República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria Universidad Politécnica Territorial de Norte de Monagas “Ludovico Silva”.
Caripito Edo Monagas
Importancia de la Instrumentación
Profesor: Ing. Williams Rojas
Responsables: Castillo Edgar C.I 18.651.715 Caripe Jesús C.I 19.746.540 Luna Freimi C.I 21.011.815 Sección N5BB01
Caripito – abril abril de 2013
Introducción El desarrollo de la teoría de control automático y de los quipos requeridos para su aplicación al control de los procesos industriales, ha sido muy grande desde que James Walt desarrolló su gobernador para controlar la velocidad de una máquina de vapor en 1778, basado en el sensor de bolas giratorias inventado por Thomas Mead un año antes. Se considera que el inicio de la aplicación de la teoría de control a los procesos industriales conocida como control de procesos, como un campo independiente, se dio en 1930 con la aparición de publicaciones técnicas sobre aplicaciones de controladores. El desarrollo de los instrumentos ha sido largo y grande, desde los instrumentos indicadores simples como termómetros, indicadores de presión y otros instrumentos instalados localmente en el campo, hasta los actuales sistemas de control digital distribuido. Los procesos industriales pueden ser de distintas naturalezas, pero en general tienen como aspecto común, que se requieren del control de algunas magnitudes, como son: la temperatura, la presión, el flujo entre otras. El sistema de control para esta magnitudes se puede definir como. Un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una variación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana. El campo de la automatización de procesos ha tomado gran importancia en los últimos años, ello debido a la creciente necesidad de presentar productos de una mayor calidad y con costos implícitos menores. Esto hace necesario el desarrollo de herramientas eficientes de control de procesos industriales, capaces de garantizar continuidad y rentabilidad a los procesos. En el presente informe se presentan algunas generalidades del mundo de la automatización de procesos.
Desarrollo CONCEPTO E IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACION Y CONTROL DE PROCESO La instrumentación y control de procesos es una especialidad de la ingeniería que combina,
a
su
vez,
distintas
ramas,
entre
las
que
destacan: sistemas
de
control, automatización, electrónica e informática. Su principal aplicación y propósito es el análisis, diseño y automatización de procesos de manufactura de la mayor parte de las áreas industriales: petróleo y gas, generación
de
energía
eléctrica,
textil,
alimentaria
automovilística.
Instrumentación: se refiere al grupo de elementos que sirve para medir, convertir, transmitir, controlar o registrar variables de un proceso, con el fin de optimizar los recursos utilizados. Estas variables a medir pueden ser físicas o químicas que se den dentro de la operación. La instrumentación no solo contiene lo que son las herramientas sino también proporciona el control de variables v ariables y operaciones mediante constante medición: Esto Es to es de vital importancia no solo por la optimización de la misma sino por seguridad del personal que se encuentra trabajando En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que está sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos parámetros del sistema y proceder de forma correctiva.
Control: La Real Academia Española (2001) define el termino control como la “regulación, manual o automática, sobre un sistema”. Es decir, desde el punto de vista v ista de
ingeniería, el control es la acción o conjunto de acciones acciones que permiten mantener un o varias variables de un proceso dentro de ciertos rangos deseados.
Proceso: Según la Real Academia Española (2001) un proceso es un “conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial”. Según Acevedo (2004) se pueden llegar llegar a diferentes definiciones de los que es un proceso. “… desde el punto de vista de producción, se conoce generalmente como un lugar donde
materia, y muy a menudo energía, son tratados para dar como resultado un producto deseado o establecido. Por ejemplo, son procesos de producción: reactores, hornos, intercambiadores de calor, etc…” y “… desde un punto de vista vista de control … un proceso proceso
es un bloque que se identifica porque tiene una o más variables variables de salida de las cuales es importante conocer y mantener sus valores…”
Importancia del Control de procesos El objeto de todo proceso industrial será la obtención de un producto final, de unas características determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado, cada día más restrictivos. Esta constancia en las propiedades del producto sólo será posible gracias a un control exhaustivo de las condiciones de operación, ya que tanto la alimentación al proceso como las condiciones del entorno son variables en el tiempo. La misión del sistema de control de proceso será corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran óptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido. El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste. Las principales características que se deben buscar en un sistema de control serán: 1. Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes. 2. Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua. 3. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas. 4. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa. La implantación de un adecuado sistema de control de proceso, que se adapte a las necesidades de nuestro sistema, significará una sensible mejora de la operación. Principalmente los beneficios obtenidos serán: + Incremento de la productividad + Mejora de los rendimientos
+ Mejora de la calidad + Ahorro energético + Control medioambiental + Seguridad operativa + Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo + Fácil acceso a los datos del proceso
SIMBOLOGÍA Y NORMALIZACIÓN EMPLEADA En instrumentación y control se emplea un sistema especial de notación, simbología y terminología. El conocimiento de la notación de la simbología implican por sí mismo la expresión de ideas por medios gráficos, esto hace que tales ideas se adoptan como lenguaje. Si este tipo de lenguaje toma características especiales de una rama de ingeniería, sus expresiones se constituyen como lenguaje industrial. Si el lenguaje industrial se estandariza y normaliza, podrá ser interpretado por cualquier persona sin importar su nacionalidad. Es importante recalcar que la normalización de la terminología ha sido difícil, debido a que los ingenieros y técnicos usan a menudo varios términos para referirse a un mismo fenómeno ó cosa. Varias sociedades y organizaciones profesionales han contribuido en la normalización y estandarización de la notación, simbología y terminología que se usan en la instrumentación. De ellas, 5 son de mayor importancia en esta rama, estas son: 1.- S.A.M.A (Asociación de fabricantes de aparatos científicos) 2.- I.S.A (Sociedad de instrumentistas de América) 3.- A.S.M.E (Sociedad americana de ingenieros mecánicos) 4.- I.E.E.E (Instituto de ingenieros electrónicos y eléctricos) 5.- A.N.S.I (Instituto nacional americano de medidas) La identificación de cada instrumento se usa para designar a todo tipo de instrumentación en trabajos escritos y al combinarlos con símbolos dibujados en diagramas y planos en general. Existen dos formas las cuales son:
Identificación general, cuando se use una combinación de letras para establecer su propósito y función.
