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INSTRUMENTACIÓN CONTROL DE PROCESOS

CONTROL DE PROCESOS - emagister.com · Sensores: Caudal Volumétrica Presión diferencial (presión proporcional al cuadrado del flujo volumétrico) Placa-orificio Tobera Tubo Venturi

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  • INSTRUMENTACIN

    CONTROL DE PROCESOS

  • Proceso

    disturbios

    entradas

    salidas

    Elementos de un sistema de control

    Un sistema de control se compone de Proceso: (sistema al que se desea controlar) Elemento primario de control (sensores):

    tienen "contacto" con la variable dinmica que se est midiendo.

    Controlador: a partir de las seales obtenidas por los sensores, compara con una referencia y ejerce una accin correctiva de acuerdo con la desviacin.

    Elemento final de control: efecta la accin de control que afecta al proceso

    Transmisores: Recibe una seal del elemento primario, puede contener al transductor y enviar una seal estndar.

    Transductores: Recibe una seal y a partir de un sistema de control y mediante propiedades fsicas, qumicas, etc. la transforma en otra seal amplificada o ms cmoda.

    Convertidor: Convierte una seal estndar en otra estndar mediante una relacin lineal preferentemente. Por ejemplo convertidor P/I (de seal neumtica a seal elctrica de corriente) o su convertidor inverso I/P

    Elementofinal decontrol

    sensor sensor

    controlador

  • Tipos de seales

    Dentro de los sistemas de control automtico, las mediciones ms frecuentes o estndar sonSeales elctricas

    Voltaje: 0-5 V, 0-10 V Corriente: 4-20 mA 0-20 mA

    Seales neumticas: 3-15 psiSeales hidrulicasSeales digitales: (0,1)

    Seales telemtricas

  • Elementos primarios de medicinLos elementos primarios de medicin mas comunes son:Temperatura

    Termmetros bimtalicos Termmetros de vstago de vidrio Pirmetros de radiacin pticos Pirmetros de radiacin infrarrojos Indicadores pirometricos Termmetros de cristal de cuarzo Sistemas termales Termopares Resistencias elctricas

    (termoresistencias)Presin

    Tubo Bourdon Columnas Sensores electrnicos

    (piezoelctricos) Diafragmas Fuelles Cpsulas Campanas

    Flujo (volumtricos y de masa) Tubo pifot Magntico Turbina Bomba dosificadora Tubo venturi Derramadores Tubo de Dali Tubo de Gentile Rotmetro Annubar Placa de orificio Tarjet Remolino Vortex

    Otras variables Nivel (slidos y lquidos) pH Conductividad Cromatgrafos Analizador infrarrojo Redox Conductividad trmica

    Etc.

  • Definiciones en instrumentacin (1)

    Campo de medicin (range): Qu se mide y en que intervalo, se expresa en valor mximo y mnimo que alcanza la variable medida.

    Alcance (span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo.

    Precisin (accuracy): Es la tolerancia de medicin o transmisin del instrumento y define los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Se puede expresar como: Tanto por ciento del alcance

    En unidades de la variable de desviacin Tanto por ciento de la lectura efectuada

    Tanto por ciento de la lectura efectuada

  • Definiciones en instrumentacin (2)

    Zona muerta (dead zone o dead band): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicacin o la seal de salida del instrumento.

    Sensibilidad (sensitivity): Es la razn entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, despus de haber alcanzado el estado de reposo.

    Repetibilidad (repeatibility): Es la capacidad de reproduccin de la misma lectura del instrumento al medir repetidamente valores idnticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variacin recorriendo todo el campo.

    Histresis (hysteresis): Diferencia mxima que se observa en los valores de la lectura del instrumento para un mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendiente y descendiente.

  • Definiciones en instrumentacin (3)

    Deriva (Derive): error a largo tiempo (el aparato se calienta, etc.). Es una variacin de la salida del medidor con el tiempo a pesar de que la variable que medimos es constante. Se da cuando medimos algo por periodos muy largos. Da idea de si el medidor necesita calibracin (deriva de cero y deriva trmica de cero).

    Linealidad (linearity): el aparato sigue alguna relacin lineal. Expresa una relacin muy simple entre la variacin y la seal de salida del equipo. Si la relacin no es lineal se hace lineal dentro del rango y se mide las mxima desviacin, se puede linealizar por tramos.

    Resolucin (resolution): distincin entre medidas muy cercanas. Es el ms pequeo cambio de la seal que puede detectarse.

    Constante de tiempo (time constant): Tiempo que tarda en dar la respuesta.

    Alimentacin (supply): Energa necesaria para que funcione el elemento.

    Otras: Ruido, fiabilidad, estabilidad, temperatura de servicio, etc.

