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1.5: Instrumentación y Scada

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    Resultados de aprendizaje de los estudiantes

    Después de leer este capítulo, deberías poder:

    • Explicar las diferencias entre instrumentación primaria y secundaria
    • Enumere las diversas formas en que los servicios públicos de agua utilizan SCADA para operar un sistema
    • Definir el término telemetría y cómo se relaciona con un sistema SCADA

    Hay muchos procesos diferentes que necesitan ser monitoreados por operadores de servicios de agua. Estos incluyen, pero no se limitan a caudales, totalizadores de medidores, dosificaciones químicas, presiones, niveles y diversos parámetros de calidad del agua.

    Instrumentación Primaria

    La instrumentación primaria es un instrumento utilizado para medir variables de proceso. Algunas de las variables de proceso más comunes medidas en un sistema de distribución de agua incluyen, pero no se limitan a, flujos, presiones, niveles, dosis químicas y temperaturas. Este tipo de medición de flujo de proceso proporciona a los operadores de servicios de agua información sobre la eficiencia y operación general del sistema. Las estaciones de bombeo, los pozos de agua subterránea, los tanques de almacenamiento y otras instalaciones deben ser monitoreadas para garantizar que funcionen correctamente y para ayudar a mantener la calidad y cantidad del suministro de agua potable.

    Sensores de Flujo

    Medir el flujo de agua es un aspecto importante de cualquier sistema de distribución. Las mediciones de flujo se utilizan para monitorear los flujos que ingresan a un sistema de distribución (pozos, plantas de tratamiento y fuentes de agua compradas), flujos que se mueven a través de un sistema de distribución (estaciones de bombeo) y flujos entregados a los clientes (servicio de agua). La medición de los flujos es importante para contabilizar la cantidad de agua que se compra, bombea y vende. Los flujos también se pueden usar para ayudar a rastrear cuándo un equipo necesita ser mantenido y/o reemplazado. Los medidores para medir los flujos suelen ser presión y velocidad diferenciales. Transmiten una lectura directamente a un registro (similar al odómetro de un automóvil) o tienen una salida de pulso o electrónica para monitoreo en ubicaciones remotas.

    Sensores de presión

    Las presiones en el lado de entrada o succión de una bomba y las presiones en el lado de salida o descarga de una bomba son parámetros importantes a seguir. Una presión demasiado alta o demasiado baja puede causar problemas con los equipos de bombeo y dentro de un sistema de distribución. Los sensores de presión pueden proporcionar salidas de lectura directa o proporcionar pulsos electrónicos, que pueden transmitir lecturas a ubicaciones remotas. Hay cuatro sensores de presión comunes:

    • Medidor de tensión: este es el manómetro más utilizado en la instrumentación moderna. Consiste en una sección de alambre sujeta a un diafragma. El diafragma se mueve cambiando la resistencia del cable. Esta resistencia cambiante se puede medir y transmitir por circuitos eléctricos.
    • Sensor de fuelle: un sensor de fuelle utiliza cobre flexible que puede expandirse y contraerse con presiones variables. Este es un manómetro de lectura directa.
    • Sensor helicoidal: un elemento tubular enrollado en espiral que se enrolla y se desenrolla con cambios en la presión es un sensor helicoidal. Este es un manómetro de lectura directa.
    • Tubo Bourdon: este es un tubo semicircular con una sección transversal elíptica que tiende a asumir una forma de sección transversal circular con cambios en la presión. Este es un manómetro de lectura directa.

    Sensores de Nivel

    Los niveles de agua en pozos de agua subterránea y tanques de almacenamiento de agua se miden comúnmente. La profundidad hasta el agua subterránea es importante para asegurar que el nivel freático no se estire demasiado bajo y también indica cuándo el nivel del agua cae por debajo de los cuencos dentro de un pozo. En este punto, se debe cerrar un pozo. Los niveles de agua en los tanques de almacenamiento también son importantes para medir. Los tanques de almacenamiento de agua proporcionan millones de galones de agua a los consumidores y es fundamental que los tanques de almacenamiento no se desborden ni se queden vacíos.