Identificación especifica, cuando la combinación de letras acompaña a números que sirven para identificar al instrumento más detalladamente. Para la elaboración de planos de instrumentación de procesos, también llamados
Diagramas de Tuberías e Instrumentación (DTI, o P&ID de la siglas en inglés), se debe utilizar nomenclatura y simbología normalizada de modo que el plano pueda ser entendido por cualquier persona que conozca dicha normativa. La institución que ha normalizado la designación de y representación de instrumentos en planos es la ISA, para lo cual ha publicado varias normas, entre ellas: la norma ISA S5.1 sobre designación y representación de instrumentos; la norma ISA S5.2 sobre diagramas de lógica binaria para operaciones de procesos; y la norma ISA S5.3 sobre símbolos gráficos para control distribuido e instrumentación compartida. A continuación se muestra un extracto de la norma ISA S5.1.
- Normativa para la designación de instrumentos. Cada instrumento se debe identificar con un sistema de letras que lo clasifique funcionalmente. La identificación del lazo al cual pertenece el instrumento se designa agregándole un número al sistema de letras. Generalmente este número es el mismo para todos los instrumentos que forman parte del mismo lazo de control. Ocasionalmente se le agrega un sufijo para completar la identificación del lazo. El número de identificación del instrumento (TAG) puede incluir información codificada para designar el área de la planta. En la tabla 1 se muestra la metodología para la formación del nombre de un instrumento en un P&ID. El significado de las letras que conforman el TAG se muestra en la Tabla 2. PRIMERA LETRA LETRAS SUCESIVAS Variable Modificació Lectura Salida Identificación funcional
LAZO Modificació Número del Sufijo
Identificación del lazo Nombre del instrumento TAG name Tabla 1. Identificación representativa de un instrumento.
El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene: 1. Disponer las letras en subgrupos. 2. En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede
omitirse la letra I. 3. Los lazos de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto deben
identificarse con una secuencia única de números. Éste puede empezar con el número 1 o cualquier otro que pueda incorporar información codificada. 4. Si el lazo dado tiene más de un instrumento con la misma identificación
funcional, es preferible añadir un sufijo.
Tabla 2 - Letras de identificación de instrumentos.
Los instrumentos deben ir conectados al proceso, a la fuente de suministro de energía, y entre sí. La norma ISA S5.1, establece cuáles son los símbolos estándar para las líneas de conexión de los instrumentos. La tabla 3 muestra las líneas de conexión de acuerdo a lo indicado en el estándar anteriormente mencionado.
Tabla 3
SIMBOLOGÍA DE LOS INSTRUMENTOS. Los instrumentos tienen símbolos generales y específicos. Las siguientes tablas muestran los símbolos generales de los instrumentos. El símbolo del instrumento va de acuerdo a la ubicación y a la tecnología del mismo. Se aclara que la norma se refiere fundamentalmente a funciones de instrumentación, más que instrumentos en sí. Por ejemplo, un valor de una temperatura mostrada en una pantalla de un computador que forme parte del sistema de control de una planta industrial (consola de operación) es una
función de instrumentación de indicación, y por lo tanto debe ser mostrada en un plano como indicador de temperatura. Es además una función compartida, ya que en la misma consola de operación aparecen también otros valores, además de la temperatura anteriormente mencionada.
SIMBOLOGIA DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICION
Simbología de instrumentos de medición
SIMBOLOGIA DE VALVULAS Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Las válvulas, elementos finales en los lazos de control, las válvulas son los elementos de control más comunes, sin embargo se utilizan también otros elementos finales de control como son los amortiguadores, controles de velocidad o circuitería de posición. Nótese que cualquiera de los actuadores listados puede ser utilizado con cualquiera de los cuerpos de las válvulas mostradas. Usualmente se utilizan sólo los símbolos más simples y se reservan las especificaciones detalladas para los diagramas de los lazos de control.
Elementos Finales de Control
SIMBOLOGÍA ESTÁNDAR DE LOS EQUIPOS DE PROCESO
CIRCUITO DE CONTROL Y TECNOLOGÍA Los circuitos sencillos de control del feedback constan de cuatro componentes mayores: la medición, el elemento de control final, el controler y el proceso. No existe un orden de prioridad en cuanto a cuál parte viene primero. Si falta una de las cuatro partes, el circuito es abierto y no es posible el control automático. Una Medición o variable del proceso (Pv) es la condición que va a ser controlada. Existen muchos tipos de mediciones. Generalmente, las variables del proceso usadas por la industria, medidas más comúnmente, son el flujo, el nivel, la temperatura o la presión. Otras mediciones comunes incluyen: Ph, ORP (Potencial de Reducción de Oxidación), CD (Monóxido de Carbono), posición del CO2 (Dióxido de Carbono), DO (Oxígeno Disuelto), O2 (Oxígeno), conductividad, opacidad, etc. Los Elementos de Control Final varían o regulan el suministro de energía desde o hacia el proceso. El elemento de control final más usado es una válvula actuada del diafragma. Otros elementos de control final son la propulsión AC o DC que encienden un motor, que rotan una bomba. Puede usarse un actuador de pistón para estrangular amortiguadores de lucerna o de paleta. La velocidad de un motor hidráulico puede lograrse controlando el ángulo de una placa oscilante.
