Instrumentacion Petroleras H429_H441

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL EN INSTALACIONES PETROLERAS

Jesús Enrique Otero Ramos

INTRODUCCIÓN

Cuando yo trabajaba en la industria petrolera los controles de la totalidad de las estaciones de flujo eran neumáticos y muchos de los paneles de control de las plantas motocompresoras eran neumáticos, y para ese momento hasta los controles de la refinería de Puerto la Cruz eran neumáticos. Hoy día la industria petrolera para optimizar sus procesos, maximizar sus protecciones, y llevar registros de las variables operacionales de las instalaciones, va en la vía de que todos los equipos utilizados para automatizar, proteger y controlar, sean parte integral de la red corporativa, y por ello la visión de tener los instrumentos y equipos para atender las variables operacionales en sus instalaciones usando PLC interconectados a la redes de control y corporativa. No han cambiado las instalaciones petroleras, han cambiado las tecnologías para su automatización, protección y control. Con este libro pretendo cubrir las necesidades de información que yo tenia en 1987 cuando llegue como ingeniero a la Sección de Instrumentación de la Gerencia de Mantenimiento del Distrito Anaco (CORPOVEN Ex filial PDVSA) y sin conocer una válvula de control. Tengo amigos con quienes trabaje en Anaco (Estado Anzoátegui) que me enseñaron casi todo lo que sabían y desde aquí mi gratitud para con ellos y a través de este libro pretendo proporcionar la información que las nuevas tecnologías ofrecen para instrumentar y cerrar los diferentes lazos de control desde la visión de los controladores y sus arreglos de control desde los PLC. Al renunciar a la industria petrolera en 1993 para retornar al mismo trabajo que tenia como Profesor Universitario y al mismo lugar a donde antes trabajaba, he tenido el tiempo y los estudios para organizar las ideas de ambas actividades laborales, como para atreverme a escribir este libro que busca ayudar a ese profesional técnico (que al igual que yo en 1987) ingresa como: ingeniero, TSU, supervisor, en las industrias y que posiblemente necesite información, de sus instrumentos, sus controles, las topologías de los arreglos de control, de la entonación de sus lazos y que probablemente no encuentre con facilidad la información, ni tenga el entrenamiento que le permita aprender de los mismos para atender responsabilidades de instrumentación y control. Con el primer capitulo se entrega la información para interpretar los planos Procesos-Instrumentos de las instalaciones petroleras y sus clasificaciones de áreas, en el segundo capitulo se ofrece la información de los diferentes transductores que son utilizados por los transmisores para enviar sus señales eléctricas hasta los controladores. Con los capítulos 3, 4, 5, 6 y 7 se proporciona la información clásica de las válvulas de control y de los diferentes instrumentos para indicar y transmitir las variables operacionales de: presión, nivel, temperatura y caudal, así como, las definiciones de los lazos de control. Con los capítulos 8, 9, 10, 11 y 12 se entra en análisis mas profundos como para considerar: las respuestas transitorias de los procesos industriales vista sus señales de entradas desde los controladores que conforman el lazo de control, las diferentes topologías de control: simple, cascada, feedforward, cascada+feedforward, override, inferencial, rango partido, las entonaciones PID de los lazos de control, transmisores inteligentes y las redes del control.

PREÁMBULO y TESTIMONIO La atención de este libro considera solamente las variables operacionales: presión, nivel, temperatura y caudal, ejemplarizando su uso en instalaciones petroleras. Pocas variables operacionales en pocas instalaciones industriales. Con tan pocas herramientas, como comparar esto para pretender entender por ejemplo, cuando a cualquiera de nosotros se le acerca algo de repente a la cara y en forma instantánea, ve, siente, huele, escucha, y por ello responde esquivando el objeto, cerrando los ojos, y pensando en lo que ocurrió. ¿Cuántas variables?, ¿Cuántos Lazos de control?, ¿En que topologías de control se regulan todos los elementos finales de control? ¿Cómo es ese arreglo de respuestas de un simple acto del reflejo humano? Parece que es un arreglo de control que considera muchas variables y muy complicado para regular inmediatamente y simultáneamente los músculos que movieron el cuerpo, movieron el cuello, cerraron los ojos y además nos puso a pensar. Desde el punto de vista de la instrumentación y control, por lo menos para mi es imposible de entender. Quien no tendrá ninguna duda para conocer con el lujo del detalle su funcionamiento es su diseñador y constructor. Padre Celestial, Omnipotente y Omnipresente, que este libro me sirva para testimoniar mi fe en ti, Tú que diseñaste y construíste el universo, para la luz, vida eterna, la salud, la verdad, la prosperidad, todo lo bueno y grande que sea a la imagen y semejanza de tus valores, y para Ti, Hermano Mayor Cristo, que nos extiendes tus brazos a todos nosotros tus hermanos, para guiarnos como la luz y el camino hacia Nuestro Padre Celestial.

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL EN INSTALACIONES PETROLERAS índice. CAPITULO 1: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos 1. Importancia de la Instrumentación Industrial

2

2. Funciones de los Instrumentos

4

3. Simbología de las Normas ISA

5

4. Planos procesos-Instrumentos

16

5. Clasificación de Áreas

25

6. Definiciones

29

CAPITULO 2: Transmisores y Transductores 1. Transmisores y Transductores 2. Transductores Eléctricos

2 12

2.1

Transductores Potenciometricos

13

2.2

Transductores Capacitivos

16

2.3

Transductores Inductivos

19

2.4

Transductores de Resistencia Variable

22

2.5

Transductores Piezoeléctricos

25

2.6

Termocuplas

26

CAPITULO 3: Válvulas de Control 1.

Válvulas de Control de Regulación en la Jaula

2

2.

El Actuador o Servomotor Neumático

6

3.

E! Cuerpo

7

4.

Apertura Rápida, Lenta y Lineal

9

5.

Acción Directa e Inversa de la válvula de Control

11

6.

Mayor desplazamiento con la misma señal de control

13

7.

Diferentes Tipos de Válvulas

15

8.

Parámetro de Selección de las Válvulas de Control

24

9.

Dimensionamiento de la Válvula

26

10. Cavitación y Ruido en las válvulas

29

CAPITULO 4: Presión 1. Presión

2

2. Indicadores de Presión

5

3. Transmisores de Presión

8

4. Calibración de Transmisores

15

5. Interruptores por Presión

17

6. Válvulas de Seguridad

19

7. Reguladores

22

8. Medición de Presión en Instalaciones Petroleras

25

9. Lazos de Control

29

CAPITULO 5: Nivel 1. Instrumentos de Medición Directa

3

1.1. Medidor de Sonda

3

1.2. Medidor de Gancho

4

1.3. Medidor de Cinta Graduada

4

1.4. Medidor de Visores de Cristal

4

2. Instrumentos que utilizan la Presión Hidrostática

5

3. Medición de Nivel usando Diferencias de Presión

10

4. Mecanismo de Desplazamiento y Flotadores

16

4.1. Instrumentos de Flotador

16

4.2. Medidor de Nivel Tipo de Desplazamiento

20

5. Instrumentos que Aprovechan Característica del Liquido

23

5.1. Transmisores Capacitivos

23

5.2. Transmisores Ultrasónico

..25

I

5.3. Transmisores Rayos Gamma

28

6. Interruptores de Nivel

28

6.1.

Interruptores Conductivos

29

6.2.

Interruptor con Flotadores

29

6.3.

Interruptores de Diafragma

31

6.4.

Interruptor Ultrasónico

32

6.5.

Interruptor Óptico

33

7. Instrumentación de Nivel en Instalaciones Petroleras

35

8. Lazos de Control de Nivel

40

CAPITULO 6: Temperatura 1. Variación de Fase

2

1.1.

termómetro de Vidrio

2

1.2.

Termómetro de Bulbo y Capilar

2

1.3.

Termómetro Bimetalito

3

2. Variación de Resistencia del Conductor

4

2.1.

Resistencia Térmica PT-100

4

2.2.

Conexión y Calibración del Transmisor

8

3. Generación f.e.m. en la unión de dos Metales

11

4. Transmisores de Temperatura

17

5. Intensidad de Radiación Emitida por un Cuerpo

20

6. Temperatura en Instalaciones Petroleras

20

7. Lazos de Control

24

CAPITULO 7: Caudal 1. Caudal

3

2. Medidores Volumétricos

4

2.1. Instrumentos que aprovechan la Presión Diferencial

4

2.2. Corrección para Fluidos Compresibles

9

i

2.3. Elementos Primarios para Sensar la Presión Diferencial

12

2.4. Transmisores de Flujo

16

3. Instrumentos de Desplazamiento Positivo

18

3.1. Medidor Birrotor

18

3.2. Medidor Oval

21

4. Instrumentos que Aprovechan la Velocidad

22

4.1. Medidor de Turbina

22

4.2. Medidor Ultrasónico

24

5. Instrumentos que usan el Par Giroscópico

26

6. Computadores de Flujo

28

7. El Caudal en Instalaciones Petroleras

30

CAPITULO 8: Análisis de Respuesta Transitoria 1. Lazo de Control

2

1.1.

Breve Reseña Histórica

2

1.2.

Esquemas de Control

3

1.3.

Lazo de Control Abierto

6

1.4.

Lazo de Control Cerrado

8

1.4.1.

Lazo Sistema de Control Cerrado TODO-NADA

1.4.2.

Sistemas de Control a Lazo Cerrado

9 10

2. El Controlador y Transmisor en los Lazos de Control

14

3. Análisis a la Respuesta del Régimen Transitorio

18

3.1. Identificación del Escalón, Rampa e Impulso

19

3.2. Sistemas de Primer Orden

23

3.3. Sistemas de Segundo Orden

27

3.3.1. Lazo de Control en Sistema de 2do Orden

30

3.3.2. Respuesta al Escalón Unitario

32

3.3.3. Especificaciones de Respuesta Transitoria

34

3.3.4. Respuesta al Impulso Unitario 3.3.5. Control PID en Sistema de 2do Orden

35 37

CAPITULO 9: Topologías de Control 1. Consideraciones del Hardware y Software de los PLC

2

2. Lazos de Control Simples

6

3. Lazos de Control en Cascada

11

4. Lazos de Control en Feedforward

16

5. Lazos de Control Feedforwar-Cascada

19

6. Lazos de Control Selectivo

25

7. Lazos de Control Override

27

8. Lazos de Control de Rango Partido

30

9. Control Inferencia!

36

CAPITULO 10: Entonación de Lazos de Control 1. Lazos de Control

2

1.1. Lazo de Control de Presión

2

1.2. Lazo de Control de Nivel

5

1.3. Lazo de Control de Caudal y Temperatura

7

2. Análisis de las Acciones de Control PID

9

2.1.

Acción de Control Proporcional

10

2.2.

Acción Proporcional-Integrativa

15

2.3.

Acción Proporcional-Derivativa

18

3. Entonación de los Lazos de Control

21

3.1.

Calculo de la Ganancia (Kp)

23

3.2.

Calculo del Ajuste Integrativo (Ti)

24

3.3.

Calculo del Ajuste Derivativo

25

4. Consideraciones de Entonación para Topologías de Control

27

E

CAPITULO 11: Transmisores Inteligente 1. Transmisores Analógicos

2

2. Transmisores Inteligentes

11

3. Hardware de los Transmisores Inteligentes

16

4. Software de los Transmisores Inteligentes

28

5. Protocolo Modbus

37

CAPITULO 12: Redes de Control 1. Redes de Control

2

1.1. Nivel de Campo y Procesos

4

1.2 Nivel de Control y PLC

8

1.3. Nivel de Gestión y Redes

15

2. Modelo OSI

17

3. Modelo TCP/IP

28

3.1. Arquitectura TCP/IP

31

3.2 Capa Transporte (TCP)

32

3.3. Capa Red (IP)

35

4. Hardware de los PLC...

,..28

D

I

LECTURA DE PLANOS PROCESOS-INSTRUMENTOS. 1. Importancia de la Instrumentación Industrial..........2 2. Fu nciones de los Instrumentos..............................4 3. Simbología de las Normas ISA..............................5 4. Planos Procesos-Instrumentos

16

5. Clasificación de Áreas

25

6. Definiciones..

29

Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras


1. IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Los procesos industriales tienen como función la de transformar, semielaborar, elaborar, las materias primas que sirven de entrada al proceso y convertirlos en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso. Para ello requiere de un conjunto de equipos, maquinas, controles que en su integración permiten la modificación de las materias de entrada al proceso en productos de salida del proceso. Para realizar las transformaciones de los productos de entrada es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales eléctricas que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional sensada, instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, así como otros instrumentos que trabajaran como equipos o dispositivos de seguridad. Hoy día es inimaginable una industria sin instrumentos. Como un ejemplo de esta realidad, se muestra en la siguiente figura el esquemático pictórico una industria de elaboración de papel, donde se presenta la integración del conjunto de maquinas y equipos que se utilizan para la transformación de las materias primas que entran al proceso, con las del papel como producto acabado, que salen del mismo.

En estos procesos industriales se hace necesario a lo largo de las diferentes etapas que conforman las líneas de producción, elaboración, o modificación de los productos, de un conjunto de instrumentos para realizar las diferentes

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos



mediciones y controles de las variables operacionales del proceso tales como (Temperatura, Nivel, Presión, Caudal, PH, Densidad, Humedad, Velocidad, etc.) las cuales serán las variables operacionales representativas de cada una de las etapas que conforman la industria y a las cuales será necesario controlar y así buscar la garantía que los productos de cada etapa y por ende los productos finales del proceso industrial se correspondan con las especificaciones que se esperan de ellos. Para esto es necesario tener un conjunto de instrumentos que permitan medir y controlar, en cada uno de los equipos que integran la industria, las variables operacionales determinantes de cada etapa del mismo. Estos instrumentos estarán clasificados según:

1. La variable operacional a la que pertenecen: s

Temperatura.

s Nivel. s Caudal. ^ Presión.

s Etc.

2. La función que cumple el instrumento. s Indicar. s Transmitir. s Controlar. s

Registrar.

3. El tipo de instrumento. 0 Mecánicos. 0 Eléctricos. 0

Electromecánicos.

0

Electrónicos.

0 Neumáticos. 0

Hidráulicos.

La aplicación de la Instrumentación Industrial es fundamental en los controles de los procesos industriales, los cuales son cada vez más sofisticados para garantizar que las acciones que se realizan para transformar la materia prima y los demás insumos de la industria se corresponden con los requerimientos recientes de seguridad en la operación de los equipos, un control más estricto de calidad de los productos, de mayores eficiencias energéticas y la preservación del medio ambiente. Para ello se hace necesario que el conjunto de instrumentos utilizados estén acordes a las tecnologías actuales. Las funciones propias de los instrumentos: indicar, transmitir, controlar, registrar,




debe aplicársele a cada variable operacional relevante en cada una de las diferentes etapas que conforman la industria. Estas aplicaciones de las diferentes funciones de los instrumentos se ejemplariza en la siguiente figura, donde se observan como son necesarios los mismos para tener, transmisores, control, registro y los elementos finales de control, para la atención de los lazos de control de las diferentes variables operacionales del proceso industrial y los indicadores que estarán conjuntamente con los equipos para permitir que los operadores visualicen la magnitud de las variables.

(1)

Pasta de pino

INDICADORES

-Temperatura - Presión

^

^

Papel

^

Productos Químicos

i

PROCESOS INDUSTRIALES (tmpresa de Papel)

1 >— "1

w

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

•TKimammwfxmtXfmmimmaiiiKiii» ai

{

Papel de Bolsas

Papel de r cajas

fc.! H

f 1 (4)

| < - Flujo.

válvulas de control Contactores Válvulas solenoides Alarmas

(2) - Caudal

TRAPJSMISORES

- 4 - 20 mA - on - off - Comunicación serial

CONTROLADO)F,ES odia uc UJM tr Oí

- Nivel

I - Temperatura

. (3)

\ ^ - Velocidad

/•

^ ^

^

- 4 - 20 n lA - on - off - Electro magnético - Fibra óp tica - Comunic ación serial

2. FUNCIONES DE LOS INSTRUMENTOS: 1. Indicadores: Están instalados directamente en el proceso industrial y permiten que los operadores visualicen la magnitud de la variable operacional directamente donde están las maquinas y equipos. 2. Transmisores: están conectados en el proceso industrial y envían una señal eléctrica, electromagnética, comunicación serial, etc, que será proporcional a la magnitud de la variable operacional. 3. Controladores Electrónicos: Estarán instalados preferiblemente fuera del área del proceso y se encargan de comparar la magnitud de la variable, controlada enviada por el transmisor con el valor deseado de la variable




operacional, el controlador aplicara los correctivos a partir de esta diferencia y enviara las señales de control hacia los convertidores que regularan los elementos finales de control. 4. Elementos finales de control: están instalados en el proceso y son quienes se encargan de modificar el comportamiento de las variables operacionales con sus accionamientos. Para visualizar los equipos e instrumentos que están en las industrias para atender: la transmisión de la magnitud de las variables, el control y elementos finales de control se muestra a continuación un esquemático pictórico con los transmisores, los Controladores Lógicos Programables (PLC) y una válvula de control que conforman los equipos que ejecutaran los lazos de control de las variables operacionales del proceso industrial.

3. SIMBOLOGIA de las Normas ISA. Los equipos e instrumentos que integran los procesos industriales podrán estar representados por una simbología que les permite a los expertos a través de los esquemáticos de Procesos, Tuberías e Instrumentos (DTI o P&I) conocer: la integración de los equipos, sus controles, sus protecciones, sus indicadores, el tipo de instrumento, su ubicación, etc. La simbología ISA, es posiblemente la más comúnmente utilizada y será la simbología que se utilizara a lo largo de este texto. Con la finalidad de ir desarrollando en forma secuencial las ¡deas que permitan comprender cada una de las funciones que cumplen los instrumentos y la simbología establecida para representarlos, se toma como




ejemplo un tanque de almacenamiento de líquidos al cual se le irán incorporando en forma progresiva los diferentes instrumentos (se indican inicialmente en forma pictórica y posteriormente con la simbología de las normas ISA) para atender los requerimientos de medición y control que se tendrán en el mismo. En el tanque de almacenamiento se necesitan los indicadores de presión, nivel y temperatura, así como el transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control para establecer un lazo de control de nivel. En la siguiente figura se muestran en forma pictórica los indicadores de nivel, presión y temperatura los cuales le permitirán al operador conocer la magnitud de estas variables operacionales, al observar directamente sobre estos instrumentos el valor de la medida indicada. Manómetro. Indicador de presión. Visor. Indicador de nivel.

Termómetro: Indicador de temperatura.

Operador.

Para controlar el nivel en el tanque, se le deben instalar los instrumentos y controles para ejecutar este lazo de control Se debe instalar un transmisor de nivel el cual enviara una señal eléctrica directamente proporcional a la magnitud del nivel en el tanque hasta el controlador, es necesario tener un controlador que reciba la señal del transmisor y la compare con el valor deseado y así calcular la señal de error de la variable controlada, este controlador aplicara las acciones de control Proporcionales-Integrativa-Derivativa (PID) a la señal de error y generara una señal eléctrica de salida hacia el proceso industrial el cual alimentara al convertidor Corriente-Presión (I/P). La salida neumática del convertidor I/P regulara la apertura de la válvula de control y con ello se regulara la salida del fluido del tanque y con ello el control de nivel del mismo. En la siguiente figura se muestra en forma pictórica el transmisor de nivel, el PLC que hará las funciones de controlador, el convertidor corriente-presión I/P y la válvula de control, los cuales conformaran el lazo de control de nivel. Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos



Manómetro: Indicador de presión. Termómetro: Indicador de temperatura.

Operador

Controlador Lógico Programable (PLC) Controlador

Como una conclusión de la figura anterior se puede observar, que en la medida que es necesario incorporar un nuevo instrumento se le fueron agregando en forma pictórica al tanque los indicadores de nivel, presión y temperatura para que el operador pueda mirar las magnitudes de las mismas. Para implementar el lazo de control de nivel en el tanque se le incorporaron el transmisor de nivel, el Controlador, el convertidor I/P y la válvula de control. De la misma manera si existe la necesidad de implementar otro lazo de control para otra variable, habrá que agregarle otro transmisor de la de otra variable operacional hasta el PLC, otro Controlador en el PLC, otro convertidor I/P y otra válvula de control. Con ello se estarán incorporando nuevos instrumentos con cada nueva necesidad, sin embargo:

No

se

deben

estar

pintando

cada

uno

de

los

instrumentos necesarios a ser conectados al tanque. Los esquemáticos pictóricos de los instrumentos no deben estar utilizándose en los planos procesos-instrumentos; para ello, en la industria se debe utilizar la simbología de instrumentos que están en las normas de instrumentos, los cuales son atendidos, por ejemplo, en las normas ISA. Bajo estas especificaciones de las normas ISA, se reemplazaran las figuras pictóricas de los instrumentos por los símbolos que están definidos en las Normas. En las Normas ISA se utilizara para identificar los instrumentos y los controles que

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-instrumentos



están en los esquemáticos Proceso-Instrumentos un conjunto de círculos con letras y números que reemplazaran las figuras pictóricas. Estos círculos tendrán incorporados en la parte superior letras y en la parte inferior números, la primera letra estará para identificar la variable operacional a la que pertenece el instrumento, las siguientes letras estarán para identificar las funciones que cumple el instrumento y en la parte inferior para identificar el numero o el lazo a que pertenece el instrumento. En las siguientes figuras se muestra como ejemplo el uso de las letras y números que identifican los instrumentos y un ejemplo de cómo representar con esta simbología el esquemático pictórico anterior.

Ira letra: Representa la variable operacional a la cual trabaja el instrumento. P: Presión. T: Temperatura. L: Nivel. F: Caudal. 2da y 3ra letra: Representa la función que ejecuta el instrumento. I: Indicar. T: Transmitir. C: Controlar. Registrar. Numeración: Sirve para identificar el lazo de control a la cual esta asociado el instrumento, o su locación en la planta; de manera de diferenciar instrumentos iguales que cumplen igual función pero conectados y localizados en diferentes equipos.

F: Flujo

L: Nivel

I: Indicador

I: Indicador

T: Transmisor

C: Controlador

02: No Instrumento

05: No Lazo de Control


8


SIMBOLOGIA


ISA.

La instrumentación industrial se ejecuta en dos grandes actos, medir y controlar. En el caso de medir, la normalización esta inmersa desde las unidades utilizadas hasta el método aplicado. Es imposible aislarse del mundo y utilizar unidades propias o métodos de medición exclusivos. Es necesario que las medidas sean reproducibles en cualquier sitio del planeta con el mínimo de error. Para ello existe la norma, para reglamentar, para equilibrar, para mecanizar y por supuesto para legislar. La normalización es el resultado de un proceso continuado de comunicación entre productores y consumidores. Es el producto de la industrialización y el intercambio comercial internacional. La normalización es parte integral de la instrumentación industrial. Es necesario conocer y manejar aspectos relativos a las normas para escoger un dispositivo o método de medición. La normalización se convierte entonces en una herramienta para el diseño, especificación, organización y dirección. La sociedad americana de instrumentación ^^/ constituyo un conjunto de nornas para ¡mplementar los símbolos e^raentificacion de los diferentes equipos que se utilizan en la instrumentación industrilal. Una vez entendida la importancia de la instrumentación asi como su integración con los procesos industriales en los cuales indica, transmite, registra y controla las variable operacionales del proceso; se hace necesario desarrollar las destrezas técnicas que permitan la lectrura de los planos procesos - instrumentos que representa en forma integral al proceso industrial y los instrumentos instalados en el. Por ello se hace necesario conocer la distribución de las diferentes letras utilizadas para identificar las diferentes variables operacionales, esta distribución permite identificar en los circuios que representa los símbolos de los instrumentos con la primera letra a que variable corresponde y con las letras posteriores las funciones de indicar, transmitir, controlar, que cumple el instrumento. A continuación se presenta esta distribución de las letras del alfabeto (Norteamericano) con las variables asociadas a cada letra. Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos



LETRAS DE IDENTIFICACIÓN

Letras Sucecivas

lera Letra

A: Análisis B: Llama (quemador) C: Conductividad

I: Indicar

D: Densidad o Peso Especifico.

T: Transmitir

E: Tensión Eléctrica

C: Controlar

F: Caudal

S: Interruptor

G: Calibre H: Manual I: Corriente Eléctrica

Y: Convertidor I/P V: Válvula

3: Potencia K: Tiempo

H: Calibrado en Alto

L: Nivel

L: Calibrado en Bajo

M: Humedad N: Libre (Usar X aplicación) O: Libre (Usar X aplicación) P: Presión Q: Cantidad R: Radiactividad S: Velocidad o Frecuencia T: Temperatura U: Multivariable V: Viscosidad W: Peso o Fuerza X: Sin Clasificar Y: Libre (Usar X aplicación) Z: Posición Una vez identificadas las variables operacionales asociadas con las letras del abecedario ingles con los criterios que define la simbologia de las Normas ISA, se muestran a continuación varios ejemplos con las variables operacionales Presión, nivel, Caudal y Temperatura, para ir definiendo los criterios previos que servirán para interpretar los planos procesos-instrumentos que representan las instalaciones industriales. Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-instrumentos

10



Nivel

LT-01

Transmisor de Nivel de Flotador.

LT-01

Transmisor de Nivel de Presión Diferencial. LSH-01

LT-01

Transmisor de Nivel de Capacidad.

Interruptor de Nivel Alto de Solidos.

LT-01

Indicador de Nivel.

Interruptor de Nivel Bajo de

LT-01

Transmisor de Nivel de Flotador.

LT-01

Transmisor de Nivel de Presión Diferencial LSH-01

LT-01

Transmisor de Nivel de Caoacidad.

Interruptor de Nivel Alto de Solidos.


11



—

Indicador de Nivel,

LT-01

InterruDtor Nivel Balo de Liauidos.

Presión

PSH-01

PSL-01

Interruptor Presión calibrado en bajo

Interruptor de Presión calibrado en alto..

Reaulador de Presión.

Válvula de Seauridad oor Presión

—

PT-OI

Manómetro Indicador de Presión.

Transmisor de Presión,

Disco de Ruotura oara Presión.

Disco de Ruotura oara Vacio.


12



Caudal

Transmisor con Placa de Orificio.

Transmisor de Flujo con Placa de Orificio con mecanismo de cambio rápido. (Caja de Orificio)

Transmisor de Flujo con Tubo Venturi o Tobera como sensor.

Transmisor de Flujo por Turbina como elemento sensor.

Indicador de Caudal por Rotametro.

Totalizador de Caudal de Desplazamiento Positivo

Temperatura

Indicador de Temperatura.

Indicador de Temperatura con vaina


13



TT-01

Termocupla conectado con vaina al proceso y enviando la señal al Transmisor

Indicador de Temperatura de Termocupla o PT-100..

En los procesos industriales las señales usadas por los equipos e instrumentos que la conforman podran ser eléctricas, neumáticas, hidráulicas, mecánicas, electromagnéticas. Bajo estos requrimientos se hace necesario mostrar la simbologia usada para cada tipo de señal, a modo de ejemplo se utilizara las señales que salen de un transmisor.

Señal Eléctrica

PT-01

-Ho-o

Señal Neumática

— O — O — Señal de Software

•VV tt

Señal Electromagnética

Señal Hidráulica

Para vizualizar como podran ser los indicadores, transmisores y controladores que se representan en estos símbolos se muestran a continuación algunos de ellos en fotografías. Primeramente los indicadores que están en las instalaciones para permitir únicamente que los operadores puedan vizualizar la magnitud de la variable operacional, posteriormente se muestran un conjunto de transmisores electrónicos los cuales tendrán la función de mandar una señal eléctrica directamente proporcional a la magnitud de la variable operacional Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

14



hasta los controladores, la función de los controladores electrónicos sera recibir las señales eléctricas que envían los transmisores para calcular la señal de error que sera la diferencia del valor deseado de la variable controlada (set point) y el valor real de la variable que envía el transmisor para posteriormente aplicar las acciones de contro Proporcional, Integrativa y Derivativa a esta señal de error para luego convertirla en una señal eléctrica que ira hacia el proceso industrial para regular las válvulas de control. Se muestran las fotografías para tener una visión de las conformaciones y estructuras de los indicadores, transmisores, controladores y válvulas de control y los mismos no sirven para representarlos en los planos procesosinstrumentos. Indicadores

Transmisores


15



Controladores

Válvulas de Control y Convertidores I/P

4. PLANOS PROCESOS-INSTRUMENTOS Los planos Proceso-Instrumentos (P&I) permiten representar en un solo esquemático la integración de todos los equipos que conforman al proceso industrial con los símbolos específicos que representan a cada equipo, conjuntamente con con los símbolos de cada uno de los instrumentos y equipos asociados en la instrumentación, automatización y protección del proceso industrial. Los equipos de instrumentos que estaran conectados en los


16



diferentes equipos de la industria estaran funcionando como indicadores, transmisores y controladores para atender las diferentes variables operacionales representativas del proceso industrial. Con la finalidad de ir avanzando progresivamente en la interpretación de los planos procesosinstrumentos se muestran a continuación una librería de símbolos de los equipos más comunes en instalaciones petroleras.

SÍMBOLOS

FUNCIONAMIENTO

Válvula Manual

Equipo instalado en la misma línea de las tuberías y se le puede regular la apertura manualmente. Podrá estar totalmente abierta, totalmente cerrada o en un valor predeterminado por el operador.

Válvula de Control

Equipo instalado en las tuberías, al que se le puede regular la apertura del área del cuerpo a través de una señal neumática de control. Las variaciones de la señal neumática de control regulan la apertura y con ello se regula el paso del flujo a través del cuerpo de la válvula.

Válvula Check

Equipo instalado en las tuberías, y que permite el paso del fluido en un solo sentido, evitando con ello el retorno del fluido hacia la fuente de alimentación.

-NMotobomba

Equipo conformado por la integración de un motor eléctrico que genera el movimiento para mover una bomba, la cual succiona el líquido a baja presión para descargar el mismo a una mayor presión.

Motocompresor

Equipo conformado por la integración de un motor (eléctrico o mecánico) que genera el movimiento para mover un compresor, el cual succiona el gas a baja presión para descargar el mismo a una mayor presión.

líf Intercambiador de Calor

Equipo estático que permite el contacto térmico de dos fluidos que nunca se mezclara en su interior, de modo que el fluido A pierda calor que el fluido B lo ganara.


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Separador Liquido-gas

Atfc


Equipo estático que recibe a los hidrocarburos y que permite la separación entre los componentes que se mantendrán en fase liquida y los componentes que estarán en fase gaseosa dentro del separador. Tiene una válvula de control para retirar los componentes en fase gaseosa y una válvula para retirar los componentes en fase liquida.

Separador Trifásico

Equipo estático que recibe a los componentes de los hidrocarburos que pasaron previamente por un condensador y permite que dentro de el se separen los componentes que están en fase gaseosa, los componentes que están en fase liquida y el agua.

Horno Vertical

Equipo estático utilizado para calentar el petróleo, para ello se dispone de tuberías internas dentro del horno para que el crudo pase y se caliente, así como, un conjunto de quemadores por donde se forma y controla la llama que genera el calor. En los hornos se dispone una línea de combustible para la llama piloto, así como, una línea de combustible donde se regula el gas que definirá la temperatura a través de una válvula de control.

Torre de Destilación,

Equipo estático que recibe como alimentación un flujo de hidrocarburos en fase liquida y que permite separar los productos pesados por el fondo y los livianos por el tope. Tiene en su interior un conjunto de bandejas a temperaturas especificas con componentes en fase liquida y cámaras de gas entre las bandejas lo que permite que los diferentes componentes se queden en cada etapa de las bandejas en la fase liquida o gaseosa que le corresponda.

A

Enfriador.

Equipo estático que permite que en su interior circulen componentes de los hidrocarburos para ser enfriados por corrientes de aire, o de aire y agua, que chocan por sus ductos.


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Una vez identificados a travez de sus símbolos varios de los equipos que se utilizan en las diferentes instalaciones petroleras queda considerar la integración en los planos Procesos-Intrumentos (P&I) o (DTI) de los equipos que conforman la instalación petrolera conjuntamente con los instrumentos que se utilizan para la medición y el control de las variables operacionales asociadas a cada equipo. El plano Proceso-Instrumentos integra los equipos que conforman las instalaciones conjuntamente con los instrumentos de sus variables operacionales lo que permite proporcional a los expertos que trabajan en las instalaciones la mayor información de las mismas. Los planos Procesos-Instrumentos proporcionan a los expertos la información de la integración de los equipos que conforman las instalaciones petroleras conjuntamente con los instrumentos asociados a sus variables operacionales.

La instrumentación industrial se ejecuta en dos grandes actos, medir y controlar. En el caso de medir, la normalización esta inmersa desde las unidades utilizadas hasta el método aplicado. Es imposible aislarse del mundo y utilizar unidades propias o métodos de medición exclusivos, por ello la simbología usada a través de las Normas ISA permitirá interpretar o realizar


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los planos Procesos-Instrumentos utilizando símbolos que serán del uso común de todas las empresas petroleras. Los planos Procesos-Instrumentos que integran los equipos de las instalaciones petroleras con los instrumentos para las medidas y controles de sus variables operacionales serán reproducibles en cualquier sitio del planeta con el mínimo de error. Para ello existe la norma, para reglamentar, para equilibrar, para mecanizar y por supuesto para legislar. La normalización es parte integral de la instrumentación industrial. Es necesario conocer y manejar aspectos relativos a las normas para escoger un dispositivo o método de medición. La normalización se convierte entonces en una herramienta para el diseño, especificación, organización y dirección. Una vez identificadas la simbología que contemplan las normas ISA, queda revisar varios planos P&I que tienen la finalidad de servir de ejemplos para observar el uso de la norma reseñada. Instrumentación de Separador Liquido-Gas 4 -SO mA

- 4 - 2 0 mA Lazo de control de presión

-Seleccionar el set-point ( SP (s)). - Entonax el lazo PID: - KP (Ganancia) -Ti (Ajuste integradvo) -Td (ajuste derivativo)

Liquida 4-30

mA

4 -so mA

Lazo de control de nivel

Lazo de Control de Nivel de Fondo de Torre




Lazo de Control de Presión de Tope de Torre.

Lazo de Control en Cascada Temperatura-Caudal de alimentación de Torre de Destilación


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Lazo de Control en Cascada Temperatura-Caudal en intercambiador de Calor

FV: Flujo de Vapor

Maestro

FC: Flujo a calentarse

Lazo de Control en Cascada Temperatura-Caudal Reflujo de Tope


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Lazos de Control de una Caldera. Vapor

Maestro

Agua Caliente

Aire

Esclavo

Regulador de Mezcla Combustible-Aire

(Cascada+ Feedforward) Calentamiento Fondo + alimentación de torre


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Control Override Nivel-Caudal en Torre de Destilación.

MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COMPRESORES Con Termocuplas y Transmisores de Temperatura.

Panel de Control

Modulo Electrónico del PLC


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Con Indicadores Bimetálicos e Interruptores-Bimetálicos.

Panel de Control

Modulo Electrónico de Tarjetas ON-OFF

5. CLASIFICACIONES DE ÁREAS

Fuego = Aire + Combustible + Ignición Aire: El que existe en la atmósfera terrestre. Combustible: Vapor o materiales inflamables en las instalaciones industriales. Ignición: La chispa eléctrica o punto caliente que puedan originar los instrumentos o equipos eléctricos dentro de las instalaciones. Una explosión puede ocurrir cuando se tiene energía en forma de calor o electricidad añadiéndose a estas una fuga de vapor o materiales inflamables. Para minimizar la ocurrencia del fuego en las instalaciones industriales se utilizan métodos que previenen que las fuentes de ignición o las fugas de vapor o materiales inflamables puedan encontrarse, estos métodos podrán ser: • • • •

Cajas y envoltorios a pruebas de explosión. Cajas con presurización y purgas. Encapsulamiento con resina o epoxy. Inmersión en óleo.


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Desde 1946 surge la tecnología de "Barreras de Seguridad Intrínsecas" que es un método de limitación de la energía eléctrica para los instrumentos localizados en áreas clasificadas. La clasificación de áreas explosivas se desarrolla a partir de las clasificaciones basadas en: el Código Eléctrico Nacional, NFPA 70, artículos 500 al 504 de los Estados Unidos de Norteamérica y la C22.1, Parte I del Código Eléctrico Canadiense, en ambos países las áreas peligrosas son clasificadas en 3 clases, dependiendo del tipo de sustancias que puedan estar presentes en las instalaciones industriales: • • •

Clase I: Clase II: Clase III:

Presencia de sustancias como gases y vapores inflamables. Presencia de sustancias como líquidos, fibra o sólidos. Presencia de sustancias como talco.

Cada clasificación es dividida de acuerdo al nivel de riesgo que pueda estar presente en cada instalación: •

•

División 1: El peligro puede estar presente durante condiciones de funcionamiento normal, durante reparaciones o mantenimiento, o donde una falla pueda causar una falla" simultanea de equipos eléctricos. División 2: Existe presencia de materiales combustibles, o en un área adyacente a una localidad de División 1.

La División 1 se divide en cuatro (04) grupos, dependiendo del tipo de gases o vapores inflamables presentes. • • • •

Grupo A: Acetileno. Grupo B: Hidrogeno, combustible o gases de procesos con mas de 30% de hidrogeno en volumen, o vapores de gases de: butano, oxido de etileno, oxido de propileno. Grupo C: Éter, etileno o gases o vapores de risco equivalente. Grupo D: Acetona, amoniaco, benceno, butano, etanol, metano, gas natural, nafta, propano o gases o vapores de risco equivalente.

En Clase II las ubicaciones peligrosas son divididas en 3 grupos: • • •

Grupo E: Atmósfera conteniendo piezas metálicas, incluyendo aluminio, magnesio u otra pieza o partícula en suspensión combustible. Grupo F: Atmósfera conteniendo materiales del carbono. Grupo G: Atmósfera conteniendo materiales combustibles no incluidos en e¡ Grupo E o Grupo F incluyendo madera y químicos.

En la Clase III como ubicaciones peligrosas son clasificadas, aquellas que son causadas por la presencia de ignición fácil de fibra o sólidos en suspensión. Tanto la fibra como los sólidos en suspensión pueden ser expuestas a cantidades suficientes de energía para producir una explosión.


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• •


Clase III,

División 1: Son aquellos locales de fácil ignición en fibra u otros materiales que producen combustibles sólidos en suspensión cuando son manipulados. Clase III, División 2: Son aquellos locales de fácil ignición en fibra cuando son almacenados o manipulados.

Los países europeos también han realizado clasificaciones de áreas peligrosas, por ello en la siguiente tabla se muestra las diferencias entre las clasificaciones norteamericanas y las europeas para áreas de explosión. Explosiones Continuas Norte América lEC/Europa

Explosiones Intermedias

División 2

División 1 Zona 0

Condición Anormal de Explosión

Zona 1

Zona 2

La Zona 2 (lEC/Europa) y la División 2 (Norte América) son equivalentes, mientras que la División 1 corresponde a las Zonas O y 1. Un instrumento designado para trabajar en Zona 1 no necesariamente puede ser diferenciado usando la División 1. La principal diferencia entre la clasificación Norte Americana y la Europea es que no hay tendencia de equivalencia para Zona O Europea y el sistema Norte Americano. Las nuevas normas ISA son adoptadas para solventar esta situación. La Zona O Europea es una clasificación para un área mas peligrosa, un instrumento designado para Zona O debe ser incapaz de generar o acumular energía suficiente para dar ignición a algún agente inflamable. En Europa, los equipos son certificados sobre la base del diseño y las características de construcción, mientras que el sistema Norteamericano, los equipos son clasificados en base a la zona de posible instalación. En la practica, los dos sistemas son equivalentes si la diferencia entre ambos es menor que la mostrada en la siguiente tabla. Clasificación de los equipos

Energía de Ignición

Categorías Explosivas

Europa

Norteamérica

Metano

Grupo I

No clasificado

Acetileno

Grupo II, C

Clase I, grupo A

> 20 ujoules

Hidrogeno

Grupo II, C

Clase I, grupo B

>20 ujoules

Etileno

Grupo II, B

Clase I, grupo C

>60 ujoules

Propano

Grupo II, A

Clase I, grupo D

> 180 ujoules

Piezas metal Piezas carbón

">'...- • • ' ; • • : ' • • • :

Clase II, grupo E En preparo

Clase II, grupo F

Piezas grao

Clase II, grupo G

Fibras

Clase III


Ignición Fácil

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Seguridad Intrínseca Seguridad Intrínseca (SI) es un método que sigue atmósferas inflamables encontradas en un área con posibilidades de explosión, viniendo de un contacto con equipos eléctricos externos causantes de la misma. Esta seguridad es acompañada por límites de valores de tensión y corriente eléctrica que puedan ocasionar fallas, arcos eléctricos o puntos calientes, como resultado de condiciones normales de operación. Las características de ignición de los materiales inflamables son caracterizados por varios parámetros no relacionados: mínima cantidad de energía de ignición necesaria para causar una explosión y una mínima temperatura de una superficie que tenga el mismo efecto de causar una explosión. La norma ANSI/ISA-S50.02-1992 establece la energía menor de 3 vatios que puedan consumir los instrumentos después de la Barrera de Seguridad Intrínseca en las áreas peligrosas. Como la energía disponible para los instrumentos es limitada a 3 vatios, será necesario alimentar los mismos a través de varias fuentes de tensión con barreras. CONDICIONES INTRINSICAMENTE SEGURAS « 3 W

Fuego = Combustible + Aire + Fuente de Ignición Potencia = Voltaje x Corriente Potencia Instrumento = (24 VDC)x(20 mA) = 0,58 W Potencia Instrumento = 0,58 W « 3 W 3 Vatios NO GENERARA: • •

Un punto caliente que propicie el fuego. Un arco eléctrico que propicie el fuego

Las Barreras Zener deben limitar la corriente que circula por los instrumentos, así como la tensión de alimentación, como se muestra en la siguiente figura.

Barrera Zener 1UU

t 24VDC


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6. DEFINICIONES 1. FUENTES DE ERRORES

1.1.

Errores de Equipos: • • • • •

1.2.

Calibración. Linealidad. Histéresis. Derivas. Cambios de Sensibilidad.

Errores de Interferencias: • • • • •

1.3.

Ruido. Transitorios de Conmutación. Radio Interferencias. Perturbaciones de Alimentación. Zumbido de 60 Hz en etapas de Baja señal. Errores de Instalación:

• • • • •

Alcance. Vibraciones. Temperatura. Falsas uniones. Aspectos Meteorológicos.

2. Campo de Medida (Rango) Es el conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del instrumento. Ejemplo:

. _. . _ . . _

60 r —

i imite Superior = 60 C° L

>

55

— 50 45

E ~

40 35 30 25 i

~

^ 5 =

Rango V

- 5 C° hasta 60 C°

20 \ 15 j 10 \

5 i

— ~

E

o1

i

-5 I

E

Limite Inferior = J


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3. Alcance Es la diferencia algebraica entre el límite superior y el límite inferior del instrumento. Ejemplo: Alcance Termómetro = 60 C° - (- 5 C°) = 65 C° 4. Error Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida por un instrumento patrón. Ejemplo, lectura de temperatura entre un termómetro común y un termómetro patrón.

Error

Termómetro común • •

Termómetro Patrón

Si la variable operacional que mide el instrumento esta en condiciones de régimen permanente la diferencia de medidas se llama Error Estático. Si la variable operacional que mide el instrumento esta se comporta en forma dinámica y estos cambios requiere cierto tiempo para ser leído o transmitido por el instrumento se tendrá Error Dinámico.

5. Precisión Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Los fabricantes de equipos de instrumentos conocen la precisión de lo que construyen y por ello dan valores porcentuales de error de lectura que pueden tener los mismos. Ejemplo: Termómetro con precisión de 5% Lectura del Termómetro = 24 C° +- 5%


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La precisión puede variar en cada punto del rango del instrumento, sin embargo, los fabricantes usualmente la especifican para todo el rango. 6. Zona Muerta Es el campo de valores de la variable operacional donde no hace variar la indicación o la transmisión del instrumento, es decir, ante cambios de la magnitud de la variable operacional el instrumento no produce respuestas. Viene dado en tanto % del alcance de la medida. 7. Sensibilidad. Es el incremento de la lectura del instrumento respecto al incremento de la variable operacional que la ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. 8. Repetibilidad Es la capacidad de reproducir las posiciones del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable operacional, en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de la variación. 9. Histéresis Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados o transmitidos por el instrumento para el mismo valor de la variable operacional, cuando el instrumento recorre toda la escala en sentido ascendente y descendente posteriormente.


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TRANSMISORES Y TRANSDUCTORES

1. Transmisores y Transductores. 2. Transductores Eléctricos.. 2.1

Transductores Potenciometricos

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2.2

Transductores Capacitivos

16

2.3

Transductores Inductivos

19

2.4

Transductores de Resistencia Variable

22

2.5

Transductores Piezoeléctricos

25

2.6

Termocuplas

26

3. Conclusiones

Capitulo II: Transmisores y Transductores

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1. TRANSMISORES Y TRANSDUCTORES. En los procesos industriales para realizar las transformaciones de los productos de entrada o materias primas y convertirlos en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso, es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas, los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, los instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional sensada, los equipos de control, los instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, así como otros instrumentos que trabajaran como equipos o dispositivos de segundad. Para visualizar los equipos e instrumentos que utilizan tecnología de punta para atender: la transmisión de la magnitud de las variables operacionales, el control de las mismas y los elementos finales de control se muestra a continuación un esquemático pictórico con los transmisores, el Controlador Lógico Programable (PLC) y las válvula de control que ejecutaran los lazos de control de las variables operacionales del proceso industrial.

En este conjunto de equipos son los transmisores los instrumentos que captan la variable del proceso, la acondicionan y escalan sobre una señal de salida de rango o protocolo normalizado y la envían a distancia hasta otro instrumento receptor que cumple con la función de indicar, registrar y/o controlar. Estos instrumentos deben poseer básicamente una relación de proporcionalidad entre la variable del proceso y la señal emitida. Los transmisores de instrumentación se justifican por el hecho de permitir la centralización en un tablero, armario, panel de control o computador las diversas variables del proceso, para ejercer una medición y control a distancia. Además de evitar que el personal de operaciones y mantenimiento se expongan a riesgos debido a las condiciones propias de algunos procesos, tales como altas temperaturas, altas presiones, fluidos tóxicos o corrosivos, etc. Capitulo II: Transmisores y Transductores



Para implementar los lazos de control de las variables operacionales asociadas a los procesos industriales, son los transmisores los instrumentos que estando instalados dentro dei proceso industrial tienen conexión directa con la variable operacional medida y tendrán la función de enviar una señal hasta el equipo controlador o registrador, es decir, los transmisores son los instrumentos que tienen la función de enviar una señal proporcional de la magnitud de la variable operacional hasta donde se encuentre el controlador o registrador. Dependiendo del tipo de tecnología que se use para implementar los lazos de control estos transmisores podrán enviar señales: eléctricas, neumáticas, electromagnéticas, ópticas, la idea fundamental es que los transmisores transmiten una señal proporcional a la variable operacional a la que esta conectado. En la figura siguiente se ¡lustra esta aplicación tomando como ejemplo un transmisor de presión conectado en un separador liquido-gas. Distancia

Transmisor de Presión

Controlador Registrador Se envía una señal: • Eléctrica. • Neumática. • Electromagnética. • Hidráulica. • Óptica.

Cuando los transmisores son neumáticos envían una señal de 3 a 15 PSI hasta el controlador y la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador es de muy pocos metros (10 metros por ejemplo). Cuando son transmisores electrónicos que envían una corriente eléctrica entre 4 a 20 miliamperios la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador puede ser hasta de varios cientos de metros (Hasta 500 metros por ejemplo). Cuando son transmisores que envían señales eléctricas moduladas en protocolo hard la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador puede alcanzar hasta 1600 metros sin repetidores y hasta varios kilómetros utilizando repetidores. Cuando los transmisores envían su señal en forma digital utilizando fibra óptica como medio de transmisión de la señal la distancia entre el transmisor y el controlador puede alcanzar varios kilómetros. En este libro se dispone de un capitulo de transmisores inteligentes que utilizan protocolos hard, así como, se dispone de un capitulo para las redes de control que explica hasta las conexiones por fibra óptica y hasta un capitulo para los controladores neumáticos, por lo tanto, se dejaran las inquietudes de los transmisores con protocolo hard para el capitulo de transmisores inteligentes, las conexiones por fibra óptica para el capitulo de redes de control y los transmisores neumáticos para el capitulo de controladores neumáticos, por ello, para efectos del libro en este capitulo solamente se explicara el transmisor electrónico con señales de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios. Capitulo II: Transmisores y Transductores



En los transmisores electrónicos con señal eléctrica de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios la magnitud de la corriente será proporcional a la magnitud de la variable operacional sensada. Estos transmisores requieren como alimentación eléctrica (12 o 24 VDC) de una fuente que estará ubicada en campo. La salida de corriente que sale del transmisor es la misma que llegara hasta el controlador (Indistintamente que el controlador se encuentre a 20 metros o 500 metros) donde cerrara el circuito eléctrico al circular la corriente que sale del transmisor por una resistencia de carga que estará conectada como parte del hardware de la tarjeta del PLC, (Por eso se utiliza la corriente y no tensión eléctrica). Utilizando un transmisor de presión como ejemplo conectado en un separador liquido-gas, se muestra en las siguientes figuras: el envió de la señal eléctrica desde el transmisor hasta el controlador y el modo de conexionado eléctrico que muestran los fabricantes para estos instrumentos. Transmisor de Presión

Controlador

4 a 20 mA

tt

Distancia hasta 500 metros VL =(4 a 20)mA.RL

Presión del Separador

Como podrá observarse del ejemplo, la variable operacional presión del separador interactúa directamente en el transmisor quien recibe la señal de presión desde el separador a través de líneas de tubos de acero. Del Capitulo II: Transmisores y Transductores



transmisor sale una corriente entre 4 a 20 mA hasta el controlador donde cierra el circuito eléctrico a través de una resistencia de carga RL que esta en el controlador, lo que permite que en el controlador se tenga una tensión eléctrica VL (VL=(4 a 20)mA.RL) que alimentara a los circuitos electrónicos del controlador y que será directamente proporcional a la magnitud de la variable operacional al cual esta conectado el transmisor. Estas consideraciones de cómo se conecta el transmisor de presión, como se alimenta eléctricamente, de cómo es la salida de corriente del mismo en 4 a 20 mA y cuya magnitud es directamente proporcional a la magnitud de la presión dentro del separador, en forma análoga, actuaran todos los transmisores electrónicos que estarán instalados en el proceso industrial para medir otras variables operacionales como el nivel, caudal y temperatura, por ejemplo. Todos los transmisores electrónicos tendrán salidas de 4 a 20 miliamperios proporcionales a las magnitudes de las variables operacionales a las que están interconectados, y la diferencia fundamental entre los diferentes transmisores estarán que al ser las variables operacionales diferentes tendrán formas de construcción diferentes de modo de poder adaptar su instalación a la variable que corresponda, esto implica tener diferentes transductores para cada transmisor según el tipo de variable al que esta conectado y seguramente cada transductor tendrán respuestas características especificas de su elemento eléctrico según la variable operacional a que corresponda. Con la finalidad de ir visualizando las conexiones de diferentes transmisores para diferentes variables operacionales se muestran en las siguientes figuras ejemplos de aplicaciones en: Nivel, Caudal y Temperatura. Transmisor de Nivel 4 a 20 mA

4 a 20 mA

Transmisor de Caudal




4 a 20 mA

Transmisor de Temperatura

Como se podrá observar de la figura anterior las diferentes variables operacionales (Nivel, Caudal y Temperatura) requerirán diferentes modos de ser construidos los transmisores para poder adaptarlas a las características de la variable a ser medida. Se podrá observar como se conecta el transmisor de nivel en un tanque cerrado a través de vasos comunicantes y que permite que el mismo nivel que esta dentro del tanque sea el mismo nivel que esta dentro del transmisor interactuando con el transductor, de modo que cada cambio de nivel dentro del tanque será el mismo cambio de nivel en el transductor y con ello los cambios del elemento eléctrico que contiene el transductor del transmisor de nivel. Posteriormente se observa el transmisor de caudal que utiliza como elemento sensor una turbina. Este transmisor se instala directamente en la línea donde se requiere medir el y por ello el mismo caudal que circula por la tubería es el mismo caudal que circula por el transmisor, y donde el transductor de turbina que esta en la línea generara una señal eléctrica proporcional a la magnitud del caudal que pasa por la tubería. Finalmente en el transmisor de temperatura se tendrá como transductores termocuplas o PT-100 que estarán instalados en el punto de medición y que a través de cables de extensión se llevara la señal eléctrica del transductor hasta donde este instalado el modulo electrónico, sin embargo, la variable eléctrica asociada a los transductores de temperatura también generaran cambios de su valor proporcionales a los cambios de la temperatura. Con las consideraciones que deben dejar los cuatro ejemplos que se hacen con los transmisores de presión, nivel, caudal y temperatura se podrá definir que indistintamente cual sea la variable operacional a la cual corresponda el transmisor, todos los transmisores tendrán una señal eléctrica de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios y cuya magnitud será proporcional a la magnitud de la variable operacional a la que corresponde. A esto se podrá agregar que diferentes fabricantes de transmisores electrónicos construirán diferentes modelos y estilos de fabricar los transmisores, pero, las consideraciones de la señal de salida del transmisor entre 4 a 20 mA proporcional a la magnitud de la variable operacional que sensa siempre será la misma. Los fabricantes de transmisores tendrán sus propios criterios para el Capitulo II: Transmisores y Transductores



diseño y construcción de los mismos, sin embargo, todos los transmisores estarán conformados por un circuito electrónico y el transductor que lo alimenta. Como se pudo observar de los cuatro ejemplos anteriores, el transductor esta conectado con la variable operacional y aprovecha los cambios de la magnitud de la variable operacional para generar cambios de la variable eléctrica que representa. El circuito electrónico que se alimenta del transductor se actualiza cada vez que se generan los cambios de la variable operacional dado que estos cambios generan las modificaciones de la magnitud de la variable eléctrica asociada al transductor y es por ello que los transmisores van adaptando la salida de corriente a los cambios de la variable operacional que se mide en el proceso industrial. Con la finalidad de ir asumiendo un dominio adecuado de la conformación de los transmisores se presenta a modo de ejemplo en la siguiente figura el despiece del transmisor de presión que esta conectado en el separador. En la figura se puede observar todo el despiece del transmisor, con las diferentes partes y piezas mecánicas que lo conforman, así como, los circuitos electrónicos y en la parte inferior de la figura el transductor.

CONJUNTO TÍPICO DE TRANSMISOR DE PRESIÓN — - **

**

CUERPO 0€ LA PARTE ELECTRÓNICA PLACAS DE CiftCUITO

r

BRIDA -* OE PROCESO MODULO ~ SENSOR

TAPA

_,-.>,(% &

: %-

Para todos los transmisores electrónicos, indistintamente la variable operacional que atienda, indistintamente el fabricante que lo construya e indistintamente el modelo, todos, estarán conformados por un transductor que Capitulo II: Transmisores y Transductores



genera cambios de su variable eléctrica cada vez que cambia de magnitud la variable operacional al cual esta conectado y por un circuito electrónico que convierte los cambios de la variable eléctrica del transductor en cambios de su salida de corriente. De la gráfica anterior en la parte inferior de la misma se observa el Modulo Sensor 6-CELL el cual es el transductor de este transmisor de presión, este sensor esta conectado eléctricamente con las tarjetas o placas del circuito electrónico del transmisor, las cuales también se observan en la gráfica anterior. Estos circuitos electrónicos o placas del circuito presentan diagramas de bloques sugeridos por los fabricantes para la interpretación del funcionamiento de los mismos y en la siguiente figura se muestra de un catalogo de transmisores la información que este fabricante proporciona a los usuarios de cómo esta constituido el circuito electrónico del transmisor.

Diagrama Eléctríco en Bloques

Al observar el esquemático anterior y hacer consideraciones desde el punto de vista de los circuitos electrónicos que conformaran al transmisor se podrá afirmar que es muy pobre la información que proporcionan los fabricantes de los transmisores sobre los circuitos electrónicos que integran los transmisores. Con la finalidad de tener una mejor visión de la función que cumplen los diferentes circuitos electrónicos del transmisor se puede ahondar un poco más en esta información. ESQUEMA FUNCIONAL DEL TRANSMISOR ELECTRÓNICO. En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques del esquema funcional de un transmisor electrónico el cual es alimentado desde el proceso industrial por la variable operacional y tiene como salida la señal de corriente que alimentara la tarjeta electrónica de entradas analógicas del PLC en la Sala de Control. El transmisor esta instalado en el mismo lugar del proceso y básicamente se compone de cinco partes: el elemento transductor y cuatro circuitos electrónicos que buscan desde,acondicionar la señal del transductor hasta generar la salida de corriente que sale del transmisor. Este arreglo se puede reseñar a continuación.

Capítulo II: Transmisores y Transductores

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Proceso Industrial En los procesos industriales se hace necesario a lo largo de las diferentes etapas que conforman las líneas de producción, elaboración, o modificación de los productos, de un conjunto de instrumentos para realizar las diferentes mediciones de las variables operacionales del proceso tales como (Temperatura, Caudal, Nivel, Presión) las cuales serán las variables operacionales representativas de cada una de las etapas que conforman la industria y a las cuales será necesario medir para posteriormente controlar. Cada variable operacional que deba ser medida requerirá un transmisor, los cuales estarán instalados muy próximos al equipo que genera la variable representativa a ser medida. Proceso Industrial

SALA DE CONTROL

Variable Operacional

> Presión. »Nivel. • Caudal. • Temperatura. 4 a 20 mA

1. Circuito de Alimentación

TRANSMISOR

2. Circuito de Linealización

3. Circuito de Voltaje/Corriente

4. Circuito de Realimentación

Transductor Esta contenido en el transmisor y tiene la función de convertir los cambios de las variables operacionales del proceso industrial en cambios de variable eléctrica. Esta variable eléctrica podrá ser resistencia variable, capacitancia variable, inductancia variable, tensión variable, etc y donde los cambios de la variable eléctrica son generados por los cambios de la variable operacional, y donde los cambios de la variable eléctrica del transductor es proporcional a los Capitulo II: Transmisores y Transductores

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cambios de la magnitud de la variable medida. El elemento eléctrico contenido en el transductor sirve como elemento activo del circuito electrónico 1 del transmisor. Circuito Electrónico 1 Este es un circuito que convierte los cambios del transductor (Resistencia Variable, Capacitancia Variable, Inductancia Variable, etc) en una tensión eléctrica. La salida del circuito electrónico 1 es una tensión eléctrica representativa de la magnitud de la variable y pasa a ser la consigna del detector de error que alimenta. Circuito Electrónico 2 Se alimenta con el valor de tensión que resulta de la diferencia de la salida del circuito electrónico 1 y La Realimentación de la salida del circuito. Este circuito define la magnitud de la salida del transmisor comparando la salida del transmisor con un nuevo valor de la señal que provenga del circuito 1. En esta unidad se linealiza la señal de salida dado que la señal eléctrica que generan los transductores no son lineales y por ello se hace necesario que la salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios tenga una correspondencia lineal con los cambios de la magnitud de la variable. Circuito Electrónico 3 Es un circuito de convertir la señal de tensión que sale del circuito de Idealización en la señal de corriente de 4 a 20 miliamperios que saldrá del transmisor. Circuito Electrónico 4 Es el circuito que se alimenta de la salida linealizada de la magnitud de la variable medida y la compara con el valor instantáneo de la variable que proporciona el circuito 1. En un curso de electrónica analógica se encontraran y desarrollaran los criterios técnicos para entender los montajes básicos de todos los circuitos electrónicos señalados, y basados en Amplificadores Operacionales y que servirán para la construcción de los transmisores electrónicos. No es de la atención de este texto esos análisis. Para concluir en las consideraciones de la visualización de los transmisores electrónicos y sin tener ninguna duda, se podrá decir que los transmisores son la integración de un transductor eléctrico que proporciona una salida a través de los puntos de conexión A y B de su variable eléctrica (Resistencia variable, capacitancia variable, inductancia variable, frecuencia variable, f.e.m. variable) con los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes aprovechan los cambios de la variable eléctrica del transductor para generar la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la variable medida, tal como se muestra en la siguiente figura.


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• • • •

Presión. Nivel. Caudal. Temperatura.


012 o 24 VDC

Circuitos Electrónicos

4 a 20 mA

TRANSMISOR

Diferentes fabricantes construirán transmisores para las diferentes variables operacionales, sin embargo, todos se construirán bajo la condición que el transmisor es la integración de un transductor que alimenta unos circuitos electrónicos, donde la gran diferencia mas que en los circuitos electrónicos que se diseñaran para las diferentes aplicaciones, estará en el diseño de los transductores que tendrán que adaptarse a cada una de las diferentes necesidades de medir las diferentes variables operacionales en diferentes modos de conexión en las instalaciones industriales. Para concluir esta información y reforzar las últimas consideraciones se muestran un conjunto de transmisores para diferentes aplicaciones donde puede observarse el desarrollo de diferentes transductores que permitirán medir las diferentes variables operacionales. Se busca que en el detalle de la observación le permita ai lector promover la familiaridad con este tipo de instrumentos.


11



2. TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS Los transductores eléctricos son los elementos que tienen contacto directo con la variable operacional que se mide y su función es convertir los cambios de la magnitud de la variable medida en cambios de la señal eléctrica. Estos cambios de la señal eléctrica de los transductores son los que aprovechan los circuitos electrónicos que integran al transmisor para modificar la magnitud de su señal de salida. Los transductores eléctricos podrán ser de: Resistencia variable, Inductancia variable, capacitancia variable, tensión variable y esto se representa en la siguiente figura: Capitulo II: Transmisores y Transductores

12



• Ohmios. Variable Operacional: • • • •

Presión. Nivel. Caudal. Temperatura

• Milivoltios. • Capacitancia. Inductancia. • Frecuencia.

TRANSDUCTORES BÁSICOS TRANSDUCTORES DE ELEMENTO DE ACCIONAMIENTO INTERMEDIO

• • •

Potenciometricos. Capacitivos. Inductivos.

2.1. TRANSDUCTORES POTENCIOMETRICOS

Se utilizan frecuentemente en circuitos de división de tensión, donde la resistencia variable (R.f(x)) que tendrá una tensión variable (Vs) será el producto del movimiento de una variable que haga mover el cursor -<


13



X: Desplazamiento del cursor. R.f(x): Resistencia entre el cursor y el extremo de referencia.

0< f(x) < 1 Vs = f(x).E

TÉCNICAS DE MEDIDAS Desplazamiento Lineal.

•0

/vwvwwv

Q

Desplazamiento Angular

Multivueltas

/wwwwv-

-©

Trigonométricos

-E Capitulo II: Transmisores y Transductores

14



Fuerza

Aceleración

asa

l/\ " \-r-qm)—£

Aceleración

AA/WWWV

-+E

Presión

I Presión V

0X


15



2.2. TRANSDUCTORES CAPACITIVOS

C: Carga eléctrica del condensador.

- Gv.A Gv.A 1 - 1 C= = = Le.— E.d d E E Ce: Capacitancia en microfaradios. Gv:^Densidad de carga eléctrica. Depende del tipo de dieléctrico usado. A: Área de las placas del condensador. Su cálculo depende de la forma que tenga el condensador y si es cuadrado, redondo, cilindrico. E: Tensión eléctrica entre las placas del condensador. d: Distancia entre las placas del condensador

Placa B

Presión

Presión

Gv.A 1

La fuerza que ejerce la presión sobre el área de la placa A comprime el dieléctrico que esta contenido entre las dos placas del condensador y con ello modifica la distancia (d) entre las placas A y B modificando la capacidad (C) del condensador. Esta acción de la presión permite tener una distancia variable entre placas cada vez que la acción de la presión varié y con ello una capacitancia variable. Presión variable para capacitancia variable. Dependiendo el uso que vaya tener el transductor capacitivo según la variable operacional en donde vaya a ser usada, estos podrán tener diferentes formas de construcción tal como se muestra a continuación. Capitulo II: Transmisores y Transductores

16



Condensador de Placas Planas

£>-

Condensador Cilindrico

Condensador de Dieléctrico Variable

^

:

D2 -«- DI

>

á|

1 \

n^

1

í i! ¡' i A

II


17



^

TÉCNICAS DE MEDIDA! Fuente de Tensión

/^\ yfj/

V(t)= Vm.sen(wt)

/^

V) _/

í

/^^\

Resonancia Serie

1 K1") • • • —^j —\ X/fH — \/m qpnfwH

-^

í

r

fí o í

X

o

Cuente Diferencial

V(t)= Vm.sen(wt)

X

v) i =?- i

M

lonversión a Tiempo

Oscilador

Monoestable

A Filtro

Salida

nrui ~* n ^ ^ , J4JÍ i"*r ^

i


18



2.3. TRANSDUCTORES INDUCTIVOS

Im(t)

N.A.u

Donde: : Flujo Magnético. N: Numero de espiras del arrollado del cable del circuito eléctrico. A: Área del material ferromagnético al que se arrolla el cable. L: Longitud del circuito magnético. Im(t): Corriente eléctrica que circula por las espiras. |J: Permeabilidad Magnética.

Presión

Presión

Se tiene un electroimán que tiene un núcleo de hierro que descansa sobre un resorte que tiene la función de sacar el núcleo del electroimán cuando no exista la fuerza de la presión sobre el área del núcleo. En la medida que se ejerza una presión sobre el núcleo de hierro este podrá comprimir el resorte introduciéndose dentro del electroimán. La variación de la penetración del Capitulo II: Transmisores y Transductores

19



núcleo de hierro dentro del electroimán hará variar la magnitud del flujo magnético (f>, dado que las variaciones de penetración del núcleo de hierro en el electroimán generaran una permeabilidad magnética p variable. Este transductor eléctrico aprovechara entonces los cambios que la presión ejerce sobre el núcleo de hierro del electroimán para conseguir flujo magnético variable. TÉCNICAS DE MEDIDAS Bobina con Entrehierro Variable

Bobina con Reluctancia Variable

Detector de Proximidad


20



Bobinas Acopladas

-o -o 2.4. TRANSDUCTORES DE RESISTENCIA VARIABLE

• • •

RTD o PT-100. Termistores (NTC, PTC). Galgas extensiométricos.

RTD o PT-100 (RTD: Resistencia Temperatura Detector) Los RTD o PT-100, son transductores Temperatura-Resistencia Variable, conformada por un elemento que consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica.

-0 -O

I Temperatura

Con los RTD se tiene como salida del transductor una resistencia variable ante los cambios que presente la temperatura en el punto donde fue arrollado el hilo del conductor eléctrico que conforma la termoresistencia. Se fabrican termoresistencias en níquel, cobre y platino, sin embargo, los detalles de los mismos así como las tablas del valor de la resistencia a partir del valor de la temperatura a la que esta sometida se detallan en el capitulo de temperatura. En la siguiente figura se muestra una gráfica representativa Q/°C del valor que toma la PT-100 (que inicia con 100 Q para O °C) y un ejemplo de cómo será su forma constructiva.

100

100

200

300

400


°C

21


T 2, 3, o 4 hilos


^^ Cerámica o vidrio

Encapsulado Metálico

TÉCNICAS DE MEDIDAS

Medida en Puente de Wheatstone

Ro

Ro + dR

Medida en Puente Equilibrado Ro + dR Ro

•m Vc

O

O

Vs

Ro Ro 777-

Medida a 3 Hilos R

Ro

Re

Re


Ro + dR

22



TERMISTORES (NTC, PTC)

Los Termistores son dispositivos construidos con semiconductores que tienen las características de cambiar su valor de resistencia en ohmios en la medida que son expuestos a los cambios de temperatura. Existen los Termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) que tienen la condición de disminuir su valor de resistencia en la medida que se incrementa la temperatura a la que es expuesta, mientras que los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient) que incrementan su valor de resistencia en ohmios en la medida que se incrementa la temperatura a la que es sometido. En las siguientes gráficas se muestra en el símbolo de los Termistores y curvas características que muestran los rangos de trabajo.

R(T)

A

100 KQ

1 KQ

25 °C R(T)

100 °C

A

1 MQ

100 Q 70 °C

100 °C

TÉCNICAS DE MEDIDAS

R(T)


23



GALGAS EXTENSOMETRICAS La extensometria es el método que tiene como objeto la medida de las deformaciones superficiales de los cuerpos. Cuando estos cuerpos son sólidos y son sometidos a esfuerzos de tracción sufren una deformación que genera variaciones en los valores de la resistencia eléctrica entre los extremos del elemento transductor. El efecto de la deformación de un cuerpo por efecto tracción se muestra a continuación.

Tracción

dL

Son las galgas extensometricas transductores eléctricos conformados por hilos metálicos de las aleaciones de Níquel-Cobre, o Níquel-Cromo que tiene la particularidad que para todo aumento de la longitud del sólido deformado por^ la tracción corresponde un incremento en el valor de la resistencia del transductor y donde la variación de la resistividad es proporcional a la variación del volumen del sólido deformado. Estos transductores vienen para valores nominales de 120 Q, 350 Q, 700 Q y 1 KQ y podrán trabajar a una temperatura de servicio de 120 °C. Los símbolos de las galgas extensometricas se presentan a continuación. Filamento

Trama

Tracción

Galga de

Galga activa.

armadura

compensación térmica Capitulo II: Transmisores y Transductores

24



TÉCNICAS DE MEDIDA

Montaje 1/4 Puente

Montaje 1/2 Puente

2.5. TRANSDUCTORES PIEZOELECTRICOS

La piezoelectricidad es el fenómeno que consiste en la aparición de cargas eléctricas en determinadas zonas de un cristal tallado de material piezoeléctrico cuando sobre sus ejes se le aplica una fuerza, o también, que puede generar vibraciones a una frecuencia cuando se le aplica una tensión eléctrica. Los cristales piezoeléctricos pueden ser naturales (Cuarzo, Turmalina), o sintéticos (Sal de Rochelle, Titanato de Bario). En la siguiente figura se muestra el símbolo y el esquema físico del transductor.

Voltaje

Placas Conductoras

Cristal Piezoeléctrico Para considerar la frecuencia de oscilación del cristal piezoeléctrico cuando entre sus terminales es aplicada una tensión eléctrica se presenta a continuación el circuito equivalente del cristal, así como, los componentes de la variable equivalente.

ci

•0 dF

C2


25

•i"



Donde: fo = Frecuencia de Resonancia. R: Resistencia debida al rozamiento con el cuerpo que genera la fuerza. L: Inductancia debida a la masa del cristal de cuarzo. C: Capacitancia debida a las placas conductoras de conexión eléctrica. TÉCNICA DE MEDIDA

Cf

T 2.6. TERMOCUPLAS

Las termocuplas son transductores temperatura-milivoltios conformadas por la unión de dos metales diferentes (Cobre-Constatan, Cromel-Alumel, HierroConstatan) que generan tensión eléctrica en el otro extremo del punto de unión de los dos metales diferentes, cuando en el punto de unión se somete a una temperatura. En la siguiente gráfica se muestra: el esquemático que modela el comportamiento de la Termocupla, su conformación física y los valores aproximados de su salida de tensión ante los diferentes valores de temperatura que es sometido su punto de unión.

Temperatura

100


200

300

400

I

I

500

600

700

°C

26



Cuando dos metales distintos A y B (Hierro-Constatan, Fe-C, por ejemplo) se unen en un punto y ese punto es sometido a cambios de temperatura se generaran tensiones eléctricas proporcionales a los cambios de temperatura en el punto de unión de los dos metales. Al utilizar para la unión diferentes tipos de metales A y B se consiguen fabricar termocuplas de diferentes tipos J, T, K, R, S. Los detalles de estas diferentes termocuplas, sus rangos de trabajo y las tablas de milivoltios por grados centígrados respectivos para cada uno de los diferentes tipos se detallan en el capitulo de temperatura. TÉCNICA DE MEDIDA

Termocupla J

Cables de Compensación 1 1 1

Fe ^'

C

(7] \LJ

i l 1P

Fe

(7) \L/

C

I

Fn i li no

Electrónico

^Tw

m

CONCLUSIONES GENERALES De las consideraciones de la visualización de los transmisores electrónicos y sin tener ninguna duda, se podrá decir que los transmisores son la integración de un transductor eléctrico que proporciona una salida a través de los puntos de conexión A y B de su variable eléctrica (Resistencia variable, capacitancia variable, inductancia variable, frecuencia variable, f.e.m. variable) con los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes aprovechan los cambios de la variable eléctrica del transductor para generar la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la variable medida. Esta integración Transductor + circuitos Electrónicos se muestra en la siguiente figura, donde se puede observar una variedad de transductores eléctricos que se conectan a través de los puntos de unión (A) y (B) con los circuitos electrónicos. Será en la variedad de los transductores eléctricos la que permita medir las diferentes variables operacionales y por simplicidad se podría considerar que los circuitos electrónicos son los mismos. Los fabricantes construirán transmisores para atender las diferentes variables operacionales que son necesarias medir en las instalaciones industriales, así como, los diferentes modos de conexión que presenten las mismas, sin embargo, la gran diferencia mas que en los circuitos electrónicos que se diseñaran para cada una de las aplicaciones especificas que generan las diferentes variables operacionales, estarán en el diseño de los transductores que tendrán que adaptarse a cada variable operacional. En las siguientes gráficas al observar un conjunto de transmisores para diferentes aplicaciones,


27



se diferenciaran los distintos transductores que permitirán medir las variables Presión, Nivel, Caudal y Temperatura.

Todos los transmisores que se muestran para medir las variables operacionales Presión, Nivel, Caudal y Temperatura generaran una corriente comprendida entre 4 y 20 miliamperios y donde la magnitud de la misma será directamente proporcional a la magnitud de la variable operacional que se mide, podría considerarse que los circuitos electrónicos de todos los transmisores son análogos, pero no deberá existir ninguna duda que serán los transductores que de una forma muy especifica estarán construido para sensar la variable operacional y adaptarse a la forma muy particular de instalarlo en el proceso industrial, es por ello que podrán observarse las diferencias constructivas para transmisores de nivel conectado por vasos comunicantes con las del transmisor de nivel de para tanques abierto por presión hidrostática, o las diferentes formas de construcción entre los transmisores de caudal por turbinas como sensor primario con los transmisores de caudal por presiones diferenciales y placas de orificio como censor primario, es decir, se construyen transmisores para que se adapten a las requerimientos de instalación de cada variable operacional en las instalaciones industriales.


28

VÁLVULAS DE CONTROL

1. Válvulas de Control de Regulación en la Jaula ...............^... 2.

El Actuador o Servomotor Neumático.;

3.

El Cuerpo.

,;.6

£

4. Apertura Rápida, Lenta y Lineal

9

5. Acción Directa e Inversa de la válvula de Control

11

6.

Mayor desplazamiento con la misma señal de control

13

7.

Diferentes Tipos de Válvulas

15

8.

Parámetro de Selección de las Válvulas de Control

24

9.

Dimensionamiento de la Válvula

26

10. Cavitación y Ruido en las válvulas

Capitulo III: Válvulas de Control

29



1. VÁLVULAS DE CONTROL DE REGULACIÓN EN LA JAULA Los procesos industriales tienen como función la de transformar las materias primas que sirven de entrada al proceso y convertirlos en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso. Para ello requiere de un conjunto de equipos, maquinas, controles que en su integración permiten la modificación de las materias primas de entrada al proceso en productos de salida del proceso. Para realizar las transformaciones de los productos de entrada es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales eléctricas que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional sensada, los controladores que calculan la señal de error de la diferencia de la señal del transmisor y el valor deseado y generar una señal de control producto del tratamiento PID de esta diferencia, los convertidores que convertirán la señal eléctrica que manda el controlador en una señal neumática o en otra señal eléctrica de otra magnitud y los instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, quienes se encargaran de controlar la variable operacional de campo. En forma * preferencia! en las instalaciones petroleras será la válvula de control de regulación en la jaula el elemento final de control, y será casi siempre el único elemento final de control. Como un ejemplo de la anterior confirmación se muestra el esquemático de una torre de destilación atmosférica para observar la cantidad de válvulas de control que se requieren en las aplicaciones antes reseñadas en los controles de: presión, nivel, caudal y temperatura.

Las válvulas de control de regulación en la jaula, son instrumentos que convierten una señal de control neumática comprendida entre 3 a 15 PSI (Preferencialmente) en un desplazamiento de un vastago el cual tiene unido en un extremo un tapón metálico que regulara con su desplazamiento el área de Capitulo III:

Válvulas de Control



las ranuras por donde circulara el fluido que controla. Por ello la válvula actuara como un orificio de área continuamente variable, en la medida que el controlador modifique su señal eléctrica para mantener constante la variable operacional que tiene implementado un lazo cerrado de control. En las siguientes figuras se muestran varios lazos cerrado de control que permiten ubicar la válvula de control como elemento final y fundamental de cada lazo. Lazo de control automático de presión en un separador Liquido-Gas:

Lazo de control automático de nivel en fondo de torre:

Lazo de control automático de caudal en alimentación de torre:

Capitulo III:




Lazo de control automático de Temperatura de Horno de torre:

En todas las aplicaciones anteriores se tiene a la válvula de control como el elemento final de control de los lazos cerrados. Es por ello que la válvula de control al estar en el tope de un recipiente y a través de la válvula se regula la, salida de gases del recipiente controlara la presión, si esta en el fondo de un tanque y se regula por la válvula el liquido controlara su nivel, si esta en una línea y regula el fluido controlara el caudal y se regula el combustible de un horno controlara su temperatura. Ante la realidad del uso preferencia! de la válvula de control como elemento final de control, será necesario considerar las razones por lo cual es la válvula de control con actuador o servomotor neumático la válvula mas utilizada para aplicaciones industriales. Las razones son muchas, entre otras: •

La energía auxiliar es aire comprimido a baja presión.

•

Se puede controlar con una señal desde el propio controlador.

•

Alta velocidad de respuesta.

•

No requiere de tableros y protecciones de sobrecarga.

•

El actuador es muy potente.

•

Puede manipularse con muy baja energía.

•

Tiene una posición definida cuando no esta comandada.

La válvula de control esta conformada por el actuador (convierte la señal neumática de control en desplazamiento de un vastago) y el cuerpo (aprovecha el desplazamiento del vastago para desplazar el tapón y regular el orificio de área variable). En las siguientes figuras se muestra la válvula de control y la identificación del actuador o servomotor neumático y el cuerpo de la válvula, posteriormente se puede observar el esquemático de control de la válvula desde el panel de control que contiene al controlador, y su salida que alimenta al convertidor I/P. Capitulo III:




Se observa el suministro de aire de instrumento que después de ser regulada proporciona la fuente de aire al convertidor I/P quien convertirá la señal eléctrica que envía el controlador en la señal de 3 a 15 PSI que se conectara al actuador de la válvula para posicionar la misma.

Actuador o Servomotor Neumático

Cuerpo

Controlador Electrónico

Convertidor Corriente/Presión

Bombona de aire de Instrumentos

Tipo 6116

Capitulo III:




Las válvulas de control son reguladas desde el controlador el cual envía una señal eléctrica hasta el convertidor I/P para posicionar a la válvula de control en la atención de que la magnitud de la variable controlada busque igualarse a la magnitud deseada de la misma variable. La señal eléctrica del controlador electrónico sale desde el panel de control hasta el campo donde esta la válvula de control y alimenta al convertidor corriente/presión que estará conectado usualmente en la base del mismo actuador de la válvula. El convertidor I/P recibe la señal eléctrica que envía el controlador, además también se alimenta de una señal neumática que proviene del sistema de aire de instrumentos y convierte la señal eléctrica en una señal neumática de salida de 3 a 15 PSI la cual será conectada al actuador de la válvula para regular el orificio de área variable que conforman el cuerpo de la misma. Variando la magnitud de la señal eléctrica que envía el controlador se varia la magnitud de la señal neumática de control de 3 a 15 PSI y con ello se varia el el orificio de área variable que conforma el cuerpo de la válvula. Es aproximadamente lineal la relación entre la señal eléctrica que recibe el convertidor I/P con la salida de la señal neumática de control de 3 a 15 PSI que sale de el para alimentar aL actuador de la válvula.

