Universidad Veracruzana

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1 Universidad Veracruzana Faculta de Ingeniería Mecánica Eléctrica. INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS: PRESIÓN, CAUDAL, TEMPERATURA Y NIVEL. TESIS. Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA. PRESENTA: JOSÉ GUSTAVO LEYVA RETURETA Xalapa de Enríquez. Ver. Diciembre 2009

2 ÍNDICE Introducción Introducción teórica (Conceptos y fundamentos) Capitulo 1 Fundamentos de la tecnología de control de lazo cerrado. 1.1 Qué es la tecnología de control en lazo cerrado? 1.2 Qué es un sistema? 1.3 Control en lazo abierto y lazo cerrado. 1.4 Terminología básica. 1.5 Sistemas de Control Descripción de la respuesta dinámica de un sistema de control. 1.6 Controladores Respuesta de Control Tiempo de respuesta de un controlador Detalles técnicos de los controladores. 1.7 Modo de operación de varios tipos de sistemas de control Controlador Proporcional Controlador de acción integral Controlador P Controlador PD Controlador PID. José Gustavo Leyva Retureta 2

3 1.8 Compensadores. Capitulo 2 Proyección de sistemas de automatización. 2.1 Introducción Motivación Configuración de la consola de prácticas Descripción del proceso de diseño de proyecto. 2.2 Núcleo del Diseño del proyecto - Metodología básica para el diseño de proyectos de sistemas de automatización Comentarios sobre la configuración del proyecto Listado de condiciones - Especificación del funcionamiento Diagrama de flujo de PI Diagramas de bloques EMCS Notas sobre el diseño de proyectos de energía auxiliar Notas sobre el diseño del proyecto de montaje 2.3 Síntesis del sistema de control en lazo cerrado Observaciones previas Análisis del proceso I Modelo de configuración Controlador de configuración y parametrización 2.4 Selección de dispositivos de automatización Observaciones previas Fundamentos esenciales 2.5 Proceso de medidas de protección José Gustavo Leyva Retureta 3

4 Capitulo 3 Puesta en marcha y Mantenimiento 3.1 Puesta en marcha de los procesos y la automatización de los sistemas Observaciones introductorias - Puesta en marcha de la estrategia Conexión de potencia auxiliar (Parte 1 y Parte 2) Prueba de control: de lazo cerrado, sistemas de control de binarios y dispositivos de seguridad Establecimiento del modo stand by de los procesos técnicos 3.2 Mantenimiento de los sistemas de proceso técnico 3.3 Búsqueda de fallas y control de errores Capitulo 4 Encontrando Fallas. 4.1 Que se entiende por mantenimiento? Servicio Inspección Reparación 4.2 Reparaciones sistemática en caso de mal funcionamiento Requisitos previos para la reparación sistemática Procedimiento 4.3 Encontrar fallos Detección de fallos sistemáticos Documentación de error Análisis de fallas 4.4 Análisis final José Gustavo Leyva Retureta 4

5 Conclusiones. Bibliografía. Anexos. José Gustavo Leyva Retureta 5

6 Introducción El presente trabajo contiene los fundamentos teóricos y prácticos necesarios para introducirse en los sistemas de control de procesos, bajo el estudio de variables como lo son: el caudal, la temperatura, el nivel, la presión y la calidad (Ph). La característica principal de estos sistemas se centra en el control de lazo cerrado y en los procesos de automatización, donde cada parte actúa de forma conjunta para hacer que el sistema sea totalmente independiente y trabaje por sí solo, es decir sin la intervención del ser humano. Los altos estándares de producción, las normas de calidad y la creciente globalización de hoy en día, son las causas principales que han propiciado que los Ingenieros y otros especialistas, se enfoquen de una manera intensiva en la ciencia del control automático, por eso es muy importante para los Ingenieros Mecánicos Electricistas, estudiar y analizar los sistemas que intervienen en los procesos de producción y la manera de diseñarlos y modificarlos para que cumplan con las normas y especificaciones de calidad, además de saber cómo: instalarlos, operarlos y darles mantenimiento. En el marco de la teoría de control, se realizo este trabajo apoyándose en el libro de Ingeniería de Control Moderna escrito por Katsuhiko Ogata, del cual se estudia los aspectos relacionados con los sistemas de control en lazo cerrado y todas las cuestiones que se involucran en este. En cuanto a las cuestiones prácticas se respalda con información de los manuales de FESTO Didatc referentes a la consola de control de procesos, misma a la que está dedicado este trabajo. El objetivo principal de este trabajo es una introducción al proceso de control de sistemas, dando las bases teóricas necesarias y los principales José Gustavo Leyva Retureta 6

