Diseño, construcción y puesta en marcha de una planta...
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DISEÑO, CONSTRUCCION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA PILOTO PARA EXPERIMENTACION EN SISTEI\4AS DE CONTROL DE PROCESOS (TOMo lDBzl ALVARO RICARDO TRASI-AVIÑA HECTOR FABIO CASTILLO lhlu¡nldrd lrtdnomt dc 0ccllrb SECCION BIEL¡OTECA 026?ü5 CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOI\,ÍA DE OCCIDENTE DIVISION DE INGENIERIAS PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRICA '""'^;;,"E CALI l8f rruuufiürulif,rurururu
Transcript of Diseño, construcción y puesta en marcha de una planta...
DISEÑO, CONSTRUCCION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA PILOTO
PARA EXPERIMENTACION EN SISTEI\4AS DE CONTROL DE PROCESOS
(TOMo lDBzl
ALVARO RICARDO TRASI-AVIÑA
HECTOR FABIO CASTILLO
lhlu¡nldrd lrtdnomt dc 0ccllrbSECCION BIEL¡OTECA
026?ü5CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOI\,ÍA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRICA
'""'^;;,"E CALI l8f rruuufiürulif,rurururu
DISEÑO, CONSTRUCCION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PIA.NTA PILOTO
PARA EXPERIMENTACION EN SISTEI\4AS DE CONTROL DE PROCESOS
(ToMO rDE2)
ALVARO RICARDO TRASLAVIÑA
HECTOR FABIO CASTILLO
Trabaio de grado para optar al título de Ingeniero Electricista
Director
FREDDY NARANIO PEREZ
Ingeniero Mecánico
CORPORACION UNIVERSTTARIA AUTONOIVÍA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAI\,ÍA DE INGENIERIA ETECTRICA
SANTIAGO DE CALI
1997
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Nota de aceptación
Aprobado por el comité de
grado en cumplimiento con
los requisitos exigidos por la
Corporación Universitaria
Autónoma de Occidente para
optar el título de Ingeniero
Electricista.
2,r€Ai \an¡
\\\\
Santiago de CaIi, Octubre t4 de 1997
CONTENIDO
INTRODUCCION
1.. INSTRUMENTOS PARA LA MEDICION Y EL CONTROLDE PROCESOS INDUSTRIALES
1.1 DEFINICION DE TERMINOS DE MEDICION Y CONTROL
1".1.L Campo de medida Qange).
l-.1.2 Alcan ce (span).
1.L.3 Error.
1.1.4 Precisiín (acanracy).
'I,,.'J,.S Zona muerta (ilcad zone).
L.l-.6 Sensibilidad (sensitiaíty).
L. L.7 Repetibüdad (repeatibility).
1.L.8 Histéresis.
1.L.9 Deriva.
1.1.10 Linealidad basada en puntos.
1, |1,11 Reproducübilidad.
1,.1,.12 Respuesta frecuencial.
1.2 CLASES DE INSTRUMENTOS
'1,.2.'l., En función del instrumento.
1,.2.'I.,.'I., Instrumentos ciegos.
1.2.1,.2 lnstrumentos indicadores.
Pá9.
1.
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1.4
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't4
1.2.1,.3 Instrumentos registradores.
1.2.1.4 Elementos primarios.
'l.,.2.1,.5. Transmisores.
1,.2.1,.6 Transductores.
1,.2.1,.7 Convertidores.
1,.2.1,.8 Receptores.
1,.2.1,.9 Controladores.
1.2.1,.10 Elementos finales de control.
'I',.2.2 En función de la variable de proceso.
1.3 CODI@ DE IDENNFICACION DE INSTRUMENTOSYSIMBOI.OGIAGENERAL
1.3.l- Resumen Norma ISA-S5.1.
2. TRANSMISORES
2.1 GENERALIDADES
2.2 TRANSMISORES ELECTRONICOS
2.2.1. Trartsmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas.
2.3 TRANSMISORES DIGITALES
3. MEDICION DE VARIABLES FISICAS
3.1 MEDTCION DE PRESION
3.L.l, Elementos mecánicos.
3.1".2 Elementos elechomecánicos.
3.1.2.1, Transmisores elechónicos de equilibrio de fuerzas.
3.1,.2.2 Transductores resistivos.
g.L.2.3 Transductores magnéticos.
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'1.6
L6
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3.1.2.4 Transductores capacitivos.
3.1.2.5 Galgas extensométricas (strain gage).
3.'J,.2.6 Transductores piezoeléctricos.
3.1-.3 Elementos electrónicos de vacío.
3.1.3.1 Transductores mecánicos.
3.1.3.2 Medidor Mcleod.
3.1.3.3 Transductores térmicos.
3.1,.3.4 Transductores de ionización.
3.2 MEDICION DE CAUDAL
3.2.L Turbinas.
3.2.2 Medidor de placa.
3.2.3 Medidor magnético.
3.2.4 Torbellino.
3.3 MEDICION DE NIVEL
3.3.1, Medidor manométrico.
3.3.2 Medidor de presión diferencial.
3.3.3 Sistema ultrasónico de medición de nivel.
3.4 MEDICION DE TEMPERATURA
3.4.L Termocupla.
3.4.2 Detxtor resistivo de temperatura RTD.
4. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
4.1. VALVULAS DE CONTROL
4.L.L Tipos de válvulas.
4.1,|1,.1 Válvula de globo.
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4.1..L.2. Válvula en ángulo.
4.1,.1,.3 Válvula de tres vfas.
4.1,.1,.4 Válvula de jaula.
4.1,.1,.5. Válvula de compuerüa.
4.1,.1,.6 Válvula enY.
4.1,.1,.7 Válvula de cuerpo partido.
4.1 J1..8 Válvula Saunders.
4.1,.1,.9 Válvula de compresión.
4.1,.1,.10 Válvula de obturador excéntrico rotativo.
4.1.1,.11, Válvula de obturador cilÍndrico excárhico.
4.1,.L.12 Válvula de mariposa.
4.1,.1,.13 Válvula de bola.
4|1,|1..14 Válvula de orificio ajustable.
4.1.1.15 Válvula de flujo axial.
4.1-.2 Servomotores.
4.7.2.L Servomotor neumático.
4.1,.2.2 Servomotor eléctrico.
4.2 ELEMENTOS FINALES ELECTRONICOS
4.2|1, Amplificador magnético saturable.
4.2.2 Rectificadores controlados de silicio
4.2.3 V á,dv:ulas inteligerrtes.
5. SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
5.1 SISTEMAS DE CONTROL DE BUCLE CERRADO
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88
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89
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90
90
n90
9'J.
91.
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95
w
101
103
103
t075.L.l- Nomenclatura empleada en los sistemas de control de bucle cerrado.
5.2 TIPOS DE CONTROL INDUSTRIAL
5.2.L Control todo - nada.
5.2.1.1, Zona de actuación.
5.2.2 Control proporcional de tiempo variable.
5.2.3 Control proporcional.
5.2.3.1. Banda proporcional.
BIBLIOGRAFIA
108
109
111.
113
115
115
119
LISTA DE TABIAS
pis.
Tabla L. Lecturas de instrumento patala prueba de repetibilidad. 10
LISTA DE CUADROS
Cuadro L. Identificación con sistema de lehas.
Cuadro 2. Letras de identificación.
Cuadro 3. Símbolos de conexiones.
Cuadro 4. Símbolos generales.
Cuadro 5. Símbolos varios.
Cuadro 6. Símbolos para válvulas de conhol.
Cuadro 7. Símbolos para acfuadores.
Cuadro 8. Símbolos para autorreguladores.
Cuadro 9. Símbolos para acción del acfuador en caso de fallo de aire(o de potencia).
Cuadro L0. Símbolos para elementos primarios.
Cuadro 11. Unidades de presión.
pás.
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20
21.
2't
21.
22
22
23
24
25
40
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.
Figwa2.
Figura 3.
Figura 4.
Bucle abierto de regulación.
Bucle cerrado de regulación.
Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas condetector de posición de inductancia.
Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas contransformador diferencial.
Figura 5. Transmisor inteligente capaciüvo.
Figura 6. Transmisor inteligente con microcomputador y comunicador.
Figura 7. Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas condetector fotoeléctrico.
Figura 8. Transductor resistivo.
Figura 9. Transductor de inductancia variable.
Figura 10. Transductor de reluctancia variable.
Figura LL. Transductor capacitivo.
Figura 12. GaLga cementada.
Figura L3. Galga sin cementar.
Figura 1,4. Puente delMeatstone para galga extensoméhica.
Figura L5. Transductor piezoeléctrico.
Figura L6. Transductor térmico de termopar.
Figura 17. Trcrtsductor pirani.
Figura L8. Transductor bimetálico.
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pág.
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I
B
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Figura 19. Transductor de filamento caliente.
Figura 20. Transductor de cátodo frío.
Figura 2L. Transductor de radiación.
Figura 22. Turbina.
Figura 23. Díagrama de bloques medidor de turbina.
Figura 24. Medidor de placa.
Figura 25. Medidor magnético de caudal.
Figura 26. Medidor de caudal por torbellino.
Figura 27. Medidor m¿rnométrico.
Figura 28. Transductor ultrasónico de nivel.
Figura 29. Termocupla básica.
Figura 30. Termocupla con un voltlmetro insertado en la bucla.
Figura 3L. Curvas de voltaje versus temperafurapara termocuplastipoEJ,KyR.
Figura 32. Bucla de termocupla sin unión fiía entre el metal A y el metal B.
Figura 33. Curvas de resistencia relativa de varios metales en funciónde la temperatura.
Figura M. Tubo de protección.
Figura 35. Vaina termométrica.
.Figura 36. Instalación de una vaina o fubo de protección.
Figura 37. Yálvula de control representaüva.
Figura 38. Tipos de válvulas de control.
Figura 39. Servomotor neumático.
Figura 40. Servomotor eléctrico.
Figura 41. Amplificador magnético.
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Urlu¡sldrd Aul6nom¡ dc OccilrbstcctoN 8r8uor€c^
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Figara42.
Figura 43.
Figara44.
Figura 45.
Figwa46.
Figurra 47.
Figura 48.
Figura 49.
Figura 50.
Figura 51.
Figura 52.
Rectificador controlado de sücio (SCR).
Control de zona de conducción en un SCR.
Válvula inteligente.
Sistema de control bucle cerrado para mantener elnivel de líquido en un tanque.
Diagrama de bloques clásico de un sistema de bucle cerrado.
Posición de la válvula versus temperatura medidaen un control todo - nada.
Medida real de temperafura versus tiempo en un conholtodo - nada.
Representación de la zona de acfuación de un control todo - nada.
Representación del comportamiento de un conholproporcional de tiempo variable.
Proceso de temperafura conholado por una válvulade posición variable.
Gráfrca de posición de la válvula versus temperafura.
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7't6
11.6
RESUMEN
El presente documento consüfuye el resultado final del diseño, la construcción y puesta
en marcha de una planta piloto para la simulación de control de procesos industriales.
El documento hace un recorrido general por la teoría.básica que comprenden los sistemas
de control industrial, iniciando con el estudio de los instrumentos uülizados en la
medición y el control de procesos, los tipos de transmisores más comunes, la medición de
variables fisicas, los elementos finales de control, etc. Con lo cual, el lector podrá tener
elementos que le sirvan como base teórica antes de iniciar sus respectivas prácticas de
control.
Posteriormente se incluye un capífulo con una descripción detallada de los componentes
de la planta su estrucfura física, y funcionamiento general" pata dar un mejor
entendimiento de su comportamiento y de su óptimo manejo.
Finalmente se incluyen unas guías de laboratorio que permitirán al esfudiante, que vaya a
rcalizar prácücas de control, tener una idea más especlfica de lo que puede rcahzar la
planta y de la manera como se interconectan los disposiüvos que la componen para
realizat una práctica adecuada.
INTRODUCCION
El presente documento consütuye el primer tomo del proyecto de DISEÑO,
CONSTRUCCION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA PILOTO PARA
EXPERIMENTACION EN SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS.
En este primer tomo, se han incluido una serie de conceptos concemientes a la teoría
básica de instrumentación y control. Esto es considerado importanb, ya que ayuda al
esfudiante a tener una üsión y una comprensión más clara de todos los elementos
implicados en un sistema de control industrial, los cuales serán manejados por é1, al
momento de rcahzar las prácticas reales con la planta piloto.
Este tomo, ha sido diüdido en una serie de capítulos, los cuales están concatenados en
forma l6gica, para ir llevando al lector, poco a poco, desde los conceptos básicos de la
instrumentación hasta llegar a la teoría de control. Obviamente, no se pretende con este
documento, realizar todo un compendio sobre estos temas, ya que se saldría del enfoque
y del objetivo real del trabajo, sino más bien dar una herramienta de soporte teórico al
estudiante implicado en éste área de la ingeniería.
El documento sirve pues, tanto para personas un poco neófitas en el tema y que deseen
ampliar sus conocimientos, o biery para personas con conocimientos más avanzados que
deseen hacer un "refresco" de los conceptos involucrados en esta materia.
El escrito inicia explorando los instrumentos usados para la medición y control de
Procesos industriales, su clasificacióry sus caracterfuticas más importantes y la
terminología y simbología involucrada en este tema. Posteriormente se hace un esfudio
de la medición de variables flsicas más comunes. Luego se hace un esfudio de los
transmisores y de los tipos más importantes de dispositivos de corrección finaI y,
finalmente se da una Eoría básica sobre sistemas de control de procesos de lazo cerrado.
Si el lector es una persona que ya conoce perfectamente estos temas, pude obüar la
lectura de este primer tomo y pasar al segundo, en el cual se hace la descripción detallada
de la planta piloto desarrollada en este proyecto.
1. INSTRUMENTOS PARA IA. MEDICION Y EL CONTROL DE PROCESOS
INDUSTRIALES
Los procesos industriales son necesarios para una gran canüdad de fines en las empresas
manufactureras o industriales, entre ellos, para la conversión de una determinada materia
prima en un producto terminado. Estos procesos pueden ser muy variados y abarcar
muchos tipos de productos, como por ejemplo en: la fabricación de productos
alimenticios, de los productos derivados del petróleo, la industria cerámica, los ingenios
azucareros, las centrales generadoras de energía, la industria textif etc.
En todos estos procesos siempre se hace necesario controlar y mantener constantes ciertas
variables fisicas tales como la presióry la temperafura, el caudal, el nivel, la velocidad, la
humedad relativa, etc., para lograr una óptima calidad en la fabricación y / o
hansformación de los productos. Los instrumentos de medición y control permiten el
control de estas variables de una manera mucho más óptima de lo que un operario podría
tealiz¿¡.
En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas
variables utilizando instrumentos simples, tales como manómehos, termómetros,
válvulas manuales, interruptores mecánicos, etc., lo cual era suficiente debido a la relativa
simplicidad de los procesos. Sin embargo, debido a la complejidad que han ido
adquiriendo los mismos, se ha hecho necesario su automatizacíín progresiva por medio
de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al
operario de su actuación fisica directa en Ia plant4 disminuyendo así el riesgo que esto
puede representa r pataél, y permiüéndole una labor única de supervisión y vigilancia del
Proceso desde centros de control cercanos al mismo o ubicados en salas aisladas; además,
gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones de
calidad estables lo cual sería casi imposible realizar por el operario si realizara un control
exclusivamente manual.
Los procesos industriales a controlar pueden diüdirse en dos grandes categorías:
Procesos continuos y Procesos discontinuos. En ambos tipos deben mantenerse las
variables (presióry temperafura, nivel, etc.), bien sea en un valor de referencia fijo, en un
valor variable con el tiempo de acuerdo a una relación predetermin ada, o guardando una
relación determinada con otra variable.
El sistema de control que permite el control de estas variables puede definirsg en forma
general, coino aquel que compara el valor de la variable a controlar con un valor deseado
o de referencia y toma una acción correctiva de acuerdo con la diferencia existente entre
ambos valores, sin la intervención del operario. El sistema de control exige entonces, para
que esta comparación y subsiguiente control sean posibles, que se incluyan ciertos
elementos: una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y
el proceso en sí mismo. Este conjunto de elementos forman un lazo que recibe el nombre
de bucle de control. Este bucle puede ser abierto o cerrado (ver figura s 1, y 2).
5
Fluído fríoTermómetro
indicador
tl(Termostato) | |
tl(F----l L---
IIO VAC(F__
Salida del producto
Figura 1. Bucle abierto de regulación.
Valor deseado opunto de rcfcrencia
Entrada del producto
Controlador Indicador oRcgistrador
Fluldocaliente
Elemento fin¿ldel contol
Fluído oagente de control
lg¿or (fluído oagente de control)
Purgador delcondensado
ELEMENTOPRMARIODE MEDIDA
ELEMENTODE
TRANSMISION
Valor deseado opunto de referencia
Elemento
INDICADORo
REGISTRADOR
Elemento Entrada produoto
primario @luído frío)
(Fluído caliente)
Figura 2. Bucle cerado de regulación.
Un ejemplo de bucle abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una
resistencia eléctrica sumergida. Un bucle cerrado representativo lo consüfuye la
regulación de temperafura en un intercambiador de calor.
En ambos casos se observa que existen elementos definidos como el elemento de medida
el transmisor, el controlador, el indicador, el registradog y el elemento final. Estos y otros
elementos serán esfudiados a lo largo de este capífuIo, teniendo en cuenta las
características propias del instrumento y las clases de instrumentos más comúnmente
empleados en los procesos industriales.
1.1 DEFINICION DE TERMINOS DE MEDICION Y CONTROL
Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como química,
petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia
terminología; ésta define las caracterlsticas propias de medida y de control de los diversos
inshumentos empleados.
La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y
los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el qampo de la
instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos
empleados se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA (Scientifc Apparahts
Makers Association) en su norma PIN4;C 2O-2-197O y se describen a continuación (entre
paréntesis se coloca su término equivalente en inglés).
7
L.l.l Campo de medida (rangel. Espectro o conjunto de valores de la variable medida
que están comprendidos enhe los límites superior e inferior de la capacidad de medida o
de transmisión del inshumento; üene expresado estableciendo los dos valores extremos.
1.1.2 Alcance (spanl. Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del
campo de medida del instrumento.
1.1.3 Error. Es la diferencia algebraica entre el valor leído o hansmitido por el
instrumento y el valor real de la variable medida. Si el proceso está en condiciones de
régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error
varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a
los sistemas físicos: absorben energía del'proceso y esta transferencia requiere cierto
tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lecfura del aparato. Siempre
que las condiciones sean dinámicas existirá el llamado error dinámico (diferencia entre el
valor instantáneo y el indicado por el inshumento): su valor depende del tipo de fluido
del proceso, de su velocidad, del elemento primario, de los medios de proteccióry etc. El
error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de la
medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable
medida.
1.1.4 Precisión (accmaql. La precisión es la tolerancia de medida del inshumento y
define los límites de los errores comeüdos cuando el inshumento se emplea en
condiciones normales de-servicio. Existen varias formas dg expresar la precisión:
8
¡ Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en un determinado instrumento de medición
de temperafura con un alcance de 20üC; para una lectura de 15trC y una precisión de
tO.S%, el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150 t 0.5 X 2OO/1OO =
150tL, es decir, entre 14fC y L5L'C.
¡ Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: Precisión de tLoC.
. Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: Precisión de f'j.% de 15trC, es decir,
+1.50C.
¡ Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: Precisión de r0.5%
de 300oC = tL.SoC.
o Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si la longitud de la escala de un
determinado instrumento es de 1,50 mm, una precisión de 1:O.S% representará i0.75 mrn
de la escala.
La precisión varía en cada punto del campo de medida si bien, el fabricante la especifica
en todo el margen del instrumento indicando a veces su valor en algunas zonas de la
escala. Por ejemplo: un manómetro puede tener una precisión de +!y en toda la escala y
de 10.5% en la zona central. Cuando se desea obtener la máxima precisión del
instrumento en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para ese
l¡ltnornr d¡ Oclf¡rüstcclor{ BtBltortcr
Punto de habajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por ejemplo:
un termómeho de 0-15fC y de tl% de precisión sifuado en un baño de temperafura
constante a 8tr9 puede ser calibrado a este valor, de modo que su precisión en este punto
de trabajo será la máxima que se pueda obtener con un termómetro patrón. Es obvio que
para los valores restantes, en particular los correspondientes a los extremos de la escala, la
precisión se apartará de l1,%.
Los valores de precisión de un instrumento se consideran en general establecidos para el
usuario, es decir, son los proporcionados por el fabricante de los instrumentos. Sin
embargo, estos últimos suelen considerar también los valores de calibración en fábica y
de inspección. Por ejemplo, un instrumento que en fábrica tiene una precisión de
calibración de 10.8%, en inspección le corresponde tO9% y la dada al usuario es f'1.%.
Con lo anterior se pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de
las diferencias de apreciación de las personas que efectúan la calibración, las diferentes
precisiones de los instrumentos de medida utilizados, las posibles alteraciones debidas al
desplazamiento del instrumento de un punto a ofuo, los efectos ambientales y de
envejecimiento, etc.
1.1.5 Zona muerta (dead zonel. Es el campo de valores de la variable que no hace variar
la indicación o la señal de salida del inshumento, es decu, que no produce su respuesta.
Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida.
0rlwslded autónomt dc OcclirbstcctoN BISLIoTECA
10
L.1.6 Sensibilidad, (sensitiai$l. Es la raz6n entre el incremento de la lectura y el
incremento de la variable que 1o ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de
rePoso. Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0 - 10 bat,Ia presión pasa de 5 a
5.5 bar y la señal de salida de 11.9 a12.3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:
1.1.7 Repetibiüdad Qepeatibilityl. La repetibilidad es la capacidad de reproducción de
las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de saüda del instrumento al medir
repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en
el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. Se considera en general su
valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un
valor representativo es de +0.1%.
Para determinar la repetibilidad, el fabricante comprueba la diferencia entre el valor
verdadero de la variable y la indicación o señal de salida del instrumento recorriendo todo
el campo, y partiendo, pata cada determinación, desde el valor mÍnimo del campo de
medida. De este modo, en el caso de un manómetro podrían haberse anotado una serie
de datos relacionados, tal como 1o muestra la tabla 1-.
Tabla 1. Lecturas de inetrumento para la prueba de repetibilidad.
Variable Indicación
(tz.z - tt.g) t (zo - q) = ro 5
(s.s-s)lro
Desde 0 a 0.5 0.502
11,
Desde 0 a L
Desde 0 a 1.5
Desde 0 a 2
Desde O a2.5
Desde 0 a 3
Desde 0 a 3.5
Desde 0 a 4
Desde 0 a 4.5
Desde 0 a 5
Desde 0 a 5.5
Desde 0 a 6
Desde 0 a 6.5
Desde 0 a 7
Desde 0 a7.5
Desde 0 a 8
Desde 0 a 8.5
Desde 0 a 9
Desde 0 a L0
1.006
1.509
2.008
2.506
3.007
3.503
4.N6
4.s07
5.010
5.505
6.006
6.501
7.W3
7.5M
8.009
8.508
9.008
10.005
La repetibilidad viene dada por la fórmura .EC- ,ula 1/ff dando como resultado:
T2
1.1.8 Histéresis. La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores
indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del
campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos,
ascendente v descendente.
Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: Si en un
termómeho de 0 - 10OC, para el valor de la variable de 409 Ia agujamarca 39.9 al subir
la temperatura desde 09 e indica 40.L aIbajar la temperatura desde 10fC, el valor de la
histéresis es de:
40'l-399o100= +o.zYo
100- 0
1.1.9 Deriva. Es una variación en la señal de salida que se presenta en período de tiempo
determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones
ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el
valor cero de la medida atribuible a cualquier causa intema) y la deriva térmica de cero
(variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la
temperafura). La deriva está expresada usualmente en porcentaje de la señal de salida de
la escala total a la temperafura ambiente, por unidad, o por intervalo de variación de la
temperafura. Por ejemplo, la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones de
temperafura ambiente durante un mes fue de 0.2% delalcance.
13
1.1.10 Linealidad basada en puntos. Falta de linealidad expresada en forma de
desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados
correspondientes al cero y al\O}{o de la variable medida.
l.l.ll Reproductibilidad. Capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas
repetitivas de la lecfura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida
alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un
período de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor representativo sería de t0.2% del
alcance de la lectura o señal de salida a lo largo de un período de 30 días.
l.l.l2 Respuesta frecuencial. Variación con la frecuencia de la relación de amplifudes
señal de salida f variablemedida (y de la diferencia de fases enhe la salida y la variable
medida) para una medida de variación senoidal aplicada a un inshumento dentro de un
campo establecido de frecuencias de la variable medida.
1.2 CLASES DE INSTRUMENTOS
Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y sus funciones
pueden comprenderse bien si están incluidos denho de una clasificación adecuada. A
continuación se considerarán dos clasificaciones básicas: la primera, de acuerdo a la
función del instrumento y la segunda en función de la variable del proceso.
T4
1.2.1 En función del instrumento. De acuerdo con la función del instrumento, éstos
pueden clasificarse como se indica en las siguientes secciones.
1.2.7.1 Instrumentos ciegos. Son aquellos que no tienen indicación üsible de la variable.
Dentro de éstos se encuentran los inshumentos de alarma, tales como presostatos y
termostatos, los cuales poseen una escala exterior con un índice de selección de la
variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del intermptor al cruzar la variable el
valor seleccionado. Los transmisores de caudal, presión y nivel sin indicación también
son instrumentos ciegos
1.2.1.2 Instrumentos indicadores. Estos instrumentos poseen un índice y una escala
graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplifud de la escala se
dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales
que muestran la variable en forrna numérica o alfanumérica.
1.2.7.9 Instrumentos registradores. Registran contrazocontinuo o a puntos la variable, y
pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según la forma del gráfico. Los
registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de una revolución en 24horas,
mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20
mm/hora.
1.2.7.4 Elementos primarios. Están en contacto con la variable y utilizan o absorben
energía del medío controlado pata dar al sistema de medición una indicación en respuesta
15
a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario
puede ser un cambio de presióry fuerza, posición, etc. Por ejemplo: en los elementos
primarios de temperafura de bulbo y caplar, el efecto es la variación de presión del fluido
que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromohiz.
1.2.1.5. Transmisores. Captan la variable de proceso a havés del elemento primario y la
transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen de 3 a L5 psi o electrónica
de 4 a 20 mA de corriente continua. La señal digital uhltzada en algunos transmisores
inteligentes es capaz de acoplarse directamente a un computador.
L.2.7.6 Transductores. Reciben una señal de entrada función de una o más cantidades
fisicas y la conüerten modificada o no a una señal de salida. Como ejemplo de
transductores de tienen: un relé, un elemento primario, un hansmisor, un convertidor de
presión a corriente, etc.
1.2.1.7 Convertidores. Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3 - 15
psi) o electrónica (4 - 20 mA) procedente de un instrumento y después de modificarla
envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Por ejemplo, un convertidor
P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica), un convertidor I/P (señal
de entrada eléctrica a señal de salida neumática).
1.2.1.8 Receptores. Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o
registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los
1,6
valores ya indicados 3 - 15 psi en señal neumática, o 4 - 2O mA en señal electrónica, que
actúan sobre el elemento final de control.
1.2."t.9 Controladores. Comparan la variable controlada (presióry nivel, temperatura) con
un valor deseado o de referencia y ejercen una acción correcüva de acuerdo con la
desüación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores
locales, o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital
procedente de un hansmisor.
1.2.1.70 Elementoe finalee de control. Reciben la señal del conholador y modifican el
caudal del fluido o agente de conhol. En el control neumático, el elemento suele ser una
vál¡mla neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a L5
psi. En el control electrónico la válvula o el servomotor son accionados a través de un
convertidor de corriente a presión (I/P) o señal digital a presión que conüerte la señal
electrónica de 4 a 20 mA o digital a neumática (3 - 15 psi). En el control eléctrico el
elemento final de control suele ser una válvula motorizada que efectha su carrera
completa accionada por un servomotor eléchico.
En el control electrónico y en particular en la regulación de temperafura de homos,
pueden utilizarse rectificadores de sücio (tiristores). Estos se comportan esencialmente
como bobinas de impedancia variable y varían la corriente de alimentación de las
resistencias del homo, en la misma forma en que una válvula de conhol cambia el caudal
de fluido en una tubería.
