Válvulas Inteligentes: Definición, principios de funcionamiento, ventajas y aplicaciones Industria 4.0

¿Su planta sufre paradas inesperadas? ¿El aumento de las facturas de energía y los costes de mantenimiento merman sus beneficios? No está solo. Muchas plantas industriales se enfrentan a una lucha constante contra el envejecimiento de sus equipos. Un simple fallo de una válvula puede paralizar toda una línea de producción. Esto le cuesta dinero y tiempo. Incluso puede crear riesgos para la seguridad. El problema se agrava a medida que los sistemas se hacen más complejos. Necesita una forma mejor de controlar sus operaciones.

Este artículo explica una potente solución: la válvula inteligente. Le mostraremos qué son las válvulas inteligentes, cómo funcionan y cómo pueden resolver estos grandes problemas. Prepárese para aprender cómo esta tecnología de válvulas digitales está cambiando las fábricas para mejor.

¿Qué son las válvulas inteligentes?

Definición básica de una válvula inteligente

Una válvula inteligente es algo más que una válvula automatizada. Es un sistema de válvulas inteligente. Piense en ella como una válvula con un pequeño cerebro en su interior. Tiene sensores y un pequeño ordenador (un microprocesador). Esto permite a la válvula no sólo abrirse y cerrarse, sino también pensar, comprobar su estado y comunicarse con otras máquinas.

qué son las válvulas samrt

Válvula inteligente frente a válvula de control tradicional frente a válvula automatizada simple

Para entender una válvula inteligente, comparémosla con otras válvulas.

• Válvula de control tradicional: Esta válvula se controla mediante una simple señal, como la presión del aire. Hace su trabajo, pero no puede decirle si algo va mal. No tiene cerebro.
• Válvula automatizada simple: Este es un paso adelante. Utiliza un actuador eléctrico inteligente o un actuador neumático inteligente para abrir y cerrar. Se puede controlar desde un ordenador. Pero aún no puede informarte sobre su estado o las condiciones dentro de la tubería.
• Válvula inteligente: Es la más avanzada. Tiene todo lo que tiene una válvula automatizada, además de sensores de válvula inteligentes e inteligencia a bordo. Utiliza un controlador de válvula digital no solo para controlar el flujo, sino también para realizar comprobaciones del sistema de diagnóstico de la válvula. Es una pieza clave del Internet Industrial de las Cosas (IIoT).

Componentes básicos

Una válvula inteligente se compone de varias piezas clave que trabajan juntas:

1. Cuerpo de la válvula: Es la parte principal por la que circula el fluido. Puede ser una válvula de bola, de mariposa o de globo.
2. Actuador: El músculo de la válvula. Es el motor que abre y cierra la válvula. Puede ser un actuador de válvula eléctrico o neumático.
3. Posicionador inteligente: Este es el cerebro. Es un controlador digital de válvulas que recibe órdenes y controla con precisión la posición de la válvula. También recopila datos.
4. Sensores: Son los nervios. Miden la presión, la temperatura, el caudal y la posición de la válvula. Aquí es donde entran en juego los sistemas de retroalimentación de la posición de la válvula.
5. Módulo Comunicación: La boca y los oídos. Permite que la válvula se conecte a un sistema de control central como una integración de válvulas SCADA o una red de comunicación de válvulas PLC.

Dónde encajan las válvulas inteligentes

Las válvulas inteligentes son una parte vital de la automatización industrial moderna. Son las manos y los pies de grandes sistemas de control como un DCS (sistema de control distribuido) o un SCADA (control de supervisión y adquisición de datos). Conectan el mundo físico de las tuberías y los fluidos con el mundo digital de las salas de control y los cuadros de mandos de válvulas basados en la nube.

Cómo funcionan las válvulas inteligentes - Arquitectura y flujo de datos

¿Cómo utiliza una válvula inteligente su cerebro y sus nervios para que una fábrica funcione mejor? Todo se reduce a los datos.

Capa de sensores - recogida de datos

Empieza con los sensores. Una válvula inteligente siempre está sintiendo y escuchando. Recopila datos cada segundo:

• Posición: ¿La válvula está abierta, cerrada o en un punto intermedio?
• Presión: ¿Cuál es la presión del fluido dentro de la tubería?
• La temperatura: ¿El fluido está caliente o frío?
• Caudal: ¿Qué cantidad de fluido pasa?
• Vibración: ¿La válvula tiembla o se mueve de una manera que podría significar problemas?

