controles electricos y automatizacion_vers#7

8/17/2019 Controles Electricos y Automatizacion_vers#7

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CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION U.S.P. REYES SUSANO BERNARDO -

EL SISTEM DE CONTROL UTOMÁTICO

1.1 INTRODUCCIÓN

La temperatura corporal, a menos que se esté enfermo, permanece casi constante, ya seael entorno frío o caliente. Para mantener esta constancia el cuerpo tiene un sistema decontrol de temperatura. Si esta comienza a subir más de lo normal, se suda; si disminuye,se empieza a temblar. Ambos son mecanismos que se utilizan para restaurar latemperatura del cuerpo a su valor normal. Este sistema de control mantiene la constanciade la temperatura.Una manera de controlar la temperatura de una casa con calefacción central consiste enque una persona está cerca del interruptor de encendido y apagado de la caldera con untermómetro; y encienda y apague la caldera de acuerdo con la lectura de termómetro. Estaes una forma rudimentaria de sistema de control utilizando a un hombre como elemento decontrol. El sistema de control más usual tiene termostato que automáticamente, y sin laintervención humana, conecta y desconecta la caldera. Este sistema de control mantiene

constante la temperatura.

En la era contemporánea la producción industrial se ha caracterizado principalmente por laoptimización de los procesos empleando avances tecnológicos de la comunicación y el control afin de lograr productos a bajo costo, alta calidad, capaces de cumplir con los estándares exigidospor el mercado.

Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a través del uso desensores, controladores y actuadores, es decir sistemas de control automáticos bien sintonizados,lo cual permitirá un buen control del proceso de producción, minimizando los recursos humanos.

La tecnología actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo omanufacturero en tiempo real. En nuestro país el control y la automatización a través de la

electrónica han experimentado un cambio importante en la mayoría de las industrias, para ampliary mantener su posición en los respectivos campos de acción.

DEFINICIONES

Planta: Una planta puede ser una parte de un equipo, tal vez un conjunto de las partes deuna máquina que funcionan juntas, el propósito de la cual es ejecutar una operaciónparticular. En este curso, llamaremos planta a cualquier objeto físico que se va a controlar(tal como un dispositivo mecánico, un horno de calefacción, un reactor químico o unanave espacial).

Proceso: se define un proceso como una operación o un desarrollo naturalprogresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se sucedenuno al otro en una forma relativamente fija y que conducen a un resultado o propósitodeterminados; o una operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una seriede acciones o movimientos controlados, sistemáticamente dirigidos hacia un resultado opropósito determinados. En este curso llamaremos proceso a cualquier operación que seva a controlar. Algunos ejemplos son los procesos químicos, económicos y biológicos.

Sistema: Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizanun objetivo determinado. Un sistema no necesariamente es físico. El concepto de sistemase aplica a fenómenos abstractos y dinámicos, tales como los que se encuentran en laeconomía. Por tanto, la palabra sistema debe interpretarse como una implicación desistemas físicos, biológicos, económicos y similares.


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1.2 SISTEMA DE CONTROL Al hablar de sistemas de control, es necesario hacer una diferencia entre lo que es unsistema de mando y otro de regulación.El primero está relacionado principalmente con procesos de manufactura, en los cuales, larepetición de secuencias es la característica fundamental. El segundo tiene que ver conprocesos en los que es necesario mantener constante el valor de una o más variables.OBJETIVOS DEL CONTROL AUTOMATICO

• Se automatizan los procesos por :• Seguridad personas e instalaciones.• Mantener performance• Mantener calidad.• Incrementar productividad• Ahorro de recursos.• Reducir fatiga / incrementar profundidad y amplitud del cargo.• La reducción de personal nunca ha justificado un proceso de automatización.

1. Control manual

En principio todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por unoperador; la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal esel caso de un descenso de temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvulade vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimientodel proceso por parte de este operador.En este tipo de control, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan lasdiferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta personaestará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar. Por otro lado , larecolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, ya que estádedicado tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lotanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, queevidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se

puede conjugar, en tener datos que puedan ser imprecisos, incompletos y difíciles demanejar.En el Sistema de Control Manual de la figura siguiente, donde el operador mide la

temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la válvula devapor, y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicas del controlmanual realizado por un ser humano son:

Medir Comparar Calcular Corregir

Luego los fundamentos de un Sistema De Control Automático deben de provenir delas funciones básicas del control manual realizadas por un ser humano.


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1.2 CONTROL AUTOMÁTICOSe entiende por control automático, el mantener estable una variable de proceso mediante un

dispositivo, por lo general electrónico, cuyo valor deseado (Set Point) está almacenado en lamemoria de éste y al recibir la señal de la variable controlada realiza los cálculos y estima laacción sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control.

El control automático tiene como finalidad mantener cierta variable o condición en cierto valor (fijoo variando en el tiempo a nuestra voluntad).

Este valor que se pretende es el valor deseado (SET POINT).Para alcanzar este objetivo, el sistema de control automático opera de la manera siguiente: A. Medida del valor actual de la variable que se quiere regular.B. Comparación del valor actual con el valor deseado (siendo este último comunicado al sistema

de control por el operador humano o un controlador). Determinación de la desviación.C. Utilización de la desviación (error) para generar una señal de corrección.D. Aplicación de la señal de corrección al sistema a controlar de modo que s ea eliminada la

desviación, esto es, de manera a volver a llevar a la variable al valor deseado. La señal decorrección introduce variaciones de sentido contrario al error.

En resumen, se puede definir el control automático como el mantenimiento del valor de ciertacondición a través de su medida, de la determinación de la desviación en relación con el valordeseado, y de la utilización de la desviación para así generar y aplicar una acción de control capazde anula o reducir la desviación.

Este dispositivo electrónico es conocido como controlador de lazo simple o multilazo basadoen C (Microcontrolador); PLC (Controlador Lógico Programable) y PC (Computadora Personal).

Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control (figura 1) se tomará comoejemplo un proceso típico de intercambio de calor.


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BULBO

TERMOMETRO

INDICADOR

SALIDADE

AGUACALIENTE

ENTRADADE

AGUAFRIA

VALVULA

DE VAPOR

ENTRADA

DE VAPOR

ENTRADA DEAGUA FRIA

Lazo de Control

sensor

accióncorrectora

proceso

computa

comparacontrolador

ENTRADADE VAPOR

SALIDA DEAGUA CALIENTE

Figura 1 Intercambiador de Calor a ser controlado

Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; seríacomo se detalla en la figura 2.

Figura 2. - Representación del control del intercambiador por una persona


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Otro ejemplo, considerando el control de temperatura del agua en el depósito. Aquí la temperatura es la variable controlada

1.3 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICOUn sistema de control automático se divide en cuatro grupos de instrumentos los cuales sepresentan en la figura 3:

Mediciones Primarias. Transmisión de Señales. Controladores Automáticos. Elementos de Control Final.


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Figura 3. – Elementos de un sistema de control

1.3.1. MEDICIONES PRIMARIAS. (ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN)

Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso,siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para transformar la variablemedida en una señal eléctrica, los más usados en la industria son los de nivel, depresión, de temperatura, de flujo, de proximidad entre otros. También sonconocidos con el nombre de detectores.

1.3.2. TRANSMISIÓN DE SEÑALES. (TRANSMISORES)

Los Transmisores captan la variable del proceso a través del elemento primario y latransmiten a distancia en forma de señal neumática de margen de 3 a 15 psi (libraspor pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. Enmuchos casos los transmisores tienen incorporados el elemento primario demedición.Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor dereferencia o “set point” determinando el error y la acción de control.

1.3.3. CONTROLADORES AUTOMÁTICOS (CONTROLADORES)


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Los Controladores son instrumentos que comparan la variable controlada (presión,nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado o “set point”, programado por unoperador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador, de acuerdo con ladesviación.

Los controladores pueden ser del tipo: neumático, electrónico, analógicos ó

digitales; así como las computadoras con tarjetas de adquisición de datos y los PLC(Controladores Lógicos Programables).

