Medición y control unidad 1

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL
LISANDRO ALVARADO
DECANATO DE AGRONOMÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
GUIA DIDÁCTICA
PRINCIPIOS DE MEDICIÓN Y CONTROL
Unidad 1: Introducción a la medición y
control
Autor
Prof. Juan Pablo Requez
Barquisimeto, 2012
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Tabla de contenidos
Tabla de contenidos ....................................................................................................................... 2
Introducción .................................................................................................................................. 3
Objetivo General de aprendizaje: ................................................................................................... 5
Objetivos específicos de aprendizaje.............................................................................................. 5
Esquema general del contenido ..................................................................................................... 5
Fuentes de aprendizaje .................................................................................................................. 6
Textos complementarios en inglés ............................................................................................. 6
Desarrollo del Aprendizaje ............................................................................................................. 7
Conocimientos previos ............................................................................................................... 7
Sistemas de control .................................................................................................................... 7
Influencia del tiempo en la señal de control: Error estático y error dinámico; Zona muerta,
Tiempo muerto. ....................................................................................................................... 12
Normas ISA. Introducción al diseño de lazos de control. ........................................................... 13
Ejemplo.................................................................................................................................... 19
Ejemplo de aplicación .............................................................................................................. 21
RESUMEN .................................................................................................................................... 23
Ejercicios propuestos ................................................................................................................... 25
Autoevaluación ............................................................................................................................ 28
Respuesta a las preguntas de autoevaluación .......................................................................... 31
Mejorando tu experiencia ............................................................................................................ 33
Referencias: ................................................................................................................................. 33
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Introducció n
Es una realidad que distintos ingenieros de distintas especialidades
deben trabajar en equipo en los procesos agroindustriales a fin de obtener
los productos deseados y a la calidad deseada. Es importante entonces que
los ingenieros de diferentes ramas aprendan a comunicarse en un lenguaje
técnico de fácil comprensión para todos.
A fin de alcanzar la calidad en los productos y evitar la mayor cantidad
de accidentes, el ingeniero agroindustrial debe definir las condiciones de
operación esperadas para las etapas de la producción, pero debe poder
comunicarse con los otros ingenieros para hacerles saber cuáles son los
puntos críticos y las variables más importantes para medir y controlar, así
como entender lo que otros especialistas le indiquen acerca de los mejores
instrumentos para la producción y determinación de la calidad.
Iniciamos el módulo estableciendo las definiciones básicas a fin de
entendernos claramente durante la asignatura. Para ello, definiremos todas
las cantidades e instrumentos básicos para la medición y control de la
manera más simple posible. Además, estableceremos las normas
convencionales para la correcta representación gráfica de los elementos de
un sistema de medición y control, así como las estrategias más comunes para
regular automáticamente las variables claves de los procesos
agroindustriales.
Un sistema de control se refiere al conjunto de instrumentos y equipo que
utiliza la información acerca de una variable para actuar sobre el sistema y
corregir el valor en caso de que éste se encuentre desviado del valor
deseado.
La variable controlada es la variable que se debe mantener o controlar
dentro de algunos valores deseados. El punto de control o valor de
referencia, que se refiere al valor deseado de la variable controlada. La
variable manipulada es la variable que se modifica a fin de perturbar el
sistema y lograr ejercer acciones sobre la controlada y acercarla al valor
deseado, y las perturbaciones, que se refieren a aquellas variables que
afectan a la variable controlada y perturban su valor. Con esto en mente, se
puede hablar de un sistema en lazo abierto o un control abierto, en el cual el
controlador no tiene efecto neto sobre el sistema, es decir, se encuentra
desconectado o no existe. Mientras que en un sistema de control cerrado, el
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
controlador actua sobre la variable manipulada afectando directa o
indirectamente el valor de la variable controlada.
El objetivo del sistema de control de lazo cerrado es utilizar la variable
manipulada para mantener la variable controlada en el punto de control a
pesar de las perturbaciones
Esta guía didáctica te ayudará a comprender el contenido de esta unidad de
contenido. Debes ser consistente con tu trabajo, planificar tu tiempo y
esforzarte para leer de manera comprensiva el texto guía y el material
suministrado. No olvides que esta guía solo será beneficiosa para ti si
interactúas con ella. En el cuerpo de la guía se hacen preguntas de reflexión,
léelas e intenta responderlas antes de continuar. Solo así podrás internalizar
todo el conocimiento posible. Recuerda que una duda es una parte del
proceso de aprendizaje.