17
L.2.2 En función de la variable de proceso. De acuerdo con la variable de proceso, los
instrumentos se diüden en instrumentos de caudal, nivel, presióry temperatura, densidad
y peso específico, humedad y punto de roclo, üscosidad, posicióry velocidad, pH,
conductividad, frecuen cia, fuerza, furbidez, etc.
Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo
independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este
modo, un transmisor neumático de temperafura del tipo de bulbo y capiJa , es un
instrumento de temperafura, si bien, al ser receptor neumático se podría considerar
inshumento de presiór¡ caudal, nivel, o cualquier otra variable, según fuera la señal
medida por el transmisor correspondiente.
Asimisr.no, esta clasificación es independiente del número y tipo de transductores
existentes entre el elemento primario y el instrumento final. Así ocurre en el caso de un
transmisor electrónico de nivel de 4 a 20 mA, un receptor controlador con salida de 4 a 2O
mA, un convertidor de corriente a presión (l/P) que transforma la señal de 4 a 20 mA a
neumática de 3 - L5 psi y la válvula neumática de contro! todos estos inshumentos se
consideran de nivel.
1..3 CODIGO DE IDENTIFICACION DE INSTRI,JMENTOS Y SIMBOLOGIA GENERAL
Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean norrnas
muy variadas que a veces varían de una industria a otra. Por ello, varias sociedades han
L8
dirigrdo sus esfuerzos en este sentido, y entre ellas se encuentra como una de las más
importantes la Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos ISA, cuyas normas tienen
por objeto establecer sistemas de designación (código y símbolos) de aplicación a las
diferentes industrias.
A continuación se hace un resumen de la norma ISA-S5.1 de ANSI/ISA 1984 sobre
instrumentación de medición y control.
1.3.1 Resumen Norma ISA-S5.1. Esta norma expresa en forma resumida, lo siguiente:
. Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras que lo clasifique
funcionalmente. Una identificación representativa es mostrada en el cuadro L.
. El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo
de cuatro. Para ello conüene:
. Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, lln transmisor regishador de relación
de caudales con un interruptor de alarma de relación de caudales puede idenüficarse con
dos círculos uno con FFRT-3 v el otro FFS-3.
. En un instrumento que indica y regisha la misma variable medida puede omitirse la
letra I (indicación).
TRC 2APrimeraletra
Letrassucesivas
Nhmerodel bucle
Sufijo
Identificaciónfuncional
Identificacióndel bucle
19
Cuadro 1. Identificación con sietema de letras
. Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto deben
identificarse con una secuencia única d.e números.
cualquier otro número conveniente, tal como
información codificada tal como área de planta.
Esta puede empezar con el número L o
301 o 1201, que puede incorporar
¡ Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la misma identificación funcional, es
preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-28, FV-2C, etc., o TE-25-'1,, TE-25-2, TE-25-
3, ets.
Las letras de identificación utilizadas son mostradas en el cuadro 2. De igual manera, los
cuad.ros 3 al 10 muestran la simbología más importante declarada en esta norma y
también la más utilizadaen la industria.
Para el presente proyecto esta simbología juega un papel importante en la identificación
de los elementos que componen la planta piloto para experimentación de control de
procesos, la cual será examinada en detalle en el capítulo 6.
20
Cuadro 2. Letras de identificación.
la. Letra Lehas sucesivas
Variable
meüda
Letra de
modificación
Función de lectura
pasiva
Función de
salida
Letra de
modificación
A Análisis Alanrra
B Llama Libre Libre Libre
C Conductividad Control
D Densidad o
peso específico
Diferencial
E Tensión (f.e.m.) Elemento primario
F Caudal Relación
G Calibre Vidrio
H Manual Alto
I Coriente
e1éctrica
lndicación o
indicador
J Potencia Exploración
K Tiempo Estación de control
L Nivel Luz piloto Bajo
M Humedad Meüo
N Libre Libre Libre Libre
O Libre Orificio
P Presión o vaclo Punto de prueba
Q Cantidad Integración
R Radiactividad Registro
S Velocidad o
frecuencia
Seguridad lntermptor
T Temperatura Transmisión o
transmisor
U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción
V Viscosidad Válvula
W Peso o fuerz-a Vaina
X Sinclasificar Sin clasi-ficar Sin dasificar Sin clasificar
Y Libre Relé o computador
Z Posición Elemento final de
control sin dasificar
21,
Cuadro 3. Símbolos de conexionee.
Cuadro 4. Símbolos generales.
Cuadro 5. Símbolos varios.
-tt-lfJt-SEÑAL NEUMANCA O SEÑALSIN DEFINIR EN UNA UNEADE PROCESO
CONEXION A PROCESO OENLACE MECANICO, OALIMENTACION DEINSTRUMENTOS
SEÑAL ELECTRICA
-X#
TUBO CAPIIIR
+++sEñ¡t nroR¡uucn señnr- elecrnonrAcNETtcA
o soNlcA (slN HrLo Nl TUBo)
oLOCAL
A'MONTAJE EN
PANEL 1
tMONTAJE DETRAS
DEL PANEL
INSTRUMENTO PARA UNA VARIABLE MEDIOA @N CUALQUIER NUMERO DE FUNCIONES
MONTAJELOCAL
MONTAJEEN PANEL
MONTA"JE DETRASDE PANELAUXLIAR
INSTRUMENTO PARA DOS VARIABLES METXDAS. OPCIONALMENTE INSTRUMENTO CONMAs DE UNA FUNctoN. pueoeru RñRoIRSE ctRculos ADtctoNALEs st sE pREctsAN
aLI.Z PILOTO
SELLOQT,,IMICO
,4.(r)\,/
ENCI¡VA¡I'I ENTO LOGICOSIN DEFINIR O COMPTEJO
,4.<*D\./
ENCI¡VAMI ENTO EFECTIVOSI EXISTEN TODAS LAS
EN1RADAS
,4.(.o*2\./
ENCI-AVAtvll E NTO E FECTIVOSI EXISTEN UMOMAS
ENTRADAS
22
Cuadro 6. Símbolos para válvulas de control.
Cuadro 7. Símboloe para acfuadores.
GLOBO,COMPUERTA U OTRA
AIANGULO
rJr L-¡) | \l )
MARIPOSA,PERSIANA OCOMPUERTA
OBTURADORROTATIVO O
VALVUTA DE BC
TRES VIAS ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2
CUATRO VIAS
SIN CLASIFICAR
SIN POSICIONADOR
TI
II
PREFERIDA PARADIFRAGMACON
PILOTO
DIAFMGMA @N MUELLEDIAFRAGMA @N MUELLE, POS¡ICIONADOR
YVALVULA PILOTO QUE PRESURIZA ELOIAFRAGMA AL ACTUAR
MOTOR ROTATMO
SIMPLE ACCION DOBLE ACCION
CILINDRO SIN POSICIONADOR U OTRO PILOTO
( ¡-tr--tÉI
PREFERIDO PARACUALQUIER CILINDRO
TI
ACTUADOR MANUAL
Í- f=Al. I
I
ELECTROHIDRAULICO
SIN CI-ASIFICAR
FEI
SOLENOIDE
tPARAVALVULA DE
ALIVIO O DE SEGURIDAD
23
Cuadro 8. Símbolos para autoneguladores.
J
ofC)
REGULADOR AUTOMATICOCON INDICACION INTEGRAL
DEL CAUDAL
ALTERNATIVO ALTERNATIVO
ROTAMETRO INDICADOR CONVALVULA MANUAL
DE REGULACION
JlrJ
zCONTROLADOR DE NIVELCON ENI.ACE MECANICO
zoaUJÉo
AUTOREGUI-ADOR DEPRESION CON TOMA
INTERIOR
AUTOREGUIADOR DEPRESION CON TOMA
EXTERIOR
REGULADOR REDUCTOR DEPRESION DIFERENCIAL CON
TOMAS INTERIOR Y EXTERIOI
AUTOREGULADOR DEPRESION POSTERIORCON TOMA INTERIOR
VALVULA DE ALIVIO O DESEGURIDAD DE ANGULO
VALVULA DE ALIVIO O DESEGURIDAD DE PASO RECTO
VALVULA DE ALIVIO O DESEGURIDAD DE ANGULO
DISPARADA POR SOLENOIDE
DISCO DE RUPTURAPARA PRESION
DISCO DE RUPTURAPARAVACIO
É.fkÉ.l¡Jo-
=lrJF AUTOREGULADOR DETEMPERATURACON BULBO
Y CAPILAR
24
Cuadro 9. Símbolos para acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia).
ABRE EN FALLO(FAIL OPEM
CIERRA EN FALLO(FAIL CLOSED) ABRE EN FALLO A VIA A-C
ABRE EN FALLO A VIAS A-CY D-B
SE BLOQUEA EN FALLO(FAIL LOCKEDI
POSICION I NDETERMI NADAEN FALLO (FAltINDETERMNATA
25
Cuadro 10. Símbolos para elementos primarios.
A
(t)a=z
tl
RECEPTOR RECEPTOR
ANALISIS DOBLE DEOXIGENO YCOMBUSTIBLE
F
J
ofo
f-tJl-I@
PLACA - ORIFICIO CONTOMAS EN LA BRIDAO ENLACAMARAANULAR
PLACA- ORIFICIO CONTOMAS EN LAVENACONTRAIDA, RADIALESO EN I-ATUBERIA
RECEPTOR
PLACA. ORIFICIOCONECTADAA UNTRANSMISOR DE PRESIONDIFERENCIAL
PLACA- ORIFICIO CONACCESORIO DE CAtr,lBlORAPIDO
TUBO PITOT O TUBOVENTURI - PITOT
TUBOVENTURI OTOBERA
CANAL MEDIDOR VERTEDERO ELEMENTO DE TRUBINA
ROTAMETRO INDICADORDE CAUDAL
TOTALIZADOR INDICADORDE CAUDAL DEDESPLAZAMIENTOPOStT|VO
/ FcL---(VY ,rr"Érro
CONTROLADC
ELEMENTO SIN CLASIFICARCONECTADO A UNCONTROLADOR DE CAUDAI.
r___J REcEproR
ELEMENTO SIN CLASIFICARCON TRANSMISOR
26
I
tI|FzlrJÉÉ.oo TRANSFORMADOR DE
INTENSIDAD MIDIENDOCORRIENTE DE UN MOTOR
L
Jr.rJ
z
NIVEL DE VIDRIO INTEGRALCON ELTANQUE
NIVEL DE VIDRIO DECONEXION EXTERNA
IINDICADOR DE NIVELDE FLOTADOR O DEDESPLAZAMIENTO
RECEPTOR
TRANSMISOR DE NIVEL DE FLOTADOR ODESPLAZAMIENTO MONTADO EN ELEXTERIOR DEL TANQUE
RECEPTOR
TRANSMISOR DE NIVEL DE PRESIONDIFERENCIAL MONATDO EN ELTANOUE
@' RECEPTOR
TANOUE
ELEMENTO DE NIVEL DE CAPACIDADCOÑECTADOA UN TRANSMISOR DE NIVEL
INTERRUPTOR DE NIVEL DE SOLIDOS DEPALETAS
TRANSMISOR DE NIVEL RADIACTIVOosoNt@
RECEPTORTV
VISION REMOTA DE UN NIVEL DE VIDRIOMEDIANTE CAMARA DE TELEVISION
J
ozulFofL VATIMETRO CONECTADO AL MOTOR
DE UNA BOMBA
27
P
o6sozool¡JÉ.fL
MANOMETRO CON LINEA DE PRESION MONTAJE EN LINEA
MANOMETRO CON SELLO
#I,^.
lrPrT\\ t¿sl\-/
- - -f neceproR
ELEMENTO DE PRESION DEGALGA EXTENSOMETRICACONECTADO A TRANSMISORINDICADOR DE PRESION
T
É.lFÉ.IUfL
=IJJF
CONEXION DE ENSAYO DETEMPERATURA CON VAINA
@NEXION DE ENSAYO DETEMPERATURA SIN VAINA
ELEMENTO DETEMPERATURA SIN VAINA
ELEMENTO DETEMPERATURA CON VAINA
INDICADOR DETEMPERATURA DE BULBO
YCAPILAR CON VAINA
:RMOMETRO BIMETALICODE VIDRIO U OTRO LOCAI
'#, z-:______l t'
)\9INDICADOR DE
TEMPERATURA DETERMOPAR O DE SONDA DE
RESISTENCIA
# /\>íñ\
\-/ \_-/TERMOPAR DOBLECONECTADO A UNINDICADOR Y UNREGISTRADOR MULTIPLE DITEMPERATURA
V
oodoJt¡J
2. TRANSMISORES
2.1 GENERALIDADES
Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a
distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una
combinación de estos.
Existen varios üpos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales,
hidráulicas, y teleméhicas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las
señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las
señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómehos entre el
transmisor y el receptor.
Los hansmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a L5
psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 - 100% de la variable.
Esta señal está normalizada por la SAMA y ha sido adoptada en general por los
fabricantes de transmisores y conholadores neumáticos en Estados Unidos.
Los transmisores elechónicos generan la señal estándar de 4 - 20 mA c.c., a distancias de
200 m a L km, según sea el tipo de instrumento hansmisor.
29
La señal electrónica de 4 - 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la
distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no altema, elimina la
posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas y emplea sólo dos
hilos que no necesitan blindaje.
La relación de 4 - 20 mA es de 'J-, a 5, la misma que la raz6n de 3 - 15 psi en la señal
neumáüca y el nivel mínimo seleccionado de 4 mA elimina el problema de la corriente
residual que se presenta al desconectar los circuitos a transistores. La alimentación de los
transmisores puede realizarse con una unidad montada en el panel de control y utilizando el
mismo par de hilos del transmisor.
El "cero üvo" con que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una
avería por corüe de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavla más el
ruido de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.
Cabe anotar que el nivel mlnimo de la señal neumática de salida tampoco es cero, sino
que vale 3 psi. De este modo, se consigue calibrar correctamente el instrumentq
comprobar su correcta calibración y detectar fugas de aire en los fubos de enlace con los
demás instrumentos neumáticos.
La señal digital consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consiste en
dos signos , el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a
havés de un conductor. Por ejemplo, dentro de la señal electrónica de 4 - 20 mA" los
Orfrnldrd fu6nomr ¿c Occl¿¡¡bsEcctof{ B|BUoTECA
30
valores de 4,12 y 20 mA son respectivamente 00000000, 01111111 y 11I111LL Si la señal
digital que maneja el microprocesador del hansmisor es de ocho bits, entonces puede
enüar ocho señales binarias (0 y 1) simultáneamente. Como el mayor nhmero binario de
ocho cifras es 11111111 = 255, se tiene que la precisión del transmisor debida
exclusivamente a la señal digital es de:
I .100=0.004%255
Si la señal es de 'I..6 bits, entonces puede manejar L6 señales binarias (0 y 1). Siendo el
mayor número binario de L6 cifras: 1111111111111111,= 65535. La precisión obtenida con
el transmisor debida exclusivamente a la señal digital es de:
I .100 = 0.000 Ol52%
65535
Las fibras ópticas en la transmisión se están uülizando en lugares de la planta donde las
condiciones son duras (campos magnéticos intensos que fluyen sobre la señal, ...). Los
módulos de transmisión pueden ser excitados por fuentes de luz LED o diodo láser. Los
módulos receptores disponen de fotodetector y preamplificador, con los cables de fibra
óptica y con convertidores electroópticos. La transmisión de datos puede efecfuarse con
multiplexores transmitiendo simultáneamente a la velocidad máxima definida por la
norma RS232C de transmisión de datos para modems y multiplexores. Las ventajas de la
transmisión por fibra óptica incluyen la inmunidad frente al ruido eléchico, el aislamiento
31
eléctrico total, una anchura de banda mayor que la proporcionada por los
correspondientes hilos de cobre, ser de pequeño tamaño y de poco peso, sus bajas
pérdidas de energía, y que las comunicaciones se¿rn seguras.
El microprocesador se utiliza en la transmisión por las ventajas que posee de rapidez de
cálculo, pequeño tamaño, fiabilidad, precio cada vez más competitivo y ser apto para
r ealiz ar cálculos adicionales.
2.2 TRANSMISORES ELECTRONICOS
Estos transmisores son los más utilizados en las plantas industriales y su función es la de
transmiti¡ una señal electrónica, generalrrrente de 4 - 20 mA, la cual es generada como una
función lineal de la variable de proceso captada. Entre los tipos más importantes de
transmisores electrónicos se destacan los que se explican a continuación.
2.2.1 Ttansmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. Los transmisores electrónicos
son generalmente de equilibrio de fuerzas. Consisten en su forma más sencilla en una
barra rígida apoyada en un punto sobre la que actúan dos fuerzas en equilibrio: la fuerza
ejercida por el elemento mecánico de medición (fubo Bourdon, espiral, fuelle etc.) y la
fuerza electromagnética de una unidad magnética.
El desequilibrio entre estas dos fuerzas da lugar a una variación de posición relativa de la
batta, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o
32
un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos
detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de
equilibrio de fuerzas. Se completa asl un circuito de realimentación variando la corriente
de salida en forma proporcional al intervalo de la variable del proceso.
Estos instrumentos, debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del
alcance complicado y una alta sensibüdad a übraciones. Su precisión es del orden de 0.5
-1.%.
¡ Detector de posición de inductancia: El detector de posición de inductancia está
formado por dos píezas de ferrita, una en la barra y la otra fijada rlgidamente en el chasis
del hansmisor y contiene una bobina conectada a un circuito oscilador. Cuando aumenta
o disminuye el entrehierro disminuye o aumenta respectivamente la inductancia de la
bobina detectora modulando la señal de salida del oscilador. En la figura 3 puede verse
un diagrama de este tipo de instrumento.
. Transformador diferencial: el transformador diferencial (ver figura 4) consiste en un
núcleo magnétíco con tres o más polos bobinados. El bobinado central está conectado a
una línea de alimentación estabilizada y se denomina arrollamiento primario. Los otros
dos están bobinados idénücamente con el mismo número de espiras y en la misma
disposición. El transformador se cierra magnéticamente con la bana de equilibrio de
fuerzas. Al variar la presión cambia la posición de la barra induciendo tensiones distintas
en las dos bobinas, mayor en la bobina arrollada en el polo con menor entrehierro y
33
menor en la opuesta. Las bobinas están conectadas en oposiciínyLa tensión de señal
diferencial producida es introducida en un amplificador hansistorizado que alimenta la
unidad magnética de reposición de la barra.
Unldod mognéfico(reolimentoclón)
Orcilodor
Figulag Transmisorelectónicodeequilihlodefuenascondffirdeposicióndeinftctanci¿
Alimentoclón
Señol de
o-iTlllr
Figura 4. Tranemisor electrónico de equiübrio de fuezas con transformador
Muellede celo
Iubo Bourdon
diferencial.
34
2.3 TRANSMISORES DIGITALES
Aproximadamente, en el año de 1983 la empresa Honeywell presentó en el mercado el
primer transmisor digital denominado "inteligente". Este término indica que el sensor
tiene incorporadas funciones adicionales que se añaden a las propias de la medida
exclusiva de la variable. Dichas funciones son proporcionadas por un microprocesador.
Existen dos modelos básicos de transmisores inteligentes: transmisores capacitivos y de
puente delNlrcatstone. De éstos, el más común es el capacitivo (ver figura 5). Este tipo de
hansmisor inteligente está basado en la variación de capacidad que se produce en un
condensador formado por dos placas hjas y un diafragma sensible intemo y unido a las
mismas, cuando se les aplica una presión simple o diferencial a través de dos diafragmas
extemos. La transmisión de la presión del proceso se realiza a través de un fluido (aceite)
que rellena el interior del condensador. El desplazamiento del diafragma sensible es de
sólo 0.L nun como máximo. Un circuito formado por un oscilador y demodulador
hansforma la variación de capacidad en una señal analígica. Esta a su vez es
digitalizada, y pasa a un microprocesador "inteligentd' qu. la transforma a una señal
analógica de transmisión de 4 - 20 mA.
Una característica muy importante de los hansmisores inteligentes es la de disponer de
autocalibración. Un ejemplo de las técnicas de autocalibración lo consütuyen los
transmisores de nivel por ultrasonidos. Disponen de un reflector de las ondas sónicas
que está situado en el tanque sobre la superficie del llquido, y hacia donde el emisor dirige
periódicamente los ultrasonidos, ajustando entonces los parámetros de calibración.
35
4-20 mA
Figura 5. Transmisor inteligente capacitivo.
De este modo compensa las variaciones de velocidad del sonido provocadas por cambios
en la temperatura del ambiente del tanque.
Con la entrada del transmisor inteligente, la calibración y el cambio de margen de trabajo,
se logran simplemente por examen de los datos almacenados en una memoria PROM y
por ufllización. de técnicas digitales. Se consigue de este modo una relación turndown
(relación entre el nivel mínimo de la variable y el máximo que es medible, conservándose
la precisión de la medida del instrumento) cuyo valor máximo es de OO:L, frente a la
relación 'l' a 6 de un transmisor de presión o nivel convencional, lo que posibilita la
reducción drástica del número de transmisores en sto* alpoder utihzar prácticamente un
solo modelo para cubrir los diferentes campos de medida uülizados hasta entonces en la
fábrica.
Conholodor.digilol- Ltneot|zocton- Compo de medldo- Unidodes de_ ingenlerio- Amorflguoción- Diognóstlcos- Comunlcqciones
36
Otras de las ventajas adicionales de estos transmisores son: el cambio automático del
camPo de medida, en caso de que el valor de la variable se salga del campo, las rutinas de
autodiagnóstico, la monitorización de temperafuras y tensiones de referencia de los
transmisores, la fijación de la variable en el último valor alcanzado, en caso de detectarse
alguna irregularidad en el funcionamiento del aparato, el ajuste desde el panel de control,
la función de caractefización que compensa las diferencias entre las condiciones de
calibración en fábrica y las condiciones de campo acfuales y que permite la instalación
directa en campo y la fijación del campo de medida sin calibracióry etc. Para visualizar la
señal de salida, los datos de configuración, el margen de funcionamiento y otros
parámetros, y cambiar los ajustes del campo de medida, se utiliza un computador portátif
que se conecta en cualquier punto de la línea de transmisión (ver figura 6).
4-20 mAAdoplodor de
comunicociones
Compulodor perconol
Figura 6. Transmieor inteligente con microcomputador y comunicador.
37
El transmisor o varios transmisores pueden conectarse, a través de una conexión RS232C,
a un computador personal, el cual con el softatme apropiado, es capaz de configurar
transmisores inteligentes.
La "intelegencia" se aplica también a ohas variables, tal como la temperafura" donde el
transmisor puede trabajar con distintas sondas de resistencia y termopares y diversos
campos de medid4 gracias a la linealización de las escalas y a la compensación de la
unión fría que aporta el microprocesador.
El transmisor con salida enteramente digital, aumenta la precisión del lazo de control, al
elirninar los convertidores A/D (anal6gt"o - digital) del transmisor y elD/A (digital -
analógico) del receptor (indicador, registrador o controlador).
En resumery las ventajas del transmisor inteligente con relación a los instrumentos
electrónicos analógicos convencionales son:
. Mejora de la precisión.
. Campos de medida más amplios.
. Mayor fiabilidad
. Baios costos de mantenimiento.
Y si se emplea el transmisor digital inteligente, las ventajas adicionales son las siguientes:
38
Menor desviación por variaciones de la tenperatura ambiente o de la tensión de alimoltación.
Diagnóstico continuo del circuito.
Comunicación bidireccional.
. Configuración remota desde cualquier punto de la lfrea de hansmisión.
En cuanto a las desventajas, existe el problema de la npidezy lafalta de normalización de
las comunicaciones.
Si el transmisor inteligente transmite una señal rápida, tal como la presión o el caudal,
existe el peligro de que la cantidad de tareas y cálculos que debe rcalizar el
microprocesad.or, le impida captar todos los calores de la variable. En este caso, d.ebe
utilizarse un transmisor electrónico analógico.
Los transmisores inteligentes con señal de salida de 4 - 20 mA pueden intercambiarse
perfectamente con transmisores de otras marcas. Ello no es posible si son de señal de
salida digital, debido a la falta de normalización en el campo de las comunicaciones que
subsiste acfualmente.
3. MEDICION DE VARIABLES FISICAS
En este capífulo se esfudiarán algunas de las variables fisicas más comunes, así como
también las formas más importantes y conocidas que existen para medirlas o
cuantificarlas. Esto es de gran relevancia, puesto que en el momento de entrar a la
experimentación y simulación de procesos con la planta, el estudiante debe manejar y
distinguir entre las diferentes variables que ésta maneja para así realizar una correcta
programación de los instrumentos de medición y conhol, y además para tener criterios al
saber si una determinada variable está siendo controlada en forma correcta o no.
3.1 MEDICION DE PRESION
La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales
como pascal, bar, ahnósferas, kilogramos por centímeho cuadrado y psi (libras por
pulgada cuadrada). En el sistema intemacional (S.1.) está normahzada en pascal de
acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 1,4 que fuvieron lugar en
París en octubre de L967 y 1971. El pascal es equivalente a l- newton por metro cuadrado
(1 N/mz), siendo el newton Ia fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg le comunica
una aceleración de \ rn/ s2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean
también el kilopascal, el megapascal, y el gigapascal. En la industria se utiliza también el
bar y el kg/ cmz. En el cuadro LL se observan las diferencias entre estas unidades.
lrllrrfrid¡d Ailtñqoflra oc oü||rabsEcCtoN BtSLtoItcA
Psi Pulgada2de azua
Pulgada2de He
Atm. kg/ctplz
cm c.
de aguarnm c.de Hs
Bar Pascal
Psi 1 27.68 2.036 0.0680 0.0703 70.3t 57.72 0.0689 7742Pulgadaz deaqrta
0.0361 1 o.0735 0.0n.24 0.0025 2.ilO 1.868 o.oo24 156.4
Pulgadazde Hs
0.4912 73.6 1 0.0334 0.0345 34.53 25.4 0.0333 3448
Atmósfera 14.7 406.79 29.92 1 1.033 1033 760 1.0131 1.01Eske/cl¡:.2 1,4.22 993.7 28.96 0.9678 'l 1000 735.6 0.98 98100cm c. deagata
0.0142 0.3937 0.0289 0.00096 0.0010 1 0.7955 0.0009 100
mm c. de Hs 0.0193 0.5353 0.0393 0.0013 0.0013 0.0013 7 0.00133 133Bar 1.4.5 408 29.99 0.987 7.02 1024 7so 1 10E5Pascal 0.00014 0.0039 0.00029 o.98785 o.70284 0.01 0.0075 10E-5 1
40
Cuadro 11. Unidades de presión.
La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales:
¡ La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto de presión.
. La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida
mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a76O mm de mercurio
absolutos o 14.7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la
presión ejercida por la ahnósfera estándar.
. La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la
presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición. Huy que señalar
que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta
respectivamente la presión leída, si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.
47
. La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones.
¡ El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión
absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica. Viene expresado en
mm de mercurio, mm de columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las
variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecfuras del vacío.
El campo de aplicación de los medidores de presión es amplio y abarca desde valores
muy bajos (vacío) hasta presiones de miles de bares.
Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, electromecánicos,
electrónicos y neumáticos. De éstos sólo se examinarán los tres primeros
3.1.1 Elementos mecánicos. Se diüden en: elementos primarios de medida directa que
miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura
conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómeho de fubo inclinado,
manómetro de toro pendular, manómetro de camparta), y elementos primarios elásticos
que se deforman por la presión intema del fluido que contienen.
Los elementos primarios elásücos más empleados son: el fubo de Bourdon, el elemento
en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.
42
El fubo Bourdon es un fubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado
por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del fubo, éste tiende a enderezarse
y el movimiento es transmiüdo a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón.
Lu l"y de deformación del tubo de Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada
empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.
El material empleado normalmente en el tubo de Bourdon es d.e acero inoxidablg aleación
de cobre o aleaciones especialeé como hastelloy y monel.
El elemento en espiral se forma arrollando el fubo de Bourdon en forma de espiral
¿llrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de
hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por
ello son ideales para los registradores.
El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí
por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los
pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se
proyecta de modo tal que, al aplicar presióry el movimiento se aproxima a una relación
lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de
desviación permanente en el cero del inshumento. El material del diafragma es
normalmente aleación de níquel o inconel x. Se utiÉapatapequeñas presiones.
43
El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una soLapíezaflexible axialmente, y
puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.
