Compendio de Investigación Documental | Instrumentación y Control de Procesos

Unidad 01

Introducción a la Instrumentación y Metrología Industrial

La comprensión de la instrumentación industrial requiere el dominio de una base terminológica y metrológica normalizada, regida por organizaciones como la ISA (Sociedad Internacional de Automatización) y el BIPM (Oficina Internacional de Pesas y Medidas). Esta unidad unifica los criterios de diseño, operación y mantenimiento en las plantas de proceso moderno.

Todo lazo de control se constituye a partir de variables físicas y dispositivos que interactúan de forma dinámica para contrarrestar las perturbaciones del entorno. Los términos fundamentales definidos por la metrología y los estándares internacionales de control son:

Variable de Proceso (PV): Magnitud física real objeto de medición y control: temperatura, presión, caudal o nivel.

Punto de Consigna (SP): Valor deseado o de referencia que se pretende mantener en la variable de proceso.

Variable Manipulada (MV): Magnitud física que el controlador altera dinámicamente para influir sobre el balance de masa o energía del proceso.

Lazo de Control: Cadena cerrada de señales físicas y de control generada al interconectar proceso, transmisor, controlador y elemento final de control.

Transmisor: Instrumento industrial que capta la variable de proceso a través de un elemento primario y la convierte en señal estándar analógica o digital.

Controlador: Dispositivo que recibe la señal del transmisor, la compara con el SP para cuantificar el error y calcula la acción correctiva.

Elemento Final de Control: Dispositivo físico que modifica el flujo de masa o energía del agente de control; la válvula de control es su representación más común.

La selección de la instrumentación depende de la evaluación de sus propiedades metrológicas, las cuales definen su comportamiento estático y dinámico según el VIM y los manuales de calibración industrial.

Propiedad Metrológica	Definición Técnica	Implicación en Control de Procesos
Exactitud	Grado de concordancia entre el valor medido y el valor verdadero del mensurando.	Determina el error absoluto máximo que el lazo de control mantendrá respecto al valor físico real del proceso.
Precisión	Grado de concordancia entre indicaciones repetidas del mismo objeto bajo condiciones especificadas.	Un instrumento impreciso inyecta variabilidad de alta frecuencia que fuerza al controlador a ciclar innecesariamente.
Resolución	Menor diferencia entre indicaciones que puede ser percibida de forma significativa.	Limita el paso mínimo para cuantificar y corregir una desviación física en sistemas digitales.
Zona Muerta	Intervalo máximo en que la entrada puede variar sin cambio perceptible en la respuesta.	Introduce retardos no lineales y oscilaciones de ciclo límite en lazos realimentados.
Histéresis	Diferencia máxima en los valores de salida para la misma entrada según dirección de aproximación.	Causada por fricción interna o fatiga elástica, provoca desfases en el seguimiento de trayectorias.
Sensibilidad	Cociente entre la variación de la indicación y la variación correspondiente de la magnitud medida.	Define la ganancia estática del sensor; baja sensibilidad exige amplificación que puede añadir ruido.

Un termopar puede exhibir precisión extraordinaria entregando lecturas idénticas de forma repetitiva ante un baño en ebullición, pero carecer de exactitud si el valor real difiere debido a un bias sistemático. Por el contrario, un sensor exacto en promedio puede mostrar dispersión ruidosa que dificulte la acción derivativa.

Los instrumentos se clasifican funcionalmente en: ciegos (sin indicación), indicadores (valor en pantalla local), registradores (trazabilidad histórica) y elementos finales de control. La norma ANSI/ISA-5.1-2024 asocia un código alfanumérico (tag) a cada instrumento.

○

Círculo Simple

Instrumento localizado en campo, accesible físicamente al personal de mantenimiento.

⊙

Círculo con Línea Continua

Instrumento montado en el panel principal de la sala de control, accesible al operador.

⊘

Círculo con Línea Discontinua

Instrumento detrás del panel o en gabinetes cerrados, inaccesible al operador en operación normal.

⊡

Círculo en Cuadrado

Función lógica o de control distribuido en pantallas de operador, típicamente en PLC o DCS.

Criterio	Norma ISA (ANSI/ISA 5.1-2024)	Diagramas SAMA
Propósito Principal	Documentar disposición física, ubicación e identificación de instrumentos.	Documentar estrategia funcional, algoritmos y lógica matemática del sistema de control.
Simbología	Círculos, cuadrados y líneas con códigos alfanuméricos (tags).	Bloques rectangulares funcionales y círculos con operadores matemáticos.
Enfoque	Muestra qué instrumentos existen y dónde están instalados.	Muestra cómo fluye y se procesa la señal a nivel algorítmico.
Representación PID	Un solo símbolo representativo (ej. TIC o PIC).	Desagrega la estrategia en bloques P, I y D independientes.

