Instrumentación

Los elementos de la instrumentación industrial tienen una larga historia. Las balanzas 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 1500 a. C. ^{[ 4 ]} Se incorporaron mejoras a los relojes. Hacia el 270 a. C., ya contaban con los rudimentos de un sistema de control automático. ^{[ 5 ]}

En 1663, Christopher Wren presentó a la Royal Society un diseño para un «reloj meteorológico». Un dibujo muestra sensores meteorológicos que mueven plumas sobre papel impulsadas por un mecanismo de relojería. Estos dispositivos no se generalizaron en meteorología hasta dos siglos después. ^{[ 6 ]} El concepto se ha mantenido prácticamente inalterado, como lo demuestran los registradores gráficos neumáticos, donde un fuelle presurizado desplaza una pluma. La integración de sensores, pantallas, registradores y controles fue poco común hasta la Revolución Industrial, limitada tanto por la necesidad como por la practicidad.

Los primeros sistemas utilizaban conexiones directas de proceso a paneles de control locales para el control y la indicación, lo que a partir de principios de la década de 1930 vio la introducción de transmisores neumáticos y controladores automáticos de 3 terminales (PID) .

Los rangos de los transmisores neumáticos se definieron según la necesidad de controlar válvulas y actuadores en el campo. Normalmente, una señal  estándar oscilaba entre 3 y 15 psi (20 y 100 kPa o 0,2 y 1,0 kg/cm²), y ocasionalmente se utilizaba entre 6 y 30 psi para válvulas de mayor tamaño. La electrónica de transistores permitió reemplazar las tuberías mediante cableado, inicialmente con un rango de 20 a 100 mA a hasta 90 V para dispositivos alimentados por bucle, reduciéndose a entre 4 y 20 mA a entre 12 y 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 existen muchas otras opciones que utilizan voltaje , frecuencia , presión o Ethernet . El transistor se comercializó a mediados de la década de 1950. ^{[ 7 ]} 

Los instrumentos conectados a un sistema de control proporcionaban señales para accionar solenoides , válvulas , reguladores , disyuntores , relés y otros dispositivos. Dichos dispositivos podían controlar una variable de salida deseada y ofrecer capacidades de monitorización remota o control automatizado.

Cada empresa de instrumentación introdujo su propia señal estándar, lo que generó confusión hasta que el  rango de 4 a 20 mA se adoptó como señal estándar para instrumentos electrónicos en transmisores y válvulas. Esta señal se estandarizó finalmente como ANSI/ISA S50, "Compatibilidad de señales analógicas para instrumentos electrónicos de procesos industriales", en la década de 1970. La transformación de la instrumentación, pasando de transmisores, controladores y válvulas neumáticas mecánicas a instrumentos electrónicos, redujo los costos de mantenimiento, ya que estos últimos eran más fiables que los mecánicos. Esto también incrementó la eficiencia y la producción gracias a su mayor precisión. La neumática presentaba algunas ventajas, siendo la preferida en atmósferas corrosivas y explosivas. ^{[ 8 ]}

En los primeros años del control de procesos , los indicadores y elementos de control, como las válvulas, eran supervisados ​​por un operador que recorría la unidad ajustando las válvulas para obtener las temperaturas, presiones y caudales deseados. Con la evolución de la tecnología, se inventaron controladores neumáticos que se instalaron en campo para supervisar el proceso y controlar las válvulas. Esto redujo el tiempo que los operadores de proceso necesitaban para supervisar el proceso. Posteriormente, los controladores se trasladaron a una sala central y las señales se enviaban a la sala de control para supervisar el proceso. Las señales de salida se enviaban al elemento de control final, como una válvula, para ajustar el proceso según fuera necesario. Estos controladores e indicadores se montaban en una pared llamada tablero de control. Los operadores se situaban frente a este tablero, caminando de un lado a otro, supervisando los indicadores del proceso. Esto redujo nuevamente la cantidad y el tiempo que los operadores de proceso necesitaban para recorrer las unidades. El nivel de señal neumática más común utilizado durante estos años fue de 3 a 15 psig. ^{[ 9 ]}

El control de procesos en grandes plantas industriales ha evolucionado a través de diversas etapas. Inicialmente, el control se realizaba desde paneles ubicados en la planta. Sin embargo, esto requería una gran cantidad de personal para atender estos paneles dispersos, y no se tenía una visión global del proceso. El siguiente paso lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. En la práctica, esto supuso la centralización de todos los paneles locales, con las ventajas de una menor necesidad de personal y una visión general más sencilla del proceso. A menudo, los operadores se encontraban detrás de los paneles de la sala de control, y todas las señales de control, tanto automáticas como manuales, se transmitían de vuelta a la planta.

Sin embargo, si bien este sistema proporcionaba un punto de control centralizado, resultaba inflexible, ya que cada bucle de control contaba con su propio hardware de controlador y se requería el desplazamiento constante del operador dentro de la sala de control para supervisar las distintas partes del proceso. Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, fue posible sustituir estos controladores independientes por algoritmos informáticos, alojados en una red de bastidores de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podían distribuirse por la planta y comunicarse con la pantalla gráfica en la sala o salas de control. Así nació el concepto de control distribuido.

