Trabajo Escrito Transmisores

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Estudios Superiores Zaragoz a

Transmisores Generalidades Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica, digital, óptica, hidráulica o por radio. La señal neumática es de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) (equivale a 0,206-1,033 bar o 0,21-1,05 kg/cm 2) adoptada en Estados Unidos y los países de habla inglesa, o 0,2-1 bar (20-100 kPa) empleada en los países que utilizan el sistema métrico decimal. La señal electrónica normalizada es de 4 a 20 mA de corriente continua, si bien se utilizan de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de 0 a 20 mA c.c. La señal digital consiste una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor. Si la señal digital que maneja el microprocesador del transmisor es de 32 bits entonces puede enviar 32 señales binarias (0 y 1) simultáneamente. simultáneamente.

Evolución de las señales de transmisión

La señal hidráulica se utiliza cuando son necesarias presiones elevadas para el accionamiento de pistones hidráulicos en elementos finales de control.

La evolución de las señales de transmisión hacia la digital, propiciada por la irrupción de los microprocesadores, ha permitido satisfacer satisfacer dichas necesidades. Las señales neumática y electrónica se utilizan cada vez menos en beneficio de la señal digital, por las ventajas que ésta ofrece en exactitud, en facilidad de comunicaciones y en grabación de la memoria histórica de las variables de proceso. La señal neumática ha quedado prácticamente práctic amente relegada a su uso en las válvulas de control y en los posicionadores electro-neumático y dígito-neumático. Dentro de la evolución de la instrumentación cabe destacar la aparición en 1983, por parte de la firma Honeywell, del primer transmisor digital denominado "inteligente" ( smart transmitter ), ), término que indica que el equipo tiene incorporadas funciones adicionales que se añaden a las propias de la medida y transmisión exclusiva de la variable. Y en 1986 aparece en el mercado el primer aparato que transmite directamente una señal digital al receptor, al que pronto sigue el transmisor digital de temperatura. A partir de esta fecha se desarrollaron, rápidamente, una serie de protocolos digitales con el ob jetivo de comunicarse con el el instrumento instrumento local o remotamente remotamente y aprovecha aprovechar, r, al máximo, máximo, todas las potencialidades potencialidades que ofrecen los microprocesadores. Este desarrollo tiende hacia la creación de protocolos abiertos que permitan el intercambio de instrumentos de diferentes fabricantes. La exactitud que se consigue con las diferentes señales de transmisión es: •

± 0,5% en los lo s transmisores neumáticos.

•

± 0,3% en los lo s transmisores electrónicos. ± 0,15% en los transmisores "inteligentes" "inteligentes" con señal de salida de 4 a 20 mA c.c.

•

± 0,1% en los lo s transmisores digitales.

•

Transmisores neumáticos

Los transmisores neumáticos, al tener el diámetro de la tobera muy pequeño, del orden de 0,1 a 0,2 mm, son susceptibles de mal funcionamiento debido a las particulas de aceite o polvo que puedan tapar la tobera. Este problema de mantenimiento, unido al hecho de que no pueden guardar las señales de planta, hace que se utilicen cada vez menos.

Transmisores electrónicos Basados en detectores de inductancia, o utilizando transformadores diferenciales o circuitos de puente de Wheatstone, o empleando una barra de equilibrio de fuerzas, convierten la señal de la variable a una señal electrónica de 4-20 mA c.c. Su exactitud es del orden del ± 0,5%.

Es decir, de 1 V c.c. a 5 V c.c. y no se pierde tensión en la línea ya que la resistencia de 250 ohms está conectada justo a la entrada del receptor.

Transmisores digitales Cuando apareció la señal digital aplicable a los transmisores, mejoró notablemente la exactitud conseguida en la medida. La señal del proceso es muestreada a una frecuencia mayor que el doble del de la señal (teorema de muestreo de Nyquist-Shannon) y de este modo, la señal digital obtenida consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor. Si la señal digital que maneja el microprocesador del transmisor es de 8 bits entonces puede enviar 8 señales binarias (0 y 1) simultáneamente. Como el mayor número binario de 8 cifras es: 11111111 = 1 + 1 ×21 + 1×22 + 1×23 + ... + 1 ×27 = 255 se sigue que la exactitud obtenida con el transmisor debida exclusivamente a la señal digital es de: (1/255)

×

100 = ± 0,4%

Si la señal es de 16 bits entonces puede manejar 16 señales binarias (0 y 1). Siendo el mayor número binario de 16 cifras: 1111111111111111 = 1 + 1 ×21 + 1×22 + 1×23 + ... + 1 ×215 = 65.536 se sigue que la exactitud debida exclusivamente a la señal digital de 16 bits es de: (1/65.536)

×

100 = ± 0,0015%

Y si la señal es de 32 bits entonces puede manejar 32 señales binarias (0 y 1), siendo el mayor nú-

•

Cambio fácil de rangos. La "inteligencia" se aplica también a otras variables, tal como la temperatura donde el transmisor puede trabajar con distintas sondas de resistencia y termopares y diversos campos de medida, gracias a la linealización de las escalas y a la compensación de la unión fría que aporta el microprocesador.

