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 2 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 Prof. Juan Pablo Requez 3 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 Prof. Juan Pablo Requez 4 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! Prof. Juan Pablo Requez 5 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. Prof. Juan Pablo Requez 6 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/ Prof. Juan Pablo Requez 7 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 Prof. Juan Pablo Requez 8 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 Prof. Juan Pablo Requez 9 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 Prof. Juan Pablo Requez 10 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 Prof. Juan Pablo Requez 11 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. Prof. Juan Pablo Requez 12 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 Prof. Juan Pablo Requez 13 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. Prof. Juan Pablo Requez 14 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 Prof. Juan Pablo Requez 15 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 Prof. Juan Pablo Requez 16 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. Prof. Juan Pablo Requez 17 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 Prof. Juan Pablo Requez 18 Unidad 1: Introducción a la medición y control hacer subdivisiones internas de un bucle, estos pueden designarse usando sufijos conformados por letras y números. Prof. Juan Pablo Requez 19 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 Prof. Juan Pablo Requez 20 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. Prof. Juan Pablo Requez 21 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 Prof. Juan Pablo Requez 22 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 Prof. Juan Pablo Requez 23 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 Prof. Juan Pablo Requez 24 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. Prof. Juan Pablo Requez 25 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 Prof. Juan Pablo Requez 26 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. Prof. Juan Pablo Requez 27 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. Prof. Juan Pablo Requez 28 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 Prof. Juan Pablo Requez 29 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 Prof. Juan Pablo Requez 30 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 Prof. Juan Pablo Requez 31 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. Prof. Juan Pablo Requez 32 Unidad 1: Introducción a la medición y control Se muestra el diagrama de control para el problema 2. Prof. Juan Pablo Requez 33 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. Prof. Juan Pablo Requez