7 aspectos técnicos para entender el funcionamiento de estos procesos sobre una consola de prácticas, es decir, en este documento se verán los principios fundamentales sobre los que se basa la tecnología de control y los sistemas de automatización, por otro lado se entenderá la manera en la que funciona la consola de prácticas, la forma de operarla, darle mantenimiento y prevenir accidentes. Cabe resaltar que este trabajo es esencialmente introductorio y que no contempla el estudio exhaustivo de control automático de cada variable (presión, temperatura, nivel, caudal, calidad) sin embargo, sí es el punto de partida para la elaboración de nuevas tesis enfocadas en el estudio rigoroso de cada variable y más importante aún, una vez dominados estos estudios se podrá efectuar la evaluación del proceso en escala de laboratorio y los datos recabados permitirán el diseño de un equipo a escala industrial, lo cual es algo muy importante y valioso para los futuros estudiantes. También es importante señalar que este trabajo no es un manual de prácticas, ni tampoco un libro de problemas de control o automatización. En la introducción teórica de este trabajo podemos encontrar cuales son los conceptos y fundamentos necesarios para la comprensión y asimilación de la información contenida en este trabajo. En el Capítulo 1 se estudiara todo lo relacionado con la tecnología de control en lazo cerrado, definiciones, elementos que lo componen, características principales etc. En el Capitulo 2 se aborda todo lo referente a la consola de prácticas que abarca desde la selección de los elementos, la asignación de tareas, el proceso de diseño y el modo de configuración. José Gustavo Leyva Retureta 7

8 En el Capitulo 3 se centra en la puesta en marcha de los procesos de la consola de control, como hacer pruebas, y el análisis de energía auxiliar y equipos de seguridad. El Capitulo 4 hace referencia al mantenimiento, inspección, reparación y la prevención de fallos en la consola de control de procesos. José Gustavo Leyva Retureta 8

9 Introducción Teórica (Conceptos y fundamentos) Generalidades El control automático de procesos, es parte del progreso industrial, desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control. Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas. El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de control. Además hay muchas ganancias extras, como por ejemplo la eliminación de errores en el producto terminado, la sustitución de mano de obra pasiva y poco capacitada, por personal altamente capacitado y especializado y el aumento de producción. El control automático ha desempeñado un papel vital en el avance de la ingeniería y la ciencia. Además de su gran importancia en los sistemas de vehículos espaciales, de guiado de misiles, robóticos y análogos. El control automático se ha convertido en una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de fabricación. Por ejemplo, el control automático es esencial en el control numérico de las máquinas-herramienta de las industrias de manufactura, en el diseño de sistemas de pilotos automáticos en la industria aeroespacial, y en el diseño de automóviles y camiones en la industria automotriz. También es esencial en las operaciones industriales de proceso como: el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo. José Gustavo Leyva Retureta 9

10 El uso de las computadoras ha posibilitado la aplicación de ideas de control automático a sistemas físicos que hace apenas pocos años eran imposibles de analizar o controlar. Es necesaria la comprensión del principio del control automático en la ingeniería moderna, por ser de aplicación tan común como el de los principios de electricidad o termodinámica, siendo por lo tanto, una parte primordial dentro de la esfera del conocimiento de la ingeniería. También son tema de estudio los aparatos para control automático, los cuales emplean el principio de realimentación para mejorar su funcionamiento. Los avances en la teoría y en la práctica del control automático proporcionan los medios para conseguir un comportamiento óptimo de los sistemas dinámicos, mejorar la productividad, simplificar el trabajo de muchas operaciones manuales, repetitivas y rutinarias, así como de otras actividades, la mayoría de los ingenieros y especialistas deben tener un buen conocimiento de este campo. Conceptos fundamentales El diseño, la planificación y la realización de los sistemas de control de un proceso requieren de una comunicación clara y sin ambigüedades entre todas las partes que lo componen. Para poder lograr esto, es necesaria una definición clara de todos los conceptos utilizados, la interrelación de los mismos, saber cuáles son los estándares de los símbolos gráficos para cada elemento. Estos símbolos nos ayudan a representar a los sistemas de control o de medición y las tareas de control, así como su dispositivo de solución relacionadas de una manera simple y clara. José Gustavo Leyva Retureta 10