Los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duracióry demostrada en ensayos en
los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material
empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado
térmicamente para mantener fija su constante de fuetza por unidad de compresión. Se
emplea para pequeñas presiones.
3.1.2 Elementos eleckomecánicos. Estos elementos de presión utilizan un elemento
mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal electrica
correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice,
diafragma, fuelle o una combinación de los mismos gue, a través de un sistema de
palancas conüerte la presión en una fuetza o en un desplazamiento mecánico.
Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de
funcionamiento en los siguientes tipos: transmisores elechónicos de equilibrio de fuerzas,
resistivos, magnéticos, capacitivos, extensoméhicos y piezoeléctricos.
3.1.2.7 Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. En este ihstrumento el
elemento mecánico de medición (fubo Bourdory espiral, fuelle, etc.) ejerce una fuerza
sobre una barra úgida del transmisor.
44
Para cada valor de la presiór¡ la barra adopta una posición determinada excitándose un
transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador
diferencial o un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de
estos detectores alimenta una unidad magnética y Ia fuerua generada reposiciona la barra
de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la
corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso.
En un transmisor de equilibrio de fuetzas con detector fotoeléctrico (ver figura 7),Iabarra
rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente
un rayo de luz que incide en una célula fotoeléctrica de dos elementos. Esta célula forma
parte de un circuito de puente de lNheatstone autoequilibrado yt por lo tanto, cualquier
variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y
desequlibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la
célula es amplificaday excita un servomotor. Este, aI girar, atomilla una varilla roscada la
cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de
fuetzas con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de
presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio. Este
transmisor dispone de un contador ópüco - mecánico acoplado al servomotor que señala
los valores de presión en una pantalla exterior.
Los transductores elechónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan pot tener un
movimiento muy pequeño de la barca de equilibrio, poseen realimentación, una
elasticidad muy buena y un alto nivel en la señal de salida. Por su constifución mecánica
45
presenta un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a las
übraciones. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que uülizan y
su precisión es del orden de 0.5 - 1%.
FigataT. Transmisor electrónico de equilibrio de fuezae con detector fotoeléctrico.
3.1.2.2 Transductoree resistivos. Constituyen uno de los elementos eléctricos más
sencillos. Consisten en un elemento elástico (fubo Bourdon o cápsula) que varia la
resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede
adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo
un valor lineal o no de resistencia. En la figura 8 puede verse un transductor resistivo
representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un
potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que
su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además
46
debe ser independiente de la temperafura, de la aceleración y otros factores ambientes
extemos.
El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se
apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este está conectado a un circuito de puente de
Wheatstone.
Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como
para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los
instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles
a pequeños movimientos del contacto del cursor y son muy sensibles a las vibraciones.
Figura 8. Transductor resistivo.
47
El intervalo de medida de estos transductores corresponde al elemento de presión que
utilizan yvaña de0-0.1 a0-300kg/cmz. Laprecisión es delorden de'[, -2To.
3.1,2.3 Transductores magnéticoe. Se clasifican en dos grupos según el principio de
funcionamiento.
. Transductores de inductancia variable (ver figura 9) en los que el desplazamiento de
un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi
proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.
El devanado de la bobina se alimenta con una corriente altema y la f.e.m. de
autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentacióry de modo que al ir
penetrando el núcleo móvil denho de la bobina la corriente presente en el circuito se va
reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción.
Los hansductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen
rozamiento en la medicióry tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción
robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden de !'J.%.
. Los transductores de reluctancia variable (ver figura L0) consisten en un imán
permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una
armadura de material magnético.
48
Figura 9. Transductor de inductancia variable.
Figura 10. Transductor de reluctancia variable.
49
El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al
cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético.
Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto,
proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.
El movimiento de la armadura es pequeño sin contacto alguno con las partes fijas, por lo
cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de ohos
instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a
las übraciones y son sensibles a la temperafura. Su precisión es del orden de 10.5%.
3.1.2.4 Transductoree capacitivos. Se basan en la variación de capacidad que se produce
en un condensador al desplazarce una de sus placas por la aplicación de presión (ver
figura 11). La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuenha situada entre dos
placas fijas. De este modo se tienen otros dos condensadores, uno de capacidad fija o de
referencia y otro de capacidad variable, que pueden conectarse en circuitos oscilantes.
Los transductores capacitivos se caracterizarr pot su pequeño tamaño y construcción
robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas
estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores
con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de
temperafur a y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos
oscilantes a los que están acoplados. Su intervalo de medida es relativamente amplio,
entre 0.05 - 5 bar a 0.5 - 600 bar y su precisión es del orden de 10.2 aO.S%.
0rlvrald¡rl Auf6n¡¡¡ dr ftcll¡rhsEcctoN 8t8UorEcA
50
Figura 11. Transductor capacitivo.
3.1.2.5 Galgas extensométricas (sfiain gagel. Este üpo de hansductores de basan en la
variación de longitud y de diámetro, y por 1o tanto de resistencia, que tiene lugar cuando
un hilo conductor se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una
presión.
Existen dos tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas (ver figura L2), formados
por varios bucles olazos de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica,
papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos del conductor descansan entre
wt armazín fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial (ver figura L3). En ambos
tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la
disposición que el fabricante haya adoptado, modificando de esta manera la resistencia de
los mismos.
51
Hilo de conexión Base flexible Hilo activo
Faerz¡¡
Figura 12. Galga cementada.
Ar:nadura
Figura 13. Galga sin cementar.
La galga forma parte de un circuito puente delMeatstone (ver figura 14\, y cuando está sin
tensión, tiene una resistencia eléctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión
nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de
tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variación
de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y
desequilibra el puente.
Base flexible
{--} F'e'"a
52
Figura 14. Puente de Wheatstone pata galga exteneométrica.
El intervalo de medida de estos transductores varía de 0 - 0.6 a 0 - 10000 bares y su
precisión es del orden de t 0.5%.
3.7.2.6 Transductores piezoeléctricoe. Los elementos piezoeléctricos (ver figura L5), son
materiales cristalinos, los cuales al deformarse fiísicamente por la acción de una presión,
53
SenerÍrn una señal eléctrica. Dos materiales típicos usados en los transductores
piezoeléctricos son eI cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperafuras del
orden de 15trC en uso continuo y de 25OC en uso discontinuo. Son elementos ligeros, de
pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de
presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas
frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser
sensibles a los cambios en la temperatura y precisar ajuste de impedancia en caso de
choques fuertes. Asimismo, su señal de salida es relativamente débü por lo que necesitan
de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden inhoducir errores en la
medición.
Figura 15. Transductor piezoeléctrico.
3.1.3 Elementos elecffinicoe de vacío. Los transductores electrónicos de vacío se emplean
54
Paru la medida de alto vacio, son muy sensibles y se clasific¿rn en cuatro gtupos:
mecánicos, medidor Mcleo{ térmicos y de ionización.
3.1.3.1 Transductores mecánicoe. Trabajan en forma diferencial enhe la presión
ahnosférica y la del proceso. Pueden estar compensados con relación a la presión
atmosférica y calibrados en unidades absolutas. Pueden llevar acoplados transductores
eléctricos del tipo de galga extensométrica o capacitivos.
3.1.3.2 Medidor Mcleod. Se utiliza como aparato de precisión en la calibración de los
restantes instrumentos. Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen
conocido a un volumen más pequeño y a mayor presión mediante una columna de
mercurio en un fubo capilar.
La presión del gas se deduce aplicando la ley de Boyle - Mariotte. Su intervalo de medida
es de 5 - 1Gs mm Hg.
3.1.3.3 Transductores térmicos. Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la
energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente
constante y la presión del gas ambiente cuando el gas está a bajas presiones absolutas.
¡ El transductor térmico de termopar contiene un filamento en V que lleva incorporado
un pequeño termopar (ver figura 1-6). Al pasar una corriente constante a través del
55
filamento, su temperafura es inversamente proporcional a la presión absoluta del gas. La
f.e.m. generada por el termopar indica la temperafura del filamento y por lo tanto señala
el vacío del ambiente. Para compensar la temperafura ambiente se emplea una segunda
unidad contenida dentro de un fubo sellado al vacío. La señal de salida diferencial de los
dos termopares es proporcional a la presión.
Las ventajas principales de este tipo de transductor residen en su bajo costo, larga
duración y confiabilidad. Tiene el inconveniente de ser sensible a la composición del gas,
poseer caracterísücas no lineales y presentar el riesgo de combusüón si se expone a
presión atrnosférica cuando el filammto está caliente. Su intervalo de medida es de 0.5 -
1Gs mrn Hg.
Al polenclómelro
Figura 16. Transductor térmico de termopar.
56
. El transductor pirani (ver figura 17) utrliza un circuito de puente de lNheatstone qlte
comPara las resistencias de dos filamentos de tungsteno, uno sellado en alto vacío en un
fubo y el otro en contacto con el gas medido y que por lo tanto pierde calor por
conducción. En este transductor es la resistencia del filamento la que refleja la presión en
lugar de ser su temperatura.
El transductor pirani tiene la ventaja de ser compacto y sencillo de funcionamiento,
pudiendo estar a presión atmosférica sin peligro de combusüón. Tiene el inconveniente
de que su calibración depende de la composición del gas medido. Su intervalo de medida
es de 2 - 1Os mm Hg.
Figura 17. Transductor pirani.
. El transductor bimetálico (ver figura 18) utiliza una espiral bimetálica calentada por
una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio en la presión produce una deflexión
H
Potenciómelrode colibroción
57
de la espiral, que a su vez está acoplada a un índice que señala en la escala el vacío. Su
intervalo de medida es de l- - 1Ga mm Hg.
Espirolbimelólico
Vocfo
Figura 18. Transductor bimetáIico.
3.1.3.4 Transductores de ionización. Se basan en la formación de los iones que se
producen en las colisiones que existen entre moléculas y electrones (o bien partículas alfa
en el tipo de radiación). La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente
iónica, varía directamente con la presión.
¡ El transductor de filamento caliente (ver figura L9) consiste en un fubo electrónico con
un filamento de tungsteno rodeado por una rejilla en forma de bobina, la cual a su vez
está envuelta por una placa colectora. Los electrones emitidos por el filamento caliente se
aceleran hacia la rejilla positiva, pasan a su través y, en su camino hacia la placa colectora
de carga negativa, algunos coüsionan con moléculas del gas. La corriente positiva
formada es una función del n(rmero de iones yt por lo tanto, constifuye una medida de la
presión del gas. Estos instrumentos son muy delicados y deben manejarse con cuidado.
58
El filamento puede quemarse si se somete accidentalmente a presiones superiores a 1 x LG
3 mm Hg absolutos.
Estos transductores son muy sensibles y capaces de medir vacíos extremadamente altos.
Su señal eléctrica de salida es proporcional con la presión. El intervalo de medida es de x
LGs a x lGrr mm Hg.
lndlcodor
Filomenlo
Figura 19. Transductor de filamento caliente.
¡ El transductor de cátodo frío (ver figura 20) se basa en el principio de la medida de una
corriente iónica producida por una descarga de alta tensión. Los electrones desprendidos
del cátodo toman un movimiento en espiral al irse moüendo a través de un campo
magnético en su camino hacia el ánodo. El movimiento en espiral da lugar a que el
camino libre medio entre electrones sea mayor que la distancia entre electrodos. Por
consiguiente, aumenta la posibilidad de colisiones con las moléculas de gas presente, lo
que da lugar a una mayor corriente iónica y de este modo la descarga catódica se
mantiene a una presión más baja, o sea a un vaclo más alto. Este instrumento no puede
-L
59
vaciarse de gases tan rápidamente como el de filamento caliente, pero es más robusto y no
presenta el problema de la combusüón del filamento. Es susceptible de contaminación
por el mercurio y puede provocar la descomposición química de vapores orgánicos a altas
tensiones. Su campo de aplicación abarca de 1Gz a IAz mm Hg con una escala
logarítmica.
tttttlCompo mognético
Figura 20. Transductor de cátodo frío.
r En el transductor de radiación (ver figura 21.) una fuente de radio sellada produce
partículas alfa que ionizan las moléculas de gas en la cámara de vacío. Los iones
resultantes se recogen en un electrodo y generan una corriente que varía directamente con
el número de moléculas en la cámara de vaclo y que por lo tanto, es proporcional a la
presión total del sistema. A muy bajas presiones requiere un preamplificador ya que las
corrientes producidas son muy pequeñas, del orden de L&rr a LGrs A. Su intervalo de
medida es de 760 - lGr mm Hg.
Urlrrnlirrl Autlnomr d¡ Occll¡rbsEccloN BIBII0TECA
60
Vocfo
I
Amplificodorde enlrodo
/
Elechodo
ColecforEmisol deporlfculos olfo
Figura 21. Transductor de radiación.
3.2 MEDICION DE CAUDAL
En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las
efecfuadas en laboratorio y en plantas piloto, tal como la de este proyecto, es muy
importante la medición de los caudales de fluidos, tales como líquidos o gases.
Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de caudal (volumétrico o
másico) deseado, por ejemplo: por presión diferencial, por área variable, por velocidad,
por fuerza, por tensión inducida, por desplazamiento positivo, torbellino, oscilante, etc.
6'1,
Independientemente del método ulíJizado,lo que se trata es de determinar bien sea, la
velocidad del fluido, en unidades tales como litros por minuto, galones por minuto, etc., o
bien la canüdad del fluido que ha pasado por una fubería en un tiempo determinado.
Algunos de estos métodos no realizan una medición directa del paso del fluido, y en vez
de ello se basan en mediciones indirectas valiéndose de efectos fisicos tales como el efecto
Venfuri yf obasados en teoremas tal como el teorema de Bemoulli.
En esta sección de este capífulo se manejarán los métodos de medición de caudal por
velocidad, por fuerza, por tensión inducida y torbellino, examinando en cada caso el
instrumento fisico más representativo y más común utilizado parala medición de caudal
en la industria.
3.2.1 Turbinas. Los medidores de furbina consisten en un rotor que gira al paso del
fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido
ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de
área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo, el
rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gíra entre los conos anterior y posterior sin
necesidad de uülizar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente
se produciría (ver hgra22).
Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de
reluctancia, la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la
62
turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una
bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito
magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente
altema que, por lo tanto es proporcional al giro de la turbina.
Soporte
I
tI
I
I
I
Conoobojo
I1I
I
Conoonlbo
Figura 2
oguos
22. Turbina
En el tipo inductivo, el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo
magnético giratorio que se origina induce una corriente altema en una bobina captadora
exterior. En ambos casos/ la f¡ecuencia que genera el rotor de la turbina es proporcional al
caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal máximo. Por
ejemplo, si un rotor de seis palas gira a 100 revoluciones por segundo, genera 600
impulsos por segundo. El número de impulsos por unidad de caudal es constante. La
turbrna está limitada por la viscosidad del fluido, debido al cambio que se produce en la
velocidad del perfil del líquido a través de la fubería cuando aumenta la viscosidad. En
las paredes, el fluido se mueve más lentamente que en el centro, de modo que, las puntas
de las palas no pueden g¡rar a mayor velocidad.
63
La precisión es muy elevada, del orden de 10.3%. El campo de medida llega hasta la
relación L5 a L entre el caudal máximo y el mÍnimo y la escala es lineal. El instrumento es
adecuado para la medida de caudales limpios o filtrados. Debe instalarse de tal modo que
no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el
medidor vacío lo dañaría seriamente. La sobrevelocidad por exceso de caudal puede ser
también perjudicial. La frecuencia generada por el medidor de turbina se transmite a un
convertidor indicador o totalizador (ver figura 23).
Integroción
_f[LrLDivlsor defiecuencio
Acondicionodorde señol
Acondicionodorde señql -----)
Converlidorfiecuencio/corienle
{VU- Reluctoncio
tW Inductoncio
Figura 23. Diagrama de bloques medidor de turbina.
3.2.2 Medidor de placa. El medidor de placa (ver figura 24) consiste en una placa
instalada directamente en el cenho de la fuberla y sometida al empuje del fluido.
64
La fuerza originada es proporcional a la energla cinética del fluido y depende del área
anular entre las paredes de la fuberíay la placa. Corresponde a la siguiente ecuación:
F =Q{'n
En la que: F = fuerzátotal en laplaca;
p = densidad del fluido;
a = velocidad del fluido;
A= área de la placa;
C¿ = Constante experimental.
Tlonsmlso¡ neumóllco ode golgos exlenslomélrlcos
Figura 24. Medidor de placa.
65
La placa está conectada a un transmisor neumático de equilibrio de fuerzas o bien a un
transductor eléctrico de galgas extensométricas. Las galgas forman parte de un puente de
lMeatstone de tal modo que la variación de resistencia es una función del caudal. El
caudal es proporcional a lataiz cuadrada dela fuerza de impacto del fluido sobre la placa
y por lo tanto, alaraizcuadrada de la señal transmitida.
La precisión en la medida es de tL%. El instrumento permite el paso de fluidos con
pequeñas cantidades de sólidos en suspensión y puede medir caudales que van de un
mínimo de 0.3 Lp.-.hasta 400001p.^.
3.2.3 Medidor magnético. Este tipo de transductor se basa en la fórmula de caudal que
da la ley de Faradayr E, = KbIo, donde:
E = tensión generada en el conductor;
K = constante;
B = densidad del campo magnético;
I = longitud del conductor;
zr = velocidad del movimiento.
En el medidor magnético de caudal (ver figura 25) el conductor es el llquido y E es la
señal generada, esta señal es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior
del tubo y diametralmente opuestos. Realmente la única zona del líquido en movirniento
que contribuye a la f.e.m. es la que une en línea recta a los dos electrodos, B es la densidad
66
del campo magnético creado por medio de la bobina de campo, I es el diámetro de la
tubería y o es la velocidad del fluido a través del medidor.
Figura 25. Medidor magnético de caudal.
Los medidores magnéticos de caudal son adecuados para la medida de caudales de
líquidos conductores, en particular los llquidos fangosos y fluidos corrosivos. Su pérdida
de carga es baja y corresponde a la de una tubería del mismo diámeho y de la misma
longitud. Pueden medir caudales en ambos sentidos de paso del fluido en la tubería.
3.2.4 Torbellino. El medidor de caudal por torbellino (ver figura 26) se basa en la
determinación de la frecuencia del torbellino producido por una hélice estática sifuada
dentro de la tubería a cuyo través pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del
torbellino es proporcional a la velocidad del fluido de acuerdo a la expresión conocida
como número de Strouhal:
Íxdv
,Sl -
67
donde:
S¿ = número Strouhal
/ = frecuencia del torbellino
d= artcho del torbellino
a = velocidad del fluido
Elemenlo de crislql,- -piezoelácfrico o :de lermistoncio o :de condensodor I
o de ullrosonidos I
Amplllcodor Acondicionodorde señol
Figura 26. Medidor de caudal por torbellino.
La detección de la frecuencia se logra con sensores de presión de cristales piezoeléctricos
que detectan los picos de presión en el lado contrario del torbellino, o con una
termistancia de muy baja inercia térmica que sigue los efectos de refrigeración del
torbellino generado en el gas, o bien mediante un condensador de capacidad variable,
función de la deformación de un diafragma (placa) ante las ondas de presión del
torbellino o bien mediante la aplicación de un haz de ultrasonidos perpendicularmente
68
al torbellino, midiendo el tiempo de tránsito delhaz desde el transmisor hasta el receptor.
Los transductores de torbellino son adecuados en la medida de caudales de gases y de
líquidos y su intervalo de medida entre el valor máximo y el mínimo es de 50 a L. Deben
instalarse en fubería recta con longitudes mínimas de L0 diámetros aguas aniba y de 5
diámetros aguas abajo. El medidor debe instalarse perfectamente alineado con la fubería
para asegurar la formación correcta de torbellinos.
La precisión del instrumento es de f.O.z% del caudal instantáneo, por lo cual el error en
tanto por ciento de la escala se hace mayor cuanto más bajo es el caudal.
3.3 MEDICION DE NIVEL
En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de üsta del
funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de
materias primas o de productos finales.
La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras
variables, tales como la presión y la temperahtÍa, permiten añadir "inteligencia" en la
medida del nivel, y obtener precisiones de lecturas altas del orden de r0.2%. El
transmisor de nivel "inteligente" hace posible la interpretación del nivel real (puede
eliminar o compensar la influencia de la espuma en flotación del tanque, en la lecfura), La
eliminación de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido al agitador de
69
Paletas en movimiento), y Ia fácil calibración del aparato en cualquier punto de la línea de
transmisión.
El transmisor o varios transmisores pueden conectarse, a través de una conexión f15232, a
un comPutador personal, que con el soflwme adecuado, es capaz de configurar
transmisores inteligentes.
Los instrumentos de nivel pueden dividirse, en forma general, en medidores de nivel de
líquidos y de sólidos. En los siguientes apartados de esta sección se estudiarán solamente
tres de los medidores de nivel de líquidos más conocidos y utilizados en la industria,
como son: el medidor manoméhico, el medidor ultrasónico y el medidor de presión
diferencial. Este último de gran interés para este proyecto puesto que es el utilizado por
la planta piloto parala medición de nivel.
3.3.1 Medidor manométrico. Consiste en un manómetro conectado directamente a la
parte inferior del tanque. En la figura 27 puede verse un instrumento de este tipo en el
que se observarán varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento,
y un pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide la presión
debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento.
Así pues, el campo de médida del instrumento corresponderá a: 0 - h . f . g, donde:
h= alhlra del líquido en m
)' = densidad del fquido en kg/ma
8= 9.8 rn/ss
70
nivel móximopole de deconloción
monómeho
nivel mínimo
Figura 27. Medidor manométrico.
Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo que el
manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle.
El instrumento sólo sirve para fluidos limpios ya que si el líquido es corrosivo, coagula, o
tiene sólidos en suspensióry el fuelle puede destruirse o bloquearse perdiendo su
elasticidad; por otra parts, como el campo de medida es pequeño no es posible lutilizar
sellos de diafragma. La medida está limitada a tanques abiertos y el nivel üene influido
por las variaciones de densidad del líquido.
3.3.2 Medidor de presión diferencial. Consiste en un diafragma en contacto con el
líquido del tanque, que mide la presión hidrostáüca en un punto del fondo del tanqtie.
En un tanque abierto esta presión es proporcional a la alfura del líquido en ese punto y a
71,
su peso específico. Es decir: P = Hy gen la que:
P = presión
H = alfura del llquido sobre el instrumento
)'= densidad del líquido
8=9.8m/sz
El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión
diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma.
En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al
tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de
papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para
que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del tanque tal como
ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún
recodo.
Hay que señalar que el nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura del
diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el}% del aparato debe comprobarse
con el nivel más bajo en el borde inferior del diafragma.
3.3.3 Sistema ultrasónico de medición de nivel. Se basa en la medición de un impulso
ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor
(ver figura 28). El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.
72
Figura 28. Transductor ultrasónico de nivel.
Los sensores trabajan a una frecuencia máxima de 2O kHz. Estas ondas atraviesan con
cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en
la superficie del sólido o del líquido.
La precisión de estos instrumentos es de t'I., a3%. Son adecuados para todos los tipos de
tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el
inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas
cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como en el caso de un llquido que
forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.
+*------|'-_--.-*---f--.-
I
73
3.4 MEDICION DE TEMPERATTJRA
La medición de temperafura constifuye una de las mediciones más comunes y más
importantes que se efectúan en los procesos industriales.
Los instrumentos de temperafura utilizan diversos fenómenos que son influidos por esta
variable y entre los cuales figuran: variaciones en volumen o en el estado de los cuerpos,
variación de la resistencia de un conductor, variación de la resistencia de un
semiconductor, f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos, intensidad de la
radiación emitida por un cuerpo, etc.
Para cada uno de estos fenómenos existe un tipo diferente de instrumento, y con unas
características bien definidas que 1o hacen apropiado para hacer una medición adecuada
de la temperafura.
En esta sección se hace referencia sólo a dos de los tipos más comunes (y más utilizados
en la industria) de instrumentos de medición de esta variable: el termopar o termocupla y
el detector resistivo de temperafura RTD. Este último utilizado en la planta piloto de este
proyecto para la medicíón de temperafura.
Estos dos tipos de instrumentos hacen un aprovechamiento de la propiedad que tienen
algunos metales de hacer algún cambio en una determinada variable eléctrica (voltaje y
resistencia) cuando son sometidos a una determinada temperafura.
74
3.4.1 Termocupla. Es uno de los dispositivos más comunes para la medición de
temperafura en procesos industriales. La termocupla consiste en un par de conductores
metálicos (de diferente nahttaleza) unidos entre sí formando una bucla completa como se
observa en la figura 29. Los conductores distintos üenen dos puntos de uniór¡ uno a cada
lado de la bucla. Una unióry denominada la unión caliente, está sometida a la alta
temperafuray La otra unióry la unión fuía, está sometida a una baja temperafura. Cuando
se hace esto, se crea un pequerlo voltaje neto en la bucla; este voltaje es proporcional a la
diferencia entre la temperatura de las dos uniones.
Figura 29. Termocupla básica.
Lo que sucede en una bucla de termocupla es que se produce un pequeño voltaje en cada
unión de los metales distintos, debido a un fenómeno no muy claro denominado efecto
Seebeck. Entre mayor sea la temperatura de la unión, mayor es el voltaje producido por
dicha unión. Además, la relación entre la temperatura y el voltaje es aproximadamente
lineal, es decir, un aumento dado en temperafura produce un aumento dado en voltaje.
La constante de proporcionalidad entre el voltaje y la temperafura depende del par de
Salida de voltaje
At\+
.rUnión de
terrperatura a II
IMetal B
75
metales que se utilicen. Dado que una bucla completa siempre tiene dos uniones, se
producen dos voltajes. Estos voltajes se oponen entre sí en la bucla, tal como lo muestra
la figura 30. El voltaje neto disponible para manejar una corriente a través de la
resistencia de la bucla es la diferencia entre los dos voltaies indiüduales de las uniones,
los cuales dependen de la diferencia entre las dos temperaturas de las uniones.
Voltímetro sensible
t
.rUnión de
temperatura aJ
Figura 30. Termocupla con un voltímetro insertado en la bucla.
Para medir la diferencia de temperafura, solamente es necesario abrir la bucla en un
punto conveniente (cercano a la unión de temperaturabaja) e insertar un voltímetro (ver
figura 30). El voltímetro debe ser lo suficientemente sensible dado que el voltaje
producido por una bucla de termocupla está en el rango de los milivoltios. Entonces la
lecfura de voltaje puede convertirse en una medida de temperafura refiriéndose a tablas o
gráficos estándar que relacionan estas dos variables. En la figura 31-, se pueden observar
algunos gráficos de voltaje versus diferencia de temperafura para varias termocuplas
industriales.
MetalB
76
VoltaJe(mv)
20
10
0
70
60
50
40
30
Figura 31. Curvas de voltaie versuo temperatura para termocuplas tipo E I, K y R.
Para eütar el problema de idenüficar las termocuplas por el nombre de fábrica registrado
por los propietarios, se ha adoptado un código de una letra para los tipos de termocuplas.
De este modo, la termocupla üpo J tiene la respuesta que se muestra en la figura 30 sin
importar que nombre en particular se utilice para identificar la aleación metálica que la
compone. Esto es válido para los tipos de termocupla K R y para otros tipos no
graficados en la figura 3L.
Cuando se inserta un voltímetro en la bucla de la termocupla, generalmente es más
conveniente insertarlo como se muestra en la figura 32. En esta figura, el metal A y el
metal B no se tocan uno con otro en el punto de la unión fifa. En lugar de esto, ambos
están en contacto con conductores estándar de cobre. La conexión se hace normalmente
77
en una regleta de terminales. Entonces los conductores de cobre son los que conectÍrn con
el voltímetro sensible. Podría pensarse que esto rompería el voltaje neto generado por la
bucla de termocupla, pero esto no sucede. El voltaje neto de la termocupla permanece
invariable dado que ahora hay dos uniones frlas, una entre el metal A y el cobre y la otra
entre el metal B y el cobre. La suma de los dos voltajes de unión producidos por estas
uniones frías es igual al voltaje que se produciría por la sola unión fría del metal A con el
metal B. Desde luego, las dos uniones frías deben mantenerse a la misma temperafura
que experimentaria la unión simple.
Unión detemperatura baja
r-+ -l
Conductoresde cobre
Figura 32. Bucla de tennocupla sin unión fría entre el metal A y el metal B.