El transmisor con señal de salida enteramente digital de Honeywell, aparecido en el año 1986, proporcionó un aumento de la exactitud del lazo de control del orden del 0,75%, al eliminar los convertidores A/D (analógico-digital) del transmisor y el D/A (digital-analógico) del receptor (indicador, registrador o controlador). El término " smart " no puede aplicarse al transmisor que sólo posee comunicabilidad digital (mediante un convertidor A/D), pero carece de funciones adicionales tales como corrección automática de la presión y temperatura del tuído de proceso. Hay dos modelos básicos de transmisores digitales inteligentes, el capacitivo y el de silicio difundido.

Transmisor inteligente capacitivo El sensor capacitivo está basado en la variación de capacidad que se produce, en un condensador formado por dos placas fijas y un diafragma sensible interno y unido a las mismas, cuando se les aplica una presión o presión diferencial a través de dos diafragmas externos. La transmisión de la presión del proceso se realiza a través de un tuido (aceite) que rellena el interior del condensador. El desplazamiento del diafragma sensible es de sólo 0,1 mm como máximo. Un circuito formado por un oscilador y demodulador transforma la variación de capacidad en señal analógica. Ésta, a su vez, es convertida a digital y pasa después a un microprocesador "inteligente" que la transforma a la señal analógica de 4-20 mA c.c y alimenta las comunicaciones digitales.

un regulador de corriente variable. Un margen de corriente continua de 3 a 19 mA con 1 mA del puente produce una señal de salida de 4 a 20 mA c.c. Esta corriente circula a través de la resistencia de realimentación R FB y eleva E 1 a una tensión equivalente a E 2 y reequilibra el puente. Como la caída de tensión producida a través de R FB es proporcional a R B, esta resistencia fija el intervalo de medida (span) del transductor. El cero del instrumento se varía intercalando resistencias fijas en el brazo izquierdo del puente (cero basto) y un potenciómetro en el brazo derecho (cero fino).

Transmisor inteligente piezoresistivo

El elemento de medida incorpora tres sensores: presión diferencial, temperatura y presión estática. El cuerpo del medidor y la caja electrónica son muy robustos y resisten vibraciones, corrosión y hu-

en estabilidad de calibración en los dos tipos de transmisores. A señalar que el transmisor analógico puede presentar averías por desgaste mecánico de los tornillos de ajuste de cero y span provocado por un gran número de calibraciones realizadas a lo largo del tiempo por el instrumentista. De este modo, la exactitud de los instrumentos digitales puede alcanzar el ± 0,1%. Otras ventajas adicionales de estos transmisores son: •

•

Cambio automático del campo de medida, caso de que el valor de la variable salga del campo y fijación

de la variable en el último valor alcanzado, caso de detectarse alguna irregularidad en el funcionamiento del aparato. Compensación de las variaciones de temperaturas y tensiones de referencia de los transmisores y autoajuste desde el panel de control. •

•

Grabación de datos históricos. La señal digital permite guardar los datos y analizarlos con más

detalle posteriormente. Ha permitido que los operadores de proceso pierdan el temor a los registradores y se han acostumbrado rápidamente a la facilidad y al dominio de la planta, al tener una visión total de la marcha de la misma. Mantenimiento . Antes de su aparición, la calibración y el cambio del margen de medida debían realizarse normalmente en el taller de instrumentos, lo que equivalía a disponer de aparatos de repuesto para continuar trabajando con el proceso, siendo inevitable la marcha a ciegas durante el tiempo requerido para el cambio mecánico del instrumento. Por ejemplo, la calibración de un instrumento de nivel tipico requiere el vaciado del tanque, el desmontaje del aparato y su calibración en el taller de instrumentos. Además, si se precisa que el proceso continúe en funcionamiento, es necesario montar una brida ciega en la brida del transmisor de nivel para poder llenar el tanque y continuar las operaciones de fabricación. Así pues, tanto en la puesta en marcha como en operación, los instrumentos "inteligentes" no precisan de aparatos patrón para su calibración, pues disponen de datos almacenados en