11 Sistema de control El sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Según su funcionamiento los sistemas de control pueden clasificarse en: sistemas de control en lazo cerrado y en sistemas de control en lazo abierto. El principio del control automático se basa en el sistema de control de lazo cerrado o sea el empleo de una retroalimentación o medición para accionar un mecanismo de control que funcione sin intervención humana. Retroalimentación Es la propiedad principal de un sistema de lazo cerrado, que permite que la salida (o cualquier otra variable controlada del sistema) sea comparada con la entrada al sistema (o con una entrada a cualquier componente interno del mismo como un subsistema) de manera tal, que se pueda establecer una acción de control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y la salida. Un ejemplo claro de un sistema de control automático, es el que se muestra en la siguiente figura, la cual consiste en un intercambiador de calor que utiliza el vapor caliente para calentar agua fría, este funciona de la siguiente manera: la señal de medición hacia el controlador desde el transmisor de temperatura (o sea el sensor que mide la temperatura) es continuamente comparada con el valor de referencia (set point en Inglés) ingresado al controlador. Basándose en una comparación de señales, el controlador automático puede decir si la señal de medición está por arriba o por debajo del valor de referencia y mueve la válvula de acuerdo a ésta diferencia hasta que la medición (temperatura ) alcance su valor final. José Gustavo Leyva Retureta 11

12 En este ejemplo podemos notar que la retroalimentación se da cuando el controlador hace una comparación entre la señal de referencia y la señal medida por el sensor y en base al resultado decide mandar o no señal al actuador para alcanzar el valor deseado. Controlador Es un dispositivo que compara los valores de entrada de referencia con los valores de salida, determina la diferencia que hay entre ellos y produce una señal de control hacia al actuador que hace que esa diferencia llegue a cero o alcance un valor menor. Actuador Es un dispositivo de potencia que depende de la señal del controlador como lo es una válvula, un motor hidráulico o eléctrico. José Gustavo Leyva Retureta 12

13 Sensor Es un elemento de medición que convierte la variable de salida en una variable manejable. La señal de referencia del controlador debe de tener las mismas unidades que la señal de retroalimentación del sensor. Diagrama de bloques Una representación gráfica de las funciones que llevan a cabo cada componente y el flujo de señales dentro de un sistema de control Bloque El bloque es un símbolo para representar la operación matemática que sobre la señal de entrada hace el bloque para producir la salida. A diferencia de una representación matemática puramente abstracta, un diagrama de bloques tiene una ventaja de indicar de forma más realista el flujo de las señales del sistema real. Función de transferencia. Las funciones de transferencia de los componentes, por lo general se introducen en los bloques correspondientes, que se conectan mediante flechas para indicar la dirección del flujo de las señales. La señal solo puede pasar en dirección de las flechas por lo tanto un diagrama de bloques muestra explícitamente una propiedad unilateral La función de transferencia de un sistema, es un modelo matemático que sirve para expresar la ecuación diferencial que relaciona la variable de salida con la variable de entrada, esta no muestra la magnitud o naturaleza de la entrada y al igual que el diagrama de bloques no proporciona información acerca de la estructura física del sistema. José Gustavo Leyva Retureta 13

14 Elementos de un diagrama de bloques en lazo cerrado. Punto de suma. Remitiéndose a la Figura anterior, un círculo con una cruz es el símbolo que indica una operación de suma. El signo más o el signo menos en cada punta de flecha indica si la señal debe sumarse o restarse es decir si es una realimentación positiva o negativa. Es importante que las cantidades que se sumen o resten tengan las mismas dimensiones y las mismas unidades es aquí donde se lleva a cabo la actividad del controlador. Realimentación negativa Se dice que un sistema está retroalimentado negativamente cuando tiende a estabilizarse, es decir cuando nos vamos acercando a la orden de consigna hasta llegar a ella, ejemplo: Un sistema de calefacción está realimentado negativamente, ya que si la temperatura excede la deseada, la calefacción se apagará o bajará de potencia, mientras que si no la alcanza aumentará de fuerza o seguirá funcionando. José Gustavo Leyva Retureta 14

15 Retroalimentación positiva La retroalimentación positiva es un mecanismo por el cual, una variación en la salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de cambio. Por lo general esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio sino más bien a uno de saturación. Es un estimulo constante, ejemplo: en un sistema electrónico. Los dispositivos semiconductores conducen mejor la corriente cuanto mayor sea su temperatura. Si éstos se calientan en exceso, conducirán mejor, por lo que la corriente que los atraviese será mayor porque se seguirán calentando hasta su destrucción si no se evita con algún otro dispositivo que límite o impida el paso de corriente. Punto de ramificación. Un punto de ramificación es aquel a partir del cual la señal de un bloque va de modo concurrente a otros bloques o puntos de suma. La Figura anterior muestra un ejemplo de un diagrama de bloques de un sistema en lazo cerrado. La salida C(s) se retroalimenta al punto de suma, donde se compara con la entrada de referencia R(s). La naturaleza en lazo cerrado del sistema se indica con claridad en la figura. La salida del bloque, (Cs) en este caso, se obtiene multiplicando la función de transferencia G(s) por la entrada al bloque, E(s). Cualquier sistema de control lineal puede representarse mediante un diagrama de bloques formado por puntos de suma, bloques y puntos de ramificación. Sistemas lineales. Un sistema se denomina lineal si se aplica el principio de superposición. Este principio establece que la respuesta producida por la aplicación simultánea de dos funciones de entradas diferentes es la suma de las dos respuestas José Gustavo Leyva Retureta 15

