Instrumentación y Control Cesar Contreras Dpto. Ingeniería Electrónica UNET ccontre@unet.edu.ve

Introducción ¿Como gobernar un proceso de forma automática? Nociones básicas de Control Nociones básicas de Instrumentación

Operación manual de un proceso Observar Comparar Decidir Actuar

Operación de un proceso Comparar Decidir Respuestas Cambios Proceso Actuar Medir Respuesta dinámica Operación manual o en lazo abierto

Operación automática Operación en lazo cerrado Respuestas Cambios Regulador Proceso Medir Actuar Valores Deseados Operación en lazo cerrado

Operación Automática Medir Comparar Decidir Actuar LT LC

Componentes Variables a controlar Variables para actuar Actuador Proceso Regulador Valores Deseados Transmisor Valores medidos

Control de temperatura Medir Comparar Decidir Actuar

Indice Sistemas de Control: Terminología Control Continuo / Discreto Transmisores Definiciones y tipos Nivel, Presión, Caudal,Temperatura... Actuadores: Válvulas Bombas y Compresores Dinámica de sistemas

Terminología Perturbación Variable Controlada Referencia LT LC Manipulada

Variable manipulada Manipulated Variable MV Output to Process OP Entrada (al proceso) Perturbaciones Deviation Variables DV Referencia Consigna CV y MV u Regulador w Proceso Set Point SP y (Europa) x Transmisor Variable Controlada Controled Variable CV Process Variable PV Salida (del proceso) Diagrama de bloques

Control Continuo La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se mide y se actua continuamente sobre un rango de valores del actuador Variable Controlada Perturbación Referencia LT LC Variable Manipulada

Control discreto Detector de máxima y mínima altura Relé Las variables solo admiten un conjunto de estados finitos Electroválvula ON/OFF

Diagramas de proceso P&I Unidades de proceso y actuadores representados con simbolos especiales Instrumentos de medida y regulación representados por círculos con números y letras LC 102 LT 102 Lineas de conexión

Instrumentos Indicadores Transmisores Registradores Convertidores Controladores Actuadores Transductores Conectados por lineas de transmisión: Neumáticas Eléctricas Digitales

Instrumentos Señal neumática LRC PT 014 128 Conexión al proceso o alimentación Señal eléctrica Montaje en panel Montaje en campo El número es el mismo en todos los instrumentos de un mismo lazo de regulación

Instrumentos digitales LRC PT 128 014 Comparte varias funciones: display, control,etc. Configurable por software Acceso por red Normalmente no accesible al operario Controlador de DCS, regulador por microprocesador,... Accesible al operario El número es el mismo en todos los instrumentos de un mismo lazo de regulación

Instrumentos digitales LRC 128 Computador Distinto del controlador de un DCS Varias funciones: DDC, registro, alarmas,etc. Acceso por red Conexión software o por red digital

Instrumentos digitales Control lógico o secuencial PLC o secuencias/ lógica de un DCS Accesible al operario No accesible al operario

1ª letra 1ª letra: variable medida o relacionada 2ª letra: puede cualificar a la primera D diferencial F relación S seguridad Q integración 3ª y sig: Función del Instrumento I indicador R registro C control T transmisor V válvula Y cálculo H alto L bajo A análisis D densidad E voltaje F caudal I corriente J potencia L nivel M humedad P presión S velocidad T temperatura V viscosidad W Peso Z posición

Instrumentos PDT LRC PIC DT FY FFC ST TDT

Recalentador DV MV CV

Transmisores Sensor: Elemento primario sensible a una propiedad física relacionada con la variable que se quiere medir. Transmisor: Sistema unido al sensor que convierte, acondiciona y normaliza su señal para transmitirla a distancia. Indicador: Combina un sensor y un sistema de medida analógica o digital.

Transmisor de presión Sensor Piezoeléctrico Señal normalizada Circuito electrónico Presión Amplificación Filtrado Calibrado Potencia Normalización

Transmisores Señal neumática: 0.2 - 1 Kg/cm2 3 - 15 psi Señal electrica: 4 - 20 mA 1 - 5 V cc, .... Frecuencia: pulsos/tiempo Otras: RTD, Contactos,... Señal digital: HART, Fieldbus, RS-232...

4-20 mA mA Transmisor FC La señal de corriente es la misma en cualquier punto de la linea Puede diferenciarse una averia o ruptura de linea del rango inferior de medida Pueden conectarse un número máximo de cargas o instrumentos

Pulsos/Frecuencia Contador Transmisor FC de pulsos El número de pulsos de tensión recibidos por unidad de tiempo es proporcional al valor de la magnitud medida

Alimentación Consumo Conectores Condiciones de trabajo Protecciones Montaje Alimentación Transmisor mA 220 V ac 24 V dc mA Transmisor

Conexionado CV Protección XT y aislamiento Filtrado MV XC Tomas Acondicionamiento Tomas auxiliares SP

Apantallamiento mA Transmisor FC

Cableado, Fiabilidad,... Distancia Sala de control TT FT DT Costos de cableado Ruidos Fiabilidad de los equipos Calibrado, mantenimiento,...