2. El ACTUADOR O SERVOMOTOR NEUMÁTICO En la válvula de control es el actuador o servomotor neumático quien cumple la función de convertir la señal neumática de control de 3 a 15 PSI en el desplazamiento lineal del vastago que se utilizara para desplazar el tapón que regulara los orificios que tiene la jaula que esta en el cuerpo de la válvula. Esto se consigue a través de un equilibrio de fuerzas entre un diafragma de goma que comprime un resorte a través de un disco metálico y la fuerza contraria que ejerce el resorte para no comprimirse y donde el equilibrio se consigue con la posición que asume el desplazamiento del disco metálico y con ello el vastago que esta unido al disco. La presión de aire de control de 3 a 15 PSI entra en la cámara del actuador que esta conformada por la tapa metálica del actuador y el diafragma de goma que descansa sobre el plato de disco al cual esta unido el vastago. Esta presión de control ejerce una fuerza sobre el diafragma de goma empujando al disco. La fuerza que la presión de control ejerce a través del diafragma sobre el disco metálico viene dada por: FPRESIÓN = (3 a 15)PSIx(Área Diafragma), esta fuerza permite al disco metálico comprimir al resorte, empujándolo y transmitiendo el movimiento del disco metálico al vastago que esta unido a el y quien a su vez extenderá este movimiento hasta el tapón que se encuentra en la jaula. En la medida que se incremente la señal neumática de control se incrementa la fuerza que la presión ejerce sobre el disco metálico a través del diafragma, comprimiendo con ello mas el resorte e incrementando el desplazamiento del disco metálico, por el contrario si disminuye la señal de control neumático la fuerza del resorte desplazara al disco metálico a la posición que se corresponda Capitulo III:


6



con la fuerza de compresión aplicada. Esto permitirá tener un desplazamiento del disco metálico y del vastago unido a el directamente proporcional a la señal de control neumático de 3 a 15 PSI que se aplique al actuador. En las siguientes figuras se muestra el despiece general del actuador neumático, donde puede observarse la tapa del actuador y el diafragma quienes crearan la cámara de aire que empujara al disco metálico para que este comprima al resorte. Posteriormente se observara el movimiento que tendrá el disco metálico en la medida que se modifique la señal de control y el esquemático de equilibrio de fuerza entre la fuerza de la presión de control y la fuerza de compresión del resorte.

3 a 15 PSI

Diafragma de Goma Disco Metálico Vastago

Tapón que esta en el Cuerpo de la Válvula

' ( 3 a 15JPSI

J_

FuerzaPRESIóN= PresiónxArea Fuerza= (3 a 15)PSIx(Area Diafragma)

» FuerzaRESoRTE= K.X •

K: Constante Elongación del Resorte X: Desplazamiento del Vastago X: Desplazamiento del Vastago

El vastago del actuador es acoplado con el vastago del tapón o obturador que esta en el cuerpo permitiendo crear un movimiento lineal que cierra la válvula en la medida que se incrementa el aire de control. Por esta razón se puede catalogar a esta válvula como de "aire para cerrar'7. En este caso la válvula también puede ser considerada dentro del grupo de desplazamiento lineal, porque el movimiento del actuador imprime un movimiento rectilíneo al tapón o obturador que esta en el cuerpo de la válvula. Capitulo III:




3. El CUERPO En la válvula de control es el cuerpo de la válvula quien aprovechara el desplazamiento lineal del vastago para desplazar el tapón o obturador que se encuentra dentro de la jaula. El tapón se estará desplazando dentro de la jaula, regulando el área de los orificios de la misma. Este cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido, tener un tamaño adecuado que se corresponda con el diámetro de la tubería donde estará instalada para regular el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión y corrosión producida por el fluido. Debe producir la menor turbulencia y el menor efecto de carga posible (caída de presión) estando el cuerpo en posición toda abierta. El diseño del cuerpo es propio de la ingeniería mecánica (de los fluidos) pero es conveniente que el personal de instrumentación y control maneje los términos para una adecuada selección y uso de la válvula los cuales se definirán posteriormente. Se muestra en la siguiente figura el despiece de las partes que conforman el cuerpo: la jaula el tapón o obturador, el vastago que desplaza el tapón y otros accesorios del cuerpo y su integración con el actuador neumático para conformar la válvula de control.

3 a 15 PSI

Empacadura de Bonete

Anillo de Asiento

Espárragos

CUERPO

En el trabajo de una válvula de control de regulación por la jaula, el fluido entra al cuerpo de la válvula envolviendo la jaula y si el tapón tiene cubierto Capitulo III:




todos los orificios de la jaula no habrá paso de fluido a través de la jaula y por ello no habrá circulación de fluido a través de la válvula de control, sin embargo, en la medida que el tapón se desplaza descubre áreas de los orificios de la jaula permitiendo el paso del fluido a través de los orificios descubiertos y permitiendo con ello el paso del fluido a través de la válvula de control. Al modificar la señal de control de 3 a 15 PSI se modifica el desplazamiento del vastago y con ello las variaciones de las áreas por donde circulara el fluido, este efecto de área variable del orificio a partir de la señal de control neumática variable de 3 a 15 PSI permiten a la válvula de control su condición ideal de elemento final de control para controlar las diferentes variables operacionales. En la siguiente figura se muestran el esquemático general de una válvula de control de regulación en la jaula. 1. Vastago y obturador: Encerrado y guiado por jaula. Una arandela de teflón hace de sello entre obturador y jaula, impidiendo el pase. 2. Empaquetadura de bonete: Acero inox. 316 en espiral con relleno de asbesto proporciona un sello ajustado entre cuerpo y bonete. 3. Jaula: Acero inox. fundido, tipo 420 endurecido, con ventanas de diseño especial, proporcionan la característica de flujo deseada y una acción modulante inigualada. 4. Resorte de carga: Su diseño peculiar proporciona una carga constante entre la jaula y el asiento compensando !o^cambios debidos a variaciones de temperatura, 5. Anillo de asiento: El standard es de acero inox. tipo 410, endurecido, para servicios normales. Para condiciones más severas se dispone de superficies estelitadas. 6. Sello de asiento: El sello autoenergizante de teflón en la DDBOYS y el anillo de granito en la DDBOS evitan el pase entre el asiento y el cuerpo, minimizando la erosión y prolongando la vida en servicio.

Capítulo III: Válvulas de Control



4. APERTURA RÁPIDA, LENTA y LINEAL En las válvulas de control de regulación en la jaula, es el diseño de la jaula quien determina las características de caudal de la válvula; es decir, la relación que existe entre la posición del tapón o obturador y el caudal de paso del fluido. Los tipos de apertura y las características más significativas son la de apertura rápida, la lineal y la lenta. Para la válvula de cierre rápido la jaula tendrá los orificios de la jaula en forma de un cono con la parte ancha hacia arriba de modo que el tapón pueda cubrir la mayor cantidad de área del orificio con el menor recorrido. En este caso el caudal diminuye demasiado al principio de la carrera al llegar rápidamente la mayor área cubierta del orificio. Para la jaula con cierre lineal; el caudal es directamente proporcional a la carrera del tapón u obturador. Gráficamente se representa por la línea recta. La jaula para el cierre lento tiene forma de cono con la parte ancha hacia abajo; cada incremento de la carrera del obturador produce un pequeño cambio en el caudal en comparación al caudal que fluía antes de la variación. Puede verse en su representación gráfica que se caracteriza porque al principio de la carrera del vastago de la válvula la variación del caudal es pequeña y al final, pequeños incrementos en la carrera se traducen en grandes variaciones de caudal. En la siguiente gráfica se pueden observar las formas que tendrán las jaulas de los cuerpos de las válvulas para obtener comportamientos de: cierre rápido, lineal y lento, así como las curvas características de cada uno. 1. 2. 3.

»

'

• »' »

.

•: :.-:-

.

LÍE

CIERRE RÁPIDO. CIERRE LENTO. CIERRE LINEAL

Hí ni • . .• •

CIERRE RÁPIDO

Capítulo III:


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....

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.

,

•

••• ! I

'

III

CIERRE LENTO

10



5. ACCIÓN DIRECTA E INVERSA EN LAS VÁLVULAS DE CONTROL Según su acción, los cuerpos de las válvulas se dividen en válvulas de acción directa cuando tienen que bajar para cerrar, y válvulas de acción inversa cuando tienen que subir para abrir. Esta división de acción directa y acción inversa la define los actuadores o servomotores neumáticos, que son de acción directa cuando se aplica aire de control para desplazar el vastago hacia abajo y cerrar la válvula, y son de acción inversa cuando se aplica aire de control al actuador para que este pueda desplazar el vastago hacia arriba para abrir la válvula. Al combinar estas acciones se considera siempre la posición que tiene la válvula sin aire de control sobre su diafragma, es considerar que la válvula sin ninguna acción de control estará totalmente abierta y por ello esta válvula será de aire para cerrar, o la otra condición de una válvula que sin aire de control estará totalmente cerrada y será una válvula de aire para abrir. Para la válvula de control de aire para cerrar se le aplica presión de control al actuador para que el resorte se comprima y el pistón se coloque dentro de la jaula (acción directa) y se abre por la acción del resorte. Para la válvula de control de aire para abrir se le aplica presión de control al actuador para^ retirar el tapón de la jaula manteniendo su apertura al 100% (acción inversa) y se cierra por la acción del resorte. En las siguientes figuras se muestran las válvulas de control de aire para cerrar y de aire para abrir. Se podrá observar que esta condición de acción directa o acción inversa de la válvula de control depende únicamente del actuador de la válvula y en forma práctica se puede identificar por la alimentación del aire de control. En las válvulas de aire para cerrar se alimentan con la señal neumática de control por arriba del actuador, mientras que las válvulas de aire para abrir se alimentan con la señal neumática de control por la parte de abajo del actuador. En las siguientes figuras se muestra la válvula de aire para cerrar y la válvula de aire para abrir. 1.

3-15 PSI

V / 1.

AIRE PARA CERRAR

3-15 PSI

AIRE PARA ABRIR

En las instalaciones industriales se tendrán válvulas manuales antes y después de la válvula de control y donde en condiciones normales de operación estas válvulas manuales estarán abiertas. En paralelo con la válvula de control esta la válvula manual de by pass que en condiciones normales de operación estará cerrada. En el momento que se haga necesario reparar o reemplazar una Capitulo III:


11



válvula de control será necesario desviar el paso de fluido a través de la válvula de by pass, para ello será necesario abrir gradualmente la válvula de by pass y cerrar la válvula manual antes de la válvula de control y después cerrar la válvula manual después de la válvula de control. Una vez reparada o reemplazada la válvula de control se abrirá la válvula manual antes de la válvula de control, y posteriormente se abre la válvula manual después de la válvula de control y luego se cierra la válvula de by pass. Dado que las válvulas de control tienen una posición definida cuando no están comandadas, es por ello que se podrán utilizar criterios de seguridad para las instalaciones industriales a partir de la condición de cierre o de apertura que deberá tener la válvula para cuando fallen los controles y la válvula quede sin la presencia de ninguna señal neumática de control. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de cómo se instalan las válvulas de control.

Aire para Cerrar. -~3rrsmJr Lazo
La válvula de control deberá quedar en la condición que genere la mayor seguridad para la integridad de las instalaciones en el momento que fallen los controles y la válvula este sin señal, a modo de ejemplo en el separador liquido-gas de la figura anterior lo mas riesgoso para las instalaciones es que se vaya liquido por la línea de gas y por ello la válvula será de aire para abrir, es decir la válvula queda cerrada sin señal neumática de control evitando con ello que pueda llegar liquido a las instalaciones que siguen, mientras que la válvula de control de nivel estará de aire para cerrar, es decir queda abierta y así evita el exceso de presión en el separador y el liquido y gas se envían conjuntamente a los tanques de almacenamiento de liquido. Serán criterios lógicos de seguridad lo que permitirá al instrumentista definir el tipo de válvula de control de aire para abrir o cerrar que tome la válvula.

Capitulo III:


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6. MAYOR DESPLAZAMIENTO CON LA MISMA SEÑAL DE CONTROL Las dimensiones de los cuerpos de las válvulas de control para conectarse en las tuberías son usualmente de 2", 3", 4", 6" y 8". Para atender estos diferentes requerimientos se requiere mayor desplazamiento del vastago en la medida que aumenta el diámetro de la tubería a la cual será instalado la válvula de control y manteniendo la misma señal neumática de control de 3 a 15 PSI. Para diámetros mayores de las tuberías el cuerpo de la válvula deberá ser mayor y será mayor el recorrido del vastago para cubrir los orificios más grandes que estarán en las jaulas. Para poder atender los diferentes diámetros de las tuberías antes reseñadas los vastagos deberán realizar recorridos que se correspondan con el tamaño de su cuerpo. Estos desplazamientos lineales de los vastagos son: %", 1.1/2", 2.1/8" y 3" y se consiguen estos diferentes desplazamientos del vastago alimentando a los diferentes actuadores con la misma señal neumática de control de 3 a 15 PSI. Los fabricantes de válvulas de control deberán construir los actuadores y cuerpos específicos para adaptarse a cada diámetro de las tuberías donde serán instaladas. Al utilizar la misma señal de control neumático de 3 a 15 PSI para regular los diferentes desplazamientos lineales del vastago y así poder adaptar este desplazamiento a los diferentes diámetros del cuerpo, obliga variar el diámetro del diafragma del actuador para así variar la fuerza de la presión que comprimirá diferentes resortes de diferentes válvulas de control. La FuerzaPREsióN=(3 a 15)PSIx(Area Diafragma) variara en la medida que se varié el diámetro del diafragma y así tener las diferentes fuerzas que serán necesarias para desplazar los diferentes tapones para adecuarse a los diferentes diámetros de las válvulas con la misma presión de control. El tamaño del servomotor neumático debe ser proporcional al cuerpo de la válvula, por lo que los fabricantes establecen normalizaciones entre ambas partes, sin embargo las condiciones del proceso pueden influir notablemente y por lo general se hace necesario un actuador sobredimensionado. Con las consideraciones anteriores del actuador o servomotor neumático, se deben reforzar las ventajas del mismo: la energía auxiliar es aire comprimido a baja presión, tiene una posición definida cuando no esta comandada, se puede controlar con una señal desde el propio controlador y no requiere de tableros y protecciones de sobrecarga. Por estas razones se utilizara este tipo de actuador en todas aquellas aplicaciones de válvulas que posibiliten su uso. Se entenderá que otras aplicaciones de válvulas se tendrán otros tipos de servomotores a modo de ejemplo servomotores eléctricos para mover válvulas de bola para el cierre total o la apertura total al paso de fluido en una tubería, o la de actuadores electro-hidráulicos para accionar válvulas en sistemas de seguridad. Son en las aplicaciones reales que están en las industrias donde aparecerán otras diferentes válvulas para otras diferentes aplicaciones y que tendrán otros tipos de actuadores, desde la que son abiertas o cerradas manualmente hasta las que serán activadas telemétricamente. En las siguientes figuras se muestra el diagrama de equilibrio de fuerzas del actuador, así como ejemplos de diferentes tamaños de actuadores para los diferentes diámetros de los cuerpos de las válvulas. Capítulo III:


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î/""

£

(3 a 15)PSI


FuerzaPRESióN= PresíónxArea Fuerza= (3 a 15)PSIx(Area Diafragma)

A 1^

"I1 ' €> ^¿rf TP^ *-J-™

A ^

FuerzaRESORTE= K.X •

K: Constante Elongación del Resorte X: Desplazamiento del Vastago X: Desplazamiento del Vastago

7. DIFERENTES TIPOS DE VÁLVULAS En la practica la atención de los diferentes requerimientos y exigencias industriales existentes conllevaron a la construcción de una variedad de válvulas que podrán tener tanto los cuerpos como los servomotores adaptados muy particularmente para los diferentes requerimientos de cada instalación. La variedad de válvulas que se construyen para atender las diferentes aplicaciones industriales a grandes rasgos serán las siguientes: VÁLVULA MARIPOSA

Capitulo III:


VÁLVULA DE BOLA

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VÁLVULA DE JAULA

DIVERSOR/4 ( 3 VÍAS)


VÁLVULA SIMPLE ¿SIENTO

OBTURADOR EQUILIBRADO

EN Y

EN ¿N6ULO

3

Ti V/ALVUL¿ DE OBTURADOR EXCÉNTRICO ROTATIVO

VÁLVULA DE M/4CHO

.CERRADA

ABIERTA

50


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VÁLVULA DE COMPRESIÓN


VÁLVULA DE CUERPO PARTIDO

Características Generales de las diferentes Válvulas: Tipo

6ama de tamaño

Máxima presión

(pulg.)

Máxima temperatura

(Psi)

Material de construcción

(°F)

Retención

1/8-24

Hasta 10000

Hastal200

Aleaciones especiales, acero inoxidable, acero, bronce, hierro

Bola

1/8 - 42

Hasta 10000

Hasta 1000 criogénica

Hierro, acero, latón, bronce, acero inoxidable; plásticos y aleaciones especiales

Aguja

1/8-1

Hasta 10000

Hasta 500 criogénica

Bronce, acero, hierro, acero inoxidable

, •:• S. -

Globo

1/2-30

Hasta 2500

Hasta 1000 \


Compuerta

1/2-48

Hasta 2500

Hasta 1800 1


Ángulo

1/8 -10

Hasta 2500

Hasta 1000


Hasta

Hasta 2000

Materiales para fundir o

Mariposa


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2000

maquinar. Camisas de plástico, caucho o cerámica.

Macho

Hasta 30

Hasta 5000

Hasta 600

Hierro, latón, acero, acero inoxidable, bronce; plásticos y diversas aleaciones.

VÁLVULA DE SIMPLE ASIENTO

Las consideraciones que se dieron para la válvula de apertura regulada en la jaula son casi las mismas para la válvula de simple asiento, tanto para el actuador, así como en las dimensiones del cuerpo. La gran diferencia esta en el diseño interior del cuerpo de la válvula, en esta se tiene el asiento de una válvula que esta como fundido del mismo material del cuerpo y donde el obturador con su diseño será quien regulara el paso del fluido a través de la válvula. Tal como se muestra en la siguiente figura en el cuerpo de la válvula de control de asiento simple, entra el fluido a la válvula depositándose en la parte baja del cuerpo y donde la posición del obturador regulara el paso del fluido hacia arriba a través del obturador de la válvula, permitiendo el paso del fluido por el cuerpo de la válvula. En las válvulas de simple asiento es el diseño que tenga el obturador quien determinara si el fluido en relación al desplazamiento del vastago es de apertura rápida, apertura lenta o apertura lineal. En la siguiente figura se muestra un esquemático general de una válvula de control de simple asiento, así como la forma que tendrá el obturador para determinar si el tipo de apertura de la válvula es rápida, lineal o lenta. 3 a 15 PSI

APERTURA RÁPIDA

APERTURA LINEAL

APERTURA LENTA

n


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En condiciones reales, la presión diferencial entre la entrada y la salida del cuerpo de la válvula cambia con el porcentaje de apertura, y por lo tanto se establece una nueva condición de caudal, conocida como característica de caudal real o efectiva. Esto debe tomarse muy en cuenta para los efectos del control, porque además de la apertura de la válvula como acción de control, los demás integrantes del sistema pueden modificar la respuesta del sistema. VÁLVULA TIPO COMPUERTA Es utilizada para el flujo de fluidos limpios y sin interrupción, este tipo de válvula no es recomendable para estrangulamiento ya que posee un disco que se alterna en el cuerpo lo que causaría una erosión arruinando su funcionamiento. En las válvulas de compuerta el área máxima del flujo es el área del circulo formado por el diámetro nominal de la válvula, debido a esto es que se recomienda el uso en posiciones extremas, o sea, completamente abierta o completamente cerrada, ya que de ser así ofrecen la mínima resistencia al paso del fluido y así su caída de presión es muy pequeña. En las siguientes figuras se muestran varias válvulas de compuerta.

Existen diferentes tipos de válvulas de compuerta, los que se diferencian mayormente por el tipo de disco para el cierre, como lo son: válvula de compuerta tipo cuña sólida, tipo flexible, tipo abierta, válvulas de guillotina, válvulas de cierre rápido. Normalmente este tipo de válvulas son construidas en su cuerpo de latón, bronce, hierro, acero fundido. En su interior normalmente son de bronce, acero inoxidable, acero aleado, monel, cromo, estelita o molibdeno. Dependiendo del uso que se le dé a la válvula y del tipo de fluido va a cambiar el material de construcción. Otro cambio que surge es el tipo de unión unas con soldadura, otras es con bridas. Capitulo III: Válvulas de Control

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VÁLVULAS DE RETENCIÓN (Válvula Chek) Las válvulas de retención se usan como medida de seguridad para evitar que el flujo retroceda en la tubería, también se usan para mantener la tubería llena cuando la bomba no esta funcionando automáticamente. Este tipo de válvula se usa en serie con las de compuerta y funcionan en posición horizontal o vertical. La presión del fluido circulante abre la válvula, el peso del mecanismo de retención y cualquier inversión en el flujo la cierra. Existen distintos tipos de válvulas de retención y su selección depende de la temperatura, caída de presión que producen y la limpieza de fluido. Ciertas válvulas de retención se pueden equipar con pesos externos. Esto producirá el cierre rápido del disco. Este tipo de válvula se compone principalmente de asiento, cuerpo, disco, pasador oscilante. Las válvulas de retención de bisagra constan de un disco colocado sobre el agujero de la válvula. Cuando no hay flujo el disco permanecerá contra el asiento debido a la gravedad. Es importante resaltar que este tipo de válvula es unidireccional o sea el flujo corre el un solo sentido. En la siguiente figura se muestran las válvulas chef o de retención. Anillo de asiento Seat ring

Cuerpo Body

Clapeta Ctapper

Pasador Hinge Pin

Este tipo de válvulas se puede poner en posición vertical como horizontal, notando que en la posición vertical debe estar con flujo ascendente. Las válvulas de retención de bisagra se fabrican con una amplia gama de materiales: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, monel, acero fundido y acero inoxidable. Los extremos pueden ser de rosca, con brida o soldados. Un tipo especial de válvula de retención es la especial para vapor. Esta se utiliza en las instalaciones de calderas para evitar contracorriente de vapor. En este tipo de válvulas el vastago no queda conectado al disco, solo sirve para mantener el disco en el asiento. Si el vastago sube, la presión del vapor levanta el disco permitiendo el paso de vapor. Otros tipos de válvulas de retención son: válvulas de retención tipo columpio, chapaleta o clapeta, tipo pistón, tipo bola o balín. Capitulo III:


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VÁLVULAS DE GLOBO La principal función de las válvulas de globo es regular el flujo. Estas válvulas regulan el fluido desde el goteo hasta el sellado hermético. Además siguen siendo eficientes para cualquier posición del vastago. Debido a que la caída de presión es bastante fuerte (en todo caso siempre controlada) se utilizan en servicios donde la válvula de compuerta no puede. Estas válvulas necesitan igual espacio y pesan casi lo mismo que las válvulas de compuerta. Una de las características que posee esta válvula es la construcción interna, donde posee un disco o macho cuyo movimiento se alterna dentro del cuerpo. Se componen principalmente de volante, vastago, bonete, asientos, disco y cuerpo. Estas válvulas globos se construyen de variados tipos como por ejemplo: • • • • • •

Válvulas de globo tipo Válvulas de globo tipo Válvulas de globo tipo Válvulas de globo tipo Válvulas de globo tipo Válvulas de globo tipo

esférico. disco cónico. aguja. émbolo o pistón. ángulo. de pie (fondo de caldera).

Analizando algunas de las válvulas de la lista anterior tenemos el caso de las válvulas de globo tipo ángulo que tienen conexiones de entrada y de salida en ángulo recto. Su empleo principal es para el servicio de estrangulación y presenta menos resistencia al flujo que las de globo. Los componentes de la válvula de ángulo son los mismos que los utilizados en las válvulas de compuerta. La forma en ángulo recto del cuerpo elimina uso del codo porque el flujo del lado de entrada está en ángulo recto con el lado de salida, comúnmente se fabrican de bronce, hierro fundido, etc. La válvula en Y, que son una modificación de la válvula de globo, tiene el conducto rectilíneo de una válvula de compuerta. El orificio para el asiento está a un ángulo de 45° con el sentido de flujo. Por lo tanto se obtiene una trayectoria más lisa, similar a la de válvula de compuerta y hay menor caída de presión que en la válvula de globo convencional; además tiene buena capacidad de estrangulación. Otro caso de válvulas que se crearon a partir de una modificación en la válvula de globo o que mejor dicho que es de la misma familia tenemos a la válvula (de globo) tipo aguja. Las válvulas de aguja son básicamente válvulas de globo que tienen machos cónicos similares a agujas que ajustan con presión en sus asientos. Al abrirlas, el vastago gira y se mueve hacia afuera. Se puede lograr estrangulación exacta de volúmenes pequeños debido al orificio variable que se forma entre el macho cónico y su asiento también cónico. Por lo general se utilizan como válvulas para instrumentos en sistemas hidráulicos, aunque no es recomendable para altas temperaturas. Suelen ser de bronce, acero inoxidable, latón y otras aleaciones. VÁLVULA DE BOLA Como su nombre lo dice este tipo de válvulas posee un macho esférico que controla la circulación del líquido. Estas válvulas son válvulas de macho modificadas, y su uso estaba limitado debido al asentamiento de metal con Capitulo III:


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metal, el que no permitía el debido cierre. Ahora producto de los avances en la fabricación de plásticos se han sustituido los asientos metálicos por plastómeros modernos. Consisten en un cuerpo con orificio de venturi y anillos de asientos, una bola para producir el cierre y una jaula con vastago para desplazar la bola en relación con el orificio. Son rápidas para operarlas, de mantenimiento fácil y su caída de presión es función del tamaño del orificio. La válvula de bola está limitada a las temperaturas y presiones que permite el material del asiento. Se puede emplear para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, pastas aguadas y materiales pulverizados secos. Los principales componentes de estas válvulas son el cuerpo, el asiento y la bola. En las siguientes figuras se muestran dos válvulas de bola.

Vastago t

Muñón superior

1

Cuerpo Bacty

los do asiento S&atring Terminal

Muñón inferior tortor frttmtion

Hay dos tipos principales de cuerpos para válvulas de bola: • Cuerpo dividido: la bola y asientos se instalan desde los extremos. •

Entrada superior: acá la bola y los asientos se instalan por la parte superior. Las válvulas de bola no requieren lubricación y funcionan con un mínimo de torsión. Casi siempre la bola es flotante y el sellamiento se logra con la presión de corriente hacia arriba que empuja la bola contra el anillo de asiento. VÁLVULA MARIPOSA

El nombre de esta válvula viene de la acción tipo aleta del disco regulador de flujo, el que opera en torno a un eje que esta en ángulo recto al flujo. Esta válvula obtura y regula. La válvula de mariposa consiste en un disco (llamado también chapaleta u hoja), un cuerpo con cojinetes y empaquetadura para sellamiento y soporte, un eje, y un disco de control de fluido. Este tipo de válvula es recomendada y usada especialmente en servicios donde el fluido

Capitulo III:


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contiene gran cantidad de sólidos en suspensión, ya que por su forma es difícil que estos se acumulen en su interior entorpeciendo su funcionamiento. Aunque estas válvulas son excelentes utilizándolas para control de fluido, su uso más común es para servicio de corte y estrangulamiento cuando se manejan grandes volúmenes de gases y líquidos a presiones relativamente bajas. Para la estrangulación el disco se mueve a una posición intermedia, en el cual se mantiene por medio de un seguro. En las siguientes figuras se muestran dos válvulas mariposas.

Se pueden encontrar de extremos roscados, y para tamaños mayores con bridas. Todas estas válvulas tienen limitaciones de temperatura debido al material de asiento y el sello. El funcionamiento básico de las válvulas de mariposa es sencillo pues sólo requiere una rotación de 90° del disco para abrirla por completo. Además, son válvulas de control muy eficientes en comparación a las otras válvulas de control del tipo globo ya que la velocidad de la corriente en el flujo no se pierde, porque el fluido circula en forma aerodinámica alrededor del disco. El flujo en los asientos restringidos en las válvulas de globo y alrededor del macho ocasiona grandes caídas de presión. 8. PARÁMETROS PARA SELECCIONAR LA VÁLVULA DE CONTROL Al instalar una válvula de control en una tubería el cuerpo de la válvula debe adaptarse y adecuarse a las caratecristicas de la tubería y a las características físico-químico del fluido que circula por la tubería y a las condiciones de trabajo Capitulo III:


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en la línea definidas por la presión de la línea y a la temperatura a la que podrá estar sometida la válvula. El cuerpo de la válvula de control deberá tener un diámetro que se corresponda con el diámetro de la tubería y se conectara a las facilidades de brida o rosca que proporcione la línea, la presión del fluido que circula por la tubería somete al cuerpo de la válvula a esas condiciones y por lo tanto la misma deberá tener la robustez mecánica que soporte la presión del fluido que circula por la tubería sin fracturarse, del mismo modo deberá soportar las temperaturas extremas a las que pueda estar expuesta la tubería, así mismo se debe considerar la erosión y corrosión producida por el fluido para definir la robustez y dureza que corresponda para la jaula y así garantizar su durabilidad a lo largo del tiempo. La válvula de control deberá quedar en la condición que genere la mayor seguridad para la integridad de las instalaciones en el momento que fallen los controles y la válvula quede sin señal neumática de control, por ello se seleccionara la válvula con el tipo de actuador que defina la condición de aire para abrir o de aire para cerrar según corresponda a la seguridad de las instalaciones. En la siguiente figura se muestra la válvula de control.

Parámetro definido para el Actuador: •Válvula de aire para abrir o aire para cerrar.

Parámetros definidos para el Cuerpo: • Diámetro de la tubería. • Presión del Fluido en la tubería. •Temperatura máxima en la tubería. • Fase liquida o gaseosa del Fluido. •Características físico-química del fluido. •Tipo de apertura: rápida, lenta o lineal. •Tipo de unión: bridada o roscada. Al considerar que en diferentes procesos industriales habrá tuberías que estarán trabajando en altas presiones, otras a presiones medias y otras a presiones bajas, obliga por razones de seguridad y de costos a seleccionar la válvula a partir de la presión de trabajo, así como a la temperatura del ambiente donde estará ubicada la válvula. Mientras mayor presión y temperatura soporte el cuerpo de ia válvula será mas costosa, esto deberá equipararse con el riesgo que implica colocar una válvula en unas condiciones presión-temperatura que supere sus capacidades nominales y que podrá concluir en el momento menos esperado en la fractura de la válvula con las consecuencias de seguridad y de producción que implica una rotura de la línea. Para la selección de las válvulas de control considerando las condiciones de trabajo Presión-Temperatura a las que podrán estar sometidas las válvulas se Capitulo III:


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tienen normas que conocen los fabricantes y que ofrecen a los usuarios para ayudar en la selección de las mismas. Existen un conjunto de normas para definir las máximas caídas de presión en las válvula en relación a la temperatura a la que esta sometida la misma. Las tabulaciones gráficas que determinan los limites de trabajo a los que podrán estar sometidas las válvulas garantizando su integridad están contempladas por ejemplo en las Normas ANSÍ 150, 300, 600, que tienen tabuladas estas curvas, a modo de ejemplo en la siguiente figura se muestra la curva para ANSI-600. Toda válvula de control que este trabajando a valores de Presión-Temperatura que superen el punto de trabajo delimitado o por encima de la curva es incorrecto y presenta el riesgo de sufrir daños de fracturas del cuerpo de la válvula. ANSÍ 600 Caída de Presión PSI

1500 1400 1300 1200 1100

\

1000 900

\

800 700 600 100

200

300

400

500

Temperatura de Trabajo Máximo en °F

9. DIMENSIONAMIENTO DE LA VÁLVULA:

EL cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión y corrosión producida por el fluido. Debe producir la menor turbulencia y el menor efecto de carga posible en posición toda abierta. El caudal que debe manejar la válvula en función de la perdida de carga producida es lo que se conoce como dimensionamiento. Este comportamiento establece cálculos entre el porcentaje de caudal y la caída de presión, comportamiento que depende de varios factores, entre ellos: la presión, la temperatura y la viscosidad del fluido. Este comportamiento es importante al Capitulo III: Válvulas de Control

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momento de seleccionar una válvula, y los fabricantes han establecido una normalización por intermedio de dos coeficientes, el Cv y el Kv.

Coeficiente Cv: Ha sido el primero de los coeficientes utilizado para determinar el dimensionamiento de las válvulas, fue empleado inicialmente en los Estados Unidos de América y se defina como: Por definición, el coeficiente Cv es el número de galones USA de agua que atraviesa en un minuto una estrangulación producida por una válvula generando una caída de presión de 1 PSI. Por ello a modo de ejemplo se tendrá una válvula que posee un Cv de 12 cuando con una caída de presión de 1 PSI es atravesada a plena apertura por un caudal de 12 galones de agua por minuto. Coeficiente Kv: Es el coeficiente aplicado en los países que utilizan el sistema métrico decimal, definido como: el caudal de agua en m3/h que a una temperatura comprendida entre los 5 y 30 °C puede atravesar a una válvula abierta en un porcentaje dado y produce una perdida de carga de 1 Kgr/Cm2. Cuando se define el Kv para una apertura del 100% se le denomina Kvs. Por lo tanto se puede establecer una equivalencia entre las dos constantes: Kvs = 0,86 Cv

El tipo de fluido es determinante en el coeficiente, es decir, si la válvula puede ser usada para líquidos y para gases, el Cv será diferente en ambos casos. Vale la pena decir que también será distinto dependiendo de la viscosidad del líquido. De manera que si se analiza a la válvula como una restricción de área variable (A2) dentro de la tubería al paso del fluido es preciso aplicar la ecuación de Bernoulli para determinar el Cv por vía analítica:

Pl r

P2 Y

(A)

Donde: VI: Pl: Al: 1/2: P2: A2: y : g:

Capitulo III:

es la velocidad de entrada del fluido a la válvula. la presión del fluido a la entrada de la válvula. área de la tubería por donde circula el fluido. es la velocidad de salida del fluido de la válvula. la presión del fluido a la salida de la válvula. área variable de la restricción de la válvula. Es el peso específico del fluido, la aceleración de la gravedad.


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Para ejemplarizar el uso de la ecuación (A) se presenta una tubería con una válvula de regulación en la jaula como restricción al paso del fluido.

(VI ; P l )

(V2 ; P2 )

El caudal se determina en función del área variable de la válvula (A2) y la velocidad del fluido, dado que Caudal = Volumen/tiempo = Velocidad.Área. Las áreas son (Al) que es el área de la tubería por donde circula el fluido y el área variable de la restricción del cuerpo de la válvula (A2). Partiendo del principio de que el caudal que entra al cuerpo de la válvula de control es el mismo caudal que sale de la válvula se obtiene la relación del caudal de la tubería a partir de las velocidades de entrada y salida de la válvula:

Ql = Q2 = V\ .Al = V2.A2 => VI = V2

A2_ Al

(B)

Sustituyendo a VI (B) en la ecuación de Bernoulli (A) y operando se obtiene la ecuación:

(F2—)2

Pl

V 22

Y

P2 Y

Agrupando términos y despejando V2 resulta:

_ \2g(P2-P\) (C)

Si "a" es el área efectiva por donde el fluido atraviesa a la válvula, se puede establecer una relación de descarga Cd, donde: Capitulo III:


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a cd= A2

(D)

y al referir el peso especifico del fluido al agua a 60 °F, se tiene:

rw=r-G

(E)

donde G es el factor de relación ( si es agua G=l). considerando a=A2 resulta:

Se obtiene el caudal Q, y

(F)

Luego de lo cual se determina que el caudal esta dado por:

(G)

Para aplicar la definición del Cv, AP es de un PSI y el fluido es agua a 60 °F, es decir G=l. Otro aspecto importante a analizar para el correcto uso y selección de las válvulas de control es lo referente a la viscosidad del fluido. Si esta propiedad supera los 20 centistokes o 100 SSU, es necesario utilizar un factor de corrección del Cv. Cuando se trata de fluidos compresibles (gases), la ecuación del Cv es determinado de manera análoga a los líquidos, pero con la condición de mantener constante la temperatura y estableciendo criterios entre la caída de presión en la válvula y las presiones de entrada y salida, en términos de presiones y temperatura absolutas. Así por ejemplo: el Cv para un gas cuando la presión absoluta de entrada sea menor que la caída de presión en la válvula viene dada por:

Cv= " '

GI

963 \ AP(P1 - P2)

(H)

La determinación del Cv de una válvula para determinada aplicación no es cosa sencilla, los fabricantes acuden a ensayos físicos para determinar valores reales, publican abacos y programas para que los diseñadores de plantas Capitulo III:


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puedan concebir sus proyectos lo más acorde con la realidad. Sin embargo muchas veces no se esta seguro de los resultados hasta que se prueba y la finalidad del desarrollo de la ecuación para calcular el flujo a partir de Cv es proporcionar el argumento analítico que permite definir los criterios para determinar o considerar el valor que asume Cv como parámetro fundamental para seleccionar una válvula de control.

10. CAVITACIÓN Y RUIDO EN LAS VÁLVULAS

Cuando un fluido liquido atraviesa una válvula, sufre un estrangulamiento y en consecuencia un aumento de la velocidad a la presión mínima. El incremento de la velocidad puede hacer que la presión del líquido llegue a ser menor que la presión de vapor saturado, produciendo entonces burbujas de vapor. Este estado es transitorio, porque la presión volverá a incrementarse al cesar la restricción, por lo que las burbujas de vapor volverán a la fase liquida. La cavitación es la transformación de una porción de liquido a fase vapor, durante una aceleración rápida del fluido en el orificio de la válvula, con el consiguiente colapso de las burbujas de vapor aguas abajo. El colapso de las burbujas de vapor produce ondas de presión muy superiores a la presión de trabajo en la tubería por donde circula el fluido y es la mayor responsable del rápido desgaste de las partes internas del cuerpo de la válvula bajo condiciones de altas caídas de presión. La cavitación no solamente produce un rápido deterioro del obturador, asiento y jaula de la válvula, sino que también causa ruidos molestos y problemas de vibraciones. Es necesario comprender para prevenir este fenómeno, particularmente cuando la válvula de control regula la apertura de la válvula generando caídas de presión elevadas. Cuando una válvula cavita excesivamente se deteriora. La razón es que el bombardeo de burbujas limita la capacidad de la válvula a partir de un caudal crítico, produciendo unos impactos de una energía tal que erosionan el metal en poco tiempo. Por lo tanto la cavitación debe evitarse, ya sea por un diseño adecuado del cuerpo de la válvula o por una utilización acorde con sus dimensiones en el proceso. La cavitación en válvulas de control que regulan líquidos puede suceder cuando la presión estática del líquido que circula por la válvula baja a valores por debajo de la presión de vapor del fluido. En este punto se rompe la continuidad del fluido por la formación de burbujas de vapor. Como las válvulas de control evidencian una recuperación de presión aguas abajo y esta presión resultante es mayor que la presión de vapor del fluido permite que las burbujas de vapor que se formaron se reviertan a fase liquida. Esta recuperación de vapor en una válvula de control es función de su particular construcción interna. En general, cuanto mas suave sea el perfil interno de una válvula, más recuperación de presión se produce. En la siguiente figura se observa una válvula de control en una tubería donde se identifican tanto el lugar donde podrá ocurrir la cavitación, así como el comportamiento de la presión del fluido en el recorrido de la tubería antes y después de la válvula y donde se observa que habrá Capitulo III: Válvulas de Control

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cavitación cada vez que la presión del fluido llegue alcanzar un valor inferior a la presión de vapor del fluido.

i

PI

/

Cavitación

P2

PY. Donde: Pl = presión de entrada a la válvula. P2 = presión de salida de la válvula. Pv = presión de vapor del liquido.

La caída de presión a la que se experimenta cavitación en una válvula de control se denomina "Caída de Presión Critica (AP critico)". Existirá plena cavitación si la APreal es mayor que la AP crítico y si la presión de salida (P2) es mayor que el AP crítico. Dado que el colapsamiento o implosión de las burbujas de vapor ocurre rápidamente y durante ese proceso se disipa energía extremadamente alta en un área localizada del cuerpo de la válvula en un corto periodo de tiempo, produciendo esfuerzos superficiales que se estima muy superior a los de la presión de trabajo. Estas fuerzas locales altamente destructivas aplicadas a la válvula deben ser corregidas. Al igual que los coeficientes Cv y Kv, los fabricantes han definido un coeficiente para la cavitación, "Coeficiente de cavitación Incipiente" (Kc). Jfc-í!^ (!) P\-Pv Para reducir la cavitación el remedio es reducir la caída de presión en la válvula por debajo del A? critico, esto puede hacerse elevando Pl y otra solución es escoger una válvula de control donde su diseño proporcione un mayor Kc. Las válvulas de regulación en la jaula ayudan en minimizar la cavitación por tener que la presión de entrada (Pl) rodea la jaula cilindrica y con ello pasa el fluido por los orificios en la jaula que están a su alrededor. La presión de entrada (Pl) posibilita el paso del fluido a través de estos orificios que dirigen los chorros de líquidos cavitante, en forma de burbujas de vapor al centro de la jaula. Las burbujas de vapor colapsan unas con otras dentro de la jaula y no sobre las superficies metálicas del cuerpo de la jaula y así evita el daño físico y el desgaste de la cavitación. Capitulo III:

.


:

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CONVERTIDORES I/P


INTELIGENTES

En la siguiente figura se muestra el hardware + el convertidor I/P que en su integración conforman al Convertidor I/P Inteligente y que permitirá regular la apertura de una válvula de control a través de la tarjeta maestra en el PLC.

Convertidor Tensión/Corriente

El mismo hardware y software básico de los transmisores inteligentes se utiliza en los convertidores I/P inteligentes. Desde el Bus de Datos se alimenta un Convertidor Digital-Analógico (CDA) que proporciona a su salida una tensión eléctrica directamente proporcional al DATO que ingresa al convertidor, esta salida de tensión del CDA alimenta un convertidor Tensión-Corriente lo que permite a la salida del mismo la señal de 4 a 20 mA necesarias para mover el obturador que regulara la salida de aire de control que alimentara el actuador de la válvula de control. La señal de 4 a 20 mA será directamente proporcional al DATO que envió el programa que corre el PLC a través de la tarjeta maestra. Una vez obtenida la señal de corriente entre 4 a 20 mA el resto del funcionamiento del equipo consiste en un convertidor I/P común, que funciona por el sistema Tobera-Obturador, donde el aire de instrumentos llega a un regulador de presión que determina la presión de trabajo del convertidor, la salida del regulador de presión se conecta con una tobera que tendrá un obturador que regulara su posición en la medida que se modifique la señal de corriente entre 4 a 20 mA que circula por la bobina. Al variar la corriente entre 4 a 20 mA que circula por la bobina se varia el flujo magnético del núcleo de la bobina y este podrá variar la atracción magnética que ejerce sobre el obturador y con ello modificar su posición con la salida de la tobera y con ello Capitulo III: Válvulas de Control

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se modifica la presión de control entre 3 a 15 PSI que saldrá del convertidor para alimentar el actuador de la válvula de control y con ello regular la apertura del área del cuerpo de la válvula, modificando el paso del fluido por el mismo y con ello modificando la magnitud de la variable operacional controlada desde el PLC en el proceso industrial. En las siguientes figuras se muestran dos convertidores I/P para montaje en campo.

Mando de válvulas Las válvulas con accionamiento neumático pueden regularse directamente mediante un convertidor I/P. El convertidor I/P recibe la señal eléctrica del controlador y la señal neumática desde la línea de aire de instrumentos proporcionando la señal neumática de control de 3 a 15 PSI.

Tipo 6116

Capitulo III:


31



Regulación de presión El convertidor P/I mide la presión en la tubería y la convierte en una señal eléctrica. A partir de la misma modula el regulador una señal de mando, que cierra o abre la válvula neumática a través de un posicionador.

Capitulo III:


32

PRESIÓN 1. Presión 2. Indicadores de Presión

.........2 ..

.5

3. Transmisores de Presión. 4. Calibración de Transmisores

15

5. Interruptores por Presión

17

6. Válvulas de Seguridad

19

7. Reguladores

22

8. Medición de Presión en Instalaciones Petroleras

25

9. Lazos de Control

29

Capitulo IV: Presión



1. PRESIÓN. En este libro la atención de la variable operacional presión no estará orientada en dar las interpretaciones de los diferentes transductores que puedan generar las variaciones de una señal eléctrica en proporción de los cambios de presión y como esta señal del transductor se conectara con los circuitos electrónicos que integran al transmisor, esa atención la ofrece el Capitulo II de 'Transmisores y Transductores". Los fabricantes de todos los instrumentos relacionados con la variable presión venden equipos que son construidos para atender adecuadamente con su función y cubrir las necesidades del cliente, así como, pensando en la competencia de los otros fabricantes, quienes atenderán esa necesidad de proporcionar equipos para la variable presión si el de la competencia falla. Por lo tanto, la atención del texto estará más dedicada en definir las diferentes formas de presión, en la forma constructiva de los equipos y de cómo se conectaran en campo. Al considerar la presión como variable operacional en las instalaciones petroleras se harán ejemplos de la utilización de esta variable en diferentes aplicaciones para indicar, transmitir, proteger y regular en estaciones de flujo, plantas compresoras y refinerías, tales como: la presión que se mide en la succión y descarga de los compresores, la presión de aceite que se mide para proteger los motores y turbinas al garantizar su adecuada lubricación, la presión a que se calibra una válvula de seguridad, la presión de salida de un regulador y los lazos de control de presión que están en varios equipos de las instalaciones petroleras. Se define la presión como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión puede expresarse en diferentes unidades las cuales se utilizaran dependiendo de la magnitud de la variable como por ejemplo PSI para valores altos y las pulgadas de agua para valores bajos de presión, o se definirán en PSI o en BAR por ejemplo, si las instalaciones industriales utilizan para medir la variable operacional presión en unidades norteamericanas o unidades europeas. La ecuación que define la presión, así como las unidades más representativas se muestra a continuación.

PRESIÓN = FUERZA/ÁREA

PSI = Libra/(pulgada cuadrada) BAR = Kilogramo/ cm2 Pascal = Newton/metro2




En la practica diferentes instalaciones industriales podrán utilizar como unidades para medir la presión cualquiera unidad de Fuerza/Área que se corresponda con las unidades de los fabricantes de los equipos y por ello podrán usar desde unidades europeas, como unidades norteamericanas, sin embargo, para efectos de este libro la unidad que se utilizara de manera preferencial será el PSI. CLASES DE PRESIÓN Presión Absoluta La presión absoluta es aquella que se mide teniendo como referencia el cero absoluto de la presión. EL cero absoluto es el mínimo valor de presión y se busca alcanzarlo en pruebas de laboratorio, es el equivalente al vacio total. Presión Atmosférica Es la presión ejercida por la capa de aire que rodea la tierra bajo la acción de la gravedad. Esta presión atmosférica no es constante y varia según la altitud, altitud y las condiciones atmosféricas del momento. A nivel del mar esta presión atmosférica es equivalente a los 14,7 PSIA. (PSI Absoluto). Presión de Vacio La presión de vacio, es la medida de presión que tiene valores menores que la presión atmosférica, la menor presión de vacio es el cero absoluto. El rango de la presión de vacio es pequeña comprendida desde O PSIA hasta la presión atmosférica, por ello resulta adecuado utilizar unidades diferentes a los PSI para medir las presiones de vacio, pulgadas de agua por ejemplo. En la siguiente gráfica se muestran en escala la presión absoluta, el valor de la presión atmosférica y el rango de las presiones de vacio.

.

PSIA 25

t

20

15

í

10

^Presión Atmosférica =. 14,7 PSI Absoluto

Presión de Vacio

L i

k. O PSI Absoluto

Presión Diferencial Es la diferencia entre dos presiones medidas entre dos puntos de la escala de presiones, los dos valores de presión que sirven para calcular la presión diferencial se pueden encontrar en cualquier punto de la escala. Capítulo IV: Presión

3



PSIA P3 30

dP2 = P3 - P4 25

I

20

P4

*=?.:..........

15

,

Presión Atmosférica

dPl = Pl - P2

10

r

P2

O PSI Absoluto

Presión Relativa Es la medida de presión que inicia su escala de O PSIG tomando como referencia a la presión atmosférica de 14,7 PSIA, es decir, es aquella presión que resulta de restarle a la presión absoluta la presión atmosférica. Es relativa porque la presión atmosférica cambia magnitud en relación a la altitud y por ello tendrá diferentes valores dependiendo si se esta al nivel del mar o si esta sobre el nivel del mar. En condiciones normales de trabajo y mientras no se diga lo contrario las medidas de presión en las instalaciones petroleras se darán en presiones relativas. En las siguientes gráficas se muestran las escalas de valores de presiones absolutas y presiones relativas y un ejemplo de medición usando dos manómetros que permite observar las dos magnitudes ante una misma presión.

L

PSIA

PSIG

A

25

35

-

30

-

25

-

PR: Presión Relativa. PA: Presión Absoluta. Patm: Presión Atmosférica.

20 15

PR = PA - Patm. 10

20

5

15

1-

4

1

10

Presión Atmosférica

Vac

5

é~ O PSIA


-í

-14,7 PSIG

_.


Presión Absoluta


Presión Relativa

2. INDICADORES DE PRESIÓN

Los indicadores de presión son los instrumentos que tienen la función de solamente mostrar para ser observada la magnitud de esta variable operacional. Los indicadores de presión podrán estar construidos y conformados de diferentes técnicas y por ello se encontraran instrumentos que trabajaran como indicadores mecánicos elásticos como el Tubo Bourdon, en espiral, diafragma con fuelles, así como también habrán indicadores electrónicos que trabajaran bajo el principio de tener un transductor eléctrico que se conecta a un circuito electrónico que convierte su señal eléctrica en una señal digital que se muestra en una pantalla digital. Los manómetros de Tubo Bourdon son los indicadores de presión mas comunmente usados en la industria y son instrumentos de medición basados en el principio de que un tubo se deforma proporcionalmente a la presión del fluido contenido dentro del mismo. Generalmente el Tubo Bourdon metálico es de sección elíptica cuyo eje mayor es paralelo al eje de la aguja. El tubo esta siempre cerrado en su extremo libre por medio de un tapón, mientras que en el otro extremo recibe la presión a medir por intermedio de una pieza que se fija al proceso por medio de una conexión roscada. El metal que constituye el Tubo Bourdon debe tener ciertas cualidades elásticas que le permitan después de haberse deformado, tomar su forma inicial en el Capitulo IV: Presión

5



momento que disminuya la presión del fluido. De estas cualidades dependerá la fidelidad y la fiabilidad del manómetro. La presión que llega al interior del Tubo Bourdon hace que este tienda a inflarse y su sección tratara de tomar la forma circular. Esta tendencia será mayor a medida que la presión aumente. En la siguientes figuras se muestran el despiece de un manómetro, el indicador de presión que utiliza un Tubo Bourdon como el elemento sensor y del que se aprovechara la deformación que sobre el ejerce la presión para mover una aguja indicadora. La figura muestra la caja de protección del manómetro, la conexión del tubo Bourdon, el mecanismo que aprovecha los movimientos del Tubo Bourdon y del cual esta conectado la aguja indicadora. Bajo la aguja indicadora esta conectada una regla graduada a los valores de la presión que se corresponden con la deformación del elemento sensor y el espejo de protección del manómetro.

j

Tendencia a enderezar

Presión del fluido

La presión del fluido que entra al Tubo Bourdon tendrá la tendencia a enderezar y donde mayor será el movimiento de la aguja en la medida que mayor es la presión. Los fabricantes incorporaran una escala graduada que permite aprovechar la proporcionalidad de la tendencia enderezar del tubo Bourdon en relación a la magnitud de la presión. Capitulo IV: Presión



En la práctica existe una gran variedad de manómetros como indicadores de presión y se construirán para atender diferentes rangos de medidas. En las instalaciones petroleras se tienen requerimientos de manómetros que van desde indicar las presiones mas bajas del ultimo separador de una cadena de separadores liquido-gas con un rango de hasta 80 PSI, así como en la misma estación de flujo se tendrán manómetros con rango de hasta 1200 PSI en el primer separador, así como habrán manómetros con rango de hasta 8000 PSI para las presiones de descarga de los compresores en la inyección de gas para yacimientos petroleros. Ante esta gran variedad de valores para indicar, los fabricantes de manómetros están obligados ha construir Tubos Bourdon que se adecúen a los diferentes valores de las necesidades de indicación. Por regla general, los manómetros son instrumentos diseñados para medir la presión bajo condiciones estáticas, es decir, en ausencia de vibraciones, pulsaciones, golpes de ariete (sobre-presiones intespectivas), a temperaturas entre -20 y 100 °C y a fluidos que no presenten corrosión excesiva, no sean pastosos ni cristalizares. Es por ello que si las condiciones de trabajo donde será instalado el manómetro presenta alguna de las condiciones antes señaladas, es necesario que se tomen correcciones ya que de lo contrario, el manómetro se vera seriamente afectado sufriendo desgaste o rotura prematura y en consecuencia una duración muy inferior a la que se estimo al instalarse. Para atender los requerimientos de indicación de presión en condiciones severas habrá que identificar estas condiciones para ofrecer las aplicaciones que permitan indicar la presión a lo largo del tiempo con la mayor fiabilidad y fidelidad. Las condiciones irregulares que podrán presentarse en la indicación de la presión serán: Medición de Presión a un Fluido Con Pulsaciones. Se pueden dar aplicaciones donde la presión podrá presentar pulsaciones de la magnitud de la presión que llevara a que la misma tome valores que superen y posteriormente bajen a la media de la presión que se esta midiendo con cierta periocidad. Para corregir esta irregularidad amortiguando las pulsaciones de presión que se presentan y con ello minimizar las vibraciones de la aguja indicadora, se podrán usar los manómetros llenos con baño de aceite. Medición de Presión con Presencia de Vibraciones Mecánicas. En este caso, la presión no varia siendo difícil detectar una amplitud de la vibración mecánica. Para ello se podrá usar el mismo manómetro con baño de aceite que se utiliza cuando existen pulsaciones de presión en el fluido, en caso contrario, cuando las vibraciones mecánicas son muy intensas, el instrumento deberá aislarse de la fuente productora de las vibraciones por medio de una conexión elástica. Se recomienda usar una línea de tubo enrollado entre la fuente y el manómetro, tal como muestra la figura A. Medición de Presión de Fluido a Alta Temperatura Cuando la temperatura de los fluidos a los cuales se mide la presión superan los 80 °C o 176 °F, se recomienda un sifón o rabo de cochino, o un capilar tal como se muestra en la figura B. Capitulo IV: Presión

7



B

Capilar

Fluidos Corrosivos, Pastosos, Cristalizables y a Altas Temperaturas Para ello se utilizan separadores formados por sellos de diafragma. A diferencia de los demás accesorios considerados anteriormente, el separador de diafragma forma un conjunto indisoluble con el manómetro al que esta instalado, y el principio consiste en interponer entre el manómetro y el fluido a medir la presión, se llena el Tubo Bourdon de un líquido tapón (en generah aceite) que transmite al Tubo Bourdon íntegramente toda la presión que transmite el sello de diafragma. Disco de apoyo y barra de transmisión del movimiento

Anillo de soporte

Diafragma

Desplazamiento Presión de entrada

La presión del fluido ejerce su fuerza sobre el área de un diafragma el cual se comprime creando con ello el desplazamiento del disco de apoyo que sujeta la barra de transmisión de movimiento. Los cambios de presión del fluido crearan cambios en la barra de transmisión de movimiento y este modificara la compresión del aceite contenido dentro del Tubo Bourdon y así los cambios de aguja indicadora que esta sobre la regla graduada donde esta indicada la magnitud de la presión. Estos manómetros trabajaran con el principio para mover la aguja de indicación la de aprovechar la presión ejerce sobre el Tubo Bourdon el movimiento mecánico del desplazamiento de una barra de transmisión de Capitulo IV: Presión

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movimiento que esta sobre un diafragma que mueve un disco de apoyo, tal como se muestra en la siguiente figura. Los manómetros como los que se muestran en la figura anterior además de indicar la magnitud de la presión, también se utilizan para proporcionar salidas por contactos ON-OFF para valores de presión que se seleccionan manualmente. Se podrá observar que el manómetro dispone de dos agujas selectoras adicionales a la aguja de indicación, estas agujas selectoras permiten ajustarías para seleccionar hasta dos presiones donde el recorrido de la aguja indicadora hará contactos con las agujas de selección lo que permite tomar estos cambio de contacto eléctrico como señales de alarmas para alimentar un equipo de protección. Este arreglo funciona siempre y cuando los operadores de la instalación no modifiquen su ajuste por motivos hasta ajenos a la integridad de las instalaciones petroleras.

3. TRANSMISORES Los transmisores de presión electrónicos con señal de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios, funcionan al igual que todos los transmisores electrónicos de otras variables operacionales bajo el principio de tener un transductor eléctrico que interactúa directamente con la presión enviando cambios de la señal eléctrica que contiene en proporción (y no es lineal) a la presión del fluido. La señal eléctrica de salida del transductor se conectara al circuito electrónico quien aprovechara los cambios de la señal eléctrica del transductor para generar los cambios de la corriente de salida del transmisor y donde parte de la función del circuito electrónico es conseguir que la salida de 4 a 20 miliamperios sea lineal en relación a los cambios de la magnitud de la presión del fluido en el campo. En la siguiente figura se muestra como ejemplo la instalación de un transmisor-indicador de presión en un separador liquido gas, se muestra también el diagrama de conexión eléctrica que proporciona el fabricante, así como, los posibles transductores que podrían servir de sensor de la presión que se transmite. Transmisor de Presión

4 a 20 mA

Controlador

Distancia hasta 500 metros VL =(4 a 20)mA.RL




Conexionado

Presión del Separador

1 2 0 2 4 V D C AiustedeSpan

PRESIÓN


4 a 20 m A

Ajuste de Cero

Serán los fabricantes de los transmisores quienes conociendo: el rango de trabajo del transmisor de presión, el tipo de fluido, la temperatura a la cual estará sometido el transmisor, las pulsaciones de la presión y las vibraciones mecánicas, quienes definirán cual será el transductor que utilizaran en la construcción del transmisor y serán los fabricantes quienes definirán cual es el circuito electrónico que le corresponde. Al considerar el uso del transmisor y el rango de trabajo al cual estará sometido en las instalaciones petroleras, se tendrá toda la atención del uso del transmisor orientada mas en la instalación y calibración del instrumento que en las consideraciones del fabricante para diseñar y posteriormente construir el mismo. Bajo estos criterios la atención debe estar en las consideraciones de cómo se ajustan los potenciómetros de Capitulo IV: Presión

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Ajuste de Cero y de Ajuste de Span (que se muestran en la gráfica anterior) para que la señal de salida de 4 a 20 miliamperios del transmisor se correspondan con el rango de trabajo al cual estará sometido el transmisor. Otra consideración de interés esta en la atención a la alimentación eléctrica del transmisor que podrá ser 12 o 24 voltios de tensión eléctrica continua y la salida de corriente comprendida entre 4 a 20 miliamperios. La Potencia eléctrica que es igual a la magnitud de la tensión multiplicada por la magnitud de la corriente y calculada para los valores máximos antes demarcados será P=(24 VDC)x(24 mA)=0,58 Vatios, el cual es un valor de potencia mucho menor que los 3 Vatios que considera las condiciones intrínsicamente seguras necesarias en las instalaciones petroleras para garantizar que los instrumentos de campo nunca serán un punto caliente, ni un arco eléctrico que pueda originar la fuente de ignición para producir fuego dentro de las instalaciones. Los instrumentos además de cumplir con sus funciones deben ser las referencias de seguridad de las instalaciones.

CONDICIONES INTRÍNSICAMENTE SEGURAS « 3 W

Fuego = Combustible + Aire + Fuente de Ignición Potencia = Voltaje x Corriente Potencia Instrumento = (24 VDC)x(20 mA) = 0,58 W Potencia Instrumento = 0,58 W « 3 W 3 Vatios NO GENERARA:

•

Un punto caliente que propicie el fuego.

•

Un arco eléctrico que propicie el fuego

En la siguiente figura se podrá observar un transmisor de presión, compactos para medición de alta presión y que puede ser sumergible. Los fabricantes de estos transmisores proporcionan la siguiente información, que son transmisores hechos con transductores de tecnología de películas finas piezoeléctrica, que tienen una alta precisión, resistencia a los choques y extrema estabilidad por un largo periodo de tiempo y que tiene las siguientes características: rango de trabajo desde 15 hasta 6000 PSI (existen modelos de hasta 50.000 PSI), compensación por temperatura ambiente desde 32 hasta 175 °F, Tensión de alimentación entre 12 a 30 VDC, corriente de salida de 4 a Capitulo IV: Presión

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20 mA, así como proporciona las siguientes especificaciones: Repetibilidad de +/- 0.05%, Histéresis +/- 0.1% de la escala completa, Estabilidad +/- 0.2% de la escala completa, Sensibilidad a Choques de lOOg para 20 ms, Sensibilidad a la Vibración de 35g para 5-2000 Hz. Los datos antes mencionados servirán para revisar los conceptos definidos en el capitulo 1 de este libro, y un conjunto de criterios que el técnico que esta trabajando dentro de una industria pueda considerar para conocer las referencias de construcción que debe cumplir su transmisor de presión, así como tener referencias de diferentes fabricantes con diferentes modelos de instrumentos para atender la misma función.

Con la finalidad de incrementar los detalles de información referidos a los transmisores de presión, se muestra a continuación la información que un fabricante muestra en sus catálogos de las especificaciones que proporciona, en primer lugar presenta al instrumento en su forma física real, además de presentar el transductor que utiliza, en este caso un transductor capacitivo, donde sus placas modificaran la distancia entre las mismas proporcionalmente en la medida que aumente la presión del fluido medido. Posteriormente se podrá observar el esquemático que muestra las medidas reales del instrumento lo que permite hacer todas las consideraciones respecto a su dimensión y con ello su ubicación y conexión en un panel o en campo.


12



PRESIÓN

AiSLAClO* aiGíOA QE SILiC&MA

ainncs $01 a«oos HNUUM*

Planos de Dimensiones HCTtHAH tA T*F* :{T1I>*CO?

13


':

- - -• •



En la siguiente figura se muestran los montajes típicos que se pueden hacer en campo con los transmisores. En forma gráfica el fabricante muestra las diferentes maneras de cómo se podrá conectar el transmisor, así como los accesorios necesarios para realizar estos trabajos. SOPOfiTÍS OPCIONALES DE MONTAJE INDICADOS EN CONFIGURACIONES DE MONTAJE TÍPICAS

SOPORTE O€ MONTAJE Y SOPORTE OPCIONAL OE MÚLTIPLE Q£ 3 VÁLVULAS, CODtGO DE P€O»OO M8

SOPORTE OE MONTAJE PLANO CÓDIGO OE PEDIOO F8

SOPORTE OE MONTAJE EN PANEL CODiGO 0€ PEDIDO P8

Con la finalidad de ir asumiendo un dominio adecuado de la conformación de los transmisores, en la siguiente figura se presenta el despiece del transmisor de presión. Se podrá observar todos los componentes que conforman al transmisor, con las diferentes partes y piezas mecánicas que lo conforman, así como, los circuitos electrónicos y en la parte inferior de la figura el transductor capacitivo. Todos los transmisores electrónicos, indistintamente la variable operacional que atienda, indistintamente el fabricante que lo construya e indistintamente el modelo, todos, estarán conformados por un transductor que genera cambios de su variable eléctrica cada vez que cambia de magnitud la variable operacional al cual esta conectado y por un circuito electrónico que convierte los cambios de la variable eléctrica del transductor en cambios de su salida de corriente. De la gráfica anterior en la parte inferior de la misma se observa el Modulo Sensor 6-CELL el cual es el transductor de este transmisor de presión, este sensor esta conectado eléctricamente con las tarjetas o placas del circuito electrónico del transmisor, las cuales también Capítulo IV: Presión

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se observan en la siguiente gráfica. Estos circuitos electrónicos o placas del circuito presentan diagramas de bloques sugeridos por los fabricantes para la interpretación del funcionamiento de los mismos y posteriormente se muestra del mismo catalogo del transmisor de presión, la información que este fabricante proporciona a través de un diagrama de bloques de cómo están conformados e interconectados los diferentes arreglos de los circuitos electrónicos que tiene el transmisor electrónico.

CONJUNTO TÍPICO DE TRANSMISOR DE PRESIÓN —

CUERPO DE LA PARTE ELECTRÓNICA PLACAS OE CIRCUITO TAPA

BRIDA -> 0€ PROCESO MODULO SENSOR 6-CCU.

DiagramaEíéctrico en Bloques SffMSO*»' ^é ff—4


Df.'MOÜUVAÜO»

(-^^-'"f-,,.

15



Al observar el esquemático anterior y hacer consideraciones desde el punto de vista de los circuitos electrónicos que conformaran al transmisor se podrá afirmar que es muy pobre la información que proporcionan los fabricantes de los transmisores sobre los circuitos electrónicos que integran los transmisores. Quedaran los detalles para un curso de electrónica. De las consideraciones de la visualización de los transmisores electrónicos y sin tener ninguna duda, se podrá decir que los transmisores de presión son la integración de un transductor eléctrico que proporciona una salida de su variable eléctrica a través de los puntos de conexión A y B a los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes aprovechan los cambios de la variable eléctrica del transductor para generar la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la presión. 4. CALIBRACIÓN DE TRANSMISORES

Los dos transmisores de Presión que se mostraron anteriormente tendrán la función de generar una corriente comprendida entre 4 y 20 miliamperios y donde la magnitud de la misma será directamente proporcional a la magnitud de la presión que se mide, podría considerarse que los circuitos electrónicos de los transmisores son análogos, pero no deberá existir ninguna duda que serán los transductores que de una forma muy especifica estarán construido para sensar la variable operacional dentro de los rangos de trabajo que son necesarios, así como, adaptarse a la forma muy particular de instalarlo en el proceso industrial. En los transmisores es lineal y proporcional la magnitud de sus salida de corriente en relación con la magnitud de la variable operacional en campo, sin embargo, no es lineal la curva característica del transductor y es por ello que el fabricante tendrá como partes de su arreglo electrónico los circuitos que permitan linealizar la salida del transmisor a partir de características no lineales del transductor, así como los circuitos que permitan definir el rango de trabajo que corresponda los 4 miliamperios para la menor presión y los 20 miliamperios para la mayor presión, y donde la proporcionalidad de la salida de 4 a 20 miliamperios respecto al rango de trabajo del instrumento corresponderá definirlo el usuario del instrumento a través de la calibración. Es necesaria la calibración de los transmisores de presión así como la verificación periódica de su corriente de salida en relación con la presión de campo, por las siguientes razones: • •

Definir los rangos de trabajo del transmisor. Validar, comprobar que el transmisor trabaja entre los límites del rango deseado.

Para calibrar los transmisores de presión es necesario tener en campo un banco de pruebas que permita tener como salida la presión que simule al proceso entre las diferentes presiones del rango de trabajo del transmisor, así Capitulo IV: Presión

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como, un medidor de corriente que permita observar la magnitud de la salida de corriente del transmisor en la medida que se varié la presión de alimentación del mismo a través del banco de pruebas. Esto permitirá comprobar que la salida de corriente del transmisor se corresponde con la magnitud de la presión a la que esta conectado. Para hacer los cambios de calibración o corrección en el transmisor, estos disponen de potenciómetros de precisión para realizar los ajustes de cero (Que corresponde a la salida de 4 mA) y los ajustes de Span (Que corresponde a la salida de 20 mA). Para la calibración del transmisor de presión, primeramente se simula la menor presión y se mide la corriente de salida y se va ajustando el potenciómetro de Cero hasta que la salida del transmisor sea de 4 miliamperios para la menor presión, posteriormente, a través del banco de pruebas se simula la mayor presión de salida y se mide la corriente de salida del transmisor y se va ajustando el potenciómetro de Span hasta que la salida del transmisor sea de 20 miliamperios para la mayor presión. En algunos transmisores podrán existir ajustes de linealidad de la salida del mismo y esto consistirá en simular la presión a la mitad del rango de trabajo para comprobar que la salida de corriente es de 12 miliamperios. En caso contrario estos transmisores* dispondrán de potenciómetros de ajuste de linealidad que permitirán su ajuste hasta alcanzar los 12 miliamperios para la mitad de la escala del rango de presión. En la siguiente figura se ilustra esta conexión del banco de pruebas y la medición de corriente, así como dos ejemplos de calibración para el mismo transmisor. Una calibración para un rango de trabajo entre 50 y 100 PSI, y otra calibración de otro transmisor análogo para un rango de trabajo entre 300 y 550 PSI. Aiuste de Span

Banco de Prueba de PRESIÓN

Transductor

>


Ajusté de Cero

20 mA

4mA 450

500

550

600

Presión PSI


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Usualmente los fabricantes de transmisores de presión tal como el ultimo transmisor que se toma como ejemplo informan que el rango de trabajo del transmisor es desde 2 pulgadas HgA hasta 1000 PSI. De 2 pulgadas de HgA hasta 1000 PSI es el rango de trabajo del transductor para proporcionar cambios de su señal eléctrica proporcionalmente con los cambios de la presión a los circuitos electrónicos del transmisor, sin embargo, en la practica el rango de trabajo de un transmisor debe ser ajustada a una escala mas pequeña según los requerimientos especifico de cada equipo que es necesario medir la presión, por ejemplo entre 20 y 80 PSI la presión de aceite de lubricación de un motor, entre 450 y 550 PSI el rango de trabajo del primer separador de una estación de flujo, entre 100 y 140 PSI el rango de trabajo del segundo separador y entre 40 y 60 PSI el ultimo separador. Es por ello que la calibración de los transmisores permite utilizar el mismo transmisor para diferentes rangos de trabajo en una misma instalación petrolera. Por ultimo es necesario entender que diferentes fabricantes harán uso de la tecnología y las posibilidades que esta ofrece para permitir diferentes formas de realizar las calibraciones, a modo de ejemplo se tendrán transmisores indicadores electrónicos que utilizaran para el ajuste de cero y el span uri menú de indicaciones digitales que vienen incorporado al transmisor y utilizaran pulsadores y no potenciómetros de precisión, así como la observación de la propia pantalla indicadora para visualizar la magnitud de la presión de entrada, por otra parte se tendrán transmisores inteligentes (Ver capitulo de transmisores inteligentes) que serán calibrados a distancia y sin necesidad de simular la variable operacional y a través de un protocolo de comunicación entre el transmisor y el controlador para calibrar el transmisor en el rango de trabajo requerido. Lo importante de la calibración del transmisor mas que en el modo como este se haya hecho, es que el procedimiento de la calibración permite definir en el transmisor el rango de trabajo del mismo que determina cual es la señal eléctrica que sale del transmisor para la menor presión de proceso y cual es la señal eléctrica que sale del transmisor para la mayor presión. 5. INTERRUPTORES DE PRESIÓN

Los interruptores de presión son instrumentos que proporcionan un cambio en la señal eléctrica ON-OFF (todo-Nada) en el momento que se alcance la presión para el cual fue calibrado. Están conformado por un interruptor eléctrico que tendrá contactos normalmente abiertos y contactos normalmente cerrados sin la presencia de la presión, y se calibraran para una presión determinada de modo que cuando se alcance esa presión el interruptor cambiara de contactos, en estos instrumentos actúa directamente la presión y al sobrepasar la presión a la cual fue calibrado realiza los cambios de contacto de modo que el contacto que estaba ON pasa a OFF y el contacto que estaba OFF pasa a ON. Usualmente son instrumentos que tienen como elemento primario un Tubo Bourdon o un Diafragma los cuales están acoplados a un interruptor eléctrico Capítulo IV: Presión

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que es accionado por el movimiento del tubo Bourdon o del diafragma, lo que permite que el movimiento que sufre el Tubo Bourdon o el Diafragma en la medida que se modifica la presión al que esta sometido se aproveche para cerrar o abrir el interruptor eléctrico y con ello los cambios de sus contactos. Esta acción se ejemplariza en la siguiente figura.

J

Presión k A V

/ —Tubo Bourdon o Diafragma

«H* Mecanismo Calibración

-/%*_

ifiiiií A I

7*

!^

NA

común

NC

Como se puede observar de la figura la presión actúa directamente sobre el Tubo Bourdon o el Diafragma y del que se aprovecha su deformación proporcional a la magnitud de la presión para cambiar los contactos deí interruptor. El Tubo Bourdon o el Diafragma están unidos a un mecanismo de calibración el cual permitirá modificar las posiciones de los interruptores eléctricos y con ello será necesario modificar la magnitud de la presión para cambiar los contactos en los mismos. La modificación de la distancia del Tubo Bourdon o el Diafragma del microinterruptor eléctrico por el medio del mecanismo de posición permitirá proporcionar un mecanismo de calibración para que sea la presión la que defina los cambios de contacto. Usualmente estos interruptores eléctricos de presión son usados para señales de alarmas en la succión y descargas de compresores, así como, en las protecciones de baja presión de aceite de lubricación en los motores y compresores. En las siguientes figuras se podran observar dos interruptores de presión, uno que trabaja con elemento primario de medición el mecanismo del diafragma utilizada para ser calibradas y proporcionar señales ON-OFF para bajas presiones y el otro interruptor de presión que trabaja como elemento primario de medición el tubo Bourdon para trabajar en señales ON-OFF para ser calibradas en altas presiones. En el esquemático del interruptor de presión que utiliza el Tubo Bourdon como elemento sensor de la presión se puede observar la conexión por donde ia presión alimenta al Tubo Bourdon, el cual funciona bajo el principio de que se deforma proporcionalmente a la magnitud de la presión del fluido contenido dentro del mismo. Es por ello que en la medida que la presión deforma al Tubo Bourdon se aprovecha el desplazamiento del extremo libre del tubo para activar el micro-interruptor. Se calibrara el interruptor modificando la posición del micro-interruptor de manera que sea el desplazamiento del extremo libre del Tubo Bourdon quien cambie el contacto del mismo. Capitulo IV: Presión

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DIAFRAGMA DIAPHRAGM MOOELS: Pressure and vacuum switches (vacuum to 150 p.s.i.). A weld-sealed metaí díaphragm direct acting on a snap-action switch.


TUBO BOURDON BOURDON TUBE MODELS: Pressure switches (50 to 18,000 P.S.Í.). A weld-sealed bourdon tube direct acting on a snap-action switch. Salida de Contactos

Interruptor Eléctrico

Tornillo de Calibración

El tornillo de calibración tiene la función de modificar la distancia del microinterruptor con el extremo libre del Tubo Bourdon y con ello definir la presión que se requiere para deformar al tubo Bourdon de modo que pueda alcanzar el desplazamiento necesario para cambiar los contactos del micro-interruptor. La manera de calibrar los interruptores de presión sera modificando el enroscado del tornillo que sujeta el micro-interruptor. Al enroscar totalmente el tornillo de calibración prácticamente será necesaria muy poca presión para que el Tubo Bourdon cambie los contactos del micro- interruptor eléctrico, sin embargo, al desenroscar el tornillo de calibración se consigue acercar mas el micro-interruptor del extremo libre del Tubo Bourdon y con ello será necesario incrementar la presión para estirar mas el Tubo Bourdon de manera que este pueda retirarse lo suficiente del micro-interruptor eléctrico para cambiar los contactos. Mientras mas se desenrosque el tornillo de calibración será necesaria mayor presión para alargar mas al Tubo Bourdon para retirar Su extremo libre del micro-interruptor y así poder cambiar los contactos del micro-interruptor. Con la modificación del enroscamiento del tornillo de calibración se modifica la presión necesaria para alargar el Tubo Bourdon para realizar los cambios de contactos del micro-interruptor el cual proporcionara el juego de contactos eléctricos ON-OFF necesarios para servir de alarma al panel electrónico que se alimenta de esta señal.


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Existen otros interruptores de presión como los que se muestran a continuación, que además de indicar la magnitud de la presión, también se utilizan para proporcionar salidas por contactos ON-OFF para dos salidas con valores de presión que se seleccionan manualmente.

NCl Comúnl NA1 NC2 Común2 NA2

Se puede observar que el manómetro dispone de dos agujas selectoras adicionales a la aguja de indicación, estas agujas selectoras permiten ajustarías manualmente para seleccionar hasta dos presiones diferentes que se correspondan con las necesidades de las alarmas y donde el recorrido de la aguja indicadora hará contactos con las agujas de selección en las presiones ya preestablecidas manualmente, lo que permite tomar estos cambio de contacto eléctrico como señales de alarmas por baja presión y por alta presión para alimentar un equipo de protección. Este interruptor de presión con valores preestablecidos manualmente funciona siempre y cuando los operadores de la instalación no modifiquen sus ajustes por motivos hasta ajenos a la integridad de los equipos. 6. VÁLVULAS DE SEGURIDAD Las Válvulas de Seguridad son equipos mecánicos que tienen como función la de liberar a la atmósfera los excesos de presión contenidos en el equipo donde esta conectado cada vez que la presión del recipiente supera la presión de calibración de la válvula de seguridad, y así evita los daños mayores que se producirían por sobrepresiones dentro de los equipos. Se estima la calibración de la válvula de seguridad entre un 10% al 15% por encima del valor nominal de la presión de trabajo del equipo que protege, es decir, se tienen equipos como separadores, calderas, torres de destilación y tanques cerrados, que trabajan a una presión nominal determinada y donde la válvula de seguridad se comportara como un equipo pasivo siempre que la presión dentro de los equipos no superen el valor de calibración de la válvula de seguridad, sin embargo, en el momento que la presión dentro del equipo que protege alcance Capitulo IV: Presión

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el valor de calibración de la válvula de seguridad esta se abrirá, liberando a la atmósfera los gases contenidos dentro del recipiente. La válvula de seguridad volverá a su condición de cierre en el momento que el valor de la presión dentro del equipo que protege retorne al valor de la presión nominal de trabajo. La instalación de las válvulas de seguridad en: separadores, calderas, torres de destilación y tanques cerrados, se muestra en la siguiente figura. Agua Caliente

J^

Gases de Escape

Vapor de Agua

Liquido

Calibrado por Sobrepresión

Calibrado por Vacio

El funcionamiento básico de una válvula de seguridad es la de un equipo mecánico que utiliza la compresión que ejerce un resorte sobre el tapón de la válvula para mantenerla cerrada. Contraria a la fuerza del resorte esta la fuerza que ejerce la presión dentro del recipiente sobre el área del tapón de la válvula de seguridad. En condiciones normales de trabajo la fuerza que ejerce el resorte sobre el tapón será mayor que la fuerza que ejerce la presión dentro del equipo sobre el área del mismo tapón, sin embargo, en el momento que la presión dentro del recipiente supere la presión de calibración de la válvula de Capitulo IV: Presión

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seguridad, esta presión ejercerá una fuerza sobre el tapón superior a la fuerza que ejerce la compresión del resorte y con ello empujara el tapón hacia arriba, permitiendo liberar los gases del recipiente hacia la atmósfera. Con la liberación de los gases dentro del equipo a la atmósfera este se despresurizara eliminando el riesgo de destrucción por sobrepresión. En la siguiente figura se muestra el despiece de una válvula de seguridad conjuntamente con el diagrama de equilibrio de fuerzas que permiten demostrar la dinámica del movimiento de la válvula.

Tornillo de Calibración FR: Fuerza Resorte FR = K.X

K: Constante de Elongación. X = Elongación

FP: Fuerza Presión FP = P.A P: Presión dentro del recipiente. A = Área del Tapón. La calibración de la válvula de seguridad se hace al variar la posición del tornillo de calibración que comprime al resorte y con ello modifica la elongación del resorte (X) y así la fuerza del resorte (FR=K.X) que ejerce sobre el tapón y así define la fuerza que deberá superar la presión (FP=P.A) para poder empujar el tapón hacia arriba y así permitir liberar los gases dentro del recipiente a la Capitulo IV: Presión

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atmósfera. Bajo este mecanismo la válvula de seguridad se abrirá cada vez que la fuerza de la presión dentro del equipo supere la fuerza de calibración del resorte y la válvula de seguridad se cerrara cada vez que la fuerza del resorte supere la fuerza de la presión dentro del recipiente que se protege. A continuación se muestra una válvula de seguridad que funcionara en forma análoga a la mostrada anteriormente con la diferencia que una vez que la válvula de seguridad se dispare se repondrá manualmente a través del mecanismo unido a la parte superior de la válvula y que esta instalado próximo al mecanismo de calibración de la válvula de seguridad.