Los Controlers son el cerebro de un circuito sencillo de control del feedback. Su trabajo es mantener la medición y reducir la variación. Los principios discutidos para los controlers pueden ser aplicados a equipo neumático, electrónico o digital. Todos los controlers utilizan las mismas respuestas a las variables de control. El Proceso, por último, producirá algún tipo de producto. El proceso existe en diferentes combinaciones de capacidad, resistencia y tiempo muerto. La Figura IF- 1 muestra un ejemplo de circuito de control del feedback.
Sistema de control. Es aquel sistema en el cual el efecto deseado es logrado operando sobre una o más variables de entrada, hasta que la salida, la cual es una medida del efecto deseado, cae dentro de un rango de valores aceptables. Los instrumentos de medición son parte integral de un sistema de control, por lo que al conjunto se le suele llamar sistema de medición y control. • Instrumentos en un sistema de control.
Normalmente un sistema de control opera formando un lazo o bucle en el que se mide el valor de una variable, se compara con un punto de consigna o valor deseado (set point, SP) y se toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación o error existente. A este esquema de control se le llama sistema de control por realimentación, o simplemente control a lazo cerrado. El lazo de control puede ser abierto o cerrado. En un esquema de control de lazo abierto, no hay comparación entre el punto de consigna y la variable a controlar, o por lo menos no se realiza continuamente. En general la diferencia entre el punto de consigna y la variable medida, genera un error el cual alimenta a un controlador que se encarga de minimizar el mismo manipulando la variable de control.
Como marco para el estudio de los diferentes instrumentos que forman parte de un sistema de control, se utilizará como referencia el lazo cerrado de control, sin embargo los instrumentos a estudiar pueden ser utilizados en cualquier otro esquema de control. El estado actual de la tecnología es utilizar controladores digitales los cuales están en capacidad de ejecutar cientos de lazos de control. La mayoría de estos controladores tienen la capacidad de ser programados por los usuarios, e incorporan bloques de control y de cálculo previamente construidos por el fabricante del controlador, los cuales pueden ser configurados por el usuario para implantar una gran variedad de estrategias de control. Existen también los denominados instrumentos “inteligentes”, los cuales están en
capacidad de ejecutar algoritmos básicos de control, tales como bloques PID entre otros. Estos instrumentos se comunican unos con otros a través de los “Buses de campo”, eliminando la necesidad de utilizar controladores independientes.
Control de lazo abierto: Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente, es decir, no realimenta información del proceso al controlador. Estos sistemas se caracterizan por ser sencillos y de fácil aplicación; nada asegura su estabilidad ante una perturbación; la salida no se compara con la entrada; es afectado por las perturbaciones y la precisión depende de la previa calibración del sistema.
Control de lazo cerrado: Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida, es decir, la información de la variable controlada de proceso se capta por medio de un sistema de medición adecuado y se utiliza como entrada al controlador. Son sistemas complejos, pero amplios de parámetros; la salida se compara con la entrada y la afecta para el control del sistema; estos sistemas se caracterizan por su propiedad de retroalimentación y es más estable a perturbaciones y variaciones internas.
Tecnología
Los CLP o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son
dispositivos electrónicos muy usados en Automatización Industrial.
SCADA es el acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition (en español,
Control supervisor y adquisición de datos). Comprende todas aquellas soluciones de aplicación para referirse a la captura de información de un proceso o planta industrial (aunque no es absolutamente necesario que pertenezca a este ámbito), para que, con esta información, sea posible realizar una serie de análisis o estudios con los que se pueden obtener valiosos indicadores que permitan una retroalimentación sobre un operador o sobre el propio proceso. Un sistema SCADA incluye un hardware de señal de entrada y salida, controladores, interfaz hombre-máquina, redes, comunicaciones, base de datos y software. El termino SCADA usualmente se refiere a un sistema central que monitoriza y controla un sitio completo o un sistema que se extiende sobre una gran distancia (kilómetros / millas). La mayor parte del control del sitio es en realidad realizada automáticamente por una Unidad Terminal Remota (RTU) o por un Controlador Lógico Programable (PLC). Las funciones de control del servidor están casi siempre restringidas a reajustes básicos del sitio o capacidades de nivel de supervisión. Por ejemplo un PLC puede controlar el flujo de agua fría a través de un proceso, pero un sistema SCADA puede permitirle a un operador cambiar el punto de consigna (set point) de control para el flujo, y permitirá grabar y mostrar cualquier condición de alarma como la pérdida de un flujo o una alta temperatura. La realimentación del lazo de control es cerrada a través del RTU o el PLC; el sistema SCADA monitorea el desempeño general de dicho lazo.
TIPOS DE CIRCUITOS DE CONTROL Son dispositivos que regulan la variable controlada (presión, nivel, temperatura, etc.) comparándola con un valor predeterminado o punto de consigna y ajustando la salida de acuerdo a la diferencia o resultado de la comparación a fin de ejercer una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente como controladores locales, o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor. Los controladores no solamente se utilizan para esquemas de control regulatorio. También se utilizan para realizar estrategias de control secuencial. Cuando se utilizan para este último, reciben el nombre de controladores de lógica programable (PLC de las siglas en inglés). Existen fundamentalmente dos tipos de controladores, los continuos o de regulación y los secuenciales. Los controladores continuos están constantemente comparando el SP con la variable medida o variable del proceso (process value, PV) y generan un salida (output) que actúa sobre el elemento de acción final. La función de los controladores de secuencia es mantener el orden en el que se deben ejecutar las acciones en un proceso. En la actualidad existen controladores que integran las funciones de control continuo y secuencial en un solo instrumento (ej.: existen controladores lógicos programables (PLC de las siglas en inglés) que contiene funciones para control continuo). A continuación se hace una descripción breve del esquema de funcionamiento de algunos controladores de uso muy difundido en la industria.