¡Comprométete, asume tu participación activa! ¡Solo así lograremos superar
juntos esta nueva etapa!
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Objetivo General de aprendizaje:
Analizar las señales e instrumentos básicos de un sistema de control
abierto y cerrado
Objetivos especı́ficos de aprendizaje:
A partir del recuento histórico, comentar sobre los cambios en el
tiempo en la tecnología de la medición y control.
Explicar con la ayuda de un esquema, el funcionamiento de los sistema
de control abierto y cerrado así como sus ventajas y desventajas.
Dada una etapa de un proceso con sistema de control abierto o
cerrado, identificar los elementos físicos que constituyen en sistema a
través de la utilización de las definiciones dadas al respecto.
Explicar la dependencia temporal de los instrumentos, procesos y lazos
de control.
Esquema general del contenido
Sistemas de control Abierto y cerrado
Definiciones. Concepto de comando, señal de referencia, señal de
realimentación primaria, señal de error, elementos controladores,
señal de control.
Dependencia temporal de los sistema de medición y control
•
Error dinámico
•
Error Estático
•
Zona muerta y tiempo muerto de una medición
Simbología y Terminología según la norma ISA.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Fuentes de aprendizaje:
Texto Guía
• Creus, Antonio. Instrumentación industrial. Editorial Marcombo.
Capitulo I y II.
Textos complementarios
• Doebelin, Ernest. Sistemas de medición e instrumentación. Editorial
Mc-Graw Hill. Quinta edición. Capítulo II. Páginas 12 a 36.
• Soisson, Harold. Instrumentación Industrial. Editorial Limusa. Primera
edición. Capítulo VIII, Páginas 284 a 316.
• Smith, Carlos y Corripio, Armando. Control Automático de Procesos.
Editorial Limusa. Capítulo I y apéndice A y B.
Textos complementarios en inglés
• Dunn, William. Fundamentals of Industrial Instrumentation and
Process Control. Editorial Mc-Graw Hill. Primera edición. Capítulo I.
• Considine, Douglas. Process/industrial Instruments & Control
Handbook. Editorial Mc-Graw Hill. Sección 2.
Páginas Web Recomendadas
Definiciones básicas
http://www.sapiensman.com/control_automatico/control_automatico7.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Instrumentación_industrial
Nomenclatura y normas ISA (en inglés)
http://www.isa.org/
Blog de instrumentación industrial
http://automatizacion.bligoo.com/
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Desarrollo del Aprendizaje
Conocimientos previos
Para estudiar con éxito el presente tema, considera un repaso del siguiente
contenido que debes haber desarrollado y estudiado previamente en los
cursos de la carrera de Ingeniería Agroindustrial. Los contenidos relevantes
son:
Definición de Temperatura y escalas de temperatura
Definición de Presión, presión absoluta, hidrostática, manométrica y
diferencial
Definición de Flujo de fluidos
Definición de nivel y almacenamiento de líquidos en tanques
Balances de materia en estado estacionario
Procesos en estado permanente y no permanente
Procesos de intercambio de calor (ejemplificados en procesos como
intercambiadores de calor, calentadores y calderas)
Procesos de intercambio de masa (por ejemplo, destilación,
evaporación, secado, humidificación)
Estos contenidos son desarrollados en las asignaturas de Física General,
Termodinámica y Operaciones Unitarias I.
Sistemas de control
En el texto guía, capítulo I, en la página 1 y 2, se describe en la introducción a
un sistema de control en general. Se presenta el siguiente ejemplo a fin de
ejemplificar y expandir la información suministrada por el texto:
Se presenta un proceso de calentamiento de un fluido en un intercambiador
de calor en flujo permanente. La corriente que se procesa se calienta con
vapor de agua, y se desea que aumente su temperatura desde una
temperatura Ti(t) hasta una temperatura T(t). Como se indica implícitamente,
la temperatura de los fluidos cambia con el tiempo, ya que en los procesos
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
industriales es difícil mantener a todas las variables de proceso en valores
fijos ya que existen muchas perturbaciones aleatorias (o ruido) provenientes
de otros procesos previos.
Pregunta de interacción (debes meditar esta pregunta antes de
continuar leyendo el texto):
¿Qué acción ejecutarías para disminuir la temperatura del fluido
después del calentamiento si su temperatura es mayor que la deseada
para la siguiente etapa del proceso?