Es lo que se denomina monitorización del estado de las válvulas.

Inteligencia a bordo - control local

El posicionador inteligente, o actuador de válvula programable, toma todos estos datos de los sensores y reflexiona sobre ellos. Puede realizar pequeños ajustes por sí solo para mantener el proceso en marcha sin problemas. Si nota que le cuesta más moverse, sabe que puede estar atascándose. Es el principio de la automatización de válvulas con inteligencia artificial.

Capa de comunicación: hablar con el sistema

A continuación, la válvula inteligente debe informar de lo que sabe. Para ello, utiliza lenguajes especiales, llamados protocolos, para comunicarse con el ordenador central. Los protocolos más comunes son:

• Protocolo HART
• Control de válvulas Modbus
• Válvulas inteligentes Profibus
• Módulos de válvulas Ethernet/IP
• Sistemas de válvulas OPC UA

Esta comunicación puede producirse por cable o a través de sistemas inalámbricos de control de válvulas, lo que la convierte en una pieza clave de cualquier red industrial de válvulas inteligentes.

Integración con PLC / DCS / SCADA / plataformas en la nube

Los datos de la válvula fluyen a un cerebro central, como un PLC o DCS. Desde allí, pueden mostrarse en una interfaz de válvula HMI (una pantalla para el operario) o enviarse a la nube. Una vez en la nube, un potente software de análisis de datos de válvulas puede buscar patrones y predecir el futuro.

Ejemplo de ciclo de datos

1. Suceso: Una bomba de un sistema de válvulas inteligentes de aguas residuales aumenta repentinamente la presión.
2. Acción de la válvula inteligente: El sensor de presión de la válvula inteligente detecta el pico. La lógica integrada indica al actuador que se cierre ligeramente para proteger el sistema.
3. Feedback de diagnóstico: La válvula registra que ha tenido que trabajar más de lo normal para cerrarse. Envía este paquete de datos (par, presión y tiempo) al sistema central.
4. Cuadro de mando analítico: El software en la nube ve este evento de alto par. Lo compara con miles de otros eventos y lo marca como señal de atasco de válvula en fase inicial. Se crea automáticamente una orden de trabajo para que el equipo de mantenimiento la revise durante la próxima parada planificada.

Así es como una válvula inteligente evita que un pequeño problema se convierta en uno grande y costoso.

Tipos de válvulas inteligentes y dispositivos relacionados

La tecnología inteligente puede añadirse a muchos tipos de válvulas.

• Válvulas de control inteligentes: Incluyen válvulas de globo, bola y válvula de mariposa eléctrica tipos. Se utilizan para estrangular y controlar con precisión la cantidad de caudal, lo que es fundamental en válvulas de control inteligente de HVAC y plantas químicas.
• Válvulas inteligentes de encendido/apagado y parada de emergencia (ESD): Su trabajo es sencillo: abrir o cerrar. Pero una válvula ESD inteligente se probará a sí misma con regularidad para asegurarse de que funcionará perfectamente en caso de emergencia.
• Electroválvulas y válvulas proporcionales inteligentes: Se utilizan para conmutar o mezclar cantidades exactas de fluidos con gran rapidez. Se utilizan en válvulas de procesos farmacéuticos o de alimentos y bebidas.
• Posicionadores inteligentes y controladores digitales de válvulas: Estos son los cerebros. Empresas como Siemens, Emerson y los principales fabricantes ofrecen estos dispositivos. Pueden comprarse por separado para actualizar las válvulas existentes.
• Kits de reequipamiento: No siempre es necesario comprar una válvula completamente nueva. Los kits de retroadaptación de válvulas digitales pueden utilizarse para convertir una válvula automatizada antigua en una válvula inteligente. Es una forma rentable de obtener las ventajas de la automatización descentralizada de válvulas.

Principales características y funciones de las válvulas inteligentes

¿Qué hace que estas válvulas sean tan especiales? Sus potentes características.

Monitoreo en tiempo real

Una válvula inteligente te permite ver lo que está ocurriendo en ese momento. Puede seguir su carrera (cuánto se ha movido), el par (cuánta fuerza está utilizando) y su recuento de ciclos (cuántas veces se ha abierto y cerrado). Esto es lo mejor de la monitorización remota de válvulas.