1.3.4. ELEMENTOS DE CONTROL FINAL (ACTUADORES)

Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por función alterar elvalor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valorcontrolado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen unaserie de actuadores como: motores, válvulas, relés, y swicthes. A continuacióndescribiremos los actuadores más importantes:

1.4 TERMINOLOGIA DE CONTROLDado el Diagrama en bloques de un sistema de control clásico se pueden observar lossiguientes términos

Figura 4. – Diagrama de bloques de un sistema de control realimentado

PUNTO DE CONTROL (Set Point).- Señal que fija el valor de la Variable controlada a unnivel de control deseado.

VARIABLE CONTROLADA.- Variable que es objeto de medición y control. Es elparámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues

su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través deun sensor es una condición importante para dar inicio al control.

Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor, se observa la intención decalentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en intención de calentaragua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variables delproceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturasdel agua; pero lo más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lotanto es la variable controlada.

VARIABLE MANIPULADA.- Variable que afecta el valor de la variable de medida ocontrolada. Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones delproceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema.

En el ejemplo del intercambiador de calor, quién proporciona mayor a menor cantidad deenergía al sistema es el ingreso del vapor, por lo tanto la variable a manipular será elflujo de ingreso de vapor.


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Al realizar una representación documentada se debe presentar conceptos generales,dibujos más detallados, especificaciones narrativas, esquemas y otros necesarios, paracumplir con los objetivos de las herramientas de comunicación estandarizados según lasnormas Internacionales de la “Instrumental Society of America” (ISA).

Finalmente el uso de estos símbolos de identificación debe servir para comunicar conceptosde las formas más sencilla, clara y exactamente posible.

1.5.1 SIMBOLISMO

El simbolismo es un proceso abstracto en el cual las características salientes de losdispositivos o funciones son representados de forma simple por figuras geométricascomo círculos, rombos, triángulos y otros para escribir caracteres como letras ynúmeros identificando la ubicación y el tipo de instrumento a ser utilizado.

Entre los símbolos más empleados tenemos:

1. FIGURAS GEOMÉTRICAS

Las figuras geométricas son usadas para representar funciones de medición ycontrol en el proceso, así como dispositivos y sistemas; para la cual se utilizan:

CÍRCULOS

El Círculo se usa para indicar la presencia de un instrumento y comoelemento descriptor; como símbolo de un instrumento representa, el conceptode un dispositivo o función. En la figura 5, se muestra un dispositivo indicadorde Presión (PI):

Figura 5.- Circulo como instrumento

Como elemento descriptor es usado para proporcionar información acerca deotro símbolo. En la figura 6, se muestra una válvula para el control de Flujo(FV):

Figura 6.- Círculo como identificador

FV

2

PI

1


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La diferencia entre ambos usos está en la inclinación de la línea saliente delcírculo y en el trazo incompleto para el caso del descriptor. El elementodescriptor suele llevar además un código proporcionando informaciónadicional sobre el tipo de instrumento y el tipo de variable medida.

La localización del instrumento en la planta se indica dibujando:

a. “Ninguna” línea para instrumentos montados en planta (o campo)

Figura 7.- Instrumento en el campo

b. Una línea sólida dividiendo el círculo para instrumentos montados enpaneles de salas de control (de fácil acceso para el operador).

Figura 8 - Instrumento montado en panelc. Una línea entrecortada dividiendo el círculo para instrumentos montados

detrás de paneles o gabinetes (de fácil acceso para el operador).

Figura 9.- Instrumento montado detrás del paneld. Una línea sólida doble dividiendo el círculo para instrumentos montados

en paneles auxiliares o secundarios.

Figura 10.- Instrumento montado en panel auxiliar

PI

1

PI

1

FY

3

PI

1


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e. Líneas entrecortadas dobles dividiendo el círculo para instrumentosmontados detrás de paneles secundarios.

Figura 11.- Instrumento montado detrás de panel auxiliar

En el caso de tener demasiados paneles, dificultando la interpretación de“panel principal” o “panel secundario” se puede usar combinaciones de letras

distinguiendo los paneles unos de otros: P1, P2,.(paneles); RI,(soportes). Sinembargo, sea cual sea el sistema de descripción usado, se debe indicar en laleyenda del diagrama.

Figura 12.- Designadores de Posición

CUADRADOS PEQUEÑOSUno de los primeros usos de los cuadrados pequeños es la representación deactuadores del tipo solenoide, en este uso se prefiere dibujar el cuadrado conuna letra S inscrita en él.

Figura 13.- Representación de un actuador de solenoide

Los cuadrados pequeños son también usados para representar actuadoresde pistón dibujando para esto una pequeña T representando el pistón y líneassimples y dobles para pistones de simple y doble acción respectivamente.

Figura 14 - Representación de un actuador de pistón

FY

4

TIC

1

WIC

1

SIC

1

P1 P2 P3

s


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Figura 15.- Representación de un actuador de pistón de doble acción

Otros actuadores, se pueden representar inscribiendo un cuadrado con lacombinación E/H para indicar actuadores electrohidráulicos o con una X pararepresentar actuadores no clasificados.

Figura 16.- Representación de un actuador electrohidraúlico

Figura 17.- Representación de un actuador no convencional

El cuadrado pequeño puede representar también un posicionadordibujándose al lado del cuerpo de la válvula.

Figura 18 - Representación de un posicionador para válvula

Uno de los más recientes usos para los cuadrados es la representación debloques de funciones o como indicador de función.

Figura 19.- Indicador de función

H

E

X

FY

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CUADRADOS GRANDES

Con la llegada del control compartido y visualizadores o pantallas mostrandodatos de diversos lazos, se requería poder distinguir instrumentosindependientes y aquellos cuyos componentes se encuentran repartidos en

diversos gabinetes no pudiendo reconocérseles como localizados en un sólolugar.La solución se encontró usando un cuadrado alrededor del símbolo delinstrumento. Esto indica la función cumplida por varios elementos nolocalizados en un sólo gabinete.

Figura 20.- Simbolismo de control compartido

Figura 21.- Simbolismo de función compartida

1.5.2 SIMBOLISMO DE SEÑALES

Las líneas de unión para envío de señales o conexiones de los sistemas de controltambién deben ser presentadas más finas en relación a tuberías de proceso, tal

como se muestra en el cuadro 1.

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Cuadro 1.- Líneas de Señales

1.5.3. SIMBOLISMO DE FUNCIONESEl simbolismo utilizado para determinar las funciones de cada instrumento sepresentan a continuación en el cuadro 2.

PIC

2

PIC

2


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**H

**L

**HL

Nº FUNCI N S MBOLO Nº FUNCI N SIMBOLO

1 SUMATORIA 11FUNCIÓN NO

LINEALf(x)

2 PROMEDIO

n 12 FUNCIÓN TIEMPO f(t)

3 DIFERENCIA 13 MAYOR >

4 PROPORCIONALK

1:12:1

14 MENOR >

5 INTEGRAL 15 LIMITE ALTO >

6 DERIVADA d/dt

16 LIMITE BAJO >

7 MULTIPLICACIÓN X

17PROPORCIONAL

REVERSIBLE

- k

8 DIVISIÓN 18LIMITE DE

VELOCIDAD

9EXTRACCIÓN DE

RAÍZn

19 CONVERSIÓN */

*

10 EXPONENCIAL Xn

20SEÑAL DELMONITOR


Cuadro 2.- Bloque de Funciones

1.5.4. SIMBOLISMO DE INSTRUMENTOSLa representación de los instrumentos como sensores y controladores se muestranen el cuadro 3.

LOCALIZACI N PRIMARIANORMALMENTE ACCESIBLEPARA EL PROGRAMADOR

MONTADO EN CAMPOLOCALIZACI N AUIXILIAR

NORMALMENTE ACCESIBLEPARA EL OPERADOR

INSTRUMENTOS DISCRETOS

CONTROL MECANICO

FUNCION DE COMPUTADOR

CONTROL LÓGICOPROGRAMABLE


Cuadro.3.- Representación de los Instrumentos


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1.5.5 IDENTIFICACIÓN DE ELEMENTOS

La identificación de lossímbolos y elementosdebe ser alfa numérica,los números representanla ubicación y establecenel lazo de identidad, y lacodificación alfabéticaidentifica al instrumento ya las acciones a realizar,ver figura 22.