La coherencia cuantitativa de la documentación de ingeniería depende del uso estricto del SI. La calibración de transmisores e indicadores requiere conversiones matemáticas exactas entre el SI y otras unidades de uso común, minimizando errores catastróficos de operación.

Presión: 100 psi a Pa y bar

100\;\text{psi} \times 6894.76\;\frac{\text{Pa}}{\text{psi}} = 689{,}476\;\text{Pa} \approx 6.895\;\text{bar}

Flujo volumétrico: 50 L/min a m³/s

50\;\frac{\text{L}}{\text{min}} \times \frac{1\;\text{m}^3}{1000\;\text{L}} \times \frac{1\;\text{min}}{60\;\text{s}} = 8.33 \times 10^{-4}\;\frac{\text{m}^3}{\text{s}}

Temperatura: 100 °C a K y °F

T_K = 100 + 273.15 = 373.15\;\text{K} \qquad T_{°F} = 100 \times \tfrac{9}{5} + 32 = 212\;°\text{F}

Flujo másico: 3600 kg/h a kg/s y lb/min

\dot{m} = \frac{3600}{3600} = 1\;\frac{\text{kg}}{\text{s}} \qquad \approx 2.205\;\frac{\text{lb}}{\text{min}} \times 60 = 132.3\;\frac{\text{lb}}{\text{h}}

En sistemas industriales, es común evaluar variables calculadas indirectamente a partir de mediciones directas individuales. Para una variable f función de variables independientes x₁, x₂, …, xₙ, la incertidumbre absoluta propagada se calcula mediante la suma en cuadratura:

Ecuación General de Propagación de Incertidumbre (GUM)

\Delta f = \sqrt{\sum_{i=1}^{n} \left( \frac{\partial f}{\partial x_i} \cdot \Delta x_i \right)^2}

Demostración Práctica: Área de un Intercambiador de Calor

Se mide una placa rectangular con: longitud $L = (0.850 \pm 0.002)\;\text{m}$ y ancho $W = (0.450 \pm 0.001)\;\text{m}$ .

Área nominal

A = L \times W = 0.850 \times 0.450 = 0.3825\;\text{m}^2

Derivadas parciales

\frac{\partial A}{\partial L} = W = 0.450\;\text{m} \qquad \frac{\partial A}{\partial W} = L = 0.850\;\text{m}

Incertidumbre propagada

\Delta A = \sqrt{(0.450 \times 0.002)^2 + (0.850 \times 0.001)^2} = \sqrt{(9\times10^{-4})^2 + (8.5\times10^{-4})^2} \approx 0.00124\;\text{m}^2

Resultado formal reportado

A = (0.3825 \pm 0.0012)\;\text{m}^2

Este resultado demuestra que la incertidumbre total del área calculada se ve afectada de manera dominante por el instrumento con menor resolución relativa, aportando un criterio de diseño para la selección óptima de instrumentos en campo.

Unidad 02

Sensores, Transductores y Transmisores

La transducción es el proceso físico mediante el cual una variable de proceso es detectada y convertida en una propiedad física secundaria conveniente para su acondicionamiento eléctrico. Los principios de funcionamiento de los sensores representan la base física sobre la que se construye la instrumentación industrial.

Cada principio de transducción explota un fenómeno físico diferente para convertir la variable de proceso en una señal eléctrica procesable:

Resistivo

Variación de la resistencia óhmica de un conductor o semiconductor en respuesta a una magnitud física externa. Puede ser inducida térmicamente (RTD) o mecánicamente por deformación elástica (galgas extensiométricas).

Ejemplos: Termorresistencias Pt100, galgas extensiométricas

Capacitivo

Alteración de la capacitancia eléctrica entre placas conductoras paralelas. El sensor modifica la distancia de separación, el área de superposición o la constante dieléctrica del medio interpuesto.

Ejemplos: Sensores de presión diferencial, medidores de nivel

Inductivo

Basado en la inducción electromagnética de Faraday. La variación de posición de un núcleo ferromagnético altera la reluctancia magnética, modificando la inductancia propia o mutua del devanado.

