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CONTROL DE PROCESOS
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL I
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Introducción
¿Como gobernar un proceso de forma automática? ¿Para qué automatizarlo? Nociones básicas de Control Nociones básicas de Instrumentación
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Operación manual del proceso
ObservarCompararDecidirActuar
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Operación de un proceso
Proceso
MedirActuar
Respuesta dinámica
Operación manual: Lazo Cerrado
CambiosRespuestas
CompararDecidir
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Operación automática
Proceso
MedirActuar
Cambios Respuestas
Regulador
Valores Deseados
Operación Automática: lazo cerrado
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Operación Automática
LT LC
MedirCompararDecidirActuar
SP
Intervención humana nula
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Componentes
Proceso
Variablesa controlar
Regulador
Valores Deseados
Actuador
Transmisor
Valores medidos
Variables para actuar
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Control de temperatura
MedirCompararDecidirActuar
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Indice
Sistemas de Control: Terminología Control Continuo / Discreto Transmisores
Definiciones y tipos Nivel, Presión, Caudal, Temperatura...
Actuadores: Válvulas Bombas y Compresores
Dinámica de sistemas
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Terminología
Perturbación
Variable Manipulada
Variable Controlada
Referencia
SPLT LC
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ProcesoRegulador
TransmisorVariable ControladaControled Variable CVProcess Variable PVSalida (del proceso)
ReferenciaConsigna
Set Point SP
Variable manipuladaManipulated Variable MVInput to Process IPEntrada (al proceso)
w
MV u
y
y
x
PerturbacionesDesviation Variables DV
Diagrama de bloques
CV
Europa
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Control Continuo
La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores del actuador
Variable Manipulada
Variable Controlada
ReferenciaLT LC
Perturbación
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Control discreto
Detector de máxima y mínima altura
Electro válvulaON/OFF
Relé
Las variables soloadmiten un conjunto
de estados finitos
SP
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Diagramas de proceso P&I
Instrumentos demedida y regulaciónrepresentados porcírculos connúmeros y letras
Unidades de procesoy actuadoresrepresentados consímbolos especiales
Lineas de conexión
LT102
LC102
SP
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Instrumentos
Indicadores Transmisores Registradores Convertidores Controladores Actuadores Transductores
Conectados por lineas de transmisión:• Neumáticas• Eléctricas• Digitales
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Instrumentos
LRC
128
PT
014
Montaje en campo
Conexión al procesoo alimentación
Señal neumática
Montaje en panel
Señal eléctrica
El número es el mismo en todos los instrumentos de unmismo lazo de regulación
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Instrumentos digitales
LRC
128
PT
014
Normalmente no accesible al operario
Accesible al operario
Comparte varias funciones:display, control, etc.Configurable por softwareAcceso por red
El número es el mismo en todos los instrumentos de unmismo lazo de regulación
Controlador de DCS, regulador por microprocesador,...
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Instrumentos digitales
LRC
128
Computador Distinto del controlador de un DCSVarias funciones: DDC, registro, alarmas, etc.Acceso por red
Conexión software o por red digital
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Instrumentos digitales
Control lógico o secuencial
PLC o secuencias lógicas de un DCS
Accesible al operario
No accesible al operario
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1ª letra: variable medida o relacionada2ª letra: puede cualificar a la primera
D diferencialF relaciónS seguridadQ integración
3ª y sig: Función del InstrumentoI indicadorR registroC controlT transmisorV válvulaY cálculoH altoL bajo
A análisisD densidadE voltajeF caudalI corrienteJ potenciaL nivelM humedadP presiónS velocidadT temperaturaV viscosidadW PesoZ posición
1ª letra
Letras de Identificación
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Instrumentos
PDT LRC PIC
TDT
DT
FY FFC ST
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Recalentador
CV MV
DV
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Transmisores
Sensor: Elemento primario sensible a una propiedad física relacionada con la variable que se quiere medir.
Transmisor: Sistema unido al sensor que convierte, acondiciona y normaliza su señal para transmitirla a distancia.