    • Mecanismos de flotación: un tipo simple y económico de dispositivo de medición de nivel de líquido es un flotador que se desplaza sobre la superficie y acciona un transductor a través de un brazo o cable.
    • Elemento de diafragma: este tipo de sensor de nivel opera según el principio de que el aire confinado en un tubo se comprime en relación con la cabeza de agua por encima del diafragma. El cambio en la presión percibido se relaciona entonces con un cambio en la carga de agua.
    • Tubo de burbuja: un tubo de burbujas proporciona un flujo constante de aire en un tubo, el cual está suspendido en el agua. La presión requerida para descargar el aire del tubo es proporcional a la carga de agua por encima de la parte inferior del tubo. Los tubos burbujeadores no son muy comunes y están siendo reemplazados por equipos electrónicos más nuevos.

    Sensores Electrónicos Directos

    También se están utilizando sondas, dispositivos de resistencia variable y sensores ultrasónicos para medir los niveles. Una sonda se puede suspender en el agua y tiene un circuito electrónico que detecta un cambio en la capacitancia entre la sonda y el agua. Luego convierte electrónicamente esta información en profundidad de agua. Una resistencia enrollada dentro de una envoltura semiflexible forma un sensor de nivel de resistencia variable. A medida que aumenta el nivel del agua, una parte del elemento de resistencia se cortocircuita temporalmente y cambia la resistencia del sensor. Esta resistencia se convierte en una señal de salida de nivel. Los transductores son dispositivos comunes de medición del nivel de agua, que traducen la cabeza de agua sobre la unidad en una señal (típicamente 4-20mA), que luego se convierte en pies de cabeza o presión.

    Sensores de temperatura

    Existen dos tipos principales de dispositivos de medición de temperatura utilizados en el agua, son los termopares y los termistores. Un termopar utiliza dos cables hechos de diferentes materiales, los cuales se unen en dos puntos. Un cable se conoce como el punto de detección y el otro la unión de referencia. Los cambios de temperatura entre los dos puntos provocan que se genere un voltaje, que luego puede leerse directamente o transmitirse. Un termistor utiliza un material semiconductor, como el óxido de cobalto, que se comprime en una forma deseada a partir de la forma de polvo y luego se trata térmicamente para formar cristales a los que se unen los cables. Los cambios de temperatura se reflejan con un cambio correspondiente en la resistencia a través de los cables.

    La instrumentación primaria proporciona mediciones en tiempo real del estado de varios equipos. Parte de esta información se puede utilizar para planificar y programar el mantenimiento de rutina y también se puede utilizar para indicar cuando algo está fuera de lo normal. Estos instrumentos están compuestos por un sensor, que responde a una condición física que se está midiendo y un indicador, que convierte la señal en una pantalla en un indicador.

    Sensores de equipo

    Se monitorean varios parámetros para diferentes piezas de equipo en un sistema de distribución. Los sensores eléctricos se utilizan para monitorear voltaje (voltios), corriente (amperios), resistencia (ohmios) y potencia (vatios). Se utiliza un medidor D'Arsonval para medir voltios, amperios y ohmios en equipos. Es un dispositivo de detección de corriente donde un núcleo electromagnético está suspendido entre los polos de un imán permanente.

    Si bien este tipo de sensores se han utilizado a lo largo de los años, los sensores digitales, que indican valores directamente, se encuentran más comúnmente en la industria hoy en día.

    El estado de los equipos es un parámetro importante a monitorear. Los monitores de estado de los equipos comunes incluyen, pero no se limitan a, sensores de vibración, posición, velocidad y par. Cada vez que el equipo se enciende, apaga o simplemente funciona, se producen vibraciones. Esto es normal cuando los componentes dentro del equipo están en buenas condiciones y el flujo de energía es suave. Sin embargo, a medida que los componentes envejecen y comienzan a desgastarse, la vibración puede aumentar Un sensor de vibración, especialmente en lugares donde no son posibles las inspecciones visuales diarias, se puede conectar al circuito de alimentación y apagar el equipo si la vibración excede un valor especificado.

    También se pueden usar sensores similares que miden la velocidad, el par, la posición y varios otros parámetros para monitorear el equipo y ayudar a proteger contra daños excesivos al apagar el equipo en puntos de ajuste especificados.

