Instrumentación para Control de Procesos
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Instrumentación para Control de Procesos Prof. Cesar de Prada Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática EII, Sede Mergelina [email protected] Universidad de Valladolid El control de procesos trata de mantener, mediante un sistema automático, las principales variables de un proceso en valores próximos a los deseados a pesar de las posibles perturbaciones. Introducción l l l ¿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 Respuestas Cambios Regulador Valores Deseados Proceso Actuar Operación en lazo cerrado Medir Operación Automática Medir Comparar Decidir Actuar LT LC Componentes Variables a controlar Variables para actuar Regulador Actuador Proceso Valores Deseados Transmisor Valores medidos Control de temperatura Medir Comparar Decidir Actuar Indice l l l Sistemas de Control: Terminología Control Continuo / Discreto Transmisores – Definiciones y tipos – Nivel, Presión, Caudal,Temperatura... l Actuadores: – Válvulas – Bombas y Compresores l Dinámica de sistemas Terminología Perturbación Variable Controlada LT Referencia LC Variable Manipulada Variable manipulada Manipulated Variable MV Output to Process OP Entrada (al proceso) Referencia Consigna w MV y u Proceso Regulador Set Point SP Perturbaciones Deviation Variables DV y (Europa) x Transmisor Diagrama de bloques Variable Controlada Controled Variable CV Process Variable PV Salida (del proceso) Control Continuo La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores del actuador Perturbación Variable Controlada LT Referencia LC Variable Manipulada Control discreto Detector de máxima y mínima altura Relé con lógica asociada 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 Lineas de conexión LT 102 LC 102 Instrumentos l l l l l l l Indicadores Transmisores Registradores Convertidores Controladores Actuadores Transductores Conectados por lineas de transmisión: •Neumáticas •Eléctricas •Digitales Montaje en panel Instrumentos Montaje en campo LRC 128 Señal eléctrica El número es el mismo en todos los instrumentos de un mismo lazo de regulación Señal neumática PT 014 Conexión al proceso o alimentación FT 12 FC 12 Instrumentos digitales LRC 128 Comparte varias funciones: display, control,etc. Configurable por software Acceso por red Accesible al operario PT 014 Normalmente no accesible al operario Controlador de DCS, regulador por microprocesador,... 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 ∼ Fibra óptica Instrumentos digitales Control lógico o secuencial PLC o secuencias/ lógica de un DCS Accesible al operario No accesible al operario Señal eléctrica binaria 1ª letra A D E F I J K L M P S T V W Y Z 1ª letra: 2ª letra: variable medida o relacionada puede cualificar a la primera análisis D diferencial densidad F relación voltaje S seguridad caudal Q integración corriente X,Y, Z posición potencia K velocidad de cambio tiempo 3ª y sig: Función del Instrumento nivel I indicador moisture R registro presión C control velocidad T transmisor temperatura V válvula viscosidad Y cálculo, aparato auxiliar Peso H alto Evento L bajo M medio posición Instrumentos PDT LRC PIC DT FY FFC ST TDT Actuadores Válvula genérica (on –off, abierta) Válvula genérica (on –off, cerrada) Válvula genérica de tres vias S Válvula de Retención Válvula con actuador de soleniode (on –off) Válvula de mariposa Actuadores M Motor Turbina Compresor Bomba Válvula de control con posicionador Con regulación de presión DV Recalentador MV P/I TC 12 TT 12 CV Ejemplo Reactor Horno Ejemplo Ejemplo Señal eléctrica Transmisores l l l 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 (Señales) l Señal neumática: l Señal electrica: l Frecuencia: Otras: Señal digital: l l 0.2 - 1 Kg/cm2 3 - 15 psi 4 - 20 mA 1 - 5 V cc, .... pulsos/tiempo RTD, Contactos,... HART, Fieldbus, RS-232... Señales normalizadas Actuador