•

•

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de calibración. De este modo, compensa las variaciones de velocidad del sonido provocadas por cambios en la temperatura del ambiente del tanque. En otros casos, la autocalibración es más dificil de conseguir. Tal ocurre en los medidores magnéticos de caudal en los que durante los intervalos de calibración sería necesario pasar por el elemento un caudal conocido de un tuido determinado. Autodiagnóstico. Los transmisores inteligentes se prestan también al autodiagnóstico de sus partes electrónicas internas, función que proporciona al Departamento de Mantenimiento, primero, el conocimiento de la existencia de un problema en el circuito, segundo el diagnóstico y la naturaleza del problema, señalando que instrumento ha fallado y tercero, las líneas a seguir para la reparación o sustitución del instrumento averiado. Comunicador portátil. Para visualizar la señal de salida, los datos de configuración, el margen de funcionamiento y otros parámetros, y cambiar los ajustes del campo de medida se utiliza un comunicador portátil, que se conecta en cualquier punto de la línea de transmisión. Un comunicador portátil dotado de visualizador de cristal líquido y teclado alfanumérico permite comprobar desde el propio transmisor o bien desde el controlador, o desde cualquier punto de la línea de conexión, el estado y calibración del transmisor. Así pues, ya no es necesario para calibrar estos instrumentos su desmontaje del proceso y su transporte al taller de instrumentos. Basta, tal como se ha indicado, conectar el comunicador y cambiar si se desea el margen del instrumento. Si se presenta una avería directa en el elemento en contacto con el proceso (por ejemplo, una perforación en la membrana de un transmisor de nivel) precisará el cambio del aparato o del módulo en contacto con el proceso, pero tampoco será necesaria la calibración en el taller con aparatos patrón. Ordenador personal (PC). El transmisor, o varios transmisores, pueden conectarse, a través de una conexión RS-232, a un ordenador personal que con el soGware adecuado es capaz de configurar transmisores inteligentes. Otras ventajas. Si el transmisor inteligente, en lugar de incorporar dos hilos de señal analogica

Mediante el bus de campo es posible transmitir, digitalmente en serie, las señales de los transm isores al sistema de comunicaciones y a los controladores (control distribuido, controladores programables, bloques de control). De este modo, se mejora la exactitud de los datos y la fiabilidad, se reduce la mano de obra de cableado y es posible disponer de una función de mantenimiento remoto.

Protocolos híbridos Los protocolos híbridos utilizan el estándar analógico de comunicación 4-20 mA c.c., e incorporan, además, un protocolo de comunicación digital. Son: DE. Desarrollado por la empresa Honeywell, consiste en una modulación en corriente correspon-

diendo al estado discreto "1" una corriente de 20 mA c.c. y al estado "0", 4 mA c.c. Es compatible con la señal analógica 4-20 mA c.c., pero no simultáneamente. Usa un protocolo propietario. INTENSOR. Es un protocolo propietario de Endress & Hauser. BRAIN. De la empresa Yokogawa y consiste en una modulación de impulsos codificados, cuyo esta-

do discreto "1" corresponde a la ausencia de pulsos, mientras que el estado "0" corresponde a una secuencia de dos pulsos de subida y dos de bajada alternos con una amplitud de 2 mA c.c. Dicha señal va modulada sobre la señal de 4-20 mA c.c., que no es afectada ya que la señal resultante es nula. FOXCOM. Es un protocolo propietario de la compañia Foxboro. FSK. Desarrollado por Elsag Bailey Hartman and Braun (grupo ABB), está basado en una modula-

ción en frecuencia. La distancia máxima es de 1,6 Km. Es propietario. HART. El protocolo HART (Hight way Addresable Remote Transducer ) fue desarrollado originaria-

ternacional de Normalización), si bien, sólo implementa del modelo los niveles 1, 2 y 7, ya que los otros niveles no son necesarios para este tipo de comunicación. Ello permite a los usuarios prepararse para la implementación definitiva del bus enteramentedigital. El nivel 1 (nivel fisico) conecta fisicamente los dispositivos y modula en frecuencia una señal de ± 0,5 mA de amplitud superpuesta a la señal analógica de salida del transmisor de 4-20 mA c.c.

Codifica los estados lógicos 1 y 0 con las frecuencias de 1.200 Hz para el 1 y 2.200 Hz para el 0, en forma senoidal. Como la señal promedio de una onda senoidal es cero, no se añade ningún componente de c.c. a la señal analógica de 4-20 mA c.c.

Protocolo HART

La variable de proceso es la señal analógica, mientras que la digital aporta medidas adicionales (configuración y calibración de instrumentos, diagnósticos, etc.) lo que es una gran ventaja al implantar HART, ya que esta tecnología es compatible con los sistemas existentes. El nivel 2 (nivel de enlace) se encarga de formar y comprobar la trama de los mensajes de acuerdo con la especificación del protocolo HART. La trama incluye una comprobación de doble paridad para asegurar la máxima integridad de los datos transmitidos. El nivel 7 (nivel de aplicación) se basa en la utilización de comandos HART, conjunto de comandos que se envían al transmisor para obtener información de los datos y cambiar la configuración de los parámetros a distancia. Algunos de estos comandos son:

Protocolos abiertos Los protocolos de comunicaciones abiertos importantes son el HART, World FIP, ISP, BITBUS, INTERBUS-S, P-NET, ECHELON y CAN. De ellos, los que usan el protocolo Fieldbus son World FIP (usa H1 y H2) y Profibus PA (sólo usa H1). Los restantes no utilizan ninguna parte del estándar Fieldbus y, por lo tanto, no son fieldbuses. Los buses de campo existentes en el mercado en la actualidad son, entre otros: Lonworks, Interbus, ASI, Devicenet, CAN, P-NET, World FIP, Profibus y Foundation Fieldbus. 2.6.3.1

Profibus

Profibus es una red abierta, muy popular en Europa, estándar e independiente de fabricantes (in-

teroperable). Dispone de tres perfiles de usuario: Profibus FMS (universal), Profibus DP (rápido) y Profibus PA (orientado a la aplicación con automatización de procesos incluso en áreas con riesgo de explosión y comunicación con equipos de campo). El nivel fisico cumple la norma IEC 1158-2 y la IEC 61158-2 y posibilita la alimentación de los equipos por el mismo par de hilos.

estándar Fieldbus está diseñado para satisfacer las necesidades restrictivas establecidas por la norma IEC 1158-2. La idea básica del estándar Fieldbus es obtener más información sobre el proceso y sobre el propio instrumento, que naturalmente debe ser inteligente ( smart ), y establecer reglas de rendimiento, seguridad y detección de errores. Proporciona un bus de campo H1 (31,25 Kbits/s) para un control continuo y una red Ethernet de alta velocidad (HSE) para la integración de datos en una distribución jerárquica de la planta. La Fundación Fieldbus ( Fieldbus Foundation) fue creada en 1994 mediante la unión de ISP y World FIP, para definir un único estándar según las normas IEC-ISA ( International Electric Company/Instrument Society of America). Es una organización sin ánimo de lucro formada por los casi 120 proveedores y usuarios más importantes de automatización y control de procesos. Los sistemas de instrumentos de seguridad de Foundation Fieldbus cumplen la norma IEC 61508 hasta el SIL 3 ( Safety Integrity Level 3 ). En el año 2006, la agencia TÜV ( Rheinland Industrie Service GmbH, Automation, Soƒware and Information Technology ), certificó que los instrumentos de Foundation Fieldbus eran adecuados para funciones de seguridad en las plantas industriales. Por otro lado, las organizaciones NAMUR (Alemania) y JEMIMA (Japón) soportan Foundation Fieldbus. Básicamente, la instalación está formada por un par de cables torsionado con un blindaje puesto a tierra, que conecta los dispositivos de la sala de co ntrol (que pueden estar en campo en pequeñas instalaciones) con los instrumentos de campo (transmisores, válvulas de control, etc.). Estos pueden conectarse entre sí mediante un bloque de terminales con topología en árbol ( chickenfoot ) o bien a lo largo del cable en ramales (spur ). Un terminador acopla la impedancia del cable para reducir retexiones de la señal y un acondicionador de alimentación separa la fuente de alimentación convencional del cableado del Fieldbus.

Señal de transmisión Fieldbus

La señal transmitida por el nivel fisico está codificada con la técnica Manchester y los datos digitales

Enlace de los circuitos H1 (31,25 Kbit/s) con los H2 (1-2,5 MBits/s) a través de la red Ethernet (HSE High Speed Ethernet) del Foundation Fieldbus =

Para un instrumento conectado con 2 cables de 1 metro, con alimentación mínima en las bornas de 10 V (precisa entre 10 y 42 V c.c.), aportando 24 V en la fuente menos 2 V absorbidos por la impedancia, y estando la resistencia de carga del lazo comprendida entre 0 y 1.500 ohms, la longitud aproximada es de: Caída máxima = 22 - 10 = 12 V

Resistencia = (2L + 2) × 0,022

Según el gráfico del fabricante, a 55 V de alimentación corresponden 1935 ohm de carga. Por lo tanto, el consumo es de 55/1935 = 28 mA c.c. 12 V = 28 mA c.c. × (2L + 2) × 0,022, con lo que L = 8,7 Km Transmisión

Un tester de cable de Fieldbus está formado por dos partes, transmisora y receptora, que se fijan en las partes extremas del cable. En el ensayo, luces en el receptor indican el buen funcionamiento del par de cables para que circulen las señales Fieldbus. El bloque de ensayo de interoperatibilidad (H1 Interoperability Test Kit (ITK) v5.1 ) comprueba la funcionalidad de los aparatos de campo H1 (31.25 Kbits/s) y su conformidad a las especificaciones de los bloques de función y transductor de Foundation Fieldbus.

Tester de interoperatibilidad (H1 ITK v5.1). Fuente: Fieldbus Foundation

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Integra hasta 32 Fieldbuses H1.