La respuesta a esta pregunta podría ser:
Incrementar el flujo de fluido que se procesa: Al introducir más fluido, tendrá
la oportunidad de calentarse en menor medida ya que hay más flujo que
calentar.
Disminuir la cantidad de vapor que se introduce al intercambiador: al
introducir menos vapor, el fluido se calentará menos y su temperatura
disminuirá.
Cualquiera de estas dos respuestas requiere manipular un flujo
incrementando o disminuyendo su valor. Hacerlo manualmente puede ser un
trabajo agotador, así como un trabajo poco preciso. Se requiere que el
sistema trabaje independientemente de la intervención humana y dejar la
acción del ingeniero para supervisión del proceso y no para la corrección
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
instantánea de las variables involucradas. Este proceso de regulación es
realizado por un sistema de control.
Lazo de control abierto y cerrado
En el texto guía, en la página 2 de la introducción del primer capítulo se
explica a los lazos de control abiertos y cerrados.
En resumen se puede hablar de un sistema en lazo abierto o un control
abierto cuando el controlador no tiene efecto neto sobre el sistema, es decir,
se encuentra desconectado o no existe. Mientras que en un sistema de
control cerrado, el controlador actúa sobre la variable manipulada afectando
directa o indirectamente el valor de la variable controlada.
El objetivo del sistema de control de lazo cerrado es utilizar la variable
manipulada para mantener la variable controlada en el punto de control a
pesar de las perturbaciones.
Definiciones básicas
Antes de continuar, nos detendremos a analizar algunas definiciones básicas
de los sistemas de control que se presentan desde la página 2 hasta la página
12 en el texto guía.
Rango (Campo de medida): conjunto de valores de la variable medida
comprendido entre el límite superior e inferior
Alcance (span): diferencia algebraica entre el valor superior y el valor inferior
del campo de medida de un instrumento.
Error: diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por un
instrumento y el valor real de la variable medida.
• Error medio: media aritmética de todos los errores en cada punto de
medida.
• Error relativo: Porcentaje de error respecto al valor real, se determina
según:
error relativo =
valor _ real − valor _ medido
valor _ real
x100
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Para calcular el error relativo combinado de varios instrumentos a la
vez, supongase que el error para cada instrumento es ±a, ±b, ±c, ±d, etc,
entonces el error total suele tomarse como la raiz cuadrada de la suma
algebráica de los cuadrados de los errores máximos, ya que nunca los
equipos tendran, a la vez, sus máximos errores de medida en una medición,
según:
error total de medición = a 2 + b 2 + c 2 ¨+ d 2 + ...
Al efectuar una medición, el valor verdadero de un objeto de medición
nunca se puede establecer con exactitud. Cuando hay dos objetos que
parecen idénticos, se debe a que el dispositivo de medición utilizado no tiene
la precisión necesaria para establecer las diferencias reales que existen. Estas
diferencias existen debido a las limitaciones del dispositivo de medición
mismo a la exactitud con que se puede leer la escala de medición, el ángulo
de visión del individuo que efectúa la observación y variaciones
indeterminadas en las condiciones de operación. Estas fuentes de variación
se denominan errores de medición y pueden ser inherentes al sistema o
instrumento y no representan un error al tomar la medición o al efectuar una
acción de control, sino que constituyen una medida del grado de
incertidumbre que existe en el método empleado para la aplicación de
medición específica. Mientras mayor sea el número de mediciones hecha en
una cantidad o proceso, se puede llegar a conocer más acerca de la cantidad
desconocida y obtener una estimación más precisa acerca del valor
verdadero de esta.
Existen dos fuentes de variancia de error, denominadas como error
accidental o aleatorio y error sistemático.
Los errores aleatorios se deben a causas irregulares, que son en
su mayoria demasiadas y de una naturaleza muy compleja para que se
pueda identificar su origen. La principal característica es que es muy
poco probable que tengan efecto sobre el valor de media aritmética en
un conjunto de mediciones, puesto que los efectos que en una
medición puedan alterar la medida con un incremento de esta,
probablemente se compensarán con las mediciones que resultaron
disminuidas por estos efectos. Para una medición única, el efecto no se
compensará y por lo tanto el error aparecerá reflejado en la medición.