Indicador: Combina un sensor y un sistema de medida analógica o digital.
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Transmisor de presión
Circuito electrónico
SensorPiezoeléctrico
AmplificaciónFiltradoCalibradoPotenciaNormalización
Presión
Señal normalizada
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Transmisores
Señal neumática: 0.2 - 1 Kg/cm2
3 - 15 psi Señal eléctrica: 4 - 20 mA
1 - 5 V cc, .... Frecuencia: pulsos/tiempo Otras: RTD, Contactos,... Señal digital: HART, Fieldbus,
RS-232...
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4-20 mA
• La señal de corriente es la misma en cualquier punto de la línea.• Puede diferenciarse una avería o ruptura de linea del rango inferior de medida.• Pueden conectarse un número máximo de cargas o instrumentos.
Transmisor
mA
FC
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Pulsos/Frecuencia
Transmisor FCContador de pulsos
El número de pulsos de tensión recibidospor unidad de tiempo es proporcional al valor de la magnitud medida
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Alimentación
Transmisor
mA
Transmisor
mA
220 Vac
24 Vdc
ConsumoConectoresCondiciones de trabajoProteccionesMontaje
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Conexionado
XT Proteccióny aislamiento Filtrado
Tomas auxiliaresAcondicionamientoXC
SP
CV
MV
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Apantallamiento
Transmisor
mA
FC
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Cableado, Fiabilidad,...
Sala de control TT
FT
DT
Costos de cableadoRuidosFiabilidad de los equiposCalibrado, mantenimiento,...
Distancia
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Buses de Campo
PLCOrdenado
r
Bus digital 1101...
MicroprocesadorMódulo A/D yComunicaciones
TT FT
DT
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Instrumentación Inteligente
Lleva incorporado un microprocesador
Esto le dota de capacidad de cálculo y almacenamiento de la información: Datos del Instrumento Datos dinámicos
Dispone de un sistema de comunicaciones digitales que pueden ser bidireccionales
Proporcionan nuevas funcionalidades
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Instrumentación Inteligente
Totalmente digital: Buses de campo
Comunicaciones entre todos los elementos conectados al bus: instrumentos y sistemas de control
Híbrido: Combina transmisión de señal analógica y digital: Protocolo HART
Comunicaciones entre transmisores y sistemas de control
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Buses de Campo
• Ahorro de cableado• Rechazo de ruidos• Nuevas funciones: Ajuste remoto de rangos, test, documentación,....• Información mas elaborada• Arquitecturas y Protocolos
PLCOrdenador
Bus digital1101...
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Buses de campo
Fieldbus Foundation (Niveles H1 y H2) Profibus DP, PA WorldFIP CAN DeviceNet ASI Otros.....
![Page 37: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/37.jpg)
HART
UnidadHART RS-232
LT
PT
FT
Comunicación digital superpuestaa la señal de 4-20mAPermite realizar test, calibrado,.etcdesde el ordenador o módulo de mano
4-20 mA
1011..
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![Page 39: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/39.jpg)
Conexión serie
Analizador
Punto a punto RS-232, RS-422Bus RS-485
Conversión A/DProtocolo de comunicación
11010...
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Terminología (SAMA)
Rango Span Error dinámico Precisión Sensibilidad Repetitividad Zona muerta e Histéresis
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Transmisores
Rango: 20 a 80 ºCSpan: 80 - 20 = 60 ºC
20 mA
4 mA
20 ºC 80ªC
Calibrado:lectura = f ( valor real )Ajustes de Cero y Span
mA = 0.2667 ºC - 1.3333
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Transmisores
20 mA
4 mA
20 ºC 80ªC
Calibrado:Lectura = f ( valor real )Ajustes de Cero y Span
mA = 0.2667 ºC - 1.3333
Cero
Span
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Transmisores
20 mA
4 mA
20 ºC 80ªC
Error de linealidad
Debido a la no linealidad de la curva de calibrado real
% span
Valor indicado
Valor real
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Zona muerta:Cambio en la variable medida que no alterala lectura.% del span
20 mA
4 mA
20 ºC 80ªC
Zonamuerta
Transmisores
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20 mA
20 ºC 80ªC
Repetitividad:Capacidad de obtener la misma lectura al leer el mismo valorde la variable medida en el mismo sentido de cambio.% del spanHistéresis:Lo mismo pero en sentidos distintos de cambio.