7. REGULADORES DE PRESIÓN Los reguladores de presión son aparatos de control de flujo diseñados para mantener una presión constante aguas debajo de los mismos. Este debe ser capaz de mantener la presión constante, sin afectarse por las variaciones de presión a la entrada del regulador, ni por cambios de requerimientos de flujo en las condiciones operativas del proceso para el cual trabaja. La "carcaza" y los mecanismos internos que componen un regulador trabajan para que este controle o limite las variaciones de presión a un valor previamente establecido. Capitulo IV: Presión

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Un regulador de presión es básicamente una válvula de recorrido ajustable a través de modificar la compresión de un resorte y que esta conectada mecánicamente a un diafragma. El diafragma se equilibra entre la fuerza del resorte más la presión de salida o presión de entrega, contra una fuerza aplicada del lado contrario por la presión de alimentación. La fuerza aplicada del lado del diafragma puede ser suministrada por un resorte, un peso o presión aportada por otro instrumento denominado piloto. Para comprender el funcionamiento de los reguladores, en la siguiente figura se muestra un diagrama esquemático del regulador auto-operado. Se puede observar la presión de alimentación que hace entrada al cuerpo de la válvula y empuja al tapón hacia arriba, del lado contrario se observa la cabeza del tapón que esta unido al actuador de la válvula a través de un mecanismo que une al diafragma de la válvula con el mecanismo del resorte que empuja la cabeza del tapón con una fuerza contraria a la presión de alimentación del regulador, así como la presión regulada que también ejerce una fuerza sobre el área de la cabeza del tapón contraria a la presión de alimentación del regulador.

d* Erf radMi cíe Saitóa

Los reguladores de presión auto-operados funcionan bajo el principio de equilibrio de fuerzas. Esencialmente, las fuerzas aplicadas en la zona de alta presión (PE), aguas arriba, se equilibran o balancean con las fuerzas de las Presión Regulada (PR), mas la fuerza que ejerza el resorte (FR ) sobre el diafragma. Este equilibrio de fuerzas es causado por la distribución de la energía (presión) en áreas desiguales, de acuerdo a la siguiente ecuación:

Fuerza Presión Entrada= (Fuerza Resorte) + (Fuerza Presión Regulada)

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'>



En la siguiente figura se muestra el despiece de un regulador de presión conjuntamente con el diagrama de equilibrios de fuerza, y donde a través de la observación conjunta de ambos esquemáticos se podrá definir que la fuerza que ejerce la presión de alimentación sobre el área reducida del tapón permite empujarlo permitiendo el paso del gas hacia la salida regulada, y se equilibra con la fuerza calibrada del resorte mas la fuerza que ejerce la presión regulada de salida sobre el área grande de la cabeza del tapón. En la medida que se calibre la elongación del resorte se define la presión de salida del regulador.

FR: Fuerza de Calibración Resorte FR = K.X

K: Constante de Elongación. X = Elongación FPR: Fuerza Presión Regulada. FPR = PR.A2

PR: Presión Regulada. A2 = Área Cabeza Tapón.

FP: Fuerza Presión de Entrada. FP = P.A!

P: Presión de Alimentación. AI = Área del Tapón.

También se muestran otros reguladores desde los que se utilizan para regular el aire de instrumentos en los controladores y posicionadotes neumáticos y que están conectados usualmente en el actuador de la válvula de control, hasta los reguladores que se utilizan para el suministro de combustible en los motores desde las líneas de gas de las plantas compresoras


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8. MEDICIÓN DE PRESIÓN EN INSTALACIONES PETROLERAS Una vez que se entiende las diferencias entre presión absoluta y presión relativa, que es presión atmosférica, que es presión de vacio, presión diferencial, queda profundizar en las diferentes aplicaciones de la variable operacional presión considerando no solo su medida, también considerando su comportamiento dinámico y como esa consideración permitirá aportar incluso criterios para entonar los lazos de control de presión, en fin es aceptar la presión como una variable que atenderá desde una indicación local a través de un manómetro hasta un lazo de control junto con todos los demás instrumentos que posibilitan la existencia de ese lazo. Al atender la presión como variable operacional en las instalaciones petroleras se harán ejemplos de la utilización de esta variable en diferentes aplicaciones para indicar, transmitir, proteger y regular en estaciones de flujo, plantas compresoras y refinerías, tales como: la presión que se mide en la succión y descarga de los compresores, la presión de aceite que se mide para proteger los motores y turbinas al garantizar su adecuada lubricación, la presión a que


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se calibra una válvula de seguridad, la presión de salida de un regulador y los lazos de control de presión que están en varios equipos de las instalaciones. MEDICIÓN DE PRESIÓN EN COMPRESORES Con Indicadores e Interruptores de Presión. Panel Señales ON-OFF

Botella de Succión

Compresor

Botella de Descarga

Modulo Electrónico de Protección

Indicador de Presión de Succión

Interruptor de Presión, Calibrado a Baja Presión Succión

Indicador de Presión de Aceite del Compresor

Interruptor de Presión, Calibrado a Baja Presión de Aceite Compresor

Indicador de Presión de Descarga

Interruptor de Presión, Calibrado a Alta Presión Descarga


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Con Indicadores-Transmisores de Presión. Panel de Control con PLC

Tarjeta de Entradas 4-20 mA

Indicador-Transmisor de Presión de Succión.

Indicador-Transmisor de Presión de Aceite del Compresor

Indicador-Transmisor de Presión de Descarga

En las aplicaciones anteriores se mide y se indica la presión en arreglos de compresión de gas, donde puede observarse que las tomas se hacen en las botellas de succión y descarga para el gas y en el compresor para el aceite, y se llevan en lineas de tubo hasta el panel de control que debe estar en la nave de la planta compresora lo que posibilita que la poca distancia permita llevar la señal de presión directamente hasta los paneles de control. Sera necesario que antes de alimentar los instrumentos se tengan válvulas de paso que permitirán cerrarse y con ello posibilitar retirar o calibrar algún instrumento sin la necesidad que estos cambios estén supeditados al paro de las instalaciones. En el primer ejemplo se tiene un panel de control que se alimenta con las señales ON-OFF y por ello dentro del panel se tendrán arreglos de manómetros e interruptores de presión para indicar la presión y proporcionar la señal de alarma a los valores que se calibraron y que alimentan al modulo electrónico discreto, sin embargo en el segundo ejemplo se utilizan indicadores transmisores analógicos que permiten vizualizar la magnitud de la presión en la pantalla digital y convertir la señal de presión en una señal eléctrica y que alimenta la tarjeta electrónica del PLC. Capitulo IV: Presión

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Regulador de Presión (PCV-01) de Combustible a Maquinas "
SiC-01

|

Arranaue

J Combustible

J

Calderas Lazos de Control en Cascada

Control de CALDERA

Vapor

Maestro

Agua Caliente

Aire

Esclavo

Capítulo IV: Presión

Regulador de Mezcla Ai re-Gas

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Para el ejemplo de la regulación de presión de combustible se observa que la linea de combustible es alimentado directamente desde el gasoducto de gas a baja presión, tiene inicialmente una válvula todo-nada que se abre desde el panel de control, posteriormente esta el regulador de presión calibrado a la máxima presión de entrada al sistema de combustible del motor, el governador o la válvula de control regulada por velocidad, serán quienes definan la magnitud del combustible necesario para mantener la velocidad de la maquina. En el ultimo ejemplo se tiene a la presión como la variable operacional maestra en el funcionamiento de la caldera. La caldera debe mantener una presión de vapor constante indistintamente los requerimientos de vapor que requieran las instalaciones, para ello la magnitud de la presión es enviada hasta el controlador maestro quien tendrá como salida una señal que definirá los set point de los controladores esclavos de caudal de aire y de caudal de combustible que formaran la llama en la caldera. Serán los cambios de la presión los que generaran los cambios en la salida del controlador maestro y los cuales modificaran las consignas de trabajo de los controladores esclavos.

9. LAZOS DE CONTROL DE PRESIÓN Es indispensable que en todo proceso donde interviene la variable operacional presión que se establezca su control para definir su magnitud para alcanzar los valores de trabajo necesarios para obtener los cortes de productos requeridos, así como para evitar daños en los equipos ya que un sistema operando dentro de rango que no tenga límite de presión provocaría daños irreparables al equipo y daños humanos. En las siguientes figuras se muestran dos lazos de control de presión, un lazo para definir la presión de trabajo en un separador liquido-gas y el otro lazo para controlar la presión de tope en una torre de destilación atmosférica de una refinería. 4 - 20mA

Liquido


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En los dos ejemplos tal como se podrá observar de las figuras anteriores, el lazo de control de presión en el separador liquido-gas y el lazo de control de presión para el tope de la torre de destilación están implementados con la integración de cuatro componentes: 1. El Transmisor (PT-01): se encarga de captar la señal del proceso mediante un transductor que alimenta al circuito electrónico, quien convierte las variaciones del captor en una señal eléctrica que será directamente proporcional a la magnitud de la presión para ser enviada hacia el controlador. 2. El Controlador (PIC-01): recibe la señal eléctrica enviada por el transmisor de presión, se encarga de grabar el valor deseado de la presión (set-point), calcula señal de error e(s) cuando obtiene la diferencia entre el valor deseado de la presión y el valor real que envía el transmisor, ejecuta las acciones de control Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID) de la señal de error e(s) y enviar una señal eléctrica para regular al elemento final de control. 3. El Convertidor I/P (PY-01): convierte en una relación lineal la señal eléctrica de control que envía el controlador en una señal neumática y con ella regular la apertura de la válvula de control. 4. La Válvula de Control (PCV-01): es el elemento final de control y regulara la apertura al paso del fluido a partir de la señal neumática de control de 3 a 15 PSI que la alimenta por el actuador. Capitulo IV: Presión

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En un sistema de control de lazo cerrado de presión al igual que otro lazo de control cerrado de otros sistemas y otras variables operacionales, se deben establecer los parámetros indispensables de operación y estabilidad que permitan mantener en forma estable a lo largo del tiempo la magnitud de la variable operacional que se controla. Esto lo lograra el controlador en la medida que el técnico responsable en la entonación del lazo de control defina adecuadamente las asignaciones y los valores siguientes: • • • •

El SET POINT o valor deseado. Sensibilidad o ganancia (Kp). Ajuste integrativo (Ti). Ajuste derivativo (Td).

En el lazo de control de presión, a través del controlador de la variable (PIC01), se efectúan las funciones necesarias para que la magnitud de la presión dentro del separador o en el tope de la torre (si el lazo esta bien entonado), maniobre dentro de los rangos preestablecidos, para ello el controlador debe efectuar la comparación entre la medición real que envía el transmisor y el valor deseado (set point) obteniéndose una señal de error de la señal e(sj para posteriormente emplear los parámetros Proporcional, Integrativo y Derivativo (PID) de corrección permanentemente en el tiempo para que el funcionamiento del proceso sea estable y preciso. Los valores asignados a Kp, Ti y Td deben ser los adecuados de otro modo el comportamiento de la variable operacional presión podrá tomar hasta valores y comportamientos erráticos, es decir, un mismo lazo de control con los mismos elementos que conforman el lazo podrá tomar valores reales de la presión siempre muy próximos al set point, o tomar valores erráticos dependiendo casi únicamente de los valores que se hayan asignados a KP, Ti y Td. En las siguientes figuras se muestra una gráfica de la variable presión en el tiempo y su valor dependiendo de cómo este entonado el lazo de control, así como se muestra el esquemático del lazo de control de presión y el modelo matemático del mismo. Presión

Lazo de Control Bien Entonado

Banda Proporcional

i (Lazo de Control MAL Entonado

Tiempo Capitulo IV: Presión

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Función Transferencia Proceso

Retroalimentación (PT-01)

CONTROL P.I.D.

A través del modelo matemático del lazo de control y de las funciones que ejecuta el controlador se desarrollara la atención PID que este ejecuta para mantener la presión real entre los límites preestablecidos en la calibración del lazo de control. El corrector P.I.D. (Proporcional - Integrativo - Derivativo) es un tipo de ajuste que permite controlar el comportamiento de una señal con la intervención de tres factores que efectúan la corrección tanto de rapidez de la señal como de amortiguamiento de la misma. Tal como se puede observar del modelo matemático la atención PID que se ejecuta sobre la señal de error e(s), es como se muestra a continuación: e(s): Señal de Error PD(s): Valor deseado de la presión, (set-point). RP(s): Realimentación de la presión de campo por el trasmisor. e(s) = PD(s) - RP(s)

La acción de control Proporcional, Integrativo y Derivativo, que calculan y ejecutan los controladores en los lazos de control, viene dada por el siguiente modelo y la siguiente ecuación:

Capítulo IV: Presión

34



PID

set-point

x^ e(s) (+/ Retroalimentación

M(s)

A(s) = A(s)+M(s)

Transmisor desde el proceso

= K, • f «(/) +1 \e(t)dt + T

t t f Integrativa

Proporcional

Con la entonación del lazo de control se definen: Kp: Ti: Td:

Es el componente que define la sensibilidad del sistema. Es el período de la señal (repeticiones por minutos). Es el período de anticipo (Td E Ti/6).

El ajuste proporcional o Kp es el ajuste que considera o define la Banda Proporcional o el margen de error que tendrá el valor real de la presión y que estará por encima y por debajo del valor deseado (set-point), con el fin de establecer un rango que permita que la intervención de las demás acciones de control no hagan que el sistema sea muy sensible ni muy perturbado. Hay que tener claro que un ajuste proporcional muy elevado implica una banda proporcional muy estrecha haciendo que ante cualquier mínima señal de error el sistema se forzará a los extremos (4-20mA) generando que el elemento final de control produzca perturbaciones. Es por ello, que el Kp en la práctica debe considerarse un valor pequeño y compensar la falta de sensibilidad con los ajustes que se harán a las otras acciones de control, la integrativa y la derivativa. El ajuste integrativo, esta asociado al tiempo que espera el controlador para efectuar un cambio en la salida del mismo cada vez que la señal de error e(s) se mantenga constante, con esta acción se atiende a la variable controlada siempre que la señal de error sea constante y con ello se busca que el valor que asuma la presión controlada dependa del controlador y no de la función de transferencia del proceso industrial. Con el ajuste integrativo Ti se define el periodo de la señal, se define las fracciones de minuto que se asigna como tiempo de espera para la salida del controlador la cual se modificara si transcurrido ese periodo Ti la señal de error se mantiene constante. Esto se repetirá cada vez que transcurra el vencimiento del periodo Ti ajustado hasta el momento que exista un cambio de la señal de error. Este ajuste integrativo buscara que la respuesta de la variable controlada sea mas rápida y que no dependa de la función de transferencia del proceso. El ajuste derivativo es la Capitulo IV: Presión

35



acción de control por adelanto del tiempo y que toma el controlador en anticipar un cambio para evitar que se produzca una señal forzada a los extremos de la Banda Proporcional. Cada vez que ocurra un cambio en la señal de error actúa la acción de control derivativa y proyecta lo que seria el valor de la variable controlada en un tiempo Td, el valor necesario que debería tener la salida del controlador transcurrido ese tiempo se da como salida del controlador como adelanto justo en el instante que se produce el cambio de e(s). Un control P.I.D. efectúa inicialmente la acción Proporcional-Derivativa y luego la acción Proporcional-Integrativa. Al seleccionar los valores adecuados de Kp, Ti, Td, se efectuara una buena entonación de lazo de control, en cambio si se toman valores incorrectos se desestabilizará el sistemas generando de esta manera perturbaciones constantes y hasta daños al equipo. Para los ejemplos de los lazos de control de presión del separador liquido-gas y el control de presión de tope de la torre de destilación se entenderá que son dos procesos diferentes conformados con equipos diferentes y por ello seguramente el separador liquido-gas y el tope de la torre de destilación tendrán funciones de transferencias diferentes, y esto obligara a que ambos lazos de control aunque estén conformados por los mismos cuatro elementos ha saber: transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control, requerirán entonaciones diferentes, es decir, habrá que calcular valores de Kp, Ti y Td justo a los requerimientos específicos de cada proceso. Los detalles de la entonación de los lazos de control se tienen en el capitulo de "Entonación de Lazos de Control". En conclusión, una buena entonación de lazo de control implica: • Una banda proporcional que tenga un valor adecuado no muy elevado ni muy estrecho, es decir, que una banda muy estrecha produciría una mayor inestabilidad al sistema, y una banda elevada aumentaría de manera considerable el error de offset. • Un ajuste integrativo donde se selecciona el periodo Ti que será el tiempo que esperara el controlador para modificar la salida del mismo si la señal de error e(s) se mantiene constante. • Un ajuste derivativo de valor pequeño aproximadamente Ti/6 para que la salida del sistema no se limite a los extremos y se mantenga dentro del margen de estabilidad del mismo.


36

NIVEL 1. Instrumentos de Medición Directa 1.1.

Medidor de Sonda

1.2.

Medidor de Gancho......

1.3.

Medidor de Cinta Graduada.

........>3

1.4. Medidor de Visores de^ 2. Instrumentos que utilizan la Presión Hidrostática

5

3. Medición de Nivel usando Diferencias de Presión

10

4. Mecanismo de Desplazamiento y Flotadores

16

4.1.

Instrumentos de Flotador

16

4.2.

Medidor de Nivel Tipo de Desplazamiento

20

5. Instrumentos que Aprovechan las Características del Liquido...23 5.1. Transmisores Capacitivos

23

5.2. Transmisores Ultrasónicos

25

5.3. Transmisores Rayos Gamma

28

6. Interruptores de Nivel

28

6.1. Interruptores Conductivos

29

6.2.

Interruptor con Flotadores

29

6.3.

Interruptores de Diafragma

31

6.4.

Interruptor Ultrasónico

32

6.5. I nte rru pto r Óptico

33

7. Instrumentación de Nivel en Instalaciones Petroleras

35 .

8. Lazos de Control de Nivel

40

Capítulo V: Nivel


Capitulo V: Nivel




La medición de nivel es muy importante en la industria desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso al mantener constante esta variable en aquellas equipos que así lo requieren, así como desde la consideración del balance de las materias primas que entran al proceso, en comparación con los productos finales que salen del mismo. Para la indicación y medición de nivel en la industria estos instrumentos pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y en medidores de nivel de sólidos los cuales son dos mediciones bien diferenciadas y por lo cual se estudian separadamente. MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS Los medidores de nivel de líquidos trabajan: 1. Midiendo directamente la altura del líquido. 2. Aprovechando la presión hidrostática del liquido sobre un nivel de referencia. 3. Aprovechando las diferencias de presiones entre dos puntos de interés en envases cerrados. 4. Mecanismo de desplazamiento y flotadores. 5. Aprovechando las características eléctricas del líquido. 1. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA 1.1. Medidor de Sonda El Medidor de Sonda consiste en una vara con una regla graduada la cual se introduce hasta el fondo del depósito que contiene el líquido. Esta sonda o vara tendrá la longitud adecuada para introducirla y sacarla del envase que contiene al liquido y a través de la parte mojada de la sonda leer el nivel del liquido en el envase, es decir, La lectura del nivel se realiza directamente de la observación de la longitud de la vara mojada por el liquido que contiene el envase o recipiente donde se introdujo la vara. Esta aplicación se utiliza para medir nivel de líquidos como gasolina o agua y que no se queden pegadas de la sonda. En la siguiente figura se muestra esta aplicación.

Capitulo V: Nivel



1.2. Medidor de Gancho El Medidor de Gancho consiste en una regla graduada en forma inversa al medidor de sonda, es decir el mayor valor de la regla graduada esta en la punta del gancho al contrario de la regla graduada de la sonda donde la punta de la regla graduada tenía nivel cero. Este medidor de gancho se utiliza para medir el nivel de productos pastosos y pegajosos como petróleo, aceite y donde no se quiere que estos productos dejen sucio la regla graduada. El procedimiento de lectura consiste en introducir el medidor de gancho y se levanta para verificar si el gancho se ensucio con el liquido, este procedimiento se repite hasta que el gancho haga contacto con el liquido y a través de la regla graduada se lee directamente el nivel el nivel del liquido en el envase. En la siguiente figura se ilustra esta aplicación.

1.3. Medidor de Cinta Graduada El Medidor de Cinta Graduada consiste en una cinta métrica que tiene incorporado una pieza de plomo en la punta que permite hacer bajar el extremo libre de la cinta métrica hasta la parte del tanque donde haga contacto con el líquido. Se emplea para medir nivel en tanque de crudo donde el operador debe subir el tanque para luego dejar bajar la plomada hasta que haga contacto con el crudo, y así medir directamente en la cinta métrica toda la distancia recorrida por la plomada. Al conocer la altura del tanque y restarle el recorrido de la cinta métrica se conocerá el nivel de crudo dentro del tanque. 1.4. Indicador de Visores de Cristal El Indicador de Visor de Cristal consiste en un tubos o ventanas de vidrio instalados en soportes metálicos y que están unidos al tanque que contiene al liquido que indican por conexiones de vasos comunicantes a través de válvulas, usualmente dos válvulas para la conexión de vasos comunicante con el tanque. Para indicación de nivel de líquidos sometidos a alta presión, los cristales del indicador de nivel están protegidos por una armadura metálica y la estructura metálica y los vidrios utilizados deben estar construidos de tal

Capitulo V: Nivel



manera que no se rompan al soportar las altas presiones a las que estarán sometidas. Se muestran a continuación el indicador de cinta y el visor.

2. INSTRUMENTOS QUE UTILIZAN LA PRESIÓN HIDROSTATICA. Una de las formas de medir el nivel en tanques abiertos consiste en utilizar la presión hidrostática que ejerce el líquido sobre un área de referencia ubicada en el fondo del tanque y donde se instala el transmisor. En la medida que cambia el nivel cambia el volumen del líquido y con ello la presión hidrostática sobre el área de referencia donde esta instalado el transmisor. Este sistema de medición de nivel de líquidos aprovecha los cambios de volumen que originan los cambios del nivel, los cambios de volumen originan cambios de masa, los cambios de masa originan los cambios del peso que ejerce el líquido sobre el área de referencia donde esta colocado el transmisor. La presión = peso/área, por ello los cambios de peso generan cambios de la presión hidrostática sobre el área de referencia. Todas estas interrelaciones de variables así como un diagrama de ubicación del transmisor y la visualización de un transmisor de nivel conectado por bridas se muestran a continuación. Capitulo V: Nivel



Prepon = Pe^6/Area Área = D.r2 r = radio del tanque

r

LIT-01

Volumen = Área.altura Volumen = 1J.r2.h h = altura o nivel del liquido. Masa = Volumen.Densidad Densidad = Masa/Volumen = Área.a}tíira.Densidad. = M^sa. Gravedad Presión Hidrostática = Peso Fluido/(Área del Tanque) Presión = (Área).(altura de fluido).Densidad.Gravedad/(Área)

Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad

(A)

Al observar al Transmisor-Indicador de Nivel (LIT-01) que es conectado por bridas, lo que permite es considerar como la presión del fluido contenido en el tanque interactúa directamente con el transductor del transmisor, y donde la medición del nivel se podrá hacer desde la referencia de nivel cero donde esta instalado el transmisor hasta la parte mas alta del tanque. Este transmisor será adecuado para medición de nivel de crudo. Al analizar el desarrollo de las ecuaciones que se presentaron anteriormente se podrá concluir que en la medida que varié el nivel del fluido variara su volumen y con ello su peso generando cambios de la presión hidrostática en el área de referencia donde esta instalado el transmisor, quien aprovechara los cambios de la presión hidrostática para transmitir la magnitud del nivel asociado a ello. Dado que la altura es el único parámetro que cambia, será la altura del fluido la que definirá la presión hidrostática y con ello la magnitud de la medición de nivel. Capitulo V: Nivel



puede determinar que en condiciones normales de operación serán los cambios de la altura del fluido los que generaran cambios de la presión y con ello la magnitud de la señal eléctrica que envía el transmisor, dado que la gravedad es constante y la densidad debe ser constante si es el mismo fluido. La consideración anterior de tener la densidad constante si es el mismo fluido debe tenerse siempre presente cuando se calibre el transmisor de nivel. Al medir nivel para diferentes fluidos se tendrá una densidad especifica para cada fluido y por ello se deberá adecuar la señal del transmisor considerando la densidad de cada fluido, de manera que al ajustar la calibración para diferentes transmisores de nivel instalados en tanques que contienen diferentes fluidos, se considerara la densidad especifica de cada uno de ellos, para calibrar cada transmisor considerando la densidad de cada fluido. En la siguiente figura se muestra como ejemplo un tanque abierto que utiliza el transmisor (LIT-01) que aprovecha la presión hidrostática para medir el nivel, que tiene como rango de medida el nivel mínimo hmin en la referencia del área donde esta instalado el transmisor y hmax el extremo superior del tanque.

T

RANGO DE CALIBRACIÓN TRANSMISOR

hmin

^P

Salida del Transmisor

^

20 mA

100% Nivel

4 mA

0% Nivel

5

10

15

20

25

30

35

40

Altura del Tanque Abierto

De la gráfica se podrá observar que el rango de medida del transmisor esta comprendido entre los 2 pies hasta los 40 pies. Conociendo la ecuación que Capitulo V: Nivel



define la: Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad y conociendo la densidad del fluido que contiene el tanque abierto, se podrá calibrar el transmisor de nivel entre el rango de medida de 2 a 40 pies para los valores del 0% del nivel al 100% del nivel que se corresponda con las necesidades o requerimientos operacionales. A manera de ejemplo para esta aplicación los operadores han requerido que el transmisor trabaje entre los 10 hasta los 30 pies. Para ello se calibrara el transmisor en su ajuste de cero para tener como salida del mismo de 4 mA para 10 pies (0%) y ajuste de span de 20 mA para 30 pies (100%), de modo que la señal de salida del transmisor será una señal eléctrica comprendida entre 4 hasta 20 miliafnperios y donde su magnitud será directamente proporcional al nivel del tanque comprendida en su calibración de 10 hasta 30 pies. A continuación se muestra el esquemático del conexionado eléctrico del transmisor y su salida comprendida entre 4 a 20 mA hasta la sala de control, y su forma de^ser conectado por bridas en campo. iDEL 1151LLT PHALINE INGE MOUNTED U1D LEVEL

M,

)0 psid >tem "•
«es >:?>«: •

I*

4 a 20 mA

Distancia hasta 500 metros

Conexionado = CiOSfttf !«

je*" c-y !M-

VL =(4 a 20)mA.RL

Capitulo V: Nivel



El transmisor de nivel (LIT-01) podrá ser construido para trabajar en los siguientes rangos: para ser calibrado entre un rango de O hasta 25 pulgadas de agua para tanques pequeños y para ser calibrado en un rango entre O hasta 100 PSI para tanques grandes y será instalados por bridas para tuberías de 3 y 4 pulgadas de diámetro. Para determinar la altura del tanque para calibrar los transmisores se analizaran las siguientes ecuaciones: Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad Altura del Fluido = (Presión Hidrostatica)/Graveda.Densidad

Conociendo la densidad del fluido que contiene el tanque, la gravedad, así como el rango de trabajo que podrá trabajar el transmisor se podrá determinar la altura medida o los valores de presión para calibrar el transmisor. Serán los fabricantes de los transmisores quienes conociendo: el rango de trabajo del transmisor, el tipo de fluido en el tanque, la temperatura a la cual estará sometido el transmisor, las pulsaciones de presión, las vibraciones* mecánicas, quienes definirán cual será el transductor que utilizaran en la construcción del transmisor y serán los fabricantes quienes definirán cual es el circuito electrónico que le corresponde. Al considerar el uso del transmisor y el rango de trabajo al cual estará sometido en las instalaciones petroleras, se tendrá la atención al uso del transmisor en la instalación y a la calibración del instrumento, apartando de lado las consideraciones del fabricante para diseñar y posteriormente construir el mismo. Bajo estos criterios la atención ahora debe estar en considerar cómo se ajustan los potenciómetros de Ajuste de Cero y de Ajuste de Span (que se muestran en la siguiente gráfica) para que la señal de salida de 4 a 20 miliamperios del transmisor se corresponden al 0% del nivel y al 100% del nivel que requiere el proceso.

TRANSMISOR

12024VDC AiustedeSpan PRESIÓN HIDROSTATICA Circuitos Electrónicos

Ajuste de Cero

Capitulo V: Nivel

4 a 20 mA



El transmisor de nivel es la integración del transductor eléctrico y los circuitos electrónicos y donde la señal eléctrica de salida del transductor se conectara al circuito electrónico quien aprovechara los cambios de la señal eléctrica proporcionales a los cambios del nivel para generar los cambios de la corriente de salida del transmisor y donde parte de la función del circuito electrónico es conseguir que la salida de 4 a 20 miliamperios sea lineal en relación a los cambios de la magnitud de la presión hidrostática del fluido en el tanque. Otra consideración de interés esta en la atención a la alimentación eléctrica del transmisor que podrá ser 12 o 24 voltios de tensión eléctrica continua y la salida de corriente comprendida entre 4 a 20 miliamperios. La Potencia eléctrica que es igual a la magnitud de la tensión eléctrica multiplicada por la magnitud de la corriente, se calculara para los valores máximos de tensión y corriente y será P=(24 VDC)x(20 mA)=0,58 Vatios, el cual es un valor de potencia mucho menor que los 3 Vatios que considera las condiciones intrínsicamente seguras necesarias en las instalaciones petroleras para garantizar que los instrumentos de campo nunca serán un punto caliente, ni un arco eléctrico que pueda originar la fuente de ignición para producir fuego dentro de las instalaciones. Los instrumentos además de cumplir con sus funciones deben ser las referencias de seguridad de las instalaciones. CONDICIONES INTRÍNSICAMENTE SEGURAS « 3 W

Fuego = Combustible + Aire + Fuente de Ignición Potencia = Voltaje x Corriente Potencia Instrumento = (24 VDC)x(24 mA) = 0,58 W Potencia Instrumento = 0,58 W « 3 W 3 Vatios NO GENERARA:

•


•


3. MEDICIÓN DE NIVEL USANDO DIFERENCIAS DE PRESIÓN. Los instrumentos que trabajan bajo el principio de aprovechar la diferencia de presión son usados comúnmente para medir el nivel en tanques o en recipientes cerrados con líquidos sometidos a presiones variantes. En la medición de nivel de tanques cerrados debe considerarse la presión del gas en la parte superior del tanque o recipiente y el efecto de la presión del líquido contenido en la parte inferior del mismo. Una aplicación de la medición de nivel en recipientes cerrados, así como el transmisor se muestra a continuación. Capitulo V: Nivel

10



-..

LIT-02

dP = Pl - P2

Donde: P2: Presión del Gas. Pl: Presión hidrostática del liquido + Presión del Gas. En los tanque cerrados que contienen liquido y gas la dinámica del proceso con los cambios de nivel dentro del envase, así como el ingreso y salida de productos hacen el efecto equivalente de estar comprimiendo y descomprimiendo el gas contenido en el, generando cambios en la presión del gas. Los transmisores de nivel para recipientes cerrados que trabajan bajo el principio de medir la diferencia de presión dP = Pl - P2, entre la presión del gas (P2) que esta en la parte superior del envase y la presión en la toma inferior del envase (Pl) que es la sumatoria de la presión hidrostática del fluido mas la presión del gas, buscan eliminar el efecto de la presión variable del gas sobre el liquido y quedar solamente con la presión hidrostática producida por el nivel del liquido contenido en el recipiente cerrado, tal como se muestra:

P2= Presión del Gas Pl= Presión Hidrostática + Presión del Gas dP=Pl-P2= Presión Hidrostática + Presión del Gas - Presión del Gas dP = Presión Hidrostática del Liquido Presión Hidrostatica = (altara del Fluido).Gravedad.Densidad Capítulo V: Nivel

11



A manera de ejemplo para un tanque o recipiente cerrado que no contenga liquido y por ello este vació, el contenido del mismo será únicamente de gas y por ello P1 = P2= Presión del Gas, y por lo tanto la medición del nivel será dP=Pl-P2=0. Para los tanques y recipientes cerrados que contienen liquido las mediciones del nivel contenido en el, bajo la medición de presión diferencial dP=Pl-P2 concluye en una ecuación equivalente a la presión hidrostática del líquido de los tanques abiertos donde: H id rosta tica = (catira del Fluido). Gravedad. Densidad

P2

P2

Pl

Pl

LIT-02

dP = P1-P2= O

LIT-02

dP = P1-P2= Presión Hidrostática Liquido

Al quedar la medición de nivel para tanques cerrados bajo el método de presión diferencial en la misma expresión de la presión hidrostática para tanques abiertos con la ecuación que define la presión hidrostática del fluido contenido en el tanque, Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad, se puede determinar que en condiciones normales de operación serán los cambios de la altura del fluido los que generaran cambios de la presión hidrostática. La expresión dP=Pl-P2 permite eliminar los efectos que podían generar los cambios de presiones que puede sufrir el gas y por ello la magnitud de la señal eléctrica que envía el transmisor estará determinada únicamente por el nivel del liquido contenido en el tanque cerrado, dado que la gravedad es constante y la densidad debe ser constante si es el mismo fluido. La consideración anterior de tener la densidad constante si es el mismo fluido debe tenerse siempre presente cuando se calibre el transmisor de nivel. Al medir nivel para diferentes fluidos se tendrá una densidad especifica para cada fluido y por ello se deberá adecuar la señal del transmisor considerando la densidad de cada fluido, de manera que al ajustar la calibración para diferentes transmisores de nivel instalados en tanques cerrados que contienen Capitulo V: Nivel

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diferentes fluidos, se considerara la densidad especifica de cada uno de ellos, para calibrar cada transmisor considerando la densidad de cada fluido. El transmisor indicador de nivel (LIT-02) podrá ser construido para trabajar en presiones diferenciales de 10 hasta 1000 PISO, en los rangos de presiones mas elevadas para aplicaciones tales como la medición de nivel en torres elevadas o en separadores de alta presión. El transmisor indicador de nivel (LIT-02) al igual que el transmisor de tanques abiertos que mide el nivel a partir de la presión hidrostática del fluido contenido en el mismo, podrá ser calibrado a partir del valor que resulta de su presión diferencial y que es equivalente a la presión hidrostática del fluido entre el rango de nivel que determina su conexión superior hmax para conectar la alimentación de presión P2 y hmin para conectar la alimentación de presión Pl y podrá enviar su señal eléctrica comprendida entre 4 a 20 miliamperios entre los valores del 0% del nivel al 100% del nivel que requieran los operadores del proceso. Para determinar la altura del tanque para calibrar los transmisores se analizaran las ecuaciones: Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad Altura del Fluido = (Presión Hidrostática)/Graveda.Densidad

Conociendo la densidad del fluido que contiene el tanque, la gravedad, así como el rango de trabajo del transmisor se podrá determinar la altura medida o los valores de presión para calibrar el mismo tal como se muestra a continuación donde se requiere calibrar al transmisor entre 25 a 70".

Salida del Transmisor 20 mA

100% Nivel

4 mA •min •10

2o

30

40

50

60

70

HLIT-OI 'max

En las siguientes figuras se muestran los planos de dimensiones y los soportes de montajes y montajes típicos que sugieren los fabricantes para la instalación del transmisor-indicador de nivel (PIT-02) que se muestra en el separador. Capitulo V: Nivel

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'••



Pianos de Dimensiones •-

J « D£ LUÍ *»A* A ftCTmA* LA TAPA

fcOTUtO

SOPORTES OPCIONALES OÍ MONTAJE INDICADOS EN CONFISÜRACiQN£S DE MONTAJE TÍFICAS

•«-3.'4* MAX tABif «TO| ~~*~.

SOPORTE 0€ MONTAJE Y SOPCfTTE OPCIONAL DE MUlT«>te DE 3 VAtVUtAS. COOÍGO O£ PCOIOO MB

SOPORTE 0E MONTAJE PLANO CÓDIGO DE PCOIOO fB

SOPOItTC DE MONTAJE EN PANEL CÓDIGO 0€ PEDiOO PO

Capitulo V: Nivel

14



Con la finalidad de ir asumiendo un dominio adecuado de la conformación de los transmisores, en la siguiente figura se presenta el despiece del transmisor de presión diferencial. Se podrá observar todos los componentes que conforman al transmisor, con las diferentes partes y piezas mecánicas, así como, los circuitos electrónicos y en la parte inferior de la figura el transductor capacitivo. Todos los transmisores electrónicos, indistintamente la variable operacional que atienda, indistintamente el fabricante que lo construya e indistintamente el modelo, todos, estarán conformados por un transductor que genera cambios de su variable eléctrica cada vez que cambia de magnitud la variable operacional al cual esta conectado y por un circuito electrónico que convierte los cambios de la variable eléctrica del transductor en cambios de su salida de corriente. De igual modo el rango de trabajo de todos los transmisores estará determinado por el transductor y no por los circuitos electrónicos del transmisor. En la siguiente gráfica se podrá observar en la parte inferior de la misma al transductor (Modulo Sensor 6-CELL) de este transmisor de presión diferencial, este sensor esta conectado eléctricamente con las tarjetas o placas del circuito electrónico del transmisor los cuales convertirán los cambios de la señal eléctrica del transductor en salida de corriente de 4 a 20 miliamperios proporcionales a la magnitud del nivel deP tanque o recipiente cerrado. Las placas del circuito se observan en la gráfica.

CÜE8PO DE tA PARTE ELECTRÓNICA

TAPA

BRIDA DE PROCESO

Los fabricantes de estos transmisores presentan los diagramas de bloques de los circuitos electrónicos o placas del circuito para la interpretación del funcionamiento de los mismos por parte de los técnicos electrónicos que Capitulo V: Nivel

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busquen reparar los mismos, sin embargo la información que presentan los fabricantes es muy pobre y posiblemente lo presenten como una razón de elegancia técnica y así resguardar sus diseños.

Diagrama Eléctrico en Bloques

Al observar el esquemático anterior y hacer consideraciones desde el punto de vista de los circuitos electrónicos que conformaran al transmisor se podrá afirmar que es muy pobre la información que proporcionan los fabricantes de los transmisores sobre los circuitos electrónicos que integran los transmisores. Los detalles de los circuitos electrónicos que conforman los transmisores se escapan de la atención de este libro y quedara para un curso de electrónica. De las consideraciones de la visualización de los transmisores electrónicos y sin tener ninguna duda, se podrá decir que los transmisores de presión diferencial son la integración de un transductor eléctrico (Capacitivo) que proporciona una salida de su variable eléctrica para alimentar a los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes aprovechan los cambios de la variable eléctrica del transductor para generar la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la presión diferencial.

4. MECANISMOS DE FLOTADORES Y DESPLAZAMIENTO. 4.1. Instrumentos de Flotador. Los instrumentos de flotador, consisten en usar un flotador que estará ubicado dentro del tanque sobre en la superficie del nivel que se mide. Al estar flotando sobre el líquido contenido en el tanque en la medida que el nivel suba o baje dentro del tanque e! flotador subirá o bajara conjuntamente con la superficie del líquido contenido en el envase. Una de las aplicaciones de este tipo de medición de nivel es tener un flotador unido a un extremo de un cable que se desliza a través de un juego de poleas y donde el otro extremo del cable tendrá una contrapesa que funciona como índice de una regla graduada que se encuentra externamente al tanque que se le mide el nivel. Este mecanismo de flotador y contrapeso unidos por un cable y donde el contrapeso sirve de indicación del nivel en la regla graduada externamente al tanque, permite que Capitulo V: Nivel

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en la medida que el nivel tenga variaciones el flotador se desplazara conjuntamente quien estará señalando en la regla graduada el cambio del nivel contenido en el tanque. En la siguiente figura se muestra este sistema de medición de nivel donde puede observarse la escala de la regla graduada de mayor valor en la parte mas baja de la regla, dado que en la medida que baja el nivel el indicador ira subiendo marcando en la regla graduada la disminución del nivel dentro del tanque.

Bajo este mecanismo de medición de nivel, también se tienen flotadores acoplados magnéticamente los cuales se deslizan a lo largo de un tubo situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo esta una pieza magnética que sigue al imán del flotador en su desplazamiento en la medida que el flotador esta sobre la superficie del liquido contenido dentro del tanque. La pieza magnética que esta dentro del tubo mediante poleas y contrapesos mueve la aguja del mecanismo de medición del indicador de nivel que esta en la superficie del tanque o envase. Esta aplicación se muestra a continuación. Indicador de Nivel

Flotador con imán permanente Con el uso de imanes permanentes ubicados dentro de los flotadores que están en la superficie del liquido contenido dentro del tanque, diferentes fabricantes Capitulo V: Nivel

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han desarrollado varios transmisores de nivel, uno de ellos es el que utiliza al imán permanente que esta en el flotador para cerrar el circuito magnético a través del tubo que sirve de soporte y guía para desplazarse. Dentro del tubo esta un contacto eléctrico de laminas herméticamente cerrado y accionado por el imán permanente del flotador. Cuando el flotador se eleva el campo magnético del imán permanente cierra el contacto y cuando el flotador baja el imán permanente abre el contacto, tal como se muestra a continuación. Resistencia de Precisión Imán Permanente \v \\ I

Flotador Flujo Magnético del Imán Contacto cerrado herméticamente

Tubo del Flotador

Al desplazarse el flotador a lo largo del tubo, el imán permanente que esta en su interior cierra su circuito magnético aprovechando y uniendo las láminas metálicas que están dentro del tubo y con ello cerrando los contactos eléctricos entre los dos puntos que están en las dos laminas. Bajo este principio funcionan diferentes interruptores de nivel, los cuales utilizan el desplazamiento del flotador producido por los cambios de nivel dentro del tanque para cerrar y abrir el o los contactos eléctricos que están en el tubo. Los contactos eléctricos se usaran como señales de alarmas ON-OFF, (posteriormente se mostraran algunos interruptores de nivel que funcionan bajo este principio), sin embargo, se tienen transmisores de nivel que disponen de un transductor de resistencia variable con el nivel, desarrollados por una matriz de contactos a lo largo del tubo que sirve de guía del flotador. Los contactos eléctricos que están colocados a lo largo del tubo tienen unidos en serie unas resistencias de precisión, lo que permite que en el recorrido del flotador a lo largo del tubo, el imán permanente que contiene en su interior cierra su circuito magnético aprovechando y uniendo las laminas metálicas que están dentro del tubo y así abrir y cerrar los contactos eléctricos y con ello abrir y cerrar el circuito de la resistencia eléctrica que se corresponda con ese nivel, permitiendo proporcionar a los circuitos electrónicos del transmisor una resistencia eléctrica directamente proporcional al nivel del fluido contenido en el tanque. En las siguientes figuras se muestra el transmisor de nivel y el esquemático de conexión del mismo. Capitulo V: Nivel

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"max

Rango de Calibración Transmisor de Nivel Flotador

v

hmin

El transmisor-indicador de nivel (LIT-03) tiene al flotador como el único componente móvil del instrumento y es aplicable a una gran variedad de mediciones de nivel funcionando independientemente de las propiedades eléctricas del fluido, la temperatura y la presión dentro del tanque o recipiente, formación de espuma o la presencia de vapores y dependiendo del debido peso del flotador se puede usar hasta para medir el nivel de interfase de dos líquidos con gravedad especifica diferentes. Tal como se muestra: LIT-03

T Rango de Calibración Transmisor de Nivel

T Longitud del Tubo Guiador. Será determinado por la longitud del tanque o recipiente

Flotador Interfase de líquidos A y B B

Capitulo V: Nivel

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El transmisor-indicador de nivel (LIT-03) utiliza un transductor resistivo conformado por un tubo guiador que contiene los contactos eléctricos y las resistencias de precisión en serie con los contactos y un flotador con imán permanente que acciona los contactos eléctricos dentro del tubo. Todo el transductor resistivo funciona como un potenciómetro de tres tomas cuya resistencia estará determinada por el lugar donde este el flotador en el tubo guiador. Las tarjetas electrónicas del transmisor aprovecharan los cambios del transductor para enviar una señal eléctrica de 4 a 20 miliamperios directamente proporcional al nivel del líquido dentro del tanque o recipiente. La precisión del transmisor será determinada por la distancia entre los contactos eléctricos dentro del tubo guiador y donde esta distancia entre contactos estará comprendida entre 10 mm (0.4") a 20 mm (0.8") dependiendo de la longitud del tanque o recipiente. En su recorrido el imán permanente cierra dos contactos a la vez lo que permite a través de la interpolación tener una precisión 1/2 de la distancia entre dos contactos. Entre las especificaciones de estos transmisores de nivel están: Longitud entre 6.5 pies hasta 20 pies, Gama de temperatura de trabajo desde -4 hasta 250 °F, y máxima presión de trabajo de hasta 290 PSIG.

4.2. Instrumentos de Desplazamiento y Empuje. Los instrumentos de medición por desplazamiento consisten en equipos que tienen un flotador sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión que esta unido a las paredes del tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra la varilla de torsión que se mueve por el movimiento que transmite el flotador por efectos del empuje que efectúa el liquido sobre el mismo. Cada vez que ocurren los cambios de nivel se generan los movimientos de torsión sobre el brazo al adaptarse a los cambios del flotador en la medida que se producen los desplazamientos del mismo por los cambios de nivel que se están presentando dentro del recipiente cerrado. Este movimiento de giro de la varilla se transmite al instrumento exterior al tanque quien indicara y/o transmitirá el nivel. Este mecanismo de medición de nivel se muestra en la siguiente figura.

ÍT i Capitulo V: Nivel

t Empuje Líquido

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Las variaciones del nivel del liquido ejercen variaciones del giro de torsión de la varilla que transporta el movimiento hasta el instrumento, los cambios de nivel producen cambios del empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida del flotador y del peso especifico del liquido, es por ello que al bajar el nivel del liquido será menor la parte del flotador que quede sumergido en el liquido y por ello disminuye la fuerza de empuje del flotador hacia arriba. Estas medidas de nivel con flotadores y mecanismos de empujes proporcionales al nivel del líquido y al peso especifico del fluido, pueden utilizarse para medir nivel de interfase entre dos líquidos de distintas densidades como el agua y el petróleo, por ejemplo. En estos casos los flotadores son de pequeño diámetro y gran longitud y estarán totalmente sumergido entre los dos líquidos y tendrán un peso que garantice estar totalmente sumergido en el liquido menos denso, y donde el empuje del flotador lo componen los dos fluidos. El mas denso en la parte inferior y el menos denso en la parte superior del envase o recipiente cerrado, el flotador conformara una línea de separación de interfase entre los dos fluidos. El lugar donde este la línea de interfase entre los dos fluidos dependerá el par de torsión, o el empuje que envía el flotador y que dependerá de la línea de interfase en la medida que el nivel del fluido mas denso cambie. El empuje del flotador se transmite hasta el instrumento externo al tanque quien indicara o transmitirá el valor del nivel de ¡nterfase. Esta aplicación se muestra a continuación.

Gas

Petróleo

Agua

El empuje del flotador depende del nivel relativo donde este ubicado la línea de interfase de los dos líquidos y la magnitud de la medida que estará determinada por la diferencia de los dos pesos específicos de cada líquido. Peso especifico = (masa especifica).gravedad Masa Especifica = volumen.(Densidad Especifica) Capitulo V: Nivel

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Empuje = (Fuerza del Agua) - (Fuerza del Petróleo) Empuje = (Presión Hidrostática Agua).Área-(Presión Hidrostática Aceite).Área Empuje = (Área Flotador).(Presión Agua - Presión Petróleo) Bajo este principio de funcionamiento trabajan los transmisores indicadores de nivel como el LIT-04 para ser instalados en tanques o recipientes cerrados y para fluidos como aceite o petróleo. En la medida que cambia el nivel varia el desplazamiento del flotador y con ello modifica su empuje sobre el eje de torsión que lleva el movimiento hasta el transmisor electrónico tal como se muestra en la siguiente figura.

"max

Rango de Calibración

..i.

Salida del Transmisor

20 mA

100% Nivel

4 mA •min 10

2o

30

40

60

60

70

80

Altura

•max

En la figura se muestra como ejemplo un separador que utiliza el transmisor (LIT-04) que aprovecha el desplazamiento del flotador sumergido en el petróleo para crear el giro de torsión proporcionar al nivel del liquido en el separador, y que tendrá como rango de medida la distancia comprendida entre Capitulo V: Nivel

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el nivel mínimo hmjn en la referencia del menor desplazamiento del flotador y el nivel máximo hmax en el extremo superior del vaso comunicante. De la gráfica anterior se podrá observar que el rango de medida del transmisor esta comprendido entre los extremos del desplazamiento del flotador comprendidos entre hmjn y hmax entre pulgadas hasta las 80 pulgadas por ejemplo. Se podrá calibrar el transmisor de nivel entre el rango de medida de 5 hasta 80 pulgadas para los valores del 0% del nivel al 100% del nivel que se corresponda con las necesidades o requerimientos operacionales. A manera de ejemplo para esta aplicación los operadores han requerido que el transmisor trabaje entre 25 hasta los 70 pulgadas. Para ello se calibrara el transmisor en su ajuste de cero para tener como salida del mismo de 4 mA para 25 pulgadas como el (0%) y ajuste de span de 20 mA para 70 pulgadas para el (100%), de modo que la señal de salida del transmisor será una señal eléctrica comprendida entre 4 hasta 20 miliamperios y donde su magnitud será directamente proporcional al nivel del tanque comprendida en su calibración de 25 hasta 70 pulgadas.

5. TRANSMISORES QUE APROVECHAN LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS, FÍSICAS DEL FLUIDO. 5.1. Transmisores Capacitivos. Los medidores Capacitivos son instrumentos que aprovechan el envase que contiene el liquido así como las propiedades dieléctricas del liquido para conformar el equivalente a un condensador variable, donde las paredes del envase es una placa el electrodo unido al transmisor actúa como la otra placa del condensador y las variaciones del nivel actúa como un dieléctrico variable. Se utiliza para medir el nivel en fluidos que son malos conductores eléctricos. C: Carga eléctrica del condensador.

.A

Gp.A 1 d E

Ce: Capacitancia en microfaradios. A: Área de las placas del condensador. Su cálculo depende de la forma que tenga el condensador y si es cuadrado, redondo, cilindrico. E: Tensión eléctrica entre las placas del condensador. d: Distancia entre las placas del condensador Gv: Densidad de carga eléctrica. Depende del tipo de dieléctrico usado. En esta aplicación será un dieléctrico mixto aire-fluido y donde en la medida que varié el nivel del tanque o recipiente variara el porcentaje del componente dieléctrico aire y dieléctrico fluido permitiendo conformar un condensador de capacitancia variable proporcionalmente al nivel. Capitulo V: Nivel

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Placa B

Nivel

Nivel

i

Aire

J<_
Fluido

Para evitar problemas de conductividad del liquido, suele aislarse el electrodo que funciona como placa (+) envolviéndolo en teflón. Este sistema de medición es sencillo, apto para medición de nivel de diferentes tipos de líquidos, son ligeros y no poseen partes móviles. Su campo de medida es muy amplio y aplica hasta para medición de interfases. Tienen como inconvenientes que los cambios de temperatura del liquido pueden afectar las constantes dieléctricas del liquido y con ello la precisión de la lectura del nivel, otro inconveniente son que posibles agentes contaminantes en el liquido puedan adherirse al electrodo que funciona como placa (+) y con ello originar fallas de la lectura. En la siguiente figura se muestra la posible aplicación de este modo de medición.

•max

T

Rango de Calibración Transmisor de Nivel

"Electrodo (+)

'min

Capitulo V: Nivel

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5.2. Transmisores Ultrasónicos. Los medidores ultrasónicos son instrumentos que se basan en la emisión de un impulso electromagnético que se propaga hacia la superficie del fluido contenido dentro de un tanque o recipiente, esta onda electromagnética se reflejara en la superficie del liquido generando un eco del mismo impulso ultrasónico regresando al punto de donde salió con cierto intervalo de tiempo de retardo. El retardo en la captación del eco del impulso electromagnético dependerá del nivel del tanque, donde para niveles alto el eco del impulso se captara en mucho menor tiempo que para cuando en el mismo envase el nivel es bajo, es decir, mayor tiempo en la recepción del eco del impulso electromagnético en la medida que sea menor el nivel del fluido dentro del tanque. Los transmisores de nivel ultrasónicos emiten un impulso electromagnético a una frecuencia aproximada de 20 KHz y donde estas ondas atraviesan el medio ambiente de los gases o vapores contenidos en la parte superior del tanque para reflejarse en la superficie del liquido hacia la parte superior del tanque donde estará el modulo receptor. En la siguiente figura se muestra un esquemático de esta aplicación. 1_A T

r F

Transmisor de Nivel Circuito Emisor

Circuito Receptor

A A, V V

A través del circuito emisor el transmisor de nivel envía una onda electromagnética de 20 Khz. la cual se propaga en el medio de gases y vapor de la parte superior del tanque hasta chocar y reflejarse con la superficie del líquido lo que permite que el circuito receptor sintonice la onda posteriormente. Mientras mas alto sea el nivel del tanque menor será el tiempo que recorra la onda electromagnética desde el momento que el circuito emisor lo envía hasta el tiempo posterior que el circuito receptor lo reciba, sin embargo, para tanques con nivel bajo mayor será el tiempo que el impulso ultrasónico requerirá desde el momento que el circuito emisor lo envía hasta que el circuito receptor lo reciba. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de un transmisor de nivel ultrasónico. Capitulo V: Nivel

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Altura del Tanque

n

Transmisor de Nivel r\n~r/~\ DATO

Unidad de Calculo de Tiempo y Distancia •

(i)

Á

i

AL

/ A\ (4)

(5)

(3)

Unidad de 1 Coritrol ' ^

r

(2)

f

Cir•cuito Ennisor

II

Unidad de Calculo de Nivel

Circuito Receptor

^ Uni(Jad de Tran smisíón

A A, V V

El diagrama de bloques del transmisor de nivel ultrasónico podrá estar conformado por una Unidad de Calculo de Nivel que recibe la información de la altura del tanque por parte del operador, una Unidad de Control que da la señal (1) para que el circuito emisor envié el impulso electromagnético además de inicializar la Unidad de Calculo de Tiempo y Distancia para que vaya midiendo la distancia entre el transmisor y la superficie del liquido del tanque mientras la onda electromagnética sale del circuito emisor se refleja en la superficie del liquido y es sintonizada por el circuito receptor. Durante todo este tiempo la Unidad de Calculo de Tiempo y Distancia ira incrementando proporcionalmente la distancia que existe entre el circuito emisor y la superficie del tanque mientras que la señal reflejada no sea sintonizada por el circuito Receptor. Conociendo la velocidad a que se propaga la onda así como el tiempo que transcurre la misma entre el momento que fue emitida hasta el momento que fue sintonizada se calculara la distancia que existe entre el transmisor de nivel y la superficie del tanque. En el momento que el Circuito Receptor sintoniza la onda electromagnética envía una señal (2) a la Unidad de Control para que esta detenga a través de la señal (3) a la Unidad de Calculo de Tiempo y Distancia, posteriormente esta ultima unidad envía un DATO (4) a la Unidad de Calculo de Nivel, el nivel del tanque resultara de restarle al valor de la altura del tanque el DATO que contiene la distancia calculada. La Unidad de Transmisión enviara hasta la sala Capitulo V: Nivel

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de control en forma inalámbrica el valor del nivel existente en el tanque. Existen diferentes fabricantes y diferentes modelos de medición de nivel utilizando el método anteriormente explicado, es por ello que resultara adecuado observar un medidor ultrasónico compacto de poca dimensión, poco peso y de poco precio como el que se muestra a continuación.

.

El fabricante del medidor de nivel ultrasónico proporciona las siguientes características de funcionamiento. • • • • • • • •

Capaz de monitorear tanques de hasta 24.5 pies de profundidad. Compacto y fácilmente instalado. Compensación automática de temperatura. Sensor sin contacto. Compatible con medios viscosos, pegajosos o químicamente agresivos. Proporciona una transmisión de 4 a 20 mA. Pantalla LED en el tablero para fácil calibración. Relé unipolar de doble acción que se puede configurar como una alarma de nivel o para llenado o vaciado automático del tanque.

El fabricante del medidor de nivel ultrasónico proporciona las siguientes especificaciones de trabajo del instrumento. Alcance: Frecuencia del Sensor: Voltaje de Alimentación: Salida: Relé: Protección: Conexión: Sonda: Ángulo Apertura del Haz: Presión de Trabajo: Capitulo V: Nivel

24,5 pies. 50 KHz. 14 a 36 VDC. 4 a 20 mA. Doble acción 12 amperios y 240 VAC. Nema 4. 2" NPT. PVDF. +/- 8° de posición vertical. 30 PSI a 75 OF. 27



5.3. Transmisores de Rayos Gamma. Los medidores de nivel de rayos gamma es un sistema de medición que consisten en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y un Contador Geiger en el otro lado del tanque y que mide la radiación gamma transformando esta en una señal eléctrica proporcional a la altura del tanque. En la siguiente figura se lustra esta aplicación.

Sin la presencia de líquido en el tanque el Contador Geiger captara la mayor radiación de los Rayos Gamma. En la medida que aumente el nivel en el tanque este líquido absorberá parte de la radiación emitida disminuyendo la cantidad de rayos Gamma que llegaran al Contador Geiger. Esta relación de la radiación gamma emitida y rayos gamma medidos servirán al circuito electrónico del transmisor para proporcionar una señal de salida del mismo en relación al nivel del tanque. Los rayos emitidos por la fuente de rayos gamma son similares a los rayos X pero de longitud de onda más corta. Este sistema de medición que utiliza como transductor el emisor de rayos gamma y el Contador Geiger se emplea en tanques de difícil acceso y peligrosos, así como cuando se tienen elevadas presiones que impiden el empleo de otros sistemas de medición de nivel.

6. INTERRUPTORES DE NIVEL. Los interruptores de NIVEL son instrumentos que proporcionan un cambio en la señal eléctrica ON-OFF (Todo-Nada) en el momento que el nivel alcance la ubicación donde esta instalado el instrumento. Están conformado por un interruptor eléctrico que tendrá contactos normalmente abiertos y contactos normalmente cerrados y que cambiaran de contactos en el momento que el nivel sea alcanzado, en estos instrumentos actúa directamente el nivel y al sobrepasar el nivel donde esta instalado el interruptor realiza los cambios de contacto de modo que el contacto que estaba ON pasa a OFF y el contacto que Capitulo V: Nivel

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estaba OFF pasa a ON. Dependiendo la tecnología utilizada, el tipo de fluido y la ubicación de los instrumentos estos podrán ser interruptores conductivos, ópticos, de flotadores, de Diafragma, Ultrasónicos, Vibratorios.

6.1. Interruptores Conductivos. Los medidores Conductivos son instrumentos que aprovechan las características eléctricas del fluido y consisten en equipos que disponen en uno o varios electrodos dentro del fluido para que activen el circuito electrónico una vez que el nivel del liquido alcanza mojar los electrodos, para ello el liquido debe ser un buen conductor eléctrico para activar el circuito electrónico que permita cambiar las salidas lógicas de uno lógico alto (H) para cuando el nivel no toca el electrodo, a la salida lógica de cero (L) para cuando el liquido toca al electrodo. La tensión eléctrica en los electrodos debe ser alterna para evitar las oxidaciones en los electrodos por efecto de la electrólisis. Además la corriente que circulara por los electrodos estará limitada a muy pocos miliamperios y así permitir trabajar bajo los criterios de condiciones intrínsicamente segura con potencias eléctricas menores a los 3 vatios. Aplicaciones como estas se muestran en la siguientes figura para uno o varios electrodos.

6.2. Interruptores con Flotadores. Los interruptores con flotadores pueden ser construidos a partir de diferentes técnicas, una de ellas consisten en tener un flotador cilindrico de acero inoxidable que se encuentra instalado en un extremo de un brazo de equilibrio en forma horizontal. El flotador sube y baja con el nivel del líquido y los movimientos del flotador son transmitidos a través del brazo de equilibrio a un Capitulo V: Nivel

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imán permanente en el extremo opuesto. El imán permanente activara un contacto eléctrico y donde este contacto eléctrico pasara de abierto-cerrado (OFF-ON) dependiendo de la posición del flotador. En condiciones de trabajo de estar el contacto normalmente abierto (N/A) este contacto se cerrara cuando el nivel del líquido suba. Un interruptor de este tipo se observa a continuación.

Con el uso de imanes permanentes ubicados dentro de los flotadores que están en la superficie del liquido contenido dentro del tanque, diferentes fabricantes han desarrollado varios transmisores de nivel, uno de ellos es el que utiliza al imán permanente que esta en el flotador para cerrar el circuito magnético a través del tubo que sirve de soporte y guía para desplazarse. Dentro del tubo esta un contacto eléctrico de laminas herméticamente cerrado y accionado por el imán permanente del flotador. Cuando el flotador se eleva el campo magnético del imán permanente cierra el contacto y cuando el flotador baja el imán permanente abre el contacto, tal como se muestra a continuación.

Flotador Flujo Magnético del

Imán Permanente Contacto cerrado herméticamente

Capitulo V: Nivel

Tubo del Flotador

30



Al desplazarse el flotador a lo largo del tubo, el imán permanente que esta en su interior cierra su circuito magnético aprovechando y uniendo las láminas metálicas que están dentro del tubo y con ello cerrando los contactos eléctricos entre los dos puntos que están en las dos laminas. Bajo este principio funcionan diferentes interruptores de nivel, los cuales utilizan el desplazamiento del flotador producido por los cambios de nivel dentro del tanque para cerrar y abrir el o los contactos eléctricos que están en el tubo. Un arreglo de interruptores de flotador para contactos en diferentes niveles a lo largo del envase se muestra en la siguiente figura.

Tabla de Selección del Flotante

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/ A = V«* Distancia mínima al nivel máximo B = 11// Distancia mínima entre niveles C = 1* Distancia mínima desde de extremo de )a unidad hasta el nivel inferior

n

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6.3. Interruptores de Diafragma o Membrana. Los interruptores de Diafragma o Membrana son instrumentos para ser usados en el monitoreo de materiales secos a granel como talco, granos, o cualquier material que fluye libremente con un tamaño del grano da hasta 30 mm (1.2 pulgadas) almacenados en recipientes. Se pueden usar para indicar condiciones de tanque completo o tanque vacio. El interruptor es sensible a los cambios de la presión que el material contenido en el tanque hace sobre las paredes del diafragma el cual transmite el movimiento a un sensor interno conformada por una membrana metálica delgada y este actúa directamente sobre el interruptor eléctrico cambiando los contactos del mismo. Entre sus especificaciones se tendrán que se instala verticalmente a través de bridas. Un instrumento de estas características se observa en la figura siguiente. Capitulo V: Nivel

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f-Sü! Kli

Materiales de Construcción Membrana: Neopreno o Viton® Aro de Montaje: Acero Galvanizado o Inoxidable En capsulado: Plástico reforzado con Fibra de Vidrio Rango de Temperatura: 0*F a 175°F Protección: NEMA 4 (casquillo para paso de cable hacia abajo) Peso: 1.7 libras

6.4. Interruptores Ultrasónicos. Los interruptores de nivel ultrasónicos se usan se usan para supervisar niveles de líquidos y proteger bombas. La función ultrasónica permite que el interruptor sea usado cuando fallan los métodos de supervisión convencionales, este tipo de interruptores se pueden activar para casi todos los fluidos homogéneos sin considerar su viscosidad, densidad o conductividad. En la siguiente figura se muestra un interruptor de este tipo.

Capítulo V: Nivel

32



Este tipo de interruptor utiliza un sensor en forma de horquilla el cual contiene dos cristales piezoeléctricos que se miran entre si. Uno de los cristales actúa como un transmisor ultrasónico y el otro como un receptor. Si el espacio de aire entre los dos puntos de la horquilla se llena de líquido, el ultrasonido pasa de un cristal al otro. Al recibir este cambio de la señal el modulo electrónico del instrumento activa un relé el cual podrá estar normalmente abierto o normalmente cerrado el cual podrá ser seleccionado. La salida del interruptor ultrasónico es activada cuando las horquillas están mojadas. 6.5. Interruptores Ópticos. Los interruptores de nivel ópticos se adaptan para actuar como detector de nivel para varios fluidos. Son de geometría pequeña lo que asegura una histéresis de interrupción muy baja de solamente +/- 1 mm, esta libre de partes móviles, la unidad es totalmente independiente tanto la fuente de luz como el fotodetector. A continuación se muestran dos tipos de interruptores de nivel según la forma como podrán ser roscados en las paredes del tanque.

En estos interruptores de nivel óptico el fluido tiene contacto directo con la lente exterior del interruptor y con ello cambiara las propiedades de reflexión de la luz emitida y el efecto que este tendrá sobre el foto receptor, permitiendo con ello que se efectué la interrupción a través del monitoreo del nivel de luz que actúa sobre el detector interno. Este dispositivo opera independientemente de las propiedades del liquido como color, viscosidad, constante dieléctrica, densidad, conductividad, contaminación y temperatura. Es compacto y sólido y sin partes móviles. Se instala simplemente enroscando a la pared del contenedor. En la siguiente figura se muestra una lámina que ilustra su funcionamiento. Capitulo V: Nivel

33



Características • Compatibilidad con la mayoria de tos líquidos • Resistente al Émpañamiento del íente • Ultra-confiable..;ño partes móviles • No se requiere ajustes o calibración • Bajo costo

BAJO

LLENO

Prisma en el Aire Prisma

Prisma en el Liquido Prisma

SENSOR MOJADO (N/O)

SENSOR SECO (N/O)

Cuando ei prisma es irorverso en el liquido, la luz del LEO es refractada en el Bquído y falla a1 activar un transistor NPN. La unidad es noconductiva.

Cuando el nivel del líquido ésta por debajo del prisma, la luz del LEO es reflejada de vuelta al prisma ysobra él foto transistor NPN, haciéndote conductivo.

Capitulo V: Nivel

34



7. INSTRUMENTACIÓN DE NIVEL EN INSTALACIONES PETROLERAS Al considerar las diferentes formas y técnicas para medir el nivel para envases abiertos y cerrados, tomando en cuenta la densidad y la viscosidad del fluido para determinar cuales son los instrumentos mas adecuados, así como la temperatura y presión de trabajo bajo las cuales estarán sometidos los instrumentos de nivel, se avanza al profundizar en las distintas aplicaciones de la variable operacional nivel en las instalaciones petroleras considerando su rango de trabajo, el tipo de instrumento adecuado para cada equipo y como ello permitirá aportar los criterios para entonar los lazos de control. Al atender el nivel como variable operacional en las instalaciones petroleras se tendrán ejemplos para aplicaciones de la utilización de esta variable como indicadores, transmisores, protección y regulación en: estaciones de flujo, plantas compresoras y refinerías, tales como: control y protección por nivel en un depurador liquido gas de una planta compresora, retiro de nivel de agua a partir de la interfase agua crudo de un separador trifásico, el retiro de producto final de tope garantizando el nivel de liquido para reflujo en una el tope de una torre de destilación de una refinería, entre otros. Control Nivel de agua en Separador Trifásico. En el tope de la torre de destilación salen los componentes que se mantuvieron en fase gaseosa, cuando este flujo pasa por el intercambiador de calor y se enfría permitirá que exista la condensación de varios componentes como el producto final del corte y el agua que se inyecto como vapor en la zona gaseosa entre las bandejas de la torre. En el separador trifásico se retirara el producto del corte, gasolina por ejemplo y el agua. Para ello será necesario ¡mplementar un lazo de control de nivel conformado por un transmisor de interfase (gasolina-agua) que enviara una señal eléctrica hasta el controlador proporcional a la magnitud del nivel del agua, un controlador que calculara la señal de error de nivel de agua, aplicara las acciones básicas de control Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID) a la señal de error guardara la salida en memoria y lo convertirá en una señal eléctrica de control que será enviada hasta el convertidor Corriente-Presión I/P que tendrá una salida neumática que posicionara la válvula de control para que el nivel de interfase de agua se corresponda con el valor deseado o set point. Al considerar que se retira agua en una zona del separador donde exista una interfase gasolina-agua se deberá conectar un transmisor para estas condiciones de trabajo, donde el transmisor tendrá un rango de trabajo que permita seleccionar un valor deseado (set point) en el controlador que garantice solamente la salida de agua. Este transmisor se conectara a través de vasos comunicantes. El esquemático del lazo de control para retirar el agua del separador trifásico, así como, el tope de la torre de destilación, el enfriador, y el separador trifásico, además de un ejemplo del transmisor de nivel que podría ser usado para esta aplicación se muestra a continuación.

Capitulo V: Nivel

35



Control y Protección por Nivel en Depurador de Gas Entre las etapas de compresión de gas en una planta compresora se hace necesario enfriar el gas caliente que sale de la descarga de una etapa de compresión antes de pasar a la succión de gas de la siguiente etapa de compresión. El proceso del enfriamiento del gas posibilita la condensación de algunos productos lo que se hace necesario retirar los líquidos condensados antes de ser comprimidos en la siguiente etapa y así evitar los daños catastróficos que originarían en la etapa posterior de compresión la presencia de líquido dentro del compresor de gas. Es por ello que se hace necesario retirar los líquidos condensados a través del lazo de control de nivel y tener una señal de alarma por alto nivel de líquido en el depurador. El esquemático del lazo de control de nivel para retirar los productos condensado, el interruptor por alto nivel de líquido, así como, el transmisor de nivel y el interruptor de nivel que podría ser utilizado se muestra a continuación. Capitulo V: Nivel

36



Rango de Calibración min

Control Override Nivel-Caudal En el arreglo de control Override se combinan dos variables operacionales totalmente independientes mientras se mantengan en sus rangos de trabajo. En el Control Override una variable operacional (1 Caudal) trabaja atendiendo su lazo de control totalmente independiente de otra variable operacional (ZNivel), siempre que no alcance el valor de seguridad preestablecido por la variable operacional (2 Nivel). Dos ejemplos del control Override Nivel-Caudal se presentan en la siguientes figuras, una de retiro de producto liviano y de poca viscosidad del tope de la torre de destilación para alimentar otra torre trabajando el lazo de control de caudal siempre y cuando el nivel no baje a los Capitulo V: Nivel

37



limites de seguridad, el otro el retiro del producto viscoso y pesado de fondo del fondo de la misma torre y que también alimenta otras torre. 1). En un momento la variable operacional Caudal, se mantendrá controlando surazo de control para mantener el caudal constante siempre que no alcance tLriivel de seguridad de la segunda variable Nivel. 2). En el momento que sea alcanzado el nivel de seguridad de la segunda variable (Nivel), el sistema de control reemplazara el controlador de Caudal por el controlador de Nivel y se ejecutara el lazo de control de Nivel hasta el momento que se restablezca los valores de nivel deseados dentro del fondo de la torre. 3). Una vez restablecidos los valores del nivel entre los parámetros deseados y justo a partir de ese momento se retorna el control a la primera variable Caudal

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Capitulo V: Nivel

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38



8. LAZOS DE CONTROL DE NIVEL En todo proceso donde interviene la variable operacional nivel es indispensable que se establezca su control para definir su magnitud para alcanzar los valores de trabajo para obtener los cortes de productos requeridos en cada instalación, evitar baja calidad de los cortes de los productos, así como, daños en los equipos ya que un sistema operando dentro de rango que no tenga control de nivel provocaría daños en los equipos que no están diseñados para recibir componentes en fase liquida como los compresores, daños ambientales si existen derrames y posibles daños humanos. En las siguientes figuras se muestran dos lazos de control de nivel, un lazo para definir el nivel de trabajo en un separador liquido-gas y el otro lazo para controlar el nivel en el fondo de una torre de destilación y que es almacenado en un tanque y donde se podra observar que aunque los procesos son diferentes los instrumentos que se utilizan para conformar el lazo de control son los mismos.

Capitulo V: Nivel

39


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En los dos ejemplos anteriores tal como se podrá observar de las figuras, el lazo de control de nivel en el separador liquido-gas y el lazo de control de nivel para el fondo de la torre de destilación están implementados con la integración de los mismos cuatro componentes: 1. El Transmisor (LT-01): se encarga de captar la señal del proceso mediante un transductor que interactua directamente con el nivel para proporcionar una señal eléctrica que alimenta al circuito electrónico que conforma el transmisor, quien convierte las variaciones del captor en una señal eléctrica que será directamente proporcional a la magnitud del nivel para ser enviada hacia el controlador. 2. El Controlador (LIC-01): recibe la señal eléctrica enviada por el transmisor de presión, se encarga de grabar el valor deseado de la presión (set-point), calcula la señal de error e(s) cuando obtiene la diferencia entre el valor deseado de la presión y el valor real que envía el transmisor, ejecuta las acciones de control Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID) de la señal de error e(s) y enviar una señal eléctrica para regular al elemento final de control. 3. El Convertidor I/P (LY-01): convierte en una relación lineal la señal eléctrica de control que envía el controlador en una señal neumática y con ella regular la apertura de la válvula de control. 4. La Válvula de Control (LCV-01): es el elemento final de control y regulara la apertura al paso del fluido a partir de la señal neumática de control de 3 a 15 PSI que la alimenta por el actuador. En un sistema de control de lazo cerrado de nivel al igual que otro lazo de control cerrado de otros sistemas y otras variables operacionales, se deben establecer los parámetros indispensables de operación y estabilidad que permitan mantener en forma estable a lo largo del tiempo la magnitud de la variable operacional que se controla. Esto lo lograra el controlador en la medida que el técnico encargado de la entonación del lazo de control defina adecuadamente las asignaciones y los valores siguientes: • • • •

El SET POINT o valor deseado. Kp: Sensibilidad o ganancia. Ti: Ajuste integrativo. Td: Ajuste derivativo.

En el lazo de control de nivel, a través del controlador de la variable (LIC-01), se efectúan las funciones necesarias para que la magnitud del nivel dentro del separador o en el tope de la torre maniobre dentro de los rangos preestablecidos (si el lazo esta bien entonado), para ello el controlador debe efectuar la comparación entre la medición real que envía el transmisor y el valor deseado (set point) obteniéndose una señal de error e(s) para posteriormente aplicar las acciones básicas de control: Proporcional, Integrativo y Derivativo (PID) de corrección permanentemente en el tiempo para que el funcionamiento del proceso sea estable y preciso. Los valores asignados a Kp, Ti y Td deben ser los adecuados de otro modo el Capitulo V: Nivel

40



comportamiento de la variable operacional presión podrá tomar hasta valores y comportamientos erráticos, es decir, un mismo lazo de control con los mismos elementos que conforman el lazo podrá tomar valores reales de la presión siempre muy próximos al set point, o tomar valores erráticos dependiendo casi únicamente de los valores que se hayan asignados a KP, Ti y Td. En las siguientes figuras se muestran los esquemáticos de la variable nivel en el tiempo y su valor dependiendo de cómo este entonado el laô de control, así como el modelo matemático del lazo de control de nivel.

^ £?., SET POINT

Función de Transferencia

Transmisor De Nivel Capitulo V: Nivel

41


íesús Enrique Otero Ramos

CONTROL P.I.D.

A través del modelo matemático del lazo de control y de las funciones que ejecuta el controlador se desarrollara la atención PID que este ejecuta para mantener la presión real entre los límites preestablecidos en la calibración del lazo de control. El corrector P.I.D. (Proporcional - Integrativo - Derivativo) es un de ajuste que permite controlar el comportamiento de una señal con la intervención de tres factores que efectúan la corrección tanto de rapidez de la señal como de amortiguamiento de la misma. Tal como se puede observar del modelo matemático la atención PID que se ejecuta sobre la señal de error e(s), es como se muestra a continuación: e(s): Señal de Error LD(s): Valor deseado del nivel, (set-point). RL(s): Realimentación del nivel de campo por el trasmisor. e(s) = LD(s) - RL(s)

La acción de control Proporcional, Integrativo y Derivativo, que calculan y ejecutan los controladores en los lazos de control, viene dada por el siguiente modelo y la siguiente ecuación:

PID set-point

e(s) r M(í) \/f(t\ L\

1+

Retroalimentación

í ,. 1 r , V t\ ' 1\Q\l)CLl f t i t\rit A p ' ai CU ) T

1

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J

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i i/ j T

<* JJ

M(s)

A(s) = A(s)+M(s)


t

't

Integrativa

Proporcional

Con la entonación del lazo de control se definen: Kp: Ti: Td:

Es el componente que define la sensibilidad del sistema. Es el período de la señal (repeticiones por minutos). Es el período de anticipo (Td E Ti/6).

El ajuste proporcional o Kp es el ajuste que considera o define la Banda Proporcional o el margen de error que tendrá el valor real de la presión y que estará por encima y por debajo del valor deseado (set-point), con el fin de establecer un rango que permita que la intervención de las demás acciones de control no hagan que el sistema sea muy sensible ni muy perturbado. Hay que Capitulo V: Nivel

42



tener claro que un ajuste proporcional muy elevado implica una banda proporcional muy estrecha haciendo que ante cualquier mínima señal de error el sistema se forzará a los extremos (4-20mA) generando que el elemento final de control produzca perturbaciones. Es por ello, que el Kp debe ser un valor mediano o pequeño y compensar la falta de sensibilidad con los ajustes que se harán a las otras acciones de control, la integrativa y la derivativa. El ajuste integrativo, esta asociado al tiempo que espera el controlador para efectuar un cambio en la salida del mismo cada vez que la señal de error e(s) se mantenga constante, con esta acción se atiende a la variable controlada siempre que la señal de error sea constante y con ello se busca que el valor que asuma el nivel controlado dependa del controlador y no de la función de transferencia del proceso industrial. El ajuste integrativo Ti se define a partir del periodo de la señal que tarda el proceso industrial en responder a cada cambio en su alimentación. Se define el Ajuste Integrativo en fracciones de minuto que se asigna como tiempo de espera que hará el controlador para cambiar su salida del si la señal de error sigue siendo constante, la cual se modificara si transcurrido ese periodo Ti la señal de error se mantiene constante. Esto se repetirá cada vez que transcurra el vencimiento del periodo Ti ajustado hasta el momento que exista un cambio de la señal de error. Este ajuste integrativo buscara que la respuesta de la variable controlada sea mas rápida y que no dependa del tiempo de respuesta que estara asociado a la función de transferencia del proceso. El ajuste derivativo es la acción de control por adelanto del tiempo y que toma el controlador en anticipar un cambio para evitar que se produzca una señal forzada a los extremos de la Banda Proporcional. Cada vez que ocurra un cambio en la señal de error actúa la acción de control derivativa y proyecta lo que seria el valor de la variable controlada en un tiempo futuro Td, por ello con la acción de control derivativa asume una salida del valor necesario que debería tener la salida del controlador transcurrido ese tiempo. El ajuste Derivativo se da como salida del controlador por adelanto justo en el instante que se produce el cambio de e(s). Un control P.I.D. efectúa inicialmente la acción Proporcional-Derivativa y luego la acción Proporcional-Integrativa. Al seleccionar los valores adecuados de Kp, Ti, Td, se efectuara una buena entonación de lazo de control, en cambio si se toman valores incorrectos se desestabilizará el sistemas generando de esta manera perturbaciones constantes y hasta daños al equipo. Para los ejemplos de los lazos de control de presión del separador liquido-gas y el control de presión de tope de la torre de destilación se entenderá que son dos procesos diferentes conformados con equipos diferentes y por ello seguramente el separador liquido-gas y el fondo de la torre de destilación tendrán funciones de transferencias diferentes, y esto obligara a que ambos lazos de control aunque estén conformados por los mismos cuatro elementos ha saber: transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control, requerirán entonaciones diferentes, es decir, habrá que calcular valores de Kp, Ti y Td justo a los requerimientos específicos de cada proceso. Los detalles de la entonación de Capitulo V: Nivel

43



los lazos de control se tienen en el capitulo de "Entonación de Lazos de Control". En conclusión, una buena entonación de lazo de control implica: • Una banda proporcional que tenga un valor adecuado no muy elevado ni muy estrecho, es decir, que una banda muy estrecha produciría una mayor inestabilidad al sistema, y una banda elevada aumentaría de manera considerable el error de offset. • Un ajuste integrativo donde se selecciona el periodo Ti que será el tiempo que esperara el controlador para modificar la salida del mismo si la señal de error e(s) se mantiene constante. • Un ajuste derivativo de valor pequeño aproximadamente Ti/6 para que la salida del sistema no se limite a los extremos y se mantenga dentro del margen de estabilidad del mismo.

Capitulo V: Nivel

44

TEMPERATURA 1. Variación de Fase

.2

1.1.

termo metro de Vidrio../..... ,/.,.,.;.„.,........„.................... :.2

1.2.

Termómetro de Bulbo y Capilar.....

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1.3.

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• . • . : ;,,.:,-!„,:'

Termómetro Bimetanto

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2. Variación de Resistencia del Conductor

4

2.1.