Figura 22.- Representación alfa-numérica

1. LETRAS DE IDENTIFICACIÓN PARA INSTRUMENTOS

Cada instrumento se identifica mediante un sistema de letras, clasificadas en

cuanto a la función, (cuadro 4).LETRA PRIMERA LETRA LETRA SUCESIVA

VARIABLE MEDIDA MODIFICADOFUNCIONES PASIVASLECTURAS DE SALIDA

FUNCIONES DESALIDA

MODIFICADAS

A Análisis (composición) Alarma, incluye Inter-loook y

Emergencia

B Combustión

C Conductividad, Concentración Regulación (ON – OFF) Control

D Densidad, Peso Especifico Diferencial

E Voltaje Sensor

F Flujo Fracción

G Dispositivo de visión

H Mano (acción manual) Alarma de alta

I Corriente Eléctrica Indicación (indicador)

K Tiempo Razón del cambio de

L Nivel Luz Alarma de baja

M Humedad Intermedio ó Medio

N Libre a elección Libre a elección

O Oroficio, restricción

P Presión Punto de prueba ó conexión

Q Cantidad Integrado, Totalizado

R Radiación Registro

S Velocidad, Frecuencia Seguridad Interruptor

T Temperatura Transmisor

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

W Peso (fuerza) Pozo

V Vibración o Análisis Mecánico Valvula

X Libre a elección Eje X Libre a elección Libre a elección Libre a elección

Y Evento, Estado, Presencia Eje Y Réle, Computadora

Z Posición, Dimensionamiento Eje Z Actuador, Manejador

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)Cuadro 4 Letras para identificación de instrumentos

# # #

Ubicación o posición del

Elemento (0 - 9)

Primera Letra (A - Z)Instrumento de Medida Letras Sucesivas (A - Z)

Funciones pasivas de salida

y las posibles modificaciones


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2. COMBINACIONES POSIBLES DE LETRAS PARA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS

PriemraLetra

VariablesMedidas

ControladoresDispositivos de

salidaInterruptores y Dispositivos de Transmisión de Alarmas Solenoides,

RélesElementosprimarios

Punto demuestreo

Registros Indicadores Registros Indicadores

A Análisis ARC AIC AC AR AI ASH ASL ASHL ART AIT AT AY AE AP

B Combustión BRC BIC BC BR BI BSH BSL BSHL BRT BIT BT BY BE

C ConductividadD Densidad

E Voltaje ERC EIC EC ER EI ESH ESL ESHL ERT EIT ET EY EE

F Flujo FRC FIC FC FCV FR FI FSH FSL FSHL FRT FIT FT FY FE FP

FQ Cantidad de flujo FQRC FFIC FQR FQI FQSH FQSL FQIT FQT FQY FQE

FF Flujo Promedio FFRC FFIC FFC FFR FFI FFSH FFSL

G

H Corriente Eléctrica HIC HC HS

I Tiempo IRC IIC IR II ISH ISL ISHL IRT IIT IT IY IE

J Nivel JRC JIC JR JI JSH JSL JSHL JRT JIT JT JY JE

K KRC KIC KC KCV KR KI KSH KSL KSHL KRT KIT KT KY KE

K LRC LIC LC LCV LR LI LSH LSL LSHL LRT LIT LT LY LE

M Humedad

N

O

P Presión PRC PIC PC PCV PR PI PSH PSL PSHL PRT PIT PT PY PE PP

PD Presión Diferencial PDRC PDIC PDC PDCV PDR PDI PDSH PDSL PDRT PDIT PDT PDY PDE PDP

Q Cantidad QRC QIC QR QI QSH QSL QSHL QRT QIT QT QY QE QP

R Radiación RRC RIC RC RR RI RSH RSL RSHL RRT RIT RT RY RE

S Velocidad SRC SIC SC SCV SR SI SSH SSL SSHL SRT SIT ST SY SE TP

T Temperatura TDRC TDIC TDC TDCV TR TI TSH TSL TSHL TRT TIT TT TY TE TDP

TDTemperatura

diferencialTDR TDI TDSH TDSL TDRT TDIT TDT TDY TDE

U Multivariable

VVibración ó Análisis

MecánicoVR VI VSH VSL VSHL VRT VIT VT VY VE

W Peso WRC WIC WC WCV WR WI WSH WSL WSHL WRT WIT WT WY WE

WD Peso Diferencial WDRC WDIC WDC WDCV WDR WDI WDSH WDSL WDRT WDIT WDT W DY WDE

YEvento, Estado

PresenciaYIC YC YR YI YSH YSL YSHL YRT YIT YT YY YE

ZPosición

DimensionamientoZRC ZCI ZC ZCV ZR ZI ZSH ZSL ZSHL ZRT ZIT ZT ZY ZE

ZD Posición ZDRC ZDIC ZDC ZDCV ZDR ZDI ZDSH ZDSL ZDRT ZDIT ZDT ZDY ZDE

Fuente: Instrumental Society of america (ISA)Cuadro 5 Combinaciones de letras para identificar instrumentos


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1.5.6 DIAGRAMA DE FLUJO

• REPRESENTACION ICONOGRAFICA DE LOS EQUIPOS, TUBERIAS DE CONEXIÓN EINSTRUMENTACION ( LAZOS DE CONTROL ) EN DICHOS EQUIPOS Y TUBERIAS.DIAGRAMAS P & ID : Diagramas de instrumentación y tuberías (P= piping – tuberías) o

también diagramas de Instrumentación y procesos.

Los diagramas de flujo detallan las acciones multidisciplinarias mostradas durantelas operaciones unitarias, del proceso y de ingeniería.1. DIAGRAMA DE PROCESOS O EQUIPOS

A continuación se muestra los principales equipos y la forma de representarse:

Figura 23.a.- Representación de equipos

Ciclón

Columna empacada

para destilación

Columna de

destilación

Secador,

Adsorvedor

Secador

discontinuo

Secador de

faja

Secador de

tambor

Secador

Rotatorio

Secador

rotatorio

extractor centrifugo

(liquido/liquido)

Evaporador

Circulación, fuerza

Evaporador

Convección natural


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Figura 23.b.- Representación de equipos

Evaporador

Efecto multipleVibrador, protegido

Hidroprotector Filtro rotatorio Precipitador

Molinogiratorio

Molino de

bolas

Molino de

discos

Molino de rodillos Lavador

filtro de

bolas

Filtro prensa

Tanque


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2. DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN Ejemplo A:

Ejemplo B

Figura 24.- Diagrama de tuberías e instrumentación de un Proceso de Destilación

Leyenda:FT : Transmisor de Flujo FY : Relé de FlujoFIC : Controlador Indicador de flujo PY : Relé de presiónLAH: Nivel con Alarma de Alta LT : Transmisor de NivelPDI: Indicador Presión Diferencial I/P : Corriente/NeumáticoPDC: Controlador Presión Diferencial TV : Válvula de TemperaturaTIC: Controlador Indicador de Temperatura TT : Transmisor de Temperatura

Señal CapilarSeñal eléctricaSeñal Neumática

LAH

201

FIC

101

PDI

401

LT

201

LT

201

PDC

401

PY

401

L

H

I/P

TIC301

TT

301

14"

TT

301

TV 301

FY

101

I/P

TV

301

FT

101

Producto

Vapor

Producto

E-1

01

01 01

V-1

S-1

PT

PIC PY

PV

01


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EJEMPLOS:FIC : controlador indicador de flujo PT : transmisor de presiónTIC : controlador indicador de temperatura TT : transmisor de temperaturaFT: transmisor de flujo YIC: controlador indicador de estadosPDT: transmisor diferencial de presión LRC: controlador registrador de nivelPIC: controlador indicador de presión DT: transmisor de densidadFY: cálculo de caudal FFC: controlador de relación de caudalST: transmisor de velocidad TDT: transmisor diferencial de temperatura