•

Soporta PLC y equipos de fabricación. Puede integrar otros buses.

•

Distancias de transmisión hasta 760 m (2.500 pies).

•

Los segmentos H2 utilizan el estandar HSE ( High Speed Ethernet ) en configuración redundante (hasta 100 Mbits/s). Los dos protocolos Ethernet y Fieldbus se complementan mutuamente, estando incluidos en el estándar IEC 61158. Sin embargo, casi todos los protocolos con base Ethernet son propietarios, por lo que si bien los aparatos en la red Ethernet pueden interconectarse, usualmente no es posible su interoperatibilidad. Esto es debido a que el estándar solo especifica el cable, la dirección del puerto del hardware y del aparato; y la aplicación no incluye ni las capas del usuario abiertas necesarias para conseguir una completa interoperatibilidad en el circuito. Foundation Fieldbus utiliza tres niveles o capas del sistema OSI ( Open Systems Interconect ) de siete capas: •

Nivel 1 (Capa 1) - Nivel Físico que proporciona una transmisión transparente de los datos entre los niveles (capas), recibe mensajes del stack de comunicaciones, los convierte en señales

fisicas, los adapta y coloca en el medio de transmisión y viceversa. Viene definido por los estandares IEC 1158-2 (1993) e ISA-S.50.02 (1992).

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•

Leer el fabricante, tipo de equipo, rango, unidades, variable primaria, señal de salida, % del rango, número de serie, etc. Escribir el rango del transmisor, calibrar, autotest, etc.

Nivel de usuario (Capa usuario) - Dedicada basada en bloques que representan las diferentes

funciones de aplicación. Los bloques son: •

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•

Bloque de recursos o RB ( Resource Block ): características del dispositivo, fabricante, modelo y número de serie. Bloque de Transductor o TB ( Transducer Block ): tipo de sensor, fecha de calibración, estado del sensor, etc Bloques de Función o FB ( Function Block ): con las estrategias de control del sistema (entrada analógica, control PID, alarmas, ratio, selector de control, etc.) y gestión de alarmas, históricos y parámetros, a acceder a nivel de las estaciones de operación.

Lenguaje EDDL y aplicación gráfica. Fuente: EDDL technical description

Las funciones proporcionadas por estos bloques han sido definidas por los mayores fabricantes de equipos de automatización trabajando de forma coordinada, de modo que cada fabricante sabe que sus instrumentos serán intercambiables con los de los otros fabricantes.

lidad, es decir, se puede sustituir un equipo de un fabricante por otro, pudiendo utilizar de inmediato las prestaciones extras que nos dé este segundo dispositivo.

Estructura de un bloque de función PID

La interoperabilidad se asegura gracias a la definición de los bloques de función estandarizados y a la tecnología de descripción de dispositivos. Se han cr eado perfiles de instrumentos estándar (caudalímetros, transmisores de caudal, nivel, temperatura, etc.) para las pequeñas y medianas empresas, de tal manera que estas compañías fabricantes pueden definir su modelo de instrumento por referencia al perfil normalizado.

convertidor de Fieldbus a corriente, medidor de nivel de radiación, convertidor de Fieldbus a neumático, etc. Como ejemplo, examinemos alguno de ellos: •

Transmisor de presión que cumple totalmente las especificaciones del protocolo Fieldbus Foundation y dispone de: Bloques de funciones PID y analógico. •

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•

•

•

•

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Linealización polinómica de nivel y caudal. Datos de características electrónicas cargadas vía bus. Compensación de los efectos de cambios de temperatura y presión en el sensor. Compensación de la falta de linealidad del sensor. Dispositivo de configuración de los ajustes del transmisor. Diagnóstico de eventuales averías desde el panel o la sala de control, sin que el operador tenga que desplazarse a campo. Exactitud ± 0,075% en modo analógico y ± 0,05% en modo digital.

Transmisor de temperatura que cumple totalmente las especificaciones del protocolo Fieldbus Foundation y dispone de: Bloques de funciones PID y analógico, calcula la media, el máximo, el mínimo, la diferencia, etc. •

•

Entradas de sondas de resistencia (Pt100, etc.), termopares (J, K, R, S, etc.), ohmios, mV. Linealización de la temperatura. Datos de características electrónicas cargadas vía bus.

•

Dispositivo de configuración que permite configurar los ajustes del transmisor y diagnos-

•

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Comparación tecnologías convencional analógica y Foundation Fieldbus

La comunicación bidireccional digital permite la carga del soGware de configuración de los aparatos directamente a través del Fieldbus, con lo que la implantación de las últimas revisiones del estándar se puede efectuar sin desplazarse y sin sustituir el aparato. Asimismo, las comunicaciones digitales eliminan la necesidad de la calibración periódica de la señal analógica de 4-20 mA c.c., y las salidas del transmisor multivariable proporcionan la mejor medida posible de la variable de campo.