Resistencia Térmica PT-100

4

2.2.

Conexión y Calibración del Transmisor

8

3. Generación f.e.m. en la unión de dos Metales

11

4. Transmisores de Temperatura

17

5. Intensidad de Radiación Emitida por un Cuerpo

20

6. Temperatura en Instalaciones Petroleras

20

Capítulo VII: Temperatura



TEMPERATURA La medida de la temperatura constituye una de las variables operacionales más comunes y más importante en los procesos industriales. Las limitaciones para la medición de temperatura para cada aplicación esta definida por la precisión, por la velocidad de captación, por la distancia entre el transductor y el circuito electrónico del transmisor. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura: 1. 2. 3. 4. 5.

Variación de Fase de un fluido en un volumen constante. Variación de resistencia de un conductor. Generación de f.e.m. en la unión de dos metales. Variación de resistencia de un semiconductor. Intensidad de radiación emitida por un cuerpo.

1. VARIACIÓN DE FASE 1.1. Termómetro de Vidrio. El termómetro de vidrio consiste en un envase de vidrio que contiene un fluido que al calentarse se expande, lo que permite que suba por el capilar que esta a lo largo del termómetro. Esta expansión es directamente proporcional al calentamiento que sufre el fluido lo que permite tener una escala graduada para observar los cambios de la temperatura. En la siguiente figura se muestra un termómetro de vidrio.

Los márgenes de medición de temperatura con termómetros de vidrio para diferentes fluidos se muestran a continuación: • • • • •

Mercurio Mercurio + gas Pentano Alcohol Tolueno

de -35 hasta 280 °C de -35 hasta 450 °C de -200 hasta 20 °C de -110 hasta 50 °C de -70 hasta 100 °C

1.2. Termómetro de Bulbo y Capilar. Los termómetros tipo bulbo consisten en un bulbo conectado a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido contenido en el bulbo se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar los cambios de temperatura. En la siguiente figura se muestra un termómetro de tipo bulbo. Capitulo VII: Temperatura



espiral

a-compensación en la coja

b-compensación tofo! (tubo capilar »cojoJ

El campo de medición de estos instrumentos está comprendido entre 150 hasta 500 °C, dependiendo del tipo de fluido que se utilice, los cuales están organizados en las siguientes clases. • • • •

Clase I : termómetro actuado por líquido. Clase II: termómetro actuado por vapor. Clase III: termómetro actuado por gas. Clase IV: termómetro actuado por mercurio.

Los termómetros de bulbo y espiral permiten tener cierta distancia entre la ubicación del bulbo y la distancia del indicador. Esta distancia es corta la cual tendrá un máximo de 5 metros.

Indicador Capilar

1.3. Termómetro Bimetalito. Los termómetros bimetalitos se fundamentan en los distintos coeficientes de dilatación de dos metales diferentes y que estarán laminados conjuntamente. Las laminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices que pueden girar como un tornillo un metal dentro del otro y con ello aprovechar este giro para mover la aguja indicadora de la temperatura. Un termómetro bimetalito típico contiene pocas partes móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre del espiral y el otro extremo bimetalito que sirve de envoltorio y tiene el contacto directo con la temperatura que se mide. Capitulo VII: Temperatura


Metal A: • Latón. • Acero.


Metal B: Hace girar la aguja • Ferro-Níquel.

Con los indicadores de temperatura bimetalitos el eje y el elemento de indicación están sostenidos sobre cojinetes y el conjunto esta construido con precisión para evitar rozamientos. La precisión es de +/- 1% y su rango de medición es de -200 hasta 500°C, y para su instalación se debe considerar la longitud del indicador de modo que el extremo del indicador se corresponda con el punto caliente a medir y que el diámetro del indicador se corresponda al lugar de su instalación.

Diámetro

2. VARIACIÓN DE RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR. 2.1. Resistencia Térmica (PT-100) RTD: Resistencia Temperatura Resistor. Las resistencias térmicas son transductores Temperatura-Resistencia Variable, que dependen de las características de la resistencia de un material (Níquel, Cobre, Platino) en función a la temperatura a que son sometidos. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino de conductor eléctrico (Níquel, Cobre, Platino), bobinados entre capas de un material aislante y protegido por un revestimiento de vidrio o de cerámica.

B O

Capitulo VII: Temperatura



En la medida que se incrementa la temperatura a que es sometida la PT-100, se incrementa el valor de la resistencia entre los extremos A y B. Esto es producto al "Coeficiente de Temperatura7' del cable del conductor eléctrico con que esta construido la PT-100 que se caracteriza por la variación de la resistencia en ohmios que corresponde por cada grado de variación de temperatura a que es sometida. La relación entre la resistencia del transductor y la temperatura a que es sometido es un modelo lineal que se puede expresar de la siguiente manera:

Rt

i Rt: Resistencia en ohmios del PT-100 en los extremos A y B. Ro: Resistencia en ohmios de la PT-100 a 0°C. Ro= 100 ohmios, t: Temperatura en grados centígrados a que es sometido la PT-100. a : Coeficiente de temperatura del conductor. En la practica los diferentes conductores con que se pueden construir los transductores resistivos no tienen un comportamiento lineal a lo largo de todo el rango de la temperatura, además cada material utilizado tiene un Coeficiente de Temperatura (a) especifico. En la siguiente figura se muestran los valores de la resistencia en relación a la temperatura a que es sometido.

Platino

600




Las características para el platino, níquel y cobre de su resistividad (a), Coeficiente de temperatura, intervalos de trabajo, resistencia del transductor a 0°C se muestran en la siguiente tabla comparativa. Metal

Resistividad

Coeficiente Temp.

a = ¡£ll 'cm

Q/Q°C

Rango de Trabajo enoc

Resistencia AO°C

9,83 6,38

0,00392

-200 a 950

25, 100, 500

0,0063

-150 a 300

100

1,56

0,00425

-200 a 120

10

Platino Níquel Cobre

De la tabla comparativa anterior se puede observar que la mayor resistividad l£llcm, así como el intervalo de trabajo -200 hasta 950 °C lo presenta el transductor de platino, además de la linealidad a lo largo de todo su rango de medición lo que define el uso del platino para las construcciones de los PT-100. El PT-100 de platino tendrá las siguientes características: 1. Muy sensible, debido al alto coeficiente de temperatura de la resistencia (a =0,00392 Q/Q°C) lo que permite mayor resistencia en ohmios del transductor por la variación de grados centígrados. 2. Gran rango o intervalo de trabajo desde -200 hasta 950 °C. 3. relación lineal Resistencia-Temperatura. 4. Estabilidad de las características Resistencia-Temperatura a lo largo de la vida útil del transductor. 5. Muy costosos por ser fabricados de platino En las tablas anexas del libro se presentaran los valores de la PT-100 según la temperatura a la cual es sometido. En la siguiente figura se muestra la forma física de un PT-100, el sensor, el punto de calentamiento, la rosca de fijación al termopozo y la rosca que lo contendrá al envoltorio de la salida de los cables. Se podrá observar que los PT-100 podrán tener diferentes formas constructivas, de la gráfica se tiene una PT-100 con cuatro cables dos cables del transductor y dos cables de compensación para la conexión al puente del circuito electrónico, también se muestra un segundo PT-100 con otro modo de construcción, dos cables del transductor y dos cables para la compensación.

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SERIES BBS LONG SHEATH SENSOR Capitulo VII: Temperatura



En la siguiente figura se presentan varios PT-100 que permiten observarles que tienen diferentes longitudes y diferentes tipos de roscas de conexión y en la figura posterior se presentan los diferentes modelos que se tienen para los PT-100 con los cables de salida que corresponden para cada sensor.

CAPSULE SEXSOrl

CONFICURÁtiONS

SíNOtE £L£;M£MT

LOJMDCO

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1,0 G^

SERIES 78S PLATINUM SENSORS (For Immenlon Lengths 1" to 24") Capitulo VII: Temperatura



2.2. Conexión y Calibración del Transmisor con (PT-100). Conexión del Transductor y uso de Termopozos. En la siguiente figura se muestra las conexiones de los cables de extensión del PT-100 con la hornera del transmisor de temperatura, así como, la salida eléctrica del transmisor hasta el controlador y que será directamente proporcional a la magnitud de la temperatura que sensa la PT-100. Los cables de extensión desde la PT-100 hasta el lugar donde estará ubicado el transmisor serán conductores eléctricos normales.

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Usualmente los PT-100 se conectaran al punto de medida a través de un termopozo, el cual actura como un envoltorio del transductor. Quedando el termopozo instalado permanentemente en el punto de medición y permitirá retirar o reemplazar los PT-100 sin que ello implique supeditar su reemplazo con los requerimientos de afectar la marcha del proceso industrial. En la siguiente figura se muestra la PT-100 conjuntamente con el termopozo que lo recubrirá, haciendo hincapié que debe corresponderse las dimensiones del PT-100 con las dimensiones del termopozo para garantizar que la PT-100 estará sensando la temperatura justo en el punto caliente de la medición.

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!C*tX»N C
Tîwi-.-, ...^.v^-f--'-:'^""í SferírSC :;l?,iZT; , IM ; 1 •

Tuerca del PT-100

Tuerca del Termopozo


Termopozo Longitud del PT-100

8



Los termopozos están hechos para proteger los transductores (PT-100 y Termocuplas) y están hechos de materiales que soporten las fases del fluido (Gas, Liquido, Vapor), así como las características físico-químicas del mismo, de manera de garantizar la medición de temperatura del proceso industrial sin que sus condiciones de trabajo tengan que considerarse para construir los PT-100 y donde la única atención del transductor es sensar la temperatura y todo lo demás lo atenderá el termopozo. Los termopozos facilitaran la conexión y desconexión de los transductores sin interferir con las condiciones de operatividad, ni las condiciones de trabajo del proceso industrial. El termopozo deberá tener la longitud y el diámetro que permita la adecuada conexión de los transductores y será importante tener presente que las longitudes del conjunto Termopozo-PT-100 deben adaptarse de modo que el punto caliente de medición coincida con el extremo del transductor que lo sensa, es decir, no debe ser el termopozo mas largo que el transductor. La longitud de los PT-100 puede variar hasta un máximo de 19 pulgadas o su equivalente a 457 mm. En la siguiente tabla se muestran los diferentes materiales utilizados para construir los termopozos para atender las distintas instalaciones petroleras. Instalación

Aplicaciones

Estaciones de Flujo

-

Plantas Compresoras

-

Petroquímica

-

Refinerías

-

Calentadores de Petróleo. Cabezal de Pozos. Compensación de medición de gas estación a planta. Succión y Descarga de Compresores. Enfriadores Interetapas. Desparafinador de columnas de fraccionamiento. Cámara de reacción. Unidades Catalíticas. Temperatura Tope de Torre. Temperatura Fondo Torre. Control de Hornos. Bandejas de Torre. Compensación de Medición de líquidos.

Material del Termopozo Acero Inoxidable Inconel + Hierro Acero Inoxidable o Inconel + Hierro Inconel + Hierro 0

Acero Inoxidable

J_ Calibración del Transmisor usando PT-100 como Transductor Para la calibración del transmisor de temperatura que utiliza la PT-100 como transductor se hará a partir del rango de medición de la PT-100 comprendida entre -200 hasta los 950 °C en relación al rango de lectura que se necesita para ser transmitido desde el proceso industrial hasta la sala de control, es decir, la magnitud de la señal eléctrica que saldrá desde el transmisor estará determinada por las necesidades de lectura del proceso industrial.




Para efectos de presentar un ejemplo, se tiene una PT-100 que tiene un rango de trabajo comprendida desde -200°C hasta 950°C, rango lo suficientemente amplio para medir procesos industriales con aplicaciones muy frías hasta aplicaciones muy calientes, sin embargo, en las instalaciones petroleras existen aplicaciones muy especificas, con rangos de trabajo ya delimitados y para los cuales habrá que calibrar los transmisores de temperatura de manera que su rango de transmisión este comprendido entre la mínimo y máxima temperatura de interés para esa instalación. De la gráfica que sirve de ejemplo, se ilustra una calibración donde se observa el rango de trabajo de la PT-100 comprendida entre -100°C hasta 600°C y se realiza una calibración del transmisor para un rango de transmisión comprendida entre los 200°C para los 4 mA del "Cero" hasta los 400°C para los 20 mA del "Span". Span +VCCQ

Sala de Control

CIRCUITO ELECTRÓNICO DEL TRANSMISOR

4-20 mA

© Cero Cables de Extensión

Span

20

Cero

-100


200

300

400

500

600

10



Para calibraciones de diferentes rangos de trabajo de los transmisores la salida del mismo es una señal eléctrica comprendida entre 4 a 20 mA, no cambiara la magnitud de la salida del transmisor comprendida entre 4 a 20 mA, solo cambia el rango de referencia que se toma del transductor para determinar que la señal eléctrica que sale del transmisor esta comprendido dentro de las mediciones de interés y muy especifica que se necesitan para cada instalación. Para efectos del ejemplo, en este proceso industrial las temperaturas de interés no estarán por debajo de 200 °C y no superara los 400 °C. Se tendrá un proceso industrial con requerimientos muy específicos de trabajo donde sus temperaturas de funcionamiento no bajaran de los 200 °C ni superaran los 400 °C. Para estos requerimientos y a partir de ellos calibrar un transmisor de temperatura se tendrá un calibrador que reemplazara la PT-100 para conectarse con transmisor, este calibrador proporcionara el valor de resistencia que se corresponde para los 200 °C por lo que el instrumentista hará el ajuste de cero para obtener los 4 mA para los 200 °C, posteriormente el simulador proporcionara el valor de la resistencia para 400 °C y el instrumentista hará el ajuste de span para obtener los 20 mA para los 400 °C. En la siguiente figura se muestra el esquemático de esta calibración. Span —WfWr

Simulador de Calibración

CIRCUITO ELECTRÓNICO DEL TRANSMISOR

+VCCQ

Sala de Control 4-20 mA

Cero

3. GENERACIÓN f.e.m. EN LA UNIÓN DE DOS METALES. 3.1. Termocuplas. Las Termocuplas son transductores Temperatura-f.e.m. que depende de la generación de tensión eléctrica en el punto de unión de dos metales diferentes cuando este punto de unión se somete a una temperatura. En el punto de unión de un metal A con un metal B se genera tensión eléctrica en milivoltios que aumenta en la medida que la temperatura en el punto de unión de los dos metales se incrementa. Esta pequeña generación de energía eléctrica es continua y proporcional a la temperatura de la unión y se generara siempre que exista una diferencia de temperatura con la unión de referencia. Esta unión de referencia será el punto donde se conecta al circuito electrónico. Capitulo VII: Temperatura

11



El símbolo de la Termocupla, su circuito equivalente como una fuente de tensión variable por temperatura y las curvas características aproximadas para las mismas para diferentes uniones de dos metales que conformaran las Termocuplas tipo J, Tipo T y Tipo R se muestran a continuación. Metal A

Temperatura

Metal B

f(t) mV

50

Tipo J

500

600

-10-

Tipos de Construcción de Termocuplas: J : Hierro-Constatan T : Cobre-Constatan K : Cromel-Alumel R : Platino- Platino+Rodio En la siguiente tabla se presentan varias características generales de diferentes tipos de Termocuplas, como el tipo de aleación de que están hechas, los intervalos de medida, el Coeficiente de Temperatura que define la variación de f.e.m. por cambios de temperatura, el rango de trabajo de temperatura del cable de extensión que conectara la Termocupla con el transmisor.


12


Intervalo de Medida

Coeficiente de Temperatura

f.e.m.= mV/oc

Temperatura de Trabajo de Cables de Extensión

• -185 °C hasta -60 °C. • -60 °C hasta +95 °C • 95 <>C hasta 370 °C

0,052

-60 °C hasta 95 °C

0,055

0 °C hasta 200 °C

0,040

0 °C hasta 200 °C

• o°C hasta 1.100 °C. • 1.100 hasta 1.400°C • 1.400 hasta 1.6000 °C

0,012

25 °C hasta 200 °C

• o °C hasta 1.100 °C. • 1.100 hasta 1.400°C • 1.400 hasta 1.6000 °C

0,010

25 °C hasta 200 °C

Termocupla Tipo T: Cobre-Constatan

Tipo J:

• • • •

Hierro-Constatan

Tipo K:

0 °C hasta 425 <>C. 425 °C hasta 750 °C 0 °C hasta 300 °C 300 °C hasta 550 °C

• 0 °C hasta 400 °C. • 400 °C hasta Superior

Cromel-Alumel

Tipo R: Pt-Pt/Rh 13%

Tipo S: Pt-Pt/Rh 10%


Del análisis de la tabla anterior se deben sacar varias consideraciones: 1. Se tienen diferentes Tipos de Termocuplas:T, J, K, R, S, para atender diferentes rangos de trabajo, donde se podrá considerar que para medir bajas temperaturas serán adecuadas las Termocuplas Tipo T y para medir muy altas temperaturas las Termocuplas Tipo R. 2. Para atender la gama de temperatura que se requiere en la industria petrolera serán adecuadas las Termocuplas Tipo J con un rango de medición comprendida entre O °C hasta los 750 °C. 3. Al conocer el rango de trabajo que se tendrá en la instalación petrolera se debe pedir Termocuplas Tipo J pero especificando el intervalo de medida, garantizando la mayor vida útil a la Termocupla. 4. Se requieren cables de extensión para llevar la f.e.m. que genera la Termocupla hasta el transmisor electrónico y donde el cable de extensión debe ser de las mismas características de la Termocupla. En la siguiente figura se muestra la conexión de la Termocupla hasta el transmisor usando el cable de extensión. lermocupia j

T"

caoies ae txtension

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1 1 1

Fe

X^x

Fe: Hierro

^

C

n H


C: Constatan

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^Ls

I

Fni ii no

Electrónico

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—/TV-

13



La siguiente figura permite identificar las Termocuplas mas comúnmente usadas, los colores asignados al cable que lleva la referencia de tensión negativa y diferentes formas de construcción, es importante resaltar que este esquemático muestra las Termocuplas sin termopozos lo que permite ver las roscas para conectar al termopozo y para roscar al envoltorio que cubre la unión de cables de la salida de la Termocupla y los cables de extensión hasta donde este ubicado el transmisor electrónico. DIMENSIÓN AL DRAWINGS

Leadwire Configura tions

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DUAL, UNGROUNOED 1SOLATED

DUAL. UNCROUNOCO UNÍSO LATEO

14

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En las tablas anexas de este libro se tendrán los valores que corresponden a la f.e.m. generada por las Termocupla Tipo J a lo largo de su rango de medición, y las consideraciones que se hicieron para los termopozos para ser utilizados en los PT-100, igualmente aplican para el uso de las Termocuplas.

3.2. Conexión y Calibración del Transmisor. Se conectan las Termocuplas hasta el circuito electrónico del transmisor o del controlador a través de cables de extensión del mismo tipo de la Termocupla, es decir para Termocuplas Tipo J se conecta con cables de extensión Tipo J hasta el circuito electrónico. La distancia desde la conexión de la Termocupla hasta el circuito electrónico puede ser de hasta 1000 metros. En la siguiente figura se muestra las conexiones de los cables de extensión de la termocupla con la bornera del transmisor de temperatura, así como, la salida eléctrica del transmisor hasta el controlador y que será directamente proporcional a la magnitud de la temperatura que sensa la termocupla. Usualmente la Termocupla al igual que los PT-100 se conectan a termopozos que actúa como envoltorio del transductor, lo que conlleva a que el termopozo este conectado directamente al proceso que se le mide la temperatura.

Para efectos del ejemplo, se utilizara la calibración del transmisor de temperatura que utiliza la Termocupla Tipo J, con un rango de medición comprendido entre O °C hasta750 °C y dentro de este rango de temperatura que proporciona la Termocupla se calibrara el transmisor para proporcionar una salida eléctrica comprendida entre 4 a 20 mA, de modo que corresponda 4 mA como salida de la menor temperatura y los 20 mA a la mayor temperatura y que será directamente proporcional a la magnitud muy especifica del rangos de trabajo del equipo controlado. En la siguiente gráfica se ilustra a manera de ejemplo la calibración del transmisor de temperatura alimentado con una Termocupla Tipo J, seleccionada para intervalo de trabajo entre 300 °C hasta 550 °C, al utilizarse para medir los gases de escape de una turbina. Para ello el transmisor se Capítulo VII: Temperatura

15



calibro para tener la salida de 4 mA para 400 °C y 20 mA para 550 °C. En la primera gráfica se muestra la conexión de la Termocupla con el transmisor y en la segunda gráfica se muestra simultáneamente la curva característica de una Termocupla Tipo J con la salida del transmisor para el rango seleccionado para la calibración del transmisor. Span

-wp

Cables de Extensión

Fe

+VCCQ

Sala de Control

CIRCUITO

ELECTRÓNICO DEL TRANSMISOR

4-20 mA

Cero

Span

Tipo J

-100

100

200

300

400

500

600

Para calibraciones de los transmisores, para diferentes rangos de trabajo de otras instalaciones industriales, la salida del transmisor sigue siendo la misma señal eléctrica comprendida entre 4 a 20 mA, no cambiara la magnitud de la salida del transmisor, solo cambia el rango de referencia que se toma del mismo transductor para determinar que la señal eléctrica que sale del transmisor esta comprendido dentro de otros rangos de trabajo para atender otro requerimiento muy especifico de otra instalación. Capitulo VII: Temperatura

16



4. TRANSMISORES DE TEMPERATURA. Aprovechando la información que proporcionan los fabricantes de instrumentos en las siguientes figuras se muestran, un transmisor de temperatura que puede recibir como transductores las señales de un PT-100, o de cualquiera de las diferentes tipos de termocuplas y posteriormente se muestran los diferentes conexionados de los distintos transductores que podrán conectarse al transmisor como unas señales eléctricas proporcionales a la temperatura que están sensando en los equipos industriales donde están instalados.

W i ring Conn ecíions ANO

7/7

OCiPOWC»

TKOIWGCOUPU

m

MILUVOlt SOlfHCI


17



Los transmisores electrónicos de temperatura con señal eléctrica de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios, funcionan al igual que todos los transmisores electrónicos de otras variables operacionales bajo el principio de tener un transductor eléctrico (PT-100 o Termocupla) que ¡nteractúa directamente con la temperatura del equipo al cual esta instalado, enviando los cambios de la señal eléctrica en proporción (y no es lineal) a la temperatura. La señal eléctrica de salida del transductor (PT-100 o Termocupla) se conectara al circuito electrónico del transmisor quien aprovechara los cambios de la señal eléctrica del transductor para generar los cambios de la corriente de salida del transmisor y donde parte de la función del circuito electrónico es conseguir que la salida de 4 a 20 miliamperios sea lineal en relación a los cambios de la magnitud de la temperatura de los equipos en el campo a partir de los transductores de temperatura que no son lineales. Al considerar el uso del transmisor electrónico y las condiciones de la señal eléctrica de salida del mismo, y ya identificados los transductores mas comunes para medir la temperatura (PT-100 y Termocuplas) se tendrá toda la atención del uso del transmisor orientada mas en la instalación y calibración del instrumento, aprovechando las facilidades de información que proporcionan los fabricantes para visualizar la conformación de estos equipos. En las siguientes figuras se muestran: 1). La forma de instalación del transmisor. 2). Planos de dimensiones del Transmisor. 3). Despiece transmisor.

Optional Moiíating Bracke

Typícal Surface Mounted instaiiatíofi

Tyjrical Instalíaíion

Oíi Two tóslt Pipe

J

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18



DIMENSIONAL DRAW1NG

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TYPICAL MOOEL 444 TEMPERATURE TfiANSMITTEB ASSEMBLY ELECTRONíCS HOU5ÍNC

l/lodel 444 Temperature Transmiíter Specificaíions Capitulo VII: Temperatura

19



5. INTENSIDAD DE RADIACIÓN EMITIDA POR CUERPO. La pirometria de radiación esta conformada por un lente que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varias Termocuplas de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación de un cuerpo caliente esta enfocada incidiendo directamente en las uniones de las Termocuplas. El paquete de Termocuplas es de volúmenes reducido, lo que las hace sensibles a las pequeñas variaciones de energía radiante y además son resistentes a las vibraciones o choques mecánicos. Objeto Caliente

Lente

La termopila esta conformada por varias Termocuplas conectadas en serie que permiten sumar el aporte de tensión que genera cada Termocupla. La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperatura entre la unión caliente donde se concentra la radiación que proporciona el lente y la unión fría que esta en el circuito electrónico del medidor. Este equipo electrónico al igual que todos los transmisores electrónicos tiene un circuito para hacer la corrección por temperatura ambiente, de manera que la tensión resultante de la termopila sea solamente de la resultante de la generada por la radiación del lente. Para evitar errores en la medición de la temperatura se hace necesario mantener al lente que concentra la radiación limpio, de manera que garantice que todas las ondas que emite el cuerpo caliente sean concentradas por el lente hasta la termopila.

6. TEMPERATURA EN INSTALACIONES PETROLERAS. Una vez que se entiende las diferencias entre las PT-100 y las Termocuplas como transductores primarios para medir la temperatura los cuales son los mas utilizados en las instalaciones petroleras queda profundizar en las diferentes aplicaciones de la variable operacional temperatura considerando no solo su medida, también considerando su comportamiento dinámico y como esa consideración permitirá aportar incluso criterios para entonar los lazos de control de presión, en fin es aceptar la temperatura como una variable que Capitulo VII: Temperatura

20



atenderá desde una indicación local a través de un termómetro bimetálico hasta un lazo de control junto con todos los demás instrumentos que posibilitan la existencia de un lazo simple de control, o la variable temperatura como variable maestra en lazos en cascada. Al considerar la temperatura como variable operacional en las instalaciones petroleras se harán ejemplos de la utilización de esta variable en diferentes aplicaciones para indicar, transmitir, proteger y regular en plantas compresoras, refinerías, tales como: la temperatura que se indica y se mide en la succión y descarga de los compresores, la temperatura de aceite que se mide para garantizar la viscosidad del aceite y así proteger los motores y turbinas al garantizar su adecuada lubricación, la temperatura maestra que se utiliza en los lazos de control en cascada para el control de hornos o reflujo de tope en las refinerías. MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COMPRESORES Con Termocuplas y Transmisores de Temperatura. Panel de Control

Modulo Electrónico del PLC

Indicador de Temoeratura de Succión

Termocupla sensora de Temperatura de Succión.

Transmisor Indicador de Temoeratura de Succión.


21



Termocupla sensora de Temperatura Lubricación de Aceite.

Transmisor Indicador de Temperatura de Aceite de Lubricación.

Indicador de Temperatura de Descaraa

Termocupla sensora de Temperatura de Descarga.

Transmisor Indicador de Temoeratura de Descaraa.

MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COMPRESORES

Con Indicadores Bimetálicos e Interruptores-Bimetálicos. Panel de Control

Modulo Electrónico de Tarjetas ON-OFF

Indicador de Temoeratura de Succión

Interruptor calibrado para Alta Temperatura de Succión.


22



Interruptor calibrado para Alta Temperatura de Aceite.

Indicador de Temperatura de Descarga.

Interruptor calibrado para Alta Temperatura de Descarga.

En las aplicaciones anteriores se mide y se indica la temperatura en arreglos de compresión de gas, donde puede observarse que las conexiones se hacen en las botellas de succión y descarga para la medición e indicación de la temperatura del gas y en el compresor para la medición de la temperatura de aceite de lubricación, y se llevan a través de cables de Termocuplas hasta el panel de control cuando alimenta al transmisor de temperatura y con cables comunes hasta el modulo electrónico para los interruptores de temperatura. *

Temperatura variable Maestra en Control en Cascada. Una de las aplicaciones más interesantes de la temperatura como variable maestra en los lazos de control en cascada es para definir la temperatura de trabajo en el tope de la torre de destilación inyectando un flujo frió del producto final de tope (REFLUJO). A través del reflujo se define la temperatura del tope de la torre y con ello se establece la condición de trabajo de la sección de rectificación de la torre. Esta temperatura de tope que se consigue regulando la inyección del caudal del producto final de tope, será la referencia de la menor temperatura de la torre de destilación. La integración del tope de la torre conjuntamente con los equipos asociados esta conformado por un condensador, un separador trifásico, una motobomba para retirar el producto final de tope, así como enviar el reflujo y los arreglos de instrumentación y control que permiten implementar los controles de: de temperatura de tope (reflujo), producto final de tope, nivel de productos pesados y presión. En este conjunto de instrumentos y controles para implementar el reflujo se hace necesario tener un lazo de control en cascada Temperatura (Variable Maestra) y el Caudal (Variable Esclava) que permita definir la temperatura de trabajo del tope de la torre, para ello de la descarga de la motobomba se tiene una toma que pasara por una válvula de control que regulara el flujo hacia el tope de la torre de tal manera que ingrese el producto final de tope frió para definir la temperatura de tope. La regulación de mayor o menor caudal de reflujo se hará en la medida que se busque corregir la temperatura de tope, por ello para disminuir la temperatura en el tope se incrementa el caudal de reflujo y por el contrario para aumentar la temperatura en el tope se disminuye el caudal de reflujo. Este arreglo en Capitulo VII: Temperatura

23



cascada Temperatura-Caudal permitirán que la temperatura defina el set point del caudal y con ello la posición de la válvula de control. La variable operacional más crítica (Temperatura) es el maestro, dado que en el tope de la Torre de Destilación las variaciones de temperatura harán cambios de la condición de trabajo Temperatura-Caudal de la bandeja y con ello modificaría la cantidad de componentes que estarán en fase gaseosa o fase liquida en esa bandeja. Es por ello que la cantidad de producto final de tope que regula el lazo de control esclavo (Caudal) debe estar supeditado a mantener estable la temperatura de trabajo en la bandeja que es la referencia para el control. Se ajustara el caudal (Variable Esclava) del producto final de tope que se inyecta como reflujo a los requerimientos de mantener la temperatura (variable Maestra) estable en la bandeja de la torre a su valor deseado como referencia. En la siguiente figura se muestran las conexiones vista desde del PLC del lazo de control en cascada Temperatura (Maestro) y Caudal (Esclavo), donde observan como los transmisores de temperatura y caudal (TT-01 y FT-01) transmiten sus señales eléctricas hasta el PLC. Es dentro del software del PLC donde existe la corrección desde el controlador maestro (Temperatura TIC-01) hasta el controlador esclavo (Caudal FIC-01). Del lazo de control esclavo (que trabaja con un set point corregido) sale la señal eléctrica que alimentara al convertidor Corriente-Presión (FY-01) el cual tendrá como salida la señal neumática comprendida entre 3-15 PSI y que posicionara la válvula de control para regular el producto final de tope que alimenta la bandeja.


24



En la atención del Tope de la Torre de Destilación para mantener estable la temperatura en la bandeja, el controlador Maestro TIC-01 (Temperatura) tendrá un valor deseado (set point) TD(s), también recibe la realimentación de temperatura RT(s) a través del transmisor de temperatura TT-01 y con ello genera la señal de error e(s) de la temperatura y ejecutara la acción de control PID a la señal de error de la temperatura. La señal de salida del controlador maestro CM(s) se sumara con el valor deseado y sin perturbaciones del caudal (set point) seleccionado de la variable esclava (EN EL SOFTWARE DEL PLC).

Control de Temperatura de Flujo de Alimentación de Torre. En la siguiente figura se muestran como ejemplo otro arreglo de control en cascada que usualmente se utilizan para definir la temperatura de alimentación del fluido de alimentación a la torre de destilación.


25

CAUDAL 1. Caudal .... 2. Medidores Volumétricos

.............................4

2.1.

Instrumentos que aprovechan la Presión Diferencial...........4

2.2.

Corrección para Fluidos Compresibles...............................8 .

2.3.

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"

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Elementos Primarios^para SensarHa^Présíón^Bt

:

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•

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2.3.1.

Placa de Orificio

12

2.3.2.

Tobera

13

2.3.3.

Tubo Venturi

15

2.4.

Transmisores de Flujo

3. Instrumentos de Desplazamiento Positivo

15 18

3.1.

Medidor Birrotor

18

3.2.

Medidor Oval

20

4. Instrumentos que Aprovechan la Velocidad

22

4.1.

Medidor de Turbina

22

4.2.

Medidor Ultrasónico

24

5. Instrumentos que usan el Par Giroscópico

26

6. Computadores de Flujo

28

7. El Caudal en Instalaciones Petroleras

29

Capítulo VII: Caudal


Capitulo VII: Caudal




1. CAUDAL Una de las variables operacionales más comunes en los procesos industriales para ser medido y controlado es el caudal. Es el caudal la variable que relaciona el volumen en relación al tiempo y puede expresarse en diferentes unidades tal como se muestra a continuación:

Caudal = Volumen / Tiempo Ci = Litros / minuto

(1)

C2 = Litros / segundo C3 = galones / minuto C4 = Barriles / Hora Podrán existir otras unidades para medir el caudal, que relacionen el volumen con unidades de tiempo y que podrá ser representativa de alguna instalación industrial. Para medir el caudal existen varios métodos según si es un caudal volumétrico o un caudal masico. Para medir estos caudales se desarrollaron varios transductores que permitirán tener contacto directo con el caudal para proporcional una señal útil representativa del caudal y que puede ser medida. Entre los métodos los métodos y variables que se aprovechan para medir el caudal están: la presión diferencial, la velocidad, área variable, desplazamiento positivo, par giroscopio, entre los cuales se podrá reseñar: • Placa Orificio. • Tobera. Presión Diferencial

<

• Tubo Venturi. • Tubo Pitot.

r • Medidor Rotativo. • Disco Giratorio. Desplazamiento Positivo • Pistón Oscilante. • Pistón Alternativo.


-Birrotor. -Cicloidal. -Oval.



• Turbina. Velocidad

• Sondas Ultrasónicas. • Vertederos con Flotador.

Par Giroscópico

Tubo Giroscópico.

2. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido en forma directa a través del desplazamiento o indirectamente por deducción de: medición de presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, entre otras. En las industrias la medición del caudal volumétrico se efectúa comúnmente utilizando como transductores primarios aquellos que permiten obtener una presión diferencial al paso del fluido.

2.1. Instrumentos que Aprovechan la Presión Diferencial. El uso de la presión diferencial tiene como principio el de instalar un cuerpo (Placa Orificio, Tobera, Tubo Venturi) en la tubería por donde pasa el caudal. Este cuerpo propicia una caída de presión del fluido, que resulta proporcionar al caudal, es decir, si no hay caudal la presión que existe antes y después del cuerpo es la misma y por ello AP = P\ - P2 = O, sin embargo al incrementarse el caudal por la tubería se incrementa el diferencial de presión en el cuerpo.

Formula General. El calculo dei caudal a partir de la presión diferencial &P = PA-PB que origina un cuerpo alojado en la tubería por donde circula el fluido a medir, se basa en la aplicación del "Teorema de Bernoilli" en una tubería horizontal.

Caudal= Volumen/Tiempo= Área.Distancia/tiempo = Area.Velocidad

(Área en A).(Velocidad en A) = (Área en B).(Velocidad en B) Caudal A = Caudal B


aA.VA = aB.VB

(2)


fl

=\ ©


PA>PB

\1

B

! PA: Presión en A. | VA: Velocidad de Fluido en A. ! aA: Área en A.

1 PB: Presión en B. | VB: Velocidad de Fluido en B. i aB: Área en B.

Si PA, PB, VA, VB, son las presiones absolutas y las velocidades antes y después del elemento transductor y aA, aB, son las áreas correspondientes en A y en B, reemplazando estos valores en el Teorema de Bernoulli se tiene:

VA 2g

PB Wo

2g

(3)

Wo

Donde: Wo: Peso Especifico del Fluido, g: Gravedad. Como se tiene que: aA.VA = aB.VB => VA=(aB.VB)/aA (4) aA: Área de A, es el área de la tubería. aB: Área de B, es equivalente al orificio del elemento que origina la caída de presión dentro de la tubería por donde circula el fluido.

Reemplazando la ecuación (4) en (3) y desarrollando los términos resulta:

(aBVBlaAY

Wo


2g

PB Wo



Agrupando Términos equivalentes resulta: PA Wo

PB = VB2 Wo ~ 2g

(aB)2.(VB)2 (aA)22g

_L.(W-M) = (^.0_(2«12) Wo

(aA)

2g

(aA)2' Despejando VB de la última expresión resulta:

Wo

VB =

-.(PA - PB)

(aA)

Definiendo m=aB/aA como un factor de acercamiento del diámetro del orificio (aB) con relación al área de la tubería (aA) y redefiniendo la expresión para determinar el área del orificio que será: aB = may y reemplazando esta ultima expresión en la ecuación (5) resulta:

VB =

1

t2g.(PA -PB)

•J\-m2\

Wo

Teniendo que Caudal = Área.Velocidad = aB.VB = aA.VA, se tiene que:

Caudal

= (m.aA).

- PB)

1 Vi- m2

Wo

Teniendo que: aA: Área de la Tubería por donde circula el fluido. aA = 7r.D2/4 D: Diámetro de la tubería por donde circula el fluido. Reemplazando la ecuación para determinar aA en la ecuación (6), resulta: Capítulo VII: Caudal

(6)


Caudal

™ ^ Vl-m2 4

x

F


— UPA - PB ) S

' V

(7)

Wo

Donde la ecuación (7) se podrá resumir que: La aplicación de la ecuación (7) para el cálculo del caudal esta limitada a fluidos ideales que no se expanden, ni comprimen. En la practica en las instalaciones industriales para tener una medición de caudal mas próxima a la realidad se deben considerar varios factores de corrección para tomar en cuenta tales como: el reparto desigual de las velocidades del fluido que ocurre dentro de la tubería, la contracción de la vena del fluido, las rugosidades dentro de la tubería, las fases liquida o gaseosa del fluido. Los factores antes reseñados se engloban en dos parámetros CJ como coeficiente de descarga, donde C es el coeficiente de caudal y J es el coeficiente global de corrección que considera la viscosidad del fluido, rugosidad de la tubería, otros factores. Los factores C y J son determinados experimentalmente. Finalmente al considerar los factores de corrección C y J resulta una ecuación para el cálculo de caudal volumétrico (Qv) a partir de la caída de presión que genera un cuerpo dentro de la tubería de la siguiente manera.

Qv: Caudal Volumétrico.

& = CJ

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v ^

,,

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C: Coeficiente de Caudal. J: Factor Global de Corrección = JiJz-Js Ji: Factor de Corrección de la Viscosidad. J2: Factor de Corrección de Rugosidad, Repartición de Velocidad. J3: Factor de Corrección de la Arista de: Placa Orificio, Tobera.

En las siguientes figuras se muestran los transductores primarios más comunes (Placa Orificio, Tobera, Tubo Venturi) para generar el diferencial de presión AP = PA-PB, proporcionales al caudal volumétrico que circula por una tubería.



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b - Tobera

a - Diafragma

c - Tubo Venturi Fig. 4.9 Diafragma, tobera y tubo Venturi.

En las instalaciones industriales, el elemento transductor primario de caudal (Placa Orificio, Tobera, Tubo Venturi) permite proporcionar el diferencial de presión ¿±P = PA-PB al transmisor electrónico quien a partir de este valor enviara una señal eléctrica directamente proporcional al caudal que circula por la tubería. Una placa de orificio como elemento primario de caudal y su conexión con el transmisor de caudal se muestra en la siguiente figura.

Transmisor de Flujo con Placa de Orificio con mecanismo de cambio rápido. (Caja de Orificio)

Transmisor de Flujo con Tubo Venturi o Tobera como sensor.

2.2. Corrección para Fluidos Compresibles. Para fluidos compresibles como el petróleo y sus derivados, su densidad variara en toda la sección de la vena ya que cambiara la presión, la temperatura y el peso específico del fluido. Esto hace necesario tomar las consideraciones que permitan tener la expresión final para la medición del caudal volumétrico (Qv) con las correcciones que proporciona un factor Capitulo VII: Caudal

8



experimental de expansión (s}. Con esta ultima corrección queda la ecuación para el cálculo del Caudal Volumétrico (Qv) de la siguiente manera: Qv: Caudal Volumétrico.

Qv = sCJ

m Wo

(8)

e\ Factor Experimental de Expansión. C: Coeficiente de Caudal. J: Factor Global de Corrección = Ji.J2.Js La ecuación anterior que aplica para los líquidos compresibles se puede utilizar para la medición de caudal de gases que sigan la ley de los gases perfectos. En la práctica la ley no es del todo verdadera cuando las presiones de la línea supera los 3 PSI, y por lo tanto en las instalaciones petroleras donde las presiones normales de trabajo superan ampliamente esta magnitud se hace necesario calcular factores de compensaciones de modo de calcular el caudal de gas para las condiciones reales de trabajo existentes. En la práctica la densidad del gas se aparta de la teoría dependiendo de la temperatura y la presión critica a la que son sometidos. Las desviaciones de la densidad del gas están representadas por el "Factor de Comprensibilidad" (Z), que es la relación de densidad considerando el gas perfecto y la densidad real. Una forma práctica de obtener el valor del "Factor de Compresibilidad" (Z) es emplear el valor que proporcionan las ecuaciones de estado reducido de los gases. Con estas ecuaciones se utilizan las magnitudes reducidas de la presión y de la temperatura y con ellas calcular el valor del "Factor de Compresibilidad" (Z) empleando curvas tabuladas para tal fin, así como tablas que informan las presiones y temperaturas criticas de los fluidos mas comunes que existen en las diferentes industrias. La Presión Reducida (Pr) y la Temperatura Reducida (Tr) se calculan:

Pr = P/Pc

Pr: Presión Reducida. P: Presión de Trabajo en la tubería. Pe: Presión Critica del fluido.

Tr = T/Tc

Tr: Temperatura Reducida. T: Temperatura de Trabajo en tubería. Te: Temperatura Critica del fluido.




Las Presiones y Temperaturas Criticas de los fluidos se obtienen de la gráfica que a continuación se presenta. ELEMENTO Ácido Acético Acetona Acetileno Aire Amoniaco Argón Benzeno Butano Dióxido de Carbono Monóxido de Carbono Tetracloruro de Carbono Cloro Etano Alcohol Etílico Etileno Éter Etílico Fluor Helio Heptano Hidrogeno Ácido Clorhídrico Isobutano Alcohol Isopropilico Metano Alcohol Metílico Nitrógeno Oxido Nitroso Octano Oxigeno Pentano Fenol Fosgeno Propano Propileno Refrigerante 12 Refrigerante 22 Dióxido de Azufre Agua

Presión Critica (Pe) PSIA

Temperatura Critica (Te) °F

841 691 911 547 1638

612 455 97 97 270

705 701 529

-188

1072 514 661

1118 717 927 742 522 367 33 394 188

1199 544 779 673

552 307 88

-218 541 291 90 469 50 383

-247 -450 513

-400 124 273 455

-177

1156

464

492

-233

1054

99 565

362 730 485 889 823 617 661 582 713

1142 3206

-182 387 786 360 207 198 234 207 315 705

Conociendo el tipo de fluido, la Presión de Trabajo y la Temperatura de Trabajo del fluido en la tubería por donde circula, así como los valores de la Presión Critica (Pe) y la Temperatura Critica (Te) que proporciona la tabla anterior, se procede a calcular la Presión Reducida y la Temperatura Reducida.


10



Una vez calculado la Presión Reducida (Pr) y la Temperatura Reducida (Tr) se podrá calcular en forma gráfica el "Factor de Compresibilidad" (Z) a partir de las curvas tabuladas que se presentan en la siguiente gráfica.

m2 0,250.3

CU

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OS 05070,5

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1,5

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Con esta ultima consideración de calcular gráficamente el valor del "Factor de Compresibilidad" para las condiciones de presión y temperatura de trabajo de la tubería por donde circula el gas se obtendrá la ecuación para calcular el Flujo Volumétrico de los gases que se presenta a continuación. Qv: Caudal Volumétrico.

Z: Factor de Compresibilidad. C: Coeficiente de Caudal. J: Factor Global de Corrección

2.3. Elementos Primarios para la Presión Diferencial. 2.3.1. Placa Orificio. La Placa de Orificio consiste en una placa metálica perforada, instalada en la tubería en forma bridada o a través de cajas de orificio. Para la medición de la presión diferencial presenta dos tomas conectadas antes de la placa y posterior a la placa, lo que permite tomar las presiones antes y después (PA) y (PB).


11



En las siguientes imágenes se muestra una placa orificio, una gráfica donde se muestran las características de construcción de las placas de orificio, así como un transmisor de flujo conectado a una placa de orificio instalada con bridas.

En las siguientes gráficas se muestran las Cajas de Orificio, los cuales son equipos que permitirá reemplazar los orificios de la tubería sin necesidad de despresurizar la línea, es decir, la Cajas de Orifico permite retirar los orificios Capitulo VII: Caudal

12



para ser reemplazados por otros de diferentes diámetros y así cambiar el rango de medida de flujo con los equipos que descargan en la línea operativos.

2.3.2. Tobera. Al igual que la placa de orificio, la Tobera es un elemento primario que se conecta a la tubería con dos tomas para sensar la presión diferencial &P = PA-PB proporcional al paso del fluido. Permiten sensar caudales 60% superiores a la placa de orificio bajo las mismas condiciones de servicio, y además pueden emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeñas cantidades. Son 8 a 16 veces más costosas que la placa de orificio. En la siguiente figura se muestra la forma constructiva de la tobera. Capitulo VII: Caudal

13



2.3.3. Tubo Venturi. Es un transductor que permite la medición de caudales 60% superior a la placa de orificio en las mismas condiciones de servicio y con una perdida de carga de solo 10 a 20% de la presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluido con un porcentaje relativamente grande de sólidos. Son 20 veces más caros que las placas de orificio. En la siguiente figura se muestra un esquemático de las características y dimensiones del Tubo Venturi.

Capítulo VII: Caudal

14



2.4. Transmisor de Flujo. Los transmisores de flujo de Caudal Volumétrico son alimentados por dos tomas para sensar la presión diferencial &P = PA-PB proporcional al paso del fluido que circula por la tubería donde esta colocado el sensor primario de caudal quien proporciona PA y PB. El transmisor de flujo es la integración de un transductor eléctrico (Capacitivo) que aprovecha los cambios de la presión diferencial para proporcionar una salida de su variable eléctrica hasta los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes a partir de los cambios de la variable eléctrica del transductor generaran la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la presión diferencial. El transmisor de flujo al igual que todos los transmisores electrónicos, estará conformados por un transductor que genera cambios de su variable eléctrica cada vez que cambia de magnitud la presión diferencial en el sensor primario al cual esta conectado y por un circuito electrónico que convierte los cambios de la variable eléctrica del transductor en cambios de su salida de corriente. De igual modo el rango de trabajo de estos transmisores estará determinado por eltransductor y no por los circuitos electrónicos del transmisor. Con la finalidad de ir asumiendo un dominio adecuado del transmisor de flujo en las siguientes figuras se presentan los esquemáticos de: el conexionado eléctrico del transmisor, los planos de las dimensiones del transmisor, los soportes para los montajes típicos del transmisor y el despiece de las partes que integran al transmisor y que permite observar todos los componentes que lo conforman, con las diferentes partes y piezas mecánicas, así como, los circuitos electrónicos y en la parte inferior de la figura el transductor capacitivo que es alimentado desde la placa de orificio, la tobera o el tubo Venturi. El transmisor de flujo electrónico convertirá los cambios de la señal eléctrica que proporciona el transductor capacitivo a partir de los cambios de la presión diferencial que sensa: la placa orificio, la tobera o el tubo Venturi, para enviar la salida de corriente de 4 a 20 miliamperios proporcionales a la magnitud del flujo hasta el panel de control. Los transmisores de flujo son alimentados por una presión diferencial que podrá estar en el rango desde ( O a 5)" de H2O (pulgadas de agua) hasta (O a 750)" de agua.


15



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En la siguiente figura se muestra el transmisor de flujo conectado a una placa de orificio, que lo alimenta con el diferencial de presión que proporciona la presión alta antes de la placa de orificio y la presión baja después de la placa de orificio. A partir de la señal dP el transmisor de presión enviara una señal eléctrica hasta el computador de flujo, o hasta el registrador y que será directamente proporcional al caudal que fluye por la tubería.

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17



3. INSTRUMENTOS DE DESPLAZAMIENTOS POSITIVOS 3.1. Medidor Birrotor. El Medidor Birrotor es un equipo tipo de desplazamiento positivo diseñado para medir el flujo total de productos líquidos que pasan a través del medidor. Esta unidad de medición de líquidos separa el flujo y lo aloja en volúmenes conocidos que están conformados por paletas rotativas y la carcaza del medidor, es decir, los volúmenes conocidos se toman a la entrada del medidor desplazándose por las paredes y las paletas y se descarga a la salida del medidor. En cada vuelta de este medidor de desplazamiento positivo los volúmenes conocidos son contados y los resultados son transferidos al contador o cualquier otro sistema totalizador a través del tren de engranajes. Usualmente son fabricados con cuerpos de acero en cascos que permiten remover la unidad de medición como una unidad separa del cuerpo, además son diseñados para que los efectos adversos de las líneas no puedan ser transmitidas a la unidad de medición. Otra característica importante del Medidor Birrotor es tener un ajustador de precisión de calibración que permite al operador ajustar la salida de la unidad de medición para que lea en números exactos por unidad de volumen. Este ajustador actúa como un engranaje variable que permite modificar el eje de salida del engranaje del contador. Para la visualización general del Medidor Birrotor se muestra a continuación, así como el diagrama del principio de operación.



CARACTERÍSTICAS DEL MEDIDOR BIRROTOR

-

Esta conformado por dos rotores sencillos sin contactos metal-metal que son las únicas partes móviles de la unidad de medición Desplazamiento Positivo. Mide una gran variedad de productos de líquidos industriales. Se puede montar vertical y horizontalmente. Sin partes oscilantes, ni reciprocantes o deslizantes que estorben la acción rotatoria balanceada. Ideal para la medición de fluidos impulsados por la gravedad o bombeo.

INFORMACIÓN REQUERIDA PARA SOLICITAR UN MEDIDOR BIRROTOR -

Liquido a ser medido, gravedad específica y viscosidad. Temperatura de operación del líquido. Tasa de flujo máxima y mínima. Presión de operación de la línea. Funciones de lectura. Opciones y accesorios.

3.2. Medidor Oval. El Medidor Oval es un equipo tipo de desplazamiento positivo que mide en forma precisa el flujo de liquido que circula por la tubería donde esta instalado utilizando para ello la presión diferencial entre la entrada y la salida del medidor para hacer girar un par de engranajes ovales. Los dos engranajes Capitulo VII: Caudal

19



ovales son las únicas piezas móviles y proveen repetibilidad con muy poca pérdida de presión en la línea del proceso. Son medidores volumétricos que atrapan y desplazan un volumen conocido con cada rotación de los óvalos. El Medidor Oval esta conformado por dos engranajes que sellan el flujo de entrada en relación al flujo de salida, creándose un diferencial de presión que origina el movimiento. Inicialmente un engranaje esta balanceado hidráulicamente y el otro engranaje esta desbalanceado por lo que este engranaje impulsa el movimiento de rotación para ambos engranajes. Esta rotación permite que se intercalen los movimientos cíclicamente. Esta acción de impulsos alternos provee una rotación suave a un troqué casi constante sin puntos muertos. Al rotar los engranajes atrapan cantidades precisas de líquido entre los espacios vacíos que existe entre la cámara de medición y el engranaje que esta siendo impulsado. En estos medidores la cantidad total de flujo para una rotación del par de medidores ovales es cuatro veces el volumen de la cámara de medición y no es afectado por cambios de viscosidad. La tasa de flujo es proporcional a la velocidad rotacional de los engranajes y un eje de salida rota en proporción directa a la velocidad rotacional de los engranajes ovales por medio de un acople magnético, que impulsa un tren de engranajes que proveen el registro del medidor en: galones, litros. En la siguiente figura se muestran las partes que conforman los medidores ovales, y en la fiaura aue posteriormente siaue se muestra al medidor oval.


20



mmm i$21212 LS2121

DIMENSIONES DE DIFERENTES MODELOS DEL MEDIDOR OVAL. DIMENSIONES

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3,15/16 152,4

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18

152.4 6-11/16

9-5/8

170

^245

07:,4

6-1/8 230


187.4

21



CARACTERÍSTICAS: -

Medición de líquidos, desde ácido sulfúrico saturado, azufre derretido. Alta precisión hasta +/- 0,25%. Construcción sencilla. Registros en galones y en litros. Disponible para temperaturas de hasta 600°F. Virtualmente inmune a los cambios de viscosidad.

- Pueden ser transmisores eléctricos y/o mecánicos. 4. INSTRUMENTOS QUE APROVECHAN LA VELOCIDAD 4.1. Medidor de Turbinas. El Medidor de turbinas utiliza un transductor que detecta la velocidad de un flujo, utilizando para ello un tubo de flujo con una turbina de paletas suspendidas axialmente en dirección al flujo. Cuando el liquido choca aguas arriba en alta presión con la cara superior del alabe de la turbina mientras existe un área de baja presión en la cara inferior del mismo alabe de la turbina, se crea un diferencial de presión entre las caras opuestas del mismo alabe. El diferencial de presión que se produce generara un movimiento circular de los alabes de la turbina hacia el área de baja presión. La tasa de rotación del rotor de la turbina es directamente proporcional a la tasa de flujo que circula por la tubería donde esta instalada la turbina. En la siguiente figura se muestra el despiece de un transmisor de turbina donde pueden observarse entre otros, los alabes de las turbinas quienes en su cara superior reciben el choque del fluido que circula por la tubería en alta presión y quienes al tener una diferencia de presión con la cara inferior de los mismos alabes convierten el diferencial de presión en movimiento circular.

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Esta rotación de la turbina es luego convertida en una señal de salida, que utilizara el circuito electrónico del transmisor para enviar una señal eléctrica directamente proporcional al flujo que circula por la tubería. Capitulo VII: Caudal

22



El movimiento de los alabes de la turbina actúan conjuntamente con un sensor magnético que genera un impulso eléctrico cada vez que pasa un alabe, lo que permite al sensor magnético generar una frecuencia de impulsos eléctricos directamente proporcional a la tasa de rotación de la turbina la cual es directamente proporcional al flujo que mueve la turbina. El circuito electrónico del transmisor utiliza como transductor al sensor magnético que lo alimenta con la frecuencia de pulsos eléctricos convirtiendo esto en una señal eléctrica directamente proporcional al flujo y que va desde el transmisor hasta el controlador. En las siguientes figuras se muestran un esquemático que representa al sensor magnético que es activado por los alabes de la turbina y posteriormente un corte interior del transmisor de turbina.

Circuito Electrónico


4 a 20 mA

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Los medidores de caudal de turbina podrá usarse para medir gas y líquido, sin embargo, en medidores de gas la evaporación, cavitación y el vapor pueden causar sobrevelocidad en la turbina y con ello causar fallas en sus rolineras. La medición de líquidos con turbina ha sido mayormente usada y presentan una repetibilidad de 0,05% y una exactitud del 1%. El medidor de turbina ha resultado ser muy útil para altas tasas de flujo con un rango de hasta 100:1 y tendrá una respuesta lineal para la tasa de flujo. En la siguiente figura se muestran dos medidores de turbinas típicos, teniendo de fondo unas curvas de viscosidad vs. Rango de flujo, y si bien en este libro no se mostrara una curva particular, si se reseñara el uso de las mismas.

mm

Las características generales de los medidores de flujo por turbinas están: -

Se tienen transmisores con rangos desde 100 hasta 82.000 bph. La presión de trabajo estará comprendida entre 275 hasta 1.400 PSI. Temperatura de trabajo desde -30°F hasta 185°F. Presentan una linealidad de +/- 0,15% y repetibilidad de +/- 0,02%. Aplicaciones Típicas: -

Carga de tanqueros. Servicios de refinería. Distribución de camiones. Combustible de aviación. Medición de Mezcla.

De la figura anterior se podrá observar una tasa de flujo comprendida entre 2.000 hasta 14.000 BPH, una variación de viscosidad comprendida entre 20 Capitulo VII: Caudal

24



hasta 200, curvas que se correspondan con diferentes caídas de presión (14, 12, 9, 7) PSI y curvas relacionadas a la precisión requerida en la medida. A partir de las consideraciones anteñores y con eJ fin de determjnar Ja máxima y mínima tasa de flujo para un tamaño especifico de medidor y aplicación se deben tomar tres factores: 1. La viscosidad del producto a medir. 2. El grado de precisión requerida. 3. La cantidad máxima de caída de presión permitida a través del medidor. La tasa de flujo mínima de un medidor se convierte en un Factor de Viscosidad versus Grado de Precisión. Al aumentar la viscosidad del fluido, la tasa de flujo mínima requerida para mantener un grado de precisión específico aumenta. La tasa de flujo máxima permitida se convierte en un factor de Viscosidad versus caída de presión a través del'medidor. Al aumentar la viscosidad del producto, la tasa de flujo máxima disminuye de acuerdo con la máxima caída de presión permisible a través del medidor.

4.2. Medidor Ultrasónico. Los métodos para la medición del caudal en líquidos utilizando ondas de ultrasonido son varios, los más difundidos son: El método del camino sónico, y el método del efecto Dopler. 4.2.1. Método del Camino Sónico. Consiste en la medición del cambio en la velocidad de la onda de ultrasonido entre dos puntos de referencia, funciona midiendo la diferencia de tiempo del mismo trayecto, a favor y en contra del caudal entre los dos puntos de referencia. Este método requiere de los datos completos y precisos del tipo de tubería, espesor de las paredes de la tubería, tipo de fluido, temperatura del fluido, velocidad sónica del fluido, diámetro interno de la tubería, frecuencia exacta de la onda ultrasónica, posición de la tubería. Es muy bueno para líquidos limpios y tuberías que mantengan constante su espesor. En los casos donde la tubería cambia el espesor por la adherencia de sedimentos u óxidos en su interior el instrumento no podrá establecer el camino sónico y por lo tanto la lectura será falsa o imposible. COMPUTADOR

Transmisor


ê^jpt^jll? Ák ^Y

1 ák \f

25



En estos equipos se instalan dos arreglos emisor-receptor en la tubería los cuales estarán conectados con el modulo electrónico que sincroniza ambos módulos de emisión-recepción y calcula la diferencia del tiempo entre ambas medidas obteniendo con ello la velocidad del fluido. Dado que Flujo viene dado por Volumen/Tiempo = Área.Distancia/Tiempo = Área.Velocidad, al calcularla velocidad del fluido y conociendo el diámetro interno de la tubería como para calcular el área de la misma, le permite obtener el caudal.

Caudal

4.2.2. Método Efecto Dopler. En este método se utiliza la medición de los blancos móviles en el fluido, partículas sólidas y/o burbujas. La ráfaga de ultrasonido es dirigido en contra del caudal y se mide el incremento de la frecuencia del eco producido por el rebote sobre los blancos móviles, a mayor caudal mayor será el incremento de la frecuencia del eco, esto permitirá medir la velocidad y con ello el caudal.


26



5. INSTRUMENTOS CON PAR GIROSCOPIO (Flujo Masico) AI fluir un líquido por una tubería es forzado a seguir su movimiento en la dirección que determina la tubería: recta, curva, horizontal, vertical. Las fuerzas dentro del tubo siempre se opondrán tanto al flujo que entra en la tubería, así como al flujo que continuara entrando para ayudar a salir al fluido que se mantiene en la tubería. En este equilibrio de fuerzas entre el fluido que buscara enderezar la tubería y la tubería que se opone al paso del fluido resultara un movimiento de torsión en la tubería que será proporcional al flujo que por ella circula. Con este principio funcionan los medidores que utilizan el Par Gíroscópíco deí cuaí se muestra un sensor básico primario a continuación.

Coutía!

El acelerar el flujo en la entrada del tubo doblado que funcionara como transductor primario y desacelerar el flujo a la salida del mismo, causara que el tubo tienda a girar, como ha enderezarse. El flujo que induce al doblamiento del tubo, crea una "Fuerza Coriolis" en cada lado del tubo sensor. El doblamiento causado por la Fuerza Coriolis es una acción Giroscópica. La cantidad de torsión (doblamiento del tubo) que sufre el tubo sensor al oponerse al paso del fluido es directamente proporcional a la rata de masa del flujo que circula por el tubo sensor giroscopio). A partir de este principio los transmisores de flujo masico que funcionan con el par giroscópico, colocaran unos sensores de posición en el Sensor Giroscópico para determinar e! ángulo de torsión del tubo como función del tiempo. En la práctica los medidores que trabajan bajo este principio constan de un tubo de giro que se conecta a la línea donde se medirá el caudal a través de bridas, las cuales determinaran la referencia de torsión del mismo. En este transductor se tendrán dos sensores de posición, uno rígido unido al chasis del medidor y el otro sensor unido al tubo de torsión. Cuando no circule fluido por e! transductor de par giroscópico ambos sensores estarán uno frente ai otro manteniendo la misma fase entre las señales senosoidales de ambos sensores de posición. En el momento que circule fluido por el transductor se generara la torsión del mismo en forma proporcional a la magnitud del caudal y por ello el sensor unido al tubo se distanciara del sensor fijo unido al chasis del medidor y que sirve de referencia de movimiento. La torsión del transductor distanciara la posición del transductor unido a el en referencia! del sensor unido al chasis, Capitulo VII: Caudal

27



esto generara el desfase entre las señales senosoidales de ambos sensores de posición, permitiendo la medida de estos desfases como el valor que permitirá medir el caudal que circula en la tubería. En la medida que varié el caudal en esa medida variara la torsión del tubo del par giroscópico y con ello varía la separación entre los dos sensores utilizados, para aprovechar el cálculo de la diferencia de la separación entre los dos sensores para medir el caudal. Los sensores de posición colocados en el Tubo Giroscópico enviaran la información del ángulo de torsión hasta los circuitos electrónicos que integran al transmisor de flujo masico, quienes procesaran estas señales eléctricas convirtiéndolas en la unidad de flujo masico que circula por la tubería.

¿Sensor 2, esta colocado en el Tubo Giroscó^p conjuntamente con el.

0° de desfase entre los dos sensores cuando no hay flujo.

Sensor 1, esta colocado en el chasis del medido r í gi do, s ¡ n m o vi miento.

Desfases entre los dos sensores proporcionales al flujo.

En un medidor de flujo masico por donde no circula ningún fluido, el tubo del medidor no tendrá ninguna torsión y por ello los dos sensores estarán frente con frente y las señales eléctricas senosoidales que contienen ambos sensores estarán en fase. En el momento que circule fluido por el transductor de flujo, el tubo del medidor tendrá una torsión directamente proporcional a la rata de Capitulo VII: Caudal

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masa del flujo que circula por este tubo sensor giroscópico y con ello se originara un distanciamiento del Sensor 2 respecto al Sensor 1. Esto originara un desfase entre la señal eléctrica senosoidal del sensor 2 y el sensor 1 (Señal de Referencia), al medir el desfase de las señales senosoidales de los dos sensores se podrá calcular el flujo masico que circula por este transmisor. Estos transmisores de flujo masico además de los dos sensores de torsión, contienen una Resistencia Térmica (PT-100) para adicional al cálculo las compensaciones que los cambios de temperatura producen, evitando los errores de los cambios de volumen que se originan con los cambios de temperatura, como en los componentes de los hidrocarburos, así como un transmisor de la presión de la línea. Los medidores de flujo masico que trabajan con el sensor del Par Giroscópico miden la tasa de flujo de masa de líquidos, gases y mezclas de componentes en ambas fases. Este método directo para medir el flujo de masa produce resultados precisos, que son independientes de los cambios de la temperatura, presión, densidad o viscosidad del fluido y no contiene cuerpos en la línea que generen perdidas de presión al paso del fluido por el sensor primario. En la siguiente figura se muestra el transductor de medición de caudal por par giroscópico conjuntamente con los otros instrumentos que lo integran. Otros Datos Computado^


29



6. COMPUTADORES DE FLUJO. (Usando Placas de Orificio) En la práctica en las instalaciones petroleras los fluidos están expuestos permanentemente a cambios de temperatura (Si es de día o de noche) en las tuberías por donde circula el fluido, así como, a cambios de presiones en la misma tubería originadas por las motobombas o compresores en su dinámica de trabajo. Bajo estas condiciones "normales de trabajo" la densidad de los componentes de los hidrocarburos se aparta de la teoría dependiendo de la temperatura y la presión critica a la que son sometidos. Las desviaciones de la densidad del gas están representadas por el "Factor de Comprensibilidad" (Z), que es la relación de densidad considerando el gas perfecto y la densidad real, lo que permite tener una ecuación para el calculo del Caudal Volumétrico considerando los diferentes factores de corrección, tal como se muestra. Qv: Caudal Volumétrico.

i^r'S- :wli^lD'-2 -r^fí(Â^S§PB^ Ov ,.= ZC7 :——J2g^' d íl-W 4 V ^^; m; ;;:::; Z: Factor de Compresibilidad. C: Coeficiente de Caudal. J: Factor Global de Corrección =

Una forma práctica de obtener el valor del "Factor de Compresibilidad" (Z) es emplear el valor que proporcionan las ecuaciones de estado reducido de los gases. Con estas ecuaciones se utilizan las magnitudes reducidas de la presión y de la temperatura y con ellas calcular el valor del "Factor de Compresibilidad" (Z) empleando curvas tabuladas para tal fin, así como tablas que informan las presiones y temperaturas criticas de los fluidos mas comunes que existen en las diferentes industrias. Y esto permitía calcular un factor de corrección Z promedio que minimizaba el error del cálculo del caudal. Por otra parte, en las instalaciones petroleras ya están instaladas muchas placas y cajas de orificio que permiten calcular el caudal aunque con los errores descritos, al no tener equipos que permitan la corrección dinámica del "Factor de Compresibilidad" en el transcurso del tiempo cuando se van generando los cambios de la temperatura y presiones en-la tubería por donde circula el fluido. En aquellas mediciones de flujo donde es necesario tener valores precisos del producto que se esta transmitiendo de un lugar a otro, volumen que se esta vendiendo, otras aplicaciones, se hace necesario tener equipos que permitan utilizar la ecuación para el calculo del Flujo Volumétrico realizando las correcciones instantáneas del "Factor de Compresibilidad" en la medida que puedan ocurrir cambios de la temperatura y presión en la tubería por donde circula el fluido a lo largo del tiempo. Capitulo VII: Caudal

30



El uso de computadores de flujo permiten mantener el sensor primario (Placa Orificio( Tobera ( Tubo Venturi) adicionándole transmisores de temperatura y de presión hasta el computador, de modo que este pueda estar permanentemente calculando el valor del Factor de Compresibilidad (Z) a cada instante del tiempo y así tener una medición del Flujo Volumétrico con la corrección instantánea de (Z). En el diagrama siguiente se muestra esta aplicación.

COMPUTADOR

iüllfc tó

OTROS DATOS:

-

-

El computador contiene grabado en memoria la tabla que contiene las temperaturas críticas y presiones críticas de los diferentes fluidos lo que permite que pueda calcular a cada instante estos valores. El computador tendrá algoritmos matemáticos que le permite calcular el Factor de Compresibilidad (Z) a partir de las Temperaturas Reducidas (Tr) y Presiones Reducidas (Pr) que calculo previamente. El Computador lee el diámetro interno de la tubería y el diámetro del orificio, que le permite calcular el ''Coeficiente de Caudal" (C). El computador lee, los datos de la línea y demás parámetros para calcular el "Factor Global de Corrección" (J). El computador colocara la medición en la red de computadores.

7. MEDICIÓN FLUJO EN INSTALACIONES PETROLERAS. La medición de flujo es una de las necesidades de mucho interés en el trabajo del día a día en las instalaciones petroleras, es por ello que a modo de ejemplo se muestran varios arreglos de la medición y el control de algunas de estas aplicaciones en la industria donde se utilizara el caudal en lazos simples de control, como variable esclava en los controles en cascada, o como una de las variables operacionales en lazos de control en override. Capitulo VII: Caudal

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CAUDAL EN ARREGLOS DE CONTROL OVERRIDE.

LAZO DE CAUDAL DE ALIMENTACIÓN DE TORRE


32

LAZO DE CONTROL y RESPUESTA TRANSI1O|||¡ 1. Lazo de Control 1.1.

Breve Reseña

1.4.

Lazo de Control Cerrado

1.4.1.

Sistema de Control Cerrado TODO-NADA

1.4.2.

Sistema de Control a Lazo Cerrado

8 9 10

2. El Controlador y Transmisor en los Lazos de Control

14

3. Análisis a la Respuesta del Régimen Transitorio

18

3.1.

Identificación del Escalón, Rampa e Impulso

19

3.2.

Sistemas de Primer Orden

23

3.3.

Sistemas de Segundo Orden

27

3.3.1.

Lazo de Control en Sistema de 2do Orden

30

3.3.2.

Respuesta al Escalón Unitario

32

3.3.3.

Especificaciones de Respuesta Transitoria

34

3.3.4.

Respuesta al Impulso Unitario

35

3.3.5.

Control PID en Sistema de 2do Orden

37

4. ANEXOS

39

4.1.

Tablas y Propiedades de Transformada de Laplace

39

4.2.

Respuesta Transitoria Sistema segundo Orden

41

4.3.

Función de Transferencia de Sistema del Motor DG..................43

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria



1. LAZOS DE CONTROL Una de las áreas de aplicación más importantes del control automático, es el control de los procesos industriales usualmente llamada Control de Procesos. Los requerimientos recientes de seguridad en la operación de los equipos, un control más estricto de calidad de los productos, de mayores eficiencias energéticas y la preservación del medio ambiente, hacen necesario contar en las industrias con sistemas de supervisión y control de los procesos cada vez más sofisticados. El sistema de instrumentación de un proceso industrial puede requerir sin embargo, desde instrumentos tan simples como un termómetro o indicador de presión local, hasta sistemas computadorizados distribuidos en la planta para la implantación de esquemas de controles modernos. Todo lazo de control realimentado simple requerirá como mínimo de un elemento de medición y transmisión del valor de la variable que se desea controlar, un controlador y un elemento final de control debidamente interconectados entre si. Para la selección, instalación y puesta en servicio de los lazos de controles industriales, se requiere conocer entonces sobre los instrumentos disponibles para la medición de las principales variables operacionales a ser controladas en la industria, conocer sobre las válvulas de control, las cuales son el elemento final de control más utilizado y sobre la operación de los controladores de uso industrial, la entonación adecuada de los lazos por estos controlados y los procedimientos para la obtención de la información necesaria del proceso para realizarla. 1.1. BREVE RESEÑA HISTÓRICA El desarrollo de la teoría de control automático y de los equipos requeridos para su aplicación al control de los procesos industriales, ha sido muy grande desde que James Watt 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. Durante el siglo XX se dieron grandes pasos en el adelanto y el uso de la instrumentación y los controles automáticos aplicados en las industrias y a continuación se citan algunos de los hitos históricos importantes en el desarrollo de la instrumentación y el control de procesos. Aunque ya en 1912 se utilizaban registradores de temperatura Taylor en la industria lechera, 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 los controladores, el efecto del tiempo muerto sobre la estabilidad de los lazos de control y otros temas afines. El desarrollo de los equipos e instrumentos para los controles de procesos ha sido largo y grande, desde los instrumentos indicadores simples como termómetros, indicadores de presión y otros instalados localmente en el campo, hasta los actuales sistemas de control digital distribuido (DCS). Los controladores PID comerciales actuales tienen su inicio en 1930 cuando Taylor produjo el modelo 10R siendo este el primer controlador proporcional neumático, Foxboro por su parte introdujo en 1934 el controlador proporcional-integral modelo 40 y en 1938 Taylor incorporó el modo derivativo Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

2



en su modelo 56R poniendo en 1940 en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100. John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942. El desarrollo de nuevos métodos de entonación de controladores propuestos posteriormente ha sido grande y continuo. En 1945 se funda la instrument Society of America (SA ) hoy en día denominada ISA - The Instrumentation Systems and Automation Society. Bedford Associates produce el primer Controlador Lógico Programable (PLC), el Modicon 084, en 1969. A mediados de los años setenta del siglo pasado, Yokowaga y Honeywell introducen los primeros Sistemas de Control Distribuido (DCS). La instrumentación inicialmente neumática, ha evolucionado hasta los actuales instrumentos electrónicos digitales y aunque las señales de transmisión dominantes son todavía analógicas, existe actualmente comunicación digital entre los instrumentos para efectos de calibración, mantenimiento y supervisión. Paulatinamente, y especialmente en los últimos tiempos, parte de los desarrollos de la teoría de control moderno, han encontrando aplicación en el control de procesos y el controlador PID sigue siendo el más empleado. En el año 2000 la Federación internacional de Control (FAC) celebró la cesión de trabajo sobre controladores PID denominada "Digital Control: Past, Present and Future of PID Control" demostrando actualmente su total vigencia en el ámbito del control de procesos. 1.2. ESQUEMAS DE CONTROL

En el control de un proceso industrial están envueltas varias variables que entran y salen del mismo proceso industrial, relacionadas entre si por el proceso mismo y por los lazos de control. Las variables controladas son aquellas condiciones que se desean controlar o mantener en un valor deseado a lo largo del tiempo y pueden ser caudales, temperaturas, niveles, u otras características necesarias de controlar. Para cada una de estas variables controladas se establecerá un valor deseado también llamado punto de ajuste o set point. Para cada variable controlada existe una cantidad o variable manipulada de entrada asociada a esta y que llega al controlador a través de la realimentación que proporcionan los transmisores, posteriormente en el controlador la variable manipulada se podrá modificar para lograr el objetivo de control, de la salida del controlador para controlar la variable manipulada saldrá una señal eléctrica que buscara posicionar el elemento final de control. En las instalaciones petroleras, el control de procesos tiene normalmente alguna razón de flujo que se puede variar empleando una válvula de control. Las perturbaciones son también entradas al proceso pero sobre las que no se puede actuar y tienden a llevar a las variables controladas fuera de sus condiciones deseadas. Pueden ser cambios en alguna característica del proceso o del medio ambiente. Será necesario entonces contar con algún sistema de control para ajustar las variables manipuladas de manera de mantener las variables controladas en su valor deseado a pesar de las perturbaciones.




Con la finalidad de ir visualizando un proceso donde se identifiquen las variables que entran y salen del mismo, la implementación de sistemas de control basados en Controladores Lógicos Programable (PLC) y las consideraciones de sistemas de control basado en esta arquitectura, se muestra en la siguiente figura, una torre de destilación donde se observan sus diferentes variables de entradas y variables de salida, así como, los diferentes lazos de control con los diferentes instrumentos: transmisores, controladores, convertidores I/P y válvulas que posibilitan el control de las variables operacionales asociadas a la torre y que son necesarios para atender los requerimientos del tope de la torre, del fondo de la torre y de la alimentación. Torre de destilación

En la siguiente figura se muestra el esquemático donde están el conjunto de instrumentos y equipos que conformaran los lazos de control. Se observan los transmisores que están instalados dentro del proceso y que envían hasta los controladores (PLC) unas señales eléctricas directamente proporcionales a la magnitud de las variables manipuladas, posteriormente los controladores (PLC) que comparan las señales que envían los transmisores con las consignas o set point de las variables controladas para calcular la señal de error entre el valor deseado y valor real que envía el transmisor para posteriormente aplicar las acciones de control PID a la señal de error, de la salida de los controladores (PLC) se envían unas señales eléctricas de control que pasan por los convertidores I/P y sale en una señal neumática que regularan la apertura del elemento final de control y con ello la magnitud de la variable manipulada. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria



Elementos finales de control

Funciones de la instrumentación • I: Indicar • T: Transmitir • C: Controlar

Actualmente en las instalaciones petroleras el arreglo de control anteriormente mostrado es parte de una red conformada por una arquitectura de control que se inicia en el campo con los transmisores inteligentes como instrumento de Medición, los Controladores Lógicos Programables (PLC) como arreglo de controladores, interconexiones de ser necesario entre PLC, las conexiones de los PLC hasta la sala de control a través del PLC maestro y este hasta el servidor de la sala de control, quien posteriormente lo interconectara hasta red corporativa (SCADA) que permitirá el acceso de la información de los equipos de campo hasta cualquier PC que interconectado a la red. Este es el ultimo nivel en el arte del control de procesos, es decir, transmisores inteligentes que serán calibrados desde la red y que utilizaran un solo par de cables para alimentar eléctricamente varios transmisores, así como utilizar el mismo cable para transmitir las señales de cada transmisor en protocolos de comunicación Modbus o FielBus hasta la tarjeta de recepción del PLC, se tendrán arreglos de PLC distribuidos a lo largo de las distintas plantas de la empresa e interconectados entre si utilizando para su comunicación protocolo ControlNet en arreglos de PLC maestro-esclavos, se tendrán PLC maestros que se interconectan en Ethernet hasta el servidor de la Sala de Control de la empresa e interconexiones de la Sala de Control con la red LAN corporativa a través de TCP/IP permitiendo el uso de la información desde las oficinas.




Redes de Control

1! Sala de control

Oficinas de la empresa

Sin embargo, antes de llegar al dominio del detalle para considerar el arreglo de control antes reseñado será necesario ir aprendiendo progresivamente sobre los lazos de control y los controladores que los implementan, se hace necesario partir desde las bases fundamentales, por lo cual se deben definir los conceptos de lazos de control abierto y lazo de control cerrado y el modelo matemático de los lazos de control. 1.3. LAZOS DE CONTROL ABIERTO En los sistemas de control a lazo abierto, la salida no tiene efectos sobre la acción de control. La salida ni se mide, ni sé realimenta para ser comparada con la acción de control de entrada, es decir no se compara la variable de salida del proceso con la entrada de referencia, por ello para cada acción de control de entrada corresponde una salida del proceso fijo, tal como los ejemplos que se mencionan a continuación: • Prender y apagar bombillos. No hay control de intensidad de la luz. • Prender y apagar licuadora. No hay control de velocidad. • Abrir y cerrar válvula manual. No hay control de caudal, ni control de temperatura si fuera la válvula de combustible de un horno. • El semáforo. No tiene control de número de vehículos por vía para determinar la duración de cada uno de sus eventos. La exactitud del sistema de control en lazo abierto depende de la calibración manual de la válvula, la potencia del bombillo, la selección de velocidad de la licuadora y en presencia de perturbaciones un sistema de control a lazo abierto no cumple adecuadamente con su función, dado que se reflejaría en la salida Capitulo VIH: Lazos de Control y Respuesta Transitoria



del proceso las perturbaciones con cambios significativos en la magnitud de la variable controlada. Cada perturbación en el sistema modificara la magnitud de la variable de salida. Se muestra en las siguientes figuras el modelo del lazo de control abierto, y un ejemplo de la aplicación de este lazo de control en un proceso donde entra agua fría a un intercambiador para salir como agua caliente, y donde será adecuado considerar que toda perturbación en el proceso como cambios de la presión de vapor, cambios del caudal del agua que se calentara, hasta cambios de la temperatura ambiente alteraran la magnitud de la temperatura de salida del agua que entro a calentarse. Acción de Control

w p*

Elemento de Control

w

Variable de Salida del Proceso

PROCESO

VAPOR

Agua caliente

Agua fría

En el control de lazo abierto o manual el operador observa (sensa) el valor de la perturbación y basado en este y en el valor deseado de la variable controlada y en su conocimiento del proceso, toma una decisión (controla) y modifica (actúa) el valor de la variable manipulada (Presión del Vapor) de manera de contrarrestar el efecto de la perturbación sobre la variable controlada (Temperatura de Salida Agua Caliente). En el control de lazo abierto, regulado por un operador, lo hace para prevenir la ocurrencia del error, aumentándose considerablemente el conocimiento del proceso que debe tener el operador. El operador debe conocer por adelantado cuales perturbaciones afectan el proceso y tomar previsiones para su corrección. De no existir un operador que pueda hacer un lazo de control cerrado en forma manual, entonces, en este lazo de control abierto todas las perturbaciones que sufra el sistema bien por cambios en la presión del vapor, cambios en la temperatura del agua entrada, o la suma de todas las perturbaciones, modificara la temperatura del agua caliente se salida, es decir en este lazo abierto cualquier perturbación modificara la magnitud de la variable de salida. En procesos: complejos, críticos, riesgosos, áreas de trabajos clasificadas, como la casi totalidad de las instalaciones operacionales petroleras los reflejos de un operador humano no pueden ni deben ser la garantía del funcionamiento y la protección de la operación y seguridad de los equipos, dado que no son Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria



eficaces, por los requisitos de la precisión del proceso, por la velocidad de las respuestas requeridas en cada uno de los controles, así como, condiciones donde es necesaria la interrelación de varias variables operacionales, por lo que se hace necesario el uso de equipos controladores que actúen sobre el elemento final de control que regula la variable controlada a partir de la comparación del valor deseado a la salida del proceso y su realimentación.