REPRESENTACION EN P & ID DE INDICADORES, TRANSMISORES, SWITCHES

Nota.- Cuando hay más niveles tenemos LSHH ( muy alto nivel) o LSLL (muy bajo nivel)

Otro ejemplo

http://2.bp.blogspot.com/-QYn8aO17kZs/VTPW94RH3hI/AAAAAAAAFns/-XtHKGDwg8I/s1600/Interpretar+un+P&ID.gifhttp://3.bp.blogspot.com/-4NCp9bYX6FU/VTPWjA1sxdI/AAAAAAAAFnc/U5VM9brCq_M/s1600/Interpretar+un+P&ID.gifhttp://2.bp.blogspot.com/-RK0xfablqyM/VTPWFl-4fVI/AAAAAAAAFnM/YV2GrrjfAvU/s1600/Interpretar+un+P&ID.gif


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2.0 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLLos sistemas de regulación se pueden clasificar en:

Sistemas de bucle o lazo abierto: son aquellos en los que la acción de control es independiente dela salida.Sistemas de bucle o lazo cerrado: son aquellos en los que la acción de control depende en ciertomodo, de la salida.1.- SISTEMAS DE CONTROL CLÁSICO

Sistemas de control en lazo abiertoUn sistema de control en lazo o bucle abierto es aquél en el que la señal de salida no influye sobrela señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de su calibración, de manera que alcalibrar se establece una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema laexactitud deseada.Una lavadora automática sería un claro ejemplo de sistema de control en lazo abierto. La

blancura de la ropa (señal de salida) no influye en la entrada. La variable tiempo presenta unaimportancia fundamental: si está bien calibrada, cada proceso durará el tiempo necesario paraobtener la mejor blancura.Otro ejemplo de sistema en lazo abierto sería el alumbrado públicocontrolado por interruptor horario. El encendido o apagado nodepende de la luz presente, sino de los tiempos fijados en elinterruptor horario.

Como vemos los sistemas de lazo abierto dependen de la variabletiempo y la salida no depende de la entrada.El principal inconveniente que presentan los sistemas de lazoabierto es que son extremadamente sensibles a las perturbaciones.Por ejemplo si en una habitación se ha conseguido unatemperatura idónea y se abre una puerta o ventana (perturbación)

http://4.bp.blogspot.com/-Sdf4BmAPF2U/VT0X_8g7D4I/AAAAAAAAFu8/M793rt2DSIY/s1600/P&ID.gif


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entraría aire frío, de manera que el tiempo necesario para obtener dicha temperatura seríadiferente.Sistemas de control en lazo cerradoSi en un sistema en lazo abierto existen perturbaciones, no se obtiene siempre la variable desalida deseada. Conviene, por tanto, utilizar un sistema en el que haya una relación entre la saliday la entrada.

Para el ejemplo anterior, la otra solución más efectiva consiste eninstalar un dispositivo (fotocelda, fototransistor, etc.) para detectarla cantidad de iluminación y de acuerdo con esto, encender oapagar el alumbrado público. En este caso, la entrada (cantidadóptima de luz en las calles) se compararía con la salida (cantidadde luz real en las calles) a los efectos de que la señal de errorgenerada accione o no el interruptor de luz.El diagrama de bloques que se presenta en la Fig. sgte. es para elcaso de control realimentado de lazo cerrado

Un sistema de control de lazo cerrado es aquél en el que la acción de control es, en cierto modo,dependiente de la salida. La señal de salida influye en la entrada. Para esto es necesario que laentrada sea modificada en cada instante en función de la salida. Esto se consigue por medio de lo

que llamamos realimentación o retroalimentación (feedback).La realimentación es la propiedad de un sistema en lazo cerrado por la cual la salida (o cualquierotra variable del sistema que esté controlada) se compara con la entrada del sistema (o una desus entradas), de manera que la acción de control se establezca como una función de ambas. A veces también se le llama a la realimentación transductor de la señal de salida, ya que mide encada instante el valor de la señal de salida y proporciona un valor proporcional a dicha señal.Por lo tanto podemos definir también los sistemas de control en lazo cerrado como aquellossistemas en los que existe una realimentación de la señal de salida, de manera que ésta ejerce unefecto sobre la acción de control.

2. SISTEMAS DE CONTROL MODERNO

2.1 CONTROL ADAPTATIVOEs un método en el cual la respuesta de un controlador varía automáticamente basado en

los cambios de las condiciones dentro del proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones,como en el control del pH.2.2 CONTROL DIFUSO

Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia artificial capaz deconvertir una muestra de la señal real a números difusos, para tratarlos según las reglas deinterferencia y las bases de datos determinados en las unidades de decisión, logrando estabilizarel sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia.

2.3 REDES NEURONALES ARTIFICIALES


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Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano conectando la red entre loselementos de la forma más sencilla para poder ser entrenados y realizar funciones complejas enlos diversos campos de aplicación.

3. SISTEMAS EN FUNCION A LAS SEÑALESUna señal se define como una cantidad física variando con el tiempo, el espacio o

cualquier otra variable independiente.

3.1 Señales eléctricas.Las señales eléctricas pueden representar su información clasificándolas en:- Señales analógicas- Señales digitalesLos equipos para medir las señales analógicas y digitales pueden ser:- Los polímetros, miden tensiones (corrientes).- Las impedancias, miden resistencias (capacidades), y- Las sondas lógicas, indican si se encuentra en el nive l 0 ò 1.

3.1.1. Señales analógicas

También denominada señal en tiempo continuo, se caracteriza por tomar cualquier valordentro de unos determinados márgenes y llevar la información en su amplitud.

3.1.2. Señales DigitalesEstas señales toman un número finito de niveles o estados entre un máximo y un mínimo,las más utilizadas son las binarias, teniendo dos niveles asignados a los números binarioso y 1. Las señales digitales se muestran a continuación en la figura 2,

3.2. Señal neumática.Se define como la variación física a través de la compresión o expansión de un fluidogaseoso generalmente el aire en un determinado tiempo.Su uso es en la actuación sobre elementos finales de control como las válvulas, pistones,

robots, etc.

3.3. Señales HidráulicasEs la variación de la presión de un fluido líquido como aceites de alta viscosidad conrespecto al tiempo.Se utiliza en la actuación de elementos finales de control donde requieran actuación conuna fuerza considerable, como por ejemplo, compuertas, robots, pistones, etc.3.4. Señales de sonido.Es el movimiento vibratorio de los cuerpos en una frecuencia determinada generando unaonda al desplazarse a través del fluido.Su aplicación es en la transmisión de información a alarmas, etc.

4. MODOS DE CONTROLVamos a suponer un control automático de temperatura consistente en una válvula yactuador y un sensor detectando la temperatura consistente en una válvula y actuador y unsensor detectando la temperatura de una habitación. El sistema de control debe compensarcuando el sensor de temperatura pide más o menos calor. Lo que le sucede a la válvula decontrol cuando el sensor registra un cambio en la temperatura (o, más correctamente, unadesviación de la temperatura) depende del tipo de sistema de control utilizado. La ley querelaciona el movimiento de la válvula con el cambio de temperatura es el medio controlado,

es conocido como “Modo de Control”, algunas veces “Acción de Control. Básicamente hay 2 mo dos de con trol :~ Todo/Nada: La válvula está totalmente está abierta o totalmente cerrada sin posición

intermedia.


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~ Continuo: La válvula puede moverse continuamente entre totalmente abierta ototalmente cerrada o mantenerse en una posición intermedia.

Hay derivaciones de ambos modos que examinaremos un poco más ampliamente.

4.1 Control todo/nada Alguna veces conocido como control de dos pasos o dos posiciones, es el control más

básico. Consideremos el tanque de agua mostrado en la figura siguiente. El objetivo escalentar el contenido del tanque utilizando un intercambiador de serpentín simplealimentado con agua a alta temperatura. En la tubería de entrada al serpentín, se montauna válvula de dos vías y su actuador se conecta a un termostato situado en el agua deltanque.

