flujo
- Sensor de nivel
- Sensor de velocidad
- Manómetro
- Termistor
- Termopar
- Sensor de imagen
- Sensor de posición y desplazamiento, entre otros.
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2. Controladores
La mayoría de los controladores o válvulas se implementan generalmente utilizando sistemas mecánicos o electrónicos. Pero los recientes controladores industriales en los sistemas utilizados en la industria 40 dependen de ordenadores, lo que facilita la implementación de complejos algoritmos de control en lugar de utilizar un sistema mecánico.
Los sistemas de control más utilizados en la instrumentación industrial son:
- PLC (Controlador Lógico Programable o autómata)
- DCS (Sistema de Control Distribuido)
- SCADA (Sistema de Control de Supervisión y Adquisión de Datos)
3. Actuadores
El actuador se utiliza para controlar el mecanismo o el sistema basado en la señal que se le da al convertir la señal eléctrica en una acción de gran potencia. La señal de salida de los controladores o sistemas de control como DCS, SCADA o PLC utilizados en la instrumentación industrial se utilizan para controlar los actuadores.
Los actuadores son generalmente controlados por la corriente eléctrica, la presión del fluido, la presión neumática y, esta energía se convierte en energía o potencia mecánica.
Hay diferentes tipos de actuadores a conocer:
- Actuador hidráulico
- Actuador neumático
- Actuador eléctrico
- Actuador mecánico
Estos actuadores se utilizan para controlar dispositivos de salida como motores, luces de emergencia, válvulas, relés, contactores, etc.
Qué hace un técnico instrumentista industrial
El Técnico en Instrumentación Industrial, es un profesional formado, generalmente, en las áreas de ingeniería electrónica y/o ingeniería industrial.
Como resultado de su formación, deben tener una sólida base en electricidad y electrónica, por ejemplo, ha saber cómo funciona un motor trifásico o un sensor capacitivo, pero también ha saber cómo manejar los instrumentos de medición (voltímetro, amperímetro, osciloscopio, etc.).
En definitiva, trabajan en las instalaciones de la planta de producción para la verificación y calibración de los sensores (presión, temperatura, humedad, tacómetro, velocidad de rotación), transmisores y sus detectores (presión, nivel, temperatura y humedad).
Además de los controles, se encargan de las reparaciones y/o del reemplazo de los dispositivos y de la puesta en marcha de los instrumentos de medición. También, comprueban la conformidad de la instalación de acuerdo con los estándares existentes y la normatividad vigente antes y durante la producción de procesos.
Del mismo modo, llevan a cabo la verificación y las reparaciones de los instrumentos de medición, los sensores y los controladores de acuerdo con los procedimientos de calidad definidos con las especificaciones del fabricante o las normas vigentes.
Los perfiles de los técnicos o ingenieros de instrumentación pueden ser muy variados. Puedes trabajar en mantenimiento donde te encargarás de la conservación y el mantenimiento de los sistemas de control e instrumentos de campo.
Como también, puedes trabajar en diseño, en este caso, te encargarás del calibrado de los sensores, la supervisión de la instalación, la programación del sistema de control, etc.
Conclusiones
Todas las operaciones relacionadas con los procesos en tiempo real en la planta de producción, tienen que ser controladas adecuadamente para lograr resultados más económicos, eficientes y confiables.
Por lo tanto, algunos dispositivos se utilizan para medir las cantidades físicas como la temperatura, la presión, etc., que se denominan instrumentación.
La automatización y la instrumentación industrial son necesarias para controlar diversas operaciones en las industrias.
En el entorno competitivo actual, las empresas buscan combinar la calidad y el rendimiento, lo cual es simplemente imposible de lograr sin la automatización.
La automatización es el centro neurálgico de cualquier fábrica, y debido a la demanda de altos niveles de rendimiento de las industrias, la instrumentación industral tomará gradualmente su lugar en la industria del futuro.