Dado que trna termocupla genera un voltaje neto que es proporcional a la diferencia de
temperaturas entre las dos uniones, y a su vez una de estas uniones está en contacto con
el proceso, entonces la otra unión (unión de temperafura baja) debe mantenerse a una
temperafura constante conocida para no alterar la lectura que esté tomando el
instrumento por medio de la otra unión (unión de temperafura alta).
./Unión de
temperatura a
Metal A
\II
+I
Metal B
78
Esto, sin embargo, es diffcil de lograr puesto que la temperafura en la unión de
temperafurabaja,la cual estálocalizada en los terminales de enhada del instrumento de
medicióry puede variar conforme varle la temperatura ambiente. Esto obliga a los
diseñadores de los instrumentos de medición de temperafura (con entrada de termocupla)
a incorporar sensores de temperafura ambiente, los cuales están en un punto cercano al
terminal de conexiones de la termocupla.
Los sensores de temperatura ambiente, generalmente son semiconductores que presentan
una variación muy lineal de corriente por cada unidad de la temperatura absoluta del
ambiente.
El inshumento de medición de temperatura se encarga entonces de monitorear
constantemente la temperatura ambiente generada por el sensor para compensar asi la
temperatura que se pierde en la termocupla por la unión de temperafura baja.
La termocupla es uno de los transductores más comúnmente usados en la industria para
medición de temperatura. Tiene las ventajas de disponer de una amplia gama de tipos fl,
K T, & I ...) de acuerdo a la necesidad del proceso, no requerir fuente de alimentacíín, y
ser de un relaüvo bajo costo. Entre las desventajas se tiene que genera una salida muy
pequeña de voltaje, por lo cual requiere del uso de amplificadores, no es exactamente
lineal y requiere de un compensador de temperafura ambiente. Sin embargo, con la
tecnología acfual, esto está superado, ya que los equipos electrónicos "inteligentes"
usados para la medición con termocupla incorporan los sensores de compensación de
79
temperafura ambiente y disponen de algoritmos de linealización de la señal.
3.4.2 Detector resistivo de temperafura RTD. Consiste usualmente en un arrollamiento
de hilo muy fino de metal puro bobinado entre capas de material aislante y protegido con
un revestimiento de üdrio o de cerámica.
El metal se catacteriza pot presentar un coeficiente de temperafura de resistencia, que
expresa a una temperafura especificada,la variación de la resistencia en ohmios del metal
por cada grado que cambie su temperafura.
La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente:
4 = &(l + at), donde:
Ro = resistencia en ohmios a fC
Rr = resistencia en ohmios a fC
a = coeficiente de temperafura de la resistencia cuyo valor entre 0 y 10OC es de 0.00385 e:
X o-1X oC-len la escala práctica de temperaturas intemacional (IPTS - 68).
Si la relación resistenciá - temperafura no es lineal la ecuación general pasa a ser:
4 =ffoll +At+Btz +C(t-100)f3] válidade-200affC
o bien:
lllrrald¡d Aolúnom¡ dc 0ccllrbsEccroN ElELroTEcA
4 = &[f + At + Btzlválida desde 0 a 85OC
80
Donde:
A= 3.90802X 1G3
B = -5.802 X1ú7
c= 4.27350 X 10F12
En la figura 33 pueden verse las curvas de resistencia relativa de varios metales en
función de la temperatura.
Figura 3iÍ1. Cun¡as de reeistencia relaüva de varioe metalee en función de la temperatura.
Los metales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes
características:
¡ Alto coeficiente de temperatura de la resistencía, ya que de este modo el instrumento
de medida será muy sensible.
Io8g
=&,6o:=og4.9aa26,6
&0 200 400 ó00 800 eC
81
. Alta resitividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto
mayor será la variación por grado.
¡ Relación lineal resistencia - temperafura.
. Rigrdez y ductilidad, lo que permite realizar los proceso de fabricación de estirado y
arrollamiento del conductor metálico a fin de obtener tamaños pequeños.
¡ Estabilidad de las características durante la üda útil del material.
Los metales usados normalmente en la fabricación de los RTD son el platino y el níquel.
El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad
pero presenta el inconvenierrte de su costo.
El nlquel es más barato que el platino y presenta una resistencia más elevada con una mayor
variación por grado, sin embargg üene como desventaja la falta de linealidad en su relación
resistencia - temperafura y las variaciones que experimenta su coeficignte de resistencia según
los lotes fabricados.
82
El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero üene el
inconveniente de su baja resistividad.
Los elementos de temperafura están normalmente inmersos en vainas termométricas o en
tubos de protección (ver figuras 3a y 35) para tener así una protección mecánica o bien estar
aislados del fluido cuya temperatura miden.
Figura 34. Tubo de protección
f-tongltud de inmeplón -----+l
Figura 35. Vaina termométrica.
La vaina se emplea para altas temperaturas y presiones y el espesor de sus paredes es mayor
que el de los tubos de protección, por 1o cual" su velocidad de respuesta será menor que e| de
éstos. Por otro lado, las vainas o fubos deben tener un diámetro interior en el cual ajusten
perfectamente los elementos; de este modo se consigue que la transmisión térrrica se realice
casi exclusivamente por conducción a través de las paredes sin que exista un volumen
Inmerclón---+l
83
aPreciable de aire que de lugar a una hansmisión intermedia por convección. Cabe señalar
que cuando las temperafuras de trabajo son relaüvamente bajas puede introducirse en el
exhemo interior de la vaina o del fubo una grasa especial de alta conducción calorífica o bien
aceite, que colaboran eficaznente en la obtención de una respuesta muy rápida del sistema.
Siempre que sea posible, se recomienda prescindir de las vainas o tubos de protección para
eliminar el retardo considerable que presentan a la transmisión de la temperatura.
Ohos factores que influyen en la respuesta son la clase de fluido que rodea al elemento y la
velocidad de circulacióry cuanto rnayor sea esta última tanto mayor será el suministro de calor
del fluido al elemerrto de temperatura. Si la velocidad del fluido es excesiva, la frecuencia de la
onda tu¡bulenta generada puede rigualar la fiecuencia natural de la vaina o del fubo, con lo
que éstos pueden entrar en resonancia y romperse. Para eütarlo, la vaina debe tener las
paredes gruesas.
La profundidad de inmersión también tiene su importancia. Si es insuficiente no permite una
respuesta suficientemente rápida y existe el riesgo de un error dinámico importante.
El error dinámico es inherente a toda medida, ya que siempre se transfiere energía entre el
fluido y el elemento y esta hansfurencia requiere necesariamente un cierto tiempo para
efecfuarse.
84
Un elemento con cabezal no aislado de la ahnósfera ambiente conjuntamente con una escasa
profundidad de inmersión (ver figura 36), es,tá sujeto a errores ya que el calor del fluido se
pierde a través de las paredes del recipiente o fubería sin transferirse totalmente al elemento.
Este efecto es más importante cuanto más baja sea la y más se aproxime a la
ambiente.
Aislomienloen cobezql Longitud de inmersión correclo
Método coreclo
Longilud de inmersión demosiodo corto
Figura 36. Instalación de una vaina o tubo de protección.
4. ELEMENTOS FINALES DE CONTTIOL
4.1 VALVUIA.S DE CONTROL
En el control automático de los procesos indushiales la válvula de control juega un papel muy
importante en el bucle de regulación. Realiza la función de varia¡ el caudal del fluido de
control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio
de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el
elemento primario, el transmisor y el controlador. En la figura 37 puede verse una válvula de
control típica. Se compone básicamerrte del cuerpo y del servomotor.
El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de
rosca o de bridas para conectar la válvula a la fubería. El obturador es quien realiza la función
de control de paso del fluido y puede acfuar con la dirección de su propio eje o tener un
movimiento rotativo. Está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es
accionado por el servomotor. i-,
4.1.1 Tipos de válvulas. Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del
cuerpo y el movimiento del obfurador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el
obfurador se mueve en la dirección de su propio eje se clasific¿rn como sigue a continuación.
86
--Scrvomolor
lndicod ordc posición
r\
\\-' .aobturodor
sicnto
\rr,oo
Obturodor de movimienlo lineol
Figura 37. Válvula de conkol representativa.
4.l.l.l Válvula de globo. Puede verse en las figuras 38 a,b y c siendo de simple asiento, de
doble asiento y de obfurador equilibrado respectivamente. las válvulas de simple asiento
precisan de un acfuador de mayor tamaño para que el obturador cieme en contra de la presión
difurencial del proceso. Por lo tantq se emplean cuando la presión del fluido es baja y se
precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. En la válvula de doble asiento o de
obturador equilibrado lafuerua de desequübrio desarollada por la presión diferencial a través
del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en
válvulas de gran tamaño o cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En
posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.
Oblurodor de movimienlo circulor
87
a) Srmple osiento
OBTURADORES OE MOVIMIENTO LINEAL
cl Oblurodorequ¡librodo
rlt
í,,=,fld) Vólyuto.
en onguto
uraAMfi1,,:,.-;t:,9vl . uV\: . "": 'ft
*. :'tttwh) Vólvulo de compuerlo
rltl!\/
--,+..-ll Vrilvulo de compresidn
T$clodoro fl DrversoroVólvulos de tres vios
g) Vtilvulo dc.¡oulo
ll V<ílvulo en Y
m) Vólvulo de obturodorexcéntflco rotoiivo
q) Vdlvulo de mocho
il
\(J'\, L4JV\AD lÍ!"r'#oli'oo *) vúlvulo sounders
OBTURAOORES DE MOVIMIENTO CIRCULAR
ll
!1d /rlá r-rn) !{Jyu-lg de obtgrgdor .o) Vdlvulo de moriposo
cl¡tnonoo excénlr¡co
r) Vrilvulo deorif icio ojusloble
il)-s) Vólvulo de flujooxiol
ill
F) V<ilvulo d¡ bolo
Figura 38. Tipos de válvulas de control.
88
4.1.1.2. Válvula en ángulo. Esta válvula representada en la figura 38 d, permite obtener un
flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión
cuando ésta es considerable por las ca¡acbrísticas del fluido o por la excesiva presión
diferencial. El diseno de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para
frabajar con grandes presiones diferenciales y püa los fluidos que conüenen sólidos en
suspensión.
4.1.1.3 Válvula de tres vías. Este tipo de válvula de emplea para meztlar
fluidos - válvulas mezcladoras (figura 38 e) - o bien para derivar de un flujo de entrada dos de
salida - válvulas diversoras (figura 38 f). I*as válvulas de tres vlas intervienen fipicamente en
el control de temperatura de intercambiadores de calor.
4.1.1.4 Válvula de iaula, Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con
orificios adecuados a las caracbrísticas de caudal deseadas en la válvula (figura 38 g). Se
caracterizartpor el fácil desmontaje del obturador y po¡que éste puede incorporar orificios que
permiten eliminar prácticamente el desequihbrio de fuerzas producido por la presión
dtferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo, este tipo de
obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o cuando deba kabajarse con
una alta presión diferencial. Como el obturador está conterrido dentro de la jaula, la válvula es
muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de
aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten
lograr así un cierte hermético.
89
4.LL.5. Válvula de compuerta. Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de
forma especial" y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es
adecuada para contol todo - nada, ya que en posiciones intermedias tiende a
bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está
en posición de apertura total (ver figura 38 h).
4.1.L6 Válvula en Y. En la figura 38 i puede vense su forma. Es adecuada como válvula de
cierre y de control. Como válvula todo - nada se caracbriza por su baja pérdida de carga y
como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una caracterGüca de
autodrenaje cuando está instalada inclinada con un cierto ,á.gulo. Se emplea usualmente en
instalaciones criogénicas.
4.1'L7 Válvula de cuerpo partido. Esta válvula (ver figura 38 j) es una modificación de la
válvula de globo de simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos parbs entre las cuales
está presionado el asierrto. Esta disposición perrrite una fácil sustitución del asiento y facüta
un flujo suave del fluido sin espacios muerüos en el cuerpo. Se emplea principalmente para
fluidos viscosos y en la industria alimentaria.
4.1.1.8 Válvula Saunders. En esta válvula (figura 38 k) el obh¡¡ador es una membrana flexible
que a través de un vástago unido a un servomotor, s fotzada contra un resalte del cuerpo
cerrando así el paso del fluido. Se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de
gonvr o de plástico para trabajar con fluidos agresivos.
UrlY¡niderl Autónomr dc OallrlstccroN E|EL|oTECA
90
4.1.1'9 VáIvula de compresión. Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más
elementos flexibles, por ejemplo, un fubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se
caractenz.art poryue proporrionan un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplican
fundamerrtalmerrte en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo
partículas sólidas en suspensión (ver figura 381).
4.1'Ll0 Válvula de obturador excéntrico rotativo. Consiste en un obfurador de superficie
esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que está unido al eje de giro por uno o
dos brazos flexibles (ver figura 38 m). El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado
por el vástago de un servomotor. El par de éste es reducido gracias al movimiento excártrico
de la cara esférica del obturador.
4.l.l.ll VáIvula de obturador cilíndrico excénhico. Esta válvula (ver figura 38 n) tiene un
obfurador cilÍndrico excárkico que asienta contra un cuerpo cilÍndrico. El cierre hermético se
consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el
obfurador. La válvula es de bajo costo y tiene una capacidad relaüvamente alta. Es adecuada
para fluidos corrosivos y llquidos viscosos conterriendo sólidos en suspensión.
4.1.1.12 Válvula de mariposa. El cuerpo está formado por un anillo cilfirdrico dentro del cual
gira transversalmente un disco cirrular (ver figura 38 o). I-a válvula puede cemar
herméticamerrte mediante un anillo de goma encashado en el cuerpo. Un servomotor exbrior
acciona el eje de giro del dísco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente
abierta, siempre que la presión diferencial pennanezca constante. Estas válvulas se emplean
9't
para el control de grandes caudales de fluidos abajapresión.
4.l.L.Lg Válvula de bola. El cuerpo de esta válvula tiene una cavidad intema esférica que
alberga un obturador en forma de esfera o de bola (ver figura S p). La bola tiene un corte
adecuado (usualmente en V) que fija la curva caracterlstica de la válvula, y #a
transversalmente accionada por un servomotor exterior. En posición de apertura total la
válvula equivale aproximadamente en tamaño awt75% del tamaño de la fubería. La válvula
de bola se emplea principalmente en el control de caudal de fluidos negros.
Una válvula de bola típica es la válvula de macho (ver figura 38 d que consiste en un macho
de forma cilíndrica o troncocónica con un orificio transversal tg"ul d diámeho interior de la
tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y tiene un movimiento de giro de 90. Se
uüJiza generalmente en el control manual todo - nada de líquidos o tases y en regulación de
caudal.
4.L1l4 Válvula de orificio aiustable. El obturador de esta válvula consiste en una camisa de
forma cilíndrica que está perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y que gira
mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. El
giro del obturador tapa total o parcialmente las entradas y salidas de la válvula conkolando así
el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilÍnd¡ica que puede der,lizar dentro de la
camisa gracias a un macho roscado de accionamierrto exterior. La tajadera puede así fijarse
manualmente en una posición deüerminada para limitar el caudal máximo (ver figura 38 r).
92
4.1.7.15 Válvula de flujo axial. Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma
accionado neumáticamente que mueve un pistór¡ el cual a su vez comprime un fluido
hidráulico conha un obfurador fonnado por un material elastómeho. De este modo, el
obturador se expansionaparacerrar el flujo a¡rular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea
para gases y es especialmerrte silencioso. Oha variedad de la válvula de flujo axial es la
válvula de manguito, que es accionada por comprresión exbrior del manguito a través de un
fluido auxiliar a una presión superior a la del propio fluido. Se uüliza también para gases (ver
figura 38 s).
4.L2 Sen¡omotores. Los servomotores pueden ser neumáücos, eléctricos, hidráulicos y
digitales, si bien se emplean generalmente los dos primeros por ser más simples, de acfuación
rápida y tener una gran capacidad de esfuerzo. Puede afirmarse que el %)% de las válvulas
utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente.
Los servomotores hidráulicos consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que
suministra fluido hidráulico a una servoválvula. La serial del instrumento de control actúa
sobre la servoválvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados del pistón actuador hasta
conseguir, mediante una rehoalimentacííry Ia posición exacta de la válvula. Se caracterizan
por ser muy rápidos, potentes y suaves aunque su costo es muy elevado, por ello sólo se
emplean cuando los servomotores neumáticos no pueden cumplir con las especificaciones de
servicio.
Las válvulas digitales disponen de compuerüas neumáticas accionadas por electroválvulas que
93
a slr vez, son excitadas por la serial de salida binaria de un microprocesador. Su respuesta es
muy rápida y el grado de aberfura depende de la combinación de las compuertas. Aunque
estas válvulas están limitadas a fluidos limpios y no corrosivos, presentan interés para el
mando digtul directo, si bien su velocidad de aperfura instantánea no reprresenta una ventaja
esencial frente a las válvulas neumáticas industriales, y además su costo es elevado.
4.1.2.1 Senzomotor neumático. El servomotor neumático (ver figura 39) consiste en un
diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 3 y 15 psi" es decir, que las
posiciones exhemas de la válvula corresponden a 3 y L5 psi.
Figura 39. Senromotor neumático.
Al aplicar una cierta presión sobre el diafragm4 el resorte se comprime de tal modo que el
mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la
fuerz.aejercida por la presión del aire sobre el diafragma ylafuerza.ejercida por el resorte.
Señ¡l ncumáticr
94
Idealmerrte, con una seIlal de 3 psi la válvula debe estar en la posición 0 de su carrera y púa
una señal de L5 psi en la posición L00. Asimismo, debe existir una proporcionalidad entre las
señales intermedias y sus cortespondientes posiciones. En la práctica las válvulas de control se
desvían de este comporüamiento debido a las siguientes causas:
¡ Rozamiento en lia estopada.
. Histéresis y falta de linealidad del resorb.
¡ Area efectiva del obturador que varla con la carrera del vástago de la válvula.
. Esfuerzo en el obtr¡rador de la válvula creado por la presión diferencial del fluido.
. Faetza adicional del servomotor necesaria para conseguir un cierre efectivo entre el
obfurador y el asiento.
4.L2.2 Sen¡omotor eléchico. El servomotor eléctrico (ver figura 4O) consiste en un motor
eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranajes. El motor se
caracteriza fundamentalmente por su par y por el tiempo requerido para hacer pasar la
válvula de la posición atúerta a la cerrada o üceversa.
lndlcodordr po¡ldm
Molor
Figura 40. Seruomotor eléctrico.
95
4.2 ELEMENTOS FINALES ELECIRONICOS
En los procesos industri¿les sofisticados, tales como homos, tratamientos térmicos, máquinas
de extrusión, etc.,la regulación precisa de la variable controlada obliga a controlar la potencia
entregada a las resistencias finales de calefacción (en el caso de la temperatura).
Los primeros elemerrtos que salieron al mercado y que permiüeron el control continuo de la
potencia (sin considerar el control todo - nada) fueron el tiratrón y el ignitrón que eran
respectivamente un fubo de vacío lleno de gas y un tubo con mercurio; sus dimensiones eran
demasiado grandes y su costo excesivo para las potencias que se necesitaban. Apareció
después el amplificador magnético o bobina saturable de bajo costo relativo, que ha sido
realmente un equipo robusto que ha aportado la primera solución práctica de aplicación
industrial. El rectificador conholado de silicio ha representado una revolución en el control de
potencia por sus dimensiones reducidas y por trabajar con una alta densidad de corriente.
Estos elementos se comportan en forma parecida a una válvula de controt varían la corriente
en la lfrea de alimentación ala carga en la misma fonrra en que una válvula cambia el caudal
de fluido en la tuberla.
4.2.1 Amplificador magnéüco saturable. El amplificador magnético saturable puede
describirse básicamente como un dispositivo magnéüco con un nficleo de láminas de hierro y
dos pares de bobinados, uno en serie con la carga llamado bobinado de carga y el otro que
cambia el flujo magnético del aparato y que se ll¡ama bobinado de control (ver figura 41).
96
Figura 41. Amplificador magnético.
Al va¡iar la señal de salida de 4 - 20 mA del controlador en el bobinado de control cambia el
grado de saturación del núcleo, con lo cual el circuito de carga pasa a tener entonces una
impedancia variable que disminuirá a medida que aumente la saturación del núcleo. Así
pues, la serlal del controlador frjañ el punto de arranque o de cebado en la curva de
imantación. Si además es grande la relación entre las espiras del bobinado de control y las del
bobinado de carga, una pequeña intensidad de corriente controlará un valor muy elevado en
la intensidad de salida y será posible gobemar una potencia considerable en la carga.
Cuando se emplea un amplificador magnético safurable, no es posible anular totalmente la
97
Potencia de alimentación de la carga; ésta alcanza un mÍnimo de L0% con tensión nula en el
bobinado de control ya que la impedancia en la bobina no puede hacense infinita, y a la
inversa, al no anularse totalmente e+qb tensión en la bobina de control llega como máximo a
%)% de la tensión de línea. Se recomienda en general que la carga sea de 6O% de la potencia
nominal del aparato.
[^as desventajas mencionadas de tamaño excesivo, campo de control de ].0 a %J% de la tensión
de línea, imposibilidad de cortar totalmente la alimentación a La carga y necesidad de
seleccionar el tamaño para que la potencia desarrollada se acople bien a las necesidades de la
carga, han eliminado gradualmente el empleo del amplificador magnéüco saturable en
muchas aplicaciones en beneficio del ¡ectificador controlado de silicio.
4.2.2 Rectificadores conkolados de silicio. [¡s rectificadores controlados de silicio o SCR se
han desarollado rápidamente en el campo de conkol de potencia, sustifuyendo gradualmente
al amplificador magnético gracias a sus mejores catacterfsticas. Emplean rectificadores de
sücio que bloquean el paso de la corriente en sentido inverso, igual que los convencionales,
pero que además la bloquean en sentido directo hasta tanto no se aplica una pequeria señal en
el cable de control o puerta. Una vez el rectificador pasa al estado de conducción, la serlal
puede desconectarse y aquel continuará en el mismo estado hasta que la corriente no cambie
de sentido. No hay nr.evo paso de corriente si la excitación no enciende nuevamente el
rectificador (ver figura 42).
Existen dos tipos de encendido: por á.golo de desfase entre la corriente altema de carga y el
98
impulso de excitación y por encendido discreto con disparo en el instante decntzar el valor
cero de la corriente altema de carga.
lmpulso pueilo
Eigwa, 42. Rectificador conholado de silicio (SCR).
En el sistema de ángulo de fase,Iacarga se alimenta con una corriente altema recortada en un
porrentaje controlado en cada ciclo. La serial de puerta que selecciona la parb deseada de
potencia de esta comiente de alimentación de Ia cargq es un impulso de cota duración y aIa
misma frecuencia de la corriente. En la figura 43i puede verse la zona de conducción de la
onda de corriente según elángulo de encendido.
El sistema de encendido de ángulo de fase puede aplicarse en el control de cargas resistivas e
inductivas.
lfneo de polencio
99
Angulo encendldo 0ePolencio móximo
Angulo encendido 9flePofenclo medio
Angulo encendido l80ePotencio nulo
Figura 43. Control de zona de conducción en un SCR.
La forma de onda de la coniente de carga presentará muchos armónicos debido a que queda
muy recorüada. Esta forma de onda produce interferencias electromagnéticu ya que la
corriente de carga crece abruptamente al pasar del valor cero al valor nominal en unos p<rcos
microsegundos, desarollando asl unas potencias transitorias y una distorsión importantes
que pueden afectar el funcionamiento de otros aparatos de control que se alimenten de la
misma fuente.
En el circuito de encendido discre,to de paso por cero la corriente altema es entregada a la
carga en forma de paquetes de ondas discontinuas. Este tren de ondas se genera mediante
una excitación continua. o bien por medio de impulsos sincronizados que actúan antes de que
la tensión de lÍnea cruce el valor cero, en lugar de un impulso sincronizado en fase como
ocurría en el sistema anterior. La serial de excitación mantiene al SCR encendido v al anularse
Itlü.trlrlld Aul0nom¡ d¡ OccllrbsEccroN EtEL|oTECA
100
aquella, éste deja de conducir. El sistema se emplea típicamente en control proporcional en
tiempo: se emite una señal continua o una serie de impulsos sincronizados, antes de que la
tensión de lÍnea cruce el valor cero, en nltmero proporcional a la señal de control de 4 - 20 mA.
Si esta señal es por ejemplo de 12 mA y la base de tiempos o duración del ciclo es de L
segundo, ata carga pasarán 2.5 ciclos (on) y dejarán de pasar 25 aclos (ofr).
El circuito de encendido disc¡eto se emplea con preferencia para cargas resistivas en
calentamiento de homos. En cargas ligeramente inductivas puede utilizarse con precaución
siempre que se limite el ángulo de encendido para eütar que la componente inductiva de la
corriente di"p* el circuito de protección.
Las caracterfuticas de aplicación de los SCR son las siguierrtes:
¡ Ganancia exhemadamente alta con un límite de 10üD o superior.
. Su linealidad es excelerrte, de !2% en todo el campo de medida.
¡ Su salida mÍnima es de 0 volüos. Ello indica que la potencia de alimentación a la carga
puede anularse completamente.
. Bajas caídas de tensión de modo que a la carga puede aplicársele de96 a99% de la tensión
de lÍnea.
¡ Elüempo de respuesta es corto, del orden de varios ciclos.
¡ Son de pequerlo tamaño.
r Necesitan una protección contra potencias transitorias.
. Su potencia nominal debe disminuirse si aumenta la temperafura de servicio.
101
4.2.3 Válvulas inteligentes. Aparecida gracias al desarrollo de los microprocesadores,
contienen un controlador digital" y sensores de medición de temperafura, caudal y presión
montados en la propia válvula. El controlador digital controla la presión manométrica antes o
después del orificio de la válvutu, y b temperatura o el caudal" y envla la serlal de salida al
módulo de posicionador electroneumáüco acoplado al actuador. Cada válvula tiene grabada
en una memoria ROM la variación del G correspondiente al intervalo 0% al L00% de aberhrra
de la válvula y el valor del factor de recuperación G, lo que permite conocer y controlar el
caudal que está pasando a través de la válvula, gracias al microprocesador que calcula el
caudal utilizando las fónrrulas correspondientes (ver figura tl4).
Figura tt4. Válvula inteligente.
102
La válvula acepta la entrada del valor extemo del punto de consigna y la
comunicación digital a través de una inbrfaz R3185 con el protocolo adecuado para
comunicarse con sistemas de control distribuido. De este modo, accede a los valores de la
variable de proceso, el punto de consigna y las alarmas.
5. SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Un sistema de control para procesos industriales permite, en forma general, mantener una
variable física en un valor constante determinado por el operario. Para ello el sistema
compara el valor de la variable a controlar con un valor deseado y toma una acción de
corrección sin necesidad de la posterior intervención del operario.
El sistema de control exige por lo tanto, una unidad de medida de la variable fisica a
controlar, una unidad de control un elemento final de control y el propio proceso
industrial. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que reciben el nombre de
bucle de control.
5.1 SISTEMAS DE CONTROL DE BUCLE CERRADO
Un sistema de control de bucle cerrado es aquel en el cual la variable generada por un
proceso está siendo constantemente monitoreada y compatada contra un valor de
referencia, generalmente configurado por el usuario, con el fin de generar una señal de
error que finalmente acfuará sobre un disposiüvo que a su vez ttatatá de mantener la
variable del proceso en un nivel constante.
104
Los sistemas de bucle cerrado üene la característica de ser auto - correctivos. La auto-
corrección se refiere ala capacidad que tiene un sistema para monitorear una variable en
un proceso industrial y automáticamente corregirla, sin intervención humana, si no es
aceptable.
En la figura 45 se puede apreciar un ejemplo simple de un proceso conectado en un
sistema de bucle cerrado. Como se puede observar en la figuta, se trata de mantener
constante el nivel de líquido en un tanque el cual está siendo provisto del líquido por
medio de una válvula de control. A su vez la manija de aperfura o cierre de la válvula se
encuentra conectada a un brazo, sujetado en un punto de pivote, el cual a su vez está
conectado a un elemento que flota sobre el agua en el tanque. El tanque además posee un
tubo por donde el liquido está siendo liberado constantemente hacia el exterior.