Transmisores
Repetitividad
4 mA
![Page 46: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/46.jpg)
20 mA
4 mA
20 ºC 80ªC
Valor real
error dinámico
valor indicado
Precisión:Limite máximode error posiblepor linealidad,histéresis, etc....
% del span% de la lecturaValor directo,...
Transmisores
![Page 47: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/47.jpg)
1 unidad
20 mA
4 mA
20 ºC 80ªC
Sensibilidad
Sensibilidad:Cambio en la lectura correspondiente a un cambio unidaden la variable
% del span
Transmisores
![Page 48: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/48.jpg)
De bulbo RTD (Pt100 0ºC 100 ) Termistores (Semiconductores) Termopares E, J, K, RS, T Pirómetros (altas temperaturas, radiación)
Transmisores de Temperatura
![Page 49: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/49.jpg)
PT-100
0ºC 100
La resistencia eléctrica cambia con la temperatura
Puente eléctrico para la conversión a señal eléctrica de tensión
Margen de empleo: -200 500ºC Sensibilidad: 0.4 /ºC
Precisión: 0.2%
![Page 50: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/50.jpg)
Puente
V
R R
RRt
PT100
Cuando el puente está equilibrado, la tensión V es nula. Si se modifica Rt la
tensión V cambia.
Vdc
![Page 51: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/51.jpg)
Conexión a tres hilos
V
R R
RRt
PT100
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
Vdc
![Page 52: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/52.jpg)
Termopares
T1T2
I
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
Termopar
T
M
Medida: Se opone una tensión conocida a la del termopar hasta que la salida del amp. diferencial es nula
![Page 53: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/53.jpg)
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%
![Page 54: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/54.jpg)
Transmisores de presión
Presión absoluta Presión manométrica Presión diferencial
Medidas basadas en:• Desplazamiento• Galgas• Piezoelectricidad
![Page 55: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/55.jpg)
Sensor de desplazamiento
Capacidad
Inducción
Potenciómetro
![Page 56: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/56.jpg)
Presión
![Page 57: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/57.jpg)
Sensor piezoeléctrico
Cristal de cuarzo
Fuerza
Placa metálica
+
-
![Page 58: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/58.jpg)
Galgas / Efecto Hall
N
S
Corriente
Fuerza
Efecto Hall
Galgas extensiométricas
La deformación varia R
![Page 59: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/59.jpg)
Transmisor de presión
Despiece del elemento primario
![Page 60: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/60.jpg)
Transmisores de nivel
Desplazamiento Flotador Fuerza: Principio de Arquímedes
Presión diferencial Capacitivos Ultrasonidos Radar
![Page 61: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/61.jpg)
Nivel: presión diferencial
LT
(p0 + gh) - p0
Se mide la diferencia de presión entre ambas ramas
Se supone la densidad constante
Condensación en los tubos
![Page 62: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/62.jpg)
Capacitivos
Entre el electrodo y la pared del depósito se forma un condensador cuya capacidad depende del nivel de líquido
![Page 63: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/63.jpg)
Nivel: Ultrasonidos
El tiempo entre la emisión y la recepción de las ondas de alta frecuencia es proporcional al nivel
![Page 64: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/64.jpg)
Transmisores de Caudal
Presión diferencial Electromagnéticos Turbina Vortex Efecto Doppler Másicos (Coriolis) …..
![Page 65: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/65.jpg)
Placas de orificio
P1 P2
D
d)PP(g2
4
D
1Cq 21
2
4
2
Basada en la medida de presión diferencial
Dd
![Page 66: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/66.jpg)
S
Caudalímetros electromagnéticos
N
S
B
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
N
-+
![Page 67: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/67.jpg)
Actuadores
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 ....