Controlador todo o nada (On-Off). En este tipo de controlador, la salida varía entre dos posiciones extremas (todo o
nada), de acuerdo a si la PV es mayor o menor al SP. Este controlador tiene usualmente
una banda diferencial o zona neutra dentro de la cual la salida se mantiene en su valor actual. La banda diferencial permite minimizar la frecuencia de oscilación de la salida pero aumenta la amplitud de la misma. Tanto el SP como la banda diferencial son parámetros ajustables en el controlador todo o nada. Ejemplos de controladores todo o nada son los muy difundidos termostatos, empleados para controlar temperatura en sistemas de aire acondicionado, termos, calentadores de ambiente, etc.
Control flotante de velocidad constante. Éste es un caso de control todo o nada en que el elemento de acción final (ej.:
válvula) no se mueve bruscamente entre sus dos posiciones extremas, si no que lo hace lentamente a una velocidad constante, independiente del valor de la señal de error. Estos controladores también suelen incorporar un mecanismo de ajuste de la banda diferencial o zona neutra dentro de la cual la salida del controlador no varía. Debe notarse que en este caso, el elemento de acción final puede estar en posiciones intermedias entre sus valores máximo y mínimo.
Control proporcional de tiempo variable. Éste es otro caso de control todo o nada en el cual la posición promedio del
elemento de acción final varía en forma proporcional a la señal de error dentro de un marco de tiempo preestablecido, es decir, el tiempo en On más el tiempo en Off de la salida es constante, pero la relación entre dichos tiempos varía en forma proporcional a la señal de error. A este tipo de control también se le llama control por ciclos y se utiliza sólo con elementos de acción final eléctricos (ej.: tiristores), fundamentalmente para el control de temperatura en hornos. En estos controladores se pueden ajustar el tiempo de duración del ciclo de control y la denominada banda proporcional (BP) necesaria, la cual representa el porcentaje de variación de la variable controlada, para provocar una variación entre sus dos posiciones extremas del elemento de acción final.
Control de salida continúa.
En este esquema de control, la salida del controlador es una función continua en el tiempo y varía de acuerdo a la señal de error y a un algoritmo de control preestablecido. -
Controlador proporcional. En este caso la salida del controlador varía continuamente y en forma proporcional a
la señal de error dentro de la banda proporcional. Fuera de la banda proporcional, el elemento de acción final se mantiene en una de sus dos posiciones extremas. La ecuación que define el comportamiento del controlador proporcional es: output = (PV-SP).K + bias Donde: Output = Salida del controlador. (PV-SP) = Señal de error. K = Constante de proporcionalidad o ganancia. Bias = Valor al cual se desea la salida cuando el error es cero. La ganancia del controlador es la relación entre la variación de la salida (AS) con respecto a las variaciones en la entrada (error, e) que generan dicha variación dentro de la banda proporcional, esto es: K = AS/Ae La relación que existe entre la banda proporcional y la ganancia es: %BP = 100% / K Generalmente, la banda proporcional de un controlador varía entre 1 y 500%. Si la ganancia es positiva, se dice que el controlador es de acción directa, y si es negativa, se dice que es de acción inversa. En un controlador de acción directa se cumple que a medida que la variable de proceso aumenta, la salida del controlador aumenta, al contrario sucede en un controlador de acción inversa.
Una característica indeseada de los controladores proporcionales es el offset o error en estado estacionario, el cual es una señal de error la cual no puede ser corregida por el controlador proporcional, y se presenta al haber una variación en la carga del proceso.
Controlador proporcional integrativo (PI).
-
En este caso el algoritmo de control incorpora un componente que integra la señal de error en el tiempo, de modo de eliminar el offset a la salida del controlador. La ecuación que define la salida del controlador PI es (Con ganancias independientes)
Estándar Donde: K p = Ganancia proporcional (parámetro ajustable). K i = Ganancia intégral (parámetro ajustable) (repeticiones/min). TÍ = Tiempo de acción integral El tiempo de acción integral es el intervalo de tiempo en el cual, ante una señal de entrada en escalón, la parte de la señal de salida debida a la acción integral, iguala a la parte debida a la acción proporcional. -
Controlador proporcional-integrativo-derivativo (PID).
En este caso se ha añadido un componente derivativo a la acción de control. Dicho componente actúa de forma tal que produce una salida de acuerdo a la velocidad de variación de la señal de error, es decir, proporcional a la derivada del error en el tiempo. La ecuación que define a la salida del controlador PID es:
Donde: Td = Tiempo de acción derivada (min). El tiempo de acción derivada se define como el intervalo de tiempo necesario para que la señal de salida debida a la acción derivativa iguale a la señal de salida debida a la acción proporcional, para una entrada en rampa.
FLUJO DE INFORMACIÓN Transmisores. Son instrumentos que captan la variable medida a través de un sensor, y la convierten en una señal estándar para su transmisión, la cual es sólo función de la variable medida. En procesos relativamente complejos o peligrosos, se deben llevar las variables medidas hasta una sala de control, donde usualmente se encuentran los instrumentos controladores e instrumentos indicadores mediante los cuales un operador puede, de un vistazo, verificar el estado operativo del proceso, y realizar los ajustes necesarios. Normalmente la señales de salida de los sensores no tienen la suficiente potencia como para poder ser transmitidas a distancia (más de 50 m). En estos casos se deben utilizar transmisores que permitan enviar la señal desde el campo (proceso) hasta la sala de control. Actualmente existen dos estándares para la transmisión en forma analógica de variables de proceso, los cuales son: 3 a 15 psi para señales neumáticas, y 4 a 20 mA para señales analógicas eléctricas. Existen, además, algunos estándares para transmisión digital de variables de proceso, los dos más conocidos y utilizados hasta la fecha son “Fieldbus Foundation” (ISA S50), y “Profibus”. La introducción de los denominados buses de campo,
permite la implantación de redes de instrumentos con capacidad de control, permitiendo la disminución de los costos de conexión entre los instrumentos y el resto de los sistemas de automatización y control, al disminuir la cantidad de cables necesarios para lograr dicha conexión. En la Tabla se indican los diferentes tipos de transmisores.