Ejemplos: LVDT (Linear Variable Differential Transformer), sensores de posición

Magnético (Efecto Hall)

La presencia de un campo magnético altera la trayectoria de portadores de carga en una placa semiconductora, generando una diferencia de potencial transversal proporcional al campo.

Ejemplos: Sensores de posición angular, tacómetros industriales

Ultrasónico

Mide el tiempo de tránsito de un pulso sonoro de alta frecuencia desde el emisor piezoeléctrico hasta la superficie de separación y de regreso al receptor, sin contacto corrosivo con el material.

Ejemplos: Medidores de nivel de sólidos y líquidos sin contacto

Piezoeléctrico

Aparición de cargas de polarización eléctrica en materiales monocristalinos (cuarzo) al ser sometidos a esfuerzos mecánicos. Respuesta extremadamente rápida, ideal para medición de vibraciones y presiones dinámicas.

Ejemplos: Acelerómetros de vibración, micrófonos de presión dinámica

La temperatura constituye la variable de control predominante en procesos químicos y de generación de calor. Coexisten tecnologías con diferentes ventajas de precisión, rango y robustez física:

Termopares (J, K, T, E, N, S, R, B)

-270 °C a +1820 °C

Precisión: Menor estabilidad a largo plazo por envejecimiento por difusión metálica.

Respuesta: Muy rápido (baja masa térmica de unión)

Consideraciones: Efecto termoeléctrico Seebeck. Requiere cables de extensión específicos y compensación de junta fría.

RTD (Pt100, Pt1000)

-200 °C a +850 °C

Precisión: Máxima precisión industrial y excelente estabilidad.

Respuesta: Moderado, influido por la vaina termométrica protectora.

Consideraciones: Resistencia de platino con comportamiento lineal. Requiere acondicionamiento a 3 o 4 hilos para eliminar resistencia de cables.

Termistores (NTC y PTC)

-100 °C a +300 °C

Precisión: Alta precisión local, comportamiento térmico exponencial no lineal.

Respuesta: Rápido por su tamaño miniaturizado.

Consideraciones: Fabricados con semiconductores de óxido de transición. Uso extendido en laboratorios y wearables.

Pirómetros Infrarrojos

+50 °C a +3000 °C

Precisión: Moderada; depende de la calibración de emisividad de la superficie.

Respuesta: Casi instantáneo (microsegundos)

Consideraciones: Medición óptica sin contacto directo de la radiación electromagnética emitida por el cuerpo negro.

Los sensores de campo entregan señales de muy baja magnitud en entornos de alta interferencia electromagnética. El Amplificador de Instrumentación es el circuito por excelencia para el acondicionamiento analógico de precisión, constituido por tres amplificadores operacionales en dos etapas:

Etapa 1 – Pre-amplificación Diferencial

Dos amplificadores operacionales con impedancia de entrada extremadamente alta. La corriente a través de la resistencia de ganancia externa se establece por el diferencial de potencial:

I_{R_G} = \frac{V_{in+} - V_{in-}}{R_G}

V_{o1} = V_{in+} + I_{R_G} \cdot R_1

V_{o2} = V_{in-} - I_{R_G} \cdot R_1

Etapa 2 – Restador de Ganancia Unitaria

Amplificador restador con resistencias simétricas. Cuando todas las resistencias del restador son iguales:

V_{out} = V_{o1} - V_{o2}

Función de Transferencia Completa

G = \frac{V_{out}}{V_{in+} - V_{in-}} = 1 + \frac{2R_1}{R_G}

La ganancia se controla mediante una única resistencia R_G sin degradar la simetría ni el CMRR

AD620 / AD623 – Circuito Integrado Comercial

El fabricante especifica que la ganancia diferencial se programa mediante una sola resistencia externa R_G:

G_{AD620} = \frac{49.4\;\text{k}\Omega}{R_G} + 1

Ecuación calibrada del AD620 para ajuste de ganancia con resistencia externa única

La calibración de un transmisor industrial consiste en contrastar sus valores indicados frente a un patrón metrológico trazable. De acuerdo con la Guía GUM del JCGM, el resultado de medición se expresa formalmente como:

Expresión formal del resultado de medición (GUM)

\hat{x} = \bar{x} \pm U

x̄ = valor de lectura promedio, U = Incertidumbre Expandida de Medida

Incertidumbre expandida

U = k \cdot u_c

u_c = incertidumbre estándar combinada, k = factor de cobertura

En la calibración industrial ordinaria de instrumentos de temperatura, flujo y presión, se adopta convencionalmente un factor de cobertura k = 2 para garantizar un nivel de confianza estadística del 95% en las hojas de calibración del instrumento.