Los instrumentos FF cumplen la frase ideal de mantenimiento "instalar y olvidar" y, además, informan al proceso de los múltiples datos de la variable, además de permitir el diálogo entre instrumentos (válvula con transmisor, etc.). Las características resumidas y las ventajas de la técnica Foundation Fieldbus (FF) son l as siguientes: •

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•

•

El sistema de comunicaciones es de dos vías, es decir, es posible la lectura del valor de una variable dada por el instrumento y también escribir datos en el instrumento, tales como las constantes de calibración para que queden grabadas en el aparato. La extensión de la red Fielbus puede alcanzar tipicamente los 2 km, si bien la instalación de repetidores la aumenta hasta una distancia 4 veces mayor. Los instrumentos FF potencian el papel de los instrumentos inteligentes, al tener una mejor respuesta dinámica y así pueden proporcionar una exactitud, por ejemplo de 0,000001, 0,000001, lo que permite mejorar la calidad del producto fabricado y reducir el stock de instrumentos y sus rer ecambios. Asimismo, pueden proporcionar información, a través del sistema de control, sobre la calidad de los datos que transmiten (bueno, malo o inseguro), lo que facilita su filtraje para el buen control de la planta. Pueden identificar medidas críticas en los instrumentos, por ejemplo válvulas de control y establecer tres niveles de seguridad: •

•

•

•

•

Nivel 1: el proceso se para (tarjeta H1 o segmento asignados a cada válvula). Nivel 2: el operador debe intervenir inmediatamente inmediatamente (pocas restricciones). Nivel 3: el operador debe intervenir pero no hay riesgo de paro de la planta (muy pocas restricciones).

Interoperatibilidad Interoperatibilidad de los instrumentos con certificado Fieldbus. Fieldbus. Al poder situar los bloques o funciones de control (PID, etc., hasta 32 en número) en el propio instrumento (por ejemplo, transmisor o válvula) de la planta, se consigue un control más fia-

Como en el mercado todavía existen muchos transmisores electrónicos analógicos, el vacío existente entre las dos tecnologías analógica y digital se llena con los estándares híbridos (tal como el protocolo HART). Si bien el coste de los instrumentos de estándar Foundation Fieldbus es actualmente más elevado que los convencionales (un 15% más que los analógicos de 4-20 mA c.c.), sus costes de instalación y puesta a punto son inferiores en un 4%. También es necesario tener en cuenta los beneficios indirectos que proporcionan posteriormente en la planta. En entornos industriales hostiles, o en la transmisión de se ñales de proceso a gran distancia, la transmisión por radio es una necesidad. Las señales tipicas a transmitir son las presiones relativa y absoluta, temperatura temperatura (termopares y sondas de resistencia), nivel, caudal, pH y señales en tensión (0-10 V) o corriente (4-20 mA c.c.). El estándar ISA 100.11a proporciona comunicaciones industriales sin hilos, multifuncionales que pueden manejar miles de aparatos en las plantas y soporta los protocolos de comunicaciones HART, HART, Fieldbus Foundation, Profibus, DeviceNet, etc.

Tabla Tabla comparativa compara tiva de transmisores transm isores A continuación figura una tabla de comparación de características de los transmisores neumáticos, electrónicos, convencionales convencionales e inteligentes. Estos últimos, en las versiones de señal de salida de 4-20 mA c.c. de señal de salida digital y de las características del protocolo Foundation Fieldbus.

Exactitud de transmisores

Prin incci io ioss de Medi didda - Transmisore Rango de Proceso y de Variables de Proceso:

 Rango

de Proceso es el valor mínimo a máximo de un instrumento de medición me dición de una variable var iable física (presión, nivel, flujo, temperatura, etc.) para ser transmitido tr ansmitido o controlado. Ejemplo: Se va a medir un proceso que fluctúa entre 0 psi y100 y100 psi. Rango de Proceso es: 0 100 100 psi

El

–

 Una

Variable de Proceso es el valor actual de una variable física Variable (presión, nivel, flujo, temperat temperatura, ura, etc.) Ejemplo: En el proceso de 0 100 100 psi, la variable de proceso se –

encuentra en 23.45 psi

Princi ios de Medida - Transmisore

Transmisores de Variables de Proceso:

 Un

Transmisor de Variable de Proceso es un dispositivo utilizado para convertir la variable física en una señal electrónica o neumática a ser utilizado para su medición, transmisión o control.  Este transmisor se conecta físicamente al proceso y mediante el uso de sensores internos, convierte el valor de la variable física en una señal transmitible Señal Transmitida Por cablería +

PT-1 24 Vdc

Receptor Remoto

Proceso ames Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

Princi ios de Medida - Transmisore Rango de Instrumentación:

 El

Rango de Instrumentación es una señal electrónica o neumática utilizada con el propósito de ser transmitida remotamente  El Rango de Instrumentación de un transmisor electrónico es una corriente de 4 a 20 miliamperes DC. El 0% de la variable de proceso equivale a 4 mA, mientras que el 100% de la variable de proceso equivale a 20 mA  El Rango de Instrumentación de un transmisor neumático es de una presión de 3 a 15 psi. El 0% de la variable de proceso equivale a 3 psi, mientras que el 100% de la variable de proceso equivale a 15 psi

Principios de Medida - Transmisore Señal de Instrumentación:  Una

Señal de Instrumentación es el valor actual del nivel electrónico o neumático utilizado para representar la variable de proceso de una forma estándar. Ejemplo: Rango de Proceso del Transmisor = 0 100 psi Rango de Instrumentación del Transmisor = 4 20 mA –

–

Señal Transmitida Por cablería 4.00 mA

+

PT-1

4 20 mA –

24 Vdc +

Rango de Proceso = 0 100 psi –

-

Receptor Remoto

Principios de Medida - Transmisore Señal de Instrumentación:  La

razón por la cual la señal de Instrumentación no comienza en cero es para poder distinguir entre un cero real y una avería en la cablería o tubería utilizada  Si se avería la cablería, la corriente o la presión bajará a cero mA o a cero psi y el técnico podrá diagnosticar el fallo Cable Averiado

0.00 mA

+

PT-1 24 Vdc +

Proceso

-

Receptor Remoto

Princi ios de Medida - Transmisore Principio de Operación de Transmisores:

 Un

Transmisor contiene las siguientes características:  Está conectado al proceso  Tiene sensores internos que convierten la variable física en un movimiento, un voltaje, una resistencia u otro parámetro electrónico  Estos sensores convierten los parámetros en una señal de instrumentación estándar para ser transmitida

Diagrama en Bloque de un Transmisor:

Conexión a Proceso

Sensor Interno

Conversión a Parámetro Electrónico

Señal de Output en mA

Princi ios de Medida - Transmisore Principio de Operación de Transmisores:

Transmisor de Presión

Conexión a Proceso

Sensor Interno

Conversión a Parámetro Electrónico

Señal de Output en mA

Princi ios de Medida - Transmisore Lazos de Transmisores Electrónicos:





Para extraer una señal a un transmisor, se necesita conectarlo en serie con un Power Supply de 24 Vdc y a su vez en serie con el receptor o equipo preparado para aceptar una señal de 4 – 20 mA Este voltaje produce una señal de instrumentación proporcional a la variable de proceso en relación con el rango de proceso

Transmisor de Presión en Serie con Power Supply de 24 Vdc y Miliamperímetro:

24 Vdc Power Supply

+ ON

OFF

Principios de Medida - Transmisores Interpolación de Señales de Instrumentación:   ó   

=

  ó −ñ  ó    −  

. . . .

. . −. . =

. . −. .

Principios de Medida - Transmisores Interpolación de Señales de Instrumentación:  El

lazo de transmisor produce una señal de instrumentación proporcional a la variable de proceso en relación con el rango de proceso  Para calcular la señal de instrumentación (output) del transmisor, se debe conocer el rango de proceso y la variable de proceso  Se utiliza la siguiente ecuación para reslover:   ó   



=

  ó −ñ  ó    −  

Este proceso se conoce como Interpolación

Principios de Medida - Transmisores Interpolación de Señales de Instrumentación: 

Ejemplo: El Rango de Proceso es de 0 100 psi y la variable de proceso (input) está en 50 psi. ¿Cuál es la señal de instrumentación (output) en este caso? (Recordar que el rango de instrumentación es de 4 20 mA) –

–

20

− 4

100

− 0

20 −  =

16

100 − 50 20 − 

100

=

1

50

20 − = 8 50

0 0

16

8 = 20 − 

= 20 − 

Principios de Medida - Transmisores

 = 20 − 8

Interpolación de Señales de Instrumentación:  = 12 




El procedimiento de interpolación se puede visualizar como una relación de proporciones entre el rango de proceso y el rango de instrumentación Ejemplo 1: Si el rango de proceso es una presión de 0 – 100 psi

Rango de Proceso (Input) 0 psi

25 psi

50 psi

75 psi

100psi

4 mA

8 mA

12 mA

16 mA

20 mA

Principios de Medida - Transmisores Interpolación de Señales de Instrumentación: Rango de Instrumentación (Output)


Ejemplo 2: Si el rango de Proceso es un nivel de un tanque de 0 – 40 ft

Rango de Proceso (Input) 0 ft

10 ft

20 ft

4 mA

8 mA

12 mA

30 ft

40 ft

16 mA

20 mA



Ejemplo 3: Si el rango de Proceso es un flujo de 0 – 900 gal/min.