16 individuales. Por tanto, para el sistema lineal, la respuesta a varias entradas se calcula tratando una entrada a la vez y sumando los resultados. Este principio permite desarrollar soluciones complicadas para la ecuación diferencial lineal a partir de soluciones simples. Sistemas lineales invariantes y variantes con el tiempo. Una ecuación diferencial es lineal si sus coeficientes son constantes o son funciones solo de la variable independiente. Los sistemas dinámicos formados por componentes de parámetros concentrados lineales invariantes con el tiempo se describen mediante ecuaciones diferenciales lineales invariantes con el tiempo (de coeficientes constantes). Tales sistemas se denominan sistemas lineales invariantes con el tiempo (o lineales de coeficientes constantes). Los sistemas que se representan mediante ecuaciones diferenciales cuyos coeficientes son funciones del tiempo, se denominan sistemas lineales variantes con el tiempo. Señales de entrada En el análisis y diseño de sistemas de control, debemos tener una base de comparación del desempeño de diversos sistemas de control. Esta base se configura especificando las señales de entrada y comparando las respuestas de varios sistemas a estas señales de entrada. Si las entradas para un sistema de control son funciones del tiempo que cambian en forma gradual, una función rampa sería una buena señal de prueba. Si el sistema está sujeto a perturbaciones repentinas, una función escalón sería la adecuada; y para un sistema sujeto a entradas de choque, una función impulso sería la mejor. José Gustavo Leyva Retureta 16

17 Función impulso unitario (En el tiempo) f(t) = d(t) (En la frecuencia) F(s) = 1 Función escalón unitario (En el tiempo) f(t) = (t) (En la frecuencia) F(s) = 1/s Función rampa (En el tiempo) f(t) = t (En la frecuencia) F(s) = 1/s 2 José Gustavo Leyva Retureta 17

18 Respuesta: La respuesta en el tiempo de un sistema de control consta de dos partes: la respuesta transitoria y la respuesta en estado estable. Por respuesta transitoria nos referimos a la que va del estado inicial al estado final. Por respuesta en estado estable, nos referimos a la manera en la cual se comporta la salida del sistema conforme t tiende a infinito Si la salida de un sistema de control en estado estable no coincide exactamente con la entrada, se dice que el sistema tiene un error de estado estable. Este error indica la precisión del sistema. Al analizar un sistema de control, debemos examinar el comportamiento de la respuesta transitoria y el comportamiento en estado estable. José Gustavo Leyva Retureta 18

19 Capitulo 1 Fundamentos de la tecnología de control de lazo cerrado. 1.1 Qué es la tecnología de control en lazo cerrado? 1.2 Qué es un sistema? 1.3 Control en lazo abierto y lazo cerrado. 1.4 Terminología básica. 1.5 Sistemas de Control Descripción de la respuesta dinámica de un sistema de control. 1.6 Controladores Respuesta de Control Tiempo de respuesta de un controlador Detalles técnicos de los controladores. 1.7 Modo de operación de varios tipos de sistemas de control Controlador Proporcional Controlador de acción integral Controlador P Controlador PD Controlador PID. 1.8 Compensadores. José Gustavo Leyva Retureta 19

20 Este capítulo describe las diferencias entre un sistema de control en lazo cerrado y un sistema de control en lazo abierto y da una introducción a la tecnología de control en lazo cerrado. Los objetivos de esta capitulo son: Reconocer los sistemas de control en lazo cerrado. Analizar los sistemas de control en lazo cerrado. Comprender la interacción entre los sistemas individuales. Establecer un controlador. Evaluar la respuesta de control. 1.1 Qué es la tecnología de control en lazo cerrado? Las variables tales como la presión, la temperatura, el nivel, o el caudal a menudo son parte de un conjunto de equipos muy elaboradas o grandes sistemas. Estos sistemas no deben de cambiar cuando ocurren variaciones. La ingeniería de control se ocupa de todos los problemas que acurran dentro de estos sistemas. La variable controlada es la primera medida y una señal eléctrica se creará para permitir al controlador independiente del lazo cerrado controlar esta variable. El valor medido en el controlador debe compararse con el valor deseado o la curva del valor deseado. El resultado de esta comparación determina cualquier acción que se necesite tomar. Finalmente, un lugar adecuado se debe encontrar en el sistema, donde la variable controlada puede ser influenciada (por ejemplo, el accionamiento de un sistema de calefacción). Esto requiere el conocimiento de cómo se comporta el sistema. José Gustavo Leyva Retureta 20