Buses de Campo PLC Ordenador TT FT Bus digital 1101... Microprocesador Módulo A/D y Comunicaciones DT

Instrumentación Inteligente Lleva incorporado un microprocesador Esto le dota de capacidad de cálculo y almacenamiento de la información: Datos del Instrumento Datos dinámicos Dispone de un sistema de comunicaciones digitales que pueden ser bidireccionales Proporcionan nuevas funcionalidades, conciencia del entorno

Instrumentación Inteligente Totalmente digital: Buses de campo Comunicaciones entre todos los elementos conectados al bus: instrumentos y sistemas de control Híbrido: Combina transmisión de señal analógica y digital: Protocolo HART Comunicaciones entre transmisores y sistemas de control

HART LT 4-20 mA 1011.. Unidad HART RS-232 PT Comunicación digital superpuesta a la señal de 4-20mA Permite realizar test, calibrado,.etc desde el ordenador o módulo de mano FT

Conexión serie 11010... Analizador Conversión A/D Protocolo de comunicación Punto a punto RS-232, RS-422 Bus RS-485

Terminología (SAMA) Rango Span Error dinámico Precisión Sensibilidad Repetitividad Zona muerta e Histéresis

Transmisores Calibrado: lectura = f ( valor real ) Ajustes de Cero y Span 20 mA 4 mA mA = 0.2667 ºC - 1.3333 20 ºC 80ªC Rango: 20 - 80 ºC Span: 80-20 = 60 ºC

Transmisores Calibrado: lectura = f ( valor real ) Ajustes de Cero y Span 20 mA Cero 4 mA Span mA = 0.2667 ºC - 1.3333 20 ºC 80ªC

Transmisores Error de linealidad Debido a la no linealidad de la curva de calibrado real % span 20 mA 4 mA Valor real 20 ºC 80ªC Valor indicado

Transmisores Zona muerta: Cambio en la variable medida que no altera la lectura. % del span 20 mA 4 mA Zona muerta 20 ºC 80ªC

Transmisores Repetitividad 20 mA 4 mA 20 ºC 80ªC Repetitividad: Capacidad de obtener la misma lectura al leer el mismo valor de la variable medida en el mismo sentido de cambio. % del span Histéresis: Lo mismo pero en sentidos distintos de cambio.

Transmisores Precisión: Limite máximo de error posible por linealidad, histéresis, etc.... % del span % de la lectura Valor directo,... 20 mA valor indicado error dinámico 4 mA 20 ºC 80ªC Valor real

Transmisores Sensibilidad: Cambio en la lectura correspondiente a un cambio unidad en la variable % del span 20 mA Sensibilidad 4 mA 20 ºC 80ªC 1 unidad

Transmisores de Temperatura De bulbo RTD (Pt100 0ºC 100 ) Termistores (Semiconductores) Termopares E, J, K, R,S, T Pirómetros (altas temperaturas, radiación)

Puente R R V Vcc Rt R Cuando el puente está equilibrado, la tensión V es nula. Si se modifica Rt la tensión V cambia. Pt100

Conexión a tres hilos R R Pt100 V Rt R La longitud de los hilos de conexión influye en la medida, el tercer hilo hace que se añada la misma resistencia a cada rama y se compensa el desequilibrio producido en el puente

Termopares En la unión de ciertos metales se genera una f.e.m. si los extremos están a temperaturas diferentes. La f.e.m. depende de la diferencia de temperatura T2 T1 I T Medida: Se opone una tensión conocida a la del termopar hasta que la salida del amp. diferencial es nula M Termopar

Termopares Tipo Rango Precisión T -200 250ºC 2% J 0 750ºC 0.5% K 0 1300ºC 1% R / S 0 1600ºC 0.5% W 0 2800ºC 1%

Transmisores de presión Presión absoluta Presión manométrica Presión diferencial Medidas basadas en: Desplazamiento Galgas Piezoelectricidad

Potenciómetro Sensor de desplazamiento Inducción Capacidad

Presión

Sensor piezoeléctrico Fuerza + Cristal de cuarzo - Placa metálica

Galgas / Efecto Hall La deformación varia R Galgas extensiométricas N Corriente Efecto Hall Fuerza S

Transmisor de presión

Transmisores de nivel Desplazamiento Presión diferencial Capacitivos Flotador Fuerza: Principio de Arquímedes Presión diferencial Capacitivos Ultrasonidos Radar

Nivel: presión diferencial Se mide la diferencia de presión entre ambas ramas Se supone la densidad constante Condensación en los tubos LT (p0 + gh) - p0

Capacitivos Entre el electrodo y la pared del depósito se forma un condensador cuya capacidad depende del nivel de líquido

Nivel: Ultrasonidos El tiempo entre la emisión y la recepción de las ondas de alta frecuencia es proporcional al nivel

Transmisores de Caudal Presión diferencial Electromagnéticos Turbina Vortex Efecto Doppler Másicos (Coriolis) …..