Considerando la manera como están dispuestos todos los elementos en la figura 45; si el
nivel de líquido cae un poco demasiado bajo, el flotador se mueve hacia abajo, abriendo
en consecuencia la válvula cónica para permitir un mayor suministro del líquido hacia el
tanque. Si el nivel del llquido aumenta un poco demasiado alto, el flotador se mueve
hacia arriba, y la válvula cónica se cierra un poco para reducir el suministro del líquido.
Con una construcción y un dimensionamiento apropiados de la válvula y de los acoples
mecánicos entre el flotador y la válvula, serla posible controlar el nivel del líquido y
mantenerlo muy cercnno al punto deseado. Con este sistema las condiciones de
operación pueden cambiar todo lo que quieran. Sin importar en qué dirección el nivel de
líquido experimente u¡a variación del punto deseado y sin importar cual sea la raz6n
para esta variacióry el sistema tratará de restituirlo al punto deseado.
105
A+Punto depivote
Váhrula de control
Flotador
Tubo fuente
Tubo de salida
Figun45. Sistema de control bude ceflado pafir ma¡rtener el nivel de líquido en untanque.
En forma general, diferentes sistemas de control industrial tienen ciertas cosas en común.
Sin importar cuál sea el sistema exacto, existen ciertas relaciones entre los mecanismos de
control y la variable conholada que nunca varían. En la figura 46, se puede observar un
diagrama en bloques detallado el cual describe adecuadamente la mayoría de los sistemas
de bucle cerrado.
Los conceptos involucrados en el diagrama en bloques de esta figura pueden entenderse
de la siguiente manera: un proceso, el cual está generando una variable fisica la cual se
desea controlar. Esta variable puede estar representada por una señal de temperafura,
presión, nivel, flujo, velocidad, humedad, posición, etc. Dicha variable es medida y
L06
Figura 46. Diagtama de bloques clásico de un cistema de bucle cerrado.
enviada a un comparador, el cual puede ser de tipo mecánico, eléctrico, neumático o
electrónicor 1z se encarga de comparar el valor medido con el valor de referencia. El
comparador genera entonces una señal de error igual a la diferencia entre los valores
medido y de referencia, de modo tal que si el valor medido es muy grande entonces la
señal de error es posiüva y si el valor medido es muy pequeño, entonces la señal de error
es negativa. Esto se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera:
señal de error = valor meüdo - valor de referencia
El controlador, que también puede ser de üpo mecánico, eléctrico, neumático o
electrónico, recibe la señal de error y genera una señal de salida. La relación entre la señal
de salida del controlador y la señal de error dependen del diseño del controlador y es una
Disturbios
Señal deSeñal de salida delerror I I controlador
107
característica detallada de su estrucfura. Los controladores de bucle cerrado pueden
clasificarse en cinco modos generales, algunos de los cuales serán examinados más
adelante en este capífuIo. El modo de control no depende de si el controlador es eléctrico,
electrónico, mecánico o neumático sino de la manera en que el controlador reacciona ante
una señal de error.
Continuando con el análisis de la figura 46, se puede observar que la salida del
controlador es enüada a un dispositívo corrector final (puede ser necesaria una
amplificación, si la señal de salida del controlador no tiene la potencia suficiente para
excitar al dispositivo corrector final). El dispositivo corrector final puede ser, por lo
general, una válvula, un contactor, un motor eléctrico o un relé de estado sólido, entre
otros y como su nombre lo dice es quien actúa definitivamente sobre el proceso para
mantener controlada la variable ffsica implicada.
El dispositivo de medida, en la mayoría de los casos, consiste en un dispositivo
transductor, el cual convierte una variable ffsica en una variable en otra.
5.1.1 Nonenclatura empleada en los eietemas de control de bucle cerrado. A
continuación se enumeran los términos uülizados con mayor frecuencia en los
sistemas de control y las diferentes formas como son conocidos:
. Valor de referencia, también conocido como punto de referencia, referencia, valor ideal,
señal de referencia, punto de consigna, consigna principal o set point.
108
. Comparador, también conocido como detector de error o detector de diferencia.
. Señal de error, también conocida como desüación o señal de diferencia.
. Disposiüvo corrector final, también conocido como acfuador, elemento de corrección o
elemento motor.
¡ Variable controlada, también conocida como condición controlada, variable de salida o
variable de proceso.
¡ Dispositivo de medida, también conocido como transductor, elemento primario o
sensor.
. Valor medido, llamado con frecuencia valor real.
5.2 TIPOS DE CONTROL INDUSTRIAL
Tal como se había mencionado en la sección anterior, la forma como el conholador
reacciona ante una señal de error depende del modo o tipo de control. Existen
básicamente cinco tipos básicos de control industrial a saber:
. Todo -nada.
o Tiempo proporcional.
. Proporcional.
. Proporcional - integral (PI).
. Proporcional - integral - derivativo (PID).
De éstos cinco modos de control sólo serán examinados los tres primeros.
109
5.2.1 Control todo - nada. En este modo de conhol, el dispositivo corrector final tiene
solamente dos posiciones o estados de operación. Si la señal de error es posiüva, el
controlador envía el disposiüvo corrector final a una de las dos posiciones. Si la señal de
error es negativa, el controlador envla el dispositivo corrector final a la otra posición. Este
modo de control puede ser bien comprendido si se considera una válvula eléctrica de dos
posiciones como dispositivo corrector final. Cuando la válvula es operada eléctricamente
por un solenoide, la válvula está completamente abierta o completamente cerrada; no
existen posiciones intermedias. Por lo tanto, una válvula eléctrica operada por un
solenoide encaja adecuadamente en un sistema de control todo - nada. En la figura 47, se
muestra la posición del disposiüvo corrector final (porcentaje de abertura de la válvula)
para un control todo - nada ideal. En esta figura, se considera la temperafura como la
variable fisica controlada, con un valor de referencia de 15trC. Como puede observarse, si
el valor medido de temperatura es menor que L5OC la válvula es posicionada a un 100%
abierta. Si el valor medido de temperatura es menor de 15fC, la válvula es llevada alo%.
Temperaturafc)
Urfraldrd rumnom¡ dc @¡arbsl,cctof{ S|ELIOTECA
Porcentaje de aberturtade la vrályula (%)
110 120 130 140 1s0 160
Figura 47. Posición de la válvula versus temperafura medida en un control todo - nada.
110
En la figura 48, se puede observar una gráfrca del valor medido de temperafura versus
tiempo, con la posición de la válvula dibujada contra el mismo eje del tiempo. Nótese que
el valor de temperatura tiende a oscilar alrededor del valor de referencia. En este caso
particular se observa un sobrepaso positivo de SoC y un sobrepaso negativo de 5oC.
Temperatura real("c)
vStordl +referencla
Figura 48. Medida real de temperatura vensus tiempo en un control todo - nada.
Esto ocurre debido a que el proceso no puede responder instantáneamente al cambio de
posición de la válvula. Cuando la temperatura está subiendo, es debido a que la
velocidad de entrada de calor es mayor que la velocidad de pérdida de calor en el
proceso. Un corte rápido de la válvula no puede invertir instantáneamente esta
tendencia, debido a que habrá calor residual almacenado en y alrededor del dispositivo
calefactor el cual puede difundirse a través de la cámara del proceso. A medida que este
calor se distribuye, temporalmente continúa haciendo aumentar la temperafura.
111
De la misma manera, una tendencia al descenso no puede invertirse instantáneamente
porque se necesita un determinado tiempo para que se distribuya nuevamente calor a
través del proceso. Hasta cuando pueda ocu¡rir esta distribución, la tendencia al descenso
continuará, produciéndose un sobrepaso negativo.
5.2.1.1 Zona de acfuación. Ningún controlador todo - nada puede presentar una
operación ideal tal como se mostró en la figura 47. Todos los controladores todo - nada
poseen una pequeña zona de acfuación, la cual es representada gráficamente en la figura
49.
La zona de actuación también es conocida como histéresis y está definida como el más
pequeño rango de valores que debe atravesar el valor medido para hacer que el
dispositivo corrector vaya de una posición a otra. La zona de actuación es exclusiva para
un tipo de control todo - nada y no üene sentido en los otros üpos de control.
Usualmente es expresada como un porcentaje de la escala total de trabaio del controlador.
La zona de actuación es una expresión del hecho que el valor medido debe pasar por
encima del valor de referencia una pequeña cantidad para poder cerrar la válvula. De
igual manera, el valor medido debe caer por debajo del valor de referencia una pequeña
cantidad para poder abrir la válvula.
112
Temperatura(qc)
Tiempo (minutos)
Porcentaje de aberturade la vrflvula (%)
Tiempo (minutos)
Figura 49. Repreeentación de la zona de actuación de un control todo - nada.
En el ejemplo de la figura 49, Ia medida real debe pasar 5oC por encima del valor de
referencia para abrir la válvula, y debe caer 5"C por debajo del valor de referencia para
abrir la válvula. Por lo tanto, el cambio más pequeño posible de temperatura que puede
113
accionar la válvula de abierto a cerrado es LffC. La zona de acfuación es entonces LffC.
La zona de actuación o histéresis generalmente es expresada como un porcentaje del
r¿mgo total de trabajo del controlador. Por ejemplo si el controlador tiene un rango total
de trabajo de 40trC, entonces un valor de temperafura de LfC representa el 2.5% del
tango del controlador. Por lo tanto, la zona de actuación puede expresarse como un 2.5%
en lugar de 1.ffC.
En muchos controladores todo - nada la zona de acfuación o histéresis es fija. En este
caso, ésta es menor de un 2%. Alg.nos controladores todo - nada presentan una zona de
acfuación variable, de modo que el usuario pueda ajustarla de modo acorde al proceso
industrial manejado.
El control todo - nada funciona satisfactoriamente en procesos industriales con una
velocidad de reacción lenta y con un tiempo de retardo mínimo, es decir donde los
cambios en la variable fisica controlada no sean bruscos.
5.2.2 Control proporcional de tiempo variable. En este sistema de regulación existe una
relación predeterminada entre el valor de la variable controlada y la posición media en
tiempo del dispositivo corrector final de dos posiciones. Es decir, la relación del tiempo
de acüvación al de desactivación del dispositivo corrector final, es proporcional al de la
variable conholada. La longifud de un ciclo completo (activación * desactivación),
conocido como ciclo de modulación, es constante, pero la relación entre los tiempos de
L14
activación a desactivación dentro de cada ciclo varla al desviarse la variable controlada del
valor de referencia. En otras palabras, el tiempo que permanece activado el dispositivo de
corrección es proporcional a qué tan lejos o qué tan cerca se encuentra el valor medido
del valor de referencia, dentro de una zona conocida como banda proporcional. En la
siguiente sección se hará una explicación más detallada del concepto de banda
proporcional.
En la figura 50 puede verse un ejemplo de este tipo de control, el cual tiene un ciclo
completo de L0 segundos y una banda proporcional de 2üC. En el valor central, es decir,
el valor de referencia, el controlador activa el dispositivo corrector durante cinco segundos
y 1o desactiva otros cinco segundos. Si la temperatura disminuye LtrC el dispositivo
corrector final estará siempre activado. A soc por encima del valor de referencia, el
disposiüvo corrector está activado sólo 2.5 segundos y desacüvado por 7.5 segundos y así
sucesivamente.
1fC inferior
I
I
+
valor de 1(PC suPerior
referencia o.Tn""* |,J, , rJr rJllilillllil
HN +HSsegundosl I llz¡segundos
;::fr;,--l Lr:il:,desactivado activado
Figula5(IRepr€sentacifudelcomportamienúo deuncontolprcponlomaldetiempovariable.
11s
El tipo de control proporcional de üempo variable se emplea sólo en controladores
eléctricos. Un caso típico de esta aplicación lo constifuye la regulación de temperatura de
un homo eléctrico, en el cual el dispositivo corrector final es una resistencia de calefacción.
La mayoría de los controladores proporrcionales de tiempo variable presentan, tanto la
banda proporcional, como el üempo del ciclo de modulación variables. Este üpo de
controlador también es conocido como controlador de tiempo proporcional.
5.2.3 Control proporcional. En este tipo de control, el dispositivo corrector final no es
fotzado a tomar toda o ninguna posición. En lugar de ello, existe un rango continuo de
posibles posiciones. La posición exacta que toma es proporcional a la señal de error. En
otras palabras, la salida del controlador es proporcional a su entrada.
5.2.3.1 Banda proporcional. Asumiendo que el dispositivo corrector final es una válvula
de posición variable controlada por un moto - reductor lento y unos enlaces, como se
puede observar en la figura 5L, se pueden ilustrar los efectos del control proporcional,
como se observa en la figura 52, donde se üene un gráfico de porcentaje de abertura de la
válvula versus temperafura. Lo que sucede en el proceso de la figura 5L, puede ser
interpretado de la siguiente forrna: cuando la abertura de la válvula es grande, se entrega
más combustible, y más calor se libera en el proceso. Por lo tanto tiende a incrementar la
temperafura del proceso. Cuando la abertura de la válvula es pequeña, menos
combusüble se entrega al quemador y la temperafura tiende a decrementar.
La figura 52 muestra la relación proporcional entre el porcentaje de aberfura de la válvula
11.6
Movimiento deIa carga a través de
la c¡ímara
Suministr,o decombustible
Figura 51. Proceso de temperatura controlado por una válvula de posición variable.
Porcentaje de aberturade la válvula (%)
100
80
60
40
20
0
765 770 775 180 185 190 Temperatura (oC)
Figura 52. Gráfica de posición de la válvula versus temperatura.
'lMoto - r,eductor
-i--i -\-r-T- | --i- + - ¡ - Lilir
117
y la señal de error. Para iniciar, se puede imaginar que el valor de referencia acfual es
18OC y que además, ese valor es mantenido con una abertura de la válvula del ltO%. Si
sucede algo que haga que cambie el valor medido de temperafura, la válvula asumirá una
nueva posición de acuerdo con el gráfico de la figura 52. Si por algún motivo la
temperatura cayese a 175"C, la válvula deberá abrirse aL 6O%. Esto producirá el
consecuente aumento de temperafura a 18(PC. Si la temperatura decrementa nuevamente,
pero esta vez a un valor de 77trC, la válvula debe abrirse a un 80%. Por lo tanto, el
controlador responde no sólo al hecho de que el valor medido de temperafura caiga a un
valor bajo, sino también a la cantidad de error. Entre más serio sea el etror, más drástica
es la acción de corrección. Esta es la diferencia esencial entre el üpo de control
proporcional y el tipo de control todo - nada.
La palabra proporcional indica que el porcentaje de abertura de la válvula varía en
proporción a la señal de error detectada. Por ejemplo, cuando el error es de 5oC (valor
medido de L75'C), la válvula pasa de un 4O% de abertura a un 6O%; esto significa que
recotre un20% de su rango total. Si el error es dos veces más grande, o sea de 1trC (valor
medido de 17trC),la válvula pasa de un 40% de abertura a un 8O%, o sea que recorre un
40% de su rango total. Entonces se puede concluir que la acción de corrección es dos
veces más grande cuando el error es también dos veces más grande. En general, un
determinado cambio porcenfual en el error conllgva a un correspondiente cambio
porcenfual en la posición de la válvula.
Continuando con el análisis de la figura 52, se üene que una temperafura de 165oC o
menos hace que la válvula se abra un 100%. De forma anáLoga, un valor de temperafura
118
de 19ffC o más hace que la válvula se abra un 0%. La diferencia enhe estos dos puntos se
denomina banda proporcional de control. En este caso, la banda proporcional es de 25oC.
Dentro de la banda, la respuesta de la válvula es proponcional al cambio de temperafura;
fuera de la banda, la respuesta de la válvula es nula, puesto que ha excedido sus límites.
Con frecuencia,la banda proporcional es expresada como un porcentaje del rango total de
habajo del conholador (en forma similar a la zona de acfuación de un controlador todo -
nada). De esta manera, si el rango de trabajo del controlador es de 4009 una banda
proporcional de 25'C representa un 6.25% de dicho rango. Por lo tanto se puede decir que
la banda proporcional es de 6.25% en lugar de 25"C.
La definición formal de banda proporcional presentada por Antonio Creus es la siguiente:
"Banda proporcional es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para
provocar una carrera completa del elemento final de control"l.
1 CREUS, Antonio. lnstrumentación industrial. Barcelona : Alfaomega marcombq 1915. p.484
BIBLIOGRAFIA
ASTROI\4 K. J. and Ostberg, A. B. A Teaching Laboratory for Process Control. American
Control Conference, 1983. p. 1380-5.
CREUS,Antonio. Inshumentaciónindustrial. Méjico: Alfaomega, 199s. p.1.-9.
MALONEY, Timothy. Elechónica industrial - Dispositivos y sistemas. Méjico: Prentice
Hall Hispanoaméricana, L983. p. 315 - 330.
SMAR CORPORATION. Operation & Maintenaince Instruction Manual - Intelligent
Temperature Transmitter. 1996. 2.1 - 3.12 p.
-Manual
de Inshucciones - Mantenimiento y Operación. Transmisor de Presión
Inteligente. 1994. p. 3.5 - 3.10.
YURCOVICH, S' Advances in Conhol Education. IEEE Control Systems Magazine,1985.
p.18 -21.
Urrlnr¡id¡d Autónomr dc 0ccltrFSECCION EIBLIOTECA
DISEÑO, CONSTRUCCION Y PUESTA EN IVIARCHA DE UNA PIÁ.NTA PILOTO
PARA EXPERIMENTACION EN SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
(ToMo 2DE2l
ALVARO RICARDO TRASLAVIÑA
HECTOR FABIO CASTILTO
lhlr¡sld¡d Aut6noma dc 0ccllnbstccloN EIBLIoTECA
026?06CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOIVÍA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRICA
'ANTIAG.)ECALr l8f rffil|ü|||l
DISEÑO. CONSTRUCCION Y PUESTA EN IVIARCHA DE UNA PIá.NTA PILOTO
PARA EXPERIMENTACION EN SISTEIVÍAS DE CONTROL DE PROCESOS
(TOMO 2DE2l
ALVARO RICARDO TRASLAVIÑA
HECTOR FABIO CASTILLO
Trabaio de grado para optar al título de Ingeniero Electricieta
Director
FREDDY NARANIO PEREZ
Ingeniero Mecánico
CORPORACION UNTVERSITARIA AUTONOIVIA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAIVÍA DE INGENIERIA ELECTRICA
SANTIAGO DE CALI
T6/ F,/ /T/7r€/, 3 e./
CONTENIDO
INTRODUCCION
6. DESCRIPCION DE LA PLANTA PILOTO PARAEXPERIMENTACION EN SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
6.1 INTRODUCCION
6.2 COMPONENTES DE LA PLANTA PILOTO
6.2.'1, Tubeúa.
6.2.2 Tanques de almacenamiento del fluido.
6.2.3 Resistencia eléctrica para calentamiento del fluido.
6.2.4 Ag¡tador.
6.2.5 Moto - bombas.
6.2.6 Intercambiador de calor.
6.2.7 Y álvulas manuales.
6.2.8 Y álvulas automáticas.
6.2.9 Convertidores I/P.
6.2.L0 Manómetros.
6.2.11, Sensor de temperatura.
6.2.12 Convertidor de corriente - voltaje (l/V).
6.2.13 Variador electrónico de velocidad.
6.2.14 Simulador de corriente de 4 - 20 mA.
6.2.15 Transmisor de temperatura (TT301).
Pag.
I
\
I
120
122
122
125
126
126
128
129
129
130
131
131
132
132
133
133
134
135
137
\i
I
i
\\
$s
J
\
IIII\
6.2.'/.,6 Transmisor de presión (LD301).
6.2.17 Panel frontal del tablero de control de la planta.
6.3 PROGRAMACION DE LOS TRANSMISORES DE TEMPERATURAY PRESION
6.3.L Programador manual (hand - helü.
6.3.2 Programación del transmisor de temperatura TT301.
6.3.2.1, Menú de configuración (CONF).
6.3.2.2 Menú de control (CNTRL).
6.3.3 Programación del transmisor de presión LD30L.
7. DESARROLLO DE LAS GUTAS DE LABORATORIO PARALA SIMULACION DE CONTROL DE PROCESOSINDUSTRIALES CON LA PLANTA PILOTO.
7.1 INTRODUCCION
7.2 LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No. L.
7.3 LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No. 2.
7.4 LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No. 3.
7.5 LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No.4.
8. CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXO A. MANUAL DE OPERACIONES DE LA PLANTA PTLOTO
r40
L42
146
1.47
150
155
1.60
1.61.
t65
1.65
166
173
179
185
192
194
195
LISTA DE FIGURAS
Pa8.
Figura 53. Planta piloto parala simulación de control de procesos industriales. 129
Figura 54. Diagrama esquemático de la planta piloto. 124
Figura 55. Representación gráfica del simulador de corriente de 4 - 20 mA. 196
Figura 56. Modo de conexión enhe el simulador de 4 - 20 mA valgunos diposiüvos de la planta piloto.
Figura 57. Conexión entre el transmisor de temperatura y unconvertidor de corriente - presión.
Figura 58. Conexión enhe el transmisor de presión y unconvertidor de corriente - presión.
Figura 59. Esquema general del panel frontal del tablero de control.
Figura 60. Programador manual.
Figura 6L. Conexión del programador manual al transmisor.
Figura 62. Arbol de programación del transmisor de temperafura.
Figura 63. Mensaje del programador manual en el encendido.
Figura 64. Mensaje de selección de encendido o apagado delprogramador manual. 152
Figura 65. Primer mensaje al activar el software del transmisor TT301. 1s2
Figura 66. Segundo mensaje al activar el software del transmisor TT30L. 152
Figura 67. Mensaje de reconocimiento del transmisor TT30L en líneacon el programador manual.
Figura 68. Menú principal del transmisor TT30L configurado comotransmisor (XMTR).
Figura 69. Menú principal del transmisor TT30L configurado como
136
139
'J.41
'J.43
1,48
149
151
151
153
153
controlador (PID).
Figura 70. Pantalla de entrada al menú CONF.
Figura 7L. Pantalla de cambio del límite inferior del rango de medicióndel transmisor.
Figura 72. PantalTa de advertencia por el cambio efecfuado al hansmisor.
Figura 73. Pantalla de selección de cambio del rango con o sin referencia.
Figura 74. PantalTa áe los valores límites del rango del transmisor para elsensor acfual.
Figura 75. Pantalla de solicitud del nuevo valor para el límite inferior.
Figura 76. PantalTa de confirmación para el nuevo valor de límite inferioringresado.
Figura 77. Pantalla con el nuevo valor para el límite inferior del rangodel transmisor TT301.
Figura 78. Pantallaparael cambio del modo del hansmisor.
Figura 79. opciones del transmisor TT301 configurado como controlador(PrD).
Figura 80. Opciones del menú CNTRL.
Figura 81. Arbol del menú CNTRL.
Figura 82. Arbol de programación del hansmisor de presión.
Figura 83. Mensaje inicial del programador manual.
Figura 84. Mensaje de encendido o apagado del programador manual.
Figura 85. Mensaje inicial al activar ersoftware del transmisor LD30L.
Figura 86. Mensaje secundario al activa r el softwaredel transmisor LD30L.
Figura 87. Mensaje de reconocimiento del hansmisor LD301. en líneacon el programador manual.
Figura 88. Menfi principal del transmisor LD30r. configurado comohansmisor (XMTR).
Figura 89. Menú principal del transmisor LD30l configurado como
L53
156
1.s6
156
157
1.57
't57
158
158
159
1.60
1.60
L60
1.61.
1.62
162
'1,63
163
1,63
t63
conholador (PID).
Figura 90. Diagrama esquemático de conexiones para el laboratorio 1.
Figura 91. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 1.
Figura 92. Diagramapictórico de conexion del programador manual parael laboratorio L.
Figura 93. Diagrama esquemático de conexiones para el laboratorio 2.
Figura 94. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 2.
Figura 95. Diagrama pictórico de conexion del programador manualpara el laboratorio 2.
Figura 96. Diagrama esquemático de conexiones para el laboratorio 3.
Figura 97. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 3.
Figura 98. Diagrama pictórico de conexion del programador manual parael laboratorio 3.
Figura 99. Diagrama esquemático de conexiones para el laboratorio 4.
Figura 100. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 4.
Figura L0L. Diagrama pictórico de conexion del programador manual parael laboratorio 4.
't64
167
1.67
170
174
175
177
181
181
183
187
187
189
INTRODUCCION
En los últimos años, la teoría de control ha alcartzado enormes desarrollos, llegando
incluso a constituirse en un campo independiente de la ingeniería de control. La mayoría
de los desarrollos teóricos son validados mediante simulaciones con computador, lo que
constifuye una validación parcial, pues se parüe de un modelo matemático que se supone
representa las dinámicas fundamentales del sistema real.
Desde el punto de üsta de la ingeniería de control, interesa que las estrategias utilizadas
puedan ser implementadas teniendo en cuenta las restricciones impuestas por los
inshumentos de medida, los acfuadores y demás elementos involucrados.
El objetivo principal de este proyecto es el diseño y la construcción de una planta que
permita verificar el funcionamiento de sistemas de control, diseñados tanto con los
procedimientos clásicos, como con las técnicas avanzadas.
La planta desarrollada es configurable para conseguir distintos comportamientos
dinámicos y es fácil de operar y mantener. Además, permite introducir perfurbaciones
extemas y alcarrzar condiciones de operación críücas, sin comprometer su integridad.
121,
Con el desarrollo de la planta, se contribuye al fortalecimiento de la infraestrucfura de
laboratorios de automahzaciín y control, para el desarrollo de trabajos experimentales en
instrumentación y en control de procesos industriales. Además, la planta sirve como
elemento de apoyo a la docencia,la exüensión y la investigación en el área de control
automático.
oqJ
(lLio
oCh
(J
(u
qJ
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¡t
(,)
cl(!H(!A
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bol¡r
6. DESCRIPCION DE IA. PIANTA PILOTO PARA EXPERIMENTACION EN
SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
6.1 INTRODUCCION
La planta piloto rcahzada para este proyecto consiste básicamente en un sistema de Iazo
cerrado en el cual fluye un líquido especial desde un tanque principal a un tanque
secundario impulsado por dos moto - bombas cuya disposición puede observarse en las
figuras 53 y 54' La figura 53 es una muestra real de la planta completamente ensamblada,
mientras que la figura 54 es el diagrama esquemático de la misma.
El objetivo principal que se tiene con la planta es el de realszar un lazo de conhol,
monitoreando y controlando las diversas variables ffsicas que se v¿rn generÍrndo a lo largo
de dicho lazo. Por ejemplo, en uno de los tanques (tanque principal) se tiene una
resistencia calorífica que calienta el líquido depositado en é1. Entonces en ese punto se
hace un monitoreo de la temperafura generada, a través de un transmisor d.e temperatura,
el cual a su vez puede controlar la potencia entregada a la resistencia. Esto lo hace
acfuando sobre un dispositivo electrónico que convierte la señal de salida del transmisor
(de 4 - 20 mA) en una señal de frecuencia que a su vez es aplicada a un relé de estado
sólido para controlar el ángulo de fase de la señal de AC aplicada a la resistencia de
calentamiento. Con esto se logra entregar un mayor o menor promedio de potenci a a la
resistencia con lo cual se regula la temperafura generada por ella.
No
ro
.go-O¡-tso',t¿-i OxoU+c
.goEc=8N6o
.oEoo
;-oEod¡
olucp
OP
s8pó
II
Eop.o6ooo
.o>oo>ore@€
o6oocoo.ooEoor!Eo=(tarlooEoo).9osl|)
oa.o)t!
125
En la planta, los transmisores y los dispositivos de corrección final no se encuentran
conectados formando unlazo cerrado de control como se esperarla. En lugar de ello, las
terminales de conexión de dichos elementos son llevados a un tablero de control en el cual
el esfudiante podrá decidir las interconexiones que ha de realizar entre transmisores y
dispositivos de corrección para hacer el control de la variable deseada. Para ello, en el
siguiente capífulo se incluyen unas guías de laboratorio en las que se describe paso a paso
el procedimiento a seguir parareaTizar el control de una determinada variable.
Con el objetivo de conocer mejor los componentes de la planta y para eütar cualquier
falla al momento de ponerla en funcionamiento, la siguiente sección trata las
especificaciones y las caracterlsücas más importantes de cada uno de los elementos que la
componery así como también el papel que cada uno desempeña en el funcionamiento
géneral de la planta.