21 La Tecnología de control en lazo cerrado es muy amplia, es decir se puede aplicar a cualquier tipo de tecnologías. La mayoría de los libros de texto describen esto con la ayuda de matemáticas avanzadas. Este capítulo describe los fundamentos de la tecnología de control en lazo cerrado con el mínimo uso de las matemáticas. Variable de referencia: En los sistemas en lazo cerrado la tarea es mantener la variable controlada en el valor deseado o para seguir la curva del valor deseado. Este valor deseado es conocido como la variable de referencia. Variable controlada: La variable que está sujeta a control se denomina variable controlada. Ejemplos de las variables controladas son: La presión de una prensa hidráulica La temperatura en un baño de galvanizado Caudal de refrigerante en un intercambiador de calor Concentración de una sustancia química en un recipiente de mezcla Velocidad de avance de una máquina herramienta con accionamiento eléctrico Variable Manipulada: La variable controlada en cualquier sistema puede ser influenciada. Esta influencia permite a la variable controlada modificarse para ajustarse a la de referencia. La variable influenciada de esta manera es llamada variable José Gustavo Leyva Retureta 21

22 manipulada. Es decir la variable manipulada es el resultado de la modificación que sufre la variable controlada al comparase con la variable de referencia. Ejemplos de la variable Manipulada son: Posición de una válvula neumática de control de presión. Voltaje aplicado al calentador eléctrico de un baño de galvanizado. La posición de la válvula de control en la línea de alimentación de refrigerante. Posición de una válvula en una línea de alimentación de productos químicos. Voltaje en la armadura de un motor de CC. Sistema de Control: Existen complejas relaciones entre la variable manipulada y la variable controlada. Estas relaciones son resultado de la interdependencia física de las dos variables. La parte del control que describe los procesos físicos se llama sistema de control. 1.2 Qué es un sistema? El sistema de control tiene una variable de entrada y una variable de salida. La respuesta del sistema se describe en términos de dependencia de la variable de salida y la variable de entrada. Estas respuestas tienen entre una o varias variables normalmente puede ser descritas mediante ecuaciones matemáticas basadas en leyes físicas. Estas relaciones físicas pueden ser determinadas por la experimentación. Los sistemas de control se muestran como un bloque con la entrada adecuada y de variables de salida (ver fig. 1-1). José Gustavo Leyva Retureta 22

23 Ejemplo: Una tina con agua se debe mantener a una temperatura constante. El agua de la tina se calienta por un serpentín a través del cual pasa un flujo de vapor. El flujo de tasa de vapor de agua se puede establecer por medio de una válvula de control. Aquí el sistema de control consta de la colocación de la válvula de control y de la temperatura del agua de la tina. Este resultado es un sistema controlado con la variable de entrada "temperatura del baño de agua" y la variable de salida "posición de válvula de control "(ver fig. 1-2). Las siguientes secuencias toman un lugar en el seno del sistema de control: La posición de la válvula de control afecta a la velocidad de flujo de vapor a través del serpentín. La tasa de flujo de vapor determina la cantidad de calor que pasa al agua de la tina. La temperatura del baño aumenta si la entrada de calor es mayor que la pérdida de calor y viceversa. José Gustavo Leyva Retureta 23

24 Estas secuencias dan la relación entra la variable de entrada y la variable de salida. Ventaja de crear un sistema: La ventaja de crear un sistema con variables de entrada y salida y representar el sistema como un bloque consiste en que esta representación señala el problema del equipo específico usado y permite una vista (opinión) genérica. Pronto veremos que todo tipo de sistemas de control pueden demostrar la misma respuesta y por lo tanto pueden ser tratados de la misma manera, la sección 1.4 contiene más información sobre el comportamiento de los sistemas de control y su descripción. 1.3 Control en lazo abierto y en lazo cerrado. Habiendo definido el término "sistema de control" es necesario dar las definiciones de control en lazo cerrado y en lazo abierto de acuerdo a las normas. Primero es necesario entender totalmente la diferencia entre el control de lazo abierto y el control de lazo cerrado. Sistema de control en lazo abierto: La norma Alemana DIN define el control de lazo abierto como un proceso que ocurre en un sistema, donde por una o varias variables en forma de variables de entrada, estas ejercen influencia sobre otras variables en forma de variables de salida por razón de las leyes que caracterizan el sistema. El rasgo que distingue el control de lazo abierto es la naturaleza abierta de su acción, es decir la variable de salida no tiene ninguna influencia sobre la variable de entrada. José Gustavo Leyva Retureta 24