![Page 68: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/68.jpg)
Válvulas
Dispositivo que permite 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
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Válvulas de regulación
Estructura y funcionamiento Tipos de válvulas Fórmulas de cálculo Características estáticas Cavitación Características instaladas Dinámica de una válvula
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Válvula neumática de asiento
Aire
Fluido
Obturador
Asiento
Bridas
Membrana
Vástago
Muelle
Tapa
Indicador
Cuerpo
Servomotor
NeumáticoEléctrico
3 -15 psi
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Válvulas de regulación
AireAsiento o globoDoble asientoAguja SaundersCompuertaMariposaCamflex II
2 - 3 vías• Estanqueidad• Presión máxima• Capacidad de caudal• Tipo de fluido
Fluido
![Page 72: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/72.jpg)
Mariposa
Cuerpo
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Aire abre/cierra
Aire
Aire
Aire cierra
Aire abre
Aire cierra
Aire abre
![Page 74: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/74.jpg)
Convertidor I/P
Aire 3-15 psi
I P4 - 20 mA
Poca precisión en el posicionamiento del vástago
Alimentación aire y electrica
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Posicionador
Posicionador
Alimentación de aire
Aire
Señal de control4 - 20 mA
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Perdida de carga
222
1 q
Capv
p pérdida de cargaq caudala fracción de aperturaC coeficiente densidad
q
p
a
p1 p2
![Page 77: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/77.jpg)
Fórmulas de cálculo
vv paC
q
16.1
)(4.72 21 ppp
aCq v
v q Tm/hp baresa tanto por uno
q m3/hp bares densidad relativaa tanto por uno
Vapor saturado
Líquidosq
p
a
p1 p2
Cv coeficiente de caudal
![Page 78: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/78.jpg)
Características estáticas
% de posición delvastago
% de área delasiento 100%
% de flujo máximoen cond. nominalesa p constante
LinealesIsoporcentualesApertura rápidaMariposaCamflex
0 % 100 %
0 %
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0 % 100 %
0 % Mariposa
Apertura rápida
Lineal
Isoporcentual
Características estáticas
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Rangeability
0 % 100 %
0 %
máximo flujo controlableR = ------------------------------- mínimo flujo controlable
% posición del vastago
Flujo no controlable
R= 50...20
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Cavitación
longitud
presión p1
p2
longitud
presiónp1
p2
presión de vapor presión de vapor
Presión de vapor:Presión a la que hierve el líquido a la temperatura de trabajo
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Cavitación
vv paC
q
16.1
Cavitaciónincipiente
vp
q
Máxima ppara regular flujo
Flujo crítico
p K p pv c v ( )1
Kc Coeficiente de cavitación incipiente
admisiblepresion de caida Maxima p
)28.096.0(
M
12
c
vvfM p
pppCp
Cf Factor de flujo crítico pc presión del punto crítico
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Fórmulas de cálculo
qa C C p y y
yC
p
p
f v
f
v
13
1
0148
54 5
16315
( . )
.
..
gas
y
q Tm/hp bares
qa C C p y y
qa C C p
f v
f v
13
1
0148
837
837
( . )
.
.
vapor saturado
flujo critico
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Características Instaladas
qaC pv v116.
q
pv
a
p1 p2
h
qp gh
Ka CL
v
1
116 10
2 2
.
p p K q ghv L02
p0
![Page 85: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/85.jpg)
Características instaladas
22
0
116.1
1
vL CaK
ghpq
% posición del vastago
% q
![Page 86: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/86.jpg)
Válvulas inteligentes
Posicionador +Microprocesador
AireBus de campo
Caracterización
Diagnósticos
Alarmas
Bloques de control, etc.
![Page 87: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/87.jpg)
Bombas
Desplazamiento positivo Centrifugas Instalación Potencia y rendimiento Curvas características Cavitación
![Page 88: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/88.jpg)
Desplazamiento positivo
Embolo, membrana, ...