Los errores sistemáticos se presentan en los registros de
medición de acuerdo a un error específico, por lo general tienen la
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
misma dirección (llevando el mismo signo) y con el mismo orden de
magnitud. Estos se deben a fallas en los instrumentos tales como una
graduación defectuosa en una escala o un estandar inexacto o bien se
pueden deber a fallas del observador, como por ejemplo, responder
demasiado pronto o demasiado tarde a una señal, leer valores en el
tercio inferior de la escala en el lado bajo o leer valores en el tercio
superior de la escala en el lado alto (redondeo o aproximación).
Cuando se puede determinar el origen de un error sistemático, es
posible incluirlo como factor de corrección en el valor de medición y
sumarse en la dirección opuesta a la contribución del error.
Pregunta de Interacción (debes meditar esta preguntas antes de
continuar leyendo el texto):
Hay un tipo de error (entre el sistemático y el aleatorio) que puede
eliminarse, ¿Cuál es?
Sobre un sistema de control se pueden identificar las siguientes señales
Comando: se refiere a la instrucción que entrega un instrumento a otro a
fin de cambiar su estado.
Señal de referencia: se refiere al valor deseado en la variable controlada,
el cual sirve de comparación en el controlador
Señal de realimentación primaria: se refiere a la señal que viene
directamente de la variable controlada, pasando por todos los
transductores hasta llegar al controlador, la que se comparará con la señal
de referencia.
Señal de error: se refiere a la diferencia entre la señal de realimentación
primaria y la señal de referencia, la cual le indica al controlador que tan
grande es la desviación de la variable controlada del valor deseado.
Señal de control: es la señal que va del controlador al elemento final de
control, y actua sobre éste a fin de corregir el error.
Como puedes observar, en medición y control se usa indistintamente la
palabra señal para referirse a variable.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Influencia del tiempo en la señal de control: Error estático
y error dinámico; Zona muerta, Tiempo muerto.
Error temporal
Cuando el error evoluciona temporalmente (es decir, cambia con el tiempo)
se puede entonces distinguir entre los siguientes tipos de error
• Error estático: Es el error medido cuando el sistema se encuentra en
estado estacionario
• Error dinámico: es el error medido cuando el sistema se encuentra en
estado transitorio. Depende del tiempo, y es la curva de diferencia
instantánea entre la medición y el valor real.
Retraso en el tiempo
El retraso en el tiempo es el intervalo de tiempo que transcurre entre
el instante en que se genera una señal y el momento en que el instrumento o
sistema de instrumentos indica, registra o activa un control. Mientras más
breve es la demora o retraso, mejor es la medición dinámica de la función. La
demora puede ser importante si se necesita una respuesta rápida en el
proceso o si la acción depende de la frecuencia, ya que representa un retraso
de la acción. La demora puede deberse a la resistencia del flujo de aire en los
tubos que conectan a los equipos neumáticos, o a la resistencia eléctrica de
los alambres que conducen corriente, al movimiento de inercia en el
desplazamiento mecánico de un medidor o calibrador y a cualquier otro
factor que reduzca la velocidad de una señal.
Zona muerta (Dead Band o Dead Zone)
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la
señal de salida del instrumento, es decir, que no produce respuesta. Se da en
tanto por ciento del alcance.
Tiempo muerto
El tiempo muerto es un tipo de demora o retraso en un instrumento en el
cual no puede detectarse una variación o cambio de la señal medida o una
nueva señal. Esto es grave en todos los tipos de sistemas dinámicos ya que,
durante el tiempo muerto, no se puede emprender ninguna acción y es
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
imposible detectar una variación que se produzca durante él. El tiempo
muerto de un instrumento se debe seleccionar de tal manera que represente
menos del 10% de la demora de la medición.
Pregunta de Interacción (debes meditar estas preguntas antes de
continuar leyendo el texto):
1.- ¿Cuáles son las diferencias entre el concepto de tiempo muerto y
zona muerta?
2.- ¿Cuáles son las diferencias entre el concepto de retraso en el
tiempo y tiempo muerto?
Normas ISA. Introducción al diseño de lazos de control.
En el capítulo I del texto guía, desde la página 12 hasta la página 21 se hace
una descripción de los tipos de instrumentos usados en los lazos de control.
Esta descripción es necesaria porque se desea poder reconocer cómo se hace
físicamente para elaborar un lazo de control cerrado o abierto.