    Analizadores de Procesos

    Además de los sensores utilizados para monitorear el estado de los equipos, varios otros procesos son comúnmente monitoreados dentro de la industria de servicios de agua. La medición de la calidad del agua es importante y común. Si bien la medición de parámetros de calidad del agua en plantas de tratamiento de agua potable es rutinaria, hay varios parámetros de calidad del agua monitoreados dentro de los sistemas

    Uno de los parámetros de calidad del agua más comunes medidos en los sistemas de distribución es el desinfectante residual. El cloro o las cloraminas son sustancias químicas que se utilizan para garantizar que se mantenga la integridad biológica del agua potable. Los analizadores residuales de cloro y cloramina se utilizan comúnmente para medir la calidad del agua en fuentes de suministro como pozos de agua subterránea y fuentes de agua compradas. Las mediciones pueden activar alarmas o se pueden ajustar automáticamente si el parámetro medido cae fuera de los puntos de ajuste predeterminados.

    Instrumentación Secundaria

    La instrumentación secundaria convierte señales de sensores e instrumentación primaria. Hay varias formas en que la instrumentación recibe y transmite (indica) parámetros. Hay una variedad de formas que incluyen, pero no se limitan a indicadores de lectura directa, que expresan valores como galones por minuto (gpm) para flujos, voltios de motores y presiones expresadas en libras por pulgada cuadrada.

    Algunos receptores e indicadores recopilan y registran datos. Los gráficos a veces se utilizan para expresar los valores como el gráfico de tiras que se muestra a continuación. Otras grabadoras muestran valores totales acumulados o alguna combinación de recolección de datos y expresión.

    Registrador de Gráfico Circular
    Figura\(\PageIndex{1}\): La imagen es de dominio público

    En dispositivos analógicos, los valores oscilarán suavemente desde los valores mínimo y máximo. Por lo general, son más fáciles de leer la posición relativa del valor que se muestra en todo el rango. Si los valores caen entre los valores escalados en la pantalla, se pueden estimar fácilmente. En los dispositivos digitales, la precisión tiende a ser mejor que los sistemas analógicos y son muy fáciles de leer. Los valores suelen ser números decimales en pantallas mecánicas o electrónicas. Sin embargo, estimar el valor exacto cuando la lectura cae entre divisiones en la pantalla es difícil.

    Cuando los sensores y los indicadores no están ubicados en la misma área, se necesita algún tipo de equipo para enviar la señal del sensor al indicador. En estos casos, a menudo se utiliza la telemetría. Los primeros sistemas de telemetría utilizaban tonos de audio o pulsos eléctricos. Los sistemas digitales son comunes y se un código binario para transmitir señales. Una señal de sensor se alimenta a un transmisor, que luego genera una serie de pulsos de encendido-apagado. El número de pulsos de encendido-apagado representa un número. Por ejemplo, la secuencia de pulsos de apagado-encendido-apagado-encendido representa el número cinco (5). El dispositivo transmisor en un sistema digital se conoce como una unidad terminal remota (RTU) y el receptor se llama unidad terminal de control (CTU).

    Siempre que sea necesario enviar múltiples señales desde más de un sensor a través de la misma línea de transmisión, hay varios métodos empleables. Tono-frecuencia envía señales a través de un cable o señal de radio al tener generadores de tono-frecuencia en el transmisor. Cada parámetro se envía a una frecuencia diferente. Hay filtros dentro del receptor, que ordenan las señales y las envían al indicador adecuado. Un ejemplo de esto es una línea telefónica de grado de voz única. Se pueden enviar hasta veintiuna (21) frecuencias a través de este tipo de sistemas.

    El equipo de escaneo se utiliza para transmitir el valor de varios parámetros uno a la vez en una secuencia especificada. El receptor decodifica las señales y muestra cada una en un giro específico. Los equipos de escaneo también se pueden combinar con tono-frecuencia para permitir aún más señales a través de una sola línea de transmisión. El sondeo es un sistema utilizado donde cada instrumento tiene su propia dirección única. Un controlador del sistema envía un mensaje solicitando un equipo específico para transmitir sus datos.

    La duplexación es el último proceso de transmisión de señales que discutiremos. Hay tres (3) tipos de sistemas dúplex: full-duplex, half-duplex y simplex.

    • En sistemas full-duplex, las señales pueden pasar en ambas direcciones al mismo tiempo
    • Los sistemas semidúplex solo permiten que las señales pasen una dirección a la vez
    • Un sistema simplex solo permite que las señales pasen en una dirección

    Sistemas de Control

    La idea de los sistemas de instrumentación y control es obtener la capacidad de realizar cambios o correcciones en los parámetros que se miden. Sí, es muy valioso saber qué es un residuo de cloro en un pozo de agua subterránea, pero si necesitas visitar la ubicación para hacer cambios reales basados en las señales que se reciben de un sensor entonces se puede perder un tiempo valioso. Por lo tanto, los sistemas de control son extremadamente útiles. Un sistema de control permite realizar ajustes en función de los datos que se transmiten y reciben. Los sistemas de control se pueden desglosar en cuatro (4) tipos principales de sistemas.