Incertidumbre Tipo A

Evaluación estadística de mediciones repetidas bajo las mismas condiciones. Se calcula como la desviación estándar de la media.

Incertidumbre Tipo B

Evaluación a partir de información previa: certificados de calibración, especificaciones del fabricante, datos históricos.

Incertidumbre Combinada (u_c)

Raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de todas las contribuciones de incertidumbre Tipo A y Tipo B.

Unidad 03

Actuadores y Elementos Finales de Control

Los actuadores de proceso son dispositivos dinámicos de potencia mecánica encargados de mover físicamente el obturador de una válvula para modular la resistencia al paso de fluido en la línea de proceso. Su correcta selección y dimensionamiento son críticos para la estabilidad del lazo de control.

💨

Actuadores Neumáticos

Utilizan aire comprimido seco de instrumentación para deformar un diafragma flexible elastomérico contra un resorte calibrado, o mediante pistón de cilindro neumático.

✔ Ventajas

Robustos y económicos de mantener
Acción rápida y confiable
Seguridad intrínseca ante riesgos de explosión
No requieren fuente eléctrica local

✖ Limitaciones

Requieren sistema de aire comprimido limpio
Fugas de aire generan pérdidas de eficiencia

⚡

Actuadores Eléctricos

Equipados con servomotores de CA o CC y trenes de engranajes reductores para desarrollar alto torque. Alta repetibilidad de posición en sistemas secos.

✔ Ventajas

Alta repetibilidad de posición
Control de posición digital preciso
Sin sistema de aire comprimido
Apto para lugares remotos

✖ Limitaciones

Mecánicamente más lentos que neumáticos
Mayor costo de mantenimiento
Requieren fuente eléctrica confiable

💧

Actuadores Hidráulicos

Operan con fluidos hidráulicos a altas presiones de trabajo, permitiendo el posicionamiento rápido y estable de compuertas y válvulas de gran tamaño.

✔ Ventajas

Fuerza y torque extremadamente altos
Posicionamiento rápido y estable
Apto para válvulas de gran diámetro
Alta resistencia a presiones extremas

✖ Limitaciones

Sistema complejo de tuberías hidráulicas
Riesgo de fugas de fluido contaminante

La válvula de control modula la tasa de flujo volumétrico mediante la variación de la caída de presión en la línea. El comportamiento del caudal respecto al porcentaje de apertura del vástago, cuando la caída de presión en la válvula se mantiene constante, se denomina Característica Inherente de Flujo.

Característica Lineal

El caudal volumétrico es directamente proporcional a la carrera lineal del obturador. Se especifica para procesos donde la caída de presión en la válvula es el factor dominante (superior al 70% de la pérdida del sistema completo).

q = k \cdot \ell

q = caudal, k = constante, ℓ = carrera del vástago (0–100%)

Rangeability típica

20:1 a 50:1

Característica de Igual Porcentaje (Isoporcentual)

Incrementos iguales en la carrera provocan cambios en el caudal proporcionales al caudal instantáneo previo. Es la más común en la industria petroquímica y de refinación.

\frac{dq}{d\ell} = \alpha \cdot q

Relación diferencial que define el comportamiento isoporcentual

q = b \cdot e^{\alpha \cdot \ell}

Expresión exponencial de flujo integrada, b y α = constantes del obturador

Rangeability típica

50:1

La característica isoporcentual es la más común en la industria petroquímica porque la ganancia de la válvula aumenta proporcionalmente conforme se abre, compensando las pérdidas de presión dinámicas no lineales de la tubería y manteniendo constante la ganancia del lazo cerrado de control.

El dimensionamiento correcto evita el sobredimensionamiento (causa de inestabilidad y oscilaciones cíclicas) y minimiza el riesgo de cavitación y flashing. El parámetro estandarizado por ANSI/ISA-75.01 es el Coeficiente de Flujo.

Coeficiente Cv (Sistema Anglosajón)

Caudal de agua limpia a 60°F en GPM bajo una caída de presión diferencial de 1 PSI con la válvula totalmente abierta.

[GPM / √PSI]

Coeficiente Kv (Sistema Métrico)

Flujo de agua en m³/h bajo una caída de presión de 1 bar a través de la válvula.