Se le dice Instrumento a cualquier equipo utilizado para adquirir, transmitir o
ejecutar una señal en un lazo de control. Se presenta una clasificación de los
tipos de instrumentos:
Ciegos: No tienen indicación visible de la variable.
Indicadores: Disponen de un índice con escala graduada o pantalla en la
que puede leerse el valor de la variable.
Registradores: Registran con trazo continuo o a puntos la variable.
Elementos primarios: Están en contacto directo con la variable y utilizan o
absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición
una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada.
Transmisores: captan la variable de proceso a través de los elementos
primarios y la transmiten en forma de señal neumática o electrónica. El
elemento primario puede o no formar parte del transmisor.
Transductores: reciben una señal de entrada función de una o más
cantidades físicas y las convierten modificada o no a una señal de salida.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Son transductores los elementos primarios, los transmisores, los
convertidores, etc
Convertidores: Son aparatos que reciben una señal de entrada
procedente de un instrumento y después de modificarla envían la
resultante en forma de señal de salida estándar.
Receptores: reciben señales procedentes de los transmisores y las indican
o registran.
Controladores: Comparan la variable controlada con un valor deseado y
ejercen una acción correctiva de acuerdo a la desviación.
Elemento final de control: Recibe la señal del controlador y modifica el
caudal del fluido o agente de control.
Conocer estos instrumentos nos permite elaborar lazos de control simples. El
texto guía describe la nomenclatura de los lazos de control (a través de la
norma ISA) desde la página 22 hasta la página 38 (las páginas siguientes del
capítulo no serán de nuestro uso para esta asignatura).
Nuestra intención es ahora resolver el problema del intercambiador de calor
propuesto en el primer ejemplo a fin de ejemplificar la nomenclatura de y la
ubicación de los lazos de control.
Volvamos al ejemplo del intercambiador de calor.
Como se mencionó, la idea es controlar la temperatura de salida T(t)
manipulando el flujo de vapor. Para ello, es necesario medir la temperatura
del fluido de salida con un medidor (elemento primario) y llevar la
información a un controlador que ejecute acciones sobre la válvula de vapor.
Un primer esbozo del sistema de control se vería así
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Pregunta de Interacción (debes meditar estas preguntas antes de
continuar leyendo el texto):
En el diagrama de control propuesto, se puede observar los elementos
que regulan la temperatura. ¿Sabes por qué se le dice lazo cerrado? El
diagrama da una pista de ello.
Los elementos básicos de todo lazo de control son los siguientes:
Sensor (medidor o elemento primario): mide la variable que se desea
controlar
Transmisor: transmite el valor medido al controlador
Controlador: decide que acción ejecutar sobre el proceso.
Elemento final de control: Ejecuta la acción decidida por el
controlador.
Existen otros tipos de instrumentos, y ellos son utilizados para lograr la
compatibilidad entre las señales (imagina una computadora y un celular que
los deseas interconectar, para ello necesitas un instrumento capaz de
comunicarlos, o bien un puerto USB o bien un dispositivo inalámbrico que
sea capaz de convertir las señales del celular a un tipo de señal compatible
con el computador).
En general, existe una nomenclatura estándar para la elaboración de
diagramas de control. Esa nomenclatura está regulada por la Norma ISA
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
1) Cada instrumento debe identificarse con un sistema de letras que lo
clasifique funcionalmente. El esquema se conforma de varias letras
divididas en subgrupos, por ejemplo,
TRC 2
Identificación funcional
Primera letra: T
Letras sucesivas: RC
Identificación de bucle
Numero de Lazo 2
La primera letra se refiere al tipo de variable a la que está asociada un
instrumento. Las variables más importantes que utilizaremos son
Primera letra
Variable
T
Temperatura
P
Presión
F
Flujo o caudal
L
Nivel
I
Corriente
Las letras sucesivas se refieren a acciones que realiza el instrumento. Las
acciones que más utilizaremos son
Letras sucesivas
Acciones
T
Transmisión
C
Control
I
Indicación
R
Registro
Y
Conversión entre
señales
V
Regulación (en una
válvula)
El instrumento mostrado TRC 2 corresponde a un Controlador y Registrador
de Temperatura (debemos empezar a leer el símbolo del instrumento de
derecha a izquierda) El número 2 corresponde al lazo de control (en una
planta hay más de un lazo, así que debe haber una numeración para
identificar a cada lazo). Este instrumento es, entonces, un controlador y
registrador de temperatura ubicado en el lazo 2.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Pregunta de Interacción (debes meditar estas preguntas antes de
continuar leyendo el texto):
Indica las funciones del instrumento denotados por
a) TT-3
b) FI-5
c) PCV-3
d) LY-1
e) PRC-6
2) Cada instrumento es representado por un círculo, con la notación
indicada en la parte anterior dentro de él.