El termostato está ajustado a 60°C, la temperatura a la que deseamos mantener el aguadel tanque. La lógica nos dice que si el punto de conmutación está a 60°C, la válvula nuncafuncionará adecuadamente. Ciertamente la regulación indicará que la válvula abra hastadetectar que el agua del tanque llega a 60°C. A partir de este momento abrirá y cerrará muyrápidamente produciendo un desgaste excesivo.

Por esta razón, convendría que el termostato tuviese un punto de conmutación superior yun punto de conmutación inferior. Esto es esencial para prevenir oscilaciones o ciclosdemasiados rápidos. Supongamos que el punto de conmutación superior está a a 61°C ( elpunto al que el termostato decide que la válvula debe cerrar) y el inferior a 59°C (el puntodonde la válvula debe abrir). Hay una diferencia de conmutación en el termostato de +- 1°Cen torno a los 60°C de ajuste ( 61°C - 59°C).

Estos 2°C (+- 1°C) son conocidos como el “Diferencial” o “Diferencial de conmutación” ( Eldiferencial variará de un tipo a otro de termostato). El diagrama de la acción de

conmutación del termostato será del tipo reflejado en la figura siguiente.Estos 2°C (+- 1°C) son conocidos como el “Diferencial” o “Diferencial de conmutación” ( Eldiferencial variará de un tipo a otro de termostato). El diagrama de la acción deconmutación del termostato será del tipo reflejado en la figura siguiente.


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El gráfico muestra que la temperatura del contenido del tanque baja a 59°C antes de que laválvula sea requerida a abrir, y asciende a 61°C antes de que se ordene cerrar a la válvula.

Muestra unas líneas de conmutación rectas, pero el efecto de la transferencia de calor delserpentín al agua del tanque no será inmediato. Pasará un cierto tiempo hasta que el mediocaliente en el serpentín afecte la temperatura del agua del tanque. No únicamente esto,sino que por inercia la temperatura del agua de tanque. No únicamente esto, sino que porinercia la temperatura del agua del tanque se elevará por encima del límite superior de 61°Cy bajará por debajo del límite inferior de 59°C. Podemos utilizar la figura siguiente paraexplicar esto.

En el punto A (59°C) la señal del termostato abre la válvula completamente. Debe pasarun tiempo para que la transferencia de calor desde el serpentín afecte la temperatura delagua como muestra la pendiente de elevación de la temperatura, es decir, no es unaelevación inmediata. En el punto B (61°C) el termostato ordena cerrar la válvula. Pero elserpentín está lleno de fluido caliente que continuará dando calor.

Por lo tanto, la temperatura del agua del tanque continúa elevándose un poco alcanzandosu punto de sobrecalentamiento en C.

Desde este punto, la temperatura del agua en el tanque empieza a bajar hasta que en elpunto D (%9°C) el termostato ordena abrir la válvula. El medio calefactor es admitido en elserpentín pero, de nuevo, necesita descendiendo durante un cierto tiempo, alcanzando un“Punto bajo” o subcalentamiento en el punto E. La diferencia entre picos es conocida comoDiferencial de operación. El diferencial de conmutación del termostato depende del tipo yforma del termostato utilizado. El diferencial de operación depende de las características dela aplicación (p.ej. el tanque, el contenido, las características del serpentín, etc.)

El diagrama siguiente muestra el gráfico de conmutación.


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Esencialmente, con control Todo/Nada, hay simplemente límites superior e inferior deconmutación y la válvula está totalmente abierta o totalmente cerrada, no hay estadosintermedios.4.2 Control flotante

Es similar al Todo/Nada, excepto que entre los límites de conmutación alto y bajo, laválvula puede flotar o parar en cualquier posición. Utilizando el ejemplo anterior,asumiremos que un sistema de control flotante está montado a la válvula y actuador.

Cuando la temperatura del agua del tanque se mueve fuera de los límites superior o inferior,el sistema de control mueva la válvula en la dirección adecuada para cerrar o abrir.El diagrama siguiente permite explicar la acción.

En lugar de “Diferencial”, la diferencia entre los límites de conmutación superior e inferior esdenominado ahora Zona Muerta. En el punto A, la temperatura del agua del tanque haexcedido el límite de conmutación superior. El sistema de control envía una señal a laválvula para moverla hacia una posición más cerrada. La temperatura del agua del tanque

empieza a bajar ya que está admitiendo menos calor a través del serpentín. Cuando sealcanza el punto B estamos otra vez dentro de la zona muerta. Supongamos que en estetiempo la válvula ha alcanzado la posición de ¾ cerrada. Permanecerá en esta posición- sinmovimiento posterior- hasta que la temperatura del agua del tanque sobrepase los límites


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superior o inferior, es decir, vuelva a salir de la zona muerta. En la Fig. anterior esto sucedeen el punto C momento que en el sistema de control pedirá a la válvula volver a abrir denuevo. Asumimos que el punto D alcanzará una posición de medio abierta. Permaneceráasí hasta que la temperatura sobrepase los límites de conmutación superior o inferior, y asísucesivamente.Con el control flotante, deben ser tenidas en consideración dos circunstancias:

1. Una vez en funcionamiento, la válvula no puede para hasta que la temperatura del aguahaya retornado a la zona muerta.2. El sensor no puede detectar en cuanto la temperatura se ha desviado de la zona muerta.

En otros términos, la válvula continúa el movimiento hasta que la temperatura esresituada dentro de la “Zona Muerta” o hasta que alcance el recorrido total.

Una variante consiste en proporcionar dos ajustes de los límites superior e inferior- dosvelocidades de control flotantes. Cuando la temperatura del agua del tanque excede ellímite superior muy alto, la válvula es movida más rápidamente que cuando únicamente sealcanza el primer límite superior (o Inferior). Esto es representado en el diagrama. Es unmodo muy poco utilizado en la industria de válvulas de control.

4.3 Control ContinuoEl control continuo es frecuentemente llamado control modulante. Significa simplemente

que la válvula es capaz de ser movida continuamente para cambiar el grado de apertura o cierre.Ni se limita a moverse de totalmente abierta a totalmente cerrada, como con el control todo- nada,ni a flotar dentro de una zona muerta.

Hay 3 acciones de control básicas que necesitamos considerar, así como la combinación de lastres.~ Proporcional (P)~ Integral ( I )~ Derivativa ( D ).También es necesario considerar la combinación de las tres: P + I , P + D, P + I + D.

4.3.1 Control ProporcionalEste es el modo más básico de los modos de control continuo y para simplificar

normalmente se le indica con la letra P. La definición de esta forma de control es que la válvula esmovida de una manera correctiva, proporcional al cambio de la variable del proceso ( odesviación) que haya ocurrido.Para clarificar esta definición debemos introducir términos nuevos.


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Fig. (i)

Consideremos una simple analogía con un tanque de agua fría alimentado con agua através de una válvula flotador y con una válvula de cierre en la tubería de salida. Ver Fig. (i).Queremos mantener el nivel de agua del tanque en B (equivalente al punto de ajuste de uncontrolador de temperatura).

Supongamos que, con la válvula V medio abierta, hay un caudal justo de agua entrandopor la válvula de flotador para proporcionar el caudal deseado de salida a través de la tubería dedescarga y para mantener el nivel de agua del tanque en B.

El sistema puede estar bajo control, en una condición estable (la válvula del flotador noestá oscilando arriba y abajo) y en el nivel de agua deseado B y proporcionando el caudal desalida necesario.Consideremos ahora la Fig. (ii) donde la válvula de flotador corte el suministro de agua, el nivel deagua en el tanque se eleva hasta A. El sistema está todavía bajo control y estable pero estamos

controlando por encima del nivel deseado. LA diferencia entre el nivel deseado B, y el nivel actualcontrolado A, es llamado desviación mantenida Offset.

De nuevo, si la Válvula V está medio abierta, el nivel del agua en el tanque retornará alnivel deseado B.

Veamos ahora la Fig. (iii) donde la válvula repentinamente se abre totalmente.