1.4. LAZO DE CONTROL CERRADO En la siguiente figura se muestra un diagrama de control a lazo cerrado:

PROCESO

Variable de Salida del Proceso * S(s)

En un sistema de control a lazo cerrado la señal de la variable de salida S(s), tiene efectos directos sobre la acción de control. Son sistemas realimentados donde el controlador además de recibir una señal del valor deseado o Set Point VD(s) que proporciona el operador, recibe a través de la realimentación la señal del valor de la salida S(s). En el control el valor deseado se compara con el valor de la realimentación de la magnitud de la salida del proceso R(s). Con el valor deseado VD(s) y la realimentación R(s) el controlador genera la señal de error e(s) la cual es la diferencia entre el valor deseado y la realimentación:

La señal de error e(s), es procesada por el controlador con la finalidad de corregir el error y llevar que la salida del proceso tome el valor deseado de la entrada de referencia VD(s). Él termino de "lazo cerrado" implica el uso de la realimentación para reducir la diferencia de la magnitud de la variable de salida del proceso con el valor deseado de referencia. 1.4.1. Sistemas de Control a Lazo Cerrado TODO-NADA En un sistema de control de dos posiciones, el controlador asume solamente dos posiciones fijas, que en muchos casos son simplemente conectado o desconectado, ON o OFF. Sea la señal de salida M(t) y la señal de error e(t), en un control de dos posiciones, la señal M(t) permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la señal de error e(t) sea positiva o negativa. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

Instrumentación Industria! en Instalaciones Petroleras

M(t) = MI

si e(t) > O

M(t) = M2

si e(t) < O


Donde MI y M2 son constantes. Generalmente el valor de M2 es cero. En la siguiente figura se presenta el diagrama de bloques de los controles de dos posiciones o TODO-NADA.

VD(s)

•M2

e(s)

M(s)

Ml-

PROCESO INDUSTRIAL

S(s)

R(s) Retroalimentación

También se tiene el control de dos posiciones con Banda Diferencial. En el arreglo con Banda Diferencial debe desplazarse la señal de error e(t) hasta los topes de las bandas antes de que se produzca la conmutación. La banda diferencial hace que la salida del control M(t) mantenga su valor hasta que la señal de error e(t) haya pasado levemente al otro nivel de decisión. Normalmente la banda diferencial se ajusta para evitar que la acción de control M(t) actué excesivamente en la acción ON-OFF. En la siguiente figura se presenta el diagrama de bloques de los controles de dos posiciones con banda diferencial, así como, la gráfica donde se simula el comportamiento de una variable operacional con Banda Diferencial.

VD(s)

-M2

e(s)

M(s)

ínter

PROCESO INDUSTRIAL

S(s)

R(s) Retroalimentación VariableOperacional Banda Diferencial

Tiempo




En la práctica se puede reducir o ampliar, la amplitud de oscilación de la salida, modificando la Banda Diferencial. Al reducir la Banda Diferencial se aumentara la cantidad de conmutaciones por minuto del componente de conmutación y con ello la vida útil del mismo. Hay que determinar el valor de la Banda Diferencial entre las consideraciones entre la exactitud deseada y la duración de los componentes de conmutación.

1.4.2. Sistemas de Control a Lazo Cerrado En la siguiente figura, se muestra un ejemplo de lo que seria un sistema de control a lazo abierto si en el no actúa el operador, y un lazo cerrado manual cuando el operador modifica la apertura de la válvula manualmente, para atender las perturbaciones que pudieran originarse y así mantener la temperatura de agua caliente de salida constante.

VAPOR Agua caliente

PROCESO

Variable de Salida del Proceso * S(s)

Intercambiador De Calor

Realimentación Vista Operador

De la figura se puede observar que el operador actúa como un controlador, para buscar mantener constante la temperatura del agua caliente, la cual es la variable física de salida. Para ello recibe la orden del supervisor (VD(s)) de la temperatura requerida, a través del termómetro y su vista actúa la realimentación (RD(s)) que será la información de la temperatura real de salida, en su cerebro el operador actuara como el controlador calculando la Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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señal de error, aplicando las acciones básicas de control PID y generando la señal de salida con sus manos para modificar el paso de vapor para que la temperatura de salida del intercambiador se aproxime a la solicitud que hizo el supervisor. Un comportamiento aproximado de la señal de salida se muestra.

Valor deseado

VD(s)

Temperatura del sistema Tiempo

Si el operador tiene la habilidad de cambiar la apertura de la válvula manual para regular el paso de vapor para mantener la magnitud de la variable de salida S(s) próximos al valor deseado VD(s), entonces la variable controlada no variará de su valor deseado, pero si su conocimiento del proceso es incompleto, comete un error o no puede anticipar todas las perturbaciones que pueden afectar el proceso, entonces la variable controlada se desviará de su valor deseado y existirá un error no corregido y hasta desconocido. Este lazo de control cerrado manualmente, puede ser reemplazado por un lazo cerrado de control automático, donde será un controlador, quien recibe la señal que envía el transmisor la compara con el valor deseado de la variable, calcula la señal de error, aplica las acciones de control PID a la señal de error y genera una señal de control que una vez convertido en una señal neumática en el convertidor I/P regulara la válvula de control tal como se muestra.

VAPOR

Agua caliente s(t)

AA/Y Agua fría

El valor de la magnitud de la temperatura es enviada por el transmisor TT-01 al controlador, en el controlador es comparada la realimentación de temperatura RT(s) enviada por el transmisor con la temperatura deseada o set-point TD(s), generando la señal de error e(s)=TD(s) - RT(s); esta señal de error generada por el controlador es procesada por el mismo para realizar las acciones de control: Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID), la cual una Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

11



vez como señal de control sale desde el controlador en 4-20 mA, esta señal alimentara al convertidor de corriente-presión (TY-01) que tendrá como salida una señal neumática entre (3-15) PSI para regular la apertura de la válvula de control y con ello la entrada de vapor para mantener la temperatura deseada. Al observar simultáneamente el sistema de lazo cerrado de control manual accionado por el operador, con el lazo cerrado de control automático se puede comprobar que funcionan de manera similar. Los ojos del operador son análogos al transmisor, la mente del operador es análogo a la parte del controlador automático que genera el detector de error e(t) = TD(t) - RT(t) dado que hace la diferencia entre la orden que le dieron de mantener constante la temperatura de salida TD(t) y el valor de la temperatura que se indica en el termómetro, así mismo la mente del operador es análogo a la parte del controlador automático que ejecuta el procesamiento PID de la señal de error. Los músculos del brazo y las manos del operador son análogos al convertidor I/P (TY-01) y del actuador de la válvula de control. El control realimentado es el esquema que resuelve la gran mayoría de los problemas de control por lo que requiere de mayor atención. Un proceso industrial tendrá una o más variables que se deben controlar y para cada una de estas es necesario seleccionar una variable manipulada asociada para su control. Una variable controlada particular debe emparejarse entonces con una variable manipulada específica por medio del equipo de control realimentado apropiado. El sistema de control que debe ¡mplementarse para cada lazo cerrado, requiere conocer el valor deseado para la variable controlada para tomar la acción correctiva al momento de presentarse un error ya sea por el efecto de las perturbaciones o por un cambio en el valor deseado o set-point. Las siguientes figuras muestran los lazos cerrado de control automático para diferentes procesos y diferentes variables operacionales con aplicaciones en las instalaciones petroleras. Lazo de control automático de presión en un separador Liquido-Gas:


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Lazo de control automático de nivel en fondo de torre:

Lazo de control automático de caudal en alimentación de torre:

Lazo de control automático de temperatura de horno vertical:

o

-^ ->


13



Además de que los sistemas de control automático estén conformados por el transmisor, el controlador, el convertidor I/P y el elemento final de control para tener un sistema a lazo cerrado se esperan los siguientes requerimientos: • El sistema de control debe ser estable. • Debe tener una estabilidad relativa razonable, es decir, la velocidad de respuestas debe ser rápida y la respuesta debe presentar un amortiguamiento razonable. • Debe poder reducir a cero la señal de error. • Debe ser medianamente compatible la estabilidad relativa del sistema y la exactitud del régimen. Basado en los valores medidos de las perturbaciones (Banda Proporcional), el valor deseado de la variable controlada (Set Point) y la información del proceso incorporada en el controlador (Tiempo de respuesta del proceso industrial asociado a su Función de Transferencia), se calculan los valores requeridos para la aplicación de las acciones de control Proporcional, Integrativo y Derivativo para que la variable manipulada pueda reducir el efecto de las perturbaciones. Es evidente que para las acciones de control PID en los controladores se deben incorporar un conocimiento preciso de los efectos que las perturbaciones generan en el proceso industrial a controlar para poder calcular el valor exacto requerido de los ajustes del PID.

2. EL CONTROLADOR y TRANSMISOR EN LAZOS DE CONTROL DE DIFERENTES PROCESOS. Con la finalidad de ir creando una familiaridad entre las funciones del controlador, transmisor, convertidor I/P y válvula de control conjuntamente con el proceso industrial, se utilizara la revisión conjunta de dos lazos de control de presión y posteriormente dos lazos de control de nivel para ir confirmando que los instrumentos que posibilitan y conforman los lazo de control son los mismos: el transmisor, controlador, convertidor I/P, válvula de control. Aunque sin embargo, los procesos industriales son diferentes y variables operacionales diferentes conformaran procesos con tiempos y características de respuestas en el tiempo diferentes lo que obligara que cada proceso industrial y para cada lazo de control de las variables operacionales del proceso industrial habrá que calcularle los valores de las acciones básicas de control Proporcional, Integrativa y Derivativa muy específicos para cada uno. En todo proceso donde interviene la variable operacional presión es indispensable que se establezca su control para definir su magnitud para alcanzar los valores de trabajo necesarios para obtener los cortes de productos requeridos, así como para evitar daños en los equipos ya que un sistema operando dentro de rango que no tenga límite de presión provocaría daños irreparables al equipo y daños humanos. Usando los mismos instrumentos a continuación se muestran dos lazos de control de presión, un lazo para definir la presión de trabajo en un separador y el otro lazo para controlar la presión de tope en una torre de destilación atmosférica de una refinería. Capitulo VIH: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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4 - 20mA

1

i .:i;,:::::::,:;:,:::.:;::;::;

:;:,,;„ ;...,; , .::;*,, ,.;:,,,,,.,

9

SK-ÍÍÍÍÍ

•| •

'

En los dos ejemplos tal como se podrá observar de las figuras anteriores, el lazo de control de presión en el separador liquido-gas y el lazo de control de presión para el tope de la torre de destilación están implementados con la integración de los mismos cuatro instrumentos: 1. El Transmisor (PT-01): se encarga de captar la señal del proceso mediante un transductor que alimenta al circuito electrónico, quien convierte las variaciones del captor en una señal eléctrica que será directamente proporcional a la magnitud de la presión para ser enviada hacia el controlador. 2. El Controlador (PIC-01): recibe la señal eléctrica enviada por el transmisor de presión, se encarga de grabar el valor deseado de la presión (set-point), calcula señal de error e(s) cuando obtiene la diferencia entre el valor deseado de la presión y el valor real que envía el transmisor, ejecuta las acciones de control Proporcional, Integrativa y Derivativa (PID) de la señal de error e(s) y enviar una señal eléctrica para regular al elemento final de control. 3. El Convertidor I/P (PY-01): convierte en una relación lineal la señal eléctrica de control que envía el controlador en una señal neumática de 3 a 15 PSI y con ella regular la apertura de la válvula de control. 4. La Válvula de Control (PCV-01): es el elemento final de control y regulara la apertura al paso del fluido a partir de la señal neumática de control de 3 a 15 PSI que la alimenta por el actuador. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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En el proceso donde interviene la variable operacional nivel se establece su control para definir su magnitud para alcanzar los valores de trabajo para obtener los cortes de productos requeridos en cada instalación, evitar baja calidad de los cortes de los productos, así como, daños en los equipos ya que un sistema operando dentro de rango que no tenga control de nivel provocaría daños en los equipos que no están diseñados para recibir componentes en fase liquida como los compresores, daños ambientales si existen derrames y posibles daños humanos. Usando los mismos instrumentos a continuación se muestran dos lazos de control de nivel, un lazo para definir nivel en un separador y otro lazo para controlar nivel de fondo de una torre de destilación.

En los ejemplos anteriores, el lazo de control de nivel en el separador liquidogas y el lazo de control de nivel para el fondo de la torre de destilación están implementados con la integración de los mismos cuatro equipos de instrumentación y control que conformaron los lazos de control de presión. Indiferentemente cual sea la variable operacional, así como el proceso los instrumentos que posibilitan el lazo de control son los mismos. 1. 2. 3. 4.

El Transmisor. El Controlador. El Convertidor I/P. La Válvula de Control.


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En un sistema de control de lazo cerrado la integración y las funciones que ejecutaran los instrumentos será siempre la misma y por ello los cambios que tendrán los lazos de control serán únicamente del proceso industrial el cual podrá estar conformada con la integración de equipos diferentes y controlando variables operacionales diferentes y con ello teniendo funciones de transferencia diferentes. Esto se podrá observar en la siguiente figura. Función de Transferencia del Proceso Industrial

Realimentación (Transmisor)

Una vez que se entiende que los equipos de instrumentos que conforman los lazos cerrados de control son los mismos, quedan las consideraciones para la correcta atención del comportamiento en el tiempo de la variable operacional controlada con los lazos de control. Con la presión, el nivel, al igual que otro lazo de control cerrado de otros sistemas y otras variables operacionales, se deben establecer los parámetros indispensables de operación y estabilidad que permitan mantener en forma estable a lo largo del tiempo la magnitud de la variable operacional que se controla. Esto lo lograra el controlador en la medida que el técnico responsable en la entonación del lazo de control defina adecuadamente las asignaciones y los valores siguientes: Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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• • • •


El SET POINT o valor deseado. Kp: Sensibilidad o Ganancia. Ti: Ajuste Integrativo. Td: Ajuste Derivativo.

Los valores asignados a Kp, Ti y Td deben ser los adecuados de otro modo el comportamiento de la variable operacional podrá tomar hasta valores y comportamientos erráticos, es decir, un mismo lazo de control con los mismos elementos que conforman el lazo podrá tomar valores reales (Del nivel por ejemplo) siempre muy próximos al set point, o tomar valores erráticos dependiendo casi únicamente de los valores que se hayan asignados a KP, Ti y Td tal como se muestra en la siguiente figura. Cada lazo de control requerirá valores de Kp, Ti y Td, muy específicos y hasta muy diferentes a los valores que para la misma acciones básicas de control se haga hasta para la misma variable operacional en otra instalación industrial.

Nivel 100%

50%

""•70* SET POINT

Tiempo

3.

ANÁLISIS A LAS TRANSITORIO

RESPUESTAS

DEL

RÉGIMEN

En la práctica no se conoce previamente la señal de la realimentación a un sistema de control, ya que esta es de naturaleza aleatoria y por ello no se puede expresar esta realimentación analíticamente. Solamente en algunos casos esta realimentación al sistema de control es conocida con anterioridad y puede ser representada a través de curvas. Al analizar los sistemas de control hay que tener una base de comparación del funcionamiento de los diferentes sistemas de control y de los diferentes procesos controlados. Se pueden establecer estas bases de comparación especificando las señales particulares de entrada de prueba y compararlas con las señales de salida de los procesos controlados, y de ese modo relacionar las señales de entrada con la salida del proceso controlado para fijar criterios para entonar el lazo. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

18



Muchos criterios para la toma de decisiones en relación al control y la entonación de los lazos de control que ejecutan los controladores están basados en el análisis de las señales de entrada al proceso controlado y su relación con la medición de la variable operacional que se tiene como salida. Por ello se justifica el uso de señales de prueba (escalón, rampa, impulso) debido a la correlación existente entre la salida del proceso controlado y la señal que alimento al sistema controlado. Además habrá que resaltar que la salida de los controladores serán equivalentes al escalón cuando la señal es acción de control Proporcional, la Rampa cuando la salida del controlador es la señal de la acción de control Proporcional-Integrativo y equivalente al Impulso Unitario cuando la salida del controlador es la señal de la acción de control ^roporcional-Derivativa. Al ser los procesos industriales diferentes, tendrán Funciones de Transferencia de Primer orden, Funciones de Transferencia de Segundo Orden y/o Funciones de Transferencia de Orden Superior es por ello que cada proceso industrial tendrá tiempos de respuestas diferentes por lo que obligara calcular los valores de Kp, Ti y Td para las acciones básicas de control muy exclusivas para cada instalación. 3.1. IDENTIFICACIÓN DE LAS SEÑALES: ESCALÓN, RAMPA E IMPULSO UNITARIO. Para diferentes procesos industriales se tendrán diferentes funciones de transferencia y con ello se tendrá diferentes respuestas en el tiempo ante las señales de control que proporcionen los controladores. Seré la atención de este capitulo el análisis de las respuesta del proceso industrial en el tiempo ante las señales de entradas: Escalón, Rampa e Impulso que proporcionara el controlador, así como, las consideraciones de cómo serán las señales de salida del proceso industrial dependiendo si el proceso es sistema de primer orden, sistema de segundo orden o sistema de orden superior. A continuación se muestra un ejemplo con un lazo de control de nivel, donde la función de transferencia del proceso podrá ser de primer o segundo orden.

PLC

Función de Transferencia

VD(s) Controlador PID

RV(s)


19



Las acciones de control: Proporcional, Integrativo y Derivativo que ejecutaran los controladores en los lazos de control siempre será la misma indistintamente la variable operacional e indistintamente la función de transferencia de cada proceso industrial. Se inicia con el cálculo de la señal de error e(s) que es la diferencia entre el Valor Deseado de la variable (VD(s)) y la realimentación (RV(s)) que envía el transmisor desde el proceso industrial. A la señal de error se le aplican las acciones básicas de control PID y el resultado lo guarda el controlador antes de ser convertido en la señal eléctrica que saldrá del controlador hasta el convertidor I/P que regulara la válvula de control en el campo. Esta acción de control Proporcional, Integrativo y Derivativo, que calculan y ejecutan los controladores viene dada por el siguiente modelo y êcuación tal como se muestra a continuación: PID

set-point

M(s)

Retroalimentación


)+ l feírtdf + r ^>1

't Y Integrativa

Proporcional

| Derivativa

Si bien el controlador aplica las acciones básicas de control ProporcionalIntegrativa-Derivativa, en la practica usualmente no aplica las tres acciones de control simultáneamente, y es por ello, que en un momento estará aplicando la acción de control Proporcional, en otro momento aplicara las acciones de control Proporcional-integrativa, y en otro momento aplicara la acción de control Proporcional-Derivativa. Bajo estas condiciones el controlador trabajara de la siguiente manera: inicialmente habrá un cambio en la señal de error lo que obligara a trabajar la acción de control Proporcional-Derivativa (Equivalente a un Impulso Unitario), este valor luego se mantiene en el tiempo y actúa como un Escalón, al mantenerse la señal de error constante actuara la acción de control Proporcional-integrativa hasta que cambie la señal de error y se inicie el ciclo de control otra vez. En la practica si bien existen las facilidades que proporcionan los controladores para definir los valores de Kp, Ti y Td para entonar los lazos de control, muchas veces faltan los criterios para determinar adecuadamente sus valores y esto se podrá observar en instalaciones industriales donde teniendo todos los equipos que conforman los lazos de control en óptimas condiciones es posible que el comportamiento en el tiempo de la variable operacional controlada Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

20



asuma valores muy diferentes de los deseados. Con la finalidad de proporcionar criterios técnicos que ayuden a visualizar la salida de los controladores que podrá ser el equivalente a un escalón cuando es acción de control proporcional, una rampa cuando es acción de control ProporcionalIntegrativo o un Impulso cuando es la acción de control ProporcionalDerivativo, conjuntamente con la respuesta del proceso industrial que dependerá del orden de la función de transferencia del proceso industrial. A continuación se muestran las tres combinaciones de las acciones básicas de control las cuales serán analizadas conjuntamente con la respuesta transitoria del proceso para funciones de transferencia de primer y segundo orden. Acción de Control Proporcional: (ESCALÓN) Controlador (sl

[•

Salida del Proceso C(s)

Proceso Industrial R(s)

Transmisor

eco C(t)=l(t) 1 1

C(s) - £(C(t)) =

Tiempo Acción de Control Proporcional-Integrativa: (= RAMPA) Salida del Proceso

PLC VD(s)

e(s)

C(s)

Proceso Industrial R(s)

Transmisor

C(t) = t(t)

C(t)

C(s) - £(C(t)) = 1/s2

Tiempo Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

21



Acción de Control Proporcional-Derivativa: (= IMPULSO) PLC Salida de! Proceso

efs)

Cfs)

S\Kp\e(t)

dt

Proceso Industrial

Rfs) Transmisor

C(t)

Tiempo Las salidas C(s) de los controladores serán las señales que alimentaran a los procesos industriales, los cuales responderán en el tiempo, dependiendo del orden de su sistema y de la señal de entrada C(s) que en ese momento la este alimentando. En la siguiente figura se muestra al proceso industrial junto con su salida S(s) y la entrada C(s). C(s)

S(s) = Gl(s).C(s) Proceso Industrial

Los procesos Industriales tendrán sus funciones de transferencias que estarán definidas por las ecuaciones diferenciales que las representan. Diferentes procesos industriales con diferentes ecuaciones diferenciales tendrán diferentes funciones de transferencias, aunque en términos generales, estas funciones de transferencias estarán clasificadas en: • • •

Sistemas de Primer Orden. Sistemas de Segundo Orden. Sistemas de Orden Superior.

Se hace resaltar, que todos los sistemas que tengan la misma función de transferencia, han de presentar la misma salida como respuesta a la misma entrada. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

22



En este capitulo se busca realizar los desarrollos matemáticos que permitan analizar las respuestas transitorias de los procesos industriales para Sistemas de Primer Orden y Sistemas de Segundo Orden. Repuesta Transitoria: Por respuesta transitoria se entiende aquella que va desde el estado inicial cuando t=0, hasta un estado final cuando ya ha transcurrido el tiempo y la variable busca estabilizarse Respuesta Estacionaria: Por respuesta estacionaria se entiende el valor y la forma que tendrá la salida del sistema cuando t tiende al infinito.

3.2 SISTEMAS DE PRIMER ORDEN Los sistemas de Primer Orden son aquellos que tienen ecuaciones diferenciales que las representan en funciones de transferencias como a continuación se muestra: C(s) S(s) = Gl(s).C(s) Sistema de

Primer Orden

S(s) = Gl(s).C(s)

)

C(s

1 7s

S(s) =

Í lli : ; C(s)

3.2.1

i = Gl(s).C(s)

Repuesta al Escalón. C(t)=l(t)

C(t)

C(s) = £(C(t)) = 1/s

1 Tiemnn


23



S(s) = Gl(s).C(s)

C(s)

•W-Í-L-U (l + Ts) s Para usar las tablas de transformadas inversas de Laplace para resolver la ecuación de S(s), esta debe descomponerse en fracciones parciales.

S(s) =

\-Ts-Ts 1 _ 1 + Ts I l + Ts ' s l + Ts' s

I s

S(s) = -

Ts ]_ l_ l + Ts's s

T

T — l + Ts

Al resolver la expresión que resulta de S(s) utilizando la tabla de transformada inversa de laplace resulta la< siguiente ecuación de S(t):

Esta ultima ecuación se gráfica en el tiempo y con ello se permite observar los lapsos de tiempo durante su Respuesta Transitoria y Respuesta Estacionaria. Estado Estacionario

Respuesta Transitoria

10 9 8 7 6 5 4

Z

z

3 2 1

1T

2T

3T

4T


5T 24



De la gráfica se puede observar los valores de S(t) en la medida que va transcurriendo el tiempo. Se observa el valor de S(t) para: 1T, 2T, 3T, 4T, 5T. 3.2.2

Repuesta a la Rampa.

C(t)

C(t) = t(t) C(s) = £(C(t)) = 1/s2 Tiempo

S(s) = Gl(s).C(s)

C(s)

S(s)

La ecuación que resulta para S(s) cuando la entrada C(s) es un Escalón, debe ser desarrollada en fracciones parciales para poder aplicarle las tablas de transformadas inversas y así obtener la respuesta en el tiempo de S(t).

-Ts-T2s2

Ts

T2s2 Ts)s2

(l + Ts)s

Ts

Aplicada la tabla de transformada inversa de Laplace a S(s) resulta S(t), la cual se evalúa.

S(t) = t + T.e't/T -T


25



Respuesta Estacionaria

1T

2T

3T

5T

4T

3.2.3 Repuesta al Impulso. C(t) C(s) = £(C(t))=l Tiempo S(s) = Gl(s).C(s)

C(s)

S(s)

0=

1

Al resolver la expresión que resulta de S(s) utilizando la tabla de transformada inversa de laplace resulta la siguiente ecuación de S(t), la cual se evalúa en el tiempo:

- 8-

1 Ts

l

1

-tIT

T


26


h-



\ 1T

2T

3T

4T

5T

3.3. SISTEMAS DE SEGUNDO ORDEN Los sistemas de Segundo Orden son aquellos que tienen ecuaciones diferenciales que las representan en funciones de transferencias como a continuación se muestra: C(s)

S(s) = Gl(s).C(s) Sistema de Segundo Orden

C(s)

T\

FF« 2

e(s)

(

c

i

/•v f TT7" \ / f vv VI 1

S(s) = Gl(s). ^ .P^

p

Wn2

C(s)

Wn2 v

Wn2

S(s) = Gl(s).C(s)

•

1 + -7———T.l


27



= Gl(s),C(s)

C(s)

Un Sistema de Segundo Orden típico en la industria petrolera es la del motor de corriente continua que mueve la mecha del taladro de perforación. En este Sistema de Segundo Orden se dispone de un motor de corriente continua con regulación de velocidad por lo cual tiene un puente de SCR que regula la alimentación continua a la armadura del motor y con ello su velocidad, el motor tiene acoplado como carga mecánica la mecha del taladro de perforación la cual estará sometido a una carga variable en la medida que la mecha al ir perforando el subsuelo y con ello encontrarse con arenas, piedras de diferentes formas, materiales y tamaños que harán variaciones sobre la velocidad del motor. Conjuntamente con el motor de corriente continua, el puente de tiristores que lo alimenta y la mecha que el taladro mueve son necesarios los instrumentos que harán el control y protección del taladro de perforación. En la siguiente figura se muestra esta aplicación.

Torre de perforación

Detritos Fluido circulante

Cabeza oerforadora

Yacimiento dfrjíeíróleo

^

Yacimiento de petróleo

La figura permite observar un Sistema de Segundo Orden conformado por el motor DC, el puente de SCR y la carga mecánica conformada por el taladro conjuntamente con las diferentes partes que integran la torre de perforación. El motor DC, el puente de SCR, la carga mecánica, a partir de las ecuaciones que lo rigen, sus circuitos equivalentes y las ecuaciones diferenciales del sistema permitirán obtener la función de transferencia, su alimentación eléctrica de armadura a través de un puente trifásico de SCR y la alimentación eléctrica de campo por un puente trifásico de diodos, y una carga mecánica con seguras perturbaciones, que en la siguientes figuras se muestran. Capítulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

28



TaCadra Motor de. Tren Ascensor Ctnta Transp.

(4-20)mA

Campo Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

29



3.3.1 Lazo de Control de un Sistema de Segundo Orden El lazo de control para un Sistema de Segundo Orden conjuntamente con los instrumentos que conforman el control se muestra a continuación. Sistema de Segundo Orden Salida del Proceso

El Controlador del lazo de control proporcionara una salida de (4-20)mA que alimentara al amplificador A, el cual alimentara al Sistema de Segundo Orden. Analogías de Interés Rv: Resistencia Válvula Rp: Resistencia Proceso Rp

I

V = I(t).(Rv + Rp)

= V/(Rv + Rp)

Rv: Válvula de Control

Rv

Rp: Resistencia Proceso P = F(t).(Rv + Rp) Rp

F(t) = P/(Rv + Rp) (4-20)mA Flujo Presión

Wn'

S(s)

A


3.0



Antes de considerar la salida del Sistema de Segundo Orden ante las señales Escalón, Rampa e Impulso que generara el controlador, se hace necesario considerar el denominador de la función de transferencia del proceso, para definir como este afecta las respuestas en el tiempo del lazo de control.

Cís)

Wn2 S(s) = Gl(s).C(s)

Wn: Frecuencia Natural no Amortiguada. ^ : Relación de Amortiguamiento del Sistema.

('" Donde:

+

11

vo

> ¿j ¿* —

ZLZ2 =

Z2) a=l

b±Jb2-4ac T ~ ' 2a

uD _ 9 f"U/n Z l^ Wn

r

c = Wn2

-4.\Wn2

±

2.1

'•T\ T^ = Z1,Z2

Wd =

-1 : Frecuencia Natural Amortiguada. Varias Consideraciones • • •

Polos Complejos. Sistema Subamortiguado. Resnuesta Transitoria Oscilatoria

(s2 + 2s£Wn + Wn2)=(s • Amortiguamiento Critico Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

31



Amortiguamiento Sobreamortiguado Las consideraciones que generaron los diferentes valores de ^ < 1 para-^2 -1 , £=1, y £>1, para un Sistema de Segundo Orden generaron las siguientes respuestas: Respuesta Transitoria Oscilatoria para £ < 1 para^2 -1 . Respuesta Transitoria con Amortiguamiento Critico para £=1. Respuesta Transitoria Sobreamortiguado para £>1.

• • •

Con estas consideraciones se podrá evaluar el comportamiento del Sistema de Segundo Orden ante las entradas Escalón e Impulso que generan los controladores.

3.3.2 Repuestas al Escalón Unitario C(t) '

C(t)=l(t)

L

C(s) = £(C(t)) = 1/s

1

1 Tiemno

C(s)

Wn2 Wn

Es necesario aplicar las fracciones parciales a la ecuación de S(s) antes de aplicarle la tabla de transformadas inversas de Laplace para obtener S(t).

Wn2 Dô^ —

2

1 Wn2 +2S^n + í 2 -2s^n-í 2 1 r

r^ s

i||>+2^ + ^


,

32



_ ^

2 *

^

_! s Aplicando las tablas de transformadas inversas a la última expresión de S(s) resulta S(t) la cual se muestra-a continuación:

o/y\

i

^ \l ) — 1

¿>

—EfiVnt

í

L/Ubf r Ct¿ 1 . rnQÍíW^-i-

£

.

0 /P M

J/f//Íf

- o&fl rr (Al *> '

/

Obtenida la ecuación para S(t) para cuando ^ < 1 para^ 2 -1, conjuntamente para los valores de S(t) para cuando ^=1 y ¿>1, se podrá graficar los valores de S(t) en el tiempo y así observar respuestas Subamortiguadas, Amortiguamiento Critico y Sobreamortiguada a partir de los valores que asuma ^. Estas familias de curvas se muestran en la siguiente figura: Respuesta Transitoria

Sít) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1.0 0,8 0,6

0,4 0,2

Wnt Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

33



La observación de las curvas de S(t) para diferentes valores de Relación de Amortiguamiento permite definir las siguientes consideraciones: • Los Sistemas de Segundo Orden que tengan la misma Relación de Amortiguamiento ^, tendrán el mismo sobre impulso y el mismo diagrama oscilatorio, indistintamente la Frecuencia Natural Wn que tengan. • Los sistemas subamartiguados con Relación de Amortiguamiento O < £ < 0,8, tienen respuestas mas rápidas que los de Amortiguamiento Critico y los Sobreamortiguados. • Un sistema sobreamortiguado siempre es lento en responder ante cualquier entrada.

3.3.3 Especificaciones de Respuesta Transitoria • • •

Los sistemas que pueden acumular energía no pueden responder instantáneamente y por ello presentan respuestas transitorias siempre que se les somete a cambios de entrada o ha perturbaciones. Frecuentemente, las características de funcionamiento de un sistema de control son especificadas en términos de la Respuesta Transitoria ante una entrada Escalón. Las Respuestas Transitorias de un sistema de control real frecuentemente presentan oscilaciones amortiguadas antes de alcanzar un Estado Estacionario.

Ante estas consideraciones, resulta adecuado al observar la respuesta transitoria de un Sistema de Segundo Orden subamortiguado para definir los diferentes intervalos de tiempo y los sobre impulsos de la variable, tal como se muestra en la siguiente figura.




Donde: td: Tiempo de Retardo. tr: Tiempo de Crecimiento. tp: Tiempo de Pico. ts: Tiempo de Establecimiento. Mp: Sobre Impulso Máximo. Las especificaciones en el dominio del tiempo antes identificadas, son importantes dado que dan las referencias en el tiempo que tiene un Sistema de Segundo Orden para actuar los sistemas de control y como estos deben enfrentar estas respuestas naturales del sistema para corregirlos a través de la entonación en los lazos de control. Es deseable que la respuesta transitoria de un Sistema de Segundo Orden sea suficientemente rápida y este suficientemente amortiguada. Para que el Sistema de Segundo Orden pueda tener una Respuesta Transitoria deseable, es necesario tener una Relación de Amortiguamiento entre 0,4 < £ < 0,8. Valores pequeños de la Relación de Amortiguamiento ^ < 0,4, dan respuestas con excesivo sobre impulso en la respuesta transitoria y los Sistemas de Segundo Orden con un valor grande de la Relación de Amortiguamiento £ > 0,8, el sistema responde muy lento. 3.3.4 Repuestas al Impulso Unitario C(t)

C(t) -

t

C(s) - £(C(t)) Tipmnn

S(s) = Gl(s).C(s) C(s)

2

Wn

5(5) = -

Wn'

Wn2

-.1

Wn'

Donde se tienen las mismas consideraciones para Wd = WnJ^ 2 -1 : Frecuencia Natural Amortiguada. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

35



Varias Consideraciones

•

Polos Complejos,

• •

Sistema Subamortíguado. Respuesta Transitoria Oscilatoria

Amortiguamiento Critico

Amortiguamiento Sobreamortiguado

Las consideraciones que generaron los diferentes valores de ^ < 1 para^ 2 -1, £=1, y ¿>1, para un Sistema de Segundo Orden generaron las siguientes respuestas: • • •

Respuesta Transitoria Oscilatoria para ^ < 1 para^2 -1 . Respuesta Transitoria con Amortiguamiento Critico para ^=1. Respuesta Transitoria Sobreamortiguado para ¿>1.

Aplicando la tabla de Transformada inversa de Laplace para obtener el valor de S(t) a partir de S(s) resulta:

_iwnt c.rr ni

Con todas las consideraciones anteriores, se grafican las curvas en el tiempo de S(t) como respuestas a la entrada de un Impulso Unitario a un Sistema de Segundo Orden, tal como se muestra en la siguiente figura: Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

36



S(t)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

-0,2 -0,4 -0,6 -0,8

De la figura anterior se puede apreciar una familia de curvas para S(t) teniendo como entrada un Impulso Unitario para un Sistema de Segundo Orden para diferentes valores de de la Relación de Amortiguamiento £. Para el amortiguamiento critico o sobreamortiguado donde ^ > 1, la salida S(t) es positiva y para los valores de O < ^< 1 la señal de S(t) es subamortiguada y toma valores positivos y negativos en su régimen transitorio.

3.3.5 Acciones de Control PID sobre el Sistema de Segundo Orden En las siguientes figuras se podrá observar las acciones básicas de control PID en los términos usuales a como deberían actuar los controladores: Proporcional, Proporcionai-Integrativo, Proporcional-Derivativo.

Salida del Proceso


37



PID

Set-point /C~y\ e(s) T\ IVl A/f {t) ( t\ — A íf L\

1 [n(t\/J+ 1 6\t )u 1 < T"d ^ V /

&ft\-L• C\J )H

L

V

Retroalimentación

dt

'

M(s) .. w ifc. A(s) - A(s)+M(s)


M(t) = Kp\e(t) + ±-\e(t)dt + Ta T.

t Integrativa Proporcional Derivativa


Cfs) ^H/

\j

^P

v<¿y

p-

/'¡11

tx^

Á

lili + 2s%Wn+Wn2

Rfs) Transmisor

Acción de Control Proporcional-Integrativa

efs)

\r Á

~~^\J^ x^

i,

Kp

w+1 Tis

Salida del Proceso

\±y

/m^

—^

y 2 +2s£Wn + W rn2

Rísl Transmisor


38



Acción de Control Proporcional-Derivativa

Kp

l+Td¿

C(s)

A

Wri*

Salida del Proceso

RCs)

Transmisor

4. ANEXOS. 4. 1. Transformada de Laplace No 1

Impulso Unitario 8(t}

2

Escalón Unitario l(t)

3

t

f(t)

F(s) 1

1 5 1 2 £ 1

at

¿r e

S + tf

fL.6 ^-

1

at

ben^wij

(s + a)2 w

C ¿ir^ f \ki^~\

r r*/~\r* %Al^-^ LOS /^Wt;

8

tn (n= 1, 2, 3, 3, ...) 4_n_-at

te

/„ ") "3 \ (n - 11, 2, 3, ...)


2

(^ +w2)

62

(, W)/ \ «!

53 ni

í(s + a)\"+l 39


1n 1U

1

.

I


L-'" \

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T -1- uh\1 loc -^rk /uy V 1\¿>c ^

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1 / ^ 1 /;/ 11 t1 r/?r~ \UL ró^ a-b

1 "2 1J

e

1A

e

14 •i rr Ib

I/

aí

^r~ ^)

u6

1

A

Wn vvn

1

7\

Wn2 ^2 ^

s2 +2gWns + Wn2 S

.,_

c~

,

w (s + a)2+w2 s +a (s + a)2 +w2 1 2 s (S + a)

cos(wí)

, senQynJii ^.qWnl

qWnt

^,\/

)

sen(wt)

i

,

»y \s i ci ¡(s \ o i

at

at

1 /

—~(at — \ + e~at) a

16

1 "7

n £?

2

2

-cn(WnJ\ — t\^)

. JrUf

+W

2

Propiedades de la Transformada de Laplace

!-/(« i-5/(o)-/(o)

?[j/(0*]=

F(S)

+


=0

40


7 /^l i 1 f ( t\/Jtrít 1 —

1


(04 = °

1

(\lf(t}dtdt} = 0

S

s[e~a'f(t}]=F(s + a}

8 9

S [ f ( t - a } l ( t - -a)] = e

ax

F(s)

10

4*»].

11

n L/1

-jw*

*[/(-) a

= aF(as)

12

dF(s} ds

4.2. Respuesta Transitoria de un Sistema de Segundo Orden. Ante entrada al ESCALÓN jw

Plano s

jw

Y(t)

Plano s

1

-> p


41


Plano s

jw'


Y(t)

X

1

X 0<

JW

Plano s

V A

V A

jw

Plano s

Y(t)

X X

O >

> -1

jw

Plano s V

/\

V

v

A


42



4.3. FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA MOTOR DC

Bases Teóricas sobre el Motor DC. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas debido a la acción del campo magnético, y la armadura gira (véase Momento de una fuerza). La función del conmutador y la de las conexiones de las bobinas del campo de los motores es exactamente la misma que en los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática. La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

1 wim !

ív/fyim

Ifllllili

* Borne?a de «madura Campo a 4<


43



Circuito Equivalente:

Esta carga podrit ser un taladro, citót traasportador a» motor de un tren, ascensor. "* Armadura

r/

Campo

Lazo De Control De Velocidad:

Conversión >

+ -O-

CEA

TI

T2

1 .-Set-point. 2.- Entonación de lazo. 3.-KpyTi.

f 1.- Esta es una señal eléctrica -\ diretamente proporcional ala L velocidad.

T3

Ve T6 I Va

AtmadLira

La

r Campo


44



ST - 01 = Transmisor de Velocidad. SIC - 01 = Controlador - Indicador de Velocidad. Se alimenta el motor ce en excitación ce campo independiente, dado que la alimentación de campo no tiene ninguna conexión eléctrica con la alimentación de la armadura.

C E A

' D 1 ÍTD2 JÍTD3

Ve :La •D4 3TD5

'D6

Al alimentar el campo con la salida de un puente de diodo permite considerar que Vc es constante. Con Vc constante se trata que la ic es constante y con ello el
Í.-TáUuftro, 2.- Motor de tren. 3.- Acansor. 4» Cinta transportad ora.

J: Momento de ín&rck.

Campo Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

45



Se observa un puente trifásico controlado para alimentar eléctricamente la armadura y un puente de diodo trifásico para alimentar el campo. La maquina mueve una carga mecánica que tiene dos componentes: Torque.de. fricción : F • W

Jdw

Jorque para mover la carga:

ai

En los trabajos reales, la carga mecánica (J) de seguro tendrá variaciones y con ello genera las perturbaciones del movimiento que los controles electrónicos tendrán que superar. Analizando de la malla de armadura. Recorriendo la malla de armadura resulta: V Ve - Ra • ia

Va

dt

Ec 1

Donde; Ec 2

N: Velocidad de RPM. Nota: cuando hay alimentación en Ve y no hay movimiento en la maquina el Va es "O" pero cuando Ve tiene tensión y la maquina se esta moviendo hay voltaje en Va. Reemplazando la ecuación 2 en 1 resulta: Ve - Ra • ia + La <

d(ia} dt

\Esta ecuación permitirá despejar (N) para obtener la velocidad de la maquina. Ve- Ra^ ia + La < Ka • (/>c

dt

Ec3

A la Ec. 3 se tiene las siguientes condiciones: •

Alimentación eléctrica continua, con corriente de armadura continua, que permite definir que en régimen permanente d(¡t) / dt_^ O

•

Al tener excitación independiente con
_ Ve — RaJa Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

46



Por ello se tendrá que será el ángulo de disparo de puente SCR el que definirá el valor de Ve y con ello la velocidad (RPM) del motor. Análisis De Potencia Eléctrica Y Par Mecánico. Se hace necesario unir/ empalmar la energía eléctrica que alimenta el motor, con la carga mecánica que este mueve. Potencia eléctrica (Pe): Pe = Ka * <|>c* ia Ec 4 Par Mecánico (Tm): Tm= F*W + J dw / dt Ec 5

De modo que Pe = Tm (igualación de energía que permite considerar el cambio de energía eléctrica en energía mecánica. Ka * (|)C * ia = F*W + J dw / dt

Ec6

En la practica los procesos industriales con llevaran a traer perturbaciones en los momentos de inercia (J) o en el coeficiente de fricción (F). Estas perturbaciones con llevaran a tener variaciones en la corriente de armadura (¡a) y con ello tal como puede observar del análisis de la Ec. 3, habrán variaciones en las RPM del motor. Esta realidad generara permanentes perturbaciones los procesos industriales que tengan motores de corriente continua^sin controles de lazo cerrado. Es por ello que para tener por ejemplo una cinta transportadora que debe moverse a velocidad constante, se tendrán lazos de control de velocidad que ajuste el ángulo de disparo del puente del SCR para/ dar alimentación eléctrica que la velocidad constante, industrialmente las perturbaciones de la carga Para visualizar las anteriores consideraciones, se tiene curvas que están desarrolladas en función de par mecánica, la velocidad de la maquina y la tensión de alimentación. Taladro de perforación RPM

Cinta transportadora

800 — 700

Tm


Tnt(ntax)

47



En el análisis de la curva se puede observar: •

Curva desarrollada para tensiones de alimentación en (100, 80, 60, 40, 20 y 10) % de la tensión nominal.

•

En la medida que se aumenta el par mecánico y se mantiene la tensión de alimentación, se pierde velocidad.

•

Para aplicaciones que se busca tener velocidad constante se hace necesario modificar la tensión de alimentación de la medida que modifica el par mecánico. Estas aplicaciones de control de velocidad y protecciones por potencia se muestran en la gráfica siguiente: Síncrordsmo

(4-2Üf)mÁ

Campo

Nota: Si se aumenta el Jorque de la carga aumenta la potencia del motor y al mismo tiempo aumenta la corriente (ia) y con ella disminuye la Velocidad esta


48



trae como consecuencia aumentar el voltaje (Ve) y esto se logra con los ángulos de disparos.

3.8.4) Funciones De Transferencia: A partir del circuito equivalente del motor ce, así como de las ecuaciones del mismo se desarrolla la función de transferencia. Se inicia recorriendo la malla de armadura: Ve= Ra*Ia + La* (d (ia)/dt) + Va Ve - Va = Ra*Ia + La* (d (Ia)/dt) Aplicando Laplace para linealizar la ecuación diferencial resulta: Ve(s) - Va(s) = Ra*Ia(s) + La(s) Ia(s) La(s)]

V e s - V a(s) s = Ia(s)

L
Ve(t)-V
Se tiene una maquina que genera una potencia eléctrica; Pe = Ka *§c * ia Aplicando Laplace: Pe(s) -Ka *
Pe(t).

Ka0c

Lo que va resultando como modelo matemático. Pe(t) = Ttn(t)

= Costante de armadura El torque mecánico se reparte en la energía para mover la carga y la energía para superar la fricción de la carga. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

49



Tm= J (dw)/dt + F*W Aplicando Laplace se linealiza la ecuación diferencial del Torque / Par Mecánico.

Tm(s) = 3(s) w(s) + F * w(s) Tm(s) = w(s) * (J(s) + F)

Tn
TXt)

Pe(t) = Ttn(t) ia

1

L

Ra + L
w ^ ¥&m 0c

k.

1

J(t) + F

V
Tffi

• FÁr.

La cual es la Función de Transferencia del motor de corriente continua. El modelo de la función de transferencia del motor ce con el lazo de control de velocidad resulta.

Pe(t) = Tn
1 fr[AO)

=

. ~i71

A(t) •+• M(t)l W ft

Tl^fAS M(t)

1

1

" *\

P

*£ \ffff) *"^

^^

i

,:T>í: |^

D A 4- T

K.ÉL • 0C

aff}

'

1 fy'iX i T7 J(t; +h

^

TT ./iX

va(t)

-^

Va . <^{«

Sd(S)= Velocidad del Motor deseada ST-01: Velociad Real (Retroalimentado). Sf(t) = e(S) = Señal de Error de Velocidad. M(S)= Atención PID a la señal de error.

I

M(s) -•& I Kp fe(t) + -U í e(t)dt + tdde(t)"|J L U — ~


50

TOPOLOGÍAS DE CONTROL

BK ^.^:,"^l^^

1. ConsideracionesdelHardwareyS

.,,.,•••*

^mmsimm^^^^

¡ SB

5. Lazos de Control Feedforwar-Cascada

19

6. Lazos de Control Selectivo

25

7. Lazos de Control Override

27

8. Lazos de Control de Rango Partido

30

9. Control Inferencial.

Capitulo IX: Topologías de Control

..36



1. CONSIDERACIONES HARDWARE Y SOFTWARE EN PLC PARA IMPLEMENTAR LAS TOPOLOGÍAS DE CONTROL El desarrollo de la teoría de control automático y de los equipos requeridos para su aplicación al control de los procesos industriales, ha sido muy grande desde su inicio hasta el momento actual. Ya en 1912 se utilizaban registradores de temperatura Taylor en la industria lechera, y se considera que el inicio de la aplicación de la teoría de control a los procesos industriales conocida como control de procesos, se dio en 1930 con la aparición de publicaciones técnicas sobre aplicaciones de los controladores, el efecto del tiempo muerto sobre la estabilidad de los lazos de control y otros temas afines. El desarrollo de los equipos.e instrumentos para los controles de procesos ha sido largo y grande, desde los instrumentos indicadores simples como termómetros, indicadores de presión y otros instalados localmente en el campo, hasta los actuales sistemas de control digital distribuido (DCS). Los controladores PID comerciales actuales tienen su inicio en 1930 cuando Taylor produjo el modelo 10R siendo este el primer controlador proporcional neumático, Foxboro por su parte introdujo en 1934 el controlador proporcional-integral modelo 40 y en 1938 Taylor incorporó el modo derivativo en su modelo 56R poniendo en 1940 en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100. John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942. En 1945 se funda la instrument Society of America (SA) hoy en día denominada ISA The Instrumentation Systems and Automation Society. Bedford Associates produce el primer Controlador Lógico Programable (PLC), el Modicon 084, en 1969. A mediados de los años setenta del siglo pasado, Yokowaga y Honeywell introducen los primeros Sistemas de Control Distribuido (DCS). La instrumentación inicialmente neumática, ha evolucionado hasta los actuales instrumentos electrónicos digitales y aunque las señales de transmisión dominantes son todavía analógicas, existe actualmente comunicación digital entre los instrumentos para efectos de calibración, mantenimiento y supervisión. Paulatinamente, y especialmente en los últimos tiempos, parte de los desarrollos de la teoría de control moderno, han encontrando aplicación en el control de procesos y el controlador PID sigue siendo el más empleado. En el año 2000 la Federación internacional de Control (FAC) celebró la cesión de trabajo sobre controladores PID denominada "Digital Control: Past, Present and Future of PID Control" demostrando su total vigencia en el ámbito del control de procesos. Con la instrumentación neumática con la que en 1940 Taylor incorporó en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100 y con los mismos criterios con que John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942, se definieron las topologías de control que hoy se tienen, ha saber: Capitulo IX: Topologías de Control


• • • • • • • •

Lazos de Control Lazos de Control Lazos de Control Lazos de Control Lazos de Control Lazos de Control Lazos de Control Lazos de Control


Simples. en Cascada. Feedforward. Feedforraed+Cascada. de Control selectivo. Override. de Rango Partido. Inferencia!.

En el pasado cuando todos los controladores eran neumáticos, se aprovechaban las salidas y las entradas neumáticas de los controladores para implementar las topologías de control, bloqueando, regulando, sumando, el aire de instrumentos o el aire de control, en unos arreglos de control totalmente neumáticos y locales. En el pasado el control y los diferentes arreglos de control eran neumáticos. Las consideraciones anteriormente reseñadas son adecuadas para tener presente que cambiaron las tecnologías para realizar el control, no cambiaron las topologías. Los arreglos de control que en el pasado se desarrollaban con controladores neumáticos hoy deben ser desarrolladas usando los avance tecnológicos que permiten tener redes de control para llevar la información de los procesos en campos hasta el Computador Personal que tendrá un supervisor en su oficina, hacia halla marcha el control. Es por ello que para el análisis de las topologías de control que hoy se ejecutan en las instalaciones petroleras se debe maximizar la atención de las herramientas que se disponen en el hardware y el software de los Controladores Lógicos Programables (PLC), y su integración con las redes locales de computadores (LAN) que disponen las industrias modernas. La lógica con que se iniciaron los diferentes tipos de arreglos de control en el pasado actualmente siguen vigentes, además que los procesos industriales siguen siendo los mismos, a manera de ejemplo el uso de las estaciones de flujo, plantas compresoras, refinerías, criogénicos, no han cambiado siguen siendo los mismos, por ello los avances tecnológicos están permitiendo optimizar los procesos por su precisión, por su velocidad, por el registro de las variables en el tiempo. Los procesos en las instalaciones petroleras no van a cambiar, por ello los avances tecnológicos llevaran a desarrollar los mismos arreglos de control del pasado pero soportados actualmente con el hardware y software que permiten los PLC y su conexión con las redes corporativas. Al estar vigentes los mismos procesos industriales y las mismas topologías de control, se utilizara la tecnología de la que hoy se dispone para mejorar y optimizar lo que antes se hacia con los equipos neumáticos del pasado, en los actuales momentos se debe eliminar el concepto de usar las señales neumáticas para implementar las topologías y considerar que los arreglos del hardware permiten recibir todas las señales de campo hasta la Sala de Control, tal como se muestra en la siguiente figura donde se observa un arreglo de control de procesos ¡mplementadas con PLC, que permite recibir desde campo Capitulo IX: Topologías de Control

3



todas las señales discretas que sean necesarias, todas las señales analógicas que sean necesarias, todas las comunicaciones seriales que sean necesarias entre transmisores inteligentes y el PLC, conexiones entre PLC, conexiones entre PLC y Sala de Control, así como, todas las conexiones necesarias desde los PLC o desde la sala de Control hasta el campo, por lo que no se hace necesario ningún arreglo neumático local para facilitar ninguna de las topologías de control antes reseñadas. Estas conexiones de hardware desde el campo hasta los PLC y desde los PLC hasta el campo se muestra en la siguiente figura. Interconexión de PLC con Proceso Indu

Las mismas consideraciones aplican para el software, dado que los fabricantes de los Controladores Lógicos programables PLC, ofrecen un conjunto de librerías de aplicaciones, un conjunto de bloques de aplicaciones como herramientas que tendrá el programador para elaborar sus programas de automatización y control justo a la medida, o justo a las necesidades del proceso industrial. Las facilidades que ofrecen los fabricantes de PLC para el desarrollo de programas usando los software de que disponen estos equipos hace innecesaria usar las señales de campo para arreglos locales que faciliten la implementación de alguna de las topologías de control. Es por ello que cualquiera que sea el tipo de arreglo de control que se implemente en cualquiera instalación petrolera, la misma se debe hacer desde el programa de automatización y control que disponen los PLC sin tener que utilizar ninguna conexión neumática local como ayuda para la implementación de la misma. Capitulo IX: Topologías de Control



En las siguientes figuras se muestran las aplicaciones que ofrece un fabricante de PLC y que sirve como ejemplo de las aplicaciones que se pueden disponer desde el software y que a través de ella posibilitar desde los programas cualquiera de los arreglos de control que se Necesitan SOFTWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES INDUSTRÍALE S

El editor de Bloques Funcionales y las instrucciones de control de Procesos le proveen las herramientas para usar el mismo controlador y el software de programación para todas las aplicaciones de su planta

SOFTWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES INDUSTRIALES

42 nuevas instrucciones que le proveerán de las herramientas necesarias para diseñar sofisticados controles de procesos y drives. instrucciones Procesos Alarma PID reforzado Rampa Balanza Posición Proporcional Tiempo Proporcional Llevar-retraso Generador de función Totalizador Tiempo-muerto Dispositivo de 2 y 3 Estados Discretos

Instrucciones de Drives

Instrucciones Filtro

• Multiplicador del • Filtro Paso/Alto pulso • Filtro Paso/Bajo • Simulación de la • Filtro de Banda Curva • Segundo Orden • Pl • Retrazos • Integrator • Derivativos • Controlador de Segundo Orden • Acumulador Instrucciones Estadísticas • Promedio de Movimiento Desviación Normal Captura Mínima Captura del máximo


Instrucciones Lógicas • • • • • •

And Booleana Or Booleana Or Exclusivo Inversor NOT D Flip Flop JK Flip Flop

Instruc. Select/Límit • • • •

Selección Selección Negativa Multiplexer Limites H/L



También los arreglos de automatización y control de los que hoy se disponen permiten que el hardware y software puedan estar configurados en forma redundante lo que además de garantizar la automatización y el control del proceso industrial tener los equipos que garanticen el cumplimiento de sus funciones indistintamente la eventualidades que puedan presentarse, incluso la que pueda salir del servicio algunos de los PLC que ejecutan los programas. En la siguiente figura se podrá observar una arquitectura para control redundante que propone un fabricante de PLC considerando en la oferta el hardware y software que disponen para la aplicación de los controles industriales. HARDWARE DESARROLLADOS PARALAS APLICACIONE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

RE 3UNDANTES

Inicie con un chasis estándar Controllogix Adicione 1 procesador Logix5555. Adicione 1 o más Tarjetas ControlNet (Ser. D). Adicione un Módulo de sistema Redundante Prepare un segundo sistema idéntico Conecte los módulos SRMs Adicione I/O, interfaces operador, y otros equipos a la red(es) ControlNet (máx 5).

2. LAZOS DE CONTROL SIMPLES Son lazos de control que atienden una sola variable operacional, tal como se muestra en el diagrama de bloques de la siguiente figura. Controlador en PLC VD(s)

e(s)

Controlador PID Memoria y Salida en Corriente

RV(s)


Función de Transferencia del Proceso Industrial



El lazo de control simple esta conformado por un controlador que recibe la magnitud de la variable controlada a través de una señal eléctrica que envía el transmisor que esta conectado en el proceso industrial, en el controlador (Que preferencialmente será una aplicación de los PLC) se calcula la señal de error (e(s)) y se aplican las acciones básicas de control PID a la señal de error (M(t)), se guarda en memoria este valor y posteriormente a la salida de la memoria se convierte este valor en una señal eléctrica de control que es enviada hasta el proceso industrial para ser convertida en la señal neumática que regulara la válvula de control quien definirá los cambios requeridos para que la variable controlada busque alcanzar el valor deseado. El modelo del lazo de control representado en el diagrama de bloques aplicara para cualquier lazo de control cerrado de una sola variable y donde la variable operacional podrá ser: caudal, temperatura, nivel, presión, otra. Los componentes de instrumentación para conformar el lazo de control siempre serán los mismos para todos los lazos de control simples ha saber: Transmisor, Controlador, Convertidor I/P y Válvula de Control, y donde la única diferencia^ estará en el proceso industrial los cuales serán diferentes, con variables operacionales diferentes y por lo cual seguramente tendrán funciones de transferencias diferentes y por ello los tiempos de respuestas de estas instalaciones industriales ante las entradas de control que ejecuta el controlador serán diferentes lo que obligara realizar las entonaciones de los lazos de control con valores de Kp, Ti y Td específicos para cada aplicación. El modelo matemático de la señal de error (e(s)), salida de las acciones básicas de control (M(t)), el controlador y la representación del bloque de adaptación Controlador-Proceso Industrial (A), se muestran en las siguientes figuras. e(s) = VD(s) - RV(s)

Donde: e(s): Señal de error. VD(s): Valor Deseado de la Variable Operacional (Set Point). RV(s): Realimentación desde el Proceso Industrial de la Variable. M(t): Salida de la Aplicación de las acciones de control PID.

Integrativa Proporcional

Derivativa

Para cada lazo de control habrá entonarlo y así calcular los valores que corresponderán al Kp, Ti y Td para cada una de las variables operacionales. En el Controlador la salida de las acciones básicas de control PID una vez guardada en la memoria es convertida en la señal eléctrica que saldrá desde el controlador hasta las instalaciones industriales tal como se muestra. Capitulo IX: Topologías de Control

7


Acciones Básicas de Control PID

Mis)


Memoria

C(s) = C(s) + M(s)

Salida de la Señal Eléctrica

w w

: Bloque de adaptación, señal del controlador-Regulación de la Variable.

(4-20)mA


I S(s)

Presión F2(s)

F4(s)

Flujo

(4-20)mA

F3(S)

Variable al Proceso

Controlador en PLC VD(s)

e(s)

de(t) dt RV(s)

Memoria y Salida Eléctrica

V

Transmisor

En un lazo de Control Simple se conecta el transmisor directamente sobre la salida de la variable operacional a ser controlada, la señal del transmisor se envía al controlador quien ejecutara las acciones de control PID sobre la señal de error y la salida del controlador se envía al proceso industrial para regular al elemento final de control de la variable controlada. En la siguiente figura se muestra como un ejemplo el lazo de control simple para un intercambiador de calor. Este calentara un producto al intercambiarlo térmicamente con un componente caliente (Vapor de agua), en este lazo de control se regula el paso de vapor de agua que se utiliza para el calentamiento y así determinar la temperatura del producto que entra a calentarse en el intercambiador. Capitulo IX: Topologías de Control

8



Diagrama en Bloques: Vapor para calentamiento

Producto a Calentarse Temperatura De Salida

Transmisor Temperatura

FV: Flujo de Vapor


El diagrama de bloques muestra un controlador que regula el flujo de vapor para intercambiar el calor con el flujo a calentarse que entra al intercambiador de calor. Se observa que la única variable Temperatura, dispone del transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control como los elementos que conforman el lazo de control. En Las siguientes figuras se muestran varios esquemáticos de varios lazos de control simples que funcionan en forma análoga al explicado previamente.




4 -20 mA Lauío de control de presión -Seleccionar el set-pomt(SP (s)). - Entonar el laza PID: - K P (Ganancia.) -Ti (Ajuste intEgrativo) -Td (ajuste derivativo)

4 - S O mA


Laxo de control de rá^

10



3. LAZOS DE CONTROL EN CASCADA En los lazos de control en cascada se combinan dos variables operacionales, una variable maestra y otra variable esclava para controlar un elemento final de control. El lazo de control en cascada requerirá dos controladores (uno por cada Variable operacional) que se interconectaran a través del software y donde la salida del controlador Maestro define la consigna o set point del controlador Esclavo, mientras que la salida del controlador Esclavo regulara el elemento final de control en el proceso industrial. Este arreglo de control tendrá un transmisor para la realimentación del controlador de la variable Maestra y un transmisor para la realimentación del controlador de la variable operacional Esclava. Desde del controlador esclavo se envía desde el PLC hasta el proceso industrial la señal eléctrica que alimentara al convertidor I/P del cual saldrá la señal neumática de 3 a 15 PSI para regular la apertura de la válvula de control. Se muestra a continuación el diagrama de bloques de este arreglo de control en cascada. Controladores en PLC

el(s)

Controlador MAESTRO Memoria y Salida en SOFTWARE

VD2(s)

e2(s)

Controlador ESCLAVO Memoria y Salida en Corriente

RS2(s)


Si(s) F2(s)

F3(s)

F4(s)

En el arreglo de control en Cascada representado en el diagrama de bloques de la figura anterior se observa un primer controlador Maestro que calcula la señal de errori (el(s)) a partir del Valor Deseado de la variable maestra (VD(s)) y de la realimentación del transmisor de la variable operacional Maestra (RSl(s)), el Capitulo IX: Topologías de Control

11



controlador maestro aplica las acciones básicas de control PID a la señal de error (el(s)), guarda en memoria el resultado de la aplicación PID sobre (el(s)), y tiene como salida la señal VD2(s). La salida VD2(s) del controlador maestro será la consigna o set point del controlador esclavo y a través del software en el PLC se ejecutara esta acción. El controlador esclavo calcula la señal de error e2(s) a partir de la diferencia de la salida del controlador maestro VD 2 (s) y la realimentación (RS2(s)) que proporciona el transmisor de la variable operacional esclava desde el proceso industrial, aplica las acciones de control PID a la señal de error e2(s), guarda en memoria el resultado de la aplicación PID sobre e2(s), y convierte en una señal eléctrica la salida que saldrá desde del controlador esclavo hasta el proceso industrial para regular la apertura del elemento final de control. Para el lazo de control en cascada las variables operacionales podrán ser combinaciones de: caudal, temperatura, nivel, presión, otra, y donde la variable esclava será la mas rápida como el caudal y la variable maestra la mas lenta como la temperatura. Las variables operacionales maestra y esclava están integradas en la misma función de transferencia del proceso industrial controlado, para que su acción conjunta regule la posición del elemento final de control. En este arreglo, el lazo de control esclavo trabajara en forma análoga a un lazo de control simple pero cuyo setpoint será definida y corregida por la variable operacional maestra. Con los lazos de control en cascada tendrán como variables esclavas variables auxiliares para detectar rápidamente el efecto de las perturbaciones sobre la variable maestra. En la siguiente figura se muestra el lazo de control en cascada Temperatura(Maestro)-Caudal(Esclavo) que regula el caudal de vapor de agua que alimenta como fuente de calor a un intercambiador para calentar otro componente en el mismo, de modo que el producto a calentarse salga del intercambiador a la temperatura requerida por el proceso industrial.

FV: Flujo de Vapor

Maestro FC: Flujo a calentarse


12



Al observar el diagrama Proceso-Instrumento del intercambiador de calor que se muestra en la figura anterior, se podrá apreciar que la variable esclava, así como la variable Maestra forma parte integral del diagrama de bloques del proceso controlado. Es la variable esclava, una variable más rápida que la variable Maestra y es por ello que en los lazos en control en cascada se aprovechan del menor tiempo de respuesta que tiene la variable esclava para regular el único elemento final de control que tiene el proceso. A través de la variable esclava se ira controlando las perturbaciones que existan en el proceso y que se reflejaran en cambios de la magnitud de la variable maestra, la cual detectara la perturbación y por ello tendrá la función de corregir el set point de la variable esclava para definir el nuevo valor deseado del caudal que será necesario para atender la perturbación de la temperatura. Del lazo de control en cascada que se utiliza para controlar la temperatura de salida del flujo a calentarse se puede observar que existen dos controladores regulando un único elemento final de control, un controlador (TIC-01) para la variable Maestra (Temperatura) y otro controlador (FIC-01) para la variable* Esclava (Caudal). En el intercambiador de calor, la variable esclava (Caudal) regula el paso del vapor para mantener la temperatura del flujo que entra a calentarse entre los rangos deseados, para ello la variable Maestra tendrá la función de modificar el set point de la variable esclava cada vez que exista variaciones en la señal de error de la variable Maestra(Temperatura).

Control de Temperatura de Tope de Torre de Destilación. (Reflujo) Para definir la temperatura de trabajo en el tope de la torre de destilación se inyecta a la ultima bandeja de la torre un flujo frió del producto final de tope (REFLUJO). A través del reflujo se define la temperatura del tope de la torre y con ello se establece la condición de trabajo de la sección de rectificación de la torre. Esta temperatura de tope que se consigue regulando la inyección del caudal del producto final de tope, será la referencia de la menor temperatura de la torre de destilación. La integración del tope de la torre conjuntamente con los equipos asociados esta conformado por un condensador, un separador trifásico, una motobomba para retirar el producto final de tope, así como enviar el reflujo y los arreglos de instrumentación y control que permiten implementar los controles de: de temperatura de tope (reflujo), producto final de tope, nivel de productos pesados y presión. En el tope de la torre de destilación los componentes que se mantuvieron en fase gaseosa salen del tope y al pasar por el condensador se enfriaran y por ello al ser descargados en el separador trifásico ante una nueva condición de trabajo Temperatura-Presión habrá componentes que se condensen y otros se mantendrán en fase gaseosa. Entre los componentes que se condensaron estarán el producto final de tope y el agua. El producto final de tope que se condenso al enfriarse es succionado desde el fondo del separador trifásico por una motobomba cuya descarga se dividirá en dos corrientes, una para obtener el producto final de tope y la otra corriente para el reflujo.


13



En este conjunto de instrumentos y controles para implementar el reflujo se hace necesario tener un lazo de control en cascada Temperatura (Variable Maestra) y el Caudal (Variable Esclava) que permita definir la temperatura de trabajo del tope de la torre, para ello de la descarga de la motobomba se tiene una toma que pasara por una válvula de control que regulara el flujo hacia el tope de la torre de tal manera que ingrese el producto final de tope frió para definir la temperatura de tope. La regulación de mayor o menor del caudal de reflujo se hará en la medida que se busque corregir la temperatura de tope, por ello para disminuir la temperatura en el tope se incrementa el caudal de reflujo y por el contrario para aumentar la temperatura en el tope se disminuye el caudal de reflujo. Este arreglo en cascada Temperatura-Caudal permitirán que estas dos variables definan la posición de la válvula de control. La variable operacional más crítica (Temperatura) es el maestro, dado que en el tope de la Torre de Destilación las variaciones de temperatura harán cambios de la condición de trabajo Temperatura-Caudal de la bandeja y con ello modificaría la cantidad de componentes que estarán en fase gaseosa o^ fase liquida en esa bandeja. Es por ello que la cantidad de producto final de tope que regula el lazo de control esclavo (Caudal) debe estar supeditado a mantener estable la temperatura de trabajo en la bandeja que es la referencia para el control. Se ajustara el caudal (Variable Esclava) del producto final de tope que se inyecta como reflujo a los requerimientos de mantener la temperatura (variable Maestra) estable en la bandeja de la torre a su valor deseado como referencia. El arreglo de control en cascada permitirá la siguiente condición de control; si la temperatura en el tope de la torre es igual al valor deseado, solamente trabajara el lazo de control esclavo, el cual regulara el caudal como si no existiera la variable maestra, sin embargo, de existir variaciones en la temperatura del tope de la torre de destilación esta generara como variable maestra una nueva respuesta corregida que se encargara de modificar el set point de la variable operacional caudal. Esta acción de corregir la variable esclava conllevara que el lazo de control esclavo tendrá un nuevo set point de caudal y que se ajuste a los requerimientos de mantener estable la variable operacional maestra. En la siguiente figura se muestran las conexiones vista desde del PLC del lazo de control en cascada Temperatura (Maestro) y Caudal (Esclavo), donde observan como los transmisores de temperatura y caudal (TT-01 y FT-01) transmiten sus señales eléctricas hasta el PLC. Es dentro del software del PLC donde existe la corrección desde el controlador maestro (Temperatura TIC-01) hasta el controlador esclavo (Caudal FIC-01). Del lazo de control esclavo (que trabaja con un set point corregido) sale la señal eléctrica que alimentara al convertidor Corriente-Presión (FY-01) el cual tendrá como salida la señal neumática comprendida entre 3-15 PSI y que posicionara la válvula de control para regular el producto final de tope que alimenta la bandeja.


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En la atención del Tope de la Torre de Destilación para mantener estable la temperatura en la bandeja, el controlador Maestro TIC-01 (Temperatura) tendrá un valor deseado (set point) TD(s), también recibe la realimentación de temperatura RT(s) a través del transmisor de temperatura TT-01 y con ello genera la señal de error e(s) de la temperatura y ejecutara la acción de control PID a la señal de error de la temperatura. La señal de salida del controlador maestro CM(s) se sumara con el valor deseado y sin perturbaciones del caudal (set point) seleccionado de la variable esclava (EN EL SOFTWARE DEL PLC). Esto permitirá que ante las variaciones de temperatura que pudieran presentarse en el tope de la torre la señal maestra (Temperatura) generara variaciones de la señal corregida FC(s). FC(s) estará teniendo modificaciones cada vez que existan variaciones en la temperatura de la bandeja de la torre de destilación, estas variaciones de la variable maestra hará modificaciones de la consigna de trabajo de la variable esclava y con ello las regulaciones del flujo del producto final de tope que ingresa a la ultima bandeja para definir en esta su temperatura de trabajo. En la siguiente figura se muestra el lazo de control en cascada utilizando el modelo matemático de los controladores tanto para la variable Maestra como para la variable esclava. Se muestran las aplicaciones de control PID en ambos controladores y como la salida del controlador Maestro vía software se conecta como consigna (Set Point) de controlador Esclavo, quien tendrá como salida una señal de corriente que sale desde el PLC hasta el proceso industrial para alimentar al convertidor I/P que proporcionara la señal neumática a la válvula.


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PLC

Controlador Maestro

[ Sl(s)

(

\\

M(t) = Kp-l e(t) + j- \e(t)dt + Td -2&

Memoria y Salida SOFTWARE

Controlador Esclavo

M(t) = Kp • (t) +1 \e(t)dt + Td


'"

S2(s)

(4-20)mA

"

Función de Transferencia del Proceso Industrial Presión

Flujo

I S(s)

Flujo Variable al Proceso

Transmisor Esclavo

En las siguientes figuras se muestra algunas aplicaciones de los lazos de control en cascadas utilizadas en el control de temperatura del flujo de alimentación de una torre de destilación atmosférica, y el lazo de control en cascada de la presión de salida de una caldera, que previo antes de definir el set point de los caudales esclavos ejecuta una regulación de proporción de los dos caudales. Capitulo IX: Topologías de Control

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Control de Temperatura de Flujo de Alimentación de Torre.

Control de Presión de Salida de Caldera.

Centroide CALDERA

Vapor

Maestro

Agua Caliente


17



Dos variables operacionales diferentes con controladores diferentes, con realimentaciones de bloques de función de transferencia diferentes, obligara a tener entonaciones especificas para cada controlador. Las consideraciones de Kp, Ti y Td para el controlador Maestro se corresponderán con las necesidades y requerimientos de esta variable operacional, y las consideraciones para Kp, Ti y Td para el controlador Esclavo se corresponderán a los requerimientos de esta otra variable operacional, se podrá recomendar una alta sensibilidad para la variable Maestra que será la mas lenta y una Banda Proporcional mas elevada para la variable Esclava.

4. LAZO DE CONTROL FEEDFORWARD En la topología de control en arreglo Feedforward, se consideran las perturbaciones medibles de otra variable externa y que no se encuentran en el lazo de control de la variable controlada. Un lazo de control simple actura para regular una variable controlada donde solo interviene la realimentación de la magnitud de la variable de salida para corregir el error, sin embargo, este lazo de control simple no actúa directamente para corregir las perturbaciones que origina otra variable externa, por ser esta una variable que no se corresponde a la función de transferencia del proceso industrial controlado. Las correcciones del lazo de control simple se hacen sobre la magnitud de la variable de salida que esta controlada, y por esta razón las perturbaciones que genera la variable externa no se corrigen inmediatamente, hasta que estas perturbaciones externas se reflejan como errores de la salida del proceso un tiempo después. Con el arreglo de control Feedforward se mide permanentemente a la variable externa que genera las perturbaciones en el lazo de control y se considera su magnitud para que conjuntamente con la salida del lazo de control definan la regulación de la apertura de la válvula de control y con ello minimizar el tiempo de respuesta para corregir la perturbación. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del arreglo de control Feedforward. Transmisor Variable Externa qué Perturba Controlador en PLC VD(s)

e(s)

Variable Externa


RV(s)


Transmisor Variable Controlada Capitulo IX: Topologías de Control

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• Con Feedfordward se mide a través de un transmisor la magnitud de la variable externa al proceso controlado y que origina las perturbaciones de la señal de salida. • La magnitud de la variable externa se suma con la señal controlada para que el efecto conjunto del controlador y la magnitud de la señal externa actúen sobre el elemento final de control. • En la topología de control en arreglo Feedforward, se necesita instrumentación y cálculo adicional. • En la topología de control en arreglo Feedforward, se tiene una compensación en lazo abierto que debe emplearse normalmente junto a un regulador en lazo cerrado. Para considerar una aplicación en arreglo de control en Feedfordward se presenta un ejemplo de un intercambiador de calor en la siguiente figura, conformado por un lazo de control de temperatura y la medición de caudal.


Para ello se tiene un transmisor de caudal para medir el flujo de la variable externa al lazo de control, de esta manera cualquier cambio en la magnitud del Flujo a Calentarse será medido por el transmisor de flujo (FT-01) y enviado al PLC donde se sumara con la salida del controlador para que la acción conjunta de ambas señales definan la magnitud de salida (C(s)) que saldrá desde el PLC hasta el proceso industrial, para corregir en forma temprana (Por adelanto) las perturbaciones que generaran en el proceso los cambios de la variable externa. Con este arreglo de control se podrá atender por adelanto la perturbación creada por los cambios de caudal del producto a calentarse y que de otro modo se reflejarían en cambios de la temperatura de salida del intercambiador de calor. En forma temprana y sin tener error en la temperatura, se suma los cambios de la señal del transmisor FT-01 con la salida del controlador TIC-01 para que el resultado de esta suma sea la salida eléctrica que saldrá del PLC para alimentar al convertidor I/P (TY-01) que regulara la válvula de control para suministrar el vapor para el calentamiento en el intercambiador de calor. Capitulo IX: Topologías de Control

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La salida del PLC como señal eléctrica para alimentar al convertidor I/P, se modifica de acuerdo a los cambios de la variable externa al lazo de control para compensar su efecto en la variable controlada y sin necesidad que existan cambios en la señal de error de la misma. La observación del diagrama de bloques con arreglo de control en Feedforward que se presenta en la siguiente figura, permite identificar el lazo de control cerrado de la variable controlada y como a la salida del controlador se le suma la señal del transmisor de la variable externa. Se observa que este arreglo de control requiere un controlador y dos transmisores, uno para la realimentación de la variable controlada y otro para la medición de la variable externa. La salida del controlador se suma con la medición de la variable externa para regular el elemento final dé control del proceso industrial. Controlador en PLC VD(S)

e(s)

Memoria y Salida por software

RV(s)

Corrector de proporción De Variable Externa Cfs)

(4-20)mA

Variable Externa al Proceso Industrial

Presión

Transmisor Externo

Flujo


Función de Transferencia del Proceso Industrial Transmisor Variable Controlada


20



Al analizar el diagrama de bloques con arreglo de control en Feedforward considerando su ejecución aprovechando las librerías de aplicaciones que disponen los PLC, se tiene que el controlador calcula la señal de error de la variable controlada, aplica las acciones básicas de control PID a la señal de error calculada, guarda en memoria el resultado y la salida de la operación lo envía a un bloque donde se suma este resultado con el aporte que proviene de la corrección de proporción de la medición de la variable externa. Es necesario tener un "Bloque Corrector de Proporción de la Variable Externa" para que este pueda contribuir en la salida del PLC hasta el proceso industrial con el aporte de la medición de la variable externa sin que la misma sea una fuente de perturbación del arreglo de control. De no existir la contribución de la medición de la variable externa sencillamente el arreglo quedara funcionando como un lazo de control simple, sin embargo, al tener un valor de la medición externa con aportes muy grandes, esto podrá conllevar a que lasalida del arreglo de control feedforward podrá estar definida por los cambios de la señal externa y no por el lazo de control de la variable controlada.

5. CONTROL CASCADA+FEEDFORWARD El arreglo de control Cascada + Feedforward es aquel que permite tener un lazo de control en cascada con las variables Maestra y Esclava asociadas a la función de transferencia del proceso industrial conjuntamente con la acción de la medición de una variable externa que perturba al proceso controlado, tal como se muestra en la siguiente figura. Transmisor Variable Externa que Perturba

Variable Externa

Transmisor Variable ESCLAVA Función de Transferencia del Proceso Industrial Transmisor Variable MAESTRA

En este arreglo de lazo de control Cascada+Feedforward la salida del controlador Maestro de la cascada se suma con la acción de la proporción de la señal del transmisor de la variable externa, el resultado de esta suma será enviado por software hasta el controlador de la variable esclava para definir la Capitulo IX: Topologías de Control

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consigna o set point de este controlador esclavo. El controlador esclavo trabajara como un lazo de control simple con la diferencia que el set point estará cambiando permanentemente en el tiempo cada vez que ocurran cambios en la señal de error del controlador maestro o una modificación de la magnitud de la variable externa que entra para perturbar el proceso. Esta acción conjunta de la salida del controlador de la variable maestra y la medición de la variable externa estará definiendo el set point del controlador esclava. La salida del controlador esclavo será una señal eléctrica que ira al convertidor I/P que regulara la válvula de control del proceso industrial. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de una aplicación de este lazo de control Cascada-Feedforward en un Intercambiador de Calor. Un lazo de control en cascada conformado por un lazo de control maestro (Temperatura de Salida del Intercambiador), un lazo de Control esclavo (Caudal de Vapor para Calentamiento) y la medición de la variable externa caudal (Caudal de Fluido a Calentarse en el Intercambiador). El lazo de Control Cascada-Feedforward cumple la función de regular el paso de vapor de agua^ para proporcionar calor a un ¡ntercambiador de calor manteniendo constante la temperatura de salida del intercambiador ante las diferentes perturbaciones que puedan presentarse. En este lazo de control Cascada-Feedforware la temperatura es la variable maestra y el caudal la variable esclava, y la variable externa será el caudal del producto a calentarse al proceso y que generara perturbaciones con sus cambios, dado que si aumenta su caudal disminuye la temperatura de salida y si disminuye su caudal se incrementa la temperatura, si no existiera la acción Feedforware que mide y considera la variable externa.