  • Instrumentacin

    Aqu va la figura 1.3

  • Sensores: Presin

    Presin absoluta Presin atmosfrica Presin relativa Presin diferencial

  • Sensores: Presin Elementos mecnicos

    Barmetro cubeta Tubo en U Tubo inclinado Toro pendular Manmetro campana Tubo Bourdon Espiral Helicoidal Diafragma Fuelle Presin absoluta Sello volumtrico

    Elementos neumticos Elementos electromecnicos

    Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerzas

    Resistivos Magnticos Capacitivos Extensomtricos Piezoelctricos

  • Sensores: CaudalVolumtrica Presin diferencial (presin proporcional al

    cuadrado del flujo volumtrico) Placa-orificio Tobera Tubo Venturi Tubo de Pitot y Annubar

    rea variable (Rotmetros) Velocidad (canales abiertos) Fuerza (medidor de placa) Tensin inducida (medidor magntico) Desplazamiento positivo

    Disco oscilante Pistn oscilante Cicloidal Birrotor Ovales

    Torbellino Snicos o ultrasnicosMasa Compensacin de variaciones de densidad Trmicos Momento angular (turbina y doble turbina) Giroscopio Coriolis

    vQ k P=

    ( )2 f f lv w

    l f

    gvQ CA

    A

    =

    nvQ klH=

    Sv

    EQ K D

    B=

  • Sensores: Temperatura

    Termmetros de resistencia (termistores)

    Termopares (J, K, T, R, S)

    Pirmetros de radiacin

    Circuitos integrados (LM35)

  • Sensores: Nivel

    Lquidos Medida directa

    Sonda Cinta Plomada Flotador

    Basados en la presin hidrosttica Manomtrico Membrana Burbujeo Presin diferencial

    Basados en caractersticas elctricas Capacitivos Conductivos

    Ultrasnicos Radiacin LserSlidos Bscula, etc.

  • Ganancia y Dinmica de sensores

    Generalmente la respuesta de los sensores es ms rpida que la del proceso. Si esto ocurre, su comportamiento dinmico es una ganancia:

    Ejemplo

    Si la dinmica es lenta, por lo general se puede representar por sistemas de primero o segundo orden

    Alcance de seal de sensor

    Alcance de la variable medidaTK =

    20 mA - 4 mA 16 mA mA0.08

    200C - 0C 200 C CTK = = =

    ( ) ( ) 2 21 2 1T TK KG s o G s

    s s s = =

    + + +

  • Transmisores

    Captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinacin de estos. Transmisores neumticos (sistema tobera-

    obturador) Equilibrio de movimientos, fuerzas momentos.

    Transmisores elctricos Detectores de posicin de inductancia Transformador diferencial Transmisores digitales

  • Actuadores

    Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de lquidos, de energa elctrica y gaseosa. El actuadorrecibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las vlvulas. Existen tres tipos de actuadores:

    Hidrulicos (para potencia, mucha energa y mantenimiento)

    Neumticos (precisin, mucha presin y mantenimiento)

    Elctricos (servomotores, precisos y poco mantenimiento)

  • Actuadores hidrulicos

    Los actuadores hidrulicos, que son los de mayor antigedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operacin, funcionan en base a fluidos a presin. Existen tres grandes grupos:

    cilindro hidrulico motor hidrulico motor hidrulico de oscilacin

  • Nomenclatura en diagramas de control (1)

    Instrumento discreto

    Display Compartido, Control Compartido

    Funcin de computadora

    Control Lgico Programable

    Montaje local o en campo

    Montaje en tablero o en el cuarto de control

    Montaje detrs del tablero

    Conexin a proceso, enlace mecnico, o alimentacin de instrumentos

    Seal indefinida Seal elctrica Seal hidrulica Seal neumtica Seal electromagntica o

    snica (guiada) Seal electromagntica o

    snica (no guiada) Seal neumtica binaria Seal elctrica binaria Tubo capilar Enlace de sistema interno

    (software o enlace de informacin)

    Enlace mecnico

  • Nomenclatura en diagramas de control (2)

    1 Letra 2 Letra

    Variable medida Letra de Modificacin

    Funcin de lectura pasiva

    Funcin de Salida Letra de Modificacin

    A Anlisis . . . . . . Alarma . . . . . . . . . . . . B Llama (quemador) . . . . . . Libre Libre Libre C Conductividad . . . . . . . . . . . . Control . . . . . .

    D Densidad o Peso especifico

    Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    E Tensin (Fem.) . . . . . . Elemento Primario

    . . . . . . . . . . . .

    F Caudal Relacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . G Calibre . . . . . . Vidrio . . . . . . . . . . . . H Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alto

    I Corriente Elctrica . . . . . . Indicacin o indicador

    . . . . . . . . . . . .

    J Potencia Exploracin . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    K Tiempo . . . . . . . . . . . . Estacin de Control

    . . . . . .

    L Nivel . . . . . . Luz Piloto . . . . . . Bajo

    M Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medio o intermedio

    N Libre . . . . . . Libre Libre Libre O Libre 1 Orificio . . . . . . . . . . . . P Presin o vaco . . . . . . Punto de prueba . . . . . . . . . . . . Q Cantidad Integracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . R Radiactividad . . . . . . Registro . . . . . . . . . . . .

    S Velocidad o frecuencia Seguridad

    . . . . . . Interruptor . . . . . .

    T Temperatura . . . . . . . . . . . . Transmisin o transmisor

    . . . . . .

