Instrumentacion y Control-1.pdf - UNIVERSIDAD YACAMB\u00da VICERRECTORADO ACAD\u00c9MICO FACULTAD DE INGENIER\u00cdA Instrumentaci\u00f3 Instrumentaci\u00f3n y Control

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Unformatted text preview: UNIVERSIDAD YACAMBÚ VICERRECTORADO ACADÉMICO FACULTAD DE INGENIERÍA Instrumentació Instrumentación y Control Docente: Ing. Germán Vargas FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL Introducción Propósito de un Sistema de Control Definición de Sistemas de Control Componentes de un sistema de Control Modos de Control  Definiciones en Control  Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de diversos productos. Los procesos son variados y abarcan muchos tipos de productos: fabricación de productos derivados del petróleo, alimenticios, industria cerámica entre otros. Definiciones en Control  En todos los procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la conductividad entre otras. Definiciones en Control  Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y regulación de estas variables en condiciones más idóneas que las que el propio operador pueda realizar. Definiciones en Control  En los inicios de la era industrial, el operador llevaba a cabo un control manual de las variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales entre otros que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Definiciones en Control Diseño Como queremos que funcione Operación Como debe de funcionar Control automático Hacer que funcione automáticamente de la forma deseada Definiciones en Control  El control automático consiste en mantener un valor dentro de un punto de ajuste, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. Observar Comparar Decidir Actuar Definiciones en Control  Un punto de control es cualquier dispositivo, variable de entrada o salida empleado para controlar el equipo • ANÁLOGO: Control con señal específica de 4-20mA/0-10VDC/ 2-10VDC-135 Ohms • DIGITAL: Control de 2 posiciones (ON – OFF) Definiciones en Control Magnitud Medida SENSOR/ CAPTADOR     mm V TRANSDUCTOR mA TRANSMISOR CONVERTIDOR Elemento primario (sensor): En contacto con el proceso Captador: Medida del sensor Transductor: Adecuación de la señal Transmisor: ◦ Conversión. ◦ Filtrado y potencia. ◦ Transmisión de la señal Definiciones en Control  Comparación de la variable con una unidad estándar o patrón de medida. Puede ser directa o indirecta (variable intermedia) Medida Medida IDEAL Variable Física REAL Variable Física Definiciones en Control  Control de Lazo abierto  Un sistema de control de lazo abierto es aquel en la cual la acción de control es independiente de la entrada. La habilidad de éstos tienen para ejecutar una acción con exactitud está determinada por un control externo, el cual establece una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.  Definiciones en Control  Control de Lazo abierto Comparar Decidir Respuestas Cambios Proceso Actuar Medir Respuesta dinámica Operación manual o en lazo abierto Definiciones en Control  Valor Deseado o Punto de Consigna Control de Lazo abierto Controlador Proceso Elemento Primario de Medida Elemento Primario de Transmisión Indicador o Registrador Definiciones en Control  Control de Lazo abierto Definiciones en Control   Control de Lazo Cerrado Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación (o retroalimentación) P(t) R(t) CONTROLADOR ACTUAR U(t) MEDIR SISTEMA (PROCESO) Y(t) Definiciones en Control   Control de Lazo Cerrado Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación (o retroalimentación) Sustituye al operador humano Regulador Valores Deseados Respuestas Cambios Proceso Actuar Medir Operación en lazo cerrado Definiciones en Control  Control de Lazo Cerrado P(t) R(t) CONTROLADOR U(t) ACTUADOR Valores Medidos SISTEMA (PROCESO) SENSOR/ TRANSMISOR Y(t) Definiciones en Control  Control de Lazo Cerrado Definiciones en Control  Control de Lazo Cerrado Definiciones en Control Control Continuo La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores del actuador Perturbación Variable Controlada LT Referencia LC Variable Manipulada Definiciones en Control Control Discreto Detector de máxima y mínima altura Las variables solo admiten un conjunto de estados finitos Relé Electroválvula ON/OFF Definiciones en Control TIPOS DE SEÑ SEÑALES  DIGITALES ◦ ◦ ◦ ◦  On/Off 0 ó 24VDC Pulsos Flotante ANÁLOGAS ◦ ◦ ◦ ◦ 0-5VDC 0-10VDC 4-20mA 0-135 @ ON OFF 20mA 4mA