Diagnóstico avanzado

Aquí es donde se produce la magia. Una válvula inteligente siempre está comprobando su propia salud. Puede detectar:

• Tendencias de fricción: ¿Es más difícil mover la válvula con el paso del tiempo?
• Detección de fugas: ¿El asiento de la válvula está desgastado y deja pasar el líquido?
• Detección de atascos: ¿Se atasca la válvula en una posición?

Es como tener un médico para cada válvula de la planta.

Mantenimiento predictivo e índices de salud

Como la válvula se supervisa a sí misma en todo momento, puede predecir cuándo va a fallar. Es lo que se denomina mantenimiento predictivo de válvulas. El sistema puede dar a la válvula una "puntuación de salud" y estimar su "vida útil restante". Los datos demuestran que este enfoque puede reducir los costes de mantenimiento entre 18 y 25% y reducir los tiempos de inactividad no planificados hasta en 50%.

Fabricantes de talla mundial, como Navarch, están especializados en este tipo de sistemas de control que ahorran energía. Con una capacidad de producción anual de hasta 8.000 toneladas de válvulas en cinco eficientes líneas de producción, cuentan con la escala y la experiencia necesarias para construir estos fiables sistemas. Su estricto control de calidad garantiza que los datos de diagnóstico sean precisos y fiables.

Configuración remota y actualizaciones de firmware

Si necesita cambiar el funcionamiento de una válvula, no tiene que enviar a un técnico al campo. Puede hacerlo desde la sala de control utilizando un software inteligente de configuración de válvulas. También puede enviar actualizaciones del firmware de la válvula para dotarla de nuevas funciones, como si actualizara su smartphone.

Integración con gemelos digitales

Los datos de una válvula inteligente son tan buenos que pueden utilizarse para crear una tecnología gemela digital de la válvula. Se trata de un modelo informático de la válvula real. Se pueden probar los cambios en el gemelo digital antes de hacerlos en el mundo real. Esto mejora la seguridad y la eficacia.

Ventajas de las válvulas inteligentes para plantas e instalaciones

El uso de válvulas inteligentes aporta grandes ventajas.

• Reducción del tiempo de inactividad imprevisto: Esta es la mayor ventaja. La predicción de fallos permite reparar las válvulas antes de que se rompan. Un estudio realizado en la fabricación de cemento reveló que las válvulas inteligentes redujeron en ~40% los tiempos de inactividad relacionados con las válvulas, lo que supuso para una planta un ahorro de ≈US$2,1M en pérdidas de producción.
• Mayor eficiencia del proceso y ahorro de energía: Las válvulas inteligentes proporcionan un control más estricto. Esto significa menos desperdicio de producto y de energía. Por ejemplo, se ha demostrado que las válvulas rotativas inteligentes de alta eficiencia reducen las fugas de aire comprimido hasta 15% y reducen la presión del sistema entre 20 y 35%. Esto supone un ahorro real en sus facturas de energía.
• Menores costes de mantenimiento: Puede dejar de realizar el mantenimiento en función de un calendario ("basado en el tiempo"). En su lugar, sólo lo hará cuando la válvula lo necesite ("basado en la condición"). Esto significa menos horas de mano de obra y menos piezas de repuesto.
• Mayor seguridad y cumplimiento de la normativa: Las fugas y los fallos pueden ser peligrosos. Las válvulas inteligentes le ayudan a detectar y solucionar las fugas a tiempo. También crean un registro perfecto de toda la actividad de las válvulas, lo que es importante para las auditorías de seguridad.
• Mejor toma de decisiones: Con meses o años de datos de sus válvulas, puede ver patrones que antes no veía. Esto le ayuda a tomar decisiones más inteligentes sobre el funcionamiento de su planta.

Casos de uso y aplicaciones de válvulas inteligentes por industria

Las válvulas inteligentes se utilizan en casi todas las industrias.