TIPO DE TRANSMISOR
SEÑAL DE SALIDA
NEUMÁTICOS
3 a 15 psig
ELÉCTRICOS
4 a 20 mA (estándar) Analógicos
10 a 50 mA, 0 a 20 mA, 1 a 5 V, 0 a 10 V, -5 a 5 V. 4 a 20 mA (estándar)
Inteligentes
HARTTM (híbrido)
(analógicos, digitales e
“FIELDBUS FOUNDATION”
híbridos)
(digital estándar)
Con el uso de transmisores se pueden fabricar instrumentos receptores universales (ej.: indicadores, registradores, controladores), que están en capacidad de procesar la información de la variable medida indiferentemente del tipo de variable de proceso (flujo, presión, temperatura, etc.). Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor.
Transmisores neumáticos.
Los transmisores neumáticos envían una señal de salida en forma de aire a presión, la cual varía linealmente con la señal de entrada. El estándar de transmisión es una presión comprendida entre 3 a 15 psi (0,2 a 1 bar), normalizado según SAMA. La operación básica del transmisor neumático está basada en el mecanismo tobera-obturador ilustrado en la Figura.
Figura. Sistema tobera - obturador. Los transmisores neumáticos fueron los primeros transmisores que se hicieron de aplicación común en el área industrial, y hoy en día son cada vez menos utilizados. Solamente se utilizan como reemplazo en instalaciones en las que aún se utilizan controladores neumáticos, o en situaciones donde no se dispone de energía eléctrica, pero sí se dispone de un gas a presión que permita la utilización de estos instrumentos. Por ejemplo en estaciones de recolección de petróleo crudo (estaciones de flujo), se puede utilizar instrumentación neumática como respaldo de la instrumentación electrónica en caso de pérdida de la energía eléctrica. En estas instalaciones se toma directamente el gas que sale de los pozos de producción de crudo para Alimentar el sistema neumático. Algunas de las características de los transmisores neumáticos son: •
Las variaciones en la señal de alimentación, influyen en la señal de salida, ocasionando errores significativos en la señal transmitida.
•
Las vibraciones mecánicas dan origen a pulsaciones en la señal transmitida.
•
La señal transmitida tiene un alcance máximo de 60 m.
•
Son mucho más inexactos que los transmisores eléctricos.
•
Se debe tener un buen control de la calidad de aire (sobre todo la humedad y partículas en suspensión), de modo de evitar el deterioro y taponamiento del mecanismo interno de los instrumentos.
Es importante aclarar que aún hoy en día, se utilizan con gran frecuencia señales neumáticas para el accionamiento de válvulas de control, y por lo tanto una gran cantidad de plantas modernas disponen de un sistema de suministro de aire de instrumentos.
Transmisores eléctricos.
Los transmisores eléctricos se clasifican en dos grandes grupos: los analógicos y los inteligentes. En el primer caso están conformados por circuitos analógicos, y en el segundo caso están conformados por circuitos digitales basados en microprocesador. La señal estándar para la transmisión eléctrica de variables de proceso es el lazo de corriente de 4 a 20 mA tal como lo establece la norma ANSI/ISA S50.1. Las características principales del lazo de corriente de 4 a 20 mA son las siguientes: •
capacidad de transmitir la señal a distancias de hasta 1 km o más, dependiendo de la impedancia del cable.
•
La existencia de un cero "vivo" (4 mA), permite la posibilidad de detección de
corte del lazo. •
La transmisión en corriente directa (CD) que permite filtrar más fácilmente las
perturbaciones. •
Mayor velocidad de respuesta que los transmisores neumáticos.
El diagrama en bloque de un transmisor eléctrico con señal analógica de salida de 4 a 20 mA es mostrado en la Figura.
Figura. Transmisor analógico a dos hilos.
Las fuentes de corriente I1, I2 son controladas por voltaje; I1 es controlada directamente por la señal proveniente del transductor/amplificador; I2 es fijada de modo que la corriente necesaria para alimentar al transmisor y a la propia fuente I2 sea de 4 mA. El rango de la señal de corriente se seleccionó deliberadamente con supresión del cero (la corriente mínima es 4 mA, en lugar de 0mA) de modo de detectar rupturas en el cable que envía la señal (si el cable se rompe la corriente recibida será 0 mA).
- Transmisores analógicos. Los transmisores analógicos son los de uso más difundido en la actualidad y sus características fundamentales son: •
Capacidad de calibración en múltiples rangos de medición. Usualmente al momento de la adquisición del transmisor se especifica el rango de medición para el cual va a ser utilizado, lo que permitirá la pre calibración en fábrica del instrumento. Sin embargo, estos transmisores pueden ser re calibrados por el usuario en cualquier rango válido de medición siguiendo los procedimientos indicados por el fabricante.
•
Pueden ser reparados con relativa facilidad. La mayoría de estos transmisores son de construcción modular (tienen circuitos separados para la sección de amplificación, transductor, lazo de corriente, etc.) de modo que la reparación se puede lograr rápidamente mediante la sustitución del módulo dañado.
•
Dependiendo de la variable medida, pueden tener capacidad de aceptación de un amplio espectro de sensores. Por ejemplo, en el caso de los transmisores de temperatura pueden aceptar sensores tales como: termopares de varios tipos (J, K, T, R, S, E, B) o RTD de diferentes características (platino, níquel y cobre, con varias resistencias nominales).