25 Ejemplo El flujo Volumétrico es fijado por el ajuste de una válvula de control, a presión constante, el flujo volumétrico es directamente bajo la influencia de la posición de la válvula de control. Esta relación entre el ajuste de válvula de control y el flujo volumétrico puede ser determinada mediante la ecuación física o por el experimento. Esto causa la definición de un sistema que consiste en "la válvula" con la variable de salida " el flujo volumétrico " y la variable de entrada " el ajuste de válvula de control " (Fig. 1-3). Este sistema puede ser controlado mediante el ajuste de la válvula de control. Esto permite obtener el caudal que se desea establecer. Sin embargo, sí la presión aplicada fluctúa, el caudal también va a fluctuar. En este sistema abierto, el ajuste debe realizarse de forma manual. Si este ajuste se llevara a cabo de forma automática, el sisma deberá tener control de lazo cerrado. Sistema de control en lazo cerrado: La norma DIN define al sistema de control en lazo cerrado como un proceso donde la variable controlada es continuamente monitoreada y comprada José Gustavo Leyva Retureta 25

26 con la variable de referencia. Dependiendo del resultado de esta comparación la variable de entrada para este sistema es influenciada, para ajustar la variable de salida al valor deseado, a pesar de las perturbaciones. Esto da a lugar a la acción de control en lazo cerrado. Esta definición teórica puede aclararse con el ejemplo de control de flujo volumétrico manual anteriormente descrito, ahora la variable de entrada la controla el mismo equipo sin la intervención del hombre, es decir es automática. Desviación: El resultado que se obtiene de comprar el valor medido menos el valor deseado es llamado desviación. Ejemplo: El flujo volumétrico (variable de salida) debe ser mantenido en un valor predeterminado, que es la variable de referencia, primero se hace una medida del flujo volumétrico y esta medida es convertida en una señal eléctrica, esta señal es pasada al regulador y comprada con el valor deseado, la desviación presentada, traducida en señal eléctrica es enviada al controlador que ejerce la acción de control sobre la variable manipulada. Elemento Manipulado: Con el fin de controlar automáticamente la válvula de control con la ayuda de la desviación, es necesario un motor de accionamiento eléctrico o solenoide proporcional. Esto permite el ajuste de la variable controlada. Esta parte es llamada elemento de manipulación (Fig. 1-4). José Gustavo Leyva Retureta 26

27 El regulador ahora pasa a una señal al elemento de manipulación (válvula de control) con el valor de la desviación. Si existe una desviación negativa, es decir el valor de medición del caudal es mayor que el valor deseado (variable de referencia) la válvula se cierra a un más. Si hay una gran desviación positiva, que es cuando el valor medido es inferior al valor deseado, la válvula se abre más. El ajuste de la variable de salida no es normalmente el ideal por qué? Si la intervención es demasiado rápida y demasiado grande, la influencia al final de la entrada del sistema es demasiado grande. Esto causa grandes fluctuaciones en la salida. Si la influencia es lenta y pequeña, la variable de salida sólo se acercará al valor deseado. Además, los diferentes tipos de sistemas de control requieren diferentes estrategias de control. Los sistemas que responden lentamente deben ajustarse cuidadosamente y con premeditación. Esto describe algunos de los problemas que enfrenta el Ingeniero de Control en sistemas de lazo cerrado. José Gustavo Leyva Retureta 27

28 siguientes: El diseño de un sistema de control de lazo cerrado requiere los pasos Determinar la variable manipulada (es decir, definir el sistema de control). Determinar el comportamiento del sistema de control. Determinar la estrategia de control para el sistema de control (comportamiento del controlador del sistema). Seleccionar la medición (sensores) y los elementos de la manipulación (actuadores). 1.4 Terminología Básica En la introducción teórica pudimos estudiar los conceptos básicos y los antecedentes necesarios para poder adentrarnos al estudio de sistemas de control, por otro lado en la sección 1.3 se estudia la diferencia entre control de lazo abierto y control de lazo cerrado, con el ejemplo del flujo volumétrico para el control de la válvula. Además se aborda el principio básico de control de lazo cerrado y la terminología básica. Usando este ejemplo, se echa un vistazo más especializado a la tecnología de sistemas de control en lazo cerrado. Variable controlada X: El objetivo de cualquier sistema de control en lazo cerrado es mantener una variable en un valor deseado o en una curva de valor deseado. La variable a ser controlado es conocida como la variable controlada X. En nuestros ejemplos anteriores ah sido el flujo volumétrico. José Gustavo Leyva Retureta 28