Definiciones en Control  Los sistemas de control utilizan diferentes modos de control para lograr sus propósitos. Los modos de control para aplicaciones comerciales son: • Control en 2 posiciones • Control Proporcional • Control Proporcional – Integral • Control Proporcional – Integral - Derivativo Definiciones en Control CONTROL EN 2 POSICIONES ON/OFF  El elemento de control final ocupa una de dos posiciones posibles. Dos valores de la variable controlada (normalmente ON/OFF), determinan la posición del elemento de control. ON OFF Definiciones en Control CONTROL EN 2 POSICIONES ON/OFF  A medida que el elemento de control alcanza uno de los dos valores, el elemento de control asume la posición que corresponde a las demandas del controlador, y permanece ahí hasta que la variable de control cambia a otro valor. Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL   En el control proporcional, el elemento de control final se desplaza a una posición proporcional a la desviación del valor de la variable controlada del punto de ajuste. La posición del elemento de control final es una función lineal del valor de la variable controlada. 100% Abierto 50% Abierto Cerrado Posición Final del Elemento de Control Rango de Control Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL  SEÑAL DIGITAL ◦ 0-24 VAC ◦ 0-24 VDC 100 % Ley de Ohm V= I*R; R= 500 Ω V= 4mA*500 Ω = 2V V=20mA*500 Ω = 10V 0 2V 10V 10V 2V Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL La salida del controlador es proporcional a la desviación del punto de control con respecto al punto de ajuste. Un controlador proporcional se puede describir en términos matemáticos de la siguiente manera: V=KE+M V= Señal de Salida K=Constante de Proporcionalidad (Ganancia) E= Desviación (Punto de Control – Punto Ajuste M= Valor de Salida Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL   En este modo de control, el restablecimiento del punto de control es automático. Tan pronto como la variable controlada se desvía por arriba o por debajo del punto de ajuste, la banda proporcional cambia de manera gradual y automática y la variable regresa al punto de ajuste. Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL  La principal diferencia entre el control proporcional y el control PI es que el control proporcional está limitado a una sola posición del elemento de control final para cada valor de la variable controlada. El control PI cambia la posición del elemento de control final para acomodar cambios de carga y, al mismo tiempo, mantiene el punto de control en el punto de ajuste o muy cerca de él. Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL  El control PI agrega un componente al algoritmo del control proporcional. En términos matemáticos se describe de la siguiente manera: V= Señal de Salida K= Constante de Proporcionalidad (Ganancia) K V = KE + ∫ Edt + M T1 E = Desviación (Punto de Control – Punto de Ajuste) T1 = Tiempo de Restablecimiento K/T1 = Ganancia de Restablecimiento M = Valor de la salida cuando la desviación es cero Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL+DERIVATIVO   Añade la función derivada al control PI. Esta función opone cualquier cambio y es proporcional al rango Si el punto de control se aleja del punto de ajuste, la función derivada emite una acción correctiva para que el punto de control regrese más rápido que a través de la acción integral por sí sola. Si el punto de control se acerca al punto de ajuste, la función derivada reduce la acción correctiva para que se acerque de manera más lenta al punto de ajuste, lo cual reduce la posibilidad de recalentamiento. Definiciones en Control CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL+DERIVATIVO  La expresión matemática para el control PID es la siguiente K dE V = KE + ∫ Edt + kTD +M T1 dt V= Señal de Salida K= Constante de Proporcionalidad (Ganancia) E = Desviación (Punto de Control – Punto de Ajuste) T1 = Tiempo de Restablecimiento K/T1 = Ganancia de Restablecimiento TD = Tiempo de Relación (Intervalo en el cual la derivada acelera el efecto de l acción proporcional KTD = Constante de ganancia de relación M = Valor de la salida cuando la desviación es cero Definiciones en Control Grá Gráficas comparativas de los modos de control Punto de Control Punto de Control Compensación Compensación Punto Final CONTROL PI Punto Final T1 PROPORCIONAL T1 T2 T3 T4 T5 T6 T2 T3 T4 T5 T6 Compensación Punto Final CONTROL PID T1 T2 T3 T4 T5 T6 Definiciones en Control    El Sistema de control exige se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control. El bucle puede ser abierto o cerrado Definiciones en Control ACTUADORES Un actuador es un dispositivo que convierte energía eléctrica o neumática en una acción giratoria o lineal. Definiciones en Control ACTUADORES  Actuador de acción directa ◦ Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma y se abre cuando se quita el aire debido a la acción del resorte.  