•
Capacidad para ser alimentados a través del propio lazo de corriente de transmisión de la señal analógica (conexión a dos hilos). También existen modelos con alimentación de la línea (conexión acuatro hilos).
•
La velocidad de respuesta es de 2 a 5 veces superior a las de los transmisores digitales. Igualmente el tiempo de recuperación debido a una falla en la alimentación del transmisor es menor que el caso de los transmisores digitales.
•
Buena exactitud pudiéndose obtener hasta ± 0,05% del alcance calibrado.
•
Capacidad de aislamiento entre la circuitería de entrada y la de salida. Esta capacidad está incluso presente en los transmisores alimentados a través del propio lazo de transmisión de la señal analógica. Se logra mediante la utilización de convertidores AC/DC y de transformadores que suministran el aislamiento galvánico.
•
Capacidad de protección de la circuitería interna contra picos y respuestas transitorias.
•
Debido a que la calibración del rango de medición es lograda usualmente a través de dispositivos electro-mecánicos (potenciómetros), este tipo de instrumento es propenso a inestabilidad en el tiempo (árift) por lo que generalmente requieren re calibración periódica.
•
Cumplen con el estándar ISA [S50.1] para transmisión de señales analógicas, lo que asegura la compatibilidad con cualquier instrumento receptor que cumpla igualmente con dicho estándar.
- Transmisores inteligentes. Se denomina transmisor inteligente a aquel que incorpora circuitería digital basada en microprocesador, y que para el procesamiento de la señal proveniente del sensor utiliza software en lugar de hardware. Existe una gran variedad de transmisores inteligentes, cuya diferencia principal consiste en el mecanismo que utilizan para la transmisión de la señal. A continuación se describen las características de cada uno de ellos. - Transmisores
inteligentes con comunicación digital: También suelen denominarse
simplemente transmisores digitales. En este tipo de transmisor la variable de proceso es transmitida digitalmente y codificada de acuerdo a un protocolo de comunicación ya sea estándar (por ejemplo “FIELDBUS FOUNDATION” o del propio fabricante del
transmisor. Entre las características más importantes de este transmisor encontramos: •
Capacidad para operar en cualquier rango válido de medición. Los rangos de medición son configurables por software por el propio usuario, tanto en forma local (a través de un terminal manual portátil) como en forma remota (desde la sala de control) a través del canal de comunicación digital. Estos transmisores también pueden hacer el cambio automático del rango de medición en caso de que la variable se salga del rango.
•
La posibilidad del cambio del rango de medición (en el sitio) sin necesidad de re calibrar el instrumento disminuye los tiempos de parada del proceso, ya que en el caso de los transmisores analógicos una buena calibración sólo se logra en el taller de instrumentación, lo que hace necesario la parada momentánea del proceso o la operación a ciegas del mismo.
•
Dependiendo de la variable medida, pueden ser utilizados para operar con una gran cantidad de sensores sin necesidad de cambios en el hardware del transmisor.
•
Excelente exactitud, la cual es típicamente mejor a ±0,05% del alcance calibrado.
•
Excelente estabilidad debido a que no se requieren cambios o ajustes en el hardware para configurar el rango de medición y no poseen dispositivos (ej.: potenciómetros) sujetos a deriva en el tiempo. Esto ocasiona poca o ninguna necesidad de recalibración del instrumento.
•
Incorporan mecanismos de caracterización propios de cada transmisor. La caracterización permite compensar el error debido a las diferencias entre las condiciones (generalmente temperatura ambiente) a las cuales fue calibrado el instrumento en fabrica y las condiciones actuales de trabajo. Esta característica permite la instalación directa del transmisor en campo sin necesidad de recalibración del mismo.
•
Compensación de las no linealidades del sensor. Los transmisores pueden tener grabado en memoria tablas de conversión o utilizar polinomios de aproximación de la curva característica del sensor.
•
Capacidad de auto-diagnóstico que le permite la identificación y el reporte (vía comunicación digital) de fallas tanto a nivel del sensor como del transmisor. Esto facilita la labor de mantenimiento y acorta el tiempo necesario para la ejecución del mismo, incrementando la disponibilidad general del sistema de control y/o supervisión asociado al proceso.
•
Mayor seguridad de operación en zonas clasificadas. Para la comunicación digital no es necesario el uso de las señales eléctricas riesgosas para la operación en ambientes explosivos. En su lugar, se pueden emplear enlaces de fibra óptica o señales infrarrojas mucho más seguras en este tipo de situación. Adicionalmente, este tipo de señales no están expuestas a interferencia electromagnética, descargas eléctricas o corto circuitos, haciendo la transmisión mucho más segura desde el punto de vista de integridad de los datos.
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Ahorro de costos en el cableado. Los transmisores digitales utilizan un bus de datos de dos hilos conductores, el cual puede ser compartido por un grupo de transmisores que utilicen el mismo protocolo; de esta forma no se hace necesario el cableado individual de cada transmisor.
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En general, la velocidad de respuesta de un transmisor digital es más lenta que la de un transmisor analógico, ya que la señal proveniente del sensor necesita ser digitalizada y procesada antes de ser enviada. Por otra parte, cuando varios transmisores comparten un mismo bus de comunicaciones se debe hacer un barrido a cada uno de ellos; el tiempo de barrido completo de todos los transmisores aumenta con el número de transmisores. En una gran cantidad de aplicaciones estos tiempos de respuesta (aún en
el caso de varios transmisores conectados a un bus) son despreciables; sin embargo, en algunos lazos de control los transmisores pueden tener una velocidad de respuesta tan lenta que pueda afectar la estabilidad del lazo de control. Es por ello que éste es un parámetro que debe ser considerado al momento de la selección del tipo de transmisor a utilizar. •
La incorporación de los estándares de comunicación digital para instrumentos a sido muy lenta, debido en parte a la lucha comercial entre diversos fabricantes por imponer el estándar que mas los favorezca, y en parte a que los usuarios tienden a utilizar en sus procesos tecnología probada, aventurándose en pocas ocasiones a nuevas tecnologías. La lenta aceptación de los buses de campo, ha ocasionado una bercha tecnológica muy amplia entre las redes de datos a nivel comercial y las redes de datos a nivel industrial.