![Page 89: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/89.jpg)
Centrífugas
MotorAsíncrono Rodete
Energía eléctrica Energía mecánica
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Bombas centrífugas
p aw bqb 2 2
P p q P P
P W b
36 022. otencia suministrada
W Potencia absorvidaP kwq m3/hp bares
Incremento de energía = energía suministrada - pérdidas
![Page 91: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/91.jpg)
Curvas características
pb
q
1
2
2 > 1
![Page 92: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/92.jpg)
Punto de operación
q
pv
a h
02
22
20
)1
( pghqKCa
p
ghqKppp
Lv
b
Lvb
p0
pb
pb
q
![Page 93: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/93.jpg)
Bombas de velocidad variable
M Variador
4 - 20 mA
![Page 94: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/94.jpg)
Compresores
pb
q
1
2
2 > 1
Línea de bombeo (surge)
![Page 95: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/95.jpg)
Motores eléctricos
N
S
B
F
F
![Page 96: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/96.jpg)
Motores eléctricos cc / ca
MAmplificador
CC4 - 20 mA
Alimentación
M Variador
4 - 20 mA
Motor CC
Motor de inducción ca
![Page 97: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/97.jpg)
EL PROBLEMA DE CONTROL
ProcesoControladoruw y
SP CV
v
MV
DV
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Controladores
Generan una señal de control normalizada al actuador en función del valor medido de la variable que se quiere controlar y de su valor deseado.
Referencia
Variable controlada4-20 mA
Error+
-
Variable manipulada4-20 mACálculo y
normalización
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Controladores
Tecnologías: Neumática Electrónica Digital
Controladores de lazo (PID) Autómatas (PLC) Sistemas de Control Distribuido (DCS) Control por ordenador (PC)
![Page 100: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/100.jpg)
Controlador
SP 45PV 45.5
4-20 mA deltransmisor
4-20 mA alactuador
MV 38 %
![Page 101: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/101.jpg)
Señales del regulador
ProcesoRegulador
Transmisor
Actuadorw
Las señales de entrada y salida al regulador son señales normalizadas, normalmente de 4-20 mA
u y
4-20 mA
4-20 mA
![Page 102: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/102.jpg)
EL REGULADOR PID
regulador basado en señal, no incorpora conocimiento explícito del proceso
3 parámetros de sintonia Kp, Ti, Td
diversas modificaciones
dt
deTde
TteKtu
tytwte
di
p )(1
)()(
)()()(
![Page 103: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/103.jpg)
Dos opciones
ProcesoR
w u
ProcesoRw u
Ing.
mAIng.
Ing.
Ing.
mA
Ing. %
%
mAe
e mA
%
+-
+-
%
Kp % / %
Kp % / Ing.
![Page 104: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/104.jpg)
Análisis del regulador
GpR
100/span
Actuador
W
Las señales de entrada y salida al regulador suelen expresarse en % del span del transmisor y del actuadorrespectivamente.La conversión del regulador debe corresponder a calibración del transmisor
U
%
%%
+-
Y
100/span
![Page 105: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/105.jpg)
Parámetros PID
Kp ganancia / Término proporcional % span control / % span variable controlada banda proporcional PB=100/ Kp
Ti tiempo integral / Término integral minutos o sg. (por repetición) (reset time) repeticiones por min = 1/ Ti
Td tiempo derivativo / Término derivativo minutos o sg.
![Page 106: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/106.jpg)
Acción proporcional
u t K e t biasp( ) ( )
e
t
u
t
Un error del x % provoca una acción de control
del Kp x % sobre el actuador
bias = manual reset (CV = SP)
![Page 107: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/107.jpg)
Acción directa/inversa
LT
Direct acting controller Kp < 0 Reverse acting controller Kp > 0
u(t)=Kp(w-y) si aumenta y decrece u con Kp positiva
considerar el tipo de válvula
LC LT
LC
![Page 108: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/108.jpg)
Acción proporcional
M
Kp
w u
Ing.