[m³/h / √bar]

Conversión Cv ↔ Kv

C_v = 1.156 \cdot K_v \qquad K_v = 0.865 \cdot C_v

Ecuación general de flujo (ISA-75.01) para líquidos

C_v = \frac{Q}{F_p} \sqrt{\frac{G_f}{\Delta P}}

Q = caudal [GPM], Fp = factor de geometría, Gf = gravedad específica, ΔP = caída de presión [PSI]

Variables de la Ecuación ISA-75.01

QCaudal volumétrico de servicio en galones por minuto (GPM)

ΔPCaída de presión real al atravesar la válvula en PSI

GfGravedad específica del líquido (Gf = 1 para agua pura a 60°F)

FpFactor de geometría de la tubería; modela pérdidas por reductores de diámetro en las bridas

Rangeability (R) – Amplitud operativa de la válvula

R = \frac{q_{m\acute{a}x}}{q_{m\acute{i}n}}

Cociente entre el caudal máximo y mínimo controlable antes del cierre estanco

En procesos que exigen rangeability superior, se recurre a configuraciones de Rango Partido (Split Range): dos válvulas de diferentes diámetros operan en paralelo con el mismo controlador. La válvula pequeña opera de 3-9 psi y la grande de 9-15 psi, garantizando alta resolución a bajos caudales y máxima capacidad a altas demandas.

Unidad 04

Controladores y Modos de Control

El controlador es el elemento de decisión lógica del lazo cerrado. Procesa dinámicamente el error medido y calcula la variable manipulada correctora para asegurar la estabilidad del proceso. Esta unidad cubre todos los modos de control industriales, su implementación electrónica analógica y los métodos empíricos de sintonización Ziegler-Nichols.

El elemento final adopta únicamente dos posiciones fijas (100% o 0%) dependiendo del signo del error medido. Para evitar el desgaste mecánico prematuro del actuador, se introduce una banda diferencial o histéresis, haciendo que la variable controlada oscile de forma continua alrededor del setpoint.

Activación (ON):PV < SP − BD/2

Desactivación (OFF):PV > SP + BD/2

BD: Banda Diferencial centrada en el setpoint

Proceso de Aplicación Ideal

Gran capacitancia térmica o de almacenamiento
Velocidades de reacción muy lentas
Hornos de calentamiento masivo industrial
Control de nivel en tanques de reserva de agua
Sistemas de refrigeración y climatización

El control proporcional establece una acción correctora continua cuya magnitud es directamente proporcional al error medido. La relación entre la Banda Proporcional (BP%) y la ganancia proporcional es inversa:

Ecuación de control proporcional

m(t) = K_p \cdot e(t) + m_0

Kp = ganancia proporcional, e(t) = error, m₀ = bias (salida cuando error = 0)

Relación Banda Proporcional – Ganancia

K_p = \frac{100\%}{BP\%} \qquad BP\% = \frac{100\%}{K_p}

Desviación Permanente (Offset): Ante un cambio de carga dinámico, la variable controlada se estabilizará en un valor diferente al setpoint. Para que el controlador P entregue una salida correctora sostenida diferente de m₀, el circuito requiere mantener permanentemente un error en su entrada. El offset se reduce aumentando Kp, pero ganancias excesivas desestabilizan el lazo.

La acción integral se adiciona para eliminar por completo la desviación permanente. Integra de forma continua la desviación en el tiempo hasta que el error estático sea nulo.

Ecuación de control PI

m(t) = K_p \left[ e(t) + \frac{1}{T_i} \int_0^t e(\tau)\, d\tau \right] + m_0

Ti = tiempo de acción integral [min/rep]: tiempo para repetir el cambio instantáneo proporcional ante entrada escalón

⚠ Saturación Integral (Integral Windup)

Se presenta durante el arranque de procesos batch o ante perturbaciones extremas fuera de la banda proporcional. Mientras la válvula se encuentre en su límite físico (100% abierta), el integrador continúa sumando el error. Al retornar la variable al setpoint, la válvula no cierra de inmediato, provocando sobretiros transitorios extremos.

Solución: Algoritmos electrónicos de desaturación integral (anti-windup) que desactivan el cálculo integral cuando la salida del controlador alcanza la saturación física del actuador.

La acción derivativa introduce un comportamiento predictivo al reaccionar directamente a la velocidad de cambio de la variable controlada. Permite sintonizar el lazo con bandas proporcionales más estrechas para una recuperación rápida ante perturbaciones sin comprometer la estabilidad.