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Al igual que los transmisores analógicos, pueden disponer de aislamiento de la entrada con la salida, y también cuentan con protección contra picos y cambios transitorio de voltaje y corriente.
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La señal transmitida tiene un mayor alcance que en el caso de los transmisores analógicos (en algunos modelos puede llegar hasta 10 km).
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Los transmisores están en capacidad de ejecutar algoritmos y funciones de control, como por ejemplo, un algoritmo Proporcional-Integral-Derivativo (PID), y comunicarse con una válvula inteligente (que utilice el mismo protocolo), sin necesidad de utilizar un controlador adicional. -
Transmisores analógicos inteligentes: En este caso el instrumento transmite la señal
de las variables de proceso en forma analógica pero la circuitería interna es inteligente (basado en microprocesador), lo cual permite ciertas ventajas como son la configuración por software del rango de medición y tipo de sensor, compensación de las no linealidades del sensor, caracterización del transmisor, y en general, todas las características indicadas para el transmisor digital no relacionadas con la transmisión digital de la información. Estos transmisores son totalmente compatibles con los transmisores analógicos convencionales, por lo que pueden ser utilizados para la sustitución de los mismos sin necesidad de cambios en el cableado o instrumentación asociada. Los transmisores
analógicos inteligentes son menos exactos que los transmisores digitales, ya que el proceso de reconversión de la señal digital a analógica nuevamente introduce un error adicional no presente en el transmisor digital. -
Transmisores híbridos: Éstos son transmisores inteligentes con capacidad de
comunicación tanto digital como analógica. Usualmente, la variable de proceso es transmitida en forma analógica estándar mientras que la comunicación digital es utilizada para intercambiar información de configuración y diagnóstico del instrumento, y es lograda a través del mismo par de cables por el cual se transmite la señal analógica. Estos transmisores combinan las ventajas de los transmisores digitales y los analógicos y pueden utilizar el cableado existente de los transmisores analógicos convencionales. Si se requiere la capacidad de comunicación digital, solamente se necesita de un acoplador adicional conectado al lazo de corriente analógico. Los terminales portátiles de configuración pueden ser inclusive conectados directamente al lazo de corriente porque generalmente contienen incluido el hardware de acople. Es de notar que la variable de proceso también puede ser transmitida en forma digital siendo un valor más exacto que el valor analógico. Este tipo de transmisor se tiende a utilizar en las nuevas instalaciones, ya que permite integrar una buena parte de las ventajas de la comunicación digital (diagnóstico y mantenimiento) y mantiene la información vital (variable de proceso) dentro del estándar internacional de mayor aceptación (4 a 20 mA), por lo tanto compatible con una amplia gama de instrumentos asociados al lazo de control.
TERMINOLOGÍA DEL INSTRUMENTO La terminología referente a los transmisores, controlers, Válvulas y otros dispositivos. 1. Controler – El elemento en un sistema de control que proporciona la acción correctiva. 2. Proceso o Variable Medida – La cantidad o condición que va a ser medida y/o controlada. A veces se hace referencia a ella como Variable del Proceso o Pv. 3. Variable Manipulada – La variable que es controlada afectando el proceso o variable medida. Ejemplo: En un circuito de control de temperatura, la temperatura sería la variable medida; el control del vapor para calentar sería la variable manipulada. 4. Transmisor – El dispositivo que percibe la variable medida y proporciona una salida proporcionalmente medida al controler, al indicador, al registrador o al sistema de alarma. 5. Punto Fijado – El valor deseado o punto de control. el punto fijado puede ser generado localmente (en el controler) o remotamente (el punto fijado es generado en un punto remoto desde el controler). 6. Auto/Manual – La mayoría de los controlers tienen una función auto/manual. Cuando está en automático, el controler mantiene su medición a un punto fijado específico. En manual, la salida es cambiada a mano, usualmente por un operador. 7. Elemento de Control Final – El dispositivo que controla directamente el flujo de energía hacia y desde un proceso. 8. Transductor – Un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Ejemplo: I/P, P/I, E/I o I/E.
9. Control – Una variable controlada es medida y luego comparada con el punto fijado. Si existe un error entre la medición y el punto fijado, la salida del controler cambia la posición de un elemento de control final (o válvula) que a su vez lleva la medición de nuevo al punto fijado. 10. Feedback – La medición es comparada con un valor deseado. La comparación de estas dos variables hace posible que el sistema balancee su suministro contra la demanda. 11. Circuito – Un arreglo de componentes que completa un sistema y realiza una función de control específica. 12. Acción Directa – Si la variable del proceso aumenta por encima del punto fijado y esto a su vez ocasiona que la salida aumente, es un ejemplo de acción directa. 13. Acción Reversa – Si la variable del proceso aumenta por encima del punto fijado y esto a su vez ocasiona que la salida disminuya, es un ejemplo de acción reversa. 14. Unidades de Ingeniería – Son los números exactos que representarán 4 miliamperios y 20 miliamperios en un indicador. Se asume que un transmisor mide la temperatura del flujo de aire de combustión. El rango de la medición es -50 grados Fahrenheit hasta +150 grados Fahrenheit. Cuando el transmisor percibe una temperatura física de – 50 grados Fahrenheit, la salida del transmisor será de 4 miliamperios y el receptor indica el número – 50 grados Fahrenheit. Cuando el transmisor percibe una temperatura física de +150 grados Fahrenheit, la salida del transmisor será de 20 miliamperios y el receptor despliega el número +150 grados Fahrenheit. 15. Especificaciones del Instrumento – Dispositivos como transmisores, controlers, registradores, indicadores, elementos de control final o sistemas de alarma pueden ser descritos en términos de cómo la salida de un dispositivo responde a un cambio en la entrada. Las especificaciones del instrumento pueden ser descritas utilizando los siguientes términos:
a. Características Estáticas – Las características estáticas se refieren a las variables que no cambian. 1. Exactitud – la habilidad de un dispositivo para lograr y mantener una variable.