3) Existen varios tipos de señales, que corresponden a las características de
los instrumentos. Hay instrumentos electrónicos, hidráulicos, neumáticos,
y más. Los símbolos correspondientes a cada tipo de señal son:
4) Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la misma identificación
funcional debe ser distinguido añadiéndole un sufijo. Este sufijo puede
añadirse como letras mayúsculas A, B, C, etc. En el caso que se requiera
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
hacer subdivisiones internas de un bucle, estos pueden designarse usando
sufijos conformados por letras y números.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Ejemplo
A continuación se presenta un intercambiador de calor de tubo y coraza.
FV1
F2,T2
F1, T1
FV2
El flujo F1 entra por la derecha a una temperatura T1 y sale por la izquierda a
una temperatura T2 y con un valor de flujo F2. El vapor de agua entra por la
parte superior a un flujo FV1 y sale por la parte inferior a un flujo FV2.
Se desea controlar la temperatura T2 manipulando el flujo FV1.
Solución
En el diagrama se puede observar que fue colocado un sensor o medidor
conectado a la temperatura que se desea controlar (TE-1). La información va
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
del proceso al sensor a través de una línea general, ya que el proceso ni tiene
un valor estandarizado por la norma para la temperatura (ni puede tenerlo).
La salida del sensor o medidor también es una línea general (ya que el sensor
tiene un principio de funcionamiento que no puede ser estandarizado) y va a
un transmisor denotado por TT-1. La información de salida es una señal
electrónica (eso quiere decir que el transmisor es electrónico) y va al
controlador TC-1, que posee en su parte superior un recuadro que indica SP.
SP significa “set point” o valor de referencia. La salida del controlador va a un
convertidor TY-1 ya que se usará una válvula neumática (que utiliza,
obviamente, una señal neumática) y la salida del controlador no es
compatible con ella. El convertidor TY-1 tiene en su parte superior el símbolo
I/P para indicar que su entrada es una señal de corriente eléctrica (I) y su
salida una señal neumática (P). La información de salida del convertidor va a
la válvula denotada por TCV-1 (válvula de control de temperatura del lazo 1)
que actúa sobre el flujo de vapor.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Ejemplo de aplicación
Un ejemplo común de control de razón que se utiliza en la industria de
proceso es el control de la razón aire/combustible que entra a una caldera o
a un horno. El aire se introduce en una cantidad superior a la que se requiere
estequiométricamente para asegurar la combustión completa del
combustible; el exceso de aire que se introduce depende del tiempo de
combustible y del equipo que se utilice; sin embargo, a una cantidad mayor
de aire en exceso corresponde una mayor pérdida de energía, debido a los
gases de escape; por lo tanto, el control del aire que entra es muy importante
para una operación adecuadamente económica.
A continuación se muestra el diagrama para un proceso como el descrito.
LCV
101
FCV
101A
FCV
101B
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
A continuación se clasificarán los instrumentos del diagrama mostrado en la
siguiente tabla.
Símbolo del Variable
instrumento asociada
FY-101C
Flujo
FY-101A
Flujo
FY-101B
Flujo
PT-101
PIC-101
Presión
Presión
LT-101
LIC-101
Nivel
Nivel
LY-101
Nivel
FCV-101A
FCV-101B
LCV-101
Flujo
Flujo
Nivel
Acciones
realiza
que Tipo
de
señal
de
entrada
Convertidor
Electrónica
(multiplicación)
Convertidor (de Electrónica
corriente
a
presión)
Convertidor (de Electrónica
corriente
a
presión)
Transmisor
General
Indicador
y Electrónica
controlador
Transmisor
General
Indicador
y Electrónica
controlador
Convertidor (de Electrónica
corriente
a
presión)
Válvula de control Neumática
Válvula de control Neumática
Válvula de control Neumática
Tipo
de
señal
de
salida
Electrónica
Neumática
Neumática
Electrónica
Electrónica
Electrónica
Electrónica
Neumática
General
General
General
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
RESUMEN
Un sistema de control se refiere al conjunto de instrumentos y equipo que
utiliza la información acerca de una variable para actuar sobre el sistema y
corregir su valor en caso de que éste se encuentre desviado del valor
deseado.