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La válvula de flotador necesitará caer para abrir del todo la vávula de esfera y admitir uncaudal de agua fría que satisfaga la demanda incrementada de la tubería de descarga. Cuandoalcance el nivel C, entrará el agua suficiente para satisfacer las necesidades de descarga yel nivelde agua se mantendrá en C.

El sistema está ahora de nuevo bajo control y estable pero una vez más hay desviación uOffset – la desviación de nivel entre B y C. La Fig. (iv) reúne las tres condiciones que hemosutilizado en el ejemplo.

La diferencia de nivel entre A y C es conocido como Banda Proporcional, ya que es elcambio de nivel ( o temperatura en el caso de control de temperatura) para que la válvula semueva de totalmente abierta a totalmente cerrada. El símbolo para la Banda proporcional es Xp.

La analogía ilustra diversos puntos básicos e importantes relativos al control proporcional.+ Primeramente la válvula es movida proporcionalmente al error en el nivel de agua ( o

desviación de temperatura en el caso de un control de temperatura) en relación con el niveldeseado (o valor de ajuste).+ En segundo lugar, que el nivel deseado o valor de ajuste, puede únicamente ser

mantenido para una condición de carga específica.


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+ En tercer lugar, puesto que el control estable se puede obtener a otras cargas, el niveltendrá siempre una desviación en relación al punto d ajuste, bien por encima con una carga menoro por debajo con una carga mayor.

Los controladores eléctricos y neumáticos toman como valores de ajuste la posición mediade la Banda Proporcional.

Nuevamente, entonces, en el modo proporcional, la magnitud de la salida del

controlador es proporcional a la magnitud delerror. Como se ve en la figura sgte. , la relaciónlineal entre la salida del controlador y el errortiene vigencia dentro de cierto intervalo de erroresdenominado “banda proporcional” donde serepresenta la ecuación de la línea recta como:

Cambio en la salida del controladorrespecto del valor de referencia = Kp*eDdonde e es el error y kp es el gradiente de lalínea recta de la figura.

Podemos ahora describir lo mismo con unejemplo, pero esta vez utilizando un control detemperatura.

Imaginemos que queremos controlar latemperatura de un edificio utilizando un control detemperatura de acción proporcional (válvula,actuador, controlador y sensor local) del tipoeléctrico/electrónico.

El control seleccionado tiene una banda proporcional (P-band) de 6°C y la temperaturadeseada en el espacio interior es de 18°C. En condiciones estables de carga, la válvula estáabierta al 50% y la temperatura interior es de 18°C. Se produce una repentina e instantáneacaída en la temperatura exterior dando lugar a un incremento de pérdida de calor del edificio.

Como consecuencia, la temperatura interna bajará y será detectada por el sensor de la habitación,que dará a la válvula una señal para que se mueva a una posición más abierta para admitir más

calor.La válvula va abriendo en una cantidad

proporcional a la caída de la temperaturainterior. Obviamente, esta caída se para cuandola apertura es suficiente para proporcionar elcalor adicional requerido y por tanto, la válvulase estabiliza en una posición más abierta. Sinembargo, la temperatura interior actual seráligeramente menor que el valor deseado. Estose explica en la sig. Figura.

Supongamos que la caída de latemperatura exterior ha producido un descensode la temperatura interior del edificio de 2°C.Con la banda proporcional de 6°C, la acciónproporcional implicará que la válvula se moverá2/6, es decir, 33% hacia una posición másabierta.La válvula permanecerá abierta un 83% ( 50 +33 ) y se mantendrá estable la temperaturainterna. Pero esto será de 16°C, es decir seproducirá una desviación sostenida de 2°C (18-

16°C) del valor deseado (18°). La desviaciónsostenida u offset es inherente a todos loscontroles proporcionales.


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En muchos controles la banda proporcional es ajustable para facilitar el control estable bajodiferentes condiciones. Utilizando el ejemplo del diagrama, una banda P amplia de 9°C da 2/9, esdecir 22% de movimiento de la válvula.

La rampa es menos inclinada y se requiere un cambioimportante de la temperatura para producir un cambiopequeño de la posición de la válvula.

Con una banda P más estrecha, de 3°C ( ver diagrama)resulta una rampa más inclinada. Esto significa que con unpequeño cambio en la temperatura se obtiene un movimientode válvula grande.Si la banda P fuese cero, el resultado sería un controlTodo/Nada

Para reforzar esta sección, volvemos a los ejemplosanteriores, pero esta vez utilizando la apertura de la válvulacomo línea de accisas. Ver diagramas siguientes.

La banda P es frecuentemente expresada enporcentaje del rango del controlador, entendido como la diferencia entre el máximo y el mínimo

punto de ajuste. De tal manera que si el controlador tiene un rango de 200°C y la banda P es de10°C, el porcentaje de la Banda Proporcional es (10/200)x 100% = 5%

Con controladores de banda P ajustable, la determinación de esta banda se efctúamediante un ajuste llamado “Ganancia” o “Ganancia Proporcional”. La relación entre la banda P yla Ganancia es:Ganancia = _________100%__________ o Banda P en % =____100_____

Banda proporcional en % GananciaIncrementando la ganancia, estrechamos la banda proporcional. Así, relacionando conceptos hasta ahora mencionados, se puede decir que una banda

proporcional ancha proporcionará una respuesta menos sensible. Una banda proporcionalestrecha proporciona una respuesta más sensible peor esto tiene como límite la mínima banda P,Xp, que puede ser ajustada. Una banda proporcional demasiado estrecha puede dar lugar a unaoscilación o control inestable (ver diagrama).


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Estrecha Xp es el equivalente a incrementar la ganancia. Un Xp del 10% representa unaganancia de 4 y un Xp del 100% representa una ganancia de 1.

Ejemplo 2Considere un controlador proporcional mediante el cual se controla la altura del agua en untanque, donde el nivel del agua puede variar entre cero y 9.0 m ¿Qué banda proporcional yfunción de transferencia se necesitan para obtener una altura de agua de 5.0 m si el controladorcierra por completo la válvula cuando el agua rebasa una altura de 5.5 m y la abre toda cuando elagua tiene una altura menor de 4.5 m?. Cuando el error es de – 0.5m la salida del controladordebe ser una apertura al 100% y cuando es de +0.5 m la apertura es del 0%. Expresada en formade porcentaje, la banda proporcional cubre desde:

- (0.5/ 9.0) x 100 = - 5.6% a (0.5/ 9.0) x 100 = + 5.6% .Por lo tanto, la banda proporcional es del 11.2%. Observe que si el controlador se trabaja enporcentajes, también hay que hacerlo con el error. A este valor de banda proporcional

corresponde una función de transferencia Kp de (100%)/(11.2%) = 8.9.

OTRO EJEMPLO

Para poner en marcha un controlador proporcional se deben fijar los siguientes parámetros: – La temperatura deseada SP , por ej. SP = 200 °C – La banda proporcional Pb, por ej. Pb = 10 %.

• La banda proporcional Pb se programa en el controlador como un porcentaje del SP.banda = Pb x SP/100%

• Internamente el controlador realizará el cálculo del porcentaje de salida "Out" mediante lasiguiente fórmula:

– Out = [ 100% * E / banda ] – banda = Pb*SP/100% – E = (SP - PV)

• Para los valores del ejemplo SP=200°C y Pb=10%, la potencia determinada por el controlvariará a lo largo 20°C abajo del SP.

• • banda = Pb*SP/100% = 10% * 200 °C / 100% = 20°C• Es decir que la banda a lo largo de la cual variará gradualmente la potencia será:

180°C...200°C.• Por ejemplo si la temperatura del horno es igual o menor de 180°C, la salida de control

(potencia) será 100%.• Cuando la temperatura esté en la mitad de la banda, es decir en 190°C la salida será 50%:• Out% = [100% * E / banda] = 100%*(200-190)/20 = 50%• Al llegar la temperatura a 200 °C la salida será 0% :.• Out% = [100%*(200-200)/20] = 0%


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4.3.2 Control de la desviación permanenteDe la explicación del control proporcional desviación se deduce que este control se desvía

del valor de ajuste cuando la carga varía del 50%. Para ayudar a aclarar esto, consideremos unsistema donde la carga sea del 25% de la demanda máxima, el valor de ajuste sea de 80°C y Xp

de 10°C (ver diagrama).