6.2 COMPONENTES DE LA PIá,NTA PILOTO
La planta piloto está armada sobre una estrucfura metálica en la cual se encuentran
soportados todos los elementos que la componen. La planta recibe tres tipos de
alimentación: una alimentación eléctrica" a 1L0 VAC para el funcionamiento de todos los
disposiüvos eléctricos utilizados, como por ejemplo: las moto - bombas, el motor del
intercambiador de calbr, el motor del agitadog etc.; una alimentación neumática a 20 psi
*La alimentación eléctrica para los dispositivos que frabajan con corriente directa, talescomo los transmisores, es suministrada por fuentes reguladas de voltaje DC que seencuentran en la parüe intema del tablero de control.
126
para la alimentación de los convertidores I/P y para las válvulas de regulación
neumáticas; y una alimentación manual del fluido que llena los tanques principal y
secundario y que fluye a través de la fuberla de la planta. Esta alimentación se hace
manualmente, antes de poner en funcionamiento la planta, llenando el tanque principal
con el fluido a havés de una de sus tomas.
6.2.1 Tuberia. La tuberla uülizada en la planta piloto se encarga de transportar el fluido
entre los dos tanques de almacenamiento (principal y secundario). Esta fubería tiene un
diámetro des/{' y está hecha de un material especial conocido como CPVC - una variante
del cloruro polivinílico convencional - el cual soporta una temperafura aproximada de
15fC. Esto debe ser así dado que la tubería transportará el fluido caliente que sale del
tanque principal hasta el tanque secundario y de ahí hacia el intercambiador de calor
donde será enfriado para regresar nuevamente al tanque principal y así completar su
ciclo.
6.2.2 Tanques de almacenamiento del fluido. Como ya se había mencionado
anteriormente, la planta posee dos tanques para el almacenamiento del fluido. Uno de
ellos, el cual será llamado en adelante "tanque principal" es el que almacena el fluido a ser
calentado y transportado hacia el otro tanque que en adelante será llamado "tanque
secundario". El tanque principal es un tanque abierto y debe ser alimentado en forma
manual con el fluido cuando la planta vaya a ser puesta en marcha por primera vez. Para
ello, el tanque posee un toma en su parte superior por donde se suministrará el llquido.
Este tanque tiene una altura de 60 cm y un diámetro de 25 cm y está hecho de acero
127
inoxidable. Posee ún delgado fubo de vidrio conectado en forma paralela para observar
en todo momento el nivel del fluido dentro de é1.
En el tanque principal el fluido es calentado por una resistencia eléctríca al mismo tiempo
que es agitado Por un bastidor el cual está conectado a un motor que le transmite el
movimiento. El líquido es agitado con el objetivo de lograr una temperafura uniforme a
t¡avés de toda la extensión del tanque. Este tanque posee también una pequeña lámpara
en su parüe superio4Ia cual se enciende conjuntamente con el motor del agitador cuando
éste entra en funcionamiento cada cinco minutos.' Esto permite observar más claramente
el funcionamiento del agitador dentro del tanque mediante una ventana visora que posee
éste en su parte inferior.
El tanque secundario se encarga de almacenar el fluido caliente proveniente del tanque
principal, el cual es impulsado por una de las moto - bombas a través de la tubería, y
tenerlo almacenado hasta que se decida llevarlo al tanque principal habiéndolo pasado
antes por el intercambiador de calor para disminuir su temperafura. El tanque
secundario, también construido en acero inoxidable, tiene una alfura de 65 cm y un
diámetro de 20 cm. Posee un visor de nivel similar al del tanque principal, con una escala
graduada en centlmetros, y tiene dos tomas para Ia medición del nivel del fluido
contenido en é1, mediante el método de presión diferencial. Esto es logrado a través de un
transmisor de presión diferencial conectado mediante un tubo galvantzado a dichas tomas
del tanque.
128
6.2.3 Reeistencia eléctrica para calentamiento tlel fluido. Como se mencionara en la
sección anterior, el tanque principal posee en su interior una resistencia eléctrica la cual se
encarga de calentar el fluido presente en é1. Esta es una resistencia en forma de espiral
con una potencia nominal de 2000 w y alimentada a un voltaje de 110 VAC, la cual
alcanza una temperafura máxima de 200'C. Esta temperafura sin embargo no debe ser
manejada para efectos del lazo de control puesto que puede averiar seriamente la fubería
de la plant4 en su lugar se debe efecfuar el control de esta variable en valores inferiores a
l_00 "c.
La temperafura generada por la resistencia en el tanque principal y disipada hacia el
fluido es controlada mediante la variación del ángulo de fase de la señal de 110 VAC
aplicada a la misma. Este control se logra mediante la conversión de una señal de 4 - 20
mA, generada por un transmisor de temperafura que está monitoreando constantemente
la temperafura en el tanque principal, a una señal de frecuencia que es aplicada a un relé
de estado sólido el cual a su vez está conectado a la resistencia eléchica.
Cabe anotar que el anterior es sólo uno de los métodos para conholar la temperafura del
fluido en la planta. En realidad existen otras formas para lograr dicho control en otros
puntos de la planta piloto, pero cada uno será esfudiado poco a poco en este capífulo y
más detalladamente en el siguiente capítuIo.
129
6.2.4 Agitador. El agitador en su conjunto está conformado por: el motor del agitador y
el eje del agitador. Y este conjunto es utilizado para mantener la temperafura del fluido
estable a través de toda la extensión del tanque principal.
El motor del agitador con una potencia nominal de 25 w y alimentado a 1L0 VAC *a a
una velocidad de L500 r.p.m. la cual es reducida en un factor de L:L8 mediante un
reductor acoplado mecánicamente a é1. Este motor tiene un tiempo de trabajo de 5
minutos por lo que está conectado a un circuito temporizador que lo activa y desactiva a
intervalos de 3 y 2 minutos respectivamente. Este temporizador se encuentra en el tablero
de control de la planta.
El eje del agitador está conectado a la salida del reductor (conectado a su vez al motor),
tiene una longitud de 60 cm y está hecho en acero inoxidable, además posee una hélice de
acero inoxidable de dos aspas en su extremo inferior.
6.2.5 Moto - bombas. La planta piloto cuenta con dos moto - bombas utilizadas para
impulsar el fluido entre los diferentes puntos de la planta. Más específicamente, la bomba
L (ver figura 54) se utíliza para impulsar el fluido desde el tanque principat hacia el
tanque secundario. Y la bomba 2 (ver figura 54) se utiliza para llevar nuevamente el
fluido desde el tanque secundario hacia el tanque principal, pasándolo antes por el
intercambiador de calor. Ambas moto - bombas poseen sus respectivos botones de
marcha - paro ubicados en el panel frontal del tablero de control de la planta con lo que el
ü|llsLrd lot6nom¡ dc Occla.rb
SECC¡ON BIBLIOTECA
130
esfudiante podrá acüvarlas y desactivarlas a voluntad conforme el tipo de laboratorio a
rcalizar.
Las moto - bombas trabajan con un voltaje de alimentación de 110 VAC y su consumo
nominal de corriente es de 8.6 A trabajando a una velocidad de 3450 r.p.m. Estas moto -
bombas son de tipo centrífuga y su cuerpo está construido de hierro fundido.
6.2.6 Intercambiador de calor. El intercambiador de calor es una etapa de la planta piloto
que tiene como función disminuir Ia temperafura del fluido caliente proveniente del
tanque secundario y enviarlo de regreso hacia el tanque principal. Está conformado por
un motor de corriente continua de 24 V (con un consumo de corriente de 8 A), el cual gira
a una velocidad de 800 r.p.m. El movimiento de este motor es hansmitido al eje del
intercambiador de calor y la velocidad es aumentada através de un juego de poleas
ubicadas, una en el eje del motor y otra en el eje del intercambiador con lo cual se logra
una relación de 1. : 4, es decir, que por cada vuelta del eje del motor el eje del
intercambiador dará cuatro vueltas. También está conformado por el intercambiador de
calor propiamente quien actúa como un radiador de calor disipando la temperafura del
fluido que pasa a través de él hacia la atmósfera. Para ello, el intercambiador posee un
serpentín de 48 fubos por los cuales üaja el fluido y una hélice de 4 aspas que actúa como
extractor de calor del fluido pasando a través del serpentln.
Esta etapa de la planta piloto es otro de los puntos donde se ejercerá un conhol sobre una
de las variable implicadas en el lazo de control, en este caso, la temperafura. En este caso,
el valor de la temperafura del fluido dependerá de la velocidad del motor del
131
intercambiador de calor. Para ello, la velocidad de dicho motor es controlada a través de
un variador de velocidad que se encuentra en la parte interna del tablero de control. Este
variador de velocidad a su vez perrnite dos tipos de controt uno manual, mediante una
perilla localizada en el panel frontal del tablero de control y uno automático, mediante la
aplicación de una señal de 4 - 20 mA proveniente en este caso del hansmisor de
temperafura que sensa la temperatura del fluido en el tanque principal..,El tipo de control
a tealizar (manual o automático), como en los caso anteriores, queda a voluntad del
esfudiante y será determinado por el tipo de laboratoio arealizar.
6.2.7 Válvulas manualeg. Existen un total de cuatro válvulas manuales en la planta
piloto.y están ubicadas por pares en la parte inferior de cada uno de las tanques de la
planta. El primer par de válvulas ubicadas en la tubería saliente del tanque principal (ver
figura 53) permiten, la primera,'el paso del fluido hacia la moto - bomba 'l,y La segunda la
salida del fluido hacia el exterior patarcalizar el desfogue de dicho tanque. El otro par de
válvulas ubicadas en la fuberla del tanque secundario tienen la misma función de las
anteriores: una para el desfogue del tanque y la otra para permitir el paso del fluido
contenido en el tanqu. t u.iu la moto - bomba 2,la cuala su vez impulsará el fluido hacia
el tanque principal pasándoío vía el intercambiador de calor. Estas válvulas están
construidas en bronce y üenen un diámetro deshi'.
6.2.8 Válvulas automáticas. Existen dos válvulas automáticas en la planta piloto. La
válvula automática L (ver figura 54) permite el paso del fluido impulsado por la moto -
bomba L desde el tanque principal al tanque secundario, mientras que la válvula
automática 2 permite el paso del fluido impulsado por la moto - bomba 2 desde el tanque
132
secundario hacia el tanque principal vfa intercambiador de calor. Ambas válvulas son
controladas neumáticamente por la aplicación de una señal de aire en el rango de 3 - j.5
psi proveniente de dos convertidores de corriente - presión. Las válvulas por lo tanto
pueden hacer un control proporcional del paso del fluido a través de la fubería mediante
su mayor o menor aperfura de acuerdo al valor de presión neumática aplicado en un
momento dado.
6.2.9 Convertidores VP. La planta piloto posee dos convertidores corriente - presión
destinados a regular el grado de aperfura de las válvulas neumáticas esfudiadas en la
sección anterior. Estos convertidores reciben en su entrada una señal neumática de
alimentación de 20 psi y enhegan a su salida una señal en un ranto comprendido enhe 3
y 15 psi. Esta señal de salida es proporcional a una entrada de corriente de 4 - 20 mA
proveniente del panel frontal del tablero de control. De este modo, el esfudiante puede
conholar los convertidores I/P bien sea en forma manual, aplicando una serial de
corriente de 4 - 20 mA a través de un simulador especial, o bien aplicando dicha señal de
corriente desde una de las salidas de los hansmisores de presión o temperafura de la
planta. Como en los casos anteriores esto depende del laboratorio atealizat.
6.2,70 Manómetros. Para efectos del monitoreo de la presión neumática aplicada a lar
planta, se tienen tres manóinehos distribuidos en puntos estratégicos de la planta para
constatar en todo rnomento la presión de entrada y la presión regulada. De esta forma, se
tiene un manómetro en la enhada de alimentación de aire a la planta para verificar
constantemente la presión de 20 psi aplicada. Además cada uno de los convertidores I/p
esfudiados en la sección anterior üenen conectados a sus respectivas salidas un
L33
manómeho Para verificar la presión de salida que están regulando. De esta manera, el
estudiante podrá constatar en cualquier momento la presión de salida de los I/P de
acuerdo a la respectiva señal de corriente de enhada y que está en el rango de 4 - 20 mA.
6.2.11Sensor de temperafura. El sensor de temperafura utilizado para el monitoreo de
esta variable en la planta es un detector resistivo de temperatura RTD el cual trabaja en
un rango aproximado de -50 a 85fC. Este se encuentra ubicado dentro del tanque
principal y su función es la de sensar la temperafura del fluido depositado en ese tanque,
entregando una señal de variación de resistencia eléctrica al transmisor de temperafura al
cual se encuentra conectado.
Debe recordarse que, a pesar de que tanto el sensor como el transmisor de temperafura
soportan unas temperaturas relaüvamente altas, esta variable no debe exceder valores de
L00'C ya que puede resultar en serios daños a la tuberla de transporte del fluido.
6.2.12 Convertidor de coriente - voltaje (I/V). Eite dispositivo se encuentra instalado en
el interior del tablero de control de la planta piloto y su función es la de convertir una
señal de corriente en el rango de 4 - 20 mA en una señal variable de voltaje DC que es
aplicada a un relé de estado sólido el cual a su vez controlará la potencia entregada a la
resistencia de calentamiento presente en el tanque principal. Este convertidor presenta un
compoftamiento proporcional en su salida con respecto a la señal de entrada; así para una
señal de entrada de 4 mA la salida estará activa al0%, por lo tanto la resistencia estará
apagada; mientras que para una señal de 20 mA la salida estará a un L00% de su r¿mgo
a
total del trabajo y por tanto la potencia entregada a la resistencia será la máxima; además
para cualquier valor de entrada comprendida entre 4y 20 su comportamiento en la salida
será proporcional a ese valor de enhada.
Una de las utilidades de este dispositivo es en el control de la temperafura del interior del
tanque principal. En este caso, el transmisor de temperafura (actuando como controlador)
tendrá su señal de salida (de 4 - 20 ne) actuando sobre el convertidor I/V y éste a su vez
controlando la potencia de la resistencia de calentamiento mediante el relé de estado
sólido a la cual está conectada.
El convertidor l/Y tierte sus extremos de enhada de la señal de 4 - 20 mA ubicados en el
panel frontal del tablero de control de la planta y pueden ser utilizados por el estudiante
pata una de las prácticas de laboratorio que serán descritas en el próximo capítulo.
6.2.13 Variador electrónico de velocidad. Este dispositivo se encuentra también en el
interior del tablero de control de la planta. Su función es la de variar la velocidad del
motor del intercambiador de calor para controlar la temperafura del fluido en el tanque
principal. Este dispositivo funciona mediante una señal de entrada de 4 - 20 mA la cual
puede ser proüsta en forma manual: a través del simulador de 4 - 20 mA (el cual será
descrito en la sección siguiente), o a través de una perilla ubicada en el panel frontal del
tablero de contro! o puede también ser provista por la señal de salida del transmisor de
temperafura (acfuando como conkolador) para lograr el control de la variable en cuestión.
L34
135
El variador electrónico de velocidad también presenta un comportamiento proporcional
en su salida con resPecto a la señal de entrada; asl para una señal de 4 mA el motor se
encontrará completamente detenido; mientras que para una señal de 20 mA de entrada la
velocidad del motor será la máxima, por lo tanto la acción de enfriamiento del fluido será
mayor.
Para efectos de conexión del variador de velocidad con el resto de disposiüvos de la
planta, éste tiene sus bomes de conexión de la señal de entrada en el panel frontal del
tablero de control. Además se cuenta con un interruptor que selecciona su
funcionamiento manual o automático y dos interruptores pata su encendido o apagado.
Como en los casos anteriores su funcionamiento en el respectlo lazo de control queda a
disposición del esfudiante conforme a la práctica que se vaya arealizar.
6.2.74 Simulador de corriente de 4 - 20 mA. Para efectos del control manual de ciertos
dispositivos de la planta (convertidorcsl/P, variador de velocidad y converüdor I/V) ésta
cuenta con un simulador de corriente de 4 - 20 mA (DC) ubicado en la parte interior del
tablero de control. Este simulador cuenta con una perilla horizontal deslizante (ver figura
55) la cual se mueve sobre una escala graduada ubicada en la parte frontal del dispositivo.
Mediante esta perilla se ajustan valores discretos de corriente entre 4 y 20 mA a saber: 4,
8, 12,'l'6 y 2o mA; equivalentes en porcentaje a: o, 25, 50,7s y 1@% del rango total de la
escala del simulador.
136
El simulador de 4 - 20 mA se comporta como una fuente de corriente variable la cual es
aplicada a los diferentes disposiüvos de la planta que soportan este tipo de entrada.
Terminalesde conexión
Piloto deencendido Escala de
porcentaje
Perillaselectora
Escala decorriente
Figura 55. Representación gtáfica del simulador de coriente de 4 - 20 mA.
A qué disposiüvo se aplica la señal de corriente proveniente del simulador dependerá
del tipo de laboratorio que se esté llevando a cabo, pero en cualquier caso el tipo de
conexión será similar al mostrado en la figura 56.
Eguta56 I\fiododeor¡exionerúeelsim¡ladtrde4-Z)mAyalgr¡nmdir¡posiÉycdelaplaltapfm.
137
En la figlrra 56 se puede observar la conexión entre el simulador de 4 - 20 y tres
dispositivos de la planta piloto. Estos disposiüvos pueden ser: los dos convertidores de
corriente - presióry el convertidor de conriente - voltaje o la enhada al variador de
velocidad del motor del intercambiador de calor. La conexióry como lo muesha la figura
56, es una conexión típica de un circuito serie en la cual la fuente de corriente es el
simulador de 4 - 20 mA y Ia carga está conformada por los diferentes dispositivos de la
planta que soportan este tipo de entrada y que fueron mencionados anteriormente. Este
tipo de conexión es importante tenerlo en cuenta para el siguiente capífulo en el cual se
rcalizaúm los respecüvos laboratorios y en los cuales se hará uso de este simulador de
corriente.
Los terminales de conexión del simulador de 4 - 20 mA están ubicados en el panel frontal
del tablero de control y sirven para suplir la serial de entrada a los dispositivos que hacen
uso de ella y que han sido esfudiados en las secciones anteriores.
En la figura 56 se puede observar que todo el circuito es alimentado por una fuente de 24
VDC, este voltaje no üene que ser provisto por una fuente extema puesto que la planta
cuenta con una en el interior del tablero de control y sus bomes de salida (+ y - de la
fuente) están ubicados en el panel frontal del tablero de control, por lo tanto puede
aprovecharse esta fuente para alimentar todos los dispositivos de la planta que funcionen
con ese voltaje de alimentación.
6.2.15 Transmisor de temperatura (TT301). El transmisor de temperatura es uno de los
138
dispositivos más importantes en el funcionamiento de la planta piloto puesto que es el
encargado de ejercer el monitoreo y el control de la temperatura del fluido del sistema.
En otras palabras, éste es la parte "inteligente" en el lazo de control de dicha variable
presentando caractelsücas que 1o hacen una máquina muy potente no sólo en las
funciones de monitoreo y transmisión sino también en la función de control de la variable.
Este transmisor de temperafura está catalogado como un transmisor "inteligente" (en la
sección 2.3 se hizo un estudio detallado de este tipo de transmisores) puesto que realiza
funciones y Procesos que son comandados por una unidad cenhal de proceso (CPU) la
cual se encarga de manejar todas las etapas del ltardwme que posee el equipo, así como
también de ejecutar los microprogramas que se encuentran almacenados en una memoria
PROM incorporada en é1.
Las características internas de este equipo* no son esfudiadas en este documento puesto
que dada su complejidad un estudio tan detallado se saldrfa del enfoque del presente
trabaio. Además el equipo posee un funcionamiento que, para lo que al esfudiante o al
usuario final concieme, es manejado netamente a través de instrucciones que son
ingresadas en el momento de su programación. Y dado que esta progtamación si
requiere un esfudio más detallado, más adelante se dedica una sección a dicho proceso.
El transmisor de temperafura tiene sus bomes de conexión en el panel frontal del tablero
*Para un mejor conocimiento de las características intemas del transmisor de temperafurase pueden consultar los manuales técnicos de éste, los cuales quedan a disposición delesfudiante en el laboratorio de electrónica de la Universidad Autónoma.
139
de control de la planta. El modo de conexión entre la fuente de voltaje, el hansmisor de
temperafura y el dispositivo que funcionará como acfuador puede verse representado en
lafiglrra57.
Transmisor de
temperatura TT301
Figun57. Conexiónentreeltansmisordetempemturayunconvertidordecoriente-preeión
En la figura 57 se observa como sería la forma de conectar un convertidor I/P - caso de
que este fuera el actuador del respectivo lazo de control - con el transmisor de
temperaturay Ia fuente de poder. Puede observarse que la conexión es la de un circuito
serie, en la cual la fuente de corriente es suplida por la salida del transmisor (actuando
como controlador) y la alimentación de todo el circuito es suministrada por la fuente de 24
VDC. Hay que tener muy en cuenta la resistencia de 250 O la cual debe ir extemamente
acoplada al bome negativo de la fuente de voltaje en el panel frontal del tablero de
control. Para una conexión donde el acfuador del lazo de control sea el variador
electrónico de velocidad o el convertidor de corriente - voltaje (I/V) la conexión se hará en
forma similar al de la fígwa57.0rlrralüd lut6nomr dc ftcllrrb
stccrofi SrEL|oTECA
de poder
140
Hay que tener en cuenta que todas las conexiones flsicas del transmisor (por ejemplo las
del elemento primario y las de los bomes de la fuente hacia el transmisor) ya está hechas
en la estructura interna de la planta, por lo tanto, el esfudiante no tendrá que destapar
para nada las tapas de protección del transmisor y sólo se limitará a realszat las
conexiones del respectivo lazo de control asignado en su guía de laboratorio.
6.2.16 Transmieor de presión (LD301). Este transmisor, al igual que el anterior juega un
papel muy importante en el control de la segunda variable implicada en la planta, la cual
es el nivel del fluido en el tanque secundario. Este equipo por ser diseñado y construido
por el mismo fabricante del transmisor de temperafura ya esfudiado posee características
muy similares a éste último en cuanto a su arquitecfura, su estructura y su
funcionamiento. La gran diferencia radica, como es obvio, en el tipo de variable flsica que
maneja y además en que éste posee el elemento primario de medición acoplado
directamente al equipo formando un solo conjunto.
Este transmisor de presión es utilizado como conholador en el lazo cerrado de control del
nivel del fluido en el tanque secundario. Para la medición y monitoreo del nivel, éste
utiliza el método de presión diferencial tomando mueshas de esta variable en dos puntos
(superior e inferior) del tanque. Los bomes de conexión de este transmisor están ubicados
también en el panel frontal del tablero de control y para efectos de conexión con los otros
dispositivos de la planta se puede seguir el ejemplo que se muestra en la figura 58.
1,41,
Transmisor depresión LD301
Figura 58. Conexión entre el transmisor de presión y un convertidor de coriente - presión
Como puede observarse en la figura 58, la conexión entre el transmisor de presión
(acfuando como controlador) y el dispositivo acfuador (en este caso un convertidor I/P) es
similar a la conexión que se realizó para el transmisor de temperafura esfudiado en la
sección anterior, teniendo en cuenta la fuente de alimentación de 24VDC y la resistencia
que debe ir externamente en el bome posiüvo de la fuente el cual se encuentra en el panel
frontal del tablero de control de la planta.
El ingreso de los parámetros de control y de funcionamiento para este transmisor serán
estudiados más adelante en la sección que trata la programación de ambos hansmisores
(el de temperatura y el de presión).
r42
6.2.17 Panel frontal del tablero de control de la planta. Como ya se ha estudiado en
diferentes secciones de este caplfulo, los dispositivos de la planta implicados en los
Procesos de monitoreo y conhol no se encuentran interconectados formando un lazo
cerrado. En lugar de ello, los bornes terminales de cada uno de estos dispositivos han
sido llevados a un tablero de control (ver figura 59) para que el esfudiante realice las
diferentes conexiones entre los diferentes dispositivos de acuerdo allazo de control que
vaya atealizar conforme a su guía de laboratorio.
En esta sección se muestran entonces los diferentes bomes e intermptores con los que
cuenta el panel frontal del tablero de control y de los que se valdrá el estudiante para
realizar las diferentes conexiones de acuerdo al respectivolazo de control d realizar.
¡ Interruptores start y stop general Estos dos intemrptores a manera de pulsadores
sirven para dar la marcha o parada general a toda la planta. Tienen a su lado dos
bombillos piloto para verificar el estado en el que se encuentra ésta.
o Interruptores de encendido y apagado de las bombas 1, y 2: Estos son dos
intermptores (de dos posiciones) uülizados para encender o apagar a voluntad las moto -
bombas de la planta piloto.
¡ Interruptor automático - manuat Este interruptor a manera de codillo sirve para
colocar el variador electrónico de velocidad del motor deliintercambiador de calor en
modo manual o en modo automático.
1,43
BOMBA I -BOMBA2
FI.'ENTE PR.OGRAT{ADORHAND-IIELD
@
@@
ffi\lELOCIDAD
@@
@@
@@START-GENERAL
@WSTOP- GENERAL
ffiSTOP
SIMT]LADOR4 -20mA
@@
ffiSTART
N{AN
tÍilEI
AUTO
@@
@@
FUENTE24YDC
@@
Figura 59. Esquema general del panel frontal del tablero de control.
144
. InterruPtores start y sto? del motor del intercambiador de calor: Estos dos
interruptores Ponen en marcha o deüenen el motor del intercambiador de calor, ya sea
que el variador electrónico para el control de su velocidad esté en modo manual o
automático.
¡ Perilla para el ajuste de la velocidad del motor del intercambiador de calor: Esta perilla
sirve para ajustar la velocidad del motor del intercambiador de calor sólo cuando el
variador de velocidad esté en modo manual.
. Bomes de conexión de la fuente de 24 VDC: Estos bomes a mÍulera de conectores
hembra suministran una fuente de poder de 24 voltios de corriente continua para
alimentar los diferentes dispositivos que se vayan a conectar en un determinado lazo de
control.
¡ Bomes de conexión del simulador de 4 - 20 mA: Estos bomes a manera de conectores
hembra suministran la señal de corriente del simulador de 4 - 20 mA que utilizan los
dispositivos acfuadores de la planta cuando se van a controlar en forma manual.
. Bome de conexión de alimentación para el programador manual Este bome a manera
de conector hembra suministra una alimentación de 9 VDC para el programador manual
de los transmisores de presión y de temperafura. Este voltaje debe ser usado
exclusivamente para este disposiüvo.
1,45
. Bomes de conexión del variador de velocidad (W): Por estos bomes se aplica la señal
de corriente de 4 - 20 mA provenientes, ya sea del simulador o de la salida del transmisor,
hacia el variador electrónico de velocidad del motor del intercambiador de calor.
¡ Bomes de conexión del transmisor de temperafura (TT): Estos son los puntos para
aplicar la señal de alimentación al transmisor de temperahan y a su vez son los puntos
por donde sale la señal de corriente de 4 - 20 mA de este transmisor cuando actlta como
controlador.
. Bomes de conexión del convertidor de corriente - voltaie (I/V): Por estos bomes se
aplica la señal de corriente de 4 - 20 mA provenientes, ya sea del simulador o de la salida
del transmisor, hacia el convertidor de corriente - voltaje I/Y, el cual actha sobre el relé de
estado sólido conectado a la resistencia de calentamiento.
. Bomes de conexión del convertidor de corriente - presión 1 (I/Pl): Por estos bomes se
aplica la señal de corriente de 4 - 20 mA provenientes, ya sea del simulador o de la salida
del transmisor, hacia el convertidor de corriente - presión I/P '1,, el cual actúa sobre la
válvula VL.
. Bomes de conexión del transmisor de flujo (TF): Por estos bomes se obüene una señal
de salida de 4 - 20 mA proveniente del transmisor de flujo, la cual puede ser utilizada
para ser llevada a un sistema de adquisición de datos para monitorear dicha variable.
146
r Bomes de conexión del transmisor de presión (TP): Estos son los puntos para aplicar
la señal de alimentación al hansmisor de presiíny a su vez son los puntos por donde sale
la señal de corriente de 4 - 20 mA de este transmisor cuando actúa como controlador.
¡ Bornes de conexión del convertidor de corriente - presión 2 (l/P2): Por estos bomes se
aplica la señal de corriente de 4 - 20 mA provenientes, ya sea del simulador o de la salida
del transmisor, hacia el convertidor de corriente - presión I/P Z el cual actúa sobre la
válvula V2.