Actuador de acción inversa: ◦ La válvula se abre al aplicar aire y se cierra por la acción del resorte Definiciones en Control ACTUADORES Para compensar la fuerza de rozamiento del vástago al deslizarse a través de la empacadura y de la fuerza estática del fluido sobre el obturador que depende de la presión diferencial existente, es decir, del grado de abertura de la válvula, se emplea un POSICIONADOR Definiciones en Control POSICIONADOR El posicionador compara la señal de entrada con la posición del vástago, y si esta no es correcta, envía aire al servomotor o bien lo elimina de ser necesario para compensar. Funciona como un dispositivo neumático de equilibrio de fuerzas. Definiciones en Control ACTUADORES El actuador produce un cambio en la variable controlada, operando diversos dispositivos de control final, tales como válvulas y compuertas. En general los actuadores neumáticos proveen acción proporcional o moduladora, lo que significa que pueden mantener cualquier posición en función de la presión del aire que se les suministra. Definiciones en Control  Transductores • Un transductor es un dispositivo que proporciona una salida utilizable en respuesta a una magnitud física, propiedad o condición específica que se desea medir. Generalmente se trata de un dispositivo utilizado para convertir un fenómeno físico en una señal eléctrica. • Se conocen con nombres diferentes en las distintas disciplinas técnicas: sensores (de presión, de fuerza, de temperatura), detectores, galgas, captadores, sondas, entre otros. Definiciones en Control  Transductores • Características: • Rango de Operación • Sensibilidad • Compatibilidad ambiental: temperatura, restricciones de montaje, entre otros. • Robustez presiones, tamaño, Definiciones en Control  Transductores • Transductores de Parámetro Variable: •Capacitivos: Convierten un cambio de magnitud a medir en cambio de capacidad. Dado que la capacidad de un condensador de placas paralelas es aproximadamente proporcional a (ε . A) / d ε : dieléctrico Variando cualquiera de estas cantidades obtenemos un cambio de la capacidad. (A: Área de las placas, d: distancia) Definiciones en Control  Transductores • Transductores de Parámetro Variable: •Resistivos: convierten un cambio de magnitud a medir en un cambio de resistencia. Pueden realizarse por diferentes medios, como por movimientos en el contacto móvil en un reostato, por aplicación de esfuerzos mecánicos, por cambios de temperatura, etc. Definiciones en Control  Transductores • Transductores de Parámetro Variable: •Galgas Extensiométricas: Son transductores pasivos que usan la variación de la resistencia eléctrica de los hilos como mecanismo capaz de detectar fuerzas a que son sometidos. Si a un hilo conductor se le somete a un esfuerzo de tracción, se alarga, aumentando su longitud proporcionalmente a la carga aplicada (mientras no supere el límite elástico del material). Simultáneamente, con este aumento de longitud hay una ligera reducción de la sección transversal del hilo, donde la resistencia de un conductor es R=r0*L/S Definiciones en Control  Terminología Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: • Indicadores • Registradores •Controladores •Transmisores •Válvulas de Control Definiciones en Control  Terminología 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 campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) en su norma PMC -2-1970. Definiciones en Control  Alcance (Span) Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Transmisor de Temperatura Definiciones en Control  Error • Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido 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 a lugar retardos en la lectura del aparato. Definiciones en Control  Error • Siempre que las condiciones sean dinámicas, existirá un mayor o menor grado del llamado error dinámico, cual es la diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento. • El