w u Controlador 4-20 mA y Proceso 4-20 mA 4-20 mAdel transmisor SP 45 PV 45.5 M V 38 4-20 mA al actuador Transmisor Sala de Control Operación 4 – 20 mA Campo Control por computador Potencia, Ethernet AI AO Controlador DI DO u(kT) Microprocesador y(kT) T periodo de muestreo AO Proceso AI T 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 Transmisor Contador FC de pulsos El número de pulsos de tensión recibidos por unidad de tiempo es proporcional al valor de la magnitud medida Consumo Conectores Condiciones de trabajo Protecciones Montaje Alimentación mA 220 V ac Transmisor mA Transmisor 24 V dc Conexionado CV XT Protección y aislamiento MV XC SP Acondicionamiento Filtrado Tomas auxiliares Apantallamiento mA Transmisor FC Envoltura metálica Acondicionamiento / Protección mA Transmitter Tarjeta AI Optoacoplador Diodos Zener Fusibles Seguridad Filtro I/R Ruido Conversión Cableado,... Sala de control Distancia TT FT DT Costos de cableado Ruidos Fiabilidad de los equipos Calibrado, mantenimiento,... Conexión serie Analizador 11010... Conversión A/D Protocolo de comunicación Punto a punto RS-232, RS-422 Bus RS-485 Buses de Campo PLC Ordenador TT FT Bus digital 1101... Microprocesador Módulo A/D y Comunicaciones DT Instrumentación Inteligente l l Lleva incorporado un microprocesador Esto le dota de capacidad de cálculo y almacenamiento de la información: – Datos del Instrumento – Datos dinámicos l l Dispone de un sistema de comunicaciones digitales que pueden ser bidireccionales Proporcionan nuevas funcionalidades Instrumentación Inteligente l l Totalmente digital: Buses de campo Comunicaciones entre todos los elementos conectados al bus: instrumentos y sistemas de control l l Híbrido: Combina transmisión de señal analógica y digital: Protocolo HART Comunicaciones entre transmisores y sistemas de control Buses de Campo PLC Ordenador Bus digital 1101... •Ahorro de cableado •Rechazo de ruidos •Nuevas funciones: Ajuste remoto de rangos, test, documentación,.... •Información mas elaborada •Arquitecturas y Protocolos Buses de campo l Fieldbus Foundation (Niveles H1 y H2) Profibus DP, PA WorldFIP CAN DeviceNet l ..... l l l l Redes- Fieldbus Process Control FIELDBUS • Foundation Fieldbus Device Busses • WorldFIP Tipo de Control • CAN • Profibus PA • ControlNet • DeviceNet Sensor Busses • Profibus DP • AS-i Logic Control • LonWorks • LonWorks • Interbus • Seriplex Simple Devices Powerful Devices Funcionalidad / Costo HART LT 4-20 mA 1011.. Unidad HART RS-232 PT FT Comunicación digital superpuesta a la señal de 4-20mA Permite realizar test, calibrado,.etc desde el ordenador o módulo de mano Arquitecturas HART I/O DeviceNet/Profibus AS-i H1 Diagnosis, configuración Configuración ⇒ Descarga Control en los instrumentos HART I/O DeviceNet/Profibus AS-i H1 Instrumentación inalámbrica PLC Computador Estación base 1101... •Menos cableado •Busqueda automática de rutas •Batería •Madurez Terminología (SAMA) l l l l l l l Rango Span Error dinámico Precisión Sensibilidad Repetitividad Zona muerta e Histéresis Transmisores Calibrado: 20 mA lectura = f ( valor real ) Ajustes de Cero y Span 4 mA mA = 0.2667 ºC - 1.3333 20 ºC Rango: [20 , 80] ºC Span: 80-20 = 60 ºC 80ªC mA ºC (Alcance) TT Transmisores mA Transmisor Para la calibración de un transmisor se necesita poder comparar su señal con la de un instrumento patrón bajo condiciones estables en la variable a medir Existen instrumentos (calibradores) que garantizan una alta precisión en la medida preparados para realizar esta función Transmisores Calibrado: 20 mA lectura = f ( valor real ) Cero Ajustes de Cero y Span 4 mA Span mA = 0.2667 ºC - 1.3333 20 ºC 80ªC Fuentes de error l Debidas al instrumento – linealidad, zona muerta, repetitividad,... l Debidas al medio ambiente – ruido electromagnético, temperatura, vibraciones, ... l Debidas a la lectura de la señal – Paralaje, resolución del convertidor, cables, .... Transmisores Error de linealidad 20 mA Debido a la no linealidad de la curva de calibrado real 4 mA Valor real % span 20 ºC Valor indicado 80ªC Transmisores Zona muerta: Zona de cambio en la variable medida que no altera la lectura. % del span 20 mA Zona muerta 4 mA 20 ºC 80ªC Transmisores 20 mA Repetitividad 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 error dinámico Precisión: Limite máximo de error posible por linealidad, histéresis, etc.... 80ªC % del span % de la lectura Valor directo,... 