Instrumentación y Control

Presentación del tema: "Instrumentación y Control"— Transcripción de la presentación:

1 Instrumentación y Control
Cesar Contreras Dpto. Ingeniería Electrónica UNET

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

3 Operación manual de un proceso
Observar Comparar Decidir Actuar

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

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

6 Operación Automática Medir Comparar Decidir Actuar LT LC

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

8 Control de temperatura
Medir Comparar Decidir Actuar

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

10 Terminología Perturbación Variable Controlada Referencia LT LC
Manipulada

11 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

12 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

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

14 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

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

16 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

17 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

18 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

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

20 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

21 Instrumentos PDT LRC PIC DT FY FFC ST TDT

22 Recalentador DV MV CV

23 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.

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

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

26 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

27 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

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

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

30 Apantallamiento mA Transmisor FC

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

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

33 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

34 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

35 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

36

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

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

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

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

41 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

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

43 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.

44 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

45 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

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

47 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

48 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

49 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

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

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

52 Potenciómetro Sensor de desplazamiento Inducción Capacidad

53 Presión

54 Sensor piezoeléctrico
Fuerza + Cristal de cuarzo - Placa metálica

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

56 Transmisor de presión

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

58 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

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

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

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

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

63 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

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

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

66 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

67 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)

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

69 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

70 Respuesta dinámica MV CV u y Proceso tiempo Experimentación
Modelo matemático

71 Respuesta dinámica tiempo u y Transitorio Estacionario

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

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

74 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

75 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

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

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

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

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

80 Modelo matemático y Proceso u tiempo ym tiempo Modelo tiempo

81 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

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

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

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

85 Instrumentación Emisor Detector de presencia Receptor Final de carrera

86 Instrumentación ~ Válvula on/off Electroválvula Arrancador de motor

87 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)

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

89 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

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

91 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

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

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

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

95 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

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

97 Modicon TSX Nano

98 PC + PLC + Proceso