• Petróleo y gas y petroquímica: Para la automatización de válvulas de refinerías y el control de enormes válvulas de oleoductos y gasoductos. La seguridad es fundamental, por lo que el mantenimiento predictivo es imprescindible.
• Fabricación química y farmacéutica: Donde la precisión es clave. A válvula reguladora proporcional puede suministrar la cantidad exacta de producto químico para obtener siempre un lote perfecto.
• Tratamiento del agua y de las aguas residuales: Para válvulas inteligentes de gestión del agua. En una residencia de estudiantes, un sistema de agua inteligente con válvulas de cierre automáticas redujo el consumo de agua en ≈68%, ahorrando más de 111 000 £ al año.
• Generación de energía y sistemas de vapor: Controlar el vapor a alta presión es difícil. Las válvulas inteligentes con válvulas de control de alta temperatura pueden soportar la presión y avisar con antelación del desgaste.
• HVAC y edificios inteligentes: Las válvulas de automatización de edificios se utilizan para controlar la calefacción y la refrigeración. Las válvulas de control inteligente de HVAC pueden reducir el consumo de energía de un edificio asegurándose de que ninguna habitación esté nunca demasiado caliente o demasiado fría.
• Alimentación y bebidas y procesos higiénicos: Las válvulas automáticas sanitarias están diseñadas para limpiarse fácilmente y evitar la proliferación de bacterias. Las versiones inteligentes de estas válvulas pueden verificar que los ciclos de limpieza se han realizado correctamente.

Cómo elegir la válvula inteligente adecuada - Lista de comprobación del comprador

¿Preparado para actualizar? Aquí tiene una lista de comprobación que le ayudará a elegir el proveedor de válvulas industriales inteligentes adecuado.

1. Defina proceso y medio: ¿Qué fluido controlará la válvula? ¿Es corrosivo? ¿Cuáles son los márgenes de presión y temperatura?
2. Requisitos de rendimiento del control: ¿Cuál debe ser la precisión del control? ¿Cuál debe ser la velocidad de reacción de la válvula?
3. Profundidad de diagnóstico necesaria: ¿Necesita alertas sanitarias básicas o una detección predictiva profunda de los fallos de las válvulas?
4. Compatibilidad de protocolos y sistemas: ¿Necesita la válvula hablar Modbus, Profibus u otro lenguaje para conectarse a su PLC/DCS?
5. Requisitos de ciberseguridad: Si la válvula está conectada a Internet (válvulas conectadas a la nube), debe protegerla de los piratas informáticos. Busque una ciberseguridad sólida para las redes de válvulas.
6. Modernización frente a instalación nueva: ¿Es mejor modernizar sus antiguas válvulas o instalar unas nuevas?
7. Coste total de propiedad: No se fije sólo en el precio inicial. Piense en el ahorro de energía, mantenimiento y tiempo de inactividad a lo largo de la vida útil de la válvula. Una válvula de alta calidad de un fabricante experimentado de válvulas inteligentes puede costar más al principio, pero ahorrarle mucho más a largo plazo.

Preguntas frecuentes sobre las válvulas inteligentes

¿Cuál es la diferencia entre una válvula inteligente y una válvula automatizada?

Una válvula automatizada puede controlarse a distancia. Una válvula inteligente también puede hacerlo, pero además lleva incorporados sensores y un microprocesador para controlar su propio estado y rendimiento, lo que permite un diagnóstico avanzado y un mantenimiento predictivo.

¿Necesitan siempre las válvulas inteligentes conectividad a la nube?

No. Muchas válvulas inteligentes funcionan en una red de control local conectada al PLC o DCS de una planta. Es lo que se denomina "válvulas inteligentes edge-computing". La conectividad con la nube añade más potencia, permitiendo el análisis de datos de miles de válvulas en muchos sitios, pero no siempre es necesaria.

¿Cómo permiten las válvulas inteligentes el mantenimiento predictivo en la práctica?

Recogen datos sobre el rendimiento, como el par necesario para abrir y cerrar. Un aumento del par con el tiempo indica desgaste o adherencia. El sistema inteligente de gestión de válvulas utiliza algoritmos para analizar estas tendencias y alertar a los operarios de un probable fallo antes de ocurre, lo que permite programar el mantenimiento.

¿Cuál es el plazo medio de amortización de la actualización a válvulas inteligentes?

Esto varía según la aplicación. En los proyectos de ahorro de energía, la amortización puede ser tan rápida como 18 meses. En aplicaciones críticas, en las que un solo fallo puede provocar una parada millonaria, la amortización de un solo incidente evitado es instantánea. Para un ablandador de agua típico, el retorno de la inversión suele ser de 3 a 5 años.

¿Pueden utilizarse las válvulas inteligentes en aplicaciones peligrosas o con clasificación SIL?

Sí. Muchos fabricantes ofrecen válvulas inteligentes y actuadores eléctricos para válvulas que están certificados para su uso en ubicaciones peligrosas (ATEX) y en sistemas instrumentados de seguridad (SIL). Estas válvulas tienen diseños especiales para evitar chispas y están construidas con la fiabilidad necesaria para funciones críticas de seguridad.