Cuando el proceso/aplicación no puede tolerar esta desviación, se elimina por un procesollamado “Acción de Reajuste”.

4.4.3 Reajuste Manual

La desviación puede ser eliminada manual o automáticamente. El efecto del reajustemanual se representa en la fig. siguiente, asumiendo los mismos valores que los utilizados en lafig. anterior.

Se ve claro en la Fig. anterior que el valor de ajuste ha sido disminuido en 2,5°C. Esto hadesplazado la bandaproporcional paralelamentellevando la línea de cargadel 25% al valor de ajuste

original, que, naturalmente,coincide con el valordeseado (ver fig.siguiente).


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4.4.4 Reajuste automático (Acción integral)

El ajuste manual frecuentemente es insatisfactorio en plantas de proceso donde cada cambiode carga necesitaría alguna acción de ajuste. Es también frecuente que un operador se confundapor las diferencias entre:

1. Valor de ajuste – el que está en el dial2. Valor actual - el que el proceso está experimentando3. Valor deseado – la condición de proceso es perfecta

Las confusiones y las vicisitudes del control manual son vencidas adoptando un controlautomático donde se visualizan en el panel frontal del controlador el valor de ajuste inicial y elvalor actual. La acción de puesta a cero queda incorporada en el controlador.

Este tipo de controlador automático es un controlador proporcional al que se le ha añadidouna función de puesta a acero que es denominada “acción integral”. La puesta a cera automática

utiliza una integración electrónica para realizar esta función y de aquí nace el término máscomúnmente utilizado para la puesta en cero automática – acción integral. Se le designa con laletra “I”.

La función de la acción I es eliminar la desviación (offset) con movimientos continuos yautomáticos de la banda proporcional arriba y debajo de acuerdo a la desviación que detecta. Laseñal de desviación se integra con respecto al tiempo. La unidad I empieza a dar un incrementode señal estable en tanto existe una desviación del control. Cuanto mayor es la desviación, másrápido es el incremento o la disminución de la señal “extra”.

Un controlador de puesta cero automático necesita definir un ángulo de cambio conrespecto al tiempo, proporcional a la desviación. Por lo tanto debe actualizar continuamente loscálculos para que mantenga la precisión. La terminología para las accionas que incorporan estascaracterísticas es Proporcional + Integral (P+I). El diagrama siguiente muestra la función P+I en su

totalidad.

El tiempo de puesta a cero es ajustable. Si es demasiado corto, tendrá lugar una reacciónrápida y se generará inestabilidad. Si es demasiado largo, no habrá acción de puesta a acero. Eltiempo de puesta a acero se calcula en unidades de tiempo y se representa por Tn. En algunoscontroladores el parámetro ajustable para la puesta a cero es el inverso de Tn que es conocidocomo repeticiones por minuto.

Repeticiones por minuto = 1_______________________Constante de tiempo de integración en minutoTn = ȹ , significa acción integral infinitaTn = 0 , significa sin acción integral.


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4.4.5 Acción de la Velocidad de Variación (Acción derivativa)En el diagrama anterior se ve que, con controladores P+I, el exceso de temperatura es

probable que ocurra en la puesta en marcha. Simplificando, la acción I detecta una desviaciónimportante y reacciona para empujar a la banda proporcional más de lo necesario produciendo unexceso de calentamiento. Si esto ocurre es porque el control reacciona relativamente poco a pocoproduciendo la sobrereacción de la acción I. Por lo tanto se necesita un control “extra” en la

puesta en marcha. La acción de velocidad detecta los cambios en el incremento o disminución dela desviación, mientras que P+I detecta la magnitud de la desviación.

Se llama “Acción Derivativa”, se indica por la letra D, es ajustable, y se indica Td en unidadesde tiempo.Td = 0, significa sin acción DTd= ȹ significa acción D infinita.

EJEMPLO• En el ejemplo del horno agregamos un nuevo parámetro llamado constante derivativa D,

medido en segundos.• Internamente el controlador realizará ahora el cálculo:• Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / ( banda ) ]• banda = Pb*SP/100%• Donde "Vel" es la velocidad de la temperatura medida por el controlador, en °C/seg• Para este ejemplo fijamos D = 5 seg. y como antes SP=200 °C y Pb=10%.• Supongamos que en un momento dado, la temperatura del horno es de 185°C y está

subiendo a una velocidad Vel= 2 °C/Seg..• En un control proporcional la salida debería ser de 75%.

• Out = [ 100% *E / banda ] = 100%*15°C/20°C = 75%• Pero en este caso el control PD toma en cuenta la velocidad de ascenso de la temperatura

y la multiplica por la constante derivativa D y obtiene :

• Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / ( banda ) ]• = [ 100% * (15°C - 5 Seg * 2 °C/Seg.) / banda ]• = [ 100% * (5°C) / 20°C ] = 25%

• entonces a pesar que la temperatura actual es 185 °C, la salida es 25% en vez de 75%, alconsiderar la velocidad de ascenso de la temperatura

• De la misma forma, si la temperatura está sobre 200 °C pero descendiendo rápidamente,(velocidad negativa) por ejemplo: -1°C/seg, entonces el control activará antes ycon mayor potencia la salida intentando que no baje de 200 °C.

Los controladores P+D existen pero siempre presentan desviación permanente(offset).Vale la pena recordar que la única desventaja de un control P es la presencia de la

desviación. Para vencerla se introduce la acción I. Su desventaja es la sobreacción en la puesta

en marcha.De aquí que la necesidad de la tercera acción, D. Así tenemos finalmente, un controladorP+I+D que, si se regula adecuadamente, da una respuesta rápida y estable, sin balanceo y sinsobreacción.

P, I y D son conocidos como “factores” y un controlador P+I+D es, por tanto, un controlador de“tres factores”.

4.4.6 Resumen de modos de controlLa figura siguiente muestra la respuesta de varios tipos de control cuando cambia la carga, y

por lo tanto se produce una desviación en relación al tiempo.


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a) Con un control proporcional (P), la señal de salida es directamente proporcional a ladesviación. Cuando es necesario, se añaden acciones adicionales a la acción de controlproporcional básica, para: Minimizar la desviación permanente y Maximizar la estabilidad.

b) P+I o control proporcional con una acción integral introduce el ajuste automático del cerode un controlador proporcional de tal manera que la señal de salida varía a una velocidadProporcional a la desviación.

c) P+D o control proporcional con acción derivativa hace que la señal de salida varíe a unavelocidad proporcional a la velocidad de cambio de la desviación.

d) P+I+D es el más complejo pero explota las ventajas de P+I+D.

Así un controlador de tres factores contiene tres modos de control:1) Acción proporcional (P) con ganancia ajustable para obtener la estabilidad.2) Acción de puesta a cero (Integral) (I) para compensar cambios de carga.3) Acción de velocidad de cambio (Derivativa) (D) para aumentar el movimiento de la válvula

cuando tienen lugar rápidos cambios de carga.Las diferentes características pueden ser resumidas como sigue:

Todo/nada BarataSimple

Proporcional Simple

EstableFácil de ajustarCon desviación

Proporcional + Integral Sin desviaciónPuede ser inestable

Proporcional +Derivativa Estable Alguna desviación (pero menos que con laacción P sola)Respuesta rápida a cambios

Proporcional + Integral +Derivativa Más complejaMás caraSin desviaciónDa el mejor control pero debe ser ajustadacorrectamente lo que puede ser máscomplicado.


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Tipo Acción de control Propósito PrincipalPXP (%)

Una desviación de control produce una señal desalida desproporcional a la magnitud de ladesviación.

Produce la parte principal delesfuerzo de corrección.

ITn

A partir del momento en que hay una desviacióndel control, el controlador empieza a producir un

aumento en la señal de salida. Cuanto mayor esla desviación más rápido es el aumento odisminución de la señal de salida.