Placas de orificio P1 P2 Basada en la medida de presión diferencial D

Caudalímetros electromagnéticos En el conductor (líquido) que circula a una velocidad en el seno del campo B se induce una f.e.m proporcional a la velocidad, que se recoge en los electrodos B S N + - S

Convertidor I/P Alimentación aire y electrica I 4 - 20 mA P Aire 3-15 psi Poca precisión en el posicionamiento del vástago

EL PROBLEMA DE CONTROL v DV w Controlador u Proceso y SP MV CV

Controladores Generan una señal de control normalizada al actuador en función del valor medido de la variable que se quiere controlar y de su valor deseado. Variable manipulada 4-20 mA Referencia Error Cálculo y normalización + - Variable controlada 4-20 mA

Controladores Tecnologías: Controladores de lazo (PID) Autómatas (PLC) Neumática Electrónica Digital Controladores de lazo (PID) Autómatas (PLC) Sistemas de Control Distribuido (DCS) Control por ordenador (PC)

Controlador 4-20 mA del transmisor SP 45 PV 45.5 4-20 mA al actuador MV 38 %

Señales del regulador Las señales de entrada y salida al regulador son Actuador w u y Regulador Proceso 4-20 mA 4-20 mA Transmisor Las señales de entrada y salida al regulador son señales normalizadas, normalmente de 4-20 mA

Respuesta dinámica MV CV u y Proceso tiempo Experimentación Modelo matemático

Respuesta dinámica tiempo u y Transitorio Estacionario

Tipos de procesos Autoregulados No autoregulados o Integradores tiempo y y u tiempo

Tipos de procesos Fase mínima Fase no-mínima o respuesta inversa tiempo u y y u tiempo

Estabilidad y y Estable Inestable u respuesta en lazo abierto y respuesta en lazo abierto 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 -0.5 -0.5 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 Estable Inestable u A una entrada limitada corresponde una salida limitada

Amortiguamiento y y u Subamortiguado Sobreamortiguado respuesta en lazo abierto y respuesta en lazo abierto 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 -0.5 -0.5 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 u Sobreamortiguado Subamortiguado

Respuesta dinámica tiempo de asentamiento +5% del valor final y u Retardo

respuesta dinámica Sobrepico en % = 100 Mp/ y Mp Ganancia = y / u tiempo

Ganancia Ganancia positiva Ganancia negativa o inversa tiempo u y y u

respuesta dinámica periodo de oscilación ys valor final 90 % ys y tiempo de subida u tiempo

Modelo matemático y Proceso u tiempo ym tiempo Modelo tiempo

Sistemas de eventos discretos Muchos procesos no son continuos Sus variables solo admiten un número finito de valores Los valores de las variables no cambian de forma continua en el tiempo, sino en instantes determinados. Problemas de control lógicos y secuenciales

Estados discretos Motor: En marcha o parado Depósito: Con líquido o vacio Válvula: Abierta o cerrada

Instrumentación Detector de nivel mínimo: cuando el nivel desciende del valor mínimo se activa / o desactiva la señal del sensor Circuito cerrado Circuito abierto

Instrumentación Termostato: Cuando la temperatura supera un límite se activa/desactiva el sensor Presostato Proceso TS PS

Instrumentación Emisor Detector de presencia Receptor Final de carrera

Instrumentación ~ Válvula on/off Electroválvula Arrancador de motor

Sistemas combinacionales Asociados a alarmas o lógicas de operación Las respuestas dependen solo de las entradas a través de las funciones lógicas y, ó, no SI ( condiciones lógicas ) ENTONCES ( acciones)

Lógica combinacional A.B AND A+B OR A NOT Leyes de Morgan

Puertas lógicas A A A & A.B  1 B A Nomenclatura DIN  1 A+B B Las expresiones lógicas pueden asimilarse a circuitos eléctricos en que las condiciones cierto o falso corresponden a presencia o ausencia de señal y la conclusión se expresa en términos de la señal de salida

Circuitos lógicos C & D A.B + C.D  1 A & B A A  1 & C (C+B).A  1

Relés Dispositivo que permite implementar acciones lógicas y actuar sobre elementos físicos ~ Carga bobina SI (S1= cerrado y S2= cerrado) ENTONCES carga activada S1 S2

Diagrama de contactos bobina de relé + - X1 Otros elementos: temporizadores, contadores, pulsadores, etc. Pulsador normalmente abierto Pulsador normalmente cerrado

Ejemplo S2 X2 P1 S1 relé ~ X1 M + - S1 P1 X1 S2 X1 X2

Procesos Secuenciales M B Sucesión de etapas de operación con acciones específicas y condiciones de transición entre ellas 1 Espera 2 Carga 3 Operación 4 Descarga Descarga

Grafos de transición de estados Espera 1 M Arranque A B Tanque vacio 2 Carga Descarga Tanque lleno 4 Operación terminada 3 Operación Estados Transiciones

Autómatas programables Dispositivos programables orientados a implementar funciones lógicas y secuenciales conectados a un proceso Arquitectura CPU Comunicaciones Tarjetas I/O Alimentación

Modicon TSX Nano

PC + PLC + Proceso