Error Estático – la diferencia entre el valor real y la lectura del instrumento. 2. Reproducibilidad – la habilidad de un instrumento para indicar o registrar valores idénticos cuando las condiciones de medición sean las mismas.
Desviación – un cambio gradual en la salida aunque la señal de entrada siga siendo la misma. 3. Sensibilidad – el cambio más pequeño al cual responde un instrumento.
Zona Muerta – rango donde un instrumento no responde. b. Características Dinámicas – Las características dinámicas se refieren a las variables que cambian. 1. Respuesta – la habilidad de un instrumento de seguir los cambios.
Retraso – la inhabilidad de un instrumento de seguir los cambios. Tiempo Muerto – el período durante el cual un instrumento no responde. 2. Fidelidad – reproducción fidedigna de la variable medida.
Error de Dinámica – la diferencia entre el valor +cambiante y la lectura del instrumento. 16. Control de Circuito Abierto – El control sin feedback es probablemente la forma más simple de control. La salida del controler es fijada manualmente y la variable controlada actúa en ese ajuste. Un sistema de control de circuito abierto no tiene medios para enviar la información de vuelta al controler. Un ejemplo pudiera ser un auto lavado. El tiempo en que el agua tibia es aplicada, es agregado el jabón o la cera depende de los parámetros introducidos en un temporizador programado. No hay feedback real en lo que se refiere a si
el carro está limpio o no. Otros ejemplos de control de circuito abierto pudieran incluir un lavaplatos automático o una lavadora. La salida del dispositivo actúa en función de los ajustes programados. 17. Control de Circuito Cerrado – El control donde el feedback es evidente. Un ejemplo simple sería un control on/off de un horno a petróleo en una casa. Cuando la temperatura del cuarto baja del punto de confort deseado (punto fijado) el horno se enciende. Cuando la temperatura está por encima de la esperada, el horno se apaga. Se instala una banda muerta en el controler (termostato) para evitar que el horno tenga ciclos demasiado frecuentes.
Símbolos de Instrumentos en un Proceso Simple Todo sistema de control posee una instrumentación adecuada que actúa sobre el proceso siguiendo el esquema visto. Para cierto proceso se necesita tener una variable ya sea presión, nivel, caudal con cierto rango de medida, luego el proceso es analizado por un sistema que en principio es el elemento primario de medida que puede ser un transductor o convertidor p/i que convierte una señal de presión en corriente la cual es enviada a un transmisor para llevarla al indicador (en este caso multímetro) y al controlador donde se comparara con el set point que se desea de la variable, es decir que la parte del comparador hace parte del controlador, pero en realidad asumimos que el comparador puede ser un algoritmo o esquema de instrucciones de control que tiene la misión de encontrar el error en la variable para que así el controlador se encargue de enviar la señal al elemento final de control que lo podemos llamar válvula o cualquier elemento actuador ….
Conclusiones Los procesos industriales modernos requieren la aplicación de sistemas electrónicos y de control que reduzcan los riegos, fallas y accidentes, así mismo, que aumenten la eficiencia y productividad del proceso. Más aún en los procesos productivos Regionales que son basados principalmente en procedimientos manuales, la implementación de estrategias básicas de control y automatización, generan un impacto importante. Cabe destacar que la automatización de los procesos industriales requiere los conocimientos de diferentes profesionales, cada uno experto en su área específica: mecánicos, electrónicos, eléctricos, programadores, etc. Por lo tanto, es necesario que cada uno de los involucrados en estos procesos, conozca y manejen la terminología adecuada al desarrollo e implementación de estos procesos. Por lo tanto es necesario que el ingeniero mecánico, conozca y maneje los conceptos básicos del diseño, selección e implementación de estrategias de instrumentación y control de procesos básicos industriales.
Caripe Jesús C.I 19.746.540
Aunque en la actualidad se van reemplazando gradualmente por sus pares digitales, los viejos instrumentos analógicos todavía gozan de buena salud en el campo de las mediciones, y su fabricación no sólo prosigue en buena demanda, sino que además satisface numerosas normas internacionales de diseño, calibración y performance para este tipo de aparatos. Son varias las razones que promueven el uso de los instrumentos, ya sea por las características que reúnen, como por sus ventajas y múltiples aplicaciones. Presentan una amplia gama con distintos estilos de carcasa y especificaciones, sus mediciones permiten visualizar parámetros eléctricos electrónicos y variables de proceso, y son aparatos de gran fiabilidad bajo condiciones severas de trabajo. Entre sus beneficios se destacan su bajo costo, su precisión razonable, la facilidad de la instalación y el escaso mantenimiento, como así también la mínima capacitación que debe recibir un operario para hacer uso de estos aparatos. Sus aplicaciones van de conmutadores de alta tensión y paneles de control a sistemas de distribución, grupos electrógenos, administración de energía en general, control de procesos y de motores..
Luna Freimi C.I 21.011.815