4,u

c^

v2

-o

•=ÍEEsclavo

Maestro

Variable Externa FV: Flujo de Vapor

TT oí


En el PLC se reciben las señales de los tres transmisores del lazo de control en Cascada-Feedforward, dos transmisores del arreglo de control en cascada y un Capitulo IX: Topologías de Control

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transmisor de la variable externa y sale una señal eléctrica para regular la apertura del elemento final de control. A través del software de los PLC se implementan los controladores maestro y esclavo, y la salida del controlador maestro se sumara con la magnitud de la variable externa para definir el set point de la variable esclava. La atención conjunta de la variable maestra con la magnitud de la variable externa tendrá un valor dinámico en el tiempo que cambiara cada vez que ocurra un cambio de la señal de error de la variable maestra o un cambio de la magnitud de la variable externa, proporcionando por ello un set point dinámico que regulara a la variable esclava. Al observar el diagrama de bloques del ¡ntercambiador de calor que se utiliza como ejemplo, se podrá apreciar que la variable Maestra, así como, la variable Esclava forman parte integral del diagrama de bloques del proceso controlado por el lazo de control en cascada, mientras que la variable externa no tiene ninguna relación con la función de transferencia del proceso industrial. La variable esclava, es una variable más rápida que la variable Maestra y es por ello que en los lazos en control en cascada se aprovechan del menor tiempo de respuesta que tiene la variable esclava para regular el único elemento final de control que tiene el proceso controlado. De esta manera las perturbaciones que podrán existir en el proceso son detectados por la acción conjunta de la variable maestra y la medición de la variable externa y se corrige utilizando la variable esclava que es la mas rápida para regular al electo final de control. En el diagrama de bloques que se muestra en la siguiente figura se podrá observar el modelo matemático del controlador maestro y del controlador esclavo, la suma por software de la salida del controlador maestro y la regulación de proporción de la variable externa, la salida por software de la suma de la salida del controlador maestro y acción de la variable externa y como este valor pasa ser el set point de la variable esclava. Se observa la salida eléctrica del controlador esclavo desde el PLC hasta la válvula de control. Del diagrama de bloques que modela la función de transferencia del proceso controlado se observa la realimentación de la variable esclava, la realimentación de la variable maestra y la alimentación en el proceso controlado de la variable externa, teniendo presente para los análisis de entonación del lazo de control Cascada-Feedforwared, la ubicación en el proceso industrial de las variables operacionales, así como, la velocidad de respuesta de las mismas. Con estos argumentos se tendrán los criterios para determinar de forma totalmente independiente los valores de KpM, T¡M y TdM para entonar el lazo de control maestro y los valores de KpE, TiE y TdE para entonar el entonar el lazo de control esclavo. El diagrama de bloques que en forma integral presenta los controladores y la variable externa del lazo de control Cascada-Feedforwared, el proceso industrial y sus realimentaciones y medidas de sus variables operacionales, permite analizar la señal de error el(s), la señal de realimentación RVM(s), el set point de la variable esclava VDC(s). Se podrá analizar la señal de error del controlador esclavo e2(s), la realimentación RVE(s) y la salida C(s). Capitulo IX: Topologías de Control

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Controlador en PLC VD(s) Memoria y Salida por software

, '

-FÍ'

VDC(s)

'

e2(s)

)+

Corrector de proporción de Variable Externa

de(t)}

-*-}

r

RVE(s)

Memoria y Salida ELÉCTRICA

C(t) = (4-20)mA


Transmisor Variable Externo

Flujo


Transmisor Variable ESCLAVA Transmisor Variable MAESTRA

En la siguiente figura se muestra otra aplicación de los lazos de control Cascada-Feedforward, en el control de temperatura del fondo de una torre de destilación. En esta aplicación se utiliza un lazo de control en cascada para regular el paso de vapor de agua que alimenta el calderin que calienta el fondo de la torre y se utiliza la medición del caudal de alimentación de la torre como la variable externa que perturbara el proceso de calentamiento de fondo. Capitulo IX: Topologías de Control

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(Cascada + Feedforward) Calentamiento Fondo+Alimentación de torre

6. LAZO DE CONTROL SELECTIVO El control selectivo se da para aquellos procesos que aunque no tienen variaciones en su funcionamiento, es decir, mantienen el mismo arreglo de control, presentan medición y posibles cambios de las realimentaciones de sus variables operacionales a lo largo de todo el diagrama de bloques del proceso. Esta particularidad puede permitir cambiar los puntos de realimentación de los arreglos de control y con ello poder seleccionar los nuevos set point en relación con las nuevas realimentaciones a voluntad del operador. Se podrá seleccionar con el arreglo de control selectivo nuevas condiciones de trabajo que podrán estar ajustándose a los requerimientos operacionales que pueda estar considerando el operador. El operador podrá cambiar las condiciones de trabajo del proceso desde la sala de control y sin estar haciendo ninguna modificación ni del proceso, ni del hardware y software de los PLC.

En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques para un lazo de control simple con control selectivo, en el se puede observar que el modelo matemático del controlador simple es el mismo que el considerado anteriormente (Igual ocurrirá con los otros arreglos de control), sin embargo, se puede observar que desde el proceso industrial llegan a la sala de control varias mediciones desde las variables operacionales lo que permitirá su registro, además, bajo el control selectivo se podrán hacer los cambios de la realimentación y set point si las condiciones de trabajo así lo requieren. Capitulo IX: Topologías de Control

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¿ M(t) = Kp - (e(t) +1 \e(t)dt + Td

Memoria y Salida ELÉCTRICA

Selección de Set-Point y Realimentación

C(s)

(4-20)mA Función de Transferencia del Proceso Industrial

S(s)

Transmisor 1 Variable 1



En la siguiente figura se muestra como ejemplo del Control Selectivo una torre de destilación que tiene dispuesta en cada una de sus bandejas transmisores de temperatura y con ello tener la posibilidad de la realimentación en cualquiera de las bandejas de la torre. Considerando que cada bandeja tiene condiciones de trabajo Presión-Temperatura particulares, este arreglo permitirá seleccionar el set point que corresponda a cada bandeja, así como, tener la realimentación de cada punto, además se podrá agregar que en las torres existen también diferentes puntos de alimentación y esta condición también debe posibilitar cambios en la selección de nuevos puntos de trabajo. Capitulo IX: Topologías de Control

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El Control Selectivo permitirá escoger la realimentación dentro de un universo de varios puntos dentro del proceso, así como, seleccionar los set point asociados a cada bandeja de la torre.

7. LAZO DE CONTROL OVERRIDE En el arreglo de control Override se combinan dos lazos de control de dos variables operacionales totalmente diferentes e independientes mientras se mantengan en sus rangos de trabajo. En el Control Override una variable operacional (1) trabaja atendiendo su lazo de control totalmente independiente de otra variable operacional (2), siempre que no alcance el valor de seguridad preestablecido por la variable operacional (2). La variable operacional (1) atiende su lazo de control cerrado pero en el momento que se alcanza el valor de seguridad de la variable operacional (2), esta otra variable (2) cuyo valor de seguridad fue alcanzado asume el control del proceso. El lazo de control de la variable operacional (2) trabajara hasta alcanzar su set point, o restablezca el valor de la variable (2) entre los límites preestablecidos en el control. Una vez que se alcanza los niveles preestablecidos de la variable (2), será en ese momento que la variable operacional (1) retoma nuevamente el control para continuar en la atención del lazo cerrado de control de la variable operacional Capitulo IX: Topologías de Control

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(1) que estaba trabajando. En la siguiente figura se muestra el diagrama de Bloques del Lazo de Control Override, donde puede observarse los dos lazos de control independientes que convergen el la Comparación Override. PLC Controlador Variable 1

e(s)

VD(s)

\1

fe W

r M(t) \/f(t\ L\

¥^ A

} í(e(t'}+ + Tê(


de(t) t)dt + Tddt

Bloque de Comparación OVERRIDE Controlador Variable 2 VD(s)

e(s)

W ^

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Ri(s)

(4-20)mA


S(s)

Transmisor Variable 1 Transmisor Variable 2


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Control Override Nivel-Caudal en Torre de Destilación. En el arreglo de control Override se combinan dos variables operacionales totalmente independientes mientras se mantengan en sus rangos de trabajo. En el Control Override una variable operacional (1) (Caudal) trabaja atendiendo su lazo de control totalmente independiente de otra variable operacional (2) (Nivel), siempre que no alcance el valor de seguridad preestablecido por la variable operacional (2) (Nivel). Dos ejemplos del control Override Nivel-Caudal se presentan en la siguientes figuras, una de retiro de producto liviano y de poca viscosidad del tope de la torre de destilación para alimentar otra torre trabajando el lazo de control de caudal, siempre y cuando, el nivel no baje a los limites de seguridad, el otro Lazo de Control Override será la del retiro del producto viscoso y pesado de fondo del fondo de la misma torre y que también se utiliza para alimentar otra torre. En el Lazo de Control Override, en un momento la variable operacional Caudal, se mantendrá controlando su lazo de control para mantener el caudal constante para no crear perturbaciones en la otra torre que alimenta, siempre^ que no alcance el nivel de seguridad de la segunda variable Nivel. En el momento que sea alcanzado el nivel de seguridad de la segunda variable operacional (Nivel), el sistema de control Override reemplazara el controlador de Caudal por el controlador de Nivel y se ejecutara el lazo de control de Nivel hasta el momento que se restablezca los valores de nivel deseados dentro del del separador trifásico o en el fondo de la torre. Una vez restablecidos los valores del nivel entre los parámetros deseados y justo a partir de ese momento se retorna el control a la primera variable Caudal.




8. LAZO DE CONTROL DE RANGO PARTIDO En los controles de rango partido se establece un Lazo de control, o un arreglo de control (Cualquier arreglo de Control) que atiende varios elementos finales de control, es decir, la salida del controlador se comparte entre varias válvulas de control según una tabla preestablecida que definirá el rango de trabajo de cada una de las válvulas, así como, el rango de trabajo a partir del cual trabajara la otra o demás válvulas que atiende el mismo controlador. Para ello es necesario, así como ¡mplementar todos los elementos que conforman el lazo de control, un adicional de tener una tabla que preestablece los rangos de trabajo que se utilizaran para cada uno de las válvulas de control. El rango compartido entre los diferentes elementos finales de control puede ser para compartir la magnitud de la variable controlada a partir de una tabla que reparte las cantidades entre una válvula y otra, o para compartir las magnitud de la variable controlada a partir de una tabla que reparte las cantidades entre una válvula y otra combinada con lapsos de tiempo de trabajo entre una y otra válvula. Depende del diseño de la tabla de trabajo.


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Ejemplo: Planta SAEN (Complejo Jusepín) En la planta de SAEN del Complejo de Jusepín (Norte del estado Monagas) el agua aceitosa q ue contiene las aguas provenientes de diferentes fuentes (estaciones de flujo, lluvia) es almacenada en la laguna L-1000 A/B y pasa por vasos comunicantes hasta la fosa de succión desde donde es succionada a través de cuatro bombas centrifugas verticales (B-1010 A/B/C/D), para alimentar la planta SAEN. De las cuatro bombas verticales disponibles solo operan tres bombas en paralelo cuyo arranque y parada es realizado por el PLC. El PLC buscara mantener el nivel constante de 1.2 metros en la laguna. La cuarta bomba estará como respaldo, en caso de falla o mantenimiento. Cada bomba maneja un rango de flujo entre 15 y 45.7 MEAD. Con el selector en modo "Automático" las bombas B-1010 A/B/C/D arrancaran directamente desde el PLC bajo las siguientes condiciones: La primera bomba arrancara a 1.2 metros y parara a 0.8 metros de nivel de la laguna. El arranque y parada de la segunda y tercera bomba se hará según el aumento o disminución debido a la apertura de las válvulas de control de flujo * FCV-200020 a la entrada del tren 1 y FCV-200030 a la entrada del tren 2, por efecto del controlador maestro de nivel de la laguna cuando este detecte que el nivel aumenta o disminuye, respectivamente. El arranque y parada de la segunda y tercera bomba será como sigue: •

Arranque de la segunda bomba, con 20 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 más FIT-200030 sea mayor a 45.000 MBAD.

•

Arranque de la tercera bomba, con 20 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 más FIT-200030 sea mayor a 85.000 MBAD.

•

Parada de la tercera bomba, con 10 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 mas FIT-200030 sea menor a 75.000 MBAD.

•

Parada de la segunda bomba, con 10 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 mas FIT-200030 sea menor a 40.000 MBAD.

En la siguiente figura se muestra el esquemático general de procesos de la planta SAEN, con la integración de los equipos que la conforman a saber: • • • •

Fosa de Succión y motobombas. Filtros Coalescedores. Filtros Pulidores. Desaereadores.

Así como, la alimentación a los Filtros Coalescedores, el esquemático ProcesosInstrumentos de las Motobombas de la fosa y el diagrama de tiempo. Capitulo IX: Topologías de Control

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Esquemático General de la Planta SAEN.

LAGUNA L-1000 A/B

DESAEREADORES FILTRO COALESCEDORES

FILTROS PULIDORES

Esquemático de la Alimentación Filtros Coalescedores.

i;


32



Esquemático Proceso-Instrumentos del Control de Motobombas. SEÑALES DISCRETAS SEÑALES ANALÓGICAS

PLC S¿ CC>Nr

4

RAKC I/O REMOTO


33



Diagrama de tiempo del Encendido-Apagado de Motobombas.

RACK REMOTO

PLC SALA DE CONTROL

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FIC-200030

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+ 1 .2 metros

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20 s después •• •

•

• 40000 BPD

10 s después

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4ta BOMBA

75000 BPD

10 s después

i

i


34



Cada bomba de transferencia de agua, B-1010 A/B/C/D contara con un selector local de tres (03) posiciones, HS-010110, HS-010210 HS-010310 y HS-011910 que permitirá poner en funcionamiento el equipo en modo "Automático" para ser operado a través del PLC, en modo "Manual" para ser operado mediante el pulsador de Marcha-Parada Local YIHL-010110, YIHL010210, YIHL-010310, y YIHL-011910, o fuera de servicio mediante la posición "Parada". Para ambos casos (Manual y Automático) el operador debe generar el permisivo de consola que permitirá el funcionamiento del equipo CR-010110, CR-010210, CR-010310 y CR-011910, respectivamente. Con el selector en modo "Automático" las bombas B-1010 A/B/C/D arrancaran directamente desde el PLC bajo las siguientes condiciones: La primera bomba arrancara a 1.2 metros y parara a 0.8 metros de nivel de la laguna. El arranque y parada de la segunda y tercera bomba se hará según el aumento o disminución debido a la apertura de las válvulas de control de flujo FCV-200020 a la entrada del tren 1 y FCV-200030 a la entrada del tren 2, por efecto del controlador maestro de nivel de la laguna cuando este detecte que el nivel aumenta o disminuye, respectivamente. El arranque y parada de la segunda y tercera bomba será como sigue: •

Arranque de la segunda bomba, con 20 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 más FIT-200030 sea mayor a 45.000 MBAD.

•

Arranque de la tercera bomba, con 20 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 más FIT-200030 sea mayor a 85.000 MBAD.

•

Parada de la tercera bomba, con 10 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 mas FIT-200030 sea menor a 75.000 MBAD.

•

Parada de la segunda bomba, con 10 segundos de retardo, cuando la sumatoria de los flujos de entrada a cada tren de filtros FIT-200020 mas FIT-200030 sea menor a 40.000 MBAD.

En caso de falla de alguna de las bombas en operación, la bomba de respaldo relevara el equipo afectado automáticamente. La bomba de respaldo se rotara en función del numero de horas de operación de las bombas principales, el cual de ajusto para lapsos de quince (15) días. Para las válvulas de control que regulan la alimentación de los filtros Coalescedores se tendrá un lazo de control en cascada Nivel (Maestro) y el Flujo Esclavo) y donde las variaciones de nivel en la laguna llevaran al control maestro LIC-150110 hacer correcciones al set point de las variables esclavas; es decir si aumenta el nivel en la laguna la variable maestra LIC-150110 adicionara valores al "set point" de caudal incrementando el mismo y así disminuir el nivel de la laguna. Capitulo IX: Topologías de Control

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9. CONTROL INFERENCIA!. El Control Inferencia! se utiliza cuando varias variables operacionales, así como, otros parámetros convergen para regular un elemento final de control. Se dispondrá de arreglos de control que tendrán que realizar cálculos complejos que requieren la medición de varias señales, además de necesitar alguna operación aritmética para obtener un valor que de otro modo resultara imposible que lo suministre un solo transmisor. El resultado del cálculo realizado permite tener un valor bajo el cual se hará la regulación del elemento final de control. Un arreglo de Control Inferencia! se tendrá en el calculo de volumen de los hidrocarburos utilizando como elemento sensor una placa de orificio. Para ello se tendrá una presión diferencial proporcional al caudal, sin embargo, las correcciones, por factor de comprensibilidad requerirán la medición de la presión de la línea, así como de la temperatura de la línea. Los computadores de flujo tendrán como datos las características cromatograficas del fluido y a partir de todos estos valores se tendrá el valor real del flujo que se utilizara para la medición o control de caudal de productos a la venta. Una aplicación del Control Inferencial resulta en los controles de oleaje de los compresores centrífugos, además de su aplicación utilizando los bloques de funciones que disponen los PLC, actualmente también se tienen controles dedicados para estas aplicaciones. Un ejemplo del uso para la arquitectura de control de oleaje para los compresores centrífugos bien usando PLC o controles dedicados y con la finalidad de evitar las fluctuaciones de caudal en estos compresores centrífugos y de desplazamiento positivo y que podrían generar vibraciones mecánicas que pueden dañar los mismos. En las figuras siguientes se muestran estos controles para control de oleaje de los compresores.

CONTROL DE OLEAJE (Protección Compresor)


36



El compresor se mueve a una velocidad constante que define el motor que lo mueve generalmente turbinas a gas en la industria petrolera. Para la atención de las protecciones del compresor centrifugo y del motor que mueve los compresores se hará necesario implementar varios arreglos. Para la atención del funcionamiento del compresor centrífugo se hace necesario implementarle un control de oleaje que evite los golpes y vibraciones del mismo al estar expuesto a cambios de flujo, o modificaciones de flujo al variar las condiciones de trabajo (temperatura, presión, caudal) de las variables operacionales del compresor. Se utilizaran PLC o controladores dedicados a esta atención. Estos equipos reciben directamente las señales del transmisor de flujo FIT-Ol.a partir de la presión diferencial que proporciona como transductor una placa de orificio o un tubo Venturi, reciben la presión diferencial entre la presión de descarga y la presión de succión del compresor a través del transmisor PDT-01, reciben la señal de la presión de la línea a través del transmisor PIT-01 y la temperatura de succión a través del transmisor TIT-01. Todas estas señales conjuntamente con las características cromatografías del fluido permitirán calcular el flujo real y compararlo con el flujo deseado que debe ser comprimido por el comprensor centrifugo, desviando por la válvula de control hacia la succión el flujo que falte para mantener constante el caudal que comprime el compresor, indistintamente los cambios de las condiciones operacionales. Para las protecciones por vibración, se tendrán medidas para la vibración axial y vibración tangencial a través de los transmisores VIT-xxOl y VITxx02 en el compresor de la primera etapa y que conectan sus señales al equipo de Medición y Protección por vibración. Conjuntamente con las mediciones de la vibración axial y tangencial, se tendrán protecciones por la temperatura de los cojinetes donde gira el eje del compresor, esto se implementa a través de los transmisores TIT-xx02 y TIT-xx03 que conectan sus señales al PLC que atiende la unidad compresora. Se tendrá protección por lubricación a través del transmisor de presión PIT-xx02 que envía la señal al PLC. La integración de todas estas señales permite el control inferencial para la protección de los compresores y los motores que los mueven. Para las protecciones por vibraciones en los compresores como la turbina que los mueve, se dispondrá de un arreglo para las vibraciones axiales y radiales, en cada uno de los puntos donde se sostienen los cojinetes de los compresores y de la turbina, así como las mediciones de temperatura de cada cojinete. Para ello será necesario que tanto los compresores, así como la turbina dispongan para cada cojinete del sensor de vibración radial para el eje X y el sensor radial para el eje Y, así como la conexión de la Termocupla o PT-100 para medir la temperatura. Estas señales serán recibidas por el equipo electrónico para las protecciones por vibración quien procesara las magnitudes de las vibraciones que estarán transmitiendo los transmisores de vibración radial así como el desplazamiento del eje que este transmitiendo el transmisor axial. Las ubicaciones de los sensores de vibración tanto en los compresores, así como en la turbina se muestra en la siguiente figura. Capitulo IX: Topologías de Control

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VIBRACIÓN RADIAL X, y VIBRACIÓN RADIAL Y VIBRACIÓN AXIAL y TEMPERATURA DE COJINETES

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38

ENTONACIÓN DE LAZOS DE CONTROL 1. Lazos de Control 1.1.

Lazo de Control

.

2. Análisis de las Acciones de Control PID

9

2.1.


10

2.2.

Acción Proporcional-Integrativa

15

2.3.

Acción Proporcional-Derivativa

18

3. Entonación de los Lazos de Control

21

3.1.

Calculo de la Ganancia (Kp)

23

3.2.

Calculo del Ajuste Integrativo (Ti)

24

3.3.

Calculo del Ajuste Derivativo

25

4. Consideraciones de Entonación para Topologías de Control

Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

27



Para dar inicio a la entonación de lazos de control, se considerara inicialmente la misma para una sola variable y posteriormente para los lazos de control en Cascada, Feedforwared, Override. Para análisis de la entonación se considerarán varios ejemplos que permitirán el estudio de diferentes lazos de control de las variables operacionales nivel, presión, temperatura y caudal, en aplicaciones usuales en las instalaciones petroleras.

1. LAZOS DE CONTROL 1.1. Lazos de Control de Presión. En el siguiente esquemático Proceso-Instrumentos se observa un lazo de control de presión en un separador liquido-gas.

Este lazo de control esta conformado por el Transmisor (PT-01), el Controlador (PIC-01), el Convertidor I/P (PY-01) y el elemento final de control. El transmisor esta conectado directamente en el proceso industrial y tiene como entrada la variable operacional presión a la cual transmitirá una señal eléctrica directamente proporcional a la magnitud de la presión hasta el controlador. El transmisor de presión podrá ser calibrado a las especificaciones del proceso industrial. El controlador podrá ser un control dedicado (un equipo electrónico con una aplicación específica de controlar un lazo), o también a través de un PLC donde el controlador será un bloque de aplicación PID del programa que corre el PLC. Indistintamente de cual sea el controlador, en este se definirá el valor deseado (set-po/nt) de la presión de trabajo en el separador, así como, se asignaran los valores para entonar el lazo de control ha saber: la ganancia (Kp), el ajuste integrativo (T/) y el ajuste derivativo (7¿). El controlador aplicara las acciones básicas de control Proporcional, Integrativa y Derivativa a la señal de error e(s) calculada entre el valor deseado y la magnitud de la variable que envía el transmisor y una vez guardada el resultado en memoria se convierte en una señal eléctrica que enviara el controlador hasta el separador para posicionar el elemento final de control. En Capitulo X: Entonación de Lazos de Control



el lazo de control el convertidor I/P convierte la señal eléctrica de (4-20) mA que tiene como salida el controlador electrónico en una señal neumática de (3-15) PSI con la cual se posiciona el elemento final de control, para regular la apertura de la misma en proporción a la magnitud de la señal neumática de (3-15) PSI que suministra convertidor I/P. Otro ejemplo de un lazo de control de presión, es la del control de la presión de tope de una torre de destilación, a través del separador trifásico que tiene como alimentación el producto enfriado de la salida de la torre. Este enfriamiento de los productos que salen en fase gaseosa por el tope de la torre conllevaran el condensamiento de varios componentes de los hidrocarburos además del agua y otros componentes de los hidrocarburos se mantendrán en fase gaseosa lo que hará necesario establecer un lazo de control de presión para determinar la magnitud de la misma.

Tanto en el lazo de control de presión en el separador liquido-gas, como en el lazo de control de presión de tope de una torre de destilación, los instrumentos que conformaran ambos lazos de control de presión serán los mismos ha saber: el Transmisor (PT-01), el Controlador (PIC-01), el Convertidor I/P (PY-01) y el elemento final de control. Igualmente en ambos lazos de control de presión será atención del controlador: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Recibir la asignación del valor deseado o set-point. Recibir la señal de realimentación del transmisor de presión. Calcular la señal de error e(s). Grabar la asignación de la magnitud de sensibilidad KP. Grabar las asignación de la magnitud del ajuste ¡ntegrativo T¡. Grabar la asignación de la magnitud del ajuste derivativo Td. Aplicar las acciones básicas de control PID a la señal de error e(s).




Las únicas diferencias en los dos lazos de control estarán en las funciones de transferencias del separador liquido-gas y del tope de la torre de destilación. Al tener funciones de transferencias diferentes, de orden diferentes y constantes diferentes, de seguro que los tiempos de las respuestas y la forma de la respuesta de procesos separador y del proceso tope de torre de destilación serán diferentes y con ello las entonaciones de los lazos de control para definir: set-po'mt, Ganancia (Kp), Ajuste Integrativo (T/) y Ajuste Derivativo (T¿), en ambos lazos de control serán diferentes. Las entonaciones en ambos lazos de control serán diferentes, sin embargo, en ambos lazos de control se tendrá el mismo modelo matemático, las diferencias estarán únicamente en las funciones de transferencias de los procesos industriales, dado que al ser procesos industriales diferentes tendrán ecuaciones diferenciales -que las representan diferentes, quedando sus funciones en diferentes ordenes: de primer, segundo u orden superior y por ello tendrán comportamientos diferentes ante las señales escalón, rampa o impulso unitario que enviara como salida el controlador. En la siguiente figura se muestra el modelo matemático del lazo de control de presión.


Donde: PD(s): Presión Deseada (set-po'mt}. RP(s): Realimentación de Presión desde el transmisor. e(s): Señal de error = PD(s) - RP(s) Capitulo X: Entonación de Lazos de Control



El modelo matemático para ambos lazos de control en la atención del controlador, transmisor, convertidor y elemento final de control será el mismo, y las diferencias estarán en las funciones de transferencias correspondientes al separador liquido-gas y al tope de la torre de destilación. La función de los controladores será la misma para ambos lazos de control, entendiéndose que al tener ambos procesos, funciones de transferencias diferentes, tendrán tiempos de respuestas diferentes y con ello entonaciones de los lazos de control diferentes, es decir cada lazo tendrá sus valores específicos de ganancia (/Cp), ajuste integrativo (7/) y ajuste derivativo (T¿). Los controladores reciben la señal de realimentación desde los transmisores y generan la señal de error e(s) al calcular la diferencia entre el valor deseado o set-point y el valor de la realimentación. A la señal de error calculada se le ejecuta las acciones de control Proporcional, Integrativa y Derivativa, teniendo como salida de esta aplicación PID la señal M(s) la cual será guardada en memoria. Una vez memorizada la señal M(s) este valor calculado se convierte en la señal eléctrica de control que sale del controlador para alimentar aK convertidor I/P, quien a partir de esta señal eléctrica generará la señal neumática de (3-15) PSI que regulará la apertura de la válvula de control. Estas aplicaciones del controlador se muestran en la siguiente figura:

PID

set-point T L¡

(

Ct

'" (

Retroalimentación

! f l,\At

Ct

' T^

l

T

M(s)

de l

( ^\

A(s) = A(s)+M(s)

" dt }_


de(t)}

t Integrativa Proporcional

Derivativa

1.2. Lazos de Control de Nivel. En los siguientes esquemáticos Procesos-Instrumentos se observan dos lazos de control de nivel; el primero es un lazo de control de nivel en un separador liquido-gas, y el siguiente es un lazo de control de nivel en el fondo de una torre de destilación, para determinar las semejanzas en la conformación y en el funcionamiento de estos lazos de control de nivel con los lazos de control de presión que se analizaron previamente. Capitulo X: Entonación de Lazos de Control



21 «&P

En ambos lazos de control, los elementos que los conforman son los mismos: transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control, tanto en el separador bifásico, como en el fondo de la torre. Igualmente en ambos lazos de control será atención de los controladores: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Recibir la asignación del set-point (valor deseado). Recibir la señal de realimentación que proporciona el transmisor. Calcular la señal de error e(s). Grabar la asignación de la magnitud de sensibilidad KP. Grabar la asignación de la magnitud del ajuste integrativo 7/. Grabar la asignación de la magnitud del ajuste derivativo T¿. Aplicar las acciones básicas de control PID a la señal de error e(s).

La única diferencia entre estos lazos de control estará en la función de transferencia del nivel en el separador liquido-gas y la función de transferencia del nivel en el fondo de la torre de destilación. Al tener funciones de transferencias diferentes, de seguro que los tiempos de respuesta de los procesos separador y fondo de torre de destilación serán diferentes y con ello las entonaciones de los lazos de control (definición del set-point, Kp, T¡, T¿) de ambos lazos de control serán diferentes. Capitulo X: Entonación de Lazos de Control



1.2. Lazos de Control de Caudal y Temperatura En los siguientes esquemáticos Procesos-Instrumentos se observan dos lazos de control de caudal: un lazo de control que regula la alimentación de flujo correspondiente a una bandeja de la torre y otro lazo de control de caudal que regula la salida de producto final de tope en un separador trifásico.

En ambos lazos de control los elementos que los conforman son los mismos, aunque las variables operacionales sean diferentes: caudal y temperatura y los procesos industriales diferentes. Los lazos de control estarán conformados por: transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control, tanto en la alimentación de la torre de destilación, como en el horno y en ambos lazos de control será atención de los controladores: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Recibir la asignación del set-point (valor deseado). Recibir la señal de realimentación que proporciona el transmisor. Calcular la señal de error e(s). Grabar la asignación de la magnitud de sensibilidad KP. Grabar la asignación de la magnitud del ajuste integrativo T). Grabar la asignación de la magnitud del ajuste derivativo 7¿. Aplicar las acciones básicas de control PID a la señal de error e(s).




Para todos los lazos de control indistintamente la variable y el proceso, los instrumentos que se utilizan para su conformación serán los mismos y la única diferencia entre todos los lazos de control estará en la función de transferencia de los procesos industriales. Al tener funciones de transferencias diferentes, de seguro que los tiempos de respuestas de cada uno de los procesos serán diferentes y con ello las entonaciones de los lazos de control.





2. ANÁLISIS DE LAS ACCIONES DE CONTROL PID. Para considerar las consecuencias de la entonación de los lazos de control en el comportamiento en el tiempo del mismo lazo, se toma como ejemplo el lazo de control de nivel en un separador liquido-gas. Una buena entonación del lazo se consigue cuando se asignan los valores adecuados para los términos de la Ganancia (Kp) del Ajuste Integrativo (T/) y del Ajuste Derivativo (7^), para que el comportamiento dinámico de la variable operacional a lo largo del tiempo este siempre muy próximo del valor deseado o set point. Con valores inapropiados de la Ganancia (Kp), del ajuste integrativo (7~/) y del ajuste derivativo (T¿) la variable operacional puede tomar valores hasta erráticos y muy diferentes del valor deseado. Para visualizar el comportamiento de este lazo de control y observar como puede comportarse la variable operacional ante diferentes valores de la Ganancia (Kp), del ajuste integrativo (7~/), y del ajuste derivativo (7¿), se muestra como ejemplo este lazo de control de nivel en un separador liquido-gas.

Pésima Entonación

Set Point

Para este ejemplo, el valor deseado o set-point del nivel es de 60% y será un valor constante en el tiempo, además, se tiene una Banda Proporcional de 40%. En el ejemplo se observa el comportamiento de la variable operacional, Nivel, a lo largo del tiempo bajo tres condiciones diferentes de la entonación del mismo lazo de control. Se puede observar el comportamiento de un lazo bien entonado donde la variable operacional esta siempre muy próxima al setpoint. Se observa también un comportamiento no muy estable en el tiempo de la variable operacional para un lazo de control mal entonado. Y por último, se observa un comportamiento errático de la variable operacional a lo largo del tiempo para un lazo de control pésimamente entonado. En los tres casos el Capitulo X: Entonación de Lazos de Control



transmisor, el controlador, el convertidor I/P y la válvula de control son los mismos. El comportamiento depende de lo adecuada que pueda ser la definición de Ganancia (Kp}, del Ajuste Integrativo de las repeticiones por minutos (T/) y el Ajuste Derivativo (Td] lo que hará un comportamiento deseado o un comportamiento errático. La atención de las acciones de control Proporcional, Integrativo y Derivativo (PID), a la señal de error e(s) del lazo de control del ejemplo anterior se pueden modelar de la siguiente manera:

1

= K,

¡ 1 1 Consolador Función Transferencia del Proceso Industrial

Realimentación Transmisor

Donde: VD(s):Valor deseado (set-point). R(s):Realimentación que viene a través de del transmisor. e(s): Señal de error. e(s) = VD(s) - R(s)

2.1. Acción Proporcional En la siguiente figura se muestra un lazo de control con Acción Proporcional. Controladoi VHf
~X

¿£

40

Kp

M(s)

Función Transferencia del Proceso Industrial

Aísl — Aísí+Mfs1)

r

Ák

^

R(s) Realimentación

Con la acción de Control Proporcional se busca asignar la Banda Proporcionar de trabajo en la cual se trasladará o moverá la magnitud de la variable operacional en el tiempo. En el ejemplo del lazo de control de nivel en el separador liquido-gas donde se observa el comportamiento de la variable operacional Nivel, la banda proporcional esta representada por las líneas Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

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punteadas que están uniformemente trazadas por encima y por debajo del setpoint y tiene un valor del 40%. Dependiendo del valor que tome Kp esta Banda Proporcional podrá estrecharse o ensancharse a voluntad del programados Para lazos de control con asignaciones de la Banda Proporcional adecuadas el comportamiento de la variable operacional en el tiempo se moverá entre los límites que define la Banda Proporcional sin generar perturbaciones en el comportamiento de la variable operacional. Por otra parte es importante tener presente que para lazos de control con asignaciones de la Banda Proporcional muy estrechas por tener valores de la Ganancia (Kp] muy altos conllevan a lazos de control inestables que trabajaran incluso en forma hasta erráticas indistintamente de los valores que puedan tener los ajustes Integrativos y Derivativos. Como podrá observarse de la figura anterior para la Acción de Control Proporcional la salida del controlador será: M(s) = Kp.e(s) Para Kp elevadas se tendrán que hasta con pequeños valores de la señal de error e(s), la salida del controlador M(s) será elevada. Considerando que la salida del controlador es una señal eléctrica comprendida entre 4 y 20 miliamperios y donde 4 mA E - oo y 20 mA E + oo. Con las consideraciones anteriores donde 4 mA E - oo y 20 mA E + oo se puede afirmar que los lazos de control con Bandas Proporcionales muy estrechas producto de tener un Kp elevado, originaran salidas del controlador que estarán muy próximas a los valores extremos de 4 o 20 miliamperios y esto conllevara ha estar abriendo totalmente o cerrando totalmente la válvula de control hasta con valores pequeños de la señal de error donde no es mucha la diferencia que existe entre el valor deseado y la realimentación del valor real, lo que derivara en comportamientos erráticos de la variable operacional en el tiempo, formando una gran inestabilidad en el proceso industrial "Controlado". Una banda proporcional muy estrecha conlleva a tener valores de Kp elevados y esto puede permitir que la acción de control pueda alcanzar sus valores extremos de +oo = 20mA o -oo=4mA con pequeños valores de la señal de error e indistintamente que la acción de control sea únicamente Proporcional o acción de control PID. Será adecuado tomar una Banda Proporcional que no sea muy estrecha, dado que al tener valores de Kp altos posibilitaría tener un control inestable. Al considerar la adecuada entonación de los lazos de control se debe tener Bandas Proporcionales moderadas. En los lazos de control puramente proporcional entre un cambio en la salida del controlador para modificar la apertura de la válvula de control, y observar como este se refleja como un cambio en la señal de la salida de la variable operacional controlada, habrá que esperar un lapso de tiempo. Este tiempo de respuesta depende del proceso industrial, es por ello que diferentes procesos industriales, así como diferentes variables operacionales, tendrán tiempos de respuestas diferentes para que se reflejen en el comportamiento de la variable operacional los cambios que produjo la salida del controlador. Experimentalmente se puede medir el lapso de tiempo que transcurre entre el momento que sale la señal del controlador hasta que esta señal se refleje en un cambio de la magnitud de la variable controlada. Este lapso de tiempo podrá utilizarse para calcular empíricamente el Ajuste Integrativo. Capitulo X: Entonación de Lazos de Coptrol,

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En la práctica la salida del controlador cuando utiliza solamente la acción de control proporcional es equivalente a un escalón cuya amplitud será definida por el valor de Kp. En los procesos industriales dependiendo de las ecuaciones diferenciales que los representen, sus funciones de transferencias concluirán eh sistemas de Primer Orden, Segundo Orden o de Orden superior, y cada uno de estos sistemas tendrán una respuesta característica ante la entrada escalón (Equivalente a la Acción Proporcional) que permitirá considerar sus respuestas transitorias y estacionarias en el tiempo. En las siguientes figuras se muestra la salida del controlador cuando la Acción de Control es Proporcional y la respuesta característica del proceso industrial para cuando este es un sistema es de Primer Orden y de Segundo Orden. Controlador VD(s)

|

*

X\ y-

•

ler Orden.

i

• Orden

—>

i

ef<;) w

.,—-^

;^_

^\ S( s) Cí

Cís)

i i / M L[M(t) = Kp.(e(t)}\

• '

fe>{\ (^) •

± *

Proceso industrial

Hl

^|

Transmisor C(t) 1

C(t)=l(t) Tiempo

C(s) = £(C(t)) = 1/s

Respuesta del Sistema de Primer Orden a la Entrada Escalón. S(t)

Estado Estacionario

Respuesta Transitoria 10

7

Z

Respuest ÍT sist 21 de í 3T ido

Capítulo X: Entonación de Lazos de Control

4T n a

ST trada Escalón.

12




Sít) 2,0 1,8 1,6 1,4

1,2 LO 0,8 0,6 0,4 0,2

Wnt Las consideraciones de las respuestas en el tiempo de los sistemas de primer orden y sistemas de segundo orden ante la entrada escalón (Acción Proporcional) debe permitir confirmar que será el proceso industrial quien determinara la salida su magnitud y el tiempo de la variable controlada. El análisis de estas consideraciones deben permitir tomar los criterios para aprovechar la respuesta en el tiempo del proceso controlado con Acción Proporcional para medir los tiempos que serán necesarios para calcular empíricamente tanto el Ajuste Integrativo (Ti) como el Ajuste Derivativo (Td).

Calculo de la Ganancia (Kp) Acción Proporcional: M(s) =KP. e(s)

e(s) = V d ( s ) - R ( s ) Para valores de Kp muy elevados se tendrán salidas del controlador que buscaran tomar los máximos valores de salida, es decir 20mA o 4mA y con ello buscar abrir toda la válvula de control o cerrar toda la válvula de control, dado que por mínima que sea la señal de error al multiplicarse por un valor elevado de Kp generara un valor alto de M(s) = /Cp.e(s). Estas aperturas o cierres totales del elemento final de control conllevaran a comportamientos tan erráticos de la variable controlada que puede asumir valores que incluso se saldrán del rango que se asignó con la Banda Proporcional. Esto debe generar como conclusión que no se deben seleccionar rangos de Banda Proporcional muy estrechos para entonar adecuadamente los lazos de control. Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

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Los Lazos de Control con la Banda Proporcional muy estrechas podrán estar expuestos a tener grandes perturbaciones originadas por el propio lazo. En un lazo de control que trabaje solamente con la Acción Proporcional la magnitud de la variable operacional tendrá valores en el tiempo que podrán estar oscilando entre los extremos de la Banda Proporcional, tal como se muestra en la siguiente figura.

Nivel % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Banda Proporcional 40%

Tiempo

Para calcular Kp se presenta la siguiente formula:

p

100 Banda Proporcional

Conclusiones Se debe entonar el lazo de control teniendo bandas proporcionales que no deban ser muy estrechas y así evitar tener valores de Kp elevados. Valores de Kp elevados generara un sistema de control inestable, dado que a pequeños cambios en la señal de error e(s), puede generar salidas del controlador que buscan alcanzar los valores extremos 4mA o 20mA. Un proceso controlado únicamente en forma proporcional tendrá un tiempo de respuesta que dependa únicamente del proceso. Este tiempo de respuesta será adecuado para calcular en forma experimental los ajuste integrativos, es decir este tiempo nos proporcionará criterios para definir la repeticiones por minuto del ajuste integrativo.

2.2. Acción Proporcional-Integrativa Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

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Señal de error e(s) = CONSTANTE

En la siguiente figura se muestra el modelo matemático de la Acción de Control Proporcional-Integrativa. Función de Transferencia del Proceso Industrial


e(s)


RV(s)


e(s)

M(t) = Kp • e(t) +1 \e(t)dt + Td


RV(S)

Transmisor

Cuando la señal de error es constante e(s)=e(K)= CONSTANTE, en la acción de control PID, actúan únicamente la acción de control Proporcional-Integrativo, dado que la acción derivativa de una constante es cero. Esta condición se podrá observar a partir de las ecuación general de M(t) que es la salida de la acción de control PID de la señal de error, se puede observar la respuesta PI. E(t) = Constante = e(k):

Se puede sacar factor común anterior:

e(t) = e(K)= CONSTANTE


de la expresión

15


lis /\/ •/y r

litó 11 1 Í £

*••')

nh

:. ' ' ' ' ' :-P;Pí;]l

dt \


Ti: periodo de la señal

*

Donde Ti es el periodo o tiempo de espera, que el programador establece para incrementar la señal eléctrica de salida del controlador si la señal de error se mantiene constante, es decir, el controlador envía una señal eléctrica para posicionar el elemento final'de control y espera durante el tiempo Ti que ocurra un cambio en la magnitud de la variable controlada y con ello un cambio en la señal de error, si transcurrido el periodo Ti se mantiene constante la señal de error, entonces la acción de control integrativa incrementara la señal eléctrica que sale del controlador hasta el proceso industrial. La Acción de controf Proporcional-Integrativa se muestra en la siguiente figura.

Controlador

i

Función Transferencia del Proceso Industrial

. \e(t)dt

A(s) - A(s)+M(s)


Donde: VD(s): Valor deseado (set-point) R(s): Realimentación desde el Transmisor e(s): Señal de error e(s) = VD(s) - R(s) = CONSTANTE

M(t)=K-e(k}- 1+-?


t: variable que se ira incrementando: O, 1, 2, 3, ... cada vez que se cumpla el periodo Ti, durante el tiempo que la señal de error e(s) se mantenga CONSTANTE. 16



Salida del PnDees

" I R• L C T

¡1¡ c(s)

e(s)

VD(s)

>\_

-—^fcrf 1 >

P^ Á 1 R(s)

r ( 1r ^1 LKp\e(t)+-\e(t)dt\

;;i

^flifi 1

:

. • ••••

É

::; ™

Proceso Industrial

': •

Transmisor

C(t) = t(t)

C(t)

C(s) - £(C(t)) = 1/s2 Tiempo

C(s) = C(s) + M(s)

La Acción de Control Proporcional-Integrativa tal como se muestra en la figura anterior, actúa en forma equivalente a una rampa que va incrementando su valor progresivamente en el tiempo, es la acción de control que permite que el controlador vaya incrementando progresivamente su salida eléctrica hasta el proceso industrial y que se cumple en los lapsos de tiempo que no hay cambios en la magnitud de la salida de la variable controlada y por ello se mantiene constante la señal de error e(s), la acción integrativa incrementara progresivamente la señal de salida del controlador con la finalidad de forzar un cambio en la magnitud de la variable controlada. T¡ (ajuste integrativo) es el periodo de la señal que establece el programador del lazo de control y define el tiempo que tendrá que transcurrir entre cada uno de los incrementos que tendrá la variable M(t) como consecuencia de los cambios que tendrá la variable t, la cual ira asumiendo los valores de O, 1, 2, 3, 4 y así sucesivamente incrementando la salida del controlador hasta que cambie la magnitud de la variable controlada. El Ajuste Integrativo que será el periodo de la señal, definirá el intervalo de tiempo de espera que transcurrirá entre cada incremento del valor de t. La magnitud de T¡ se entonara a razón de Tiempo, referidos según los controladores en fracciones de minuto, según la necesidad de la entonación que corresponda específicamente para cada lazo de control. La acción integrativa busca forzar una modificación de la variable operacional controlada en un tiempo menor o mucho menor al tiempo de respuesta que tendría el proceso industrial si la acción de control fuera puramente proporcional. Para ello la acción integrativa va cambiando los valores de t en: O, 1, 2, 3, 4 y así sucesivamente. Estos cambios van modificando los valores de M(t) y con ello va modificando gradualmente la salida del controlador C(t)=C(t)+M(t) mientras se mantenga constante la señal de error e(s). Las modificaciones a la salida del controlador modifican la posición de la válvula de control y estas modificaciones deben cambiar la magnitud de la variable operacional.


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2.3. Acción Proporcional-Derivativa

Señal de error e(s) = Presenta un Cambio Instantáneo En la siguiente figura se muestra el modelo matemático de la Acción de Control Proporcional-Derivativa. Función de Transferencia del Proceso Industrial


e(s)


RV(s)


dt


RV(s)

Transmisor

Cada vez que la magnitud de la variable controlada cambie, en ese momento la magnitud de la señal de error e(s) = VD(s) - R(s) sufre un cambio instantáneo, y con ello actuará la acción de control Proporcional-Derivativa. En el instante que la señal de error tiene un cambio se podrá considerar que ese intervalo de tiempo es tan breve que los limites de la integral de la señal M(t) son tan próximos que se podrá considerar que la Acción Integrativa es nula. Cuando la magnitud de la variable controlada tiene cambios no actúa la acción de control ¡ntegrativa, quedando las acciones de control ProporcionalDerivativa para la atención de la señal de error e(s) en ese instante. Con estas consideraciones queda el valor de M(t) de la siguiente forma: e(S) = VD(s) - R(s) = TIENE UN CAMBIO DE VALOR

J

rfl

/

e(t} eCt)dt + Td. v / +— T j, x / Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

dt 18



de(t}\ ~dT Controlador Función Transferencia del Proceso Industrial

T L d

-

flfe(0

dt Realimentación Transmisor

En la práctica la variable operacional controlada es dinámica y por ello su magnitud cambia con cierta regularidad. Cada vez que existe un cambio en la señal de error e(s) se ejecuta la acción de control Proporcional-Derivativa que busca actuar para corregir el error por adelanto de la magnitud de la variable operacional controlada, es decir, se tendrá que la salida eléctrica del controlador hacia el proceso industrial tendrá una magnitud que se corresponderá al valor que se requeriría en el futuro (Td) si la señal de error siguiera creciendo sin la presencia de esta acción de control, esto posiciona por adelantado a la válvula de control a la posible magnitud que requeriría la variable controlada en el futuro. En el análisis de la ecuación de M(t), conjuntamente con un análisis gráfico de la salida del controlador C(t) = C(t) + M(t), se toma como ejemplo C(t) como una recta Y= mX+b que se proyecta en el tiempo futuro Td, y el resultado de esa evaluación será la salida de C(t) justo en el momento que cambio la señal de error e(s). PLC

VDCsV—x ef s)

-^-

S(s\

c(s)

Proceso Industrial

Transmisor

C(t) C(s) = £(C(t))=l Tiempo Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

19



Y= m X + b

x=rd

b = e(to) m = de(t)/dt

Valor NO DESEADO que asumiría la Variable Operacional sin Acción Derivativa

S(t) Set Point

m Tiempo

De la observación de la variable operacional S(t) y de la señal de salida del controlador C(t) se podrá confirmar que cada vez que ocurra un cambio en la magnitud de la variable controlada S(t) generando un cambio en la señal de error e(s), actuara la acción de control Proporcional-Derivativa la cual actuara equivalente a la evaluación de la recta Y=mX+b en el tiempo futuro Td y donde el resultado de esa evaluación del tiempo futuro Td será la salida instantánea del controlador justo en el momento que se produjo el cambio de la salida S(t). Esto permitirá que el controlador se adelante a la posición que el elemento final de control requerirá de continuar esa tendencia en S(t). Cada vez que ocurre un cambio en la magnitud de la variable controlada ocurre un cambio de la señal de error y con ello actúa la acción de control Proporcional-Derivativa, quedando la señal M(t) como una expresión que se podrá evaluar como la ecuación de una recta tal como se muestra.

de(f)

e(t0)

Donde: m X

de(t)/dt Td (tiempo por adelanto evaluando la magnitud de S(t) y es un valor que asigna el operador en la entonación) B = e(to) (valor de la señal de error justo antes del cambio)

En la figura anterior se busca mostrar en forma gráfica la evaluación de la recta como la acción de control Proporcional-Derivativa, donde la pendiente m= de(t)/dt lo calcula el controlador y el tiempo de adelanto Td lo asignara el Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

20



operador. Con estas consideraciones de la ecuación de la recta Y=m.X + b, se evalúa la misma por adelanto en el tiempo Td cada vez que ocurra un cambio en la señal de error y el resultado de este calculo por adelanto será equivalente a la magnitud de la señal eléctrica que sale del controlador hacia el proceso industrial para posicionar la válvula de control. No será necesario que transcurra el tiempo Td para que la variable operacional alcance el valor no deseado. Se calcula el valor de la recta estimando por adelantado el tiempo (Td} que habrá que transcurrir para que esa irregularidad ocurra y el controlador asume como salida esa consideración por adelanto, enviando una señal eléctrica de salida hasta el proceso industrial que se corresponda como si la señal de error fuera la equivalente a como si hubiera transcurrido el tiempo Td y con ello evita que este valor no deseado pueda ser alcanzado en el futuro. Este valor es dado por adelanto, por lo que se podrá concluir que en la Acción Proporcional-Derivativa se proyecta el valor calculado en un tiempo futuro Td como un impulso en el origen de la recta Y = mX + b.

3. ENTONACIÓN DEL LAZO DE CONTROL La primera consideración que habrá que tener presente para entonar un Lazo de control será que cualquier valor fuera de rango: los valores de Ganancia (Kp), Ajuste Integrativo (Ti) y del Ajuste Derivativo (Td), serán fuentes de perturbación del lazo de control, siendo la misma mala entonación la fuente de los problemas. No se deberán dar valores elevados para la Ganancia (Kp), no se deberán dar lapsos de tiempos elevados para el Ajuste Derivativo (Td) y no se deberán dar lapsos de tiempos muy pequeños para el Ajuste Integrativo (Ti), de manera de evitar comportamientos erráticos de la variable operacional y que "Controlada", la cual podrá tomar valores que incluso podrán salirse del rango de trabajo que se haya definido con la Banda Proporcional. Sin tomar ninguna consideración de cómo se estén entonando los lazos de control en una u otra instalación, la idea es que para los lazos de control de las instalaciones petroleras donde la señal de error en algún momento será constante y en otros momentos tendrá cambios instantáneos de su magnitud, lo adecuado, lo correcto, es que se apliquen todas las acciones básicas de control PID, es decir, el lazo de control debe entonarse para que trabajen conjuntamente las Acciones: Proporcional, Integrativa y Derivativa, y por ello habrá que definirle su valor de Ganancia Kp, las fracciones de minutos o minutos que le corresponde al Ajuste Integrativo Ti y las fracciones de minutos que corresponderán al Ajuste Derivativo Td. En la práctica, la aplicación de las acciones de control PID por parte del controlador deberá seguir la siguiente secuencia: 1.

Ante un cambio que ocurre en la señal de error se ejecuta la Acción de Control Proporcional-Derivativa.


21


2. 3. 4.


Al mantenerse durante un lapso de tiempo la señal de error constante se ejecuta la Acción de Control Proporcionar. Como se mantiene la señal de error constante y para acelerar el tiempo de respuesta de la variable controlada se aplica la Acción de Control Proporcional-Integrativa. Al ocurrir un cambio en la señal de error, se inicia la secuencia con la aplicación de la Acción de Control Proporcionai-Derivativa.

Esta secuencia se busca ilustrar en la siguiente figura.

C(t) S(t)

Tiempo

Mas que la exactitud de la gráfica (Si el lector detecto los pequeños errores de precisión, entonces esta muy claro en la entonación de los lazos de control), lo que se busca es ilustrar como va cambiando en el tiempo la salida del controlador C(t) donde C(t) = M(t)+C(t), en la medida que se van aplicando las acciones básicas de control PID al lazo de control. Cuando la señal de error es constante, primeramente se aplica la Acción de control Proporcional y al mantenerse esta condición actúa conjuntamente con la acción proporcional la acción integrativa, la cual ira incrementando la magnitud de la señal eléctrica de salida del controlador hasta que ocurre un cambio en la señal de error por producirse un cambio de la magnitud de la variable controlada S(t), justo en ese instante del tiempo pasa actuar la acción proporcional-derivativa que permite que la salida M(t) tenga como cambio de un impulso que permite hacer un salto en la magnitud de la señal eléctrica que envía el controlador hasta el proceso industrial. Esto ocurrirá sucesivamente en el tiempo, cumpliéndose el ciclo de las acciones de control PID de modo que el controlador busque conseguir a lo largo del tiempo que la variable de salida S(t) este próximo al valor deseado o set point. Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

22


2. 3. 4.


Al mantenerse durante un lapso de tiempo la señal de error constante se ejecuta la Acción de Control Proporcionar. Como se mantiene la señal de error constante y para acelerar el tiempo de respuesta de la variable controlada se aplica la Acción de Control Proporcional-Integrativa. Al ocurrir un cambio en la señal de error, se inicia la secuencia con la aplicación de la Acción de Control Proporcionai-Derivativa.

Esta secuencia se busca ilustrar en la siguiente figura.

C(t) S(t)

Tiempo

Mas que la exactitud de la gráfica (Si el lector detecto los pequeños errores de precisión, entonces esta muy claro en la entonación de los lazos de control), lo que se busca es ilustrar como va cambiando en el tiempo la salida del controlador C(t) donde C(t) = M(t)+C(t), en la medida que se van aplicando las acciones básicas de control PID al lazo de control. Cuando la señal de error es constante, primeramente se aplica la Acción de control Proporcional y al mantenerse esta condición actúa conjuntamente con la acción proporcional la acción integrativa, la cual ira incrementando la magnitud de la señal eléctrica de salida del controlador hasta que ocurre un cambio en la señal de error por producirse un cambio de la magnitud de la variable controlada S(t), justo en ese instante del tiempo pasa actuar la acción proporcional-derivativa que permite que la salida M(t) tenga como cambio de un impulso que permite hacer un salto en la magnitud de la señal eléctrica que envía el controlador hasta el proceso industrial. Esto ocurrirá sucesivamente en el tiempo, cumpliéndose el ciclo de las acciones de control PID de modo que el controlador busque conseguir a lo largo del tiempo que la variable de salida S(t) este próximo al valor deseado o set point. Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

22



3.1. Calculo de la Ganancia (Kp). El calculo de la Ganancia esta asociado a la definición de la Banda Proporcional que tendrá la variable operacional para desplazarse entre los valores máximos y mínimos en relación y proporción al valor deseado o set point. Tal como se mostró anteriormente la Ganancia viene dada por:

100 Banda Proporcional

;

En la entonación del lazo de control lo primero que se debe hacer es poner a trabajar el lazo de control solamente en la Acción Proporcional y poder darle una Banda Proporcional que permita ir llevando a la variable de salida del proceso industrial S(t) a que pueda oscilar entre los extremos de la Banda Proporcional, sin que la misma llegue a un comportamiento errático de desestabilidad producto de tener un Kp muy elevado que genera mucha sensibilidad. El lazo de control con la Acción Proporcional, y la oscilación que se podrá medir de la variable controlada S(t) de cresta a cresta para determinar el periodo Pee de esta señal se muestra en las siguientes figuras. Función runcio Transferencia del Proceso Industrial

Controlador VD(s)

e(s)

Kp

M(s)

lf§

Ais) = Afs)+M(s)

Realimentacíón

S(t)

Pee

100 80

Banda Proporcional

60

40

20

Pee: Periodo cresta a cresta


23



El Pee (Periodo cresta a cresta) de la variable S(t) dependerá de si el proceso industrial controlado es un sistemas de primer orden, un sistemas de segundo orden, o de Orden Superior y ante la entrada escalón (Acción Proporcional) se confirma que es el proceso industrial quien determinara la salida, su magnitud y el tiempo de la variable controlada, es decir, el tiempo Pee que transcurre entre cresta y cresta dependerá del orden que corresponda el proceso industrial controlado. Con la Banda Proporcional que permitió tener la oscilación de la variable controlada S(t) se calcula o se determina el valor de Kp de referencia inicial y el tiempo Pee debe ser medido para determinar el Ajuste Integrativo inicial que servirá de referencia para evaluar el comportamiento de S(t).

3.2. Calculo del Ajuste Integrativo (Ti). El periodo Pee es el tiempo que requiere el proceso para el determinar la velocidad de respuesta ante la acción de control proporcional, ese tiempo además de ser muy largo (Dependiendo el proceso controlado puede ser de hasta varios minutos), generara una respuesta lenta del proceso controlado y tendrá el agravante que oscila entre los extremos de la Banda proporcional. Se debe proporcionar una señal en el controlador que obligue al proceso industrial responder más rápido, para ello tomando como referencia Pee se puede calcular un tiempo de referencia del Ajuste Integrativo que permita ir incrementando la salida del controlador en el tiempo. El Ajuste Integrativo calculado a partir del periodo Pee, así como el modelo matemático del lazo de control con la Acción Proporcional-Integrativa se presenta a continuación.

77 =

Pee

Numero Repeticiones entre cresta y cresta Controlador

1

Función Transferenc a del Proceso Industrial

- \e(t)dt


Tomar la adecuada cantidad del numero de repeticiones entre crestas y cresta a partir del periodo Pee será el arte o la habilidad que demostrara el entonador del lazo, el numero de repeticiones no debe ser uno, porque aunque el lazo Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

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de control este programado como Proporcional-Ingretativo en la practica trabajara como si fuera solamente proporcional, tampoco el numero de repeticiones debe ser muy elevado porque generaría incrementos tan rápidos en la salida del controlador y este podría oscilar en el periodo Pee en su salida entre el + oo = 20mA y el -oo=4mA/ siendo este la fuente de perturbación del lazo. Podría recomendarse un valor del número de repeticiones entre 6 a 10 y la observación de S(t) determinara cual será el valor mas adecuado. En forma práctica se medirá el Pee y una vez escogida el número de repeticiones se determinara el valor de las fracciones de minuto con las que se programaran los valores de Ti en el controlador. 3.3. Calculo del Ajuste Derivativo (Td). Los controladores PID comerciales actuales tienen su inicio en 1930 cuando Taylor produjo el modelo 10R siendo este el primer controlador proporcional neumático, Foxboro por su parte introdujo en 1934 el controlador proporcional-integral modelo 40 y en 1938 Taylor incorporó el modo derivativo en su modelo 56R poniendo en 1940 en el mercado el primer controlador proporcional-integral-derivativo, el Fulscope modelo 100. John Ziegler y Nataniel Nichols, ingenieros de Taylor Instruments, presentaron su método para el cálculo de los parámetros de los controladores PID en 1942. En el año 2000 la Federación internacional de Control (FAC) celebró la cesión de trabajo sobre controladores PID denominada "Digital Control: Past, Present and Future of PID Control" demostrando su total vigencia en el ámbito del control de procesos. Estas consideraciones corroboran los criterios para entonar los lazos de control proporcionaron los ingenieros John Ziegler y Nataniel Nichols en 1940 y que hoy día siguen teniendo vigencia y donde determinan que el valor adecuado para el Ajuste Derivativo será la sexta parte del Ajuste Integrativo.

Td =

Ti

Con esta ultima consideración se permite tener el modelo matemático del lazo de control cerrado con las acciones de control PID y donde se tendrán los criterios básicos para determinar las referencias iniciales para determinar los valores de: Kp, Ti y Td, y que se muestran en el modelo matemático del controlador que se tiene en la siguiente figura. Controlador en PLC

Memoria y Salida Eléctrica RV(s)

y

Transmisor Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

25



Para todos los lazos de control indistintamente la variable y el proceso, los instrumentos que se utilizan para su conformación serán los mismos y la única diferencia entre todos los lazos de control estará en la función de transferencia de los procesos industriales. Al tener funciones de transferencias diferentes, de seguro que los tiempos de respuestas de cada uno de los procesos serán diferentes y con ello las entonaciones de los lazos de control.


El modelo matemático para todos los lazos de control en la atención del controlador, transmisor, convertidor y elemento final de control será el mismo, y las diferencias estarán en las funciones de transferencias correspondientes de cada uno de los diferentes procesos industriales con lazos de control PID. La función de los controladores será la misma para todos los lazos de control, entendiéndose que al tener procesos industriales diferentes con funciones de Capitulo X: Entonación de Lazos de Control

26



transferencias diferentes, tendrán tiempos de respuestas diferentes y con ello entonaciones de los lazos de control diferentes para cada lazo de control lo que conllevara a determinar los valores específicos de ganancia (Kp), ajuste integrativo (Ti) y ajuste derivativo (?"
4. CONSIDERACIONES DE ENTONACIÓN TOPOLOGÍAS DE CONTROL.

EN

LAS

El modelo matemático de cada controlador PID es el mismo y las topologías de control están para brindar un conjunto de arreglos de los controladores para determinar una forma de control que es necesario para atender diferentes equipos. Siendo el mismo modelo matemático para todos los controladores se podrá determinar que con los mismos criterios que se seleccionaron o determinaron los valores de la Ganancia (Kp), Ajuste Integrativo (Ti) y el Ajuste Derivativo (Td) para un lazo de control simple, serán los mismos^ criterios para determinar los valores de Kp, Ti y Td para cada uno de los controladores que conforman los diferentes arreglos de las topologías de control, y para cada entonación será necesario evaluar el comportamiento de la variable operacional controlada para calcular, medir o extrapolar el valor que podrá asumir el periodo Pee para cuando todos los controladores de ios diferentes arreglos de control se pongan a trabajar en Acción Proporcional. En las siguientes páginas se mostraran los arreglos de lazos de control mas comunes y que podrán ser potencialmente entonados, haciendo hincapié en considerar controlador por controlador para determinar los valores de Kp, Ti y Td para cada uno de ellos. Se muestra el modelo matemático para cada arreglo de control y se invita a tratar cada uno de ellos con los criterios anteriormente reseñados en este capitulo.

Capitulo X: Entonación de Lazos de Control '

27


4.1.


LAZOS DE CONTROL EN CASCADA PLC Controlador Maestro

VD(s)

M(t) = Kp • e(t) +\e(t)dt + T

dt J\

w B


j^ ^^


:

Controlador Esclavo

Sl(s)

\1 i HT

d

\

^ }\

R 2 (s) S2(s)

(4-20)mA


Presión

Flujo

1 S(s)


A

Transmisor Esclavo


28



FV: Flujo de Vapor

Maestro FC: Flujo a calentarse


29



Control de CALDERA

Vapor

Maestro

Agua Caliente

Regulador de Mezcla Combustible-Aire


30



4.2. LAZO DE CONTROL FEEDFORWARD

Controlador en PLC

e(s)

Memoria y Salida por software

RV(s)

Corrector de proporción De Variable Externa C(s)

(4-20)mA


Presión

Transmisor Externo

Flujo

S(s)


A Función de Transferencia del Proceso Industrial Transmisor Variable Controlada


31



4.3. CONTROL CASCADA+FEEDFORWARD


KO+^-fí

dt

RVM(S)

por software

}

J

VDC(S)

e2(s)

L\ M(t) = Kf\ e(t) + — \e(t)dt + Tí

Corrector de proporción de Variable Externa

de(t)}

~ir}

RVE(s)

Memoria y Salida ELÉCTRICA C(t) = (4-20)mA


Transmisor Variable Externo

Flujo

Presión


A Transmisor Variable ESCLAVA Transmisor Variable MAESTRA


32



rs ^

^H

V"

' ;E Esclavo

U*.-

I

Maestro

Variable Externa FV: Flujo de Vapor



33


4.4.


LAZO DE CONTROL OVERRIDE PLC Controlador Variable 1 VD(s)

e(s)

fc, W

\

¿M(t) [

K

(e(t)+l \eW--r d ^ dt ' 1 T,l


Ri(s)

Bloque de Comparación OVERRIDE

(--

Controlador Variable 2


=K

(4-20)mA

Función de Transferencia del " Proceso Industrial

Presión

Transmisor Variable 1 Transmisor Variable 2


34




35

TRANSMISORES INTELIGENTES 1. Transmisores Analógicos

,,,,.

2. Transmisores 3. Har
IIIl¡

•• : ' "

"

5. Protocolo Modbus...........,...,...,.....,,,,,.,.,,,.,.,,,.,..,....,....^,...,.»..,...37

Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

1/1



Como un inicio en este capitulo y para ir definiendo las primeras diferencias entre los transmisores inteligentes con los transmisores analógicos, se tiene que cada transmisor electrónico analógico necesita ser alimentado eléctricamente en campo y utiliza un cable eléctrico por cada transmisor para enviar su señal unidireccional de 4 a 20 mA hasta el controlador, mientras que los transmisores inteligentes son alimentados eléctricamente desde la tarjeta electrónica del PLC y con el mismo par de cables que se alimentan hasta 16 transmisores inteligentes, por ese mismo cable, se transmite la señal digital, serial, que en un protocolo permite la comunicación bidireccional de todos los transmisores inteligentes con la tarjeta que los controla desde el PLC. La tecnología basada en el uso de microcontroladores para conformar la electrónica de los transmisores inteligentes permite que a través del cable de alimentación eléctrica se transporte las señales del protocolo de comunicación que existe entre la tarjeta maestra instalada en el PLC y los transmisores inteligentes conectados en campo, esto hace posible transportar toda la información que los transmisores envían desde el Nivel de Campo hasta los PLC que estarán en el Nivel de Control y desde estos hasta las sala de control de las instalaciones industriales y en forma inversa y de ser necesario llevar la información de la sala de control hasta los instrumentos instalados en campo.

1. TRANSMISORES ANALÓGICOS Antes de iniciar la explicación de los transmisores inteligentes será adecuada considerar el funcionamiento de los transmisores analógicos de manera de ir identificando las similitudes y las diferencias entre ambos tipos de transmisores, para aprovechar esta comparación entre los dos tipos de tecnología utilizadas y con ello facilitar la información referente a la conexión, funcionamiento, hardware y software de los transmisores inteligentes. Todos los transmisores (Analógicos o Inteligentes) estarán conformados por un transductor y unos circuitos electrónicos que reciben la señal eléctrica del transductor. El transductor convierte los cambios de magnitud de la variable operacional que sensa en variaciones de la señal eléctrica que representa y que será proporcional a la variable operacional a la que esta directamente conectada. En los transmisores analógicos la señal eléctrica del transductor se conectara con los circuitos electrónicos discretos del transmisor los cuales convertirán las variaciones del transductor en salidas eléctricas comprendidas entre 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la variable operacional que esta sensando, en los transmisores inteligentes la misma señal eléctrica del transductor se conectara a los circuitos electrónicos basados en microcontroladores del transmisor, quien generara las salidas moduladas digitalmente y enviadas en protocolos de comunicación para transmitir la magnitud de la variable operacional hasta la tarjeta maestra del PLC quien controla la comunicación de los transmisores. Tanto los transmisores analógicos como los transmisores inteligentes utilizaran el mismo transductor y por ello la forma de instalar el transmisor en campo y de interconectar la variable operacional con el transmisor será la misma para ambos transmisores. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Para reforzar la consideración que los transmisores analógicos, así como, los transmisores inteligentes utilizan el mismo transductor se muestra en las siguientes figuras la conexión del transductor en ambos tipos de transmisores.

TRANSMISOR ANALÓGICO

Ajuste de Span

Circuitos Electrónicos Analógicos

Transductor

Variable: - Presión. - Nivel. - Caudal. - Temperatura

12 o 24 VDC

Contrólador

4 a 20 mA

Ajuste de Cero

TRANSMISOR INTELIGENTE

Tarjeta Maestra PLO

Transductor Variable: - Presión. - Nivel. - Caudal. - Temperatura

Circuitos Electrónicos Microcontroladores

Se utilizan los mismos transductores tanto en los transmisores analógicos como en los transmisores inteligentes, los cuales tendrán conexión directa con la variable operacional en el proceso industrial y tendrán cambios en la variable eléctrica a que corresponde proporcionales a los cambios de la magnitud de la variable operacional con la que interactúan. El modo como se conecta el transmisor analógico en las instalaciones industriales para medir la magnitud de la variable operacional es idéntico a como se instala el transmisor inteligente, indistintamente que sea: presión, nivel, caudal o temperatura. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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No se observaran diferencias entre un transmisor analógico y un transmisor inteligente cuando están conectados en las instalaciones industriales, físicamente se verán como dos equipos idénticos, y será en las alimentaciones y salidas eléctricas de cada transmisor, el numero de cables que utilicen para ¡nterconectarse con los PLC, así como, en las señales eléctricas que envían los transmisores analógicos comprendidas entre 4 a 20 mA, y que no tienen ninguna analogía con las señales moduladas digitalmente que envían los transmisores inteligentes hasta la tarjeta maestra que los controla. Al considerar la alimentación eléctrica y las salidas eléctricas entre ambos tipos de transmisores se evidenciaran que son equipos diferentes desarrollados con dos tecnologías diferentes. En la siguiente figura se muestran tres transmisores analógicos y tres transmisores inteligentes utilizados para las mismas tres variables operacionales en las instalaciones industriales.

Transmisores Analógicos

Transrn¡sores I ntélifentei

De la gráfica anterior se observara la similitud física que existe entre los transmisores analógicos y los transmisores inteligentes. Estas similitudes aplicara en sus dimensiones físicas, la forma de instalar los transmisores en campo, la forma de conectar en campo la variable operacional con el transmisor, así como, el despiece de las partes que conforman ambos tipos de transmisores, es por ello que las consideraciones de los planos que proporcionan los fabricantes para sus transmisores analógicos aplican de igual modo para los transmisores inteligentes. Las diferencias estarán en las tecnologías aplicadas para construir los circuitos electrónicos los cuales serán componentes electrónicos discretos para los transmisores analógicos y circuitos electrónicos basados en microcontroladores para los transmisores inteligentes. En los transmisores inteligentes serán las tecnologías desarrolladas con microcontroladores y que conforman la electrónica de los mismos la que Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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originara los cambios de su alimentación eléctrica, que se utilizara desde la tarjeta electrónica del PLC hasta para 16 transmisores conectados en paralelo, y el uso del mismo cable que los alimenta eléctricamente como el medio del transporte de las señales moduladas digitalmente de todos los transmisores. En la siguiente figura se muestran: las dimensiones, el modo de instalación y la forma de construcción de los transmisores inteligentes.

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5/5



Circuitos Electrónicos Basados en Microcontroladores

SRiDA "* OS CHOCES O MODULO S£N$0ft ¿-OEtt

La tecnología electrónica utilizada para construir los circuitos de transmisores serán las diferencias entre ambos tipos de transmisores, por las demás consideraciones referentes al transductor, dimensiones transmisor, modo de conexión en campo, serán las mismas tanto para transmisores analógicos, como para los transmisores inteligentes.

los ello del los

Partiendo de las analogías entre ambos tipos de transmisores y entendiéndose que utilizan los mismos transductores, se hace adecuado considerar el rango de trabajo de los transductores para determinar los rangos de las calibraciones de los transmisores analógicos de modo que la salida del mismo se corresponda con la sección del rango del transductor que interesa como medida para el control de una variable operacional. El transductor tiene un amplio rango de trabajo, es por ello que se calibra el transmisor (Analógico o Inteligente) para que su salida se corresponda con la sección del transductor de interés para la medida de la variable operacional. El transmisor proporcionara una señal eléctrica entre 4 a 20 mA cuya magnitud será directamente proporcional a la magnitud de la variable operacional sensada, entre los rangos de interés para ser medida en cada instalación en particular. Este amplio rango de trabajo del transductor es lo que permitirá al transmisor poder ser calibrado para que utilice la sección del transductor que se corresponda a la necesidad de medición específica de cada variable. La calibración del transmisor permitirá que el mismo transmisor pueda trabajar en diferentes secciones del transductor para proporcionar su salida eléctrica específica entre los rangos de medida requeridos. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Por la facilidad para observar y determinar el funcionamiento de los transductores de temperatura la PT-100 y las Termocuplas, la consideración de los rangos de trabajo de ambos transductores que determinaran el rango de medida de los transmisores para cada calibración en particular, se aprovechara como ejemplos la información que se dispone de los mismos para su calibración en los transmisores analógicos de temperatura, para posteriormente aprovechar esta información para facilitar la explicación de las calibraciones locales o remotas de los transmisores inteligentes. Los transmisores inteligentes tienen como parte de su hardware circuitos integrados como memorias ROM que tendrán grabados todo el rango de trabajo del transductor, para aprovechar el uso de esta información en el software del transmisor como una de las herramientas de la calibración.

Funcionamiento del Transductor. (PT-100) En la medida que se incrementa la temperatura a que es sometida la PT-100, se incrementa el valor de la resistencia entre los extremos A y B. Esto es producto al "Coeficiente de Temperatura" del cable del conductor eléctrico con que esta construido la PT-100 que se caracteriza por la variación de la resistencia en ohmios que corresponde por cada grado de variación dé temperatura a que es sometida. La relación entre la resistencia del transductor y la temperatura a que es sometido se puede expresar de la siguiente manera:

T Rt

1 Rt: Resistencia en ohmios del PT-100 en los extremos A y B. Ro: Resistencia en ohmios de la PT-100 a 0°C. Ro= 100 ohmios, t: Temperatura en grados centígrados a que es sometido la PT-100. a : Coeficiente de temperatura del conductor.

Q

Platino

Rt = Ro(l + at)

250200150M&*

50 _

I

-100

i 100


200

300

400

500

600

7/7



Para atender diferentes rangos de medida se calibrararan los transmisores, y enviaran como salida del mismo una señal eléctrica comprendida entre 4 a 20 mA, con las calibraciones no cambiara la magnitud de la salida del transmisor comprendida entre 4 a 20 mA, solo cambia el rango de referencia que se toma del transductor para determinar que la señal eléctrica que sale del transmisor esta comprendido dentro de las mediciones de interés y muy especifica que se necesitan para cada instalación. Para efectos del ejemplo, en este proceso industrial las temperaturas de interés no estarán por debajo de 200 °C y no superara los 400 °C. Para estos requerimientos se calibra un transmisor de temperatura a partir de un "Simulador de Calibración" que reemplazara la PT-100 para conectarse con transmisor, este calibrador proporcionara el valor de resistencia que se corresponde para los 200 °C por lo que el instrumentista hará el ajuste de cero para obtener los 4 mA para los 200 °C, posteriormente el simulador proporcionara el valor de la resistencia para 400 °C y el instrumentista hará el ajuste de span para obtener los 20 mA para los 400 °C. En la siguiente figura se muestra el esquemático de esta calibración. Span

+VCCQ CIRCUITO ELECTRÓNICO DEL TRANSMISOR


Cero

20

-100

100

200

300

400

500

600

La calibración del transmisor permitió delimitar su salida comprendida entre 4 a 20 mA, dentro del rango de medida comprendido entre 200°C hasta 400°C que es los requerimientos del proceso. Para ello fue necesario el uso de un simulador de calibración que reemplazo la PT-100 y así ejecutar el trabajo. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Este simulador de calibración se utilizara para reemplazar la PT-100 cada vez que sea necesario calibrar al transmisor de temperatura y podrá proporcionar el valor de resistencia que corresponda al rango de medida del transmisor y que podrá seleccionarse entre el rango de trabajo del transductor (PT-100) y que estará comprendido entre -180°C hasta 950°C. Funcionamiento del Transductor. (Termocuplas) Las Termocuplas son transductores Temperatura-f.e.m. que depende de la generación de tensión eléctrica en el punto de unión de dos metales diferentes cuando este punto de unión se somete a una temperatura. En el punto de unión de un metal A con un metal B se genera tensión eléctrica en milivoltios que aumenta en la medida que la temperatura en el punto de unión de los dos metales se incrementa. Esta pequeña generación de energía eléctrica es continua y proporcional a la temperatura de la unión y se generara siempre que exista una diferencia de temperatura con la unión de referencia. Esta unión de referencia será el punto donde se conecta al circuito electrónico. El símbolo de la Termocupla y las curvas características aproximadas para las mismas para diferentes uniones de dos metales que conformaran las Termocuplas Tipo J, Tipo T y Tipo R se muestran a continuación. lermocupia J Fe

^"^

pfe

li&-

«^

~iîi ii

Cables de Extensión Fe: Hierro

Szl

C: Constatan

-/TV-

Pi

UJ

f(t) mV

Equipo Electrónico

50

Tipo J

400

500

600

-10-

Se conectan las Termocuplas hasta el circuito electrónico del transmisor o del controlador a través de cables de extensión del mismo tipo de la Termocupla, es decir para Termocuplas Tipo J se conecta con cables de extensión Tipo J hasta el circuito electrónico. La distancia desde la conexión de la Termocupla hasta el circuito electrónico puede ser de hasta 1000 metros. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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En la siguiente figura se muestra las conexiones de los cables de extensión de la termocupla con la bornera del transmisor de temperatura, así como, la conexión del cable eléctrico de extensión que conecta la PT-100 hasta el transmisor, para ambos transductores PT-100 o Termocupla) la salida eléctrica del transmisor hasta el controlador y que será directamente proporcional a la magnitud de la temperatura que sensa estará comprendida entre 4 a 20 mA. Para la calibración del transmisor de temperatura que utiliza como transductor una termocupla al igual que cuando se utiliza la PT-100 se hace necesario tener un "Simulador de Calibración" quien reemplazara la Termocupla y generara un valor de milivoltios equivalente al generado por la Termocupla para cada valor de temperatura. Para efectos del ejemplo, se utilizara la calibración del transmisor de temperatura que utiliza la Termocupla Tipo J, con un rango de medición comprendido entre O °C hasta750 °C y dentro de este rango de temperatura que proporciona la Termocupla se calibrara el transmisor para proporcionar una salida eléctrica comprendida entre 4 a 20 mA, de modo que corresponda 4 mA como salida de la menor temperatura y los 20 mA a la mayor temperatura y que será directamente proporcional a la magnitud muy especifica del rangos de trabajo del equipo controlado.

w :••«•• • • : : I :':'..'

.

En las siguientes gráficas se ilustra a manera de ejemplo la calibración del transmisor de temperatura alimentado con una Termocupla Tipo J, seleccionada para el intervalo de medida entre 400 °C hasta 550 °C. Para ello el "Simulador de Calibración" generara una tensión en milivoltios equivalente al de la Termocupla para una temperatura de 400°C de manera que se ajusta el cero para tener como salida del transmisor 4 mA, posteriormente el "Simulador de Calibración" proporcionara una salida de milivoltios equivalente a los 550°C, de modo que permita hacer el ajuste de Span para que el transmisor tenga como señal eléctrica de salida 20 mA. En la primera gráfica se muestra la conexión del "Simulador de Calibración" reemplazando la Termocupla con el transmisor y en la segunda gráfica se muestra simultáneamente la curva característica de una Termocupla Tipo J con la salida del transmisor para el rango seleccionado para la calibración del transmisor. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Span H-VCCQ


CIR^ ELECTRÓNICO DEL TRANSMISOR

wm Cero

mA

Span

20

Tipo J

-mn

?nn

snn

¿nn

600

Para calibrar los transmisores analógicos, será necesario tener equipos de "Simulación de Calibración" que proporcionen al transmisor señales equivalentes al transductor que servirán de referencia para determinar el Cero y el Span del rango de medida del transmisor, o se tendrán "Simuladores de Calibración" que emularan la variable operacional ante el transmisor analógico de manera que esta referencia simulada permita poder calibrar el Cero y Span en los transmisores en el rango de medida de interés.

2. TRANSMISORES INTELIGENTES No se observaran diferencias entre un transmisor analógico y un transmisor inteligente cuando están conectados en las instalaciones industriales, físicamente se verán como dos equipos idénticos. Se utilizan los mismos transductores tanto en los transmisores analógicos como en los transmisores inteligentes y el modo como se conecta el transmisor analógico en las instalaciones industriales para medir la magnitud de la variable operacional es idéntico a como se instala el transmisor inteligente, indistintamente que sea: presión, nivel, caudal o temperatura. Será en las alimentaciones y salidas eléctricas de cada transmisor, el numero de cables que utilicen para interconectarse con los PLC, así como, en las señales eléctricas que envían los Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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transmisores analógicos comprendidas entre 4 a 20 mA, y que no tienen ninguna analogía con las señales moduladas digitalmente que envían los transmisores inteligentes hasta la tarjeta maestra que los controla, donde estarán algunas de las diferencias entre ambos tipos de transmisores. En los transmisores analógicos la señal eléctrica del transductor se conectara con los circuitos electrónicos discretos del transmisor los cuales convertirán las variaciones del transductor en salidas eléctricas comprendidas entre 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la variable operacional que esta sensando, en los transmisores inteligentes la misma señal eléctrica del transductor se conectara a los circuitos electrónicos basados en microcontroladores del transmisor, quien generara las salidas moduladas digitalmente y enviadas en protocolos de comunicación para transmitir la magnitud de la variable operacional hasta la tarjeta maestra del PLC quien controlara la comunicación de los transmisores. En la siguiente figura se ¡lustra como ejemplo las conexiones de los transductores de temperatura PT-100 y Termocuplas con el transmisor inteligente y se podrá observar que el modo de conexión de los transductores es el mismo cuando se conectaron con el transmisor análogo. Se observa que es en la conexión eléctrica y la salida de la señal del transmisor inteligente donde estará la primera diferencia con los transmisores analógicos.