20 mA valor indicado 4 mA 20 ºC Valor real (Accuracy) (Tolerance) Transmisores Sensibilidad: Cambio en la señal correspondiente a un cambio unidad en la variable 20 mA Sensibilidad 4 mA % del span 20 ºC 80ªC 1 unidad Resolución 20 mA resolución 4 mA 20 ºC 80ªC Resolución: Cambio mínimo en la entrada necesario para que se produzca un cambio observable en la salida % del span Valor directo,... Ha de tenerse en cuenta toda la cadena de medida Resolución A/D 4-20 mA. Magnitud mas pequeña de la señal que puede ser observada. Viene determinada por el conversor A/D Bits 12 bits = 1 parte en 4096 Dígitos 1/2 dígito: dígito más significativo puede tomar valores 0 ó 1 3 1/2 dígitos = 1 parte en 2000 cuentas (0000 a 1999) rango unipolar, 1 en 2x2000 si es bipolar Resolución mA Transmisor Lectura digital 0011 0010 0000 0001 AI tarjeta Una tarjeta AI con 12 bits puede distinguir 4096 = 212 números diferentes mA Resolución: 16/4096 mA Todas las señales en este intervalo tienen la misma lectura en el DCS Características dinámicas l Respuesta transitoria – Tipo – Tiempo de asentamiento, retardo l Respuesta en frecuencia – Ancho de banda l Filtrado de ruidos – Frecuencia de corte del filtro Incertidumbre de medida l l l Toda medida dada por un instrumento calibrado lleva asociada una incertidumbre La calibración debe indicar un valor estimado de la magnitud medida y un intervalo de confianza dentro del cual se supone que está el verdadero valor con una alta probabilidad (95%) y ± ∆y Fuentes de incertidumbre l l l l l Tipo A: Las que pueden estimarse a partir de cálculos estadísticos con los valores medidos Tipo B: Las provenientes de otras fuentes (hojas de calibrado, .....) y ± ∆y = y ± k σc σc desviación típica combinada de los errores tipo A y B k factor de cobertura Cálculo de σc l Si la variable de interés y se obtiene mediante una fórmula en función de otras variables medidas x1 , x2 , ... , las cuales son independientes: y = f ( x 1 , x 2 ,...) 2 ∂f 2 σ = ∑ σ cx i i ∂x i 2 cy La varianza combinada de cada medida xi tiene en cuenta los dos tipos de errores, A y B Cálculo de σc l Varianza combinada de cada medida xi : 2 2 2 σ cx = σ + σ Ax i Bx i i σˆ 2x i σ 2Ax i n 1 2 = = − ( x ( j ) x ) ∑ i i n n (n − 1) j=1 σ 2Bx i (error máximo) 2 = 3 El error máximo viene dado por la hoja de calibrado del instrumento Cálculo de k y ± ∆y = y ± k σc , σc desviación típica combinada de los errores tipo A y B l lPara un número de muestras n ≥ 10 k = 2 lPara un número menor k = tα,ν siendo t la distribución de Student, α = 5 % y ν = nº de grados de libertad efectivos y = f ( x 1 , x 2 ,...) νi = nº de grados de libertad de cada variable ν= σ c4 4 ∂f 4 σ cx i n ∂x i ∑ νi i =1 Transmisores de Temperatura l l l l l De bulbo RTD (Pt100 0ºC 100 Ω) Termistores (Semiconductores) Termopares E, J, K, RS, T Pirómetros (altas temperaturas, radiación) Pt-100 0ºC 100Ω La resistencia eléctrica cambia con la temperatura Puente eléctrico para la conversión a señal electrica de tensión Margen de empleo: -200 500ºC Sensibilidad: 0.4 Ω/ºC Precisión: 0.2% Puente R R V Rt R Pt100 Cuando el puente está equilibrado, la tensión V es nula. Si se modifica Rt la tensión V cambia. Conexión a tres hilos Muchos TT incorporan una cabeza con salida 4-20mA Pt100 R R 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 por los hilos Termopares T2 T1 I T M Termopar 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 