La introducción de los sistemas DCS y SCADA facilitó la interconexión y reconfiguración de los controles de planta, como los bucles en cascada y los enclavamientos, así como la integración con otros sistemas informáticos de producción. Permitió una gestión de alarmas sofisticada, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como los registradores gráficos, posibilitó la interconexión en red de los racks de control, lo que permitió ubicarlos cerca de la planta y, por lo tanto, reducir el cableado, y proporcionó una visión general de alto nivel del estado de la planta y los niveles de producción.

Un ejemplo muy sencillo de sistema de instrumentación es un termostato mecánico , utilizado para controlar una caldera doméstica y, por lo tanto, la temperatura ambiente. Una unidad típica detecta la temperatura mediante una tira bimetálica . Muestra la temperatura con una aguja en el extremo libre de la tira. Activa la caldera mediante un interruptor de mercurio . Al girar la tira sobre el interruptor, el mercurio establece contacto físico (y, por consiguiente, eléctrico) entre los electrodos.

Otro ejemplo de sistema de instrumentación es un sistema de seguridad para el hogar . Este sistema consta de sensores (detección de movimiento, interruptores para detectar la apertura de puertas), algoritmos sencillos para detectar intrusiones, control local (activación/desactivación) y monitorización remota para avisar a la policía. La comunicación es un elemento fundamental del diseño.

Los electrodomésticos de cocina utilizan sensores para su control.

• Un refrigerador mantiene una temperatura constante activando el sistema de refrigeración cuando la temperatura sube demasiado.
• Una máquina de hielo automática produce hielo hasta que se activa un interruptor de límite .
• Las tostadoras de pan automáticas permiten programar el tiempo.
• Los hornos de gas no electrónicos regulan la temperatura mediante un termostato que controla el flujo de gas hacia el quemador . Estos hornos pueden incorporar un sensor de temperatura ubicado en la cámara principal. Además, pueden contar con un dispositivo de seguridad de corte de llama : tras el encendido, se debe mantener pulsado el mando del quemador durante un breve instante para que un sensor se caliente y permita el paso del gas. Si el sensor de seguridad se enfría, esto indica que la llama del quemador se ha extinguido y, para evitar una fuga continua de gas, se interrumpe el flujo.
• Los hornos eléctricos utilizan un sensor de temperatura y activan las resistencias cuando la temperatura es demasiado baja. Los hornos más avanzados activan ventiladores en respuesta a los sensores de temperatura para distribuir el calor o enfriar.
• Un inodoro común rellena el tanque de agua hasta que un flotador cierra la válvula. El flotador funciona como un sensor de nivel de agua.

Los automóviles modernos cuentan con instrumentación compleja. Además de mostrar la velocidad de rotación del motor y la velocidad lineal del vehículo, también se muestran el voltaje y la corriente de la batería, los niveles y temperaturas de los fluidos, la distancia recorrida y la información de varios controles (intermitentes, freno de mano, faros, posición de la transmisión). Se pueden mostrar advertencias para problemas específicos (bajo nivel de combustible, revisar motor, baja presión de los neumáticos, puerta abierta, cinturón de seguridad desabrochado). Los problemas se registran para poder informarlos a los equipos 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 adversos. Puede haber sistemas de bolsas de aire independientes que contienen sensores, lógica y actuadores. Los sistemas de frenado antibloqueo utilizan 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 en el sistema OnStar . Se han presentado automóviles autónomos (con instrumentación sofisticada).

Los primeros aviones contaban con pocos sensores. ^{[ 10 ]} Los manómetros de vapor convertían la presión del aire en desviaciones de agujas que podían interpretarse como altitud y velocidad. Una brújula magnética proporcionaba la orientación. Las pantallas para el piloto eran tan importantes como las mediciones.

Una aeronave moderna cuenta con un conjunto mucho más sofisticado de sensores y pantallas, integrados en los sistemas de aviónica . La aeronave puede incluir sistemas de navegación inercial , sistemas de posicionamiento global , radar meteorológico , pilotos automáticos y sistemas de estabilización. Se utilizan sensores redundantes para garantizar la fiabilidad. Parte de la información puede transferirse a un registrador de accidentes para facilitar las investigaciones. Las pantallas de los pilotos modernos ahora incluyen pantallas de ordenador, como las pantallas de visualización frontal (HUD) .

El radar de control de tráfico aéreo es un sistema de instrumentación distribuida. La unidad terrestre emite un pulso electromagnético y recibe un eco (como mínimo). Las aeronaves llevan transpondedores que transmiten códigos al recibir el pulso. El sistema muestra la ubicación de la aeronave en el mapa, un identificador y, opcionalmente, la altitud. La ubicación en el mapa se basa en la dirección de la antena detectada y el retardo de tiempo detectado. El resto de la información está integrada en la transmisión del transpondedor.

Entre los posibles usos del término se encuentra un conjunto 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 Hewlett Packard Instrument Bus). Existen equipos de laboratorio disponibles para medir diversas magnitudes eléctricas y químicas. Dicho conjunto de equipos podría utilizarse para automatizar el análisis de contaminantes en el agua potable.

• Bucle neumático (20-100 kPa/3-15 psi) – Neumático
• Bucle de corriente (4-20 mA) – Eléctrico
• HART – Señalización de datos, a menudo superpuesta a un bucle de corriente.
• Foundation Fieldbus – Señalización de datos
• Profibus – Señalización de datos
• Ethernet APL - Señalización de datos