Calibración del Cero, Calibración del Span. Modo Transmisor. Modo Controlador. umero de Transmisores. Se podrá observar de la figura anterior que los transmisores inteligentes no requieren ningún equipo "Simulador de Calibración" o emulador de la variable operacional para la calibración de los mismos. La calibración de los transmisores inteligentes se realizan por software, bien a través de un Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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programador como se observa en la figura anterior, o a través del software que se dispone en la red de control a donde esta interconectado el transmisor inteligente. El programador con el software que contiene, disponen de una librería de aplicaciones por medio de las cuales ofrecen un menú por donde se permitirá programar el transmisor inteligente para realizar entre otras las siguientes funciones: definir el rango de medida del transmisor, es decir, determinar el cero de la medida y el span de la medida, definir el numero asignado a cada transmisor (se podrán tener ¡nterconectado hasta 16 transmisores conectados en paralelo utilizando el mismo par de cables) y con el mismo programador se determinara si el transmisor inteligente funcionara en modo transmisor o en modo controlador local. De la observación de la figura anterior se recalca la conexión eléctrica del transmisor inteligente que se hace desde la tarjeta del PLC, y que es muy diferente a los transmisores analógicos que se alimentan desde bancos de batería instalado dentro del proceso. También se resalta que se conectan a los mismos cables de la alimentación eléctrica el programador del transmisor inteligente, eliminando con esta tecnología el uso de los "Simuladores o Emuladores de Calibración" que eran indispensables para calibrar los transmisores analógicos. En la^ siguiente figura se busca ampliar la información referente a la alimentación eléctrica de los transmisores inteligentes, así como del medio de transporte por donde los transmisores enviaran la señal eléctrica para llevar la información de la magnitud de la señal medida hasta los PLC.

Se observa que sale un par de cables (+) y (-) desde la tarjeta maestra en el PLC y se conecta en campo con una bornera de donde se derivaran las alimentaciones eléctricas de todos los transmisores y por los mismos cables saldrán las señales de comunicación de todos los transmisores. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Tal como se muestra en la figura anterior, de la bornera conectada en campo saldrán los cables de extensión que interconectaran a cada uno de los transmisores inteligentes hasta el lugar donde esta instalado en el proceso industrial para medir la variable operacional. Este arreglo permitirá la alimentación eléctrica en paralelo de todos los transmisores utilizando el mismo cable de alimentación que sale de la tarjeta maestra del PLC, que además será el mismo cable para el transporte de la comunicación digital que en protocolo Modbus o Fielbus (Por ejemplo) existe entre cada uno de los transmisores (Esclavos) con la tarjeta (Maestra) del PLC. La misma bornera donde llegan los cables (+) (-) de la tarjeta maestra podrá ser el punto de conexión del programador de los transmisores inteligentes, lo que permitirá que desde un solo lugar y sin tener ninguna necesidad de utilizar "Simuladores de Cal¡bració-n" o "Emuladores de la Variable Operacional" se podrán calibrar cada uno de los hasta 16 transmisores ¡nterconectados en la bornera de extensión y donde los transmisores podrán ser de variables diferentes: Temperatura, Presión, Caudal y Nivel. Un mismo punto de conexión del programador, un único programador para todos los transmisores de todas^ las variables operacionales y la eliminación de los "Simuladores de Calibración" o "Emuladores de la Variable" como requisito para calibrar los transmisores. El mismo par de cables que alimenta eléctricamente todos los transmisores inteligentes se utilizara como medio de transporte de las señales eléctricas que utilizaran todos los transmisores inteligentes para enviar la magnitud de la variable operacional medida hasta la tarjeta maestra, de modo que a través del protocolo de comunicación que utilicen los transmisores se transfiera la información que envían cada uno de los transmisores hasta la tarjeta maestra siguiendo el orden de la comunicación bidireccional entre el maestro (Tarjeta de Conexión en el PLC) y los esclavo (Cada uno de los Transmisores Inteligentes) según la dirección que establezca el protocolo utilizado. Cada tarjeta maestra instalada en el PLC podrá atender hasta un máximo de 16 transmisores inteligentes, sin embargo, en las instalaciones industriales se tendrán diferentes equipos que por la cantidad y variedad de señales a medir requerirán el uso de mas transmisores inteligentes que hasta los 16 máximos que soporta una tarjeta maestro, por lo que será necesario dos o más tarjetas maestras para atender la totalidad de las señales que provienen desde un mismo lugar. Abran otros requerimientos de medición de los diferentes equipos que conforman una instalación industrial que obligaran la atención de varios grupos de transmisores por cada grupo de equipos que se hallen en una zona especifica de la planta, para ello, se tendrán tantas tarjetas maestras como grupos de transmisores se encuentren instalados en las diferentes zonas de la planta. Estas consideraciones de tener necesidad de mas transmisores que lo que soporta una tarjeta maestro, así como, tener grupos de transmisores ubicados en lugares diferentes o distantes unos de otros, permitirán que se pueda observar en los PLC que tengan tantas tarjetas maestras como sean necesarias para atender la cantidad de transmisores instalados en los diferentes equipos a los cuales se les miden sus variables operacionales. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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También se tendrán arreglos de control para automatizar y proteger las instalaciones industriales que utilizaran varios PLC interconectados a través del protocolo de comunicación (ControlNet por ejemplo) y donde los diferentes PLC tendrán las tarjetas maestra que sean necesarias para recibir todas las señales de las diferentes mediciones que los transmisores inteligentes envían desde el campo, sin embargo, en estos arreglos de control la comunicación que existe entre los diferentes PLC permitirá que los valores medidos por los transmisores inteligentes en un PLC puedan ser transferidos hasta el otro PLC y este ultimo PLC tome esos valores como datos del programa (Software) que este corriendo para el control y protección de la instalación industrial. En la siguiente figura se muestra este tipo de arreglo de control donde se muestra (Como Ejemplo) dos PLC ¡nterconectados a través del protocolo de comunicación ControlNet y donde cada PLC utiliza varias tarjetas maestras para poder recibir todas las señales de medición que envían los transmisores instalados en campo.

Como se podrá observar de la figura anterior existen tarjetas de comunicación en cada PLC y que están interconectadas entre si permitiendo la transferencia de datos entre ambos equipos y trabajar incluso bajo la condición que un PLC trabaje como maestro y el otro PLC trabaje como esclavo. Para la atención de los transmisores conectados en campo, en cada PLC del arreglo de control anterior habrán tantas tarjetas maestras para atender tantos grupos de transmisores inteligentes como sean necesarios, se tienen tres tarjetas maestras para atender tres grupos de transmisores inteligentes en un PLC y dos tarjetas maestras para atender dos grupos de transmisores inteligentes en el otro PLC. Cada tarjeta maestra podrá atender desde uno (01) hasta un Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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máximo de dieciséis (16) transmisores inteligentes de manera que cada grupo de transmisores estará determinada por las necesidades de medición de las variables operacionales y de la ubicación que tengan los transmisores inteligentes de forma que se convine los requerimientos del numero de transmisores y que no superen los 16 equipos y de la ubicación de los mismos de manera que permita la fácil conexión del transmisor con la bornera de conexión de campo a donde llega la señal de la tarjeta maestra. Entre las condiciones de funcionamiento que a grandes rasgos tendrán los transmisores inteligentes se tendrán: • • • • •

Son alimentados eléctricamente desde la tarjeta maestra del PLC y se conectan hasta un máximo de 16 transmisores en paralelo. Se calibran por software utilizado programadores y no requieren equipos simuladores de calibración ni emuladores de la variable medida. Utilizan el cable de alimentación eléctrica como medio de transporte para la comunicación bidireccional que existe entre los transmisores esclavos y la tarjeta maestra ubicada en el PLC. Se comunican los transmisores y la tarjeta maestra a través de protocolos de comunicación y los datos que envían los transmisores pueden ser enviados hasta los niveles de gestión de la red corporativa. Los arreglos de control que conformados con la interconexión de varios PLC permiten la transmisión de la medición de las variables operacionales que envían los transmisores inteligentes entre los PLC.

3. HARDWARE DE LOS TRANSMISORES INTELIGENTES En los transmisores inteligentes serán las tecnologías desarrolladas basados en el uso de microcontroladores y que conforman la electrónica de los mismos la que permite que el cable que sale desde la tarjeta electrónica maestra del PLC hasta la bornera de conexión instalado en campo se utilice para la alimentación eléctrica que se hace hasta para 16 transmisores conectados en paralelo, y que a la vez sirva también como el medio del transporte de las señales moduladas digitalmente en protocolo de comunicación de todos los transmisores esclavos conectados en las instalaciones industriales con la tarjeta maestra en el PLC. La construcción de los transmisores inteligentes con tecnologías basados en el uso de microcontroladores conllevara a que estos tengan una estructura electrónica conformada por la interconexión de los circuitos integrados a través de las señales que de los buses de: Datos, Dirección y Control que provienen del microcontrolador y cuyas señales irán cambiando y/o actualizando en la medida que se va corriendo el programa bajo el cual esta funcionando. Los transmisores inteligentes utilizaran los mismos transductores que los transmisores analógicos y serán los rangos de trabajo de los transductores quienes determinaran los rangos de medida en la que serán calibrados los transmisores inteligentes. El transductor tiene un amplio rango de trabajo y que determinara el rango de medida del transmisor, en los transmisores Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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inteligentes estará grabado en memorias ROM los valores de la salida del transductor a partir de los cambios que sufran la variable operacional en campo y será a partir de la selección de las direcciones de la memoria por donde se calibraran los transmisores inteligentes. Se muestra a continuación el transmisor inteligente y el circuito equivalente del hardware que lo conforma.

Circuitos Electrónicos Basados en Microcontroladores


ROM Programa que ejecuta el Transductor


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El amplio rango de trabajo del transductor y la grabación en memorias ROM de las salidas del transductor en relación a la magnitud de la variable operacional que sensa es lo que permitirá al transmisor poder ser calibrado para que utilice la sección del transductor que se corresponda a la necesidad de medición específica de cada variable, para ello la calibración del transmisor consistirá en seleccionar las direcciones de la memoria ROM que se correspondan con el rango de medida requerido. Diferentes calibraciones consistirán en seleccionar diferentes direcciones de la memoria ROM de las secciones del transductor para proporcionar el DATO (Salida Digital) equivalente de la salida eléctrica específica entre los rangos de medida requeridos. Esta consideración se detallara posteriormente, sin embargo, se espera que se entienda que será la arquitectura de la electrónica basado en microcontroladores así como la capacidad de grabar en una memoria ROM los valores característicos de todo el rango de trabajo del transductor lo que permitirá tener como DATOS los valores que corresponderán como salida de la señal eléctrica del transductor ante los cambios de la magnitud de la variable operacional sensada y con ello posibilitar la calibración de los transmisores inteligentes sin usar los simuladores de calibración o de los emuladores de la variable operacional. Los circuitos electrónicos de los transmisores inteligentes estarán desarrollados teniendo como componente central el Microcontrolador a partir del cual se organizaran las interconexiones de todos las circuitos integrados que conforman el hardware del transmisor, tanto para la entrada de la señal eléctrica que proporciona el transductor que interactúa directamente con la variable operacional como de las salidas digitales que en protocolos de comunicación entran y salen del transmisor usando como medio de transporte los cables eléctricos de alimentación. Los microcontroladores tendrán para su interconexión de hardware y software los siguientes buses: Bus de Datos, Bus de Dirección y Bus de Control tal como se muestra en la siguiente figura.

Bus de Datos Es un bus bidireccional que recibe DATOS y envía DATOS, recibe los datos de la señal digitalizada de la medición de la variable operacional, recibe los datos desde la memoria (ROM programa fabricante Transmisor) para correr el programa del transmisor, recibe datos de la memoria RAM que guarda los valores instantáneos de la medida del transductor, recibe los datos de la trama de comunicación que envía la tarjeta maestra del PLC, envía los datos de la trama de comunicación que transmite hacia el maestro, envía los datos de la dirección de la memoria ROM que guarda digitalizado los valores del Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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transductor para posteriormente leer el valor real de la medida, envía los datos a la pantalla de display del indicador. Bus de Control Es el bus por donde el microcontrolador envía y recibe las señales de control a los demás circuitos integrados que conforman los circuitos electrónicas del transmisor. A través de este bus de control identifica si lee datos de las tarjetas RAM, o escribe datos hacia los circuitos electrónicos, si lee o escribe datos en las memorias, si efectuara saltos en el programa de control que ejecuta, si reiniciara el programa, en fin todas las señales para identificar la aplicación que paso a paso el transmisor va corriendo según el programa. Bus de Direcciones Es el bus que define la dirección donde el microcontrolador lee o escribe los datos desde todos los circuitos integrados con los que esta interconectado, la dirección de las memorias que guardan el programa o las memorias que guardan los datos volátiles. Es decir el bus de direcciones como su nombre lo indica define la ubicación a donde el microcontrolador recibe información o a donde el microcontrolador envía información del programa que esta corriendo. Es a través de las interconexiones de las señales de los buses de datos, control y direcciones como el microcontrolador interconecta todas las tarjetas electrónicas que conforman al transmisor inteligente combinando la ejecución del set de instrucciones que dispone el microcontrolador en la medida que corre el programa que estará guardado en memorias ROM. El set de instrucciones y funciones que podrá ejecutar en su interior un microcontrolador a grandes rasgos podrán ser las siguientes:

• Instrucciones Aritméticas. • Instrucciones Lógicas. • Instrucciones de Transferencia de Datos. • Instrucciones Booleanas. • Instrucciones de Saltos. • Contador de Programa. • Puntero de Programa. • Registros de usos Generales. • Acumulador. Memorias ROM Las memorias ROM (Memorias de Solo Lectura) son circuitos integrados conformadas por paginas que fueron previamente escritas con los caracteres que correspondan a cada pagina y por ello se utilizaran en los circuitos Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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electrónicos basados en microcontroladores para leer un carácter (8 bit, 16 bit) por pagina, se tendrán memorias de tantas paginas (1K, 2K, 4K, 8K, 16K, etc) como sean necesarias para leer todas las instrucciones necesarias para correr los programas de funcionamiento del transmisor, así como, los valores característicos del transductor a lo largo de todo su rango de trabajo. A través del Bus de Direcciones se selecciona el número de página de la memoria cuyo carácter guardado en esa página seleccionada será leído por el Bus de Datos. Las memorias ROM serán utilizadas en los transmisores inteligentes para guardar el programa fabricante y bajo el cual corre el funcionamiento del transmisor, además en memorias ROM se guardan los datos del transductor. Las señales del Bus de Control permitirán validar la lectura de los caracteres ubicados en la dirección seleccionada o dejar en alta impedancia la salida de Datos de la memoria. En la siguiente figura se muestra un esquemático general de la memoria ROM y posteriormente a modo de ejemplos un grupo de Termocuplas para visualizar la grabación de los transductores en la ROM.

DATOS

«rife

Señales de Control

1

Fe

(^\ €P

C

1 1

m

Fe: Hierro C: Constatan

llf

fc^.

f(t) mV

Transmisor Inteligente

(Z)

_XT\—

50

400

500

600

°c

-10-


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Al tener grabados los valores característicos de los transductores en las memorias ROM se posibilita la calibración de los transmisores inteligentes vía software y sin requerir Simuladores o Emuladores para la Calibración, identificando las paginas de la memoria ROM de inicio a fin que se correspondan con el rango de medida requerido para la transmisión. Casi todos los transductores eléctricos tienen un comportamiento no lineal entre su salida dependiente de la variable eléctrica que representa en comparación con la variable operacional independiente con la que interactúa en las instalaciones industriales. Tal como se puede mostrar a modo de ejemplo en la gráfica anterior, donde se visualiza una recta punteada conjuntamente con las curvas características de varias Termocuplas, y donde se podrá observar que no existe una relación lineal entre la salida de milivoltios de cualquiera de las termocuplas en relación con la temperatura con la que interactúa. Se graba en la memoria ROM las curvas características de todos los tipos de termocuplas y donde se tendrá como carácter de la página de la memoria ROM el valor de la temperatura que corresponde a cada dirección seleccionada. La dirección seleccionada se obtiene después de la amplificación y digitalización de la señal eléctrica que proporciona el transductor y se haya colocado en el Bus de Datos de modo que el programa que corre el microcontrolador del Transmisor Inteligente lo convierta en la dirección de memoria ROM y la salida de datos de la memoria ROM para esa dirección seleccionada será el valor equivalente de la temperatura medida. A manera de ejemplo se muestra a grandes rasgos esta aplicación.

Amplificador (2)

Transductor (1)


Compensación Local

La variable operacional ¡nteractúa con el transductor (1) el cual generara cambios no lineales en la magnitud de la variable eléctrica que representa en proporción a los cambios de la variable operacional, la señal del transductor se Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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conecta al amplificador (2) quien amplifica la señal del transductor y realiza las compensaciones locales de temperatura, posteriormente la salida eléctrica y analógica del amplificador se conecta al Convertidor Análogo Digital (CAD) (3) quien convierte la señal análoga del amplificador en un DATO (4) del valor no lineal que proporciono el transductor. Este DATO (4) pasa a través del software que corre el transmisor inteligente como DATOS que lee el microcontrolador quien convertirá esta información en la dirección de la página de la memoria ROM que contendrá como carácter de la pagina el valor exacto que corresponde al valor real de la temperatura. Con esta aplicación se supera el problema de la no linealidad del transductor, además se proporciona el valor real de la medida que servirá para alimentar el arreglo de display de la pantalla indicadora del instrumento, y mucho mas importante es que proporciona el DATO del valor real de la temperatura en campo y que viajara como DATO en la trama del protocolo de comunicación del transmisor esclavo con la tarjeta maestro que esta en el PLC, enviando de esa manera como señal digitalizada el valor de la temperatura que se mide en las instalaciones industriales hasta el PLC a través de la tarjeta maestra. Con esta técnica cuando se calibra por software el transmisor inteligente lo que se hace es determinar con el ajuste de cero es la dirección de la primera pagina de interés del rango de medida y cuando se calibra el span es determinar la ultima pagina de interés de la memoria ROM para atender el rango de medida, es decir, se calibra el transmisor inteligente seleccionando el inicio y el fin de las direcciones que están grabadas en la memoria ROM y que guardan como caracteres los valores de temperatura de la variable medida. Este modo de calibrar los transmisores inteligentes aplicara en forma idéntica para las otras variables operacionales que se miden en campo. Memorias RAM y EEPROM Las memorias RAM (Memorias de Lectura y Escrituras) son circuitos integrados conformadas por paginas para escribir un carácter (8 bit, 16 bit) por pagina, o también para leer un carácter hasta en la misma pagina de ser seleccionada la misma dirección. Se tendrán memorias RAM de tantas paginas (1K, 2K, 4K, 8K, 16K, etc) como sean necesarias para guardar todos los datos volátiles (de interés temporal) que se guardan y posteriormente se leen en el proceso de transferencia de datos que ocurre rutinariamente cuando se corre el programa que soporta el funcionamiento de los transmisores inteligentes. El esquemático general de la memoria RAM se muestra a continuación.

Señales de • tó> Control "V


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A través del Bus de Direcciones se selecciona el número de la página de la memoria RAM a donde se quiere escribir o leer un carácter y a través del Bus de Datos se lee o se escribe el carácter, con las señales del Bus de Control se determinara si la memoria RAM esta escribiendo, o esta leyendo, así como colocar su salida de DATOS en alta impedancia. Las memorias EEPROM funcionaran en forma análoga a las memorias RAM y la diferencia estará que no se borrara el carácter guardado en cada pagina aunque el circuito electrónico haya quedado sin energía eléctrica. Serán las memorias EEPROM las adecuadas para guardar los valores de la calibración del transmisor. Usando el mismos Cable para la Comunicación y la Alimentación. La comunicación que existe entre los transmisores esclavos y la tarjeta maestra del PLC utiliza el mismo cable de alimentación eléctrica como medio de transporte de la comunicación digital. La comunicación bidireccional que existe entre los transmisores inteligentes y la tarjeta maestra en el PLC se hará sobre un formato o protocolo de comunicación, que para efectos de este texto se explicara en protocolo Modbus. Los diferentes fabricantes de transmisores inteligentes podrán desarrollar diferentes protocolos de comunicación (Modbus, Fielbus, Profibus, etc) que en la practica permiten (utilizando software) la comunicación que existe entre la tarjeta maestra que esta en el PLC y los transmisores inteligentes esclavos que estarán instalados en diferentes equipos a los cuales se les esta midiendo sus variables operacionales. El arreglo eléctrico que permite simultáneamente utilizar los cables de alimentación eléctrica como medio de transporte de la comunicación entre los transmisores inteliaentes v la tarieta maestra se muestra en la siauiente figura.

Dalos

De la figura anterior se observa el par de cables ( + ) y (-) que conecta la tarjeta maestro del PLC con el transmisor inteligente conectado en las instalaciones industriales. Dentro del transmisor inteligente del mismo par de cables ( + ) (-) se alimenta el Convertidor DC/AC de la Fuente de Poder del Transmisor y del mismo par de cables (+) y (-) se conecta el circuito de la Comunicación Serial entre el transmisor inteligente y la tarjeta maestra. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Para independizar las señales eléctricas de la comunicación serial que sale del transmisor inteligente con las señales eléctricas (+) y (-) de la tarjeta maestra, se hace necesario desarrollar dentro del transmisor inteligente una fuente de poder con las salidas (12 VDC y 5 VDC) para alimentar todos los circuitos integrados que conforman la electrónica del transmisor inteligente, esto se logra aprovechando la energía eléctrica que proviene de la tarjeta maestra del PLC quien alimentara con su señal ( + ) y (-) un circuito convertidor DC/AC cuya salida se conecta con un transformador que además de modificar la amplitud entre la tensión del primario con la tensión del secundario eliminara la relación eléctrica entre la tensión del primario y la tensión del secundario del transformador, lo que permitirá tener en el secundario otra fuente de poder con referencias eléctricas totalmente independiente a la tarjeta maestra del PLC. La salida de tensión eléctrica del secundario del transformador se rectifica a través de un puente de diodos y posteriormente con reguladores de tensión se consiguen los voltajes DC requeridos para alimentar todos los componentes electrónicos que conforman al transmisor inteligente. La Comunicación Serial que existe entre las señales que entran al transmisor inteligente provenientes de la tarjeta maestra y las señales que salen del transmisor inteligente hasta la tarjeta maestra al alimentarse de fuentes de tensiones diferentes podrán utilizar el mismo cable como medio de transporte sin que ello pueda originar alguna anormalidad eléctrica entre la fuente de tensión de la tarjeta maestra y las fuentes de tensión que existirán en cada uno de los hasta 16 transmisores inteligentes que podrán estar conectados al mismo cable como fuente de alimentación y de transporte de comunicación. El circuito de Comunicación Serial que esta en el transmisor inteligente funcionara como un convertidor Serial-Paralelo entre las señales que entran al transmisor proveniente de la tarjeta maestro y como un convertidor ParaleloSerial con las señales que salen del transmisor hasta la tarjeta maestra. Bus de Datos del Bus Transmisor .

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Convertidor Serial-Paralelo

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1

^

La Trama del protocolo de comunicación enviada por la tarjeta maestra entra como señal serial al Convertidor Serial-Paralelo y sale como DATOS al Bus de Datos del Transmisor inteligente el cual correrá su programa con esta Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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información, y la Trama del protocolo de comunicación que envía el transmisor inteligente hasta la tarjeta maestro, sale como DATOS del Bus de Datos del transmisor inteligente para alimentar al convertidor Paralelo-Serial quien coloca esta señal serial en los cable (+) y (-) quien conecta esta señal de la comunicación del transmisor hasta la tarjeta maestra en el PLC. Esta ultima aplicación de la comunicación serial que existe entre la tarjeta maestra y los transmisores inteligentes instalados en campo conjuntamente con el hardware que permite que la señal del transductor genere la dirección para la ubicación en la memoria ROM de la magnitud de la variable medida, así como, la integración de las memorias RAM que guardan los DATOS volátiles que corre el programa del transmisor y las memorias ROM que guarda los programas fabricantes que soporta el software de funcionamiento del transmisor y que corre el protocolo de comunicación conforman en su integración el hardware de los transmisores inteligentes. En la siguiente figura se muestra el hardware del transmisor. imm

^ Variable Operacional

ROM Programa que ejecuta el Transductor

Para la comunicación bidireccional que existe entre la tarjeta maestra y los transmisores instalados en campo, se hace necesario que en la tarjeta maestra tenga al igual que en los transmisores inteligentes un arreglo electrónico que permita la conversión Paralelo-Serial entre las señales en paralelo que corren por el Bus de Datos del PLC y que ingresan a la tarjeta maestra para salir como señales seriales para ejecutar las diferentes acciones que permite el protocolo de comunicación bajo el que trabajan la tarjeta maestra y los transmisores. La tarjeta maestra ubicada en el PLC y quien recibe todas las señales en comunicación serial de los hasta 16 transmisores inteligentes instalados en campo tendrá un arreglo de convertidores Serial-Paralelo que permitirá en la tarjeta maestro recibir las señales seriales que envían los transmisores instalados en campo y convertirlos en los DATOS que ingresaran al Bus de Datos del PLC, para que con estos DATOS se corra el programa en el Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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PLC para el control y protección de las instalaciones industriales a partir de las señales de realimentación que proporcionan todos los transmisores. Los DATOS que salen desde el PLC como señales seriales enviados en el protocolo de comunicación hasta los transmisores, serán los parámetros bajo la cual correrán los programas los trasmisores y quienes definirán el modo de funcionamiento de los mismos. Para reforzar estos planteamientos, así como, el concepto de la calibración programada de los transmisores inteligentes en la siguiente figura se muestra el arreglo de convertidores Serial-Paralelo y Paralelo-Serial que existirá en la tarjeta maestra, así como el programador de los transmisores que deberá tener un arreglo electrónico equivalente y un software equivalente para realizar la misma programación en campo.

Calibraeión del Cero. Calibración del Span. Modo Transmisor. Modo Controlador. Numero de Transmisores. Otra consideración de interés esta en la atención a la alimentación eléctrica que sale desde la tarjeta maestra hasta los transmisores que podrá ser 12 o 24 voltios de tensión eléctrica continua y la salida de corriente comprendida entre 20 a 100 miliamperios. La Potencia eléctrica que es igual a la magnitud de la tensión multiplicada por la magnitud de la corriente y calculada para los valores máximos antes demarcados será P=(24 VDC)x(100 mA) = 2,4 Vatios, el cual es un valor de potencia mucho menor que los 3 Vatios que considera las condiciones intrínsicamente seguras necesarias en las instalaciones petroleras para garantizar que los instrumentos de campo nunca serán un punto caliente, ni un arco eléctrico que pueda originar la fuente de ignición para producir fuego dentro de las instalaciones. Los instrumentos además de Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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cumplir con sus funciones deben ser las referencias de seguridad de todas las instalaciones industriales. CONDICIONES INTRINSICAMENTE^

Fuego = Combustible + Aire + Fuente de Igrii|¡óri Potencia = Voltaje x Corriente Potencia Instrumento = (24 VDG)x(10^ Potencia Instrumento = 2,4 W < 3 W 3 Vatios NO GENERARA:

•


•


CONVERTIDORES I/P INTELIGENTES

En la siguiente figura se muestra el hardware + el convertidor I/P que en su integración conforman al Convertidor I/P Inteligente y que permitirá regular la apertura de una válvula de control a través de la tarjeta maestra en el PLC.

Datos

Tarjeta de PLC


Convertidor Tensión/Corriente

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El mismo hardware y software básico de los transmisores inteligentes se utiliza en los convertidores I/P inteligentes. Desde el Bus de Datos se alimenta un Convertidor Digital-Analógico (CDA) que proporciona a su salida una tensión eléctrica directamente proporcional al DATO que ingresa al convertidor, esta salida de tensión del CDA alimenta un convertidor Tensión-Corriente lo que permite a la salida del mismo la señal de 4 a 20 mA necesarias para mover el obturador que regulara la salida de aire de control que alimentara el actuador de la válvula de control. La señal de 4 a 20 mA será directamente proporcional al DATO que envió el programa que corre el PLC a través de la tarjeta maestra. Una vez obtenida la señal de corriente entre 4 a 20 mA el resto del funcionamiento del equipo consiste en un convertidor I/P común, que funciona por el sistema Tobera-Obturador, donde el aire de instrumentos llega a un regulador de presión que determina la presión de trabajo del convertidor, la salida del regulador de presión se conecta con una tobera que tendrá un obturador que regulara su posición en la medida que se modifique la señal de corriente entre 4 a 20 mA que circula por la bobina. Al variar la corriente entre 4 a 20 mA que circula por la bobina se varia el flujo magnético del núcleo de l a ^ bobina y este podrá variar la atracción magnética que ejerce sobre el obturador y con ello modificar su posición con la salida de la tobera y con ello se modifica la presión de control entre 3 a 15 PSI que saldrá del convertidor para alimentar el actuador de la válvula de control y con ello regular la apertura del área del cuerpo de la válvula, modificando el paso del fluido por el mismo y con ello modificando la magnitud de la variable operacional controlada desde el PLC en el proceso industrial.

4. SOFTWARE DE LOS TRANSMISORES INTELIGENTES La tecnología basada en el uso de microcontroladores para conformar la electrónica de los transmisores inteligentes permite que a través del cable de alimentación eléctrica se transporte las señales del protocolo de comunicación que existe entre la tarjeta maestra instalada en el PLC y los transmisores inteligentes conectados en campo, esto hace posible transportar toda la información que los transmisores envían desde el campo hasta los PLC y desde estos hasta las sala de control de las instalaciones industriales y en forma inversa y de ser necesario llevar la información de la sala de control hasta los instrumentos instalados en campo. Estos avances tecnológicos introdujo el concepto de red para interconectar todos los equipos involucrados en las aplicaciones industriales y de este modo aumentar su operacionalidad al incorporar los equipos que controlan y protegen las instalaciones industriales como parte integral de la red corporativa. La utilización de redes en las aplicaciones industriales prevé un significativo avance en las siguientes áreas: • • • •

Información para control de calidad y optimización del proceso. Software desarrollados para procedimientos de: mantenimiento, inventarios, producción, control estadísticos, otros. Menores costos de instalación. Opciones de actualización tecnológicas.


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La opción para la ejecución de sistemas de control basados en redes requiere un estudio para determinar cual es el tipo de red que posee las mayores ventajas de implementación. Surge la opción de la utilización de arquitecturas con sistemas abiertos, que al contrario de las arquitecturas propietarios donde un fabricante lanza productos compatibles solamente con su propia arquitectura de red creando varias dependencias que se inicia en la tecnológica. Con las arquitecturas de red con sistemas abiertos se pueden encontrar más de un fabricante con equipos compatibles que podrán interconectarse para reemplazar a otro en la atención de la red. En la pirámide que representa los niveles de las redes industriales se tendrán: Nivel de Gestión y Redes, Nivel de Control y PLC, Nivel de Campo y Procesos. En el Nivel de Campo y Procesos de la red es donde se encuentran los transmisores inteligentes y es a través del protocolo de comunicación que estos utilicen por donde permitirán transferir los DATOS de campo hasta el Nivel de Gestión. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de una arquitectura de red. REDES DE CONTROL

Otros PC y Clientes

En el Nivel de Campo y Procesos corren los protocolos de comunicación: Modbus, Fieldbus, Profibus, hard, otros, mediante los cuales se llevan y se traen los DATOS hasta la tarjeta maestra en el PLC y desde donde se llevaran y traerán los DATOS del Nivel de Gestión. Estos protocolos del Nivel de Campo y Procesos deben tener cierta estructura común:


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• •

•


Software que dispondrá de una estructura: inicio, dirección, función, DATOS, control de errores. La comunicación de campo que existe entre los transmisores inteligentes y las tarjetas maestras deberán cumplir con las normas que recomienda la (ISO) para sistemas de arquitecturas abiertas, es por ello que cada fabricante deberá utilizar un protocolo de comunicación abierta: Modbus, Fieldbus, Profibus, cualquier protocolo hard. Las industrias deberán comprar transmisores que vayan en el uso de un protocolo de comunicación abierto que pueda determinar la ISO.

Un sistema de comunicación es un conjunto complejo de hardware y software. El Modelo de Referencia de la ISO, describe como viaja la información entre dos aplicaciones (A y B) que se encuentran en computadoras conectadas en una red. El modelo de referencia ISO divide el problema de llevar la información entre dos aplicaciones conectadas a través de la red mediante una división de siete (07) capas tal como se muestra en la siguiente figura.

A

B

CAPA 7: APLICACIÓN:

Transferencias, accesos y control de archivos. Documentos y manipulación de los trabajos. CAPA 6: PRESENTACIÓN

"Trahsform ación de representación ti e datos. Encriptamiento. CAPA 5: SESIÓN

Control y sincronismo de diálogos de aplicación.

CAPA? APLICACIÓN CAPA 6 PRESENTACIÓN CAPAS SESIÓN

!^^

CAPAS: RED

Enrutamiento, direccionamiento, preparación de llamadas.

CAPA 3 RED

CAPA 2: ENLACE

Control de llamadas y transparencia de los datos transmitidos. CAPA 1: FÍSICA

CAPA 2 ENLACE CAPA! FÍSICA

Iñtérfases de redes eléctricas y mecánicas. pWlíHpS

/EQUIPOS DE RADIO ENLACES'DIGITALES

A Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

B 30/30



En la figura anterior se utiliza como ejemplo en Capa Física un Radio Enlace en la interconexión entre las dos redes para mostrar que la ubicación entre la red A y la red B estará determinada por los equipos de telecomunicaciones. A cada uno de las siete capas que contempla el modelo OSI se le asigna una tarea concreta y suficientemente autocontenida, de manera que se pueda realizar independientemente de las tareas de las capas superiores o inferiores y con ello tener la posibilidad de sustituir una capa por otra equivalente sin afectar el resto de las otras capas. Es importante resaltar que cuando a través de la Capa Física se envía la información de un punto de la red A a otro punto de la red B se estarán enviando los Byte de los DATOS conjuntamente con los Bytes asociados e incorporados por cada una de las siete capas del punto A, es decir, cada capa inserta bytes asociados a las funciones que cumple la capa, de manera de ser desincorporados en forma inversa a como se insertaron en la capa equivalente en el otro extremo de la red B. En el capitulo 12 de este texto se tratara con mas detalles este modelo y esta información. En la siguiente figura se muestra como van ingresando los bytes asociadas a cada capa. t. w

CAPA 7: APLICACIÓN

DATO

07

CADA CAPA INSERTA SUS BIT ASOCIADOS

CAPA 6 PRESENTACIÓN

DATO

C7

06

CAPAS SESIÓN

DATO

C7

06

05

DATO

07

06

05

•04 í

DATO

C7

06

05

C4

TRANSPORTE fcw^

CAPA 3 RED CAPA 2 ENLACE

02

DATO

07

06

05

CAPA1 FÍSICA

C2

DATO

07

06

05

03

¡ ¡ I 03

02

03

02

04

Para cumplir con los lineamientos que establece el modelo OSI, los protocolos de comunicación que utilizan los transmisores inteligentes para mantener la comunicación bidireccional con la tarjeta maestra instalada en el PLC y que permiten interconectar en la red de control, el Nivel de Campo y Procesos con el Nivel de Control, deben trabajar como equipos de arquitectura abierta. Estos protocolos de comunicación utilizan tres de las siete capas del modelo OSI ha saber: Capa Aplicación, Capa Enlace y Capa Física. Por ello en las tramas de comunicación que existen entre los transmisores inteligentes y la tarjeta maestra deberán estar incorporados los bytes asociados a la Capa Física y que permiten los controles de esa capa en ambos extremos de la comunicación, debe llevar los bytes asociados a la Capa de Enlace y que permiten ejecutar los controles y funciones que cumple la Capa de Enlace en ambos extremos de la comunicación y deberán llevar los bytes asociadas a la Capa de Aplicación y que permitirá la transferencia de DATOS y los controles y funciones que se utilizan en la Capa Aplicación en ambos extremos de la comunicación. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

31/31



Estos bytes asociados a cada una de las capas son insertados cuando van bajando capa por capa hasta la Capa Física por donde salen de la red A para conectarse con el otro extremo de la comunicación en la red B y donde serán retirados los bytes, capa por capa en el otro extremo de la comunicación partiendo de la Capa Física y concluyendo en la Capa Aplicación. En la siguiente figura se muestran las capas: Capa de Aplicación, Capa de Enlace y Capa Física que son las que utilizan los protocolos de comunicación que existen entre los transmisores inteligentes instalados en Campo y la tarjeta maestra instalada en el PLC con la función de ejecutar la transferencia de los DATOS entre el Nivel de Campo y Nivel de Control.

DIFERENTES PROTOCOLOS: Hard, Modbus, Fielbus


CAPA 7 APLICACIÓN

Transferencias, accesos y control de archivos. Documentos y manipulación de los trabajos.

B

CAPAS PRESENTACIÓN CAPA 7 APLICACIÓN

CAPAS SESIÓN

:;IRAÍSPORTE.;; CAPA 3 RED

CAPA 2 ENLACE

CAPA 2: ENLACE

Control de llamadas y transparencia de los datos transmitidos.

CAPA1 FÍSICA

CAPA i: FÍSICA Interfases de redes eléctricas -y mecánicas.;.'

CAPA 2 ENLACE CAPA 1 FÍSICA

La comunicación entre el Nivel de Campo y Procesos con el Nivel de Control utiliza protocolos conformados por las capas de: Aplicación, Enlace y Física, y sus tramas tendrán una estructura que inician y concluye con los bytes asociados a la Capa Física, posteriormente los bytes asociados a la Capa Enlace y Luego los de la Capa de Aplicación y los DATOS que se transfieren de un Nivel a otro de la red, tal como se muestra a continuación.

Trama del Transmisor Inteligente |¡|Sa'pS¡S J!| = ; ;

Capa 2

i5ilp|®oill


Capa 7

Capa 2

Capa 1 32/32



Los DATOS que se transfieren entre el Nivel de Campo y Procesos y el Nivel de Control, podrán ser paquetes de información de tamaños variables y utilizando cables de par trenzado podrán cubrir distancias de hasta 1600 metros sin el uso de repetidores. Los fabricantes consideran hasta un máximo de cuatro repetidores en distancias máximas de 1900 metros entre cada repetidor. En términos generales los protocolos de comunicación que utilizaran los transmisores inteligentes y las tarjetas maestras, deberán describir una red de comunicaciones abiertas, digital, multipunto para dispositivos inteligentes de campo y automatización de sistemas que se utilizan en la industria. Serán sistemas de comunicación totalmente digital, serial, bidireccional usado para conectar dispositivos aislados de campo tales como: Transmisores, Convertidores, Transductores, para la medición y control hasta los sistemas supervisónos. Cada dispositivo podrá realizar funciones simples tales como: diagnósticos, control, monitoreo de procesos y funciones de mantenimiento, así como, funciones bidireccionales de comunicación. La norma ANSI/ISA-S50.02-1992 aprobada el 17 de Mayo de 1994, que trata * del medio físico para la realización de las interconexiones de los transmisores inteligentes y la tarjeta maestra son. • • • • • • •

Transmisión de Datos solamente digital. Comunicación bidireccional. Código Manchester. Modulación de Voltaje (Acoplamiento Paralelo). Velocidades de transmisión de: 31,25 Kb/s, 1,0 Mb/s, 2,5 Mb/s. Bus con energía, no intrínsicamente segura. Bus con energía, intrínsicamente seguro.

El nivel de instrumentos conectados a los buses de campo tienen una velocidad normalizada de 31,25 Kb/s, y los cables utilizados de acuerdo a los requisitos de la norma ISA-S50.02 para conectar los equipos con una tensión de alimentación comprendida entre 9 a 32 VDC puede ser un simple par de cables trenzados con blindaje, atendiendo los siguientes requisitos mínimos a 25°C. • • • • •

Zo (31,25 Kb/s) = 100 ohmios +/- 20%. Atenuación máxima (39 Khz.) = 3.0 dB/Km. Máxima capacidad no balanceada del blindaje = 22 ohmios/Km. Área seccional del conductor = nominal 0,8 mm2 (# 18 AWG). La cobertura mínima del blindaje deberá ser mayor o igual al 90%.

La comunicación entre la tarjeta maestra instalada en el PLC y los transmisores inteligentes se hace en la Topología Maestro-Esclavo, en esa topología el maestro ejecuta una pregunta que leerán todos los esclavos y el esclavo seleccionado responderá al maestro. Bajo esta topología y con las consideraciones de los bytes asociados a la Capa de Aplicación, Capa de Enlace y Capa Física en las siguientes figuras se muestra esta comunicación entre la tarjeta maestra instalada en el PLC y los transmisores instalados en campo. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Modbus:


REQUISICIÓN (Pregunta a TODOS los esclavbs) 'Comunicación. Serial;;

Maestro

Esclavos

CRC; el maestro transmite CRC para control de error en el esclavo REQUISICIÓN Arranque

3A

Dirección

03

Función

11

RESPUESTA

DG

25 15

Datos

CRC

Fin


34/34


Modbus:

':¡.'.:••-.'•-.

- .';.•':•..':•:

• •

'...'•


RESPUESTA (Del esclavo que fue requerido)

•- _

. ••.

' . - . - , . : . ; ..-;-..

.

. v . . . .

.-•:,.•;

. . . . . .

i

:

.

...

••.,:

f

•...,..

*

Comunicación Serial Comunicación Serial

CRG: el esclavo transmite CRC para control de error en el maestro

REQUISICIÓN Arranque Dirección

ESPUESTA

3A

03 3A

] DD

Función

I

MU Datos

E5F~|

mm

°3

|

no P^l

21

CRC 03 3A

Fin

r^n


P* | 07

I. |

IB^l 35/35



Comunicación en Protocolo Modbus (Trama en modoASCCI)

Arranque Dirección Función LRC

END

Maestro

Dirección

Trama Modbus

Función Datos

Esclavo

Trama del Transmisor Inteligente

jl!!! Capa 2

DATOS

Capa 7

Capa 2

Capá 1

Al observar las dos figuras se comprueba la conformación de la trama del protocolo de comunicación que utiliza el transmisor inteligente y donde de las mismas se podrán identificar: Capa Física: Inicia la trama con un byte de arranque (3A) y esta al final de la misma con dos byte que marcan la culminación de transmisión. Capa de Enlace: Prosigue a la Capa Física y en la trama del protocolo de comunicación esta conformada por dos byte que identifican la dirección del equipo, y dos byte para determinar el control de errores y hasta números de tramas enviada en la transmisión. Capa de Aplicación: Contiene los Bytes que determinan la función que es ese instante se esta cumpliendo en los equipos que se están comunicando, podrá tener tantas aplicaciones como los diseñadores del protocolo consideren importantes para darle mas poder a la comunicación bidireccional. Conjuntamente con los bytes de la aplicación se transportan los DATOS. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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En la siguiente figura se identifican los bytes asociados a cada una de las capas que considera el protocolo de comunicación y que ¡nterconectan las transmisiones de DATOS entre el Nivel De Campo y Procesos donde están los transmisores inteligentes con el Nivel de Control donde están los PLC. Comunicación en Protocolo Modbüs (Trama en modo ASCCI)

Arranque A Arranque

Dirección Función

Dirección

Maestro

Datos

LRC

Í^

END

Función Datos

Esclavo CAPA APLICACIÓN •Función • + DATOS. CAPA ENLACE: •Dos Byte de Dirección. •Dos Byte Control de Enlace LRC. CAPA FÍSICA: •Un Byte dé Arranque (3A). •Dos Byte Fia END (21,03}

Como un ejemplo de uno de los protocolos de comunicación entre el Nivel de Campo y Procesos y el Nivel de Control se muestran detalles del protocolo Modbus, para determinar los bytes asociadas a las Capas: Física, Enlace y Aplicación a este protocolo y así analizar el funcionamiento del mismo.

5. PROTOCOLO MODBUS En los laboratorios de Instrumentación y Control del Departamento de Electricidad del IUT Cumaná, varios docentes han desarrollados diferentes trabajos de investigación utilizando este protocolo de comunicación entre los transmisores inteligentes y diferentes arreglos electrónicos que han desarrollados para funcionar como maestros. Algunos de esos trabajos son referencias de información contenido en esta sección de este capitulo. Para la consecución de la integración de todas las actividades industriales fueron desarrolladas las redes de comunicaciones industriales, que buscan la Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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creación y desarrollo de esquemas de comunicación universal. En una red industrial coexisten equipos y dispositivos de todo tipo, los cuales suelen agruparse jerárquicamente para establecer conexiones lo más adecuadas a cada área. De esta forma se definen tres niveles dentro de una red industrial. Las redes industriales se basan en los estándares de bus de campo, los cuales integran el proceso de adquisición de datos y los transmite a niveles gerenciales, logrando así la comunicación. El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Está basado en procesadores simples y utiliza un protocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Modbus se define como un protocolo de comunicación de topología Maestro-Esclavo. Se muestra en la siguiente figura la ubicación del protocolo Modbus en la red y permite la interconexión entre la tarjeta maestra instalada en el PLC y los transmisores inteligentes conectados en campo midiendo las variables operacionales de los equipos que conforman las instalaciones industriales. Modbus, Fielbus: protocolos de comunicación del Nivel de Campo

Otros PC Clientes

La topología Maestro-Esclavo funciona mediante un dispositivo (maestro) Tarjeta Electrónica ubicada en el PLC que indica cuando puede comunicar cada dispositivo (esclavos) que son los transmisores inteligentes. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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Este protocolo define mensajes estructurados que los controladores reconocerán y usarán, sin tener en cuenta el tipo de redes por la cual ellos se comunican. Describe el proceso mediante el cual el controlador solicita acceso a otro dispositivo, cómo solicita el acceso desde otros componentes y cómo los errores pueden ser reportados y detectados. Establece un formato común para el trazado y los contenidos de los mensajes en los campos. El Protocolo Modbus está provisto de un criterio interno que el controlador usa para analizar los mensajes. Durante la comunicación, con la red Modbus, el protocolo determina cómo cada controlador sabrá la dirección del equipo, cómo reconocer el mensaje, dirección de éste, el tipo de acción que debe tomar y extrae cualquier dato u otra información contenida en el mensaje. Si se requiere una repetición, el controlador construirá una réplica del mensaje. Transacciones en Redes Modbus Los controladores se comunican usando la técnica de Maestro/Esclavo en la cual sólo un equipo (el maestro) puede iniciar transacciones (llamadas preguntas). Los otros equipos (los esclavos) responden suministrando datos ah maestro, o tomando la acción requerida en la pregunta. Los equipos maestros típicos incluyen procesadores anfitriones y paneles de programación. Los esclavos típicos incluyen controladores programables. El maestro puede iniciar la transmisión del mensaje a todos los esclavos a través de "La Pregunta". Los esclavos devuelven el mensaje (llamado "La Respuesta") para la pregunta que son direccionadas a ellos individualmente. Las respuestas no son devueltas para transmitir señales desde el maestro. El protocolo Modbus establece el formato para las preguntas del maestro con el fin de colocarlas dentro del equipo (o transmisor) direccionado, el código de la función que define la acción requerida, cualquier dato a ser transmitido, y el campo de chequeo-error. El mensaje de respuesta del esclavo es también construido usando el mismo protocolo. Este contiene varios campos que confirman la acción tomada, cualquier dato devuelto, y un campo de chequeoerror. Si ocurre un error en la recepción del mensaje, o el esclavo es incapaz de ejecutar la acción requerida, este construirá un mensaje de error y lo enviará como su respuesta.

Estructura del Mensaje Modbus Los controladores se pueden configurar para la comunicación en redes Modbus usando cualquiera de los dos modos de transmisión: ASCII o RTU. El usuario selecciona el modo, junto con los parámetros de comunicación de puerto serie (proporción de baudio, modo de paridad, etc.), durante la configuración de cada controlador. El modo y los parámetros seriales deben ser los mismos para todos los dispositivos de la red Modbus. La selección de modo ASCII o modo de RTU sólo pertenece a las redes de Modbus. Éste define los bits contenidos en los campos de mensaje transmitido serialmente en dichas redes. Este determina como la información será empaquetada y decodificada dentro del campo del mensaje. En cualquiera de los dos modos de transmisión serial (ASCII o RTU), el mensaje Modbus es colocado por la transmisión de Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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dispositivos dentro de la estructura que es conocida como inicio y punto final. Esto permite a los dispositivos receptores, comenzar en el inicio del mensaje, leer la porción de dirección y determinar cual dispositivo es direccionado (o todos los dispositivos si el mensaje es transmitido), y conocer cuando el mensaje está compuesto. Los mensajes parciales pueden ser detectados y los errores pueden ser puestos como resultados. ¿Cómo se Maneja el Campo de Dirección? La dirección del campo de un mensaje estructurado contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Las direcciones de los dispositivos esclavos están en el rango de 0-247, en la práctica hasta 16 esclavos máximos. A los dispositivos esclavos se les asignan direcciones individuales con el rango de 1-247. Un maestro se dirige a un esclavo poniendo la dirección del esclavo en el campo de dirección del mensaje. Cuando el esclavo envía su respuesta, pone su propia dirección en este campo de dirección de la respuesta para permitir al maestro saber que esclavo está respondiendo. La dirección O se usa para la dirección de transmisión que todos los dispositivos esclavos reconocen. ¿Cómo se Maneja el Campo de la Función? El campo de código de la función del mensaje estructurado contiene 2 caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Los códigos están en el rango de 1-255 en todos los controladores, mientras algunos códigos se aplican a algunos modelos, otros son reservados para uso futuro, es decir, se podrán clasificar hasta 255 funciones diferentes de ser necesarias en el futuro. Cuando un mensaje es enviado de un maestro a un dispositivo esclavo, en el campo de la trama, con la función le dice qué tipo de acción debe tomar el esclavo. Como ejemplos de las funciones se tienen: leer los estados ON/OFF de unos grupos de entradas o salidas discretas; leer el contenido de un grupo de registros; leer el estado de diagnóstico del esclavo; escribir registros o salidas diseñadas; para permitir cargar, grabar (Calibrar) o verificar el programa dentro del esclavo. Cuando el esclavo responde al maestro, usa en el campo de la trama el mismo código de la función para la respuesta normal, es decir, el esclavo ratifica en la respuesta que función le asigno el maestro, o que ocurrió algún tipo de error (llamada una respuesta exceptuada). Para una respuesta normal, el esclavo simplemente es un eco de la función original. Para una respuesta exceptuada, el esclavo devuelve un código que es equivalente al código de la función original con el bit más significativo puesto a 1 lógico. Por ejemplo, un mensaje que el maestro envía al esclavo, de lectura de un grupo de registro de memoria, tendría el código de función siguiente: 0000 0011 (03 en hexadecimal). Si el dispositivo esclavo toma la acción pedida sin error, devuelve el mismo código en su respuesta. 0000 0011 (03 en hexadecimal). Si ocurre una excepción, devuelve: 1000 0011


(83 en hexadecimal).

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Además de la modificación del código de la función para una respuesta exceptuada, el esclavo coloca un único código dentro del campo de datos del mensaje de la respuesta. Esto le dice al maestro que tipo de error ocurrió, o la razón para la excepción. El dispositivo maestro tiene la responsabilidad de aplicar programas para las respuestas de excepción. Los procesos típicos son anunciar reintentos subsecuentes del mensaje, probar mensajes de diagnóstico al esclavo y notificar a los operadores. Contenido de los Campos de Datos Los campos de datos se construyen usando juegos de 2 dígitos, en el rango 00-FF en hexadecimal. Estos pueden hacerse de un par de caracteres ASCII, o del carácter RTU, según las redes del modo de transmisión serie. El campo de los datos de mensaje enviado de un maestro a un dispositivo esclavo, contiene información adicional de la acción que el esclavo debe tomar definida por el código de la función. Esto puede incluir artículos discretos y registros direccionados, la cantidad de artículos que son manejados y la cantidad de bytes de datos reales en el campo. Por ejemplo, si el maestro solicita al esclavo para leer un grupo de registros de memoria (código de función 03), el campo de datos especifica el registro de arranque y cuántos registros serán leídos. Si el maestro solicita al esclavo para escribir un grupo de registros (código de función 10 en hexadecimal), el campo de datos especifica el registro de arranque, cuántos registros escribirá, la cantidad de bytes de datos, y los datos a ser escritos en los registros. Si no ocurre ningún error, el campo de los datos de una respuesta de un esclavo a un maestro contiene los datos pedidos. Si ocurre un error, el campo contiene un código de la excepción que la aplicación del maestro puede usar para determinar la próxima acción que debe tomar. El campo de datos puede ser inexistente (longitud cero) en ciertos tipos de mensaje. Por ejemplo, en una demanda de un dispositivo maestro a un esclavo responde con su función código OB en Hexadecimal, el esclavo no requiere información adicional. La función código sólo especifica la acción. Chequeo CRC El campo de CRC es igual a dos bytes conteniendo un valor binario de 16 bits. El valor de CRC es calculado por el dispositivo transmisor que añade el CRC al mensaje, y compara el valor con un valor real que recibió en el campo de CRC. Si los dos valores no son ¡guales el resultado es un error. El CRC es inicializado en un registro precargado de 16 bits con todos los bits a 1. Entonces empieza a aplicar 8 bit sucesivos del mensaje a los contenidos actuales del registro. Se usan sólo 8 bits de datos en cada carácter, para generar el CRC. Los bits de inicio y parada, y la pandad no se aplican al CRC. Durante la generación del CRC, se realiza una operación XOR entre cada carácter de 8 bits y los contenidos del registro. Entonces el resultado se cambia en la dirección del bit menos significativo (LSB), con un cero llenado en la posición del bit más significativo (MSB). El LSB se extrae y se examina. Si el LSB es un 1 entonces se realiza una operación XOR del registro con un valor prefijado. Si el LSB es Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

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cero no se realiza la operación XOR. Este proceso se repite hasta que 8 cambios se han realizado. Después del último cambio (octavo), se realiza una operación XOR entre el próximo byte y el valor actual del registro, y el proceso se repite para 8 cambios más como se describió anteriormente. Los contenidos finales del registro, después de todo se han aplicado a los bytes del mensaje, es el valor del CRC. La Pregunta del Maestro En primer lugar envía los bit de la Capa Física para informarle a los esclavos el inicio de la comunicación. En segundo lugar define la dirección del esclavo a quien pregunta. En tercer lugar define el código de la función en la pregunta que dice al dispositivo esclavo que tipo de acción debe ejecutar. Los bytes de datos que acompañan la función proporcionan la información adicional que el esclavo necesitará para ejecutar la función requerida por el maestro. Por ejemplo, la función código 03 preguntará al esclavo para que lea los registros de memoria y responda con sus contenidos. El campo de datos que acompañan la función debe contener la información que diga al esclavo cual será el primer registro a leer y cuantos registros a partir de allí se leerán. Eh campo de chequeo de error CRC (Capa Enlace de la trama) provee un método al esclavo para validar la integridad de los mensajes contenidos, cada trama enviada concluye con los bit de la Capa Física que marcan el final. Nombre del Campo

Ejemplo (Hex)

RTU (8 bit)

Dirección del Esclavo

06

00000110

Función del Esclavo

03

00000011

Dirección Alta de Arranque

00

00000000

Dirección Baja de Arranque

6B

01101011

# de Registro Alto

00

00000000

# de Registro Bajo

03

Verificador de Error (CRC)

16 bit

'::^

00000011 16 bit

La Respuesta del Esclavo En primer lugar envía los bit de la Capa Física para informarle al maestro el inicio de la comunicación. En segundo lugar responde el esclavo seleccionado identificando su dirección. En tercer lugar envía al maestro la señal donde ratifica la función por el seleccionada, es decir, la función código en la respuesta del esclavo es un eco de la función código de la pregunta del maestro. Los bytes de datos que acompañan la función contienen los datos colectados por el esclavo, semejantes a valores de registros o estados, y posteriormente envía los DATOS requeridos por el maestro. Si ocurre un error, Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

t

42/42



la función código es modificada para indicar que la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un código que describe el error. Posteriormente sigue el campo de chequeo de error CRC (Capa Enlace de la trama) permite al maestro confirmar que los contenidos del mensaje son válidos, y finalmente concluye con los bit de la Capa Física que marcan el final. Nombre del Campo

Ejemplo (Hex)

RTU (8 bit)

^:p;

Dirección del Esclavo

06

Función del Esclavo

03

00000011

06

00000110

02

00000010

2B

00101011

00

00000000

00

00000000

00

00000000

Contador de Byte que Transmite Dato Alto

Á

'

Dato Bajo

/^

+

Hafn A|fn

Dato Bajo

/

^^-

DATOS (U6 byte)

Dato Alto Dato Bajo

63

.r

Verificador de Errores (CRC)

m.

00000110

01100011

16 bit

16 bit

Formatos de las funciones Modbus. Código de las Funciones Soportadas por los Controladores Código

: ; . " , . ;"; ;' ':: • • :/ :'!: / " : " :

:". • •.;' Función ?:S^||;;;;^> g|jl|¡||;:::;

01

Leer Estado de Salidas Binarias

02

Leer Estados de Entradas Binarias

03

Leer Registros Estáticos

04

Leer Registros de Entrada

05

Forzar a uno una Salida Binaria

06

Escribir en un Registro de Salida

07

Leer Estado de Excepción

08

Diagnóstico de Error

11

***********************************

15

Forzar a uno Múltiples Salidas Binarias

ñi&s^

Escribir en Múltiples Registros de Salida


43/43



Función 01: Leer Salidas Binarias. El Maestro realiza una petición de lectura de salidas binarias, espera la respuesta desde el Esclavo y si esta se produce, extrae la información desde la trama y la presenta bajo la forma de una tabla de bits. El modelo generalizado para una pregunta (P) realizada por el maestro y una respuesta (R) del esclavo seleccionado para leer salidas binarias de un dispositivo esclavo (ID) se muestra a continuación.

Leer bloque d© salidas binarias SB P: |

ID |.,:;'0t;g| DiH . DIL [ NSBH

R; | ÍO

| .01

|

n ]81

NSBÍ. r|li|If"IlI

I 8" I

'82J-;

NSBH B1,B2,..*Bn:

DIH * DIL. Dirección inicial n, numero de bytes

¡ iS|
binarias

Datos

Función 02: Leer Bloque de entradas binarias. El Maestro realiza una petición de lectura de entradas binarias (estados ONOFF), espera la respuesta desde el Esclavo y si esta se produce, extrae la información desde la trama y la presenta bajo la forma de una tabla de bits. En la siguiente figura se muestra el modelo generalizado para una pregunta (P) realizado por el maestro y una respuesta (R) del esclavo seleccionado para leer bloque de entradas binarias de un dispositivo esclavo (ID).

Leer bloque de entradas binarias EB

P;

ID

. :; ,: 02

DIH

DIL B1

R:

DIH •> DIL. Dirección inicial n. numero ae bytes

NEBH NEBL 8:2 NEBH * NEBL Numero cte entradas binarias Bl,8JL..Bit Datos

Función 03: Leer Bloque de Registro de Salida. El maestro realiza una petición de lectura de registro de salida al esclavo y espera la respuesta desde el esclavo y si esta se produce, extrae la información desde la trama y la presenta bajo la forma de una tabla de palabras de 16 bits. En la siguiente figura se muestra el modelo generalizado para la pregunta (P) realizada por el maestro y la respuesta (R) que ejecuta el Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

44/44



esclavo seleccionado, para que el maestro pueda leer bloque de registro de salida de un dispositivo esclavo (ID).

| O» Leer bloque de registros de salidas RS

P: | 10

:.,Ó£|| OiH

R: | 10

03 | 2n

DIL | NRSH VIH

V1L

DIH-DSL. Dirección inicial n. numero de-byies •

NRSL

| ÍjjjÍj¡

v:í::.-..'::,:í:;::.:;T

¡|m:

VnL |í;;.^l|Í^á| NRSH'NRSL Numero de^registros dé salida V1H-V1L ,.., VtíH-VnL Datos (1 byíes por rsgislro)

Función 04: Leer Bloque de Registro de Entrada. El maestro realiza una petición de lectura de registros de entrada al esclavo y" espera la respuesta desde el esclavo y si esta se produce, extrae la información desde la trama y la presenta bajo la forma de una tabla de palabras de 16 bits. En la siguiente figura se muestra el modelo generalizado para una pregunta (P) realizada por el maestro y la respuesta (R) del esclavo seleccionado para leer bloque de registro de entrada del esclavo (ID).

Leer bloque de registros de entrada RE P:

ID

R;

ID

04-

I OiH

DIL

NREH

2n

VIH

VIL

DIH - D!L iftóai n. numero de byies

VnH NREH * NREL V1H*yiL.... VnH»VflL

de registros de entrada (2 bytes por registro)

Función 05: Modifica un Estado de Salida Binaria. El maestro realiza una petición del Registro de Salida Binaria del Esclavo y una vez que lee el mismo, cambia los estados lógicos "1" por "O" del valor del Registro de Salida del Esclavo y si esta se produce, verifica la confirmación. En la siguiente figura se muestra el modelo generalizado para una pregunta (P) hecha por el maestro y una respuesta (R) del esclavo seleccionado para modificar una salida binaria de un dispositivo esclavo (ID).


45/45



Modifica una salida binaría SB P; I

10

[lijljil DH I OL I FF/DO

1

ID

1

R:

DH- OL:

;;:05:; |

DH OL

1 FF-OO: *

| FF/ÜQ

Dirección de salida binaria

..

:

:

:

:

:

f :

. "v ^ •• l,.;-:.: ^¿ í;>--:¿v:- -

00-00:

Puesta a *1" Pyesta a

Función 06: Modifica un Registro de Salida. El maestro realiza una pregunta al esclavo seleccionado y una vez que lee la respuesta del esclavo, el maestro cambia los DATOS (Calibración) del valor de un Registro de Salida del Esclavo. En esta función el maestro espera la respuesta desde el esclavo y si esta se produce, verifica la confirmación. En la^ siguiente figura se muestra el modelo generalizado para una pregunta (P) realizada por el maestro y una respuesta (R) del esclavo seleccionado para modificar una salida binaria de un dispositivo esclavo (ID).

Modifica un registro de salida RS

P:

ID

Q6:l| DH

DL

R;

10

DH

DL

DH * OL:

registro

efe salida

VH

VH * VL:

Dalo

Función 15: Modifica Bloque de Salidas Binarias. El maestro realiza una pregunta al esclavo para modificar el Bloque de Salidas Binarias que recibe del esclavo, espera la respuesta desde el esclavo y si esta se produce, verifica la confirmación. En la siguiente figura se muestra el modelo generalizado para una pregunta (P) realizada por el maestro y una respuesta (R) del esclavo seleccionado para modificar bloque de salidas binarias de un dispositivo esclavo (ID).


46/46



Modifica bloque de salidas binarias SB

15

DíL | NSBH

P; | ID |fpF|| OIH

R: 1 ID

1 OF

DIH •Di L. n.

| DIH | oiL INSBH

Bn

J$Bl| n | B1 82 NSBL l!ii3IIlililí

Dirección inicia numero de bytes

NSBH • NS8L: 81 , 82, ,.. , Bn:

Numero de Datos

Función 16, Modifica registro de salida. El maestro realiza una petición de modificar el Registros de Salida del esclavo, espera la respuesta desde el esclavo seleccionado. En la siguiente figura se muestra el modelo generalizado para una pregunta (P) realizada por el maestro y una respuesta (R) del esclavo seleccionado para modificar bloque dé salida binaria de un dispositivo esclavo (ID):

Modifica bloque cié registros de salida RS P:

R;

*

ID

I :|° : *

01H

I Pil DIL | :NRSH | HRSl

DIH - DIL Dirección n; numero tía bytes

VIH } V1L

VnH

VriL

J NRSH * NRSL: Hymero de V1H-V1U...,VnHAftt: Datos

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Generación del CRC. El Campo Comparador de Redundancia Cíclica (CRC) está en 2 bytes, un valor binario de dieciséis (16) bits. El valor CRC es calculado por el dispositivo transmisor, quien añade el CRC al mensaje. El receptor, recalcula un nuevo CRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con el valor actual recibido en el campo CRC del mensaje. El CRC es inicializado en principio como un registro de 16 bits, llevados a uno es decir, con un valor hexadecimal FFFF (1111.1111.1111.1111). Entonces comienza el proceso de aplicar 8 bits del mensaje sucesivamente al contenido actual del registro. Sólo el octavo bit de dato de cada carácter es usado para generar el CRC. Los bits de arranque y parada, y el de paridad, no son aplicados al cálculo del CRC. Durante la generación del CRC, se realiza una operación XOR de cada palabra de 8 bits con el contenido del registro. Entonces el resultado es desplazado al orden del bit menos significativo (LSB) con un cero ocupando la posición del bit Capitulo XI: Transmisores Inteligentes ,

47/47



más significativo (MSB). El LSB es extraído y examinado. Si el LSB fue un "1" entonces se realiza una operación XOR entre el registro y un valor de preselección fijo. Si el LSB fue un cero "O" se desplaza a la derecha, el registro y se vuelve a comparar. Este proceso es repetido hasta que se hayan realizado ocho desplazamientos después del último cambio (octavo), se realiza una operación XOR entre el próximo carácter de 8 bits y el valor actual, y el proceso es repetido para ocho desplazamientos más, como fue descrito anteriormente. El contenido final del registro, después de que todos los mensajes hayan sido aplicados, es el valor del CRC. El procedimiento para generar un CRC es el siguiente: 1. Cargar un registro de 16 bits con FFFF hex. (Todos a nl"). Llamar a éste CRC. 2. Hacer XOR del primer byte del mensaje con el byte bajo del registro CRC, poniendo el resultado en el mismo CRC. 3. Desplazar el registro CRC un bit a la derecha (Hacia el LSB), llenando con cero el MSB. Extraer y examinar el LSB. 4. (Si el LSB fue 0): repetir 3 (otro desplazamiento) Si el LSB fue 1: Hacer XOR del registro CRC con el valor polinominal (A001) hex. (1010.0000.0000.0001). 5. Repetir el paso 3 y 4 hasta que se haya ejecutado el octavo desplazamiento. Cuando esto se haya ejecutado, un byte completo ha sido procesado. 6. Repetir desde el paso 2 hasta el 5 para el próximo byte del mensaje. Continuar haciendo esto hasta que todos los bytes hayan sido procesados. 7. El contenido final del registro CRC es el valor del CRC. 8. Cuando el CRC es colocado dentro del mensaje, mayores y menores bytes serán cambiados como está descrito más adelante. Este procedimiento para calcular el CRC podra ser equivalente en otros protocolos inclusos en protocolos de niveles superiores.

Colocando el CRC dentro del mensaje. Cuando el CRC (2 Bytes) es transmitido en el mensaje, el byte bajo será transmitido primero, seguidamente el byte alto, por ejemplo, si el valor CRC es 1241 hex. (0001.0010.0100.001). Secuencia de bytes del CRC: D¡^

Función

# d Datos gfDAfíísJii

CRC Bajo

CRCAlto

Todos los posibles valores del CRC están precargados en dos arreglos (arrays), los cuales son simplemente indexados como la función de incrementos hasta el fin del buffer del mensaje. Un array contiene todos los Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

48/48



posibles 256 valores CRC para el byte alto de campo del CRC y el otro contiene todos los valores para el byte bajo ¡ndexado el CRC en este rumbo proveería una rápida ejecución que sería llevada a cabo para calcular el nuevo valor CRC con cada nuevo byte del buffer de mensaje. Nota: Esta función efectúa el cambio del alto / bajo byte CRC internamente. Los bytes están ya cambiados en el valor CRC que es devuelto de la función. Además el valor CRC devuelto de la función puede ser colocado directamente en el mensaje para transmisión. Formato de Error. En la siguiente figura se muestra el formato de error.

Respuesta de error R; | ID |80*f::| 80*t Indicador de error (8QH OR función) TE; 01 Función ilegal 02 Dirección itega! 03 Dalo ilegal

04

Falla en el esclavo

La comunicación entre el Nivel de Campo y Procesos que ejecutan los transmisores inteligentes con el Nivel de Control que ejecuta la tarjeta maestra instalada en el PLC se ejecutara con protocolos de comunicación conformados por las capas de: Aplicación, Enlace y Física, y sus tramas tendrán una estructura que inician y concluye con los bytes asociados a la Capa Física, posteriormente los bytes asociados a la Capa Enlace y Luego los de la Capa de Aplicación y los DATOS que se transfieren de un Nivel a otro de la red, tal como se muestra a continuación. Trama del Transmisor Inteligente Capa 2

Capa 7

Capa 2

Capa 1

Las tramas de comunicación de los protocolos de comunicación que interconectan El Nivel de Campo con El Nivel de Control tendrán estructuras equivalentes a las mostradas en con el protocolo Modbus. El universo de aplicaciones utilizando todas las posibles funciones que se puedan integrar para darle mas poder de tomas de decisiones y control serán las diferencias. Mejor utilización del sistema de comunicación, sin embargo, la información proporcionada por el protocolo Modbus sera un piso adecuado para iniciar erl aprendizaje de otro modo de interconectar el Nivel de Campo con el Nivel de Control. Capitulo XI: Transmisores Inteligentes

,

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49/49




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í CAPA 7: APLICACIÓN:

CAPA 7 APLICACIÓN


B

CAPA 6 PRESENTACIÓN CAPA 7 APLICACIÓN

CAPAS SESIÓN

::'"CAPA4 ;;|f;\r|
: |OS#.

CAPAS RED CAPA 2 ENLACE

CAPA 2: ENLACE


^ C A P A t - ••'••'•••.•:' : FÍSICA

;

CAPA 1 : FÍSICA Interfases de

: .. - . " • ' : ' : • . . ' v / : . .S-eléctricas y mecánicas,:; ^v^giyr:"

í

CAPA 2 ENLACE

CAPA1 : 1

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FÍSICA,.;: ;-,- ;v ;

Trama del Transmisor Inteligente Gapa 1

Capa 2

f;lÍP


Capa 7

Capa 2

Capa 1

50/50

REDES DE CONTROL 1. Redes de Control 1.1.

Nivel de Campo y P r o ees os. M

. .• . • . . : WSn

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.:.:,:::::v:;1.3v;v^

2.1.

Tramas Modbus y Ethernet

24

3. Modelo TCP/IP

29

3.1.

Arquitectura TCP/IP

31 -

3.2.

Capa Transporte (TCP)

32

3.3.

Capa Red (IP)

35

4. Hardware de los PLC.

Capitulo XII: Redes de Control

,

..38



1. REDES DE CONTROL La aplicación de las Redes de Control en este libro se hace teniendo toda la atención y el interés en las instalaciones industriales, considerando en primer lugar que será en el paquete de las aplicaciones que facilita el software de los "Controladores Lógicos Programables" PLC donde estarán los Controladores PID, y que serán los bloques de las aplicaciones de los controladores PID junto con la construcción de programas en los PLC como se cerraran los lazos de control de las diferentes topologías (Lazos de Control: Simple, Cascada, Cascada + Feeforward, Override, Inferencia!, Selectivo) que se desarrollan para controlar y proteger las variables operacionales representativas de los diferente equipos industriales. La gráfica de la figura anterior muestra un ejemplo de la arquitectura de las Redes de Control Industrial que se pretende mostrar en este capitulo de "Redes de Control", donde la mayor parte de la atención estará en analizar los equipos que conforman la red y que permiten la transferencia de los DATOS entre el Nivel de Campo y los (PLC) y entre el PLC y el servidor de la Sala de Control de la instalación industrial y que están en el Nivel de Control. Se atenderá el hardware y software de los PLC, así como las conformaciones de las tramas de los protocolos ControlNet y Ethernet que permiten la transferencia de los datos entre los equipos del Nivel de Control donde están ubicados los PLC y el Nivel de Gestión donde estará el servidor de la red, se atenderá la información de las capas del Modelo de Referencia ISO que propone el modo de cómo se ejecuta la interconexión y las transferencias de DATOS entre los diferentes equipos que integran una red, y la interconexión de diferentes redes, las cuales podrán estar hasta largas distancias entre ellas. Se deja para los expertos en sistemas e informática la atención de la red de datos de área local LAN (Local Área Network) corporativas, las diferentes topologías de las mismas y modos de conexión entre redes corporativas para formar una red de área extensa WAN (Wide Área Network) y de las cuales no cubre la atención, ni la información de este libro. Para la atención de los requerimientos del control industrial la tecnología basada en el uso de microcontroladores permitió conformar el hardware y el software de los Controladores Lógicos Programables (PLC), de los Transmisores Inteligentes, así como, los protocolos de comunicación que conjuntamente con su software hoy permiten la comunicación que existe entre diferentes PLC, la comunicación de la tarjeta maestra instalada en el PLC y los transmisores inteligentes conectados en campo, la conexión de diferentes instrumentos analógicos y discretos instalados en campo con las tarjetas electrónicas instaladas en el PLC para recibir estas señales, las tarjetas electrónicas que están en el PLC para controlar los elementos finales de control que regularan las diferentes variables operacionales asociadas a los equipos industriales, el desarrollo de software que soportan los programas para el automatismo, control de las variables operacionales y protección de las instalaciones industriales desde el PLC, hasta el desarrollo de protocolos de comunicación y programas que permiten la interconexión de los PLC instalados en el Nivel de Control hasta los Servidores que controlan la transferencia de datos en el Nivel de Gestión, hasta las interconexiones de redes a Nivel de Gestión.




Estos desarrollos tecnológicos hace posible transportar toda la información que los transmisores inteligentes, transmisores analógicos, e instrumentos discretos que están conectados en las instalaciones industriales en el Nivel de Campo envían hasta los PLC en el Nivel de Control y desde los PLC se envían estos datos hasta las sala de control de las instalaciones industriales donde podrán monitorearse y registrarse todas estas variables de interés de la planta industrial, estos desarrollos tecnológicos permiten la interconexión de la Sala de Control de las instalaciones industriales con la red corporativa en el Nivel de Gestión y en forma inversa y de ser necesario llevar la información de la sala de control hasta los PLC y desde los PLC hasta los instrumentos conectados en el Nivel De Campo y Procesos. Estos avances tecnológicos introdujo el concepto de red para ¡nterconectar todos los equipos involucrados en las aplicaciones industriales y de este modo aumentar su operacionalidad al incorporar los equipos que controlan y protegen las instalaciones industriales como parte integral de la red corporativa. La utilización de redes en las aplicaciones industriales prevé un significativo avance en las siguientes áreas: • • • •

Información para control de calidad y optimización del proceso. Software desarrollados para procedimientos de: mantenimiento/ inventarios, producción, control estadísticos, otros. Menores costos de instalación. Opciones de actualización tecnológicas.

Para la consecución de la integración de todas las actividades industriales fueron desarrolladas las redes de comunicaciones industriales, que buscan la creación y desarrollo de esquemas de comunicación universal. En una red industrial coexisten equipos y dispositivos de todo tipo, los cuales suelen agruparse jerárquicamente para establecer conexiones lo más adecuadas a cada área. De esta forma se definen tres niveles dentro de una red industrial: Nivel de Campo, Nivel de Control y Nivel de Gestión. La opción para la ejecución de sistemas de control basados en redes requiere un estudio para determinar cual es el tipo de red que posee las mayores ventajas de implementación. Surge la opción de la utilización de arquitecturas con sistemas abiertos, que al contrario de las arquitecturas propietarios donde un fabricante lanza productos compatibles solamente con su propia arquitectura de red, creando varias dependencias que se inicia en la tecnológica. Con las arquitecturas de red con sistemas abiertos se pueden encontrar más de un fabricante con equipos compatibles que podrán interconectarse para reemplazar a otro en la atención de la red. En la pirámide que representa los niveles de las redes industriales se tendrán: Nivel de Gestión, Nivel de Control y PLC, Nivel de Campo y Procesos. En el Nivel de Campo y Procesos estarán los equipos de instrumentación que miden e indican la magnitud de las variables operacionales de los equipos industriales conjuntamente con los elementos finales de control que las regulan, en el Nivel de Control estarán los PLC y la Sala de Control de las instalaciones industriales que podrá agrupar los datos de los PLC para cerrar los lazos de control, correr los programas que permiten la automatización, el control y las protecciones de Capitulo XII: Redes de Control

3



las instalaciones industriales y en el Nivel de Gestión estará la red corporativa. En la siguiente figura se presenta el esquemático de una arquitectura de redes que permite identificar los Niveles de Campo y Procesos, Nivel de Control y Nivel de Gestión, así como los protocolos de comunicación que permiten las transferencias de datos entre los diferentes niveles de la red. REDES DE CONTROL

Otros clientes

Nivel de Gestión y Redes

Nivel de Control y PLC

• Control Net •Ethernet

Linking Device

•Modbus

'"' Nivel de;::iil!;: Campo y Procesos

•Fielbus

1.1. NIVEL DE CAMPO y PROCESOS En el Nivel de Campo y Procesos es donde se encuentran los equipos industriales y donde están instalados e interactuando directamente con las variables operacionales, los transmisores inteligentes, los transmisores analógicos quienes envían las señales de realimentación hasta los PLC, los instrumentos discretos, los convertidores I/P que regulan las válvulas de control, los contactores para prender y apagar motores, válvulas solenoides, otros. Los equipos instalados en el Nivel de Campo desarrollados con tecnologías de microcontroladores (Transmisores Inteligentes, Flex I/O, Liking Device) podrán a través de diferentes protocolos de comunicación transferir los DATOS desde el Nivel de Campo hasta los PLC en el Nivel de Control. Los transmisores analógicos, los instrumentos discretos, los convertidores I/P que regulan las válvulas de control, y los contactores para prender y apagar motores y de no existir equipos de extensión (Flex I/O, Liking Device) se conectaran hasta los PLC a través de cables (un cable por cada transmisor, un Capitulo XII: Redes de Control



cable por cada instrumento discreto) con sus señales eléctricas características (4 a 20 mA, contactos ON-OFF), hasta las tarjetas respectivas de entradas analógicas o de entradas discretas del PLC. Las tarjetas de entradas analógicas y de entradas discretas del PLC tendrán la función de convertir estas señales analógicos y/o discretas en datos que se interconectaran al Bus de Datos del microprocesador y las tarjetas de salidas analógicas y salidas discretas tendrán la función de convertir los datos que envía el programa que corre el PLC en las señales de control de 4 a 20 mA para regular las válvulas de control, mientras que las señales ON-OFF energizaran los contactores que prenden y apagan los motores eléctricos, así como válvulas solenoides. Las redes de controles industriales estarán para atender los requerimientos de automatización, control y protección del conjunto de equipos que conforman la industria y esto lo hacen a partir de las señales de realimentación que proporcionan los diferentes transmisores y sensores instalados en campo, con los programas que corren los PLC para ejecutar los diferentes arreglos de control (Lazos de Control: Simple, Cascada, Override, Feedforward, etc) que compararan los valores reales de las magnitudes de las variables operacionales de campo con los valores deseados que están grabados en los controladores PID del bloque de aplicaciones de los PLC. En el PLC se correrán los diferentes arreglos de control y donde sus salidas irán como señales eléctricas al campo con la finalidad de controlar los elementos finales de control quienes regularan los valores de las variables operacionales en correspondencia a las señales de control que enviaron los controladores desde los PLC. Con la finalidad de identificar los equipos del Nivel de Campo (Transmisores y convertidores I/P) y los controladores PID utilizados en el Nivel de Control para conformar las diferentes topologías utilizando el software de los PLC, en las siguientes figuras y a manera de ejemplos se muestran algunos arreglos de control de algunos equipos en una torre de destilación en una refinería petrolera.




Los esquemáticos Procesos-Instrumentos presentados anteriormente muestran los siguientes arreglos de Control: Cascada, Cascada+Feedforward y Override, y donde las diferentes topologías de control se elaboraron en el Nivel de Control utilizando los bloques de aplicaciones y los programas desarrollados en Capitulo XII: Redes de Control



los PLC. En los PLC en el Nivel de Control correrán los programas de automatización y protección conjuntamente con las topologías de control, para los equipos de campo que conforman las instalaciones industriales. Para considerar la diferentes señales de los distintos equipos e instrumentos que están en el Nivel de Campo y que se interconectan con las diferentes tarjetas de entradas y salidas de los PLC con el proceso industrial se podrán identificar los siguientes equipos de campo: Transmisores analógicos, instrumentos discretos, convertidores I/P, contactores, válvulas solenoides, transmisores inteligentes, Flex I/O y Linking Device. Este conjunto de equipos de campo que se podrán interconectar con los PLC se muestra a continuación.