Ampl.e
30 %
+-
1500 rpm
1500 rpm
u(t)=Kp e(t) + 30Solo puede alcanzarse un punto de equilibrio con error cero
![Page 109: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/109.jpg)
Acción integral (automatic reset)
y yw w
t t
u
t
u
t
Un regulador P no eliminael error estacionario en procesos autoregulados
La acción integral continua cambiando la u hasta que el error es cero
K
Tedp
i
![Page 110: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/110.jpg)
Acción Integral
M
Kp
w u
Ing.
Ampl.e
+-
1500 rpm
edT
K
i
p
1500 rpm
![Page 111: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/111.jpg)
Acción Integral
e
t
e
t
Kp eSi e=cte.
K
Tedp
i
Ti = 1 repetición
ipi
p
i
p TteKetT
Ked
T
K
Ti tiempo que tarda la acción integral en igualar a la acción proporcional (un repetición) si e=cte.
u tK
Te dp
i
t
( ) ( ) 0
![Page 112: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/112.jpg)
Acción derivativa
y yw w
t t
u
t
u
t
Un regulador P con gananciaalta para dar respuesta rápidapuede provocar oscilaciones por u excesiva
La acción derivativa acelera lau si e crece y la modera si e decrece, evitando oscilaciones
)tded
Te(K)t(u dp
![Page 113: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/113.jpg)
Acción derivativa
u t K Td e
d tp d( )
e
t
e
t
Kp Td aSi e= a t
Td
Kp e
Con e variando linealmente, la acción derivativa da lamisma u que la acción proporcional daría Td sg. mas tardeAcción anticipativaNo influye en el estado estacionario
PD
![Page 114: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/114.jpg)
Acción derivativa
u t K Td e
d tp d( )
e
t
e
t
Kp Td aSi e= a t
Td
K Td e
d tK T a K at t Tp d p d p d
Td tiempo que tarda laacción derivativa en igualara la acción proporcionalsi e= a.t.
Kp e
![Page 115: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/115.jpg)
Métodos de sintonía de PID
Métodos de prueba y error Métodos basados en experimentos
Estimar ciertas características dinámicas del proceso con un experimento
Cálcular los parámetros del regulador mediante tablas o fórmulas deducidas en función de las características dinámicas estimadas
Métodos analíticos basados en modelos Minimización de indices de error Márgenes de Fase y/o ganancia
![Page 116: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/116.jpg)
Prueba y Error
Partir de valores bajos de Kp, y sin acción integral o derivativa
Aumentar Kp hasta obtener una forma de respuesta aceptable sin excesivos u
Aumentar ligeramente Td para mejorar la respuesta
Disminuir Ti hasta eliminar el error estacionario
1 Aumentar Kp 2 Aumentar Td
3 Disminuir Ti
y y
y
w w
w
![Page 117: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/117.jpg)
Respuesta dinámica
Cambio escalón de la variable manipulada
tiempo
nivel
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Respuesta dinámica
Proceso
MVu
tiempo
CVy
tiempo
• Experimentación• Modelo matemático
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Respuesta dinámica
Estacionario
tiempo
u
y
Transitorio
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Tipos de procesos
Autoregulados No autoreguladoso Integradores
tiempo
u
y
tiempo
u
y
![Page 121: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/121.jpg)
Tipos de procesos
Fase mínima Fase no-mínimao respuesta inversa
tiempo
u
y
tiempo
u
y
![Page 122: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/122.jpg)
Estabilidad
0 2 4 6 8 10-0.5
0
0.5
1
1.5
2respuesta en lazo abierto
0 2 4 6 8 10-0.5
0
0.5
1
1.5
2respuesta en lazo abierto
Estable Inestable
A una entrada limitada corresponde una salida limitada
u
y y
![Page 123: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/123.jpg)
Amortiguamiento
0 2 4 6 8 10-0.5
0
0.5
1
1.5
2respuesta en lazo abierto
0 2 4 6 8 10-0.5
0
0.5
1
1.5
2respuesta en lazo abierto
Sobreamortiguado Subamortiguadou
y y
![Page 124: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/124.jpg)
Respuesta dinámica
tiempo
+5% del valor final
u
y
Retardo
tiempo deasentamiento
![Page 125: 01 Instrument](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022013004/55cf9001550346703ba23ee1/html5/thumbnails/125.jpg)
respuesta dinámica
Sobrepico en % = 100 Mp/ y
Ganancia = y / u
u
yy
u
Mp
tiempo
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Ganancia
Ganancia positiva Ganancia negativao inversa
tiempo
u
y
tiempo
u
y
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respuesta dinámica
u
y
tiempo
periodode oscilación
tiempo de subida
90 % ys
10 % ys
ys valor final
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Modelo matemático
Proceso
u
tiempo
y
tiempo
Modelo
ym
tiempo
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Sistemas de eventos discretos
Muchos procesos no son continuos Sus variables solo admiten un número finito
de valores Los valores de las variables no cambian de
forma continua en el tiempo, sino en instantes determinados.