Rango de Proceso (Input) 0 gpm

225 gpm

450 gpm

675 gpm

900 gpm

4 mA

8 mA

12 mA

16 mA

20 mA



Ejemplo 4: Si el rango de Proceso es una temperatura de 50° F - 250 ° F

Rango de Proceso (Input) 50° F

100° F

4 mA

8 mA

150° F

12 mA

200° F

16 mA

250° F

20 mA



Ejemplo 5: Si el rango de Proceso es un pH de 2 – 12

Rango de Proceso (Input) 2 pH

4.5 pH

7 pH

4 mA

8 mA

12 mA

9.5 pH

16 mA

12 pH

20 mA



En los ejemplos vistos, es fácil convertir la variable de proceso a su equivalente en señal de instrumentación



Sin embargo, todos los puntos intermedios tienen su valor de señal de instrumentación equivalente

 

Hay que utilizar la interpolación para lograr conocer la señal exacta. Ejemplo 6: ¿Cuál es la señal de instrumentación para una variable de proceso de 61.43 psi con un rango de proceso de 0 – 100 psi? Rango de Proceso (Input) 0 psi

25 psi

50 psi

61.43 psi

75 psi

100 psi

4 mA

8 mA

12 mA

? mA

16 mA

20 mA

Principios Medida - (Output) Transmisores Rangode de Instrumentación Interpolación de Señales de Instrumentación:

Principios de Medida - Transmisores Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 6:

Rango de Proceso (Input) 61.43

psi 75 psi

0 psi

25 psi

50 psi

4 mA

8 mA

12 mA 13.83 mA16 mA

Rango de Instrumentación (Output) 20 − 4 100 − 0 16 100

=

=

20 −  100 − . 

20 −  38.57

6.17 = 20 −  20 −  = 6.17

100 psi

20 mA

16


38.57

= 20 − 

 = 20 − 6.17

Interpolación de Señales de Instrumentación: 100

 = 13.83 


Transmisor de Presión (0

–

Señal de Instrumentación

100 psi)

13.83 mA

+

PT-1

13.83 mA 24 Vdc +

Variable de Proceso (Presión) = 61.43 psi

-

Receptor Remoto

Princi ios de Medida - Transmisore Transmisores de Variables de Proceso:  Muestras

Rosemount

de Transmisores de Presión:

Endress + Hauser

Foxboro

Honeywell


Rango de Proceso (Input)

0 ft

6.28 ft

4 mA

6.51 mA

10 ft

8 mA

20 ft

30 ft

40 ft

12 mA

16 mA

20 mA

Rango de Instrumentación (Output) 20 − 4 40 − 0

=

20 −  40 − . 

20 −  = 13.49

20 −  16 40 = 33.72 40 16

13.49 = 20 − 

33.72


 = 20 −

13.49 Interpolación de Señales de Instrumentación: = 20 − 

 = 6.51 


Variable de Proceso = 6.28 ft

40 ft

Transmisor (0 40 ft)


–

-

+

LT-1 -

6.51 mA

+

6.51

mA 24 Vdc +

-

Receptor Remoto



 Muestras

Rosemount

de Transmisores de Nivel:

Endress + Hauser

Magnetrol

Siemens



0 gpm

225 gpm

4 mA

8 mA

347 gpm 450 gpm

10.17 mA12 mA

675 gpm

900 gpm

16 mA

20 mA

Rango de Instrumentación (Output) 20 − 4

=

900 − 0 16 900

=

9.83 = 20 − 

900 − 

20 −  553

900 16

20 − 

20 −  = 9.83

553


 = 20 −


 = 10.17 


Transmisor de Flujo (0

–


900 gpm)

10.17 mA

+

FT-1

10.17 mA

-

Variable de Proceso (Flujo) = 347 gpm

24 Vdc +

-

Receptor Remoto



 Muestras

Rosemount

de Transmisores de Flujo:

Endress + Hauser

Sierra

ABB



50 °F

100 °F

150 °F 184.6 °F 200 °F

250 °F

4 mA

8 mA

12 mA 14.77 mA16 mA

20 mA

Rango de Instrumentación (Output) 20 − 4

=

250 − 50

20 −  250 − . 

20 −  16 65.4 200 = 200 16

5.23= 20 −  20 −  = 5.23

65.4


 = 20 −


 = 14.77 



Transmisor de Temperatura (50 250 °F) –

14.77 mA

+

TT-1

14.77 mA

-

Variable de Proceso (Temperatura) = 184.6 °F

24 Vdc +

-

Receptor Remoto


 Muestras de Transmisores de Temperatura:

Rosemount

Engress + Hauser

ABB

Yokoga

Trabajo Escrito Transmisores

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