    • Manual Directo—Un sistema manual directo, es el sistema de control más simple y menos complicado. Los componentes son controlados por un operador que debe visitar físicamente cada ubicación para realizar un cambio. Por ejemplo, si se transmite una señal que requiere que se apague un sistema, en un sistema de control manual directo, un operador debe conducir hacia la ubicación y apagar manualmente el componente. Este tipo de sistema tiene un bajo costo inicial y cuenta con equipos poco complicados de mantener. Sin embargo, sí requiere experiencia laboral y operadora y juicio.
    • Manual remoto: en un sistema de control manual remoto, un operador puede realizar ajustes en los sistemas y componentes desde una ubicación remota. Este tipo de sistema aún requiere experiencia y juicio del operador, pero requiere menos trabajo físico. Un ejemplo de este tipo de sistema de control podría ser cuando una bomba necesita ser encendida o apagada. En lugar de requerir que un operador visite físicamente una ubicación para realizar esta tarea, se puede controlar de forma remota desde una sala de control o alguna ubicación remota.
    • Semiautomático: este tipo de sistema de control combina el control manual desde una ubicación remota (sala de control) con el control automático de piezas específicas del equipo. Un ejemplo de esto podría ser un disyuntor. Un interruptor se desconectará automáticamente en respuesta a una sobrecarga, pero luego debe restablecerse manualmente. Este “reajuste” puede ser de forma remota o en las instalaciones.
    • Automático: el control automático completo es cuando el equipo puede encenderse y apagarse o ajustar su funcionamiento en respuesta a las señales de sensores e instrumentos analíticos. Hay dos modos generales de controles automáticos: diferencial de encendido-apagado y proporcional.
      • On-Off Los sistemas de control diferencial encienden o apagan el equipo por completo en respuesta a una señal. La tasa del equipo tendría que ser ajustada manualmente.
      • Los sistemas de control proporcional ajustan las variables automáticamente. Los sistemas de control proporcional se pueden desglosar en tres (3) tipos principales.
        • El control proporcional Feedforward mide una variable como la dosis de cloro. El flujo de agua se está midiendo y cuanto más rápido (o más) el agua fluya a través de un medidor, el sistema de alimentación de cloro aumenta la cantidad de cloro. Este tipo de sistema es útil, pero no puede dar cuenta de la variación de la demanda de cloro.
        • El control proporcional de retroalimentación mide la salida de un proceso y luego reaccionará para ajustar el funcionamiento del equipo. Este tipo de sistema también se conoce como un sistema de control de “circuito cerrado” porque se autocorrige continuamente. Estos sistemas pueden ser problemáticos si hay amplias variaciones en el caudal de agua.
        • Los sistemas de control combinados se ajustan en respuesta a los cambios en el caudal, pero un analizador que monitorea la dosis de cloro realiza ajustes menores en la velocidad de alimentación del químico para mantener el residuo seleccionado que se mide en el agua terminada.

    Control de Supervisión y Adquisición de Datos

    Los procesos discutidos en este capítulo se envuelven juntos en un sistema de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA). SCADA es un sistema utilizado en una variedad de industrias, incluyendo sistemas de tratamiento y distribución de agua potable. Existen dispositivos de campo (instrumentación primaria) como sensores, que leen diversos parámetros, enviando señales, las cuales son recibidas y transmitidas (instrumentación secundaria) a través de telemetría, a un sistema informático centralizado. Esto permite a un operador una visión completa de un sistema de distribución para ver cómo están funcionando las cosas.

    El sistema SCADA se muestra en un monitor de computadora
    Figura\(\PageIndex{2}\): La imagen del Departamento de Agricultura de Estados Unidos es de dominio público

    Una variedad de componentes y procesos son monitoreados en un sistema de distribución de agua potable, incluyendo pero no limitado a niveles de tanques de almacenamiento, caudales de estaciones de bombeo, presiones, profundidades de pozos de agua subterránea y alimentación química como sistemas de desinfección.

    Aquí hay un ejemplo simple de cómo funciona un sistema SCADA en un sistema de distribución de agua.