Todo sistema de control está constituido por variables relacionadas
con las condiciones de operación y el flujo de información en el
proceso.
La variable controlada es la variable que se debe mantener o controlar
dentro de algunos valores deseados.
El punto de control o valor de referencia se refiere al valor deseado de
la variable controlada.
La variable manipulada es la variable que se modifica a fin de perturbar
el sistema y lograr ejercer acciones sobre la controlada y acercarla al
valor deseado, y las perturbaciones se refieren a aquellas variables que
afectan a la variable controlada y perturban su valor.
El objetivo del sistema de control de lazo cerrado es utilizar la variable
manipulada para mantener la variable controlada en el punto de control a
pesar de las perturbaciones.
El error de la medición y el control de las variables de proceso en un sistema
de control depende del tiempo. Sus dependencia genera retardos que se
clasifican en distintas categorías
Tiempo muerto
Retraso temporal
Zona muerta
Cada uno de ellos son retos a enfrentar para regular las variables
controladas, y son de gran importancia en la elección de las estrategias a
utilizar para establecer el sistema de control apropiado para un sistema.
Los elementos básicos de un sistema de control son
El sensor
El transmisor
El controlador
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
El elemento final de control (que en la mayoría de los procesos
agroindustriales está representado por una válvula de control)
La Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos (ISA, Instrument Society of
America) ha planteado un conjunto de normas que tienen por objeto
establecer sistemas de designación de códigos y símbolos de aplicación para
industrias químicas, petroquímicas, aires acondicionados, etc, con el fin de
regular y estandarizar la manera como se representan e identifican los
instrumentos en un proceso.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Ejercicios propuestos
1) Identificar cada instrumento según su función y según su variable en cada
proceso mostrado, señalando el tipo de variable recibido y producido
Control de relación de mezclado
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
2) En el diagrama se muestra una planta de producción de ácido Sulfúrico. El
azufre se carga en un tanque de fusión donde se mantiene en estado
líquido; de ahí pasa a un quemador, donde reacciona con el oxígeno del
aire y se produce SO2. Del quemador, los gases pasan a través de una
caldera de calor residual, donde se produce vapor mediante la
recuperación del calor de la reacción anterior. De la caldera, los gases
pasan a través de un convertidor catalítico de cuatro etapas. Del
convertidor, los gases se envían a una columna de absorción, donde los
gases de SO3 se absorben con H2SO4 diluido (93%); el agua del H2SO4
reacciona con el SO3 y se produce H2SO4. El líquido que sale del
absorbedor, H2SO4 concentrado (98%), pasa a un tanque de dilución,
donde se diluye de nuevo al 93% con agua. Parte del líquido de este
tanque se utiliza entonces como medio de absorción en el absorbedor.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Se desea controlar:
A) el nivel en el tanque de fusión regulando el flujo de descarga.
B) La temperatura en el tanque de fusión regulando el flujo de vapor.
C) El nivel en la caldera de calor residual regulando el flujo de agua a la
entrada
D) El nivel en el tanque de dilución regulando el flujo del producto final
Elaborar una estrategia de control para controlar las variables
deseadas utilizando equipos electrónicos pero únicamente válvulas
neumáticas.
Elaborar una estrategia una estrategia de control para controlar las
variables deseadas utilizando equipos neumáticos pero únicamente
controladores electrónicos.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Autoevaluació n
Verdadero-Falso: a continuación se te darán varios argumentos, debes
discernir si son verdaderos o falsos.
1) Cuando una persona va conduciendo un vehículo a gran velocidad y ve
un obstáculo en la vía, probablemente no logre frenar y chocará con el
obstáculo. Esto se debe a que la velocidad de respuesta de su sistema
nervioso no es lo suficientemente grande como para producir un
frenado inmediato. Este es un ejemplo de tiempo muerto.
a. Verdadero
b. Falso
2) El error de un sistema de control dependerá únicamente de la posición
de la válvula.