6.3 PROGRAMACION DE LOS TITANSMISORES DE TEMPERATURA Y PRESION
La programación de los transmisores consiste en ingresar ciertos parámetros al transmisor
que son almacenados en la memoria del mismo y que son necesarios para su correcto
funcionamiento. Estos parámetros pueden ser enhe otros: el tipo de sensor que utilizará
el transmisor, el ajuste de los límites mínimo y máximo de medición del instrumento, el
üpo de dato que desplegará en la pantalla (variable del proceso, valor de consigna,
variable manipulada, ets.), parámetros de control PID (ganancia proporcional, tiempo
integral, tiempo derivativo, set point'¡, el tipo de acción del controlador (directa o inversa),
etc.
Esta sección da una guía al esfudiante sobre el ingreso de todos estos parámetros, así
como también sobre como poder desplazarse a través de todas las opciones del menú del
transmisor uülizando para ello el programador manual o lnnd - held.
1.47
6.3.1 Programador manual (hnnd - helQ. Los transmisores de temperatura TT30L y de
presión LD301 pueden ser programados de hes formas: utilizando un programador manual o
hfrnd-held,:utilizando un destomillador magnético (para programación en campo), o utilizando el
computador personal mediante wr nfiuwe especiat distrbuido por el fabricante de los
fuansmisores.
En esle documento se considera sólo la programacíón usando elhfrld - held o prcgtamador manual
Este es el mébdo más práctico ya que elhfrIn - fuld supera el manejo engoroso del destomillador
magnético y, al¡nque no es tan rápido como el I€ tambien oftece la ventaja de ocupar menos
espacio dado su pequeño tamaño. En la figura 60 puede ver€e un esquema del programador
manualysus parbs exbnas más importanbs. ¡
Elnfume del programador manual üsre las siguienbs caracMsticas:
Idertificación deltransmisor y especificación de datos.
Redefinición del rango de tabajo del fuansmisor sin rccurrir a una fuente exbma.
Funcionesdetransferenciadeflujo (rF, ^[7, .f,t)-.
. Función especial de linealización de acuerdo con una tabla de L6 puntos*.
. Aiuste de corriente constante de 3.9 a 2L mA para la prueba de bucle.
¡ Monitoreo de todas las variables del transmisor: PV, SP,PV%, SP%, MV, NN%, salid4
error y temperafura del sensor.
* Funciones válidas sólo para el software del hansmisor de presión.
lnterfoce decomunicoción
Conexión defuente externo
Visor
Ajuste decontroste
Slot B
Effiffiffi ffiffiffi ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
Conexiónol tronsmisor
Figuro ó0. Progromodor monuql.
149
o Monitoreo y activación del controlador pata establecer el set point, la variable del
proceso, la variable reguladora y el estado auto/manual.
. Aiuste de los parámetros del controlador.
o Diagnóstico y determinación de fallas en el procesador o el transmisor.
Las operaciones que toman lugar entre el programador manual y el transmisor no
interrumpen la medición y no alteran la señal de salida. Se puede conectar el
programador manual en el mismo par de cables que se usan para la señal de 4 - 20 mA,
hasta 2 km de distancia del transmisor (ver hgwa6l).
Transmisor detemperatura TT301
Programadormanual
Figura 61. Conexión del programador manual al transmisor.
0rlrÍ¡latd AutÚnom¡ dc occllrbsEocloN BlEtloTEcA
150
El programador manual posee en su parte derecha dos ranuras o shts donde se insertan
cartuchos de memoría o ilatapacks con las siguientes funciones: el de la ranura B, al
software del transmisor y el de la ranura C, a un carfucho de memoria donde se pueden
guardar los datos correspondientes a la configuración acfual del transmisor (ver figura
60). Para la rcalizacíín del respecüvo laboratorio, el esfudiante deberá usar el carfucho
correspondiente al transmisor que vaya a ulilizar. Para ello, cada carfucho está marcado
con una etiqueta indicando el tipo de transmisor determinado (LD301 o TT301,) este
carfucho deberá cambiarse antes de encender el transmisor y debe ser colocado en la
ranura B (slot C) del programador manual.
6.3.2 Programación del transmisor de temperatura TT301. Para la programación del
transmisor de temperafura en línea se debe estar seguro de que el transmisor está
correctamente instalado, con la fuente de poder adecuadamente conectada, con la
resistencia de 250 Q en serie con el bome negativo de la fuente y con el programador
manual en paralelo con los bomes del transmisor.
La programación del transmisor de temperafura puede ser realizada teniendo en cuenta el
árbol de programación moshado en Ia fígara 62. En éste se pueden observar en una
manera global todos los posibles parámetros que pueden ser ingresados al equipo. Sin
embargo, en este documento sólo serán tenidos en cuenta aquellos que van a ser los más
utilizados en las gulas de laboratorio.
L51
Information Configuration Monitoring
'T"g .Lower Value.Desoriptor .UpperValue.Date Modified .Unit.Mcssage .pqmFing.Integral Meter .Output.Se¡¡sorTWe üum-Out.SensorRangc .Dirplay
.Sensor
.PIDON/OFF
Cobol.Indioation.Safety Limitg.Tuning.T, SP-Table .Conf_Level
.WR-PROT
Trim.Cu¡rc¡rt
'SP*
Maintcnanoe Alarm Configuration.Format .AoknorrledgeDownlosd&.Change Countcr .Actio¡r Upload.Pas¡word ¿imitr .I{IIT-XMTR
.XMTR-HHT
.E:rit
Figura 62. Arbol de programación del transmisor de temperatura.
Una vez que el programador mÍrnual se encienda por primera vez mostrará por pantalla
el mensaje mosfuado en la figura 63.
SELECTLANGUAGE
pnglish FrangaisDeutsch
Figura 63. Mensaie del programador manual en el encendido.
Un cursor aparecerá parpadeando sobre la palabra Englistg el cual es el lenguaje
disponible para la versión acfual del saffitme del transmisor. Presione la tecla EXE del
programador manual y será desplegado un mensaje similar al de la figura 64 en el visor o
pantalla del hand - held.
t52
00:00aIt30l otr
Figura 64. Mensaie de selección de encenüdo o apagado del programador manual.
Moviendo el cursor a la derecha para ubicarlo sobre la palabra Off y presionando la tecla
EXE el programador manual se apagará.
Con el cursor parpadeando sobre la palabra Tt301 se pulsa la tecla EXE. En este momento
el sistema operacional es transferido desde la memoria del carfucho presente en el slot B
del programador hacia la memoria RAM de éste y en la pantalla se visualiza un mensaje
similar al de la figura 65.
HAND TIELD TERMINALMODEL IIT23O1
Version IJO(
Figura 65. Primer meneaje al activar el s oflw are del tranemieor TT301.
Después de unos pocos segundos se üsualiza un mensaje similar al de la figuita 66.
SMAR.TIT23OlqN_LINE_SINGLE_LNrTON-LINE-MI.JLTIDROPE)ilT
Figura 66. Segundo mensaje al activar elsoflwarc del transmisor TT301.
153
Una vez el cursor aparezr;a parpadeando sobre la opción ON-LINE-SINGLE-UNIT se
pulsa la tecla EXE y aparecerá un mensaje en el üsor similar al de la figarc 67.
>>>> SMAR-TT30I <<<<Outpu[
Temperature )O\,ÍTR)CvlTRVersion 1.)O(
Figura 67. Meneaie de reconocimiento del tranemisor TT301 en línea con el
programador manual.
El mensaje desplegado indica que el transmisor está habajando como transmisor (XMIR)
de temperafuru y Ia versión de su software es L.XX. Inmediatamente después de esto, el
menú principal es desplegado en el üsor del programador manual (ver figura 68).
/ (TAG) )G4TRINFO CONF MONTTTRIM MAINT ALARME)OT
Figura 68. Menú principal del transmisor TT301 configurado como transmisor (XIVfm).
Si el transmisor ha sido configurado anteriormente como controlador aparecerá un
mensaje similar al de la hgulra69.
/ (TAG) PID
INFO CONF MONITCNTRL TRIM MAINTALARM E)ilT
Figura 69. Menú principal del transmisor TT301 configurado como controlador (PID).
154
Las opciones que apatecen en el menú del visor del programador manual (figura 69)
corresponden a las mismas opciones observadas en la tercera rama del árbol de
programación del transmisor TT301 (ver figura 62). La función de cada una de estas
opciones son explicadas a continuación.
. TAG: Es un espacio de ocho caracteres reservados para la etiqueta del transmisor.
. INFO: Es la opción donde la información principal del transmisor puede ser accesada.
. CONF: Es la opción de entrada a la configuración de parámetros relacionados con la
salida del transmisor (valor inferior, valor superior, unidades, amortiguamientg función
de salida, tipo de sensor, modo del transmisor y display).
¡ MONIT: Es la opción que permite monitorear al usuario cuatro de las variables
dinámicas del transmisor y la salida de corriente.
¡ CNTRL: Es la opción donde todos los parámetros del controlador pueden ser
ajustados y monitoreados.
. TRIM: Es la opción usada para ajustar la indicación del transmisor de acuerdo a un
multímetro de referencia.
155
. MAINT: Es la opción usada para cambiar palabras claves, para establecer el nivel de
palabra clave atribuido a cada operación de configuración y para leer los contadores de
operación.
. LOAD: Es la opción usada para transferir al transmisor conectado al programador
manual una de las configuraciones almacenadas en el cartucho de memoria o para
transferir la configuración del transmisor al programador manual.
. EXIT: Es la opción usada para regresar al menú anterior. También se puede usar la
tecla ON para lograr el mismo efecto.
De todas las opciones anteriores sólo serán estudiadas las opciones CONF y CNTRL.
Estos dos ítems a su vez cuentan con más opciones algunas de los cuales no juegan un
papel muy importante al momento de llevar a cabo las guías de laboratorio. Por lo tanto
se examinarán sólo las que se consideran más importantes para La realización de dicha
labor. Como siempre, si se desea profundizar más en alguna de las opciones se puede
consultar el manual técnico del hansmisor.
6.3.2.1 Menú de configuración (COND. A través de esta opción se estudiará la manera
de cambiar el rango de habajo del transmisor, así como también la manera de cambiarlo
del modo transmisor al modo controlador.
156
Para cambiar el rango de operación del transmisor, con el programador manual, se debe
activar la opción CONF denho de las opciones del menú principal que muestra el
programador manual en su pantalla (ver figura 68). Para hacerlo, se debe mover el cursor
hasta dicha opción y allí pulsar la tecla EXE. Una vez hecho esto aparecerá en el üsor del
programador manual una pantalla similar a la de lafigwa7o.
/coNF crAG) )c\4TRlower -100.00'CUpper 300.00 oC
unit= oc
Figura 70. Pantalla de entrada al menú CONF.
Una vez allí, el cursor apatecerá parpadeando sobre la palabra Lower, entonces se debe
pulsar la tecla EXE si se desea cambiar el límite inferior del rango. Unavez que esto se ha
hecho, entonces el programador mostrará una pantalla similar al de la figura71,.
/CONF CIAG) )OvfTRpowerRange AdjustlLower -100.00 "CChangeit? Y/N
Figura Zl. Pantalla de cambio del límite inferior del rango de meüción del transmisor.
Se debe pulsar la tecla Y si efectivamente se desea cambiar ese valor o N si se desea
cancelar la opción y regresar a la pantalla anterior. Si se pulsa la tecla Y, entonces
aparecerá una pantalla como la de la hgwa72.
/coNF GAG) )ovrTR
Control loop shouldbeinMANUAL ! IE)(EI
Figura 72. Pantalla de advertencia por el cambio efecfuado al tranemisor.
L57
El mensaje mostrado en la figura 72 es urta advertencia para el usuario. Este le indica que
debe estar seguro de que la señal de salida no creará disturbios en la operación de la
planta. A continuación se pulsa la tecla EXE para continuar con la operación y deberá
aparecer una pantalla en el visor del programador manual similar al de la figwa73.
/CONF CIAG) )0\4TRpowerRange AdjustlWITHOUT RETIERENCEWITHREFERENCE
Figura 73. Pantalla de selección de cambio del rango con o sin referencia.
El cursor aparecerá ahora parpadeando sobre el mensaje "WITIOUTREFERENCE'. Se debe
pulsar la tecla EXE si el ajuste del nuevo rango se desea efectuar sin aplicar algún tipo de
referencia al transmisor (es 1o recomendado). Una vez se pulse la tecla EXE, el
programador manual mostrará en el visor una pantalla similar al de la figura 74, en Ia
cual indica los límites del rango para el tipo de sensor acfual (en este caso para un sensor
Pt100). Unos segundos después muestra una pantalla similar al de la fíglra 75
solicitando el nuevo valor para el límite inferior.
/CONF (TAG) )c\4TRRange Limits:Lo= -200.00 "CHi= 850 oC
Figura 74. Pantalla de los valores límites del rango del transmisor para el seneor actual.
/coNF (TAG) )CvfTRTlpe Lower RangeLo(C):_
Figura 75. Pantalla de solicitud del nuevo valor para el límite inferior.
158
Se debe ingresar el nuevo valor a través del teclado numérico del programador manual,
teniendo en cuenta que no debe ser menor al indicado como llmite inferior para el sensor
acfual. Una vez ingresado el valor correcto se pulsa la tecla EXE para validar y aparece
una pantalla sirnilar a la de Ia figura76.
/CONF CIAG) )c\4TR
Loop maybe refirnedto AUTO ! tE)Gl
Figura 76. Pantalla de confirmación para el nuevo valor de límite inferior ingresado.
Unavez en esta pantall4 se pulsa la tecla EXE y el programador muestra ahora el nuevo
valor ingresado por el usuario. Por ejemplo, si el valor ingresado fue 0.00 "C, entonces
aparecerá una pantalla como la de la figara77.
/CONF (TAG) )0vfTR
lower= 0.00 oC
Upper 300.00 oC
Unit= oC
Frgun77. Pantalh con el nuevo valor pan el límite inferior del rango del tranemisor TT3OI.
Esta pantalla muestra la nueva configuración del transmisor con el llmite inferior del
rango de medida modificado. Para modificar el llmite superior, si se desea, se desplazará
el cursor hacia abajo para ubicarlo sobre el mensaje "Upper Yalud', se pulsará la tecla
EXE y se procederá a llevar a cabo la misma serie de pasos utilizados en el cambio del
valor del límite inferior.
Para cambiar el modo del controlador, de transmisor (XMIR) a controlador (PID), se debe
ingresar al ítem PID dentro de las opciones que ofrece el menír CONF. Pata realizarlo, se
debe avanzar dentro de las opciones de este menh hasta visualizar una pantalla similar a
la de la frywa78.
/CONF CIAG) )CvfTRDisp.= P\F/o NoneSensor Pt100 I 3WPID Module is OFF
Figura 78. Pantalla para el cambio del modo del tranemisor.
Una vez ubicado en esta pantalla se desplaza el cursor hasta la opción "PID is Module
OFF" y se pulsa la tecla EXE. Se debe confirmar el cambio pulsando la tecla Y o la tecla N
para dejarlo nuevamente en modo hansmisor. Si el cambio es afirmativo, entonces el
hansmisor queda configurado como controlador y su salida de corriente dependerá de la
fórmula: MV = Kp(e+!¡ra, *r¿ il:l >, donde:' Tr¿ dt ''
e= PV - SP (salida directa) ó SP - PV (salida inversa)
SP= set point
PV= variable de proceso
Kp= ganancia proporcional
Tr= tiempo integral
Td= üempo derivativo
MV= variable manipulada (salida)
Nótese que ahora apatacerá la opción CNTRL en la pantalla del menú principal,
159
0rl¡rrJard Aut6oom¡ dc OccllrbsEúttof{ BrELloTEcA
permitiendo cambiar los parámetros del control PID.
160
6.3.2.2 Menú de control (CNTRI). Este menú puede ser sólo accesado cuando el módulo
PID está encendido, es decir, cuando el transmisor está trabajando como controlador.
Cuando esto es así, entonces el menh principal aparxerá en el visor del programador
manual tal como 1o muestra [afígwa79.
/ (TAG) PID
II.IFO CONF MONITCNTRL TRJM MAINTALARM E)ilT
Figura 79. Opcionee del transmisor TT301 configurado como controlador (PID).
Para ingresar al menh CNTRL se debe ubicar el cursor en dicha opción y a continuación
pulsar la tecla EXE. Una vez que se haya hecho esto, la pantalla del programador manual
desplegará las opciones que se observan en la figura 80 y que corresponden al árbol del
menú CNTRL mostrado en la figura 8L.
/CNTR C[AG) -PrD
INDIC. SAF-LIMTTUNING OP-MODESP. TABLE E)(IT
Figura 80. Opciones del menú CNTRL.
SP
PVAutdManualMVSPTIMEPause/Run
KPTRTD
Outpt Max DirectlReverse T. S Points
Outprt Min SP Tracking On/OffRate of Changc Pov¡er On ModeSaf€ty Out SP Generatoron/Off
OPERATINGMODE
Figura 81. Arbol del menú CNTRL.
1.61,
Para cambiar alguno de los parámetros en este menú, basta con seguir la opción deseada
desplazándose con el cursor hasta enconharla, y seleccionándola mediante la pulsación de
la tecla EXE. A continuación se puede seguir el mismo procedimiento empleado para
configurar los diferentes parámehos del controlador, tal como se explicó en la sección
anterior. Para llegar hasta la opción deseada se puede guiar mediante el árbol del menú
de la figura 81-.
6.3.3 Programación del transmisor de presión LD301. La programación del kansmisor
de presión puede ser realizada teniendo en cuenta el árbol de programación mostrado en
la figura 82. En éste se pueden observar en una manera global todos los posibles
parámetros que pueden ser ingresados al equipo.
Informaüm Configmtim Monitoring.Tag .LowcrValuc OutmA.Dcscriptor .Uppcr Valu .PV%.Datc Modificd .Unit .PV.Messogc .D*porg .lvÍ\ltÁ.Dats Shcct .F\¡¡¡ction .Tcmp€rature.E¡dt .O¡Off .SP%
.TsblcPoinb .SP
.Display .ERROR%
.UscrUnit .TOTAI
.PIDON/OFF.Bdt
.Fail_Ssfe
.Bdt
CoEollcr Trim.Indicstion .Cr¡rcnt.SafetyLimit .Pressr¡e.Tuni¡rg .Bdt.Operaücr
Modc.Exit
Totcliatim Confrguration.lvlorFlow DovmLosd&.UnitTotal Uplood.Unit .HHT-XMTR.Rcsct .XMIR-HIIT.o'/off .hir.E)dt
I{sintd¡ree.Fümat.Op_Cffit.Bsclfl¡p.kssword.Conf_Lcvcl.WR-PROT.E)dt
Figura 82. Arbol de programación del transmisor de presión.
'1.62
lJna vezque el programador manual se encienda por primera vez mostratá pot pantalla
el mensaje mostrado en la figura 83.
SELECT LA}.IGUAGE
pnglish FrangaisDeutsch
Figura 83. Mensaje inicial del programador manual.
Un cursor aparecerá parpadeando sobre la palabra English, el cual es el lenguaje
disponible para la versión acfual del softanre del transmisor. Presionando la tecla EXE del
programador manual será desplegado un mensaje similar al de la figura 84 en el üsor o
pantalla del hand - held.
00:00aLd30l otr
Figura 84. Mensaje de encendido o apagado del programador manual.
Moüendo el cursor a la derecha para ubicarlo sobre la palabra Off y presionando la tecla
EXE, el programador manual se apagará.
Con el cursor parpadeando sobre la palabra Ld301 se pulsa la tecla EXE. En este
momento el sistema operacional es transferido desde la memoria del carfucho presente en
el slot B del programador hacia la memoria RAM de éste y en la pantalla se üsualiza un
mensaje similar al de la figura 85.
163
HA}[D I{ELD 1SRMINALMODELIIIIT3OI
Version 5)O(
Figura 85. Meneaie inicial al activar elsoffiitarc del transmisor LD301.
Después de unos pocos segundos se visualiza un mensaje similar al de la figura 86.
SMAR-TIHT3OI
QN_LINE_STNGLE_UNTTON-LINE-MI,JLTIDROPE)CT
Figura 86. Mensaie secundario al activar elsoftanre del transmisor LD301.
Una vez el cursor aparezca parpadeando sobre la opción ON-LINE-SINGLF.-UNIT se
pulsa la tecla EXE y ap;arecerá un mensaje en el visor similar al de la frgara&7.
>>>> SMARI-D301 <<<<
Pressure )CvITRVersion 5JO(
Figur¿S7. Mensaiedercconocimientodeltansmisorl,fXlllmlíneaconelpognmadormanual
El mensaje desplegado indica que el hansmisor está trabajando como transmisor (XMTR)
de presión y la versión de su sofltnme es 5.XX. Inmediatamente después de esto, el menú
principal es desplegado en el visor del programador manual (ver figura 88).
/ crAG) )0\4TR
INFO CONF MONrrTRIM MATNT TOTALLOAD E)OT
Figura 88. Menú principal del transmieor LD30l configurado como transmisor (XMTR).
L64
Si el transmisor ha sido configurado anterionnente como controlador aparecerá un
mensaje similar al de la figura 89.
/ crAG) PrD
INFO CONF MONrrCNTRL TRJM MAINTTOTAL LOAD E)CT
Figura 89. Menú principal del tranemisor LD30l configurado como controlador (PID).
Las opciones que aparecen en el menú del visor del programador manual (figura 89)
corresponden a las mismas opciones observadas en la tercera rama del árbol de
programación del transmisor LD30L (ver figura 82). Para el cambio de cualquiera de los
parámetros que contienen estas opciones se puede seguir un procedimiento similar al
utilizado en la programación del hansmisor de temperafura visto en la sección 6.3.2. Paru
ello, basta con utilizar el árbol de programación de la figura 82 como guía para irse
desplazando por cada uno de los parámehos de las diferentes opciones e ingresar
mediante el desplazamiento del cursor hasta la opción deseada pulsando la tecla EXE y
haciendo los cambios respectivos. Como siempre si se quiere profundizar en los
conocimientos de la programación se puede consultar el manual técnico de este
transmisor.
7. DESARROLLO DE I*A,S GUIAS DE LABORATORIO PARA I-A SIMUIA.CION DE
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES CON LA PLANTA PILOTO.
7.1 INTRODUCCION
Las guías de laboratorio se han desarrollado en este documento, como una herramienta
para que el esfudiante que haga uso de la planta piloto tenga una visión más clara de las
conexiones entre los diferentes dispositivos que la conformarr, asi como también del
correcto ingreso de parámetros hacia los hansmisores los cuales juegan el papel más
importante en los diferentes lazos de conhol arealizar. En el desarrollo de las guías serán
de gran utilidad las características de los componentes de la planta esfudiadas en el
capítulo anterior al igual que serán muy útiles los manuales técnicos de programación de
los transmisores de presión y temperatura.
Las guías están orientadas hacia aquellos esfudiantes que necesiten reahzar prácticas en
sistemas de conhol de procesos industriales, por ello se han seleccionado, para el presente
capítulo, los ejemplos más prácticos de lo que podrla ser un lazo cerrado de control de un
proceso indushial típico. Las guías están compuestas básicamente de una pequeña
introducción teórica, y una práctica que deberá ser llevada a cabo por el estudiante, el cual
deducirá al final, los resultados de dicha prácüca basado en sus conocimientos teóricos.
Las guías sin embargo, podrán ser ampliadas o reemplazadas por ohas diferentes
conforme a los conocimientos o al nivel del esfudiante que vaya a realizarlas. En este
1.66
caso, el instructor será el encargado de diseñar nuevas guías paratA efecto, pudíéndose
basar en las que se presentan en este capífulo y teniendo muy en cuenta las caracterlsticas
de los dispositivos que conforman la planta.
7.2 LABOI{ATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No.1.
¡ Tífulo: Lazo de control de temperafura utilizando el variador de velocidad como
dispositivo de corrección final.
. Obietivos:
- Analizar las caracterísücas básicas de un lazo cerrado de control de temperafura.
- Conocer el conexionado entre los dispositivos de la planta que intervienen en el lazo de
control.
- Conocer el cambio de parámetros del hansmisor de temperatura acfuando como
controlador.
- Determinar las ventajas y/o desventajas que presenta el variador de velocidad como
dispositivo de corrección final en este lazo de control.
¡ Introducción: En este laboratorio se pretende que el estudiante realice la primer
práctica de control utilizando como variable conholada, la temperatura. El lazo de control
será conectado utilizando algunos disposiüvos de la planta. Su conexión está
representada en las figuras 90 y 91.
1,67
Figura 90. Diagrama esquemático de conexionee para el laboratorio 1.
FUENTE2/'vDc
SIMTILADOR4 -2OmA
@@
'Figura 91. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 1.
La figura 90 es el diagrama esquemático de conexiones de los dispositivos de la planta
que interüenen en este laboratorio, mientras que la figura 9L es un diagrama pictórico
24VDC= TRANSMSOR DE
168
rePresent¿rndo una parte del panel frontal del tablero de control de la plant4 en la cual se
han hecho las conexiones entre los bomes de los disposiüvos que intervienen en el lazo de
control del presente laboratorio.
En este caso, la temperafura es monitoreada por el transmisor de temperafura TT301
(actuando como controlador) y es conegida por la acción del variador de velocidad sobre
el motor del intercambiador de calor, el cual se encarga de mantener la temperafura del
fluido circulante en un valor muy cercano al valor de referencia o set point. Los dos
convertidores I/P y el convertidor I/V son mantenidos de forma constante a un L00% de
su capacidad total de funcionamiento mediante el simulador de 4 - 20 mA. El conhol es
rcalizado por el hansmisor TT30L, el cual ejerce una acción proporcional más integral en
su salida, la cual es aplicada a la entrada del circuito variador de velocidad.
La acción proporcional del controlador genetará una salida que será proporcional a la
desviación de la variable de proceso con respecto al set point, acfuando denho de una
banda proporcional que será ingresada por el esfudiante, y la acción integral hará una
reposición del offset de la variable de proceso en el tiempo, para acercarla lo máximo
posible al valor del set point, mediante el parámetro de tiempo integral
(minutos/ repetición) ingresado al controlador.
r Materiales:
- Programador manu aI (hand - held).
'l.,69
- Cartucho del software del transmisor TT30L.
- Resistencia de 250 (2-rhw.
- Cronómeho.
- Caimanes.
¡ Prácüca:
- Alimente el circuito neumático de la planta mediante un compresor y ajuste la presión
en la unidad de aire de entrada de la planta a 20 psi.
- Alimente el circuito general de la planta (a 1L0 VAC) y enciéndala mediante el pulsador
de inicio (start general).
- Llene el tanque principal con el fluido y encienda momentáneamente la bomba l para
permitir el llenado parcial del tanque secundario.
- Una vez que los dos tanques estén llenos, por lo menos hasta Las 3/a partes de su
capacidad total, apagae la bomba 1 y cierre la toma de llenado del tanque principal.
- En el panel frontal del tablero de control de la planta, haga las conexiones de la figura
9Q o bien de la figura 91 (tenga en cuenta de conectar la resistencia de 250 O entre el
bome negaüvo de la fuente y el bome negativo del variador de velocidad) .
- Coloque el cartucho correspondiente al softwme del transmisor de temperatura TT30L en
Urlülrsla|t' lut6nomr dr OcciartrSECCION BIBLIOTECA
el slot B del programador manual.
170
- Conecte el cable de alimentación del programador manual al respecüvo bome en el
panel frontal del tablero de control y coloque los cables de comunicación del programador
entre el bome positivo de la fuente y el bome negaüvo del variador de velocidad (ver
hgna92).
Figura 92. Diagama pictórico de conexión del programador manual para el laboratorio 1.
Como puede observarse los cables de comunicación del programador manual no tienen
polaridad específica, así que no presentan ningún inconveniente en su conexión.
- Una vez conectado el programador manual, y ya encendido el transmisor (éste se
enciende al iniciar la planta), se procede a encender el programador mediante la pulsación
de la tecla ON.
- Con el programador manual encendido cambie el modo del transmisor de temperafura
171,
a modo controlador (PID).
- Ajuste los parámetros de control del transmisor de la siguiente manera: set point (SP) =
40"C, ganancia proporcional (kp) = 5Q tiempo integral (ti) = 1.0O tiempo derivativo (td¡ =
O acción de salida del controlador = directa.
- Mediante el programador manual, monitorice las variables de control usando el menú
MONITORING.