Medida: Se opone una tensión conocida a la del termopar hasta que la salida del amp. diferencial es nula 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 l l l Presión absoluta Presión manométrica Presión diferencial Medidas basadas en: •Desplazamiento •Galgas extensiométricas •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 Efecto Hall Fuerza S Corriente Transmisor de presión Transmisores de nivel l Desplazamiento – Flotador – Fuerza: Principio de Arquímedes l l l l Presión diferencial Capacitivos Ultrasonidos Radar Nivel: presión diferencial Se mide la diferencia de presión entre ambas ramas Se supone la densidad constante LT Condensación en los tubos (p0 + ρgh) - p0 Capacitivos εS C= d S ε d Entre el electrodo y la pared del depósito se forma un condensador cuya capacidad depende del nivel de líquido Nivel: Ultrasonidos, Radar El tiempo entre la emisión y la recepción de las ondas de alta frecuencia es proporcional al nivel Transmisores de Caudal l l l l l l Presión diferencial Electromagnéticos Turbina Vortex Efecto Doppler Másicos (Coriolis) ….. Placas de orificio P1 P2 d β2 πD 2 q=C 1 − β4 4 2g (P1 − P2 ) ρ Basada en la medida de presión diferencial D β= d D Caudalímetros electromagnéticos N B S N S + - V 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 Vortex Flowmeters Cuando una corriente fluida rodea un obstáculo, se forman remolinos alternativamente a cada lado del mismo La frecuencia a la que se forman los remolinos es directamente proporcional a la velocidad del fluido v = 4.167 d frequency d = diameter of the obstacle Caudalímetros Vortex Los caudalímetros vortex industriales tienen un obstaculo que genera remolinos. v = 4.167 d frecuencia Contaje del número de remolinos generados por unidad de tiempo: perturbaciones en sensores de presión, capacidad, ultrasonidos, etc. Válido para gases y líquidos en un amplio rango. No válido para flujos pequeños Caudalímetros Coriolis Se fuerzan oscilaciones en la tubería cuyo diseño en forma de U induce fuerzas (de Coriolis) opuestas en ambos lados. Hay un desfase entre el lado de entrada y el de salida que depende del flujo másico. Se usan sensores magnéticos para medir el desfase. Caudalímetros másicos para gases TT T1 V TT T2 Para un suministro constante de calor por energía eléctrica, la diferencia de temperaturas depende del flujo másico pH El pH de una solución puede medirse mediante un peachímetro, o dispositivo que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos en una celda electroquímica, uno de referencia insensible a la solución (típicamente cloruro de plata/plata) y otro de membrana de vidrio sensible al ión hidrógeno H+ Sensores con los dos electrodos Electrodo de membrana Potencial entre los dos lados de la membrana con diferentes concentraciones [x+], z carga eléctrica, F constante de Faraday [X+]1 [X+]2 Membrana RT [X + ]1 ln + E= zF [X ]2 Analizadores Sistema automatizado de toma de muestras y analisis químico para conocer la composición de un fluido Diversas técnicas: cromatógraficas, electroquímicas, fotométricas, espectroscópicas,.. Caros y difíciles de mantener http://www.flowexpertpro.com/ Escogiendo un transmisor… http://www.emersonprocess.com/rosemount/ http://www.yokogawa.com/fld/fld-top-en.htm Actuadores l Elementos finales de control. Modifican la variable manipulada del proceso de acuerdo a la señal del controlador. – – – – – Válvulas Motores Bombas de velocidad variable Amplificadores de potencia .... Válvulas l Dispositivos que permiten variar el caudal que pasa por una conducción modificando la pérdida de carga en la misma mediante una obturación variable. – – – – – Cierre manual Retención Seguridad On/Off Regulación Válvulas de regulación l l l l l l l Estructura y funcionamiento Tipos de válvulas Fórmulas de cálculo Características estáticas Cavitación Características instaladas Dinámica de una válvula Válvula neumática de asiento 3 -15 psi Aire Membrana Indicador Tapa Bridas Muelle Vastago Obturador Fluido Asiento Servomotor Neumático Electrico Cuerpo Válvulas de regulación Aire Fluido •Estanqueidad •Presión máxima •Capacidad de caudal •Tipo de fluido Asiento o globo Doble asiento Aguja Saunders Compuerta Bola Mariposa Camflex II 2 -3 vias Butterfly / Ball / Camflex Butterfly Camflex II Aire abre/cierra Aire Aire Aire cierra Aire abre Aire abre Aire cierra Convertidor I/P 4 - 20 mA Alimentación aire y I P electrica Aire 3-15 psi Poca precisión en el posicionamiento del vástago Posicionador Aire Alimentación de aire Posicionador Señal de control 4 - 20 mA Válvulas inteligentes Aire Bus de campo Posicionador + Microprocesador Caracterización Diagnósticos Alarmas Bloques de control, etc. Posicionador digital Sin contacto Perdida de carga 1 2 ∆p v = 2 2 q ρ a C a p1 q ∆p p2 ∆p pérdida de carga q caudal a fracción de apertura C coeficiente ρ densidad q = aC v Fórmulas de cálculo ∆p v ρ q gpm p psi Líquidos q m3/h aC v q= p bares 116 . ρ densidad relativa a tanto por uno q Tm/h p bares a tanto por uno ∆p v ρ Vapor saturado a p1 q ∆p p2 Cv coeficiente de caudal aC v ∆p v ( p1 + p 2 ) q= 72.4 Corrección por viscosidad Características estáticas % de area del asiento 100% Lineales Isoporcentuales Apertura rápida Mariposa Camflex % de flujo máximo en cond. nominales a ∆p constante 0% 0% 100 % % de posición del vastago Características estáticas Apertura rápida Lineal Isoporcentual Mariposa 0% 0% 100 % Control de flujo Linear Isoporcentual FT FC Rangeability máximo flujo controlable R = ------------------------------mínimo flujo controlable R= 100, 50...20 0% % posición del vastago 0% Flujo no controlable 100 % Ejemplo: Asumiendo que el 2% en ambos extremos no sigue la curva característica, y ∆pv constante: 0.98C v ∆p v ρ 1.16 = 49 R= 0.2C v ∆p v ρ 1.16 Cavitación / Flashing Presión de vapor: Presión a la que hierve el líquido a la temperatura de trabajo p1 Presión de vapor p2 Flashing longitud presión p1 presión p1 p2 presión de vapor longitud p2 Cavitación presión de vapor longitud Cavitación q= aC v 116 . ∆p v ρ Kc Coeficiente de cavitación incipiente ∆pv ≤ K c ( p1 − pv ) q Flujo crítico pv ∆p M = C f p1 − p v ( 0.96 − 0.28 ) p c ∆p M Maxima caida de presion admisible 2 ∆p v Cavitación incipiente Máxima ∆p para regular flujo Cf Factor de flujo crítico pc presión del punto crítico Fórmulas de cálculo q= y= a C f C v p 1 ρ( y − 0148 . y3 ) 54.5 ∆p v 163 . Cf p1 gas y ≤ 15 . a C f C v p 1 ( y − 0148 . y3 ) q= vapor saturado 83.7 a Cf Cv p1 q= flujo critico 83.7 q p Tm/h bares Características Instaladas q= aC v 116 . q= ∆p v ρ 1 . 116 ∆p 0 − ρgh 1 ρ K L + 2 2 a Cv ∆p 0 = ∆p v + K Lρq 2 + ρgh a p1 h q ∆pv p2 ∆p0 Características instaladas %q 1 q= . 116 ∆p 0 − ρgh 1 ρ K L + 2 2 a Cv % posición del vastago Dimensionamiento de válvulas l l l Crítico en muchos lazos de control Encontrar el tipo de válvula y Cv adecuados Software Comercial disponible Fisher Masoneilan http://www.emersonprocess.com/fisher/ http://www.masoneilan.com/ Bombas l l l l l l Desplazamiento positivo Centrifugas Instalación Potencia y rendimiento Curvas características Cavitación Desplazamiento positivo Embolo, membrana, ... Centrífugas Energía mecánica rodete Energía eléctrica Bombas centrífugas Incremento de energia = energia suministrada - pérdidas ( ∆p b = ρ aw 2 − bq 2 ) P = 36.022 ∆p b q P Potencia suministrada P = ηW W Potencia absorvida P q p kw m3/h bares Curvas características ∆pb η ω2 ω2 > ω1 ω1 q Punto de operación ∆p 0 + ∆p b = ∆p v + K Lρq 2 + ρgh = 1 ∆p b = ( 2 2 + K L )ρq 2 + ρgh − ∆p 0 a Cv ∆pb q q a ∆pb ∆pv h ∆p0 Bombas de velocidad variable M Variador ∼ 4 - 20 mA Compresores ∆pb Línea de bombeo (surge) ω2 ω2 > ω1 ω1 q Motores eléctricos N F B F S Motores eléctricos cc / ca Motor CC Amplificador CC M 4 - 20 mA Alimentación Motor de inducción ca M Variador de velocidad 4 - 20 mA Variador de frecuencia ∼