Problemas de control lógicos y secuenciales
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Estados discretos
Motor:
En marcha o parado
Depósito:
Con líquido o vacio
Válvula:
Abierta o cerrada
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Instrumentación
Circuito cerrado
Circuito abierto
Detector de nivel mínimo: cuando el nivel desciende del valor mínimo se activa / o desactiva la señal del sensor
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Instrumentación
Proceso
PS
TS
Termostato: Cuando la temperatura supera un límite se activa/desactiva el sensor
Presostato
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Instrumentación
Detector de presencia
Emisor
Receptor
Final de carrera
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Instrumentación
Válvula on/off
Electroválvula
Arrancador de motor
~
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Sistemas combinacionales
Asociados a alarmas o lógicas de operación Las respuestas dependen solo de las entradas a través
de las funciones lógicas y, ó, no SI (condiciones lógicas) ENTONCES (acciones)
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Lógica combinacional
AND 1 0
1 1 0
0 0 0
OR 1 0
1 1 1
0 1 0
NOT 1 0
0 1A.B AND
A+B OR
A NOT
BAB.A
B.A)BA(
Leyes de
Morgan
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Puertas lógicas
&A
B
1A
B
A.B
A+B
1A A
Nomenclatura DIN
Las expresiones lógicas pueden asimilarse a circuitos eléctricos en que las condiciones cierto o falso corresponden a presencia o ausencia de señal y la conclusión se expresa en términos de la señal de salida
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Circuitos lógicos
& 1
B
C (C+B).A
1&
A
B
D&
C
A.B + C.D
1A A
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Diagramas de contactos
Contacto normalmente abierto
Contacto normalmente cerrado
Las expresiones lógicas pueden asimilarse a circuitos eléctricos en que las condiciones cierto o falso corresponden a contactos cerrados o abiertos y la conclusión se expresa en términos de circula corriente o no
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Diagramas de contactos
A
A
B
B
A.B
A+B
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Diagramas de contactos
A
B
C D
+ -
Función lógica: (A+B).C.D
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Relés
Dispositivo que permite implementar acciones lógicas y actuar sobre elementos físicos
~Carga
S1
S2
SI (S1= cerrado y S2= cerrado)
ENTONCES carga activada
bobina
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Diagrama de contactos
bobina de relé
S1 S2
X1
Pulsador normalmente abierto
Pulsador normalmente cerrado
Otros elementos: temporizadores, contadores, pulsadores, etc.
+ -
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Ejemplo
M~
relé
S1 P1
X1
+ -
S1P1
X1
X1 X2
X2
S2
S2
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Procesos Secuenciales
AB
Descarga
Sucesión de etapas de operación con acciones específicas y condiciones de transición entre ellas
1 Espera 2 Carga 3 Operación 4 Descarga
M
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Grafos de transición de estados
A BM
1
2
3
4
Arranque
Tanque lleno
Operación terminada
Tanque vacio
Estados
Transiciones
Espera
Carga
Operación
Descarga
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Autómatas programables
Dispositivos programables orientados a implementar funciones lógicas y secuenciales conectados a un proceso
• CPU
• Comunicaciones
• Tarjetas I/O
• Alimentación
Arquitectura
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Modicon TSX Nano
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PC + PLC + Proceso