Ecuación PID completa en el dominio del tiempo

m(t) = K_p \left[ e(t) + \frac{1}{T_i} \int_0^t e(\tau)\, d\tau + T_d \frac{de(t)}{dt} \right] + m_0

Td = tiempo de acción derivativa [min]: intervalo temporal de anticipo respecto a la respuesta puramente proporcional

Implementación Electrónica con Amplificadores Operacionales

Controlador P

G_P = -\frac{R_f}{R_{in}}

Amplificador inversor de ganancia finita. La ganancia se determina por la relación de resistencias Rf/Rin.

Controlador I

V_s = -\frac{1}{R C_i} \int V_e\, dt

Resistencia de entrada Rin y condensador de realimentación Ci. La constante de tiempo τ = Rin·Ci.

Controlador D

V_s = -R_f C_d \frac{dV_e}{dt}

Condensador Cd en serie con la entrada y resistencia Rf de realimentación. Constante τD = Rf·Cd.

Método 1: Lazo Abierto (Respuesta al Escalón)

Aplicable a procesos estables con retardo que exhiben curva sigmoidal (curva en S) ante perturbación escalón. Se determinan tres parámetros gráficos:

L (td)Tiempo muerto: retardo desde que se inyecta el cambio hasta que el sensor detecta alteración.

τ (T)Constante de tiempo: tiempo para completar el 63.2% del transitorio final.

Kp_procesoGanancia del proceso: cociente entre el cambio final en PV y el escalón en la salida del controlador.

Constante de sintonía base

\frac{\tau}{L} = \frac{T}{t_d}

Parámetro fundamental para calcular los coeficientes del controlador

Método 2: Lazo Cerrado (Ganancia Crítica)

Se aislan las acciones integral y derivativa. Con el lazo cerrado en automático, se incrementa Kp hasta que la variable exhiba oscilación sostenida de amplitud constante.

Ku (Kc)Ganancia Crítica: valor exacto de Kp que induce la inestabilidad marginal y la oscilación constante.

Tu (Tc)Periodo Crítico: periodo entre crestas consecutivas de la oscilación sostenida en segundos.

Este método induce inestabilidad momentánea en el proceso real, por lo que debe ejecutarse con extrema precaución en plantas en operación. Preferiblemente se realiza durante la puesta en marcha inicial.

Controlador	Método 1 – Lazo Abierto			Método 2 – Lazo Cerrado
	$K_p$	$T_i$	$T_d$	$K_p$	$T_i$	$T_d$
P	$\dfrac{\tau}{L}$	—	—	$0.5 \cdot K_u$	—	—
PI	$0.9 \cdot \dfrac{\tau}{L}$	$\dfrac{L}{0.3}$	—	$0.45 \cdot K_u$	$\dfrac{T_u}{1.2}$	—
PID	$1.2 \cdot \dfrac{\tau}{L}$	$2L$	$0.5L$	$0.6 \cdot K_u$	$0.5 \cdot T_u$	$0.125 \cdot T_u$

En la puesta en marcha de una planta, el instrumentista utiliza valores iniciales de sintonía recomendados de acuerdo con la dinámica típica de la variable física bajo control:

Variable de Proceso	Kp	BP%	Ti (min/rep)	Td (min)	Válvula Recomendada
Presión (Líquidos)	0.5–2	50–200%	0.1–0.5	No recomendado	Lineal o Isoporcentual
Presión (Gases)	2–10	10–50%	0.2–1	0.02–0.1	Lineal
Caudal / Flujo	0.4–1	100–250%	0.05–0.25	No recomendado	Lineal o Isoporcentual
Nivel	1–5	20–100%	1–10	0.5–3	Lineal o Isoporcentual
Temperatura	2–10	10–50%	2–10	0.5–2	Lineal o Isoporcentual

Unidad 05

Adquisición de Datos y Control por Computadora

La evolución de la instrumentación industrial se caracteriza por la digitalización de los lazos de controly la supervisión de planta basada en microprocesadores de alta velocidad. Esta unidad cubre el controlador digital, los algoritmos PID discretos, los fundamentos del muestreo y cuantificación, las arquitecturas de control y los protocolos modernos para la integración OT-IT en la era de la Industria 4.0.

El controlador digital ejecuta algoritmos en tiempo real mediante un microprocesador central (CPU) con buses de datos, dirección y control. La ROM almacena el firmware del sistema y la RAM almacena dinámicamente los registros de variables, alarmas y cálculos intermedios.