29 Variable manipulada Y: El control automático de lazo cerrado solo puede ocurrir, si la maquina o el sistema ofrecen una posibilidad para influir en la variable controlada; es llamada variable manipula Y la variable que puede ser cambiada para influir sobre la variable controlada. En nuestro ejemplo de flujo volumétrico para el posicionamiento del solenoide, la variable manipulada es comparada con la variable de referencia y la diferencia es el valor de la desviación. Variable de perturbación Z: Los disturbios ocurren en cualquier sistema de control. De hecho, las alteraciones son a menudo la razón por la cual se requiere un control de lazo cerrado. En nuestro ejemplo, la presión aplicada cambia el flujo volumétrico y requiere un cambio de ajuste de la válvula de control. Llamamos a tal influencia variable de perturbación Z, esta variable es debida a condiciones externas del sistema, otro ejemplo pudieran ser las fluctuaciones de voltaje. El sistema de control es la parte de una maquina controlada o la planta en la cual la variable controlada debe ser mantenida en el valor de la variable de referencia. El sistema controlado puede ser representado como un sistema con la variable controlada como la variable de salida y la variable manipulada como la variable de entrada. En el ejemplo de control de flujo volumétrico, el sistema de control está conformado por la tubería, la válvula de control y aditamentos para el control. Variable de referencia W: La variable de referencia es también conocida como el punto de ajuste. Representa el valor deseado de la variable controlada. La variable de referencia José Gustavo Leyva Retureta 29

30 puede ser constante o puede variar con el tiempo. El verdadero valor instantáneo de la variable controlada se llama valor real de W. Desviación xd: El resultado de la comparación de la variable de referencia y la variable controlada es la desviación xd: Xd= W-X Respuesta de control: La respuesta de control indica como el sistema de control, reacciona a los cambios de la variable de entrada. La determinación de la respuesta de control es uno de los objetivos de la tecnología de control en lazo cerrado. Controlador: El controlador tiene la tarea de mantener la variable controlada lo mas cerca posible a la variable de referencia. El controlador compara constantemente el valor de la variable controlada con el valor de la variable de referencia, de esta comparación y de la respuesta de control, el controlador determina y cambia el valor de la variable manipulada (Fig. 1-5). José Gustavo Leyva Retureta 30

31 Elementos manipulados y servo-motor: El elemento manipulado ajusta la variable controlada. El elemento de manipulación normalmente es accionado por un servo-motor. Se requiere un servo-motor para que el controlado pueda actuar sobre el elemento de manipulación directamente. En nuestro ejemplo de control de flujo volumétrico, el elemento de manipulación es la válvula de control. Elemento de medición: A fin de que la variable de control sea accesible para el controlador, debe ser medida por un elemento de medición (sensores, transductores) y se convierte en una señal eléctrica que puede ser procesada por el controlador. Lazo cerrado. El lazo cerrado contiene todos los componentes necesarios para el control automático de lazo cerrado (Fig. 1-6). José Gustavo Leyva Retureta 31

32 1.5 Sistema controlado El sistema de control es la parte de una maquina o planta en el que la variable controlada, debe ser mantenida en el valor deseado y en compensar las variables de perturbación. Las variables de entrada al sistema de control incluyen no solo la señal de salida, sino también las variables de perturbación. Antes de que un controlador se pueda definir para un sistema de control, el comportamiento del sistema de control debe ser conocido. El Ingeniero de Control no está interesado en los procesos técnicos n el sistema de control, solo en el comportamiento del sistema. Respuesta dinámica de un sistema: La respuesta dinámica de un sistema (también llamada respuesta en el tiempo) es un aspecto importante. Es el tiempo característico de la variable de salida (variable controlada) para los cambios en la variable de entrada. Particularmente importantes es el comportamiento cuando se cambia la variable manipulada. El Ingeniero de Control debe comprender que casi todos los sistemas tienen una respuesta dinámica característica. Ejemplo 1: En el ejemplo de la tina con agua de la sección 1.2 (Fig. 1-2) un cambio del ajuste de la válvula de vapor inmediatamente no cambiaría la temperatura de variable de salida, más bien la capacidad calorífica del baño maría, hará que la temperatura se arrastre al nuevo equilibrio. José Gustavo Leyva Retureta 32

33 Ejemplo 2: En el ejemplo de una válvula para el control del flujo volumétrico, la respuesta es rápida, aquí, un cambio en la configuración de la válvula tiene un efecto inmediata sobre el flujo volumétrico, por lo que el cambio en la señal de salida volumétrica cambia inmediatamente después de la señal de entrada cuando la válvula de control se ajusta (Fig.1-8) José Gustavo Leyva Retureta 33