- Una vez tealtzados los pasos anteriores, el proceso se encuenha listo para ser iniciado.
La pantalla del transmisor en este momento debe estar indicando la temperafura acfual
del fluido del tanque principal que debe ser aproximadamente igual a la temperatura
ambiente. Para iniciar el proceso, entonces, coloque el simulador de 4 - 20 mA en el L00%
mediante la perilla selectora de rangos. En este momento se abren los dos l/P all00% y
la resistencia de calentamiento trabajará a su máxima potencia.
- Encienda las moto - bombas 1 y 2 para que el fluido circule libremente entre los dos
tanques de la planta y asegúrese de que el interruptor de cambio manual/automático del
variador de velocidad se encuentra en la posición AUTO. Además asegúrese de pulsar el
botón START del variador de velocidad.
L72
- Espere un momento mientras la temperafura se va acercando al valor de referencia.
- A medida que la temperatura se acerca más al valor de referencia observe
atentamente la lectura que despliega en ese momento la pantalla del programador
manual.
- Inmediatamente la señal de salida del transmisor empiece a cambiar de valor y éste sea
diferente de 4 mA (lo indica en la pantalla del programador el parámetro MV), anote en
un papel, en cuanto le sea posible, la mayoría de los valores que toma la señal de salida
conforme a la temperatura desplegada en la pantalla del transmisor. Arme una tabla con
estos valores.
- Una vez que la temperafura alcance el valor de referencia, observe si ésta se mantiene o
existe algún sobrepaso. Si es asl, anote el valor del sobrepaso máximo y determine las
causas que lo generan.
- Anote la cantidad de tiempo que tarda el sistema en estabilizarse para lograr que la
variable de proceso sea igual a la de referencia. Observe también la acción de corrección
del motor del intercambiador de calor, qué cambios observa en su comportamiento?.
- Una vez que la temperatura se haya estabilizado en su valor más cercano al set point
empiece a cronomehar durante un período de 15 minutos y anote los valores que toma la
173
variable de proceso a intervalos de un minuto. Realice un gráfico temperafura vs. tiempo
para estos valores.
. Problema:
Haga perturbaciones al sistema variando la señal del simulador de 4 - 20 mA a un75% de
su r¿rngo de trabajo. Con esto, tanto los I/P como la resistencia de calentamiento,
disminuirán su capacidad de habajo a wt75 %. Al disminuir la temperatura, determine
que acción deberá tomar el motor del intercambiador de calor. Determine si en esta
ocasión se presenta algún sobrepaso de la variable de proceso con respecto al valor de
referencia. Anote ese valor y determine el sentido del sobrepaso. Anote el tiempo que
tarda el sistema en estabilizarse y compárelo con el mismo parámetro realizado en la
pr áctíca del laboratorio.
7.3 LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No.2.
. Tífulo: Lazo de control de temperafura utilizando la válvula número 2 como
dispositivo de corrección final.
. Obietivos:
- Determinar las ventajas y/o desventajas que presenta la válvula neumática 2 como
dispositivo de corrección final en este lazo de control.
174
- Comparar la eficiencia de la acción controladora de la válvula con la acción del variador
de velocidad.
¡ Introducción: En este laboratorio también se realizará un lazo cerrado de conhol, en el
cual la variable controlada será la temperafura. Pero en esta ocasión, el dispositivo
encargado de reahzar la corrección final de esta variable será la válvula número 2 de la
planta piloto, la cual regula el paso del fluido que se dirige hacia el intercambiador de
calor y de ahí hacia el tanque principal. La forma de conexión de los diferentes
dispositivos participantes en este lazo de control es mostrada en las figuras 93 y 94.
Para realizar el control, la válvula neumática (controlada por el I/P) permitirá el paso, en
mayor o menor grado, del líquido proveniente del tanque secundario hacia el tanque
principal. El líquido, por su parte, pasará por el intercambiador de calor el cual hará que
se disminuya su temperafura por su acción disipadora de calor. Esto implica que el
motor del intercambiador de calor deberá estar en funcionamiento durante toda la
operación. Para este caso, el motor estará habajando a un 15% de su velocidad, mienhas
que el l/Pl, y el convertidor I/V trabajarán alI00% de su capacidad total.
Figura 93. Diagrama esquemático de conexiones para el laboratorio 2.
FI'ENTE24YDC
SIMT'IADOR4-20mA
FI.'ENTEPROGRAN{ADORHAND-IIELD
175
Figura 94. Diagrama pictórico de conexiones p¡rra el laboratorio 2.
. Materiales:
- Programador manual (hand - held).
- Carhrcho delsofiware del transmisor TT301.
- Resistencia de 250 d2 -r/2.w.
- Cronómetro.
- Caimanes.
¡ Práctica:
- Alimente el circuito neumático de la planta mediante un compresor y ajuste la
en la unidad de aire de entrada de la planta a 20 psi.
176
- Alimente el circuito general de la planta (a 110 VAC) y enciéndala mediante el pulsador
de inicio (start general).
- Llene el tanque principal con el fluido y encienda momentáneamente la bomba L para
permitir el llenado parcial del tanque secundario.
- Una vez que los dos tanques estén llenos, por lo menos hasta Ias e/e partes de su
capacidad total, apague la bomba L y cierre la toma de llenado del tanque principal.
- En el panel frontal del tablero de control de la planta, haga las conexiones de la figura
93, o bien de la figura 94 (tenga en cuenta de conectar la resistencia de 250 O entre el
bome negaüvo de la fuente y el bome negaüvo dell/P2) .
- Coloque el cartucho correspondiente al softatme del transmisor de temperafura TT30L en
elslot B del programador manual.
- Conecte el cable de alimentación del programador manual al respectivo bome en el
panel frontal del tablero de conhol y coloque los cables de comunicación del programador
entre el bome positivo de la fuente y el bome negaüvo dell/P2 (ver figura 95).
- Una vez conectado el programador manual, y ya encendido el transmisor (éste se
enciende al iniciar la planta), se procede a encender el programador mediante la pulsación
de la tecla ON.
177
Figura 95. Diagrama pictórico de conexión del programador manual para el laboratorio 2.
- Con el programador manual encendido coloque el modo del transmisor de temperafura
a modo controlador (PID).
- Ajuste los parámetros de control del transmisor de la siguiente manera: set point (SP) =
40"C, ganancia proporcional (kp) = 5Q tiempo integral (ti) = 1.0Q üempo derivativo (td) =
O, acción de salida del controlador = di¡ecta. Los parámetros de conhol fueron
determinados uülizando el método de tanteo enlazo cerrado.
- Mediante el programador manual, monitoree las variables de control usando el menú
MONITORING.
- Una vez reaLzados los pasos anteriores, el proceso se encuentra listo para ser iniciado.
La pantalla del hansmisor en este momento debe estar indicando la temperatura acfual
del fluido del tanque principal que debe ser aproximadamente igual a la temperatura
-eo o@t @l
178
ambiente (si el líquido se suministra por primera vez). Para iniciar el proceso, entonces,
coloque el simulador de 4 - 20 mA en el L0O% mediante la perilla selectora de rangos. En
este momento se abre eI I/P1, al IOOYo y la resistencia de calentamiento habajará a su
máxima potencia.
- Encienda las moto - bombas I y 2 para que el fluido circule libremente entre los dos
tanques de la planta y asegúrese de que el interruptor de cambio manual/automático del
variador de velocidad se encuentra en la posición MANUAL.
- Pulse el botón START del control del variador de velocidad y mueva la perilla del
control de velocidad del motor del intercambiador de calor, hasta que el motor alcance
aproximadamente un 15% de su velocidad máxima.
- Espere un momento mientras la temperafura se va aproximando al valor de referencia.
- Una vez que la temperafura se aproxima aI set point,la salida del controlador deberá
empezat a variar. Esto lo puede verificar en la pantalla del programador manual o bien,
observando el manómeho conectado en la salida de aire dell/P2. Qué cambios observa
en la válvula neumática 2 ?.
- Halle un promedio del tiempo que tarda la variable de proceso en estabilizarse, es decr,
en aproximarse lo máximo posible al valor de referencia, una vez que la salida del
controlador ha empezado a variar. Compare ese valor con el mismo hallado en el
laboratorio L .
179
- Cuando observe que la salida del controlador esté ya más estable, empiece a
cronometrar Por un perlodo de 15 minutos y anote los valores que toma la temperafura a
intervalos de un minuto. Realice un gráfico de temperatura vs. üempo con esos valores y
compárela con la del laboratorio L. Diga, de acuerdo con esta comparación y con la
comparación del punto anterior, cuál de los dos sistemas de control le parece el más
efectivo y por qué.
. Problema:
Aumente la velocidad del motor del intercambiador de calor a un 50 %, moviendo la
perilla para el ajuste de su velocidad. Qué acción deberá tomar ahora la válvula
neumática 2 ?. Determine el valor del sobrepaso de la variable de proceso con respecto al
set point y el senüdo del mismo. Qué parámetro debe cambiar en el controlador si el
sobrepaso es muy grande y por qué ?.
7.4 LABOITATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No.3.
r Tífulo: Lazo de control de temperafura utilüando el convertidor corriente - voltaje
(I/V) como dispositivo de corrección final.
. Objetivo:
- Determinar las ventajas y/o desventajas que presenta el convertidor I/Y como
hlnnfard lulünom¡ dc Occlrl¡rbsEoctof{ 8t8t-loTEcA
180
disposiüvo de corrección final en este lazo decontrol.
' Introducción: En este laboratorio se realizará un lazo cerrado de control, en el cual la
variable controlada será la temperafura. El dispositivo encargado de rcaltzar la corrección
final de esta variable será el convertidor corriente - voltaje (I/V) de la planta piloto, el cual
controla la potencia suminishada a la resistencia de calentamiento localizada en el tanque
principal. La forma de conexión de los diferentes dispositivos que intervienen en este
Iazo de control es mostrada en las figuras 96 y 97.
Para este laboratorio, los dos convertidores I/P serán manejados por el simulador de 4 -
20 mA, el cual estará a un L00% de su capacidad total de funcionamiento, es decir, las dos
válvulas neumáücas estarán abiertas completamente. De otro lado, el motor del
intercambiador de calor trabajará a un 25 % de su velocidad pata efecfuar su acción
disipadora de calor sobre el fluido en la planta. El control, entonces, será efecfuado por el
transmisor TT301 (actuando como controlador), el cual manejará a través de su salida al
convertidor corriente - voltaje (l/V), para que a su.vez éste controle (mediante un relé de
estado sólido) la potencia promedio que será mtregada a la resistencia de calentamiento,
con lo cual se regulará la temperatura del fluido en el tanque principal.
¡ Materiales:
Programador manual (hand - held).
Cartucho delsoftutare del transmisor TT30L.
181
- Resistencia de 250 d)-r/zw.
- Cronómetro.
- Caimanes.
Figura 96. Diagrama esquemático de conexiones Para el laboratorio 3.
FI.JENTE24YDC
SIMI.]LADOR4-20l¡¡4
SIMI.'I.ADORDE4-2OmA
24VDC_ TRANSMSORDE.I TEMPERATIJRA TT3OI
Figura 97. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 3.
182
¡ Práctica:
- Alimente el circuito neumático de la planta mediante un compresor y ajuste la presión
en la unidad de aire de entrada de la planta a 20 psi.
- Alimente el circuito general de la planta (a 110 VAC) y enciéndala mediante el pulsador
de inicio (stmt genenl\.
- Llene el tanque principal con el fluido y encienda momentáneamente la bomba l para
permitir el llenado parcial del tanque secundario.
- Una vez que los dos tanques estén llenos, por 1o menos hasta las 3/t partes de su
capacidad total, apague la bomba 1y cierre la toma de llenado del tanque principal.
- En el panel frontal del tablero de control de la planta, haga las conexiones de la figura
96, o bien de la figura 97 (tenga en cuenta de conectar la resistencia de 250 O entre el
bome negaüvo de la fuente y el bome negativo del I/V)
- Coloque el carfucho correspondiente al software del transmisor de temperatura TT301 en
elslot B del programador manual.
- Conecte el cable de alimentación del programador manual al respectivo bome en el
panel frontal del tablero de control y coloque los cables de comunicación del programador
entre el bome positivo de la fuente y el bome negaüvo del I/V (ver figura 98).
183
Figura 98. Diagrama pictórico de conexión del programador manual para el laboratorio 3.
- Una vez conectado el programador manual, y ya encendido el transmisor (éste se
enciende al iniciar la planta), se procede a encender el programador mediante la pulsación
de la tecla ON.
- Con el programador manual encendido coloque el modo del transmisor de temperafura
a modo controlador (PID).
- Ajuste los parámetros de control del transmisor de [a siguiente manera: set point (SP) =
40"C, ganancia proporcionul (kp) = 5Q üempo integral (ti) = 1.00, tiempo derivativo (ta¡ =
L, acción de salida del controlador = inversa. Los parámetros de conhol fueron
determinados utilizando el método de tanteo enlazo cerrado.
184
- Mediante el programador manual, monitoree las variables de control usando el menú
MONITORING.
- Una vez teallzados los pasos anteriores, el proceso se encuentra listo para ser iniciado.
La pantalla del transmisor en este momento debe estar indicando la temperatura actual
del fluido del tanque principal que debe ser aproximadamente igual a la temperatura
ambiente (si el líquido se suministra por primera vez). Para iniciar el proceso, entonces,
coloque el simulador de 4 - 20 mA en el 100% mediante la perilla selectora de rangos. En
este momento se abren los dos I/P all0D%. La resistencia de calentamiento habajará a su
máxima potencia dada la acción inversa de la salida del controlador.
- Encienda las moto - bombas \ y 2 para que el fluido circule libremente entre los dos
tanques de la planta y asegirese de que el interruptor de cambio manual/automático del
variador de velocidad se encuentra en la posición MANUAL.
- Pulse el botón START del conhol del variador de velocidad y mueva la perilla del
control de velocidad del motor del intercambiador de calor, hasta que el motor alcance
aproximadamente un2íYo de su velocidad máxima.
- Espere un momento mientras la temperatura se va aproximando al valor de referencia.
- Determine por qué el modo de la salida del conholador debe ser inverso y no directo
como en los laboratoriosLv 2.
- Una vez que la variable de proceso alcance el valor de referencia y se mantenga establg
185
cree una perfurbación en el sistema disminuyendo la velocidad del motor del
intercambiador de calor. Qué debe suceder con la temperatura?. Qué üempo tarda el
sistema en reponerse?. Qué parámeho debe cambiar al controlador para que la velocidad
de reposición sea más rápida?
- Qué ventajas presenta el control, mediante la acción de corrección del l/Y, con respecto
al motor del intercambiador de calor y al I/P, conforme a la prácüca realizada en este
laboratorio?
. Problema:
Mueva eI set point por encima y por debajo del punto de referencia tres veces a intervalos
de L0 segundos y vuelva a dejarlo en su valor original. Observe atentamente los valores
que toma la temperatura durante estas perturbaciones/ una vez que ha regresado el sef
point a su valor de origery y hate de anotar los que más pueda para annar un gráfico de
temperafura vs. tiempo. En este gráfico observará el comportamiento que toma la
temperafura hasta estabilizarse a su valor de referencia original. Cómo debe ser la
relación de las oscilaciones de esa variable a medida que transcurre el tiempo?. Cómo
será la relación de las oscilaciones si se aumenta el valor de la banda proporcional?
(disminuyendo el kp del controlador).
7.s I,ABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS No.4.
¡ Tífulo: Lazo de control de nivel.
186
. Obietivo:
- Analizar las características básicas de un lazo cerrado de control de nivel.
- Conocer el conexionado entre los dispositivos de la planta que intervienen en este lazo
de control.
. Introducción: En este laboratorio se tealizatá un lazo cerrado de control, en el cual la
variable controlada será el nivel en el tanque secundario de la planta piloto. El disposiüvo
encargado de rcalizar la corrección final de esta variable será el convertidor I/P número L
de la planta, el cual controla el grado de apertura o de cierre de la válvula neumáticaL,la
cual regula el paso del fluido hacia el tanque secundario. La forma de conexión de los
diferentes dispositivos que intervienen en este lazo de control es mostrada en las figuras
99 v L00.
En este laboratorio, el transmisor de presión LD301 (acfuando como controlador), se
encargará de ejercer el control en el lazo cerrado a realizar. Este transmisor está haciendo
una lecfura indirecta del nivel a través del método de presión diferencial en dos puntos
diferentes del tanque secundario. Se trata entonces, de controlar el nivel de dicho tanque,
ejerciendo para ello una acción de corrección a havés del convertidor l/P '1.,, el cual será
comandado por la salida del transmisor. El convertidor I/P 2, por otro lado, será
manejado a través del simulador de 4 - 20 y estará trabajando al 100 % de su capacidad
total. El transmisor de temperafura y los otros componentes asociados a los lazos de
control üstos en los laboratorios anteriores no serán utilizados para nada en esta prácüca.
187
¡ Materiales:
- Programador manual (hand - held).
- Cartucho del software del transmisor LD30L.
- Resistencia de 250 {2 -r/zw.
- Cronómeho y caimanes.
Figura 99. Diagtama esquemático de conexiones para el laboratorio 4.
FUENTE24YDC
SIMULADOR4-20mA
FLTEIITE PROGRAI\{ADORHAND -HELD
@@
SIMI.'LADORDE4-20mA
24VDCt TRANSMSOR DE
Figura 100. Diagrama pictórico de conexiones para el laboratorio 4.
188
. Práctica:
- Alimente el circuito neumático de la planta mediante un compresor y ajuste la presión
en Ia unidad de aire de entrada de la planta a 20 psi.
- Alimente el circuito general de la planta (a 1L0 VAC) y enciéndala mediante el pulsador
de inicio (start generuI).
- Llene el tanque principal con el fluido hasta por 1o menos hasta las 3/t partes de su
capacidad total y cierre la toma de llenado de éste.
- En el panel frontal del tablero de control de la planta, haga las conexiones de la figura
99, o bien de la figura L00 (tenga en cuenta de conectar la resistencia de 250 O entre el
borne positivo de la fuente y el borne posiüvo del hansmisor de presión).
- Coloque el carfucho correspondiente al sofnnme del transmisor de temperatura LD301
en el slof B del programador manual.
- Conecte el cable de alimentación del programador manual al respectivo borne en el
panel frontal del tablero de control y coloque los cables de comunicación del programador
entre el bome positivo de la fuente y el bome negativo del I/P L (ver figura 101).
- Una vez conectado el programador manual, y ya encendido el transmisor (éste se
enciende al iniciar la planta), se procede a encender el programador mediante la pulsación
189
de la tecla ON.
Figura 101. Diagrama pictórico de conexión del programador manual para el laboratorio 4.
- Coloque la unidad de medida de presión del transmisor en milímetros de agua (mm
HzO).
- Coloque los límites inferior y superior del rango de medida del transmisor en 0 y 400
mrn HzO, respecüvamente.
- Active las unidades de usuario (en centímehos), colocando sus valores de límite inferior
y superior en 0 y 40 cm respectivamente. Con esto se hará una conversión de la presión
leída del tanque en unidades de nivel. Tenga en cuenta que el nivel se empieza a medir
desde el inicio del tubo visor del tanque secundario.
ülrrnlf¡rl Aulúnom¡ d! OcclarbsEcctoN EtELtortct
FUENTE PROGRAMADORITAND - HELD
- Con el programador manual encendido coloque el modo del hansmisor de presión a
190
modo controlador (PID).
- Ajuste los parámetros de control del transmisor de la siguiente manera: set point (Sn¡ =
20 crn, ganancia proporcional (kp) = 5Q tiempo integral (ü) = 1.00, tiempo derivativo (td)
= Q acción de salida del controlador = inversa.
- Mediante el programador manual, monitorice las variables de conhol usando el menú
MONITORING.
- Una vez realizados los pasos anteriores, el proceso se encuentra listo pata ser iniciado.
La pantalla del transmisor en este momento debe estar indicando el nivel acfual del fluido
del tanque secundario.
- Coloque la perilla del simulador de 4 - 20 mA en su máximo valor (L00 %) para que el
I/P 2se abra completamente. Con esto la válvula 2se abrtrá en su totalidad para permitir
la circulación del fluido. Entre tanto, la válvula L también deberá encontrarse
completamente abierta, debido a la acción inversa de la salida del controlador.
- Encienda las moto - bombas Ly 2pata iniciar el proceso.
- Espere un momento mientras el nivel en el tanque secundario se va aproximando al
valor de referencia.
- Una vez que la variable de proceso alcance el valor de referencia, anote los valores de
sobrepaso que empieza a presentan el nivel, en el tiempo, con respecto al set point.
19'1,
- Compare los valores del punto anterior con los valores de sobrepaso que presenta el
lazo de control de temperafura. Cuál de las dos variables presenta menor estabiüdad?.
Por qué?
- Cambie elsetpoint a un valor mayor (por ejemplo a 35 cm) y mida el tiempo que tarda
la variable en recuperarse, asl como el valor del sobrepaso presentado. Determine qué
parámetros debe cambiar al controlador para disminuir el valor de sobrepaso y qué
parámehos r patd que la variable tome menos üempo para recuperarse.
¡ Problema:
A través. del programador manual aumente el valor de la banda proporcional
. (disminuyendo el valor del parámetro kp) y seleccione un nuevo set point, por ejemplo de
15 cm. Evalúe ahora el comportamiento de la variable de proceso y determine que ocurre
al aumentar el valor de la banda proporcional. Luego, genere un disturbio para que la
variable de proceso se desestabilice y disminuya gradualmente el valor de la banda hasta
encontrar el valor más óptimo para ese nuevo valor de set point.
8. CONCLUSIONES
El desarrollo de la planta piloto consüfuye un paso más hacia la implementación de
nuevas herramientas y técnicas, que sirvan de apoyo en el aprendtzaje de los esfudiantes
de ingeniería de control.
Mediante la planta podrén, no sólo realizarse simulaciones de control de procesos
indushiales, sino también evaluar el comportamiento de las variables fisicas implicadas,
mediante la conexión de las señales de los dispositivos de la planta a sistemas de
adquisición de datos con las que ya cuenta la Universidad. Esto conlleva a que el control
de los procesos simulados, pueda ser efecfuado mediante un computador a través de
estrategias de monitoreo y control desarrolladas por el esfudiante.
La planta además ofrece una amplia gama de elementos de aprendizaje, en la que cada
uno de los dispositivos que la compone es un posible tema de esfudio para las personas
que estén iniciándose en las diferentes carreras de ingeniería. Como ejemplo de ello, se
puede tener: el esfudio del comportamiento de un l/P, el comportamiento de una válvula
neumática, el manejo y programación de un transmisor inteligente, etc. Todos estos, son
elementos que dan al esfudiante un conocimiento más integral en 1o que concieme a los
sistemas de automatizacíín v control.
193
Queda, finalmente, a inquiefud de los docentes y esfudiantes de últimos semestres, de las
diferentes carreras de ingenieria, de la Universidad, la implementación de nuevas
prácticas y nuevos laboratorios que permitan sacar el máximo provecho a esta
herramienta, que con seguridad será de gran ayuda para el laboratorio de automatización
y control de la facultad.
BIBLIOGRAFIA
ASTROM, K. J. and Ostberg A. B. A Teaching Laboratory for Process Conhol. American
Control Conference, 1983. p. 1380-5.
CREUS, Antonio. Instrumentaciónindustrial. Méjico: Alfaomega, r99s. p.1-9.
MALONEY, Timothy. Elechónica industrial - Dispositivos y sistemas. Mejico: Prentice
Hall Hispanoaméricana,1983. p. 315 - 330.
SMAR CORPORATION. Operation & Maintenaince Instruction Manual - Intelligent
Temperature Transmitter. 1996. 2.1 - 3.12 p.
-Manual
de Instrucciones - Mantenimiento y Operación. Transmisor de Presión
Inteligente. 1994. p. 3.5 - 3.10.
YURCOVICH, S. Advances in Control Education. IEEE Control Systems Magazine,1985.
p.18 - 21..
195
ANEXO A. MANUAL DE OPERACIONES DE IA. PLANTA PILOTO
La planta piloto desarrolladapara este proyecto ha sido diseñada de forma tal, que no
requiere cuidados especiales para su funcionamiento y puesta en marcha. Esto, debido a
que sus componentes han sido colocados de tal manera que no ofrecen ningún peligro
para el entomo que le rodea ni para la persona que haga uso de ella. Sin embargo, a
continuación se describen los aspectos más relevantes a ser tenidos en cuenta, Para un
óptimo manejo de la planta, en lo que concierne a su funcionamiento y mantenimiento.
. La planta debe ser alimentada a un voltaje de 110 VAC (50 / 60) F{z. El toma debe
tener una capacidad de corriente de 50 A mínimo.
¡ La planta necesita una alimentación neumática de 20 psi. Esta puede ser ajustada
usando la vá|vula que se encuentra en la unidad de aire entrada de la mism4 y
observando el manómetro que se encuenha adjunto a ésta. Debe tenerse cuidado, de no
sobrepasar esta valor de presión.
Antes de poner en marcha cualquiera de las moto - bombas de la planta, debe haberse
llenado, por lo menos, el tanque principal. El líquido se suministra (manualmente) sólo a
este tanque, mediante su toma principal del fluido. Una vez que este tanque esté lleno, se
abre la válvula manual que da paso del fluido a la moto - bomba L y entonces se puede
encender dicha moto - bomba. Esto hará que se empiece a llenar el tanque secundario. A
196
medida que este tanque se llena, el principal disminuirá su nivel, por lo tanto debe
suminisharse más líquido hasta que los dos tanques se llenen, hasta por lo menos/ las tres
cuartas partes de su capacidad total. Una vez que esto ocurra, se deja de suministrar
fluido al tanque principal y se puede cerrar su toma principal. Si el proceso está listo para
ser iniciado, entonces ya se pueden prender las dos moto - bombas; teniendo en cuenta
que las dos válvulas manuales que dan paso de fluido a éstas, estén completamente
abiertas.
. En caso de que se desee cambiar el líquido de los tanques, estos poseen sendas
válvulas manuales, por donde se puede desalojar el fluido contenido en ellos. Estas
válvulas se encuentran en la parte más inferior de la fubería de la planta. Hay que tener
mucho cuidado alrcalizar este proceso, ya que el líquido puede encontrarse caliente.
. La alimentación a los transmisores "inteligenles" y a otros componentes de la planta
que funcionan con voltaje DQ es realizada mediante los bomes de alimentación de 24
VDC, que se encuentran en el panel frontal del tablero de control. Este voltaje es regulado
yt por lo tanto no se precisa de fuente externa alguna para la alimentación de estos
dispositivos. Sin embargo, el voltaje de esta fuente no debe ser usado para alimentar
otros dispositivos extemos o ajenos a la planta.
. Los hansmisores tiene protección contra polaridad inversa, poseen protección tipo
explosion proof y además son intrínsecamente seguros. Esto los hace muy confiables y Por
1o tanto, en caso de algún corto o de una chispa intema, ésta es recogida por la carcaza del
equipo y no afectará eI entomo del mismor pot esto no hay peligro de explosiones
extemas por fallas intemas de estos equipos. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, no
197
quitar las tapas frontal o posterior del equipo, ya que todas las conexiones han sido ya
preüamente realizadas. En caso de necesitar el cambio de alguna conexión en las
bomeras de los hansmisores, debe consultarse primero el manual técnico del equipo,
previo consentimiento del instructor encargado de la respectiva práctica de laboratorio.
' El Programador manual o hand - held posee su propia alimentación en el panel frontal
del tablero de control. Esta consiste en una bomera que suministra los 9 VDC con los que
frabaia dicho equipo. Este sin embargo, posee la opción de ser alimentado con una bateria
cuadrada de 9 V, pero esto no es recomendable, ya que durante una sesión de práctica
ésta puede descargarse rápidamente. Se recomienda, no usar el voltaje de alimentación
del programador manual para otros propósitos.
t En cuanto a la temperafura del fluido presente en los tanques, ésta deber ser manejada,
preferiblemente a no más de 70 oC. Esto, para eütar un calentamiento excesivo en la
tubería y además para eütar alcartzar el punto de ebullición del líquido.
El tablero de control de la planta debe ser abierto, sólo para la manipulación del
simulador de 4 - 20 mA utilizado en las prácticas de laboratorio o sólo en caso de que
llegue a dañarse alguno de sus componentes intemos. En caso de esto, se deben solicitar
las llaves a la persona encargada del laboratorio de la universidad.