Algoritmo de Posición

Calcula en cada intervalo de muestreo el valor absoluto de la señal de salida que se enviará directamente al posicionador del actuador, a partir de la sumatoria explícita del error acumulado.

u(k) = K_p \left[ e(k) + \frac{T_s}{T_i} \sum_{j=0}^{k} e(j) + \frac{T_d}{T_s}(e(k) - e(k{-}1)) \right]

u(k) = salida absoluta, Ts = periodo de muestreo, e(k) = error en el instante k

Algoritmo de Velocidad (Incremental)

Calcula únicamente el incremento Δu(k) que debe sumarse al valor previo. Elimina la sumatoria acumulativa explícita, evitando el windup de forma nativa.

\Delta u(k) = K_p \left[ \Delta e(k) + \frac{T_s}{T_i} e(k) + \frac{T_d}{T_s} \Delta^2 e(k) \right]

Δe(k) = e(k) − e(k−1), Δ²e(k) = e(k) − 2e(k−1) + e(k−2)

El algoritmo de velocidad evita el integral windup de forma nativa y garantiza bumpless transfer (sin cambios bruscos) al conmutar del modo manual al automático.

Muestreo Temporal – Teorema de Nyquist-Shannon

Consiste en tomar valores instantáneos discretos a intervalos de tiempo constantes (periodo de muestreo Ts). Para garantizar que no ocurra pérdida de información por solapamiento espectral (aliasing), se debe cumplir:

Teorema de Nyquist-Shannon

f_s > 2 \cdot f_{max}

fs = frecuencia de muestreo, fmax = componente de mayor frecuencia en la señal

Frecuencia de Nyquist

f_N = \frac{f_s}{2}

Toda componente superior a fN genera alias inerradicable. Se requiere filtro analógico anti-aliasing previo.

Cuantificación de Amplitud (ADC)

Convierte el valor de tensión muestreado en un código digital de n bits de resolución. El convertidor divide el rango de entrada en un número finito de niveles discretos:

Número total de niveles

N = 2^n

n = número de bits de resolución del ADC

Resolución (Bit menos significativo – LSB)

LSB = \frac{V_{ref}}{2^n}

Paso de tensión elemental detectable por el convertidor

Código de salida digital

D_{out} = \left\lfloor \frac{V_{in}}{V_{ref}} \cdot 2^n \right\rfloor

Ejemplo Práctico: ADC de 12 bits con Vref = 5 V

Módulo de adquisición con convertidor de 12 bits (n = 12) configurado con referencia unipolar de 5 V. Un transmisor de flujo entrega Vin = 2.75 V.

Niveles totales

N = 2^{12} = 4096\;\text{niveles}

Resolución (LSB)

LSB = \frac{5}{4096} \approx 1.22\;\text{mV}

Código de salida

D = \left\lfloor \frac{2.75}{5} \times 4096 \right\rfloor = 2252_{10}

El microprocesador recibe el valor decimal 2252 ≡ código binario 100011001100₂, con error de cuantificación acotado a ±LSB/2 = ±0.61 mV.

La distribución funcional y geográfica de las decisiones de control define la arquitectura del sistema. Cada arquitectura presenta diferentes compromisos entre costo, robustez y escalabilidad:

Control Digital Directo (DDC)

Un computador central adquiere las señales de campo y ejecuta todos los algoritmos PID directamente.

✔ Ventajas Industriales

Estructura de programación unificada
Bajo costo inicial de hardware
Base de datos analógica simple

✖ Limitaciones del Sistema

Punto único de fallo: si el CPU se bloquea, se detienen todos los lazos de la planta
Sin redundancia nativa

Control Supervisorio (SCADA)

Red distribuida de PLC ejecutan los lazos en tiempo real; una estación central HMI supervisa la planta.

✔ Ventajas Industriales

Alta robustez: falla de HMI no afecta control de campo
Escalable y flexible
Amplia compatibilidad industrial

✖ Limitaciones del Sistema

Alta latencia de red para datos históricos y alarmas
Procesamiento centralizado de datos limitado

Sistemas de Control Distribuido (DCS)

Múltiples controladores propietarios distribuidos geográficamente, enlazados por redes de alta velocidad.

✔ Ventajas Industriales

Redundancia total nativa (CPU, fuentes, E/S)
Alta disponibilidad y miles de lazos
Gestión avanzada de alarmas

✖ Limitaciones del Sistema

Elevadísimo costo inicial de infraestructura
Dependencia absoluta del proveedor propietario para expansiones

La Instrumentación Virtual utiliza software modular flexible y hardware DAQ para emular instrumentos de medición tradicionales en un ordenador de propósito general. LabVIEW, con su lenguaje G de programación gráfica orientada a flujo de datos, es el estándar de la industria.