    Un pozo de agua subterránea proporciona agua al sistema de distribución. Entonces, ¿cómo se enciende este pozo y comienza a bombear agua? Hace años, un operador conduciría hacia el pozo, abriría la puerta de la instalación, insertaba una llave para desbloquear el panel de control y luego giraba un interruptor para encenderlo. El agua entraría al sistema de distribución a través de una red de tuberías. Si un cliente enciende un grifo, saldría agua. ¿Qué es lo que nadie estaba usando agua cuando se encendió el pozo? El agua fluiría entonces a un tanque de almacenamiento de agua. Este tanque comenzaría a llenarse. ¿Qué pasaría si no se apagara el pozo? Obviamente suficiente, el tanque de almacenamiento se desbordaría. Entonces, ¿cómo sabría un operador cuándo cerrar el pozo? Sin algún tipo de sistema informático, señal o alarma, el operador tendría que conducir hasta el tanque y observar visualmente el nivel del agua. Entonces, el operador conduciría de regreso al sitio del pozo y cerraría el pozo. Esto no es muy complicado, pero requiere mucha mano de obra y requiere mucho tiempo. Avance rápido a la era de las computadoras. Se podría instalar un sensor en el tanque de almacenamiento de agua para monitorear el nivel. Con la ayuda de un sistema SCADA, se pueden programar puntos de ajuste de nivel específicos para indicar a otro conjunto de sensores cuándo encender y apagar algo así como un pozo de agua subterránea. Este es un ejemplo muy simplista de cómo funciona un sistema SCADA, pero explica adecuadamente el proceso de un sensor que envía una señal, un sistema informático que lee esta señal y responde con una función.

    Una sala de control suele estar equipada con una interfaz hombre-máquina (HMI). Esta interfaz es una ventana al sistema SCADA. Muestra gráficamente todas las instalaciones dentro de un sistema. Los tanques, bombas y fuentes de suministro están interconectados para garantizar que el agua se distribuya continuamente por todo el sistema. El sistema suele estar equipado con diversas alarmas para notificar remotamente a los operadores a través de buscapersonas, mensajes de texto o algún otro tipo de notificación remota. Esto permite que el sistema funcione continuamente sin que alguien esté sentado frente a una computadora las veinticuatro (24) horas del día, los siete (7) días a la semana. Un operador recibe una alarma y luego el operador completamente capacitado verificaría que la alarma se aclarara después de que el proceso volviera a su funcionamiento normal o informaría al operador que podrían ser necesarias tareas adicionales para reparar el sistema.

    Preguntas de muestra

    1. ¿Cuál de los siguientes se utiliza para medir la presión?
      1. Voluta
      2. Chorro múltiple
      3. Calibrador extensométrico
      4. Todo lo anterior
    2. ¿Cuál de los siguientes se utiliza para medir la baja presión?
      1. Sensor de fuelle
      2. Sensor helicoidal
      3. Tubo de Bourdon
      4. Todo lo anterior
    3. Se deben instalar tubos de burbuja ___________.
      1. En la parte superior del tanque
      2. En el medio del tanque
      3. En la parte inferior del tanque
      4. En cualquier lugar del tanque
    4. ¿Cuál de los siguientes dispositivos de medición de temperatura utiliza dos cables?
      1. Termómetro
      2. Termister
      3. Termostato
      4. Termopar
    5. ¿Cuál de los siguientes dispositivos de medición de temperatura utiliza óxido de cobalto como material semiconductor?
      1. Termómetro
      2. Termister
      3. Termostato
      4. Termopar
    6. ¿Qué tipo de control no contabilizaría la demanda variable de cloro?
      1. Feedback proporcional
      2. Feedforward proporcional
      3. Combinado
      4. Todo lo anterior
    7. ¿Cuál de las siguientes es la medición de potencia más pequeña?
      1. Voltaje
      2. Amperios
      3. Ohmios
      4. Watts
    8. Amperios es una medida de ___________.
      1. Actual
      2. Resistencia
      3. Poder
      4. Voltaje
    9. SCADA significa ___________.
      1. Ensamblaje digital analógico autónomo
      2. Computadora Superior y Adquisición de Datos
      3. Computadora De Supervisión Y Ensamblaje Digital
      4. Control de Supervisión y Adquisición de Datos
    10. ¿Cuál de las siguientes opciones permite que las señales pasen solo en una dirección?
      1. Semidúplex
      2. Full-duplex
      3. Simplex
      4. Todo lo anterior

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