    U Multivariable . . . . . . Multifuncin Multifuncin Multifuncin V Viscosidad . . . . . . . . . . . . Vlvula . . . . . . W Peso o Fuerza . . . . . . Vaina . . . . . . . . . . . . X Sin clasificar . . . . . . Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar

    Y Libre . . . . . . . . . . . . Rel o compensador

    Sin clasificar

    Z Posicin . . . . . . . . . . . . Elemento final de control sin clasificar

    . . . . . .

  • Ejem

    plo:C

    ontrol de combustin

    Elemento primario deTemperatura (sensor)

    vlvula de controlde caudal

    Sensor de flujo

    Transmisor de laseal de flujo

    Transmisor de presin

    Interuptor de presin

    rel de control de caudal

    Transmisor detempertura

    Control multivariable (en PLC )

    Control con indicadorpara relacin de caudal(Montaje en tablero)

    Vlvulamultivariable

    Transmisordel analizador

    Indicador del analisisEntradaa computadora

    Interruptor de presinaltaEntrada/salida

    a computadora

    Entradaa computadora

    Indicador detemperatura

    Transmisor de humedad

    Transmisorde peso

  • Elementos finales de control

    Vlvulas de control: Apertura en falla Cierre en falla

  • Vlvulas

    El coeficiente CV se define como: la cantidad de agua en galones U.S. que fluyen por minuto a travs de una

    vlvula completamente abierta, con una cada de presin de 1 psi en la seccin transversal de la vlvula

    Lquidos:

    Gases y

    vapores:

    (depende del

    fabricante)

    500

    Vf

    V f

    Pq C

    G

    W C G P

    =

    =

    q = flujo de lquido en, gpmP = Cada de presin en la vlvula, psiGf = gravedad especfica a la temp.W = Flujo del lquido en, lbm/hr

    ( )

    ( )

    ( ) ( )

    31

    1

    31

    31

    1.63836 0.148

    5202.8 0.148

    1.83 0.1481 0.0007

    vV f

    f

    V f

    V fSH

    ppQ C C y y y

    C pGT

    W C C p G y yTp

    W C C y yT

    = =

    =

    = +

    Q = flujo de gas scfh (ft3/h a condicionesestndar 14.7 psia y 60F)

    G = Gravedad especfica con respectoal aire

    T = Temperatura de entrada a la vlvula, RCf = Factor de flujo crtico. (rango

    0.6-0.95), depende de la forma de lavlvula

    p1 = vlvula de presin, psiaw = flujo de gas, lb/hTSH = grados de sobrecalentamiento, F

    Masoneilan

    11 1 rad

    520 59.64sen vg

    pQ C p

    GT C p

    =

    Fisher

  • Apertura de vlvulas

    Apertura rpida Lineal De igualdad de

    porcentaje

    ( )1V V vpC C vp==

    ( ) 11 vpV V vpC C ==

  • Controladores

    PIDs (proporcional-integral-derivativo)

    PLC (controladores lgicos programables)

  • Estructura matemtica de los controladores PID

    Aumenta la dimensin del sistema a lazo cerrado,

    no existe error esttico, se puede ajustar la velocidad de

    respuesta del sistema

    Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

    No altera la dimensin del sistema a lazo cerrado,

    produce error esttico, acelera la respuesta del sistema

    Proporcional-Derivativo (PD)

    Aumenta la dimensin del sistema a lazo cerrado,

    Elimina el error esttico, hace ms lenta la respuesta del

    sistema

    Proporcional-Integral (PI)

    No altera la dimensin del sistema a lazo cerrado,

    produce error esttico Tiene un solo parmetro de ajuste

    Proporcional (P)

    ObservacionesFuncin de transferencia

    Estructura matemticaTipo de controlador

    ( ) ( )Pu t u K e t= + ( ) PG s K=

    ( ) ( ) ( )0

    1 t

    PI

    u t u K e t e t dt

    = + +

    ( )

    11P

    I

    G s Ks

    = +

    ( ) ( ) ( )P Dde t

    u t u K e tdt

    = + +

    ( ) ( )1P DG s K s= +

    ( ) ( ) ( ) ( )0

    1 t

    P DI

    de tu t u K e t e t dt

    dt

    = + + +

    ( )1

    1P DI

    G s K ss

    = + +

    (KP)

    (KP,I)

    (KP,D)

    (KP,I,D)

    ( )( ) ( )

    e sG s

    u s=

  • Banda proporcional

    Muchos fabricantes de controladores no utilizan el trmino ganancia para designar la cantidad de sensibilidad, sino que utilizan el trmino Banda Proporcional, PB. La relacin entre la ganancia y la banda proporcional se expresa mediante

    Los controladores se pueden clasificar como de accin inversa y accin directa: Accin inversa: si el error es negativo la salida del controlador decrece

    si el error es positivo la salida del controlador aumentaKp > 0

    Accin directa: si el error es negativo la salida del controlador aumentasi el error es positivo la salida del controlador decrece

    Kp < 0

    100

    P

    PBK

    =