Linking Device

La figura anterior muestra una posible arquitectura de los equipos e instrumentos de campo que podrían estar interconectados con el PLC, y su finalidad esta para identificar las diferentes señales que entran y salen del PLC, las tarjetas electrónicas del PLC con atenciones especificas para cada tipo de señales, así como, el uso de los Transmisores Inteligentes, Flex I/O para control remoto de sala de maquinas, Linking Device para atención a distancia de arreglos de control utilizando transmisores inteligentes. Los transmisores inteligentes enviaran sus señales hasta la tarjeta maestra en el PLC utilizando protocolos Modbus, Capitulo XII: Redes de Control

7



Fieldbus, otros, y los Flex I/O y Linking Device enviaran sus señales hasta las tarjetas de comunicación en el PLC a través de los protocolos de comunicación: ControlNet, mediante los cuales se llevan y se traen los DATOS desde el PLC en el Nivel de Control hasta los equipos e instrumentos conectados en el Nivel de Campo. La identificación de las posibles señales y tarjetas del PLC será: (1) Entradas Discretas: Señales ON-OFF enviadas por: Térmicos, Fin de carreras, Pulsadores, Interruptores de: Presión, Temperatura, Caudal, Nivel, hasta tarjeta del PLC. (2) Salidas Discretas: Señales ON-OFF que salen del PLC para energizar las bobinas de los contactores para prender los motores. (3) Entradas Analógicas: Señales de 4 a 20 mA enviadas por los transmisores analógicos hasta la tarjeta del PLC. (4) Salidas Analógicas: Señales de control de 4 a 20 mA que salen del PLC para alimentar los convertidores I/P para regular las aperturas de las válvulas de control. (5) y (6) Tarjetas Maestras: Se comunican en protocolos de comunicación para transferir los DATOS hasta los transmisores inteligentes y convertidores I/P inteligentes conectados en campo. (7) Equipo Flex I/O: Equipo conectado en campo y que sirve de interfase entre el PLC y el conjunto de señales discretas (térmicos, pulsadores, fines de carrera, etc) que entran al Flex I/O y el conjunto de señales discretas que salen del mismo para energizar los contactores para prender ya apagar los motores. Se comunican con la tarjeta del PLC en protocolo ControlNet. (8) Linking Device: Habilita el intercambio de datos del programa de los controladores del proceso que corre el PLC y los Transmisores y Convertidores inteligentes de campo. Es como un arreglo de controladores remotos que funciona conjuntamente con los transmisores inteligentes y se comunica al PLC por ControlNet.

1.2. NIVEL DE CONTROL y PLC. En el Nivel de Control se encuentran los Controladores Lógicos Programables PLC que soportan las topologías de control y corren los programas para la automatización y protección de las instalaciones industriales. Los PLC reciben el conjunto de señales discretas: térmicos, fines de carrera, pulsadores de arranque y parada, interruptores de las diferentes variables operacionales, las cuales serán las señales que proporcionaran los contactos para diseñar las ecuaciones lógicas que permitirán el arranque, parada y protección de los equipos que conforman las instalaciones industriales. Estas ecuaciones lógicas diseñadas se podrán calcular utilizando mapas de Karnautg a partir de las señales discretas de entrada y teniendo como salida la señal lógica que deberá alimentar un bloque de aplicación en el PLC. Con los bloques de aplicaciones se desarrollara los arreglos de control para las secuencias de arranques y paradas Capítulo XII: Redes de Control

8



automáticas, así como las topologías de control que se alimentaran a partir de las señales de realimentación que proporcionan los transmisores conectados en campo. Con las señales de salidas de los diferentes arreglos de control se dispondrán de las señales que activaran los elementos finales de control en campo y/o señales de entradas programadas para la consecución del programa de automatización, protección y control de las instalaciones industriales. En los PLC en el Nivel de Control se correrán los programas de automatización y protección conjuntamente con las topologías de control, para los equipos de campo que conforman las instalaciones industriales. Las actividades antes mencionadas se desarrollan en el Nivel de Control con el uso de un PLC o con el uso de la interconexión de varios PLC quienes integraran las señales que reciben de campo y hasta los arreglos de control que conjuntamente utilizaran para cumplir sus funciones. La interconexión entre los PLC se hará bajo el protocolo de comunicación ControlNet y la interconexión del PLC Maestro que controla la instalación industrial con el Servidor de la Sala de Control donde se monitoreara y registraran todas las actividades de la industria se hará en protocolo de comunicación Ethernet. En la siguiente figura se muestra una posible topología del Nivel de Control. Nivel de Control Conexión entre PLC y la Sala de Control

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Será importante resaltar que los fabricantes de PLC disponen para el uso de los usuarios de sus equipos de un conjunto de librerías para las aplicaciones de automatización y protección de las instalaciones industriales y para la Capitulo XII: Redes de Control

9



conformación de los diferentes arreglos de control. Este conjunto de librerías de aplicaciones permitirán al programador de los PLC una variedad de herramientas que solo buscan optimizar la aplicación y el uso del programa que se construye para automatizar las instalaciones industriales. En las siguientes figuras se muestran las propuestas que hace un fabricante de PLC. SOFTWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES INDUSTRIALES

El editor de Bloques Funcionales y las instrucciones de control de Procesos le proveen las herramientas para usar el mismo controlador y el software de programación para todas las aplicaciones de su planta

SOFTWARE DESARROLLADOS PARA LAS APLICACIONES INDUSTRIALES 42 nuevas instrucciones que le proveerán de las herramientas necesarias para diseñar sofisticados controles de procesos y drives.

Instrucciones Procesos Alarma PID reforzado Rampa Balanza Posición Proporcional Tiempo Proporcional Llevar-retraso Generador de función Totalizador Tiempo-muerto Dispositivo de 2 y 3 Estados Discretos

Instrucciones de Drives

Filtro Paso/Alto • Multiplicador del Filtro Paso/Bajo pulso • Simulación de la Filtro de Banda Segundo Orden Curva • Pl Retrazos • Integrator Derivativos • Controlador de Segundo Orden • Acumulador Instrucciones Estadísticas • • • •


Instrucciones Futro

Promedio de Movimiento Desviación Normal Captura Mínima Captura del máximo

instrucciones Lógicas And Booleana Or Booleana Or Exclusivo Inversor NOT D Flip Flop JK Flip Flop instruc. Seiect/Limit • • • •

Selección Selección Negativa Multiplexer Limites H/L

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Se podrá observar de las gráficas anteriores que los fabricantes de PLC desarrollan tanto los protocolos de comunicación para interconectar los equipos, como también están ofreciendo paquetes de software como las librerías de Ediciones de Bloques funcionales para atender los procesos industríales, así como un conjunto de aplicaciones: de Instrucciones de Procesos, de instrucciones de Movimientos, de Instrucciones Estadísticas, de Instrucciones de Filtros y de Instrucciones Lógicas que están incorporadas para ser usadas en los programas que se desarrollaran para automatizar y controlar las instalaciones industriales. EJEMPLO: Automatización de Planta Atomizadora. Para aprovechar el conjunto de posibilidades que ofrecen los fabricantes de PLC con el hardware y software de los mismos para automatizar, proteger y controlar las instalaciones industríales se recomienda seguir algunos pasos. Se utiliza a modo de ejemplo las consideraciones que se hicieron para proponer la automatización de un atomizador en el IDT-Cumaná. Los pasos para la aplicación de estas tecnologías para la automatización, protección y control de las instalaciones industriales y la conformación de sus arreglos de control se podrán resumir de la siguiente manera: 1. 2. 3. 4. 5.

Conocer el Proceso Industrial. Identificar las variables operacionales que definen su funcionamiento. Elaborar los arreglos de instrumentación y control de la instalación. Elaborar una secuencia del funcionamiento de las instalaciones. Hacer un diagrama de tiempo que sirva de mapa para la construcción de las diferentes ecuaciones lógicas, pasos y arreglos del programa. 6. Hacer el programa utilizando las herramientas que disponen los PLC.

1. Conocer el Proceso Industrial.


11



La figura anterior ilustra una Planta Atomizadora (Separador de partículas Sólidas a partir del Liquido que la contiene) ha pequeña escala que esta en el lUT-Cumana al cual se le desarrollo la Ingeniería de Detalles para automatizar la misma. No se automatiza lo que no se conoce, para grandes proyectos será necesaria la integración de grupos multidisciplinarios que en primer lugar identifique las distintas partes que conforman el proceso, el uso y la necesidad de las instalaciones, que productos entran, que productos salen, conexiones.

2. Identificar las Variables Operacionales que definen el Proceso. • • • • • •

Presión de Vació en la Cámara de Secado. Temperatura de Aire que se Descarga a la Cámara de Secado. Velocidad de la Turbina que mueve al Atomizador. Caudal de Alimentación del Atomizador. Protecciones de los equipos e instalación. Puentes de Alimentación eléctrica que alimentan las maquinas DC.

3. Elaborar los arreglos de instrumentación y control de la instalación.,

ATRE 14.7 PSI PRESIÓN ATMOSFÉRICA

ATMOSFERA

MOTOR A.C DEL EXTRACTOR


12



Una vez identificadas las variables operacionales que rigen al proceso industrial se consideraron los instrumentos que permitirán controlar los diferentes lazos y arreglos para automatizar y proteger los equipos que conforman en su totalidad la Planta Atomizadora.

4. Elaborar una secuencia del funcionamiento de las instalaciones. Previo al funcionamiento de los lazos de control de las diferentes variables del proceso industrial, es necesario arrancar los equipos del mismo. El arranque de la Planta se ejecuta siguiendo una secuencia de eventos que se irán cumpliendo y donde en la mayoría de los casos el alcanzar el valor de una variable operacional será esta la condición para que la secuencia de arranque se siga cumpliendo. Se hace necesario precisar con anterioridad previo a la elaboración de un diagrama de tiempo que sirva de mapa del programa, hacer un esquema de cómo aparecerán en forma secuencia! cada uno de los eventos que conformaran el proceso industrial.

Liquido + Sólido

Motobomba Turbina Atomizadora

Cámara de Secado

U)

(5)

Inyección de Liquido (2)

Polvo y Vapor de agua

(6)

La figura anterior muestra la secuencia de los eventos que son necesarios que se cumplan para arrancar secuencialmente la Planta atomizadora que sirve de ejemplo para ilustrar esta actividad. Este paso será necesario poder realizar el proceso de automatizar una instalación industrial usando PLC. Capitulo XII: Redes de Control

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5. Hacer Diagrama de Tiempo como Mapa para la construcción del Software para Automatizar, Proteger y Controlar la Planta.

(i)

Arrancar Planta

Extractor de Aire

(2)

Se alcanzo Presión Vacio

T3

(3) HORNO

Se alcanzo Temperatura

(4)

T2

TURBINA

(5)

Se alcanzo RPM Turbina

TI Motobomba

Secuencia PARADA

Lazos de Control Secuencia Arranque

i PARAR Planta

TI, T2 y T3 son Temporizadores Programados. El Diagrama de Tiempo desarrollado donde se observan en forma secuencia! los eventos que deben cumplirse en el proceso industrial, los valores de las variables operacionales que deben cumplirse para seguir la secuencia, la definición de la secuencia de arranque, la definición del momento que pasan a cumplirse el desarrollo de los lazos de control de las variables operacionales controladas, la definición de la secuencia de parada, así como la determinación de las temporizaciones programadas, deben ser suficiente información para que usando el software del PLC y los bloques de aplicaciones que este dispone, como para intentar realizar el programa para automatizar la secuencia de arranque y parada de la planta, proteger la misma ante variaciones excesivas de algunas de las variables de protección y controlar los lazos de control que existen en la planta. Diferentes instalaciones industriales tendrán diferentes integraciones de equipos, diferentes variables operacionales, diferentes secuencias de arranques y paradas de sus equipos que la integran, sin embrago, los pasos que a modo de ejemplo se mostraron para pretender hacer el programa para automatizar, proteger y controlar la Planta Atomizadota podrán ser los mismos. Capitulo XII:

Redes de Control

14



6. Hacer el programa utilizando las herramientas que disponen los PLC. El fabricante de PLC dispone al usuario que estará diseñando los programas de: paquetes de software como las librerías de Ediciones de Bloques funcionales para atender los procesos industriales, así como un conjunto de aplicaciones: de Instrucciones de Procesos, de instrucciones de Movimientos, de Instrucciones Estadísticas, de Instrucciones de Filtros y de Instrucciones Lógicas que están incorporadas para ser usadas en los programas que se desarrollaran para automatizar y controlar las instalaciones industriales.

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1.3. NIVEL DE GESTIÓN. En el Nivel de Gestión se encuentran interconectados los diferentes Computadores Personales que existen en una empresa, en la practica cada empresa considerando sus diferentes necesidades y requerimientos corporativos definirá la topología de su red. No es de la atención de este libro tratar lo referente a la atención de las diferentes topologías para redes LAN, así como los diferentes protocolos y medios de interconectarse, sin embargo, si será del interés como llegan las señales del Nivel de Campo y del Nivel de Control de las instalaciones industriales hasta le red corporativa en el Nivel de Gestión permitiendo que esta transferencia de datos que provienen de las magnitudes de las variables operacionales en el campo puedan ser monitoreadas registradas, desde la red corporativa permitiendo con ello el desarrollo y usos de programas de alto nivel instalados en la red corporativa y Capitulo XII: Redes de Control

15



que se alimentan con los datos que provienen de campo, permitiendo tomar decisiones a partir de esos datos que van desde el control y cuantificación de la producción, tomas de decisiones predictivas en el mantenimiento de los equipos, así como la optimización del proceso industrial. En la siguiente figura se muestra el Nivel de Gestión a donde se interconecta a través del protocolo Ethernet el servidor de la sala de control de las instalaciones industriales.

Nivel de Gestión

Sala de Control de Instalaciones Industriales

Es a través de los protocolos TCP para la capa 4 de Transporte y el protocolo I/P para la capa 3 de Red, por medio de los cuales el servidor de la red corporativa identifica e interconecta los diferentes equipos que la conforman. Será a través de estos protocolos abiertos de la capa 4 de Transporte y capa 3 de Red, por donde los protocolos TCP I/P se interconectaran con las otras señales de otras redes LAN a través de los mismos protocolos TCP I/P. Esto permitirá hacer conexiones entre una red LAN ubicada en un lugar con otra red LAN que podrá estar incluso a muchos kilómetros de distancia dejando a los equipos de telecomunicaciones digitales la competencia de interconectar las redes LAN indistintamente las distancias entre las mismas y con ello conformando la red WAN de área extensa. Las siguientes figuras muestran dos interconexiones de redes LAN por radio enlaces y por satélites. Capitulo XII: Redes de Control

16



2. Modelo OSI El Modelo de Referencia OSI de interconexión de sistemas abiertos (OSI, Open Systems Interconnection), describe como viaja la información entre dos aplicaciones (A y B) que se encuentran en computadoras conectadas una en la red A y la otra en la red B. El modelo de referencia OSI divide el problema de llevar la información entre dos aplicaciones conectadas a través de la red mediante una división de siete (07) capas. A cada una de las 7 capas se le asigna una tarea concreta y suficientemente autocontenida de manera que se pueda realizar independientemente de las tareas que realicen las capas superiores o inferiores, y por tanto, exista la posibilidad de sustituir los equipos de una capa por otro equivalente si afectar al resto de los equipos que cumplen las funciones de las otras capas. Las capas que propone el Modelo de Referencia OSI son: Aplicación, Presentación, Sesión, Transporte, Red, Enlace y Física, tal como se muestra en la siguiente figura.

A

B


Transferencias, accesos y control de archivos. Documentos y manipulación de los trabajos. CAPÁ 6: PRESENTACIÓN

Transformación dé representación dé datos, Encripta m iento,

CAPA 7 APLICACIÓN

CAPA 5: SESIÓN

Control y sincronismo de diálogos de aplicación.

CAPAS PRESENTACIÓN

:CAPl4:: TRANSPORTE'; ^ ; :''.' f;?',;;.':.;: g ;¿¡ ;;|r;

CAPA 5 SESIÓN

fra gMi fi ta ció n .1.;.' W,:;';: '• i:- ••.;;,,. .1 ; 'íff• ^?:.f;;SÍ CAPA 3: RED

Enrutamiento, direccionamiento, preparación de llamadas. CAPA 2: ENLACE

Control de llamadas y transparencia de los datos transmitidos. CAP A 1{ FÍSICA

CAPA 3 RED CAPA 2 ENLACE CAPA 1 FÍSICA

Ihterfases.de redes eléctricas y mecánicas.

B A Para cada una de las siete capas se tendrán protocolos que permiten el funcionamiento de cada capa y que hacen posible las transferencias de datos entre cada capa en el extremo A de la comunicación con la capa equivalente en B en el otro extremo de la comunicación, y serán los protocolos quienes Capitulo XII: Redes de Control

17



posibilitaran las interconexiones y transferencias de los DATOS entre las capas de un extremo al otro extremo de la comunicación en la red. No son capas abiertas las capas de: Aplicación, Presentación y Sesión, y por ello los protocolos que utilizan son de dominio exclusivo de los fabricantes de hardware y software de Computadores Personales, mientras que las capas de: Transporte, Red, Enlace y Física son Sistemas Abiertos y los protocolos por ellos usados (TCP I/P, Ethernet, ControlNet, Código 7, otros) son públicos. En la figura anterior muestran dos computadoras que se encuentran en dos redes diferentes, y se interconectan a través de la Capa Física a través de cables, también se podrán ¡nterconectar a través de la Capa Física tal como se mostró en figuras anteriores, por radio enlaces digitales para distancias de muchos kilómetros o por satélites cuando son enlaces de redes que pueden estar hasta en continentes'diferentes. Las dos computadoras utilizaran los protocolos correspondientes de cada una de las 7 capas para comunicarse con la otra capa correspondiente en el otro extremo de la comunicación. Se entenderá que el protocolo que utiliza una capa en un extremo de la comunicación deberá ser el mismo protocolo que utilizara la misma capa en el otro extremo de la comunicación. No valen protocolos equivalentes. Tal como se mostró en el capitulo 11 de 'Transmisores Inteligentes", en cada una de las capas existe un protocolo con una o mas unidades funcionales que identifican el conjunto de unidades de software requeridas para llevar a cabo las funciones de la capa donde se encuentra. Cada capa se relaciona con la capa inmediatamente superior o inferior a través de un interfaz, definida como el conjunto de elementos lógicos o físicos que comunican ambas capas. Estas consideraciones se podrán presentar para todas las capas del modelo OSI: • • • • • •

La interacción entre las capas se realiza mediante la ¡nterfaz de cada capa con la capa superior o inferior. En una capa pueden existir varias unidades funcionales. La capa N ofrece al la capa N + l un conjunto de servicios, denominados servicios de la capa, que comprenden las funciones para esa capa N + l. La comunicación entre unidades funcionales de la misma capa se lleva a cabo utilizando un determinado protocolo. Un protocolo es un conjunto de reglas que permiten que dos unidades funcionales de la misma capa puedan dialogar. Un protocolo es un conjunto formal de reglas que conllevan el mecanismo por el que dos entidades, o unidades funcionales de la misma capa puedan intercambiar información utilizando los servicios que ofrece la capa inferior para comunicarse con el otro extremo.

Los protocolos de capas diferentes son diferentes e independientes entre si, y solo necesitan conocer los servicios que les ofrece la capa inferior. Un protocolo no tiene nada que ver ni con los protocolos de otros niveles ni con los servicios que ofrece la interfaz de la capa donde se encuentra. La comunicación entre dos equipos de una red A con otra red B se establece según un dialogo entre las dos partes para intercambiar información siguiendo Capitulo XII: Redes de Control

,

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las reglas que establecen los protocolos que están empleando. Para intercambiar los datos entre dos equipos se realiza mediante el uso del formato específico del protocolo de cada capa. Los DATOS que se desean enviar, llegan a la Capa de Aplicación, y después de las transformaciones que correspondan le agrega la información asociada al protocolo de la Capa de Aplicación. Los Datos7 = DATOS+C7 pasan a la Capa de Presentación que los transforma y añade información del protocolo de la Capa de Presentación generando Datos6 = DATOS+C7+C6, pasando esta información a la Capa de Sesión. De esta forma la información va pasando hasta las capas inferiores hasta llegar a la Capa Física quien enviara la señal hacia B con el formato Datosi = DATOS+C7+C6+C5+C4+C3+C2H-Ci. Cuando a través de la Capa Física la señal enviada desde A llega a B, la Capa Física en B descodifica la información retirando los bytes asociados a capa Física, enviando a la Capa de Enlace la señal Datos2 = DATOS+C 7 +C6+C5+C4+C3+C 2 . La Capa de Enlace descodifica la señal que recibió y retira los bytes asociados a ella y traslada la señal a la Capa de Red bajo el formato Datos3 = DATOS+C 7 +C 6 +C5+C4+C 3/ y así sucesivamente hasta que la información llega a la Capa de Aplicación del extremo B como DATOS de la comunicación tal y como fue enviada por la Capa de Aplicación en A. Este proceso donde cada capa va insertando los bytes asociados al protocolo que le corresponde se muestra en la siguiente figura.

IlJi'' DATO •; ' | : Informe, documento, archivo en cualquiera aplicación que soporte el PC

A

CAPA 7: APLICACIÓN

DATO

CAPA 6 PRESENTACIÓN

DATO

C7

CAPAS SESIÓN

DATO

C7

DATO

C7

06

05

DATO

C7

06

05

02

DATO

C7

06

05

02

DATO

07

06

05

C7 CADA CAPA INSERTA SUS BYTES ASOCIADOS

05

TRANSPÜRT CAPAS RED CAPA 2 ENLACE

ilii

03

MÍ

03

02

03

C2

siiiis

Es importante resaltar que cuando a través de la Capa Física se envía la información de un punto de la red A a otro punto de la red B se estarán enviando los Bytes de los DATOS conjuntamente con los Bytes asociados e incorporados por cada uno de los protocolos asociados a cada una de las siete capas del punto A, es decir, cada capa inserta bytes asociados a las funciones Capitulo XII: Redes de Control

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que cumple la capa, de manera de ser desincorporados en forma inversa a como se insertaron en la capa equivalente en el otro extremo de la red B, tal como se muestra en la siguiente figura. íii

w

C2

IDÁTQ

C7

C6

C5

C3

C2 :;r;fíf|:|ffif|¡|:§::

C2

tíÁTO

C7

C6

C5

C3

DATO

C7

C6

C5

C3

DATO

C7

C6

C5

C2

II

B

De la gráfica anterior también se buscara resaltar que el protocolo IP corresponde a la Capa 3 de Red, el protocolo TCP corresponde a la Capa 4 de Transporte y que las Capas de: Sesión, Presentación y Aplicación son Capas de Sistemas Cerrados, de dominio exclusivo de los constructores del hardware y software de los Computadores Personales y están integrados dentro de los PC. Capa 7 Aplicación (No Abierto) La Capa 7 de Aplicación proporciona los recursos, mecanismos mediante el cual el usuario de los PC podrá ingresar, elaborar o leer un "documento" al mismo y a través de la red al cual esta interconectado el PC poder transferir o recibir esta información a otro punto de otra red. Esta capa estará soportada con el hardware y software que permita que el PC pueda construir, leer, organizar y guardar el documento clasificando las funciones del protocolo utilizado para trabajar con el documento, por ejemplo, el documento se elaboro en word, Power Point, Excel, Acrobat, y sus dimensiones 30KB o 25MB. Capa 6 Presentación (No Abierto) La Capa de Presentación proporciona un conjunto de funciones de codificación y conversión de los DATOS del "documento" de la Capa de Aplicación en A. Mediante estas funciones se asegura que la Capa de Aplicación del otro extremo de la comunicación pueda entender la información enviada desde A. Entre las funciones que cumple la Capa de Presentación se tendrá: conversión de formatos de representación de caracteres, compresión de datos, encriptamiento, otros formatos de estándares de video, imágenes. Capítulo XII: Redes de Control

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Capa 5 Sesión (No Abierto) La Capa de Sesión es responsable del establecimiento, gestión y terminación de sesiones de comunicación entre entidades de la Capa de Presentación. Las sesiones de comunicaciones son peticiones y respuestas de servicios de aplicaciones entre los equipos que se están comunicando en la red. Asimismo gestiona la sincronización y mantenimiento de las sesiones.

Capa 4 Transporte La Capa de Transporte aporta el servicio de transmisión de datos entre los equipos interconectados de la red, de manera totalmente transparente hasta las capas superiores. Oculta a las capas superiores todos los detalles de la red sobre la que realiza la comunicación. Entre sus funciones están las de Control de Flujo (Que el origen no envié mas datos de los que puede aceptar el destino), Multiplexación (Enviar datos de varias aplicaciones a través del mismo enlace), Gestión de circuitos virtuales y comprobación y recuperación de errores. Ejemplo de un protocolo de la Capa de Transporte esta el TCP. Capa 3 Red La Capa de Red es la responsable de las funciones que permiten la interconexión de sistemas, a través de una o mas redes, mediante la comunicación entre niveles de enlaces. Entre sus funciones se encuentra la de direccionamiento (Lógico, no físico, # equipo), control de congestión, conexión y desconexión de redes, control de flujo, detección de errores. Como un ejemplo de un protocolo de la Capa de Red esta el IP. Capa 2 Enlace La Capa de Enlace es la responsable de conseguir una transmisión de datos confiable entre ambos extremos de la comunicación cuyo medio físico puede presentar problemas de ruido, de interferencias de transmisión. Entre las funciones que definen la Capa de Enlace están las de direccionamiento físico (Código de zona geográfica donde esta instalado el equipo), topología de la red, corrección y notificación de errores, secuencias de tramas y control de flujo. El direccionamiento físico a diferencia del direccionamiento de red indica como se asignan direcciones a los dispositivos en el nivel de enlace. La topología de la red indica el modelo de conexión de los dispositivos físicos. La notificación de errores avisa a los niveles superiores del otro extremo de la red que ha ocurrido un error en la comunicación, y la corrección de errores permite detectar y eliminar errores que se hayan producido en la transmisión. Mediante la asignación de números de secuencia de tramas se puede ordenar las que no llegan en el orden esperado. El control de flujo vigila que la velocidad de la comunicación sea la apropiada y no desborde el receptor de la misma. Ejemplos de protocolos de la Capa de Enlace: ATM, Ethernet. Capa 1 Física La Capa Física define cuatro características de la red: mecánicas, eléctricas, funcionales y procedimientos para la activación, mantenimiento y desactivación de los sistemas físicos que conectan los sistemas. En esta capa se definen las Capitulo XII: Redes de Control

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velocidades de transmisión, distancias máximas de conexión. Como ejemplos de los servicios de la Capa Física se tendrán las interconexiones de redes por cables, así como los que a continuación se muestran por: Radio Enlaces Digitales, Satélites y por SDH unidos por fibra óptica.

^ CAPA 3 CAPA 2 CAPA1

^

~^-J

>


22


4

-J

t

;


CAPA 4

•ÍCAPA4

CAPA 3

CAPA 3

CAPA 2

CAPA 2

CAPA1

CAPA1

Fibra Óptica

SDH

í:;|¡

4

i

u

Fibra Óptica

;; $$Hfe

La atención de la red de control industrial obliga cumplir con los lineamientos que establece el modelo OSI para mantener la comunicación bidireccional, y los protocolos de comunicación que utilizan: los transmisores inteligentes en el Nivel de Campo, los Controladores Lógicos Programables PLC y los servidores de la sala de control de la industria en el Nivel de Control, y los servidores de la red corporativa en el Nivel de Gestión, deben trabajar como equipos de arquitectura abierta. Los protocolos de comunicación que se utilizan en los Niveles de Campo y Control (Modbus, Fieldbus, ControlNet, Ethernet) utilizan tres de las siete capas del modelo OSI ha saber: Capa Aplicación, Capa Enlace y Capa Física y por ello en las tramas de comunicación que existen entre: los transmisores inteligentes y la tarjeta maestra, el PLC esclavo con el PLC Maestro, el PLC Maestro y el servidor de la sala de control, deberán estar incorporados los bytes asociados a la Capa Física y que permiten los controles de esa capa en ambos extremos de la comunicación, deben llevar los bytes asociados a la Capa de Enlace y que permiten ejecutar los controles y funciones que cumple la Capa de Enlace en ambos extremos de la comunicación y deberán llevar los bytes asociadas a la Capa de Aplicación y que permitirá la transferencia de DATOS y los controles y funciones que se utilizan en la Capa Aplicación en ambos extremos de la comunicación. Estos bytes asociados a cada una de las capas son insertados cuando van bajando capa por capa hasta la Capa Física por donde salen del punto A para conectarse con el otro extremo de la comunicación en la red en el punto B, y donde serán retirados los bytes, capa por capa en el otro extremo de la comunicación partiendo de la Capa Física y concluyendo en la Capa Aplicación. Capitulo XII: Redes de Control

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2.1. Tramas Modbus y Ethernet Una utilización del Modelo OSI se presenta en las siguientes figuras donde se muestran las capas: Capa de Aplicación, Capa de Enlace y Capa Física que son las que utilizan los protocolos de comunicación que existen tales como: •

•

Modbus utilizado entre los transmisores inteligentes instalados en campo y la tarjeta maestra instalada en el PLC con la función de ejecutar las transferencias de los DATOS entre el Nivel de Campo y Nivel de Control. ControlNet y Ethernet utilizado entre los Controladores Lógicos Programable PLC y el Servidor de la sala de control, con la función de ejecutar las transferencias de los DATOS en el Nivel de Control.


CAPA? APLICACIÓN

CAPA7: APLICACIÓN:


B

CAPAS PRESENTACIÓN CAPA? APLICACIÓN

CAPAS SESIÓN

CAPA 3 RED

CAPA 2 ENLACE

CAPAÍ FÍSICA

CAPA 2: ENLACE


CAPA 2 ENLACE

Interfases de redes eléctricas y mecánicas, - ;

La comunicación entre el Transmisor Inteligente instalado en el Nivel de Campo con la Tarjeta Maestra en el PLC en Nivel de Control utiliza protocolos conformados por tramas que tendrán una estructura que inician y concluye con los bytes asociados a la Capa Física, posteriormente los bytes asociados a la Capa Enlace y Luego los de la Capa de Aplicación junto con los DATOS que se transfieren de un Nivel a otro de la red, tal como se muestra a continuación.


24



Comunicación en Protocolo Modbus (Trama en modo ASCCI) /

•:•:•;.

-

:', • . • . . . . . . •

•

.:

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...:.-:V'.

,

: •. •••..:-••,,:•.] .

iíimM

. .

• . (-S-:

Arranque Arranque

Dirección Función Maestro

Dirección Datos

LRC

END

Función Datos

Esclavo CAPA APLICACIÓN •Función • +DATOS CAPA ENLACE; •Dos Byte de Dirección. •Dos Byte Control de Enlace LRC.

CÁPAFISICA: •Un Byte de Arranque (3A), •Dos Byte Fin. END (21,03)

Trama del Transmisor Inteligente Capa 2

Capa 7

Capa 2

Los DATOS que se transfieren entre el Nivel de Campo y Procesos y el Nivel de Control, podrán ser paquetes de información de tamaños variables. En términos generales los protocolos de comunicación que utilizaran los transmisores inteligentes y las tarjetas maestras, deberán describir una red de comunicaciones abiertas, digital, multipunto para dispositivos inteligentes de campo y automatización de sistemas que se utilizan en la industria. Serán sistemas de comunicación totalmente digital, serial, bidireccional usado para conectar dispositivos aislados de campo tales como: Transmisores, Convertidores, Transductores, para la medición y control hasta los sistemas supervisónos. Cada dispositivo podrá realizar funciones simples tales como: diagnósticos, control, monitoreo de procesos y funciones de mantenimiento, así como, funciones bidireccionales de comunicación. Los PLC del Nivel de Control utilizan para su interconexión, así como la interconexión del PLC Maestro con el servidor de la Sala de Control el Capitulo XII: Redes de Control

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protocolo ControlNet, mientras que el servidor de la Sala de Control se interconecta con el servidor de la red corporativa usando el protocolo Ethernet. Ambas interconexiones se muestran en las figuras siguientes. PROTOCOLO: ControlNet

CAPA7: APLICACIÓN:

Transferencias, accesos y control de , archivos. Documentos y manipulación de los trabajos. CAPA? APLICACIÓN CAPA 6 PRESENTACIÓN CAPAS SESIÓN .CAPA 4' - ' TRANSPORTE CAPAS RED

CAPA 2: ENLACE

CAPA 2 ENLACE


CAPA1 FÍSICA

CAPA 1: FÍSICA Interfases de redes eléctricas y mecánicas.

CAPA 2 ENLACE CAPA 1. FÍSICA,:

PROTOCOLO: ETHERNET

CAPA 7: APLICACIÓN: Transferencias, accesos y control de archivos. Documentos y manipulación de los trabajos. CAPA? APLICACIÓN CAPA 6 PRESENTACIÓN CAPAS SESIÓN TRANSPORTE¡ CAPA 3 RED CAPA 2 ENLACE CAPA1 FÍSICA


CAPA 2: ENLACE Control de llamadas y transparencia de los datos transmitidos. CAPA 2 ENLACE

CAPA 1: FÍSICA Interfases de redes eléctricas y mécánicasy

,GAPA1 ; :F!S1CA.:

26



En la siguiente figura se muestra la trama de Ethernet, que es equivalente a la de ControlNet, y donde se identifican las funciones que ejecutan para la Capa Física que es la señal de arranque y la de fin de la trama, las acciones de la Capa de enlace con los MAC de Destino y MAC de Origen. Las funciones de la Capa de Aplicación que consiste en identificar el protocolo de nivel superior que soporta el paquete de datos que transporta, así como, los DATOS que podrán ser paquetes de tamaños variables comprendidos entre 45 hasta 1500 bite.

Campo de Comprobación de Trama Trama Ethernet 45-1500 bite

4bite

Trama Ethernet

Comienzo de Trama. (8 bite) • • • •

Patrón de ceros y unos de 8 bite. Indica a la Estación de Destino que le llega una trama. Cada uno de los 8 bite contiene 10101010. Es la señal de arranque de la trama.

MAC de Destino. (6 bite) • • •

Una dirección de envió (unicast). Multidifusión para un grupo de difusión (Multicast). Difusión pata todos los nodos (Broadcast).


27



MAC de Origen. (6 bite) •

Dirección de Origen.

TIPO. (2 bite) • •

Indica que tipo de protocolo de nivel superior, contiene y transporta los DATOS en la Capa de Aplicación de la trama. Recibe los datos enviados.

DATOS (45 a 1500 bite) • •

Los Datos que se transmiten al nivel superior. Se esperan al menos 46 hites de Datos.

Campo de Comprobación de Trama. (4 bite) • • •

Contiene un Código de Redundancia. Este valor lo establece el nodo de origen. Este valor lo vuelve a calcular el nodo de destino.

En libros de Redes, o de Transmisión de Datos en Redes de Computadores se tendrán los detalles de estos protocolos, así como, de los diferentes nodos y sus modos de interconexión a través de diferentes topologías utilizadas para estas atenciones. Será importante y suficiente para este libro proporcionar información que permita dar los conocimientos básicos que permitan interconectar los Niveles de Campo y Control hasta el Nivel de Gestión, para realizar las transferencias de datos bidireccionales desde todos los niveles. INTERCONEXIÓN ENTRE REDES Sin la intención de considerar ninguna de las diferentes topologías que en diferentes capas de la red existan, así como, sin considerar las diferentes tramas que los diferentes protocolos asociados a las diferentes capas de la red, se muestra en la siguiente figura y a grandes rasgos los equipos y los protocolos que permiten la interconexión de las redes de computadoras aprovechando las redes de comunicaciones que están extendidas en todo el planeta. Las redes de computadoras tendrán sus propias topologías y diferentes protocolos para interconectarse localmente entre ellas entre mismas, sin embargo, para interconectarse a las largas distancias requerirán de los equipos de telecomunicaciones. Grandes corporaciones tendrán sus propios equipos de redes de computadores y equipos de telecomunicaciones y podrán interconectarse para trabajar bajo topologías y protocolos a sus necesidades. Para aquellas aplicaciones de redes que busquen interconectarse aprovechando la red mundial de telecomunicaciones que ya existe en el planeta, sus servidores enviaran sus afluentes a las centrales telefónicas (Inalámbricas o no) las cuales se ¡nterconectaran con los equipos de telecomunicaciones. Estas interconexiones de equipos en la red mundial de telecomunicaciones trabajaran usando como protocolo el CÓDIGO 7. Capitulo XII: Redes de Control

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En la siguiente figura se muestra las interconexiones de computadoras utilizando la red mundial de telecomunicaciones. (7)

.L,;::,;,;:;:,;.:;:,,..

redes

de

Capa Aplicación

(6) Capa Presentación (5)

Capa Sesión

TCP

(3)

Capa Red

(2)

Capa Enlace

Centrales Telefónicas

m.

Sistémasele Telecomunicaciones: |^^!ÓÊtíí$'OéK!Í/:-by-S-

Te Icirn u riicác lnes: -(I)--

Capa Física

:

--«Sistemas:':Satel¡tales.v:;

3. Modelo TCP/IP El Modelo TCP/IP esta desarrollado para un entorno de red teniendo en cuenta que se encuentran computadoras de clases muy diferentes y con hardware y software hasta incompatibles que utilizan en forma cerrada las funciones equivalentes a las capas de Aplicación, Presentación y Sesión, de manera que los protocolos TCP/IP permiten interconectar los DATOS y los bit asociados a cada una de las capas antes mencionadas hacia las capas de Enlace y Física de la red desde cualquier lugar donde estén instalados los computadores. TCP/IP permitirá interconectar hasta equipos que no tengan un centro desde donde se pudiese controlar su conexión a la red, así como, que la red pueda crecer sin interrumpir su funcionamiento y que además pueda utilizar distintos medios físicos y de enlaces que permita la interconexión entre dos equipos de la red. Con la implementación de los protocolos TCP/IP se trabajara sobre una arquitectura abierta y cuyo funcionamiento se basa en trocear la información Capitulo XII: Redes de Control

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(DATOS) que se formo en la capa de aplicación para enviarla a través del medio físico que exista como medio de comunicación a la red. TCP/IP como protocolos garantizaran la transmisión troceada de los DATOS en forma fiable hasta los nodos extremos que se interconectan en la red. El protocolo IP (Internet Protocol) será equivalente a la Capa de Red del Modelo OSI y realizara la comunicación a través de Datagramas conformados por varios grupos de bytes asociados a las diferentes funciones de la capa de Red entre ellos la de las direcciones IP de los equipos que se interconectan a grupos de computadores a ambos extremos de la red. El protocolo TCP (Transport Control Protocol) será equivalente a la Capa de Transporte del Modelo OSI, y funciona para ofrecer un mecanismo de comunicación extremo a extremo de la red. El protocolo TCP recibe la información desde el computador A (Equivalente al funcionamiento de las Capas de Aplicación, Presentación, Sesión y DATOS) y trocea estos paquetes para conformar e identificar un conjunto de segmentos y los envía hasta la Capa IP para que este protocolo lo coloque en el entorno de enlace para llevarlo hasta el computador B del otro extremo de la comunicación con lo que se establece la comunicación entre A y B. El protocolo TCP en el extremo B organiza los segmentos de DATOS troceados y enviados desde A para integrarlos y así entregarlos al computador B como el paquete tal como fue recibido por TCP en A. En la siguiente figura se muestra estas funciones.

B

TCP

(Paquete, Máximo GSKByte)

s

w

IP

Capas ..... fc,

w

ÁL

Fntarp v —mt

.

Física

IP)

Segmentos Máximo de 1500 Byte Por Segmento

La comunicación bidireccional entre los equipos A y B en los extremos de la red que utilizan los protocolos TCP/IP trabajan en forma jerárquica el Maestro/Esclavo o Cliente/Servidor y donde este esquema define el modo en el Capitulo XII: Redes de Control

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que se intercambia la información. Bajo esta configuración desde el punto de origen se atraviesa los niveles jerárquicos de menor a mayor, para después volver a descender en el árbol que la define hasta encontrar el nodo donde se encuentra el punto de destino. En este esquema Maestro/Esclavo, el comunicante que actúa como esclavo tiene que seguir los parámetros y momentos de la comunicación que impone el maestro. Gran parte de las redes de comunicación utilizan el modelo Cliente/Servidor que se basa en la asignación de roles a las entidades que participan en la comunicación de manera que quien pide información (Cliente) y el otro la sirve (Servidor). En los protocolos de red entre ellos TCP/IP las computadoras que desempeñan la misión de Servidor tienen exclusivamente ese papel, al igual que ocurren con los equipos que actúan como clientes. 3.1. Arquitectura TCP/IP TCP/IP necesita funcionar sobre algún tipo de red y medios físicos que proporcionen sus propios protocolos para las capas de Enlace y Física por estos motivos se tendrá en cuenta que los protocolos utilizados en las capas de Enlace y Física pueden ser muy diversos y no forman parte del conjunto TCP/IP. Esta última consideración proporciona una de las funciones y ventajas del TCP/IP al proporcionar una abstracción absoluta sobre la capa de Enlace, por lo que es posible el intercambio de información entre computadores situados en medios físicos diferentes. El paso de un nivel de enlace a otro se realizara a través de repetidores (Solo capa Física), puentes (Bridges, para capa de Enlace), enrutadores (Routers, para el nivel de red) y pasarelas (Gateway, para niveles superiores al de la red). Los DATOS que envían los computadores de sus aplicaciones hasta la capa de Transporte (TCP) podrán ser de diferentes dimensiones, entre DATOS de pocos Kilo Bytes hasta de DATOS de varios Mega Bytes, por ello para transmitir documentos muy extensos a través de TCP/IP este documento se deberá dividir en paquetes de menor tamaño enviados desde el computador para ser recibidos por el protocolo TCP, este paquete enviado por el computador (DATO longitud máxima de 65 KByte)) será troceada por TCP en unidades de menor tamaño (Segmentos de longitud máxima de 1500 Byte) para luego ser enviadas al protocolo IP como la sumatoria de un conjunto de segmentos que será igual al paquete que envió el computador hasta el protocolo TCP. Esto proporcionara varias consideraciones para el manejo del DATO que se transfiere, por lo que se utilizaran varios protocolos de comunicación. En TCP/IP cada una de estas unidades recibe el nombre de "Datagrama". Los Datagramas son un conjunto de protocolos de comunicación, donde cada protocolo cumple una función específica y para ello se le asigna un conjunto de bit y donde la totalidad de los bit asociados a los diferentes protocolos se insertan como cabecera del segmento DATOS que se envían como mensajes. TCP/IP es en realidad una gran familia o pila de protocolos que se identifican mediante el nombre de dos de ellos TCP e IP. En la actualidad las aplicaciones del TCP/IP superan las 6.000, sin embargo, en este libro solo se proporcionara la información mas utilizada. Antes de dar inicio a los detalles del Datagrama Capitulo XII: Redes de Control

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del protocolo IP y el Datagrama del protocolo TCP en la siguiente figura se muestran los protocolos mas usados en los computadores personales tales como: Telnet, FTP, www, mail, otros y que son enviados desde el computador hasta la capa TCP como paquetes de longitud máxima de 65 KBytes, se muestra al Servidor donde se ejecutaran las pilas de protocolos que conforman el TCP/IP, se observa la capa Transporte donde el protocolo TCP troceara el paquete de DATOS enviado por el computador, se observa la capa de Red donde se establecerán las redes LAN y WAN y donde el protocolo IP entre las diferentes funciones que cumple asignara las direcciones IP a cada uno de los segmentos troceados de DATOS que envía hacia la capa de Enlace, así mismo, se identifican los protocolos mas comunes en la capa de Enlace y concluye el arreglo en la capa Física donde se ejecuta la interconexión de la red.

B

Aplicación Presentación

Telnet

FTP

WWW

mail

Otros

Sesión

Transporte

TCP

Red

IP Protocolos LAN

Enlace

Protocolos WAN

Ethernet: Token

X.25

lOOBaseFx 10083564

lOOBaseTx

LAPB

Frame Relay

PPP

Slíp

Capa Física

3.2. Capa Transporte (TCP) Por encima de la capa de Red se tiene la capa de Transporte. Esta capa de Transporte será la equivalente al TCP y resulta imprescindible para el funcionamiento del protocolo IP. Las capas de Red (IP) y Transporte (TCP) no pueden funcionar una sin la otra, debido al concepto de puerto que existe en la capa TCP y que es totalmente dependiente de la dirección IP a la que van dirigidos los segmentos de DATOS, quienes en su integración en el otro extremo de la comunicación conformaran el paquete que TCP entregara al computador de destino. TCP es un protocolo fiable de transporte de DATOS extremo a extremo de la red con detección y corrección de errores. TCP se sitúa entre las capas del computador (Aplicaciones, Presentación, Sesión y DATOS) y la capa de Red (IP), y donde TCP recibe los paquetes de DATOS del computador para trocearlos y entregarlos en segmentos a la capa de Red (IP). Capitulo XII: Redes de Control

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TCP proporciona fiabilidad a la transmisión de información mediante un protocolo de asentamiento y retransmisión. Esto implica que TCP envía un Datagrama a través de la red, y no lo da por llegado a destino hasta que dicho destino le envía otro Datagrama TCP confirmándole la recepción. Si este asentamiento no llega en un periodo de tiempo determinado, TCP vuelve a retransmitir el Datagrama TCP. Todos los Datagramas TCP enviados contienen una suma de comprobación (checksum) que se emplea en el destino para verificar que el segmento del Paquete ha llegado libre de errores. El asentamiento de la computadora destino a la de origen se produce si y solo si el segmento llega a destino y, además, su checksum es correcto. TCP es orientado a la conexión, lo que implica que las entidades que participan en el intercambio de información .acuerdan previamente la transmisión, y acuerdan igualmente al final de la misma por un proceso de saludo inicial y final. En la siguiente figura se muestra como el protocolo TCP recibe el paquete de DATOS desde el computador (Equivalente al funcionamiento de las Capas de Aplicación, Presentación, Sesión y DATOS) y cuya longitud máxima será de 65 KBytes y lo trocea en segmentos de DATOS que tendrán una longitud máxima de 1500 bytes, insertándole a cada segmento de DATOS la cabecera TCP para así conformar los Datagramas TCP y que son enviados a la capa de Red (IP). DATOS

(Paquete de DATOS Máximo GSKByte)

.^

X~£

^>egmen to

j

TCP

(máx:¡mo 150C) byt:e)

. Di w

^ F

w

w

A

i F

T

^ 1

^

i F

0

Cabecera del Datagrama TCP

( -> F

S

1 F

^ j

IP

Datagrama TCP Los segmentos de DATOS que TCP envía al IP suelen estar limitados en cuanto a su longitud máxima (1500 Bytes, equivalente a la máxima longitud de DATOS que transfiere el protocolo Ethernet). El protocolo TCP realiza el troceado o fragmentación del paquete de DATO (Máximo 65 KBytes) que se construyo en el computador y por ello envía una serie de segmentos de DATO (Máximo 1500 Bytes) troceado al protocolo IP, de modo que este protocolo le inserte su Datagrama como cabecera de cada segmento de DATOS, y así enviarlos a las capas de Enlace y Física con la cabecera IP que los identifique, de manera de recuperar los paquetes al otro extremo de la comunicación a partir de las cabeceras IP de cada segmento. TCP ve los bytes que envía como un flujo constante y no como segmentos de DATOS separados. En este sentido, es misión de TCP mantener la cuenta de Capitulo XII: Redes de Control

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los números de secuencia de los segmentos de DATOS que se envían al protocolo IP y que se reciben en el otro extremo de la comunicación como segmentos para controlar para que de esta manera se garantice que toda la información llega correctamente a destino. El formato de los segmentos de DATOS que TCP envía con su cabecera TCP al protocolo IP se muestra en la siguiente figura, así como, sus especificaciones posteriormente. Puerto de Origen

Puerto de Destino

Numero de Secuencia Numero de Asentamiento Offset

Reservado

Flags

Checksum de Comprobación Opciones

Ventana Puntero de Urgencia Relleno Padding

Segmentos de DATOS (Hasta 1500 Bytes) •

• •

• • • • • • •

Puerto de Origen y Destino: los campos de puerto de origen y puerto de destino identifican los puntos terminales, computadora en A y computadora en B de la conexión, o lo que es lo mismo, las Aplicaciones que envían y reciben A y B a los extremos de la interconexión en la red. Este numero de puerto es único para las aplicaciones del modelo TCP/IP. Estos números de puertos están oficialmente asignados por la IANA, por lo que tienen que ser respetados por los fabricantes. Número de Secuencia: orden del segmento de DATOS de emisión. Número de Asentamiento: orden de segmento de asentamiento. Con este campo y el anterior se consigue mantener una información en ambos extremos de la interconexión de los segmentos de DATOS enviados y recibidos por A y B. Offset: se utiliza para introducir la longitud de la cabecera TCP. Reservado: Flags: se utiliza para enviar códigos entre las dos computadoras. Ventana: este campo se utiliza para controlar el tamaño de los segmentos de DATOS que se pueden enriar y para realizar funciones relativas al control de flujo. Checksum: código de redundancia utilizado conjuntamente para la cabecera y el segmento de DATOS. Puntero de Urgencia: este campo indica la localización dentro del paquete de los segmentos de DATOS considerados como urgentes. Opciones: las opciones son un conjunto de funciones que permiten descripciones más precisas y manejos más concretos de la información transmitida.


34


•


Relleno Padding: se utiliza para completar el campo de opciones hasta un múltiplo de 32 bit. Esta compuesto por ceros.

3.3. Capa Red (IP) El protocolo IP es la base del funcionamiento del protocolo TCP/IP. Este protocolo tiene como misión principal ocultar la complejidad del acceso al medio de las capas de Enlace y Física, creando una vista virtual de la red y por ello prácticamente no toma en consideración a las interfases de red que tiene por debajo. El protocolo IP solamente confía en que las capas de interfase conseguirán hacer llegar los Datagramas IP hasta el destino correspondiente en el otro extremo de la red. La base del transporte de información IP son los Datagramas que genera para marcar cada uno de los segmentos de DATOS que le envía el protocolo TCP. El protocolo IP recibe los segmentos troceados de DATOS que envía el protocolo TCP y le inserta como cabecera el Datagrama IP. El segmento de DATOS TCP conjuntamente con su cabecera IP ingresan a las capas de Enlace y Física y sin importarles que protocolos y medios utilicen en estas capas para interconectarse al otro extremo de la red y a través de ello TCP/IP permitirá aprovechar todos los medios disponibles para interconectar dos computadores en cualquier punto de la red. En las siguientes figuras se muestra como se inserta el Datagrama IP al segmento TCP. (Máximo GSKByte) r*—-

s

Versión

Cabecera del .

Segmento TCP

C)pción

Datagrama IP

w*

D

w

Tipo Serv.

Identificación TTL

TP

i F

W

A :'-r:' F

P*

T

i F

Longitud Total Flags

Protocolo

Fragmento de Offset

Checksum de Cabecera

m::, •-;— ;' - .• ,;;'• ; :: , v; ::-;p¡irecci6n;; w Dirección IP de Destino Opciones

Padding

Segmentos de DATOS TCP Capitulo XII: Redes de Control

35



El Datagrama IP consta de una parte de cabecera y una parte de Segmentos de DATOS. En el Datagrama IP la cabecera tendrá una longitud fija de 20 bytes y una longitud variable de Segmentos de DATOS de hasta un máximo de 1500 Bytes. A continuación se describen los campos que consta la cabecera: • •

•

•

•

• • •

• • •

•

Versión: Indica a que versión del protocolo IP pertenece cada uno de los Datagramas. Actualmente se trabaja en la versión 4 IP, se estima para el año 2006 la incorporación de la versión 6 IP. Opciones: (4 bit) y se utiliza para fines de seguridad, enrutamiento fuente, informe de errores, depuración, sellado de tiempo. Esto permitirá que las versiones futuras del protocolo IP incluyan información que actualmente no esta presente en el diseño actual. Tipo de Servicio: (8bit) permite indicar a la subred el tipo de servicio que desea. Esto permite tener varias combinaciones con respecto a la segundad y la velocidad de transmisión de datos. Por ejemplo en la transmisión de voz digitalizada es más importante la velocidad para la entrega rápida de la información que corregir los errores de transmisión, mientras que, para las transferencias de archivos, resulta más importante una transmisión totalmente fiable. Longitud Total: (16 bit) incluye todo lo que se encuentra en la sumatona de todos los Datagramas de todos los Segmentos que el protocolo TCP envió al protocolo IP, y donde la máxima longitud del paquete troceado en segmentos es de 216 = 65.536 Bytes. Identificación: (16 bit) se utiliza para permitir que el nodo destinatario determine a que Datagrama pertenece el segmento recién llegado. Todos los segmentos del paquete de DATOS enviados por TCP tendrán el mismo valor de identificación. Flags: (3bit) el primer no se utiliza, el segundo bit se utiliza para que los enrutadores no fragmenten el segmento de DATOS, y el tercer bit es puesto a 1 como una verificación del campo de Longitud Total. Fragmento de Offset: indica el lugar al que pertenece el segmento de DATOS actual, en relación al paquete de DATOS de donde proviene. TTL: (Time-To-Live, Tiempo de Vida, 8 bit) el campo es un contador que se utiliza para limitar el tiempo que los segmentos del paquete de Datos pueden estar en la red sin llegar al destino. Cuando llega a cero, el segmento se destruye. Protocolo: cuando la capa Red ha terminado de ensamblar un segmento de DATOS necesita saber que hacer con el. El campo Protocolo indica a que proceso de transporte pertenece el paquete. Checksum de Cabecera: el código de redundancia de cabecera es necesario para verificar los datos contenidos en la cabecera IP. Dirección de Origen y Destino: indican la dirección IP de origen y destino del segmento de DATOS. Esta información es vital para que el segmento de DATOS pueda ser enrutado correctamente y, por tanto, pueda llegar a su destino. Opciones: el campo de Opciones tiene una longitud variable, y trabaja para disponer de funcionalidades que sepan interpretar para el caso de segmentos de DATOS entrantes.


36


• •


Padding: (Relleno) en caso de que el campo de Opciones sea utilizado, el padding tiene como misión completar con bit a O hasta llegar a múltiplos de 32 para conseguir un formato uniforme. Datos: a partir de aquí se introducen los datos que transporta el segmento de DATOS y que serán los que han insertado los protocolos superiores como el TCP de Transporte y la integración de los bit de las capas de Aplicación, Presentación y Sesión.

Una de las funciones más importantes del protocolo IP es el enrutamiento. El enrutamiento proporciona los mecanismos básicos para que los enrutadores puedan conectar físicamente diferentes redes. Una computadora puede desempeñar funciones normales y de enrutamiento simultáneamente. El tipo de enrutador más común posee información sobre cuatro tipos de destinos: • • • •

Nodos directamente conectados a una de las redes a la que tiene conexión el enrutador. Nodos pertenecientes a otras redes de los que se proporcionan información especifica a los enrutadores. Nodos pertenecientes a redes remotas de los que el enrutador ha recibido un mensaje. Una dirección por defecto para todos aquellos segmentos de DATOS para los que el enrutador no tiene información de destino.

La siguiente figura permite observar como cada protocolo inserta los byte asociados a sus Datagramas como cabeceras del segmento de DATOS para así cumplir con las funciones de cada capa. - Cabecera del _ Datagrama TCP

—

Segmento

(máximo 1500 byte)

[»

D

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F*

F

i (

A

F

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W

F

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O

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37



Los segmentos de DATOS que salen del protocolo TCP llevan como cabecera el Datagrama TCP y se interconectan a la capa de Red IP. En la capa de Red se le insertan a cada segmento de DATOS conjuntamente con la cabecera TCP la cabecera IP y así se enviaran los segmentos de Datos hasta las capas de Enlace y Física con los Datagramas de los protocolos TCP/IP para que interconecte el computador de origen con el computador de destino en el otro extremo de la red utilizando para ello todos los medios disponibles que permitan lograr esta conexión. Un concepto muy importante en TCP/IP es el concepto de puertos, que permite identificar de forma univoca a todas las aplicaciones que funcionan en la capa de Aplicación y que reciben los paquetes de DATOS que provienen de TCP. Las conexiones de TCP/IP, son full-duplex, por lo que los datos se pueden enviar en ambas direcciones. Las transmisiones de información entre los servidores y los clientes se regulan mediante el uso del protocolo de asentamiento. Una vez que un segmento de DATOS se envía, el origen espera el asentamiento de los datos, que será la señal que devolverá el destinatario para informar que ha llegado correctamente. Si este asentamiento no ha llegado en un periodo de tiempo determinado, los segmentos se retransmiten.

4. HARDWARE DE LOS PLC. Se utilizaran los Controladores Lógicos Programables PLC para automatizar, proteger y controlar los equipos que conforman las instalaciones industríales. Para ello los PLC reciben las señales que los transmisores y los instrumentos discretos envían desde campo, las cuales sirven de información para correr los programas de los PLC. Las señales de salida del programa que corren los PLC se envían hasta el campo para regular los elementos finales de control, prender y apagar motores, proporcionar alarmas. Los equipos instalados en el Nivel de Campo desarrollados con tecnologías de microcontroladores (Transmisores Inteligentes, Flex I/O, Liking Device) podrán a través de diferentes protocolos de comunicación transferir los DATOS desde el Nivel de Campo hasta los PLC en el Nivel de Control. Los transmisores analógicos, los instrumentos discretos, los convertidores I/P que regulan las válvulas de control, y los contactores para prender y apagar motores y de no existir equipos de extensión (Flex I/O, Liking Device) se conectaran hasta los PLC a través de cables (un cable por cada transmisor, un cable por cada instrumento discreto) con sus señales eléctricas características (4 a 20 mA y contactos ON-OFF), hasta las tarjetas respectivas de entradas analógicas o de entradas discretas del PLC. Las tarjetas de entradas analógicas y de entradas discretas del PLC tendrán la función de convertir estas señales analógicos y/o discretas en datos que se interconectaran al Bus de Datos del microprocesador, mientras que las tarjetas de salidas analógicas y salidas discretas tendrán la función de convertir los datos que envía el programa que corre el PLC en las señales de control de 4 a Capitulo XII: Redes de Control

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20 mA para regular las válvulas de control, mientras que las señales ON-OFF energizaran los contactores que prenden y apagan los motores eléctricos, así como válvulas solenoides. Los circuitos electrónicos de los PLC estarán desarrollados teniendo como componente central el Microcontrolador a partir del cual se organizaran las interconexiones de todas las tarjetas electrónicas de entradas, salidas, de comunicaciones seriales, que conforman el hardware del PLC y soportan el software del mismo. El microcontrolador del PLC tendrá para sus interconexiones con las diferentes tarjetas electrónicas que conforman el hardware y corren el software los siguientes buses: Bus de Datos, Bus de Dirección y Bus de Control tal como se muestra en la siguiente figura.

Bus de Datos Es un bus bidireccional que recibe DATOS y envía DATOS, recibe los datos de la señal digitalizada de la medición de las variables operacionales provenientes de las distintas tarjetas de entradas y las de los transmisores inteligentes, recibe los datos desde la memoria (ROM programa fabricante del PLC) para correr el programa del fabricante y que soporta el programa usuario que automatiza y controla las instalaciones industriales, recibe datos de la memoria RAM que guarda los valores instantáneos que va guardando el programa que corre el PLC, recibe los datos de las tramas de comunicación serial que envían las tarjetas maestras de los transmisores inteligentes en protocolo Modbus y recibe las tramas de la comunicación en protocolo ControlNet o Ethernet que realiza con el PLC Maestro o el Servidor de la Sala de Control. Envía los datos para las tarjetas de salidas analógicas y discretas para que las conviertan en las señales analógicas o discretas que salen para el campo, envía la trama de comunicación que se transmiten hasta las tarjetas maestras o las tarjetas de comunicación hasta la Sala de control, envía los datos para guardar en las memorias RAM. Bus de Control El Bus de Control es por donde el microcontrolador envía y recibe las señales de control a los demás circuitos que conforman al PLC. A través del Bus de Control el PLC identifica si lee los datos de las diferentes tarjetas electrónicas que descargan su información en el Bus de Datos, o identifica si escribe datos hacia los circuitos electrónicos, si lee o escribe datos en las memorias, si Capitulo XII: Redes de Control

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efectuara saltos en el programa de control que ejecuta, si reiniciara el programa, en fin todas las señales para identificar la aplicación que el PLC ejecutar paso a paso en la medida que va corriendo el programa. Bus de Direcciones El Bus de Direcciones define la dirección de las tarjetas electrónicas para la aplicación especifica que en ese paso del programa donde el microcontrolador lee o escribe los datos desde todos los circuitos integrados con los que esta interconectado. El Bus de Dirección define la dirección de las memorias que guardan el programa o las memorias que guardan los datos volátiles, es decir, el bus de direcciones como su nombre lo indica define la ubicación a donde el microcontrolador recibe información o a donde el microcontrolador envía información del programa que esta corriendo. Es a través de las interconexiones de las señales de los Buses de: Datos, Control y Dirección, como el microcontrolador interconecta todas las tarjetas electrónicas que conforman al PLC. El programa que corre el PLC se soporta a partir de la capacidad que tiene el microcontrolador de ejecutar en su interior de un conjunto de instrucciones que el programa propietario guardado en la memoria ROM hará llegar al Bus de Datos en la medida que se corre el programa que el usuario grabo para automatizar y controlar las instalaciones industriales. El set de instrucciones y funciones que podrá ejecutar en su interior un microcontrolador a grandes rasgos podrán ser las siguientes:

• Instrucciones Aritméticas. • Instrucciones Lógicas. • Instrucciones de Transferencia de Datos. • Instrucciones Booleanas. • Instrucciones de Saltos. • Contador de Programa. • Puntero de Programa. • Registros de usos Generales. •Acumulador. Memorias ROM Las memorias ROM (Memorias de Solo Lectura) son circuitos integrados conformadas por paginas que fueron previamente escritas con los caracteres que correspondan a cada pagina y por ello se utilizaran en los circuitos electrónicos basados en microcontroladores para leer un carácter (8 bit, 16 bit) por pagina, se tendrán memorias de tantas paginas (1K, 2K, 4K, 8K, 16K, etc) como sean necesarias para leer todas las instrucciones necesarias para correr los programas de funcionamiento del PLC. A través del Bus de Direcciones se selecciona el número de página de la memoria cuyo carácter guardado en esa página seleccionada será leído por el Bus de Datos. Las memorias ROM serán Capitulo XII: Redes de Control

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utilizadas en los PLC para guardar el programa fabricante y bajo el cual corre el funcionamiento del mismo. Las señales del Bus de Control permitirán validar la lectura de los caracteres ubicados en la dirección seleccionada o dejar en alta ¡mpedancia la salida de Datos de la memoria. En la siguiente figura se muestra un esquemático general de la memoria ROM.

Señales de Control

\r

Memorias RAM y EEPROM Las memorias RAM (Memorias de Lectura y Escrituras) son circuitos integrados conformadas por paginas para escribir un carácter (8 bit, 16 bit) por pagina, o también para leer un carácter hasta en la misma pagina de ser seleccionada la misma dirección. Se tendrán memorias RAM de tantas paginas (1K, 2K, 4K, 8K, 16K, etc) como sean necesarias para guardar todos los datos volátiles (de interés temporal) que se guardan y posteriormente se leen en el proceso de transferencia de datos que ocurre rutinariamente cuando se corre el programa que soporta el funcionamiento de los PLC. El esquemático general de la memoria RAM se muestra a continuación.

^•^ IX

IMBM,

Señales de Control

A través del Bus de Direcciones se selecciona el número de la página de la memoria RAM a donde se quiere escribir o leer un carácter y a través del Bus de Datos se lee o se escribe el carácter, con las señales del Bus de Control se determinara si la memoria RAM esta escribiendo, o esta leyendo, así como colocar su salida de DATOS en alta impedancia. Las memorias EEPROM funcionaran en forma análoga a las memorias RAM y la diferencia estará que no se borrara el carácter guardado en cada pagina aunque el circuito electrónico haya quedado sin energía eléctrica. Serán las memorias EEPROM las adecuadas para guardar los valores de la programación que hacen los usuarios para automatizar y controlar las instalaciones industriales. Las interconexiones de todas las tarjetas electrónicas que conforman los PLC se hacen a través de los Buses de: Datos, Dirección y Control, que genera el microcontrolador. Todas las tarjetas electrónicas envían o retiran datos al Bus Capitulo XII: Redes de Control

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de Datos a donde escribe o lee el microcontrolador, todas las tarjetas electrónicas son activadas a través de la selección que define el Bus de Dirección que genera el microcontrolador, y a través de Bus de Control que también regula el microcontrolador se define si la tarjeta seleccionada escribe, lee, etc. Las interconexiones de todas las tarjetas electrónicas que conforman al PLC se ejecutan en los Buses de: Datos, Dirección y Control, tal como se muestra en la siguiente figura. Interconexión de las tarjetas del PLC: a través de los BUSES de: Datos, Dirección y Control >

—1

Tarjetas Entradas ON-OFF

«a

Tarjetas Entradas 4-20 mA

v=

1 I

Comunicación'Seria! Otros PLC (Ethernet)

De la gráfica anterior se pueden identificar: 1. Tarjetas de Entradas Discretas: entran señales por contactos y salen datos al Bus de Datos. 2. Tarjetas de Entradas Analógicas: entran señales en 4 a 20 mA y salen datos al Bus de Datos. 3. Tarjeta Maestra Transmisores: entran y salen señales seriales a la tarjeta proveniente de los transmisores inteligentes en campo en protocolos de comunicación de campo y entran y salen datos del Bus de Datos del arreglo del PLC 4. Tarjetas de Salidas ON-OFF: Entran Datos a las tarjetas y salen señales ON-OFF hasta el campo. Capitulo XII: Redes de Control

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5. Tarjetas Salidas Analógicas: Entran Datos y a las tarjetas y salen señales de 4 a 20 mA al campo. 6. Tarjeta de Comunicaciones: entran y salen señales seriales a las tarjetas de comunicaciones en protocolos ControlNet o Ethernet provenientes de los PLC o del servidor de la sala de control y entran y salen datos del Bus de Datos. Este conjunto de aplicaciones habrá que organizarías, para distribuir a través del BUS DE DIRECIONES el espacio en dirección de memorias que corresponderá para la aplicación de cada una de las tarjetas electrónicas antes identificadas, así como los programas que atienden las diferentes señales de entradas desde el proceso al PLC, las diferentes señales de salida desde el PLC hasta el proceso, los programas de conversión de señales, el software propio de los fabricantes del PLC y el software de usuario por donde el especialista en control programaran y automatizaran el proceso. Para la organización del PLC se considera un ejemplo sencillo como el de organizar una pequeña biblioteca.

Donde se podrían generar las siguientes preguntas: ¿Que tamaño tiene la biblioteca? ¿Que numero de estantes tiene? ¿Cuales libros corresponde a cada estante? ¿Que dimensiones tiene cada libro? ¿Cuantas paginas tiene cada libro? ¿Qué esta escrito en cada página? Capitulo XII: Redes de Control

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Con la analogía de estas consideraciones se busca organizar las aplicaciones del PLC, a partir de la distribución que se le da al BUS DE DIRECCIONES, como si este Bus fuera una biblioteca y todas las tarjetas electrónicas del PLC como los libros que se organizaran en la misma y teniendo presente que trabaja en matemática binaria. Para ejemplarizar estos conceptos se considera el microcontrolador 87C51 de la Intel, que tiene un Bus de Direcciones de 16 bit. BUS DE DIRECCIONES

16 bit = 2lb = 64 K byte = 8x8 K byte

16 bit = 3bit + 13 bit U0

3 2

213=8Kbyte

bit 4*

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

^ 0

0

0

0

0

1

VAÂAoÛU WA Los primeros 13 bit menos significativos del Bus de Dirección estarán para organizar 8K byte, es decir organizar las diferentes libros y paginas de cada estante. Los tres bit mas pesados son 215, 214 y 213 y se utilizaran para identificar hasta 8 aplicaciones. Para este ejemplo se puede resumir: 16 bit de direcciones = 8 estantes x 8 k paginas. Y que se ilustran a continuación: ESTANTES

dirección electrónica

1.

0000 1FFF

2.

2000 3FFF


Función

Entradas ON-OFF

Entradas 4-20 mA

44


3.

4.

4000 5FFF

6000 7FFF


Transmisores Inteligentes

ROM y EEPROM (Programas)

•8000 9FFF

5.

6.

AOOO BFFF

cooo

Tarjeta Madre, RAM

Salidas ON-OFF y 4 a 20 mA

DFFF

7.

EOOO FFFF

Tarjetas Comunicaciones

Esta organización de la biblioteca, libros, números de páginas de los libros, podrá ser tomada como una analogía para considerar la organización de las tarjetas electrónicas que conforman a los PLC, las cuales se organizaran a partir de las direcciones electrónicas del Bus de Direcciones.


45



13 bit menos sianificativos # Tarjeta electrónica. Dirección Aplicación. 1. Entradas ON-OFF. 2. Entradas 4 a 20 mA. 3. Transmisores Inteligentes.

•1

4. ROM y EEPROM.

3 bit mas significativos

5. Tarjeta Madre. 6. Salidas ON-OFF y 4 a 20 mA. 7. Tarjetas de Comunicaciones.

Bajo estas consideraciones se podrá tener herramientas para aceptar que las diferentes tarjetas electrónicas y las aplicaciones que ejecutan, y que conforman los PLC podrán estar interconectadas a través de los Buses de: Datos, Dirección y Control tal como se muestra en la siguiente figura:

NOTA: Se aprovecha la explicación del PLC para recordar el trabajo que permitió el diseño y construcción (Hardware, Software, Estructuras Metálicas) de un PLC-Preprogramado 100% VENEZOLANO que diseñaron y construyeron los profesores: Argenis Rondón, Rodolfo Acosta, Yves Blot, Miguel Molina y el autor de este libro, y que funciono perfectamente conectado al motor K8 en la nave motocompresora "Anaco Mariposa" del Distrito Anaco- Estado Anzoátegui. Por motivos "XYZ" y después de casi dos (1994-1995) años de funcionamiento y sin fallas, los diseñadores solicitaron el retiro de los equipos.

• Bus de Datos. • Bus de Control. • Bus de Direcciones. '^-:;.:::;:;::::':^


46



(1)

(2) (3) (7) (3)

(4)

(5) Comúnmente las tarjetas electrónicas que conforman los PLC presentan dos modos de conexión, las conexiones propias del PLC que permite la integración de los circuitos del mismo a través de los buses de: Datos, Dirección y Control desde el Microcontrolador y las conexiones que permiten la recepción y el envío de señales desde el proceso industrial con el PLC que lo controla. Para visualizar estas conexiones se muestra en la siguiente figura lo que podría ser unas de las tarjetas del PLC, donde se puede diferenciar las conexiones propias del PLC a través de los buses de control, datos y dirección; así como las conexiones del PLC con el proceso; donde son tarjetas de entradas para recibir las señales que provienen del proceso hasta el PLC o son tarjetas de salidas para enviar las señales desde el PLC al proceso industrial. Ejemplo: Señales de entradas analógicas de 4-20 mA.

Bus de Datos. Bus de Control. Bus de Dirección.


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Las Integraciones de todas las tarjetas que conformaran los PLC se podrán observar como un ejemplo en la siguiente figura donde se muestra el PLO Preprogramado y mencionado anteriormente. 100% Intrínsicamente Seguro y con pantallas para la visualización de los parámetros desde la Planta Industrial.


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Tarjeta De Entradas ON-OFF. Los contactos eléctricos que proporcionan los instrumentos discretos que están en campo podrá abrirse o cerrarse y con ellos cambiar el estado lógico (altobajo) de la salida del opto-acoplador al que se conectan. Cuando el contacto de campo está abierto no circula corriente por el opto-acoplador y su salida es una señal lógica alta. Cuando se cierra el contacto del instrumento de campo, circulará corriente a través del opto acoplador y esto permitirá pasar al transmisor de corte a saturación, cambiando al estado lógico de la salida.

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Dirección


49



Se utiliza el Puerto Programable del integrado de la figura anterior con señales de solamente lectura; y se alimenta con los 8 bit de entrada del puerto con cada una de la salida de los arreglos del opto acoplador. Para ello cada puerto programable podrá recibir hasta 8 contactos de campo por puerto. Se controla el integrado para leer los puertos que dispone y por ello la salida del Puerto Programable será el dato que ingresara al Bus de Datos para identificar con su lectura cual contacto pudo cambiar de estado lógico en el campo.

Sale Dato

LEER

Tarjeta Principal Dato Dirección Control

Dato Dirección
Tarjeta Adicional.

El puerto que se lee saldrá para la salida de datos que se conecta el multibus del PLC con la lectura que se corresponde con el estado de salida de los circuitos del opto-acoplador. Las tarjetas de entradas ON-OFF reciben los contactos de los diferentes instrumentos de señales ON-OFF (termo interruptores; presostato; fin de carrera; interruptores de nivel, etc....) que están conectados en los diferentes equipos y máquinas del proceso industrial.


50



De las tarjetas de entradas ON-OFF salen las señales de datos, dirección y control que permite que se interconecten con los arreglos de multibus que unirán a todas las tarjetas electrónicas que conforman al PLC. Entradas 4-20 mA: Se tiene un multiplexor analógico que tiene como señales de entradas los valores de voltajes que se corresponden a las señales de 4 a 20 mA que envía cada transmisor analógico multiplicado por la resistencia de carga que existe en las tarjetas de entradas analógicas en el PLC. Las señales que entran a la tarjeta de entradas analógicas podrán ser de diferentes magnitudes y la salida de la misma será el valor del dato que se corresponde con la magnitud de la variable operacional de campo en ese instante halla sido seleccionada por el arreglo de dirección y control del PLC.

V1

10

V2. V3-

Salida Control

12 Dirección

V8.

IT

Ampiif f c a c t o r ' . : Presión +' Compensación l>oi Temperatura ' . •mmmmmmmmmmmimmm

Control

Las tarjetas de entradas de señales de 4-20 mA recogen a todos los transmisores que están conectados en el proceso industrial y tiene como salida la información en datos y dirección y control que permitirán conectar la tarjeta en el arreglo de multibus que permite la interconexión de todas las tarjetas que conforman el PLC. En el PLC se podrán tener tantas tarjetas de entradas de 4-20 mA como transmisores excitan en el proceso industrial.

Capítulo XII: Redes de Control

51



Tarjeta Principal

Vcc

Dírestíoi Control

Tarjetas de salida ON-OFF: Las tarjetas de salidas ON-OFF reciben desde el arreglo de multibus de: Datos, Dirección y Control, las señales de datos, direcciones y control para convertir estas señales digitales en los contactos programados que prenderán y apagaran los motores y válvulas solenoides en campo; es decir, la salida del contacto de un relé en el PLC y de este relé proporcione los contactos programados (Para activar y desactivar equipos en campo) según el programa que corre el PLC utilizando para las ecuaciones lógicas del paso del programa los contactos ON-OFF provenientes de campo. Se utilizan tantas tarjetas de salidas ON-OFF como motores, electro válvulas y alarmas se necesitan activar y desactivar en el proceso industrial.

Dato Dirección

Control

0

> Contactos 0 Proqramados.

Motor 1

0 0


52



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DATOS

Puerto

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Las Tarjetas de Salidas ON-OFF reciben un dato a través de la entrada del puerto programable y del cual sacara por el puerto seleccionado este valor. Cada uno de los estados lógicos de la salida del puerto programable se conectara con un arreglo de transmisor para trabajar en corte y saturación. Si la salida lógica es uno no circulara corriente por el diodo del Optoacoplador y el transistor estará en corte y con ello estará desenergizada la bobina manteniendo el contacto programado abierto. Cuando la salida lógica es cero se polariza en directo al diodo, circulando por ello una corriente por el diodo y con ello activando al transistor que pasa de corte a saturación, energizando la bobina y con ello cambiando el contacto programado. Tarjetas De Salidas De 4-20 mA Las tarjetas de salidas 4 a 20 mA reciben desde el arreglo de multibus de: Datos, Dirección y Control, las señales de datos, direcciones y control para convertir estas señales digitales en las señales de salidas de corriente de control de 4 a 20 mA que saldrán desde el PLC hasta el campo para alimentar los convertidores I/P que proporcionaran la señal neumática de 3 a 15 PSI que regulara la apertura de las válvulas de control. En los pasos del programa que automatiza las instalaciones industriales habrá las ecuaciones lógicas previas a la activación de los bloques PID y donde las salidas de los bloques PID será la señal eléctrica de control de 4 a 20 mA que regulara al elemento final de control en campo. La tarjeta de salida de 4 a 20 mA recibe un dato de salida desde el Bus de Datos el cual alimenta a un Convertidor Digital-Analógico CDA que proporcionara la salida analógica que alimentara al Demultiplexor Analógico. Este Multiplexor Analógico tendrá unas señales de dirección que determinara por cual de sus salidas saldrá la señal de entrada. Cada una de las señales de salida del Multiplexor analógico tendrá un arreglo de memoria analógica y cuya señal de salida alimentara un convertidor Tensión-Corriente el cual proporcionara la señal eléctrica de 4 a 20 mA que saldrá desde el PLC hasta los elementos finales de control que estarán en las instalaciones industriales. En la siguiente figura se muestra una presentación generalizada del hardware de esta aplicación. Capitulo XII: Redes de Control

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K DATOS

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Demultiplexor Analógico

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IX

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L CONTROL > F

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O7

iv

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| CONTROL ^ P^ i^Plfi

Se utilizan tantas tarjetas de salidas 4 A 20 mA válvulas de control sean necesarias regular en las instalaciones industriales.

Dato f>ir ettiton Control. 1

4 - 29 mA 3-15PSI Í3-15PSI

TRANSMISORES INTELIGENTES (ver Capitulo 11)


54



No perderé la oportunidad de concluir este libro sin mostrar las imágenes de la integración de varios PLC-Preprogramados que durante los años 1993-1994 varios profesionales venezolanos entre los cuales me cuento diseñamos y construimos. CORPOVEN S.A. (Ex Filial de PDVSA) a calida de pruebas permitió su instalación en el motor K8 de la Planta Anaco Mariposa (1994-1995), del Complejo de Santa Rosa, Distrito Anaco, Anaco-Estado Anzoátegui. Funciono sin fallas, sin errores, instalado dentro de la nave motocompresora automatizando y protegiendo los motores. Después de casi cuatro años de trabajo e investigación, y sin cobrar un solo bolívar se decidió retirar los equipos al no "entender los requerimientos de la Gerencia de Automatización".

PROCESO: MOTOCOMPRESOR CONTROL: PANEL DE CONTROL CON PLC-Preprogramado

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^^^

55



ARREGLO DE CONTROL: 1. Equipo para Medir y Proteger por Temperatura. 2. Equipo Para Controlar la Secuencia de Arranque y Medir Presiones, Alto Nivel de Liquido en Depuradores e Interruptores Vibración. 3. Equipo para Medir y Controlar Velocidad Motor y Turbocompresores. 4. Equipos Interconectados entre si por comunicación serial Modbus. 5. Maestro Secuenciador Interconectado a Sala de Operadores a través de Comunicación serial Modbus. 6. TODO EL HARDWARE Y SOFTWARE 100% HECHO EN VENEZUELA.

PIROMETRO


56



VISUALIZACION DEL PANEL DE CONTROL PARA MOTOCOMPRESORES.

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57



DISEÑO MODULAR DEL PANEL DE CONTROL PARA MOTOCOMPRESORES.


58



INSTALACIÓN DE LOS MÓDULOS ELECTRÓNICOS E INSTALACIÓN DE LOS TRANSMISORES EN EL PANEL DE CONTROL


59



CONEXIÓN DE LAS SEÑALES DE PRESIÓN DESDE LA UNIDAD MOTOCOMPRESORA HASTA EL PANEL DE CONTROL E INTERCONEXIÓN DE LA SALIDA ELÉCTRICA DE LOS TRANSMISORES HASTA LAS REGLETAS DE SEÑALES ELÉCTRICAS DEL EQUIPO DE PRESIÓN.


60



SEÑALES ELÉCTRICAS PARA CONTROLAR LAS VÁLVULAS SOLENOIDES.


61



INTERCONEXIÓN DE LAS REGLETAS QUE RECIBEN LAS SEÑALES ELÉCTRICAS DE CAMPO CON LOS MÓDULOS ELECTRÓNICOS QUE CONFORMAN AL PANEL DE CONTROL.


62

Instrumentacion Petroleras H429_H441

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