error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinado para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida Definiciones en Control  Error • Cuando la medición se realiza con la participación de varios instrumentos colocados unos a continuación de otros, el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. • Si el límite del error relativo de cada instrumento es ±a, ±b, ±c, ±d, el máximo error posible en la medición será la suma de los valores anteriores, es decir ±(a+b+c+d+…) • Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstancias de la medida, suele tomarse como error total de una medición: ± a2 + b2 + c2 + d 2 Definiciones en Control  Error Por ejemplo, el error obtenido al medir un caudal con un diafragma, un transmisor electrónico de 4-20mA c.c., un receptor y un integrador electrónicos es de: Definiciones en Control  Incertidumbre de la Medida (uncertainty) • La incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. • En el cálculo de la incertidumbre intervienen la distribución estadística de los resultados de series de mediciones, las características de los equipos (deriva,..) etc. • Cuando se dispone de una sola medida, la incertidumbre es: i = Kσ Donde K es un factor que depende del nivel de confianza (K=2 para 95%) Y es la desviación típica del instrumento indicada por el fabricante σ Definiciones en Control  Exactitud • Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. Definiciones en Control  Precisión (accuracy) • Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento (intervalo donde es admisible que se sitúe la magnitud de medida). Se expresa en: •% del alcance Como ejemplo, para un instrumento con una lectura de 150ºC el cual tiene un alcance de 200ºC y una precisión de ±0,5%, el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150 ±0,5*200/100 = 150 ±1, es decir entre 149 y 151ºC • Directamente en unidades de medida Ejemplo: Precisión = ±1ºC Definiciones en Control  Precisión (accuracy) • % de la lectura efectuada Ejemplo: Precisión de ±1ºC, para una lectura de 150ºC sería: ±1,5ºC • % del valor máximo de medida Ejemplo: Si el instrumento tiene un valor máximo de 300ºC, la precisión de ±0,5% de 300ºC sería ±1,5ºC • % de la longitud de la escala Ejemplo: Si la longitud de la escala del instrumento es de 150mm, la precisión de ±0,5%, representará ±0,75mm en la escala Definiciones en Control  Relación entre Precisión y Exactitud Definiciones en Control  Relación entre Precisión y Exactitud Definiciones en Control  Zona muerta (dead zone o dead band) Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en % del alcance de la medida. Por ejemplo, para el instrumento indicado anteriormente, la zona muerta es de ±0,1, es decir, de 0,1+200/100 = ±0,2ºC Definiciones en Control  Sensibilidad (sensitivity) Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Relación que existe entre el incremento en la señal de salida del intrumento y el de la variable física (pendiente). Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3mA c.c, la sensibilidad es el cociente (12,3 − 11,9) /(20 − 4) = ±0,5mA c.c / bar (5,5 − 5) / 10 Definiciones en Control  Repetibilidad (repeatibility) Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida 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 expresa en % del alcance Medida Sensibilidad Repetibilidad Variable Física Definiciones en Control  Histéresis (hysteresis) 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 y descendente. Se expresa en % del alcance Definiciones en Control  Campo de medida con elevación de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Ej -10ºC a 30ºC  Campo de medida con supresión de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. Ej 10ºC a 30ºC Definiciones en Control  Deriva Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. CLASIFICACIÓ CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS Los instrumentos de medició medición y control se clasifican en:  En funció función de la variable de proceso: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Instrumentos Instrumentos Instrumentos Instrumentos Instrumentos Instrumentos Instrumentos Otras de de de de de de de presión flujo nivel temperatura velocidad Humedad PH CLASIFICACIÓ CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS  ...
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  • Fall '19
  • Sistema de control, Señal analógica, Unidad de medida

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