🖥️

Panel Frontal (HMI)

Interfaz de usuario personalizable que emula el panel físico del instrumento. Integra controles de entrada (perillas, conmutadores, botones) e indicadores de salida (gráficas de tendencias, medidores, alarmas visuales).

Perillas y deslizadores analógicos
Gráficas de tendencias en tiempo real
Indicadores de alarma configurable
Paneles de múltiples variables

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Diagrama de Bloques

Código fuente gráfico del instrumento donde los terminales del panel se interconectan mediante cables virtuales a funciones lógicas, estructuras de control (bucles While, Case) y funciones de procesamiento de señales.

Bucles While y For
Estructuras Case (condicional)
Nodos de fórmula matemática
VIs de NI-DAQmx para hardware

En la era del Internet de las Cosas Industrial (IIoT) y la Industria 4.0, la información de los lazos de campo (Tecnología de Operación - OT) debe comunicarse de forma directa y segura con los sistemas empresariales y la nube (Tecnología de la Información - IT).

OPC UA

Open Platform Communications Unified Architecture

IEC 62541

Estándar multiplataforma de arquitectura orientada a servicios para intercambio seguro y confiable de datos industriales. No solo transporta valores numéricos; define modelos de información ricos en contexto con unidades de ingeniería, origen físico y metadatos de calidad.

Encriptación TLS nativaAutenticación con certificados X.509Modelos de información semánticosIndependiente de plataforma OS

MQTT

Message Queuing Telemetry Transport

ISO/IEC 20922

Protocolo ligero de publicación-suscripción (Pub/Sub) sobre TCP/IP. Diseñado para optimizar la transferencia de telemetría sobre canales de red con bajo ancho de banda o alta latencia. Ideal para integración de instrumentación hacia brokers en la nube.

Patrón Publish-SubscribeMuy bajo overhead de protocoloQoS configurable (0, 1, 2)Ideal para IIoT y Edge Computing

Sparkplug B

Especificación Sparkplug B para MQTT Industrial

Eclipse IoT

Define el formato de metadatos para datos industriales transportados como payloads MQTT. Normaliza la nomenclatura de tags, define tipos de datos y gestiona el estado dinámico de conexión de dispositivos remotos (Death/Birth Certificate).

Nomenclatura estándar de tagsDeath Certificate y Birth CertificateInteroperabilidad OT-IT automáticaPayload binario eficiente (Protobuf)

Bibliografía

Obras Citadas y Referencias Técnicas

34 fuentes documentales indexadas — Normas ISA, BIPM, publicaciones académicas y documentación técnica de fabricantes.

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National Instruments. NI-DAQmx Help – Configuring DAQ Measurements. NI Corporation.

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OPC Foundation. OPC UA – Unified Architecture Technical Specification (IEC 62541). OPC Foundation.

Compendio de Instrumentación y Control de Procesos

Introducción a la Instrumentación y Metrología Industrial

Demostración Práctica: Área de un Intercambiador de Calor

Sensores, Transductores y Transmisores

Etapa 1 – Pre-amplificación Diferencial

Etapa 2 – Restador de Ganancia Unitaria

Función de Transferencia Completa

AD620 / AD623 – Circuito Integrado Comercial

Actuadores y Elementos Finales de Control

Actuadores Neumáticos

Actuadores Eléctricos

Actuadores Hidráulicos

Característica Lineal

Característica de Igual Porcentaje (Isoporcentual)

Coeficiente Cv (Sistema Anglosajón)

Coeficiente Kv (Sistema Métrico)

Variables de la Ecuación ISA-75.01

Controladores y Modos de Control

Proceso de Aplicación Ideal

⚠ Saturación Integral (Integral Windup)

Implementación Electrónica con Amplificadores Operacionales

Controlador P

Controlador I

Controlador D

Método 1: Lazo Abierto (Respuesta al Escalón)

Método 2: Lazo Cerrado (Ganancia Crítica)

Adquisición de Datos y Control por Computadora

Algoritmo de Posición

Algoritmo de Velocidad (Incremental)

Muestreo Temporal – Teorema de Nyquist-Shannon

Cuantificación de Amplitud (ADC)

Ejemplo Práctico: ADC de 12 bits con Vref = 5 V

Control Digital Directo (DDC)

Control Supervisorio (SCADA)

Sistemas de Control Distribuido (DCS)

Panel Frontal (HMI)

Diagrama de Bloques

OPC UA

MQTT

Sparkplug B

Obras Citadas y Referencias Técnicas