a. Verdadero
b. Falso
3) Todo sistema controlado y en estado estacionario no presenta error
a. Verdadero
b. Falso
4) Todo lazo de control posee una válvula de control
a. Verdadero
b. Falso
5) Todo lazo de control posee un sensor
a. Verdadero
b. Falso
Selección Simple: A continuación se te dan varios argumentos. Selecciona el
único que es correcto
1) Son elementos básicos de un sistema de control en lazo cerrado
a) Los medidores de temperatura
b) Los medidores de presión y las válvulas de control
c) Los medidores de flujo y los convertidores de presión-corriente
d) El sensor, en transmisor, el controlador y el elemento final de
control
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
2) Los elementos finales de control son los equipos que permiten ejecutar
sobre el proceso las decisiones tomadas por el controlador. En los
procesos industriales los elementos finales de control son:
a) Válvulas de control
b) Motores
c) Bombas de flujo regulable
d) Termómetros, termopares, termocuplas y otros elementos de
temperatura
e) Depende del proceso y sus características
3) Al error que aparece en un sistema controlado cuando se ha alcanzado
las condiciones de equilibrio se le denomina
a) Error estático
b) Error dinámico
c) Zona Muerta
d) Tiempo Muerto
4) La señal neumática estandar de presión para la transmisión de señales
en un proceso tiene un rango de
a) 3 a 15 psi
b) 4 a 20 mA
c) 0 a 5 V
d) 0 a 100 kpa
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
3) En el sistema de la figura pueden verse dos depósitos de almacenamiento,
A y B, a los que llega un líquido proveniente de ciertas fuentes de
suministro. La salida del depósito B pasa por un precalentador alimentado
con vapor de calefacción y vierte su salida en el depósito C donde también
se vierte la salida del depósito A. La mezcla de ambos en el depósito C es
agitado, desde donde se envía a otros procesos. Dicha mezcla, además,
debe enviarse a temperatura constante mantenida con precisión a pesar
de posibles perturbaciones. Se supone que el líquido que llega a B y A lo
hace a temperatura sensiblemente constante, por el contrario, la presión
de suministro de vapor de calefacción sufre cambios notables.
Los objetivos propuestos son, entonces,
a) controlar el nivel de líquido en A a través de la manipulación del flujo de
descarga
b) controlar el nivel de líquido en B a través de la manipulación del flujo de
descarga
c) Controlar la temperatura de salida de C a través de la manipulación del
flujo de vapor.
d) Controlar el flujo de salida del tanque C.
Diseñar el sistema de control, etiquetando de manera correcta todos los
equipos, a fin de alcanzar los objetivos propuestos:
Usando dispositivos electrónicos y válvulas neumáticas
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Respuesta a las preguntas de autoevaluación :
Verdadero y falso
1) Verdadero: por la definición de tiempo muerto, el conductor tarda un
tiempo en reaccionar.
2) Falso: el error de un proceso depende de muchas causas, no solo de
que la válvula esté abierta o cerrada o su ubicación
3) Falso: existe el error de estado estacionario.
4) Falso: algunos procesos tienen otros elementos finales de control
5) Verdadero: el sensor es uno de los elementos básicos de todo lazo de
control
Respuesta a las preguntas de selección simple
1) d. Los elementos básicos fueron explicados previamente
2) e. Los elementos finales se eligen de acuerdo a las características del
proceso. No todos los procesos tienen flujos que puedan manipularse
por válvulas.
3) a. El error estático es el error de estado estacionario
4) a. La señal neumática estándar tiene un rango de 3 a 15 psi.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Se muestra el diagrama de control para el problema 2.
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Unidad 1: Introducción a la medición y control
Mejorando tu experiencia
Lee comprensivamente.
Planifica tu tiempo.
Responde las preguntas propuestas.
Consulta otras fuentes de contenido, no te limites a esta guía didáctica.
Referencias:
Creus, Antonio. Instrumentación industrial. Editorial Marcombo.
Capítulo I y II.
Doebelin, Ernest. Sistemas de medición e instrumentación. Editorial
Mc-Graw Hill. Quinta edición. Capítulo II. Páginas 12 a 36.
Soisson, Harold. Instrumentación Industrial. Editorial Limusa. Primera
edición. Capítulo VIII, Páginas 284 a 316.
Smith, Carlos y Corripio, Armando. Control Automático de Procesos.
Editorial Limusa. Capítulo I y apéndice A y B.
Dunn, William. Fundamentals of Industrial Instrumentation and
Process Control. Editorial Mc-Graw Hill. Primera edición. Capítulo I.
Considine, Douglas. Process/industrial Instruments & Control
Handbook. Editorial Mc-Graw Hill. Sección 2.
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