Elimina la desviaciónpermanente (OFFSET)

DTD

Cualquier cambio en la desviación del controlgenera una señal de salida proporcional a lavelocidad a la que está cambiando la desviación.

Produce un esfuerzo extrapara volver rápidamente alvalor del ajuste.

Finalmente, lo que los ingenieros de control deben hacer es evitar el peligro de utilizar controlesinnecesariamente complicados para una aplicación específica. Es decir, debe ser seleccionada laacción de control menos complicada que proporcione el grado de control requerido para el trabajoen cuestión.

4.4.7 Control proporcional de tiempo variable (PWM) Pulse width Modulation

Modulación por ancho de pulsoPara poder controlar la temperatura con menos fluctuaciones, se debe entregar al horno unapotencia gradual, para mantenerlo a la temperatura deseada .

• Por ejemplo en un horno la temperatura actual es 155 °C y el controlador está programadopara llevar la temperatura a 200°C.

• Luego PV=155°C (valor de proceso) y SP=200°C (Set Point).Entonces

E = (SP - PV) = (200°C - 155°C) = 45 °C. ( E: ERROR)En el ejemplo anterior del control On/Off, el relé del mando de calentamiento estará activado100%, entregando el máximo de potencia al horno o bien desactivado sin entregar potencia.El controlador proporcional entrega una potencia que varía en forma gradual entre 0 y 100%según se requiera y en forma proporcional al error (SP-PV).

• Es posible modular de 0% a 100% la potencia que recibe un horno eléctrico mediante elmismo contactor que se usaría para un control on/off.

• La idea es modular el tiempo de activación del contactor durante un tiempo fijo tc, llamadotiempo de ciclo, de modo que el horno reciba finalmente un promedio de la potencia.

• Supongamos que nuestro horno funciona con un calefactor de 1000W, si se requiere unapotencia de 500W, equivalente a 50% de la total, entonces se activa 2 segundos el relé yse desactiva otros 2, para luego empezar otro ciclo.

• El efecto neto será que el horno recibe 50% de la potencia pero la temperatura no fluctúaal ritmo del tiempo de ciclo pues este es menor al tiempo de respuesta del horno.

• Siguiendo con el ejemplo, si hace falta 250W, es decir 25% de la potencia basta con tener1 segundo activado el relé y 3 segundos desactivado.


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5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS PROCESOS

El proceso consiste en un sistema que ha sido desarrollado para llevar a cabo un objetivodeterminado: tratamiento de material mediante una serie de operaciones específicasdestinadas a llevar a cabo su transformación.

Los procesos presentan dos características que deben tomarse en cuenta antes de serautomatizados.

Los cambios en la variable controlada debido a alteraciones en las condiciones de losprocesos y llamados generalmente cambios de carga.

El tiempo necesario para que la variable del proceso alcance un nuevo valor al ocurrir uncambio de carga. Este retardo se debe a una o varias propiedades del proceso:Capacitancia, resistencia y tiempo de transporte.

1. CAMBIOS DE CARGA.- Es la cantidad de energía o material (fluido o agente de control)que el proceso requiere en cualquier momento para mantener la variable medida al niveldeseado.

En el intercambiador de calor figura 78, cuando el agua fría circula con un determinadocaudal y la salida de agua caliente debe estar a una temperatura dada, es necesaria unadeterminada cantidad de vapor. En estas condiciones, un aumento en el caudal de aguada lugar al consumo de más cantidad de vapor y constituye por tanto un cambio en la

carga del proceso. Por otro lado, un aumento en la temperatura de entrada del agua fría,precisa una menor cantidad de vapor y es también un cambio de carga.

En general los cambios de carga del proceso son debidos a las siguientes causas:

Mayor o menor demanda del fluido de control por el medio controlado. En el ejemplo delintercambiador de calor de la figura 78, un aumento en el caudal de agua o unadisminución en su temperatura de lugar a un cambio de carga porque requiere elconsumo de más cantidad de vapor.

A. Variaciones en la calidad del fluido de control. Una disminución de presión en el vapordel ejemplo de la figura 78, da lugar a un aumento del caudal en volumen del vaporpara mantener la misma temperatura controlada, ya que las calorías cedidas por el

vapor al condensarse disminuyen al bajar la presión.


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B. Cambios en las condiciones ambientales; son muy claros en el caso de instalacionesal aire libre donde las pérdidas de calor por radiación varían mucho según la estacióndel año, la hora del día y el tiempo.

C. Calor generado o absorbido por la reacción química del proceso. Se presenta uncambio de carga porque el proceso necesita una menor o una mayor cantidad delagente de control.

Figura 78. Intercambiador de Calor

Los cambios de carga en el proceso pueden producir perturbaciones en la alimentación yen la demanda.

Las perturbaciones en la alimentación consisten en un cambio en la energía o en losmateriales de entrada en el proceso. Por ejemplo, las variaciones en la presión de vaporo en la apertura de la válvula de vapor son perturbaciones en la alimentación del proceso.

Las perturbaciones en la demanda consisten en un cambio en la salida de energía o dematerial del proceso. Los cambios en la temperatura del agua fría y las variaciones en elcaudal de agua pertenecen a este tipo.

2. CAPACITANCIA.- Es la cantidad de energía o material (fluido o agente de control) que

el proceso requiere en cualquier momento para mantener la variable controlada. No debeconfundirse con capacidad del proceso que representa simplemente las característicaspropias de almacenar energía o material.Por ejemplo, los dos depósitos de la figuras a tiene la misma capacidad de 100 m3, perotienen distinta capacitancia por unidad de nivel: 12,5 m3/m, nivel el más alto y 25 m3/m,nivel el mas bajo.

Capacidad = .4.8 = 100m3 Capacidad = .8.4 = 100m3 Capacitancia = 100/8 = 12,5 m3/m Capacitancia = 100/4 = 25 m3/m

Figura 79. Capacitancia con relación a capacidad.

En un proceso, una capacitancia relativamente grande es favorable para mantenerconstante la variable controlada a pesar de los cambios de carga que puedanpresentarse. Sin embargo, esta misma característica hace que sea más difícil cambiar la

variable a un nuevo valor que toma la variable controlada. En las siguientes figuraspueden verse dos procesos con dos capacitancias térmicas, una grande y la otra limitada,respectivamente.


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Figura 80. Capacitancia térmica grande (A) y Capacidad térmica limitada (B).

3. RESISTENCIAS.- Es la oposición total o parcial de la transferencia de energía o dematerial entre dos capacitancias. En la siguiente figura las capacitancias son el serpentín

de vapor y el tanque, y su resistencia se manifiesta porque las paredes de los tubos delserpentín de vapor y las capas aislantes de vapor y de agua que se encuentran a amboslados de los mismos, se oponen a la transferencia de energía calorífica entre el vapor delinterior de los tubos y el agua que se encuentra en el exterior.

Figura 81. Capacitancia, Resistencia y tiempo de transporte

4. TIEMPO DE TRANSPORTE.- En el intercambiador de calor de la figura 78, si disminuyela temperatura del agua de entrada, pasará cierto tiempo hasta que el agua más fríapueda circular a través del tanque y alcance la sonda termométrica. Hay que hacer notarque durante el tiempo de transporte, la sonda termométrica no capta ningún cambio en latemperatura. El valor del tiempo de retardo depende a la vez de la velocidad detransporte y de la distancia de transporte.

En la figura anterior si el agua circula con una velocidad de un metro por segundo, con elbulbo a tres metros del tanque, el tiempo de transporte es de 3 seg. Si el bulbo está en el

punto B, a 10 m del tanque, el tiempo será de 10 seg. Pero si la velocidad del agua es de0,5m/s el tiempo es de 6 y 20 seg. Respectivamente.

El tiempo de transporte retarda la reacción del proceso, existiendo un tiempo muertodurante el cual el controlador no actúa ya que para iniciar una acción de corrección debepresentársele primero una desviación.

controles electricos y automatizacion_vers#7

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