34 En ambos ejemplos se puede ver la respuesta dinámica a la señal escalón con el ejemplo 1 la señal de salida cambia lentamente y en el ejemplo 2 el cambio es casi inmediato Descripción de la respuesta dinámica de un sistema de control. En los ejemplo mostrados en las Fig. 1-7 y Fig. 1-8, el tiempo de respuesta se mostro suponiendo un cambio repentino en la variable de entrada, este es un método comúnmente utilizado para establecer el tiempo de respuesta del sistema. Respuesta escalón: La respuesta de un sistema a un cambio repentino de la variable de entrada se llama respuesta escalón. Cada sistema se caracteriza por su respuesta escalón. La respuesta escalón también permite que un sistema sea descrito con formulas matemáticas. José Gustavo Leyva Retureta 34

35 Respuesta Dinámica: Esta respuesta puede ser descrita también como la respuesta escalón, de la señal de salida y todo esto varia con el tiempo. Se puede ver un claro ejemplo en la Fig. 1-9 donde la variable manipulada Y de repente es aumentada (vease el diagrama izquierdo). La respuesta escalón de la variable controlada X es un proceso de estabilización transitoria, diagrama de la derecha. Equilibrio: Otra característica de un sistema, es su comportamiento en el equilibrio, comúnmente llamado comportamiento estático. Comportamiento estático: El comportamiento estático de un sistema se alcanza cuando ninguna de las variables cambian con el tiempo. El equilibrio se alcanza cuando el sistema se ha instalado, este estado se puede mantener por tiempo ilimitado. La variable de salida depende de la variable de entrada esta dependencia se muestra por la característica del sistema. José Gustavo Leyva Retureta 35

36 Ejemplo: La característica de la válvula del baño de agua de nuestro ejemplo anterior, muestra la relación entre el flujo volumétrico y la posición de la válvula (Fig. 1-10). La curva característica muestra si el sistema es un sistema lineal o no lineal. Si la curva característica es una línea recta, el sistema es lineal o ideal. En la válvula de nuestro sistema, la curva característica no es lineal. Muchos sistemas de control que se pueden obtener en la práctica no son lineales. Sin embargo, a menudo puede ser aproximado por una característica lineal en el rango en el que se explotan. José Gustavo Leyva Retureta 36

37 1.6 Controladores. En la sección anterior se estudio los sistemas de control, enfocándose en la parte del sistema que está controlada por diferentes tipos de controladores. Esta sección se enfocara en estudiar estos controladores. El controlador es el dispositivo de un sistema de control en lazo cerrado que se encarga de comprar el valor medido (valor real) con el valor deseado y luego calcula y emite la señal de salida. La sección anterior ha mostrado que los sistemas de control pueden tener respuestas muy diferentes. Existen sistemas que responden rápidamente, los sistemas que responden muy lentamente y los sistemas con la propiedad de almacenamiento. Para cada uno de los sistemas de control, los cambios en la variable manipulada deben llevarse a cabo de una manera diferente. Por esa razón, hay varios tipos de tratamiento, cada uno con su respuesta de control. El Ingeniero de Control tiene la tarea de seleccionar el controlador con las respuestas de control más adecuadas para el sistema de control que esté aplicando Respuesta de control. La respuesta de control es la forma en que el controlador deriva la señal de salida de la desviación del sistema. Hay dos grandes categorías: Los controladores de acción continua y los controladores de acción no continua. Control de acción continúa: La variable manipulada del controlador de acción continúa, cambia continuamente dependiendo de la desviación del sistema. Controladores de este tipo dan el valor de la desviación del sistema como una señal de accionamiento directo para el elemento manipulado. Un ejemplo de este tipo de controlador es el José Gustavo Leyva Retureta 37

38 gobernador centrífugo. Cambia su momento de inercia dependiendo de la velocidad y por lo tanto tiene una influencia directa en la velocidad. Controlador de acción no continúa: La variable manipulada de un controlador de acción no continua, sólo puede ser cambiado en los pasos establecidos, el controlador de la acción no continua más conocido es el control de dos etapas que solo puede asumir las condiciones de encendido o pagado. Un ejemplo es el termostato de una plancha, se ajusta la corriente eléctrica para que el elemento de calefacción o resistencia adquiera la temperatura deseada o se apague el sistema. Esta sección solo se ocupa de los controladores de acción continua ya que estos son más comúnmente utilizados en la tecnología de automatización. Además, los fundamentos de la tecnología de lazo cerrado pueden ser explicados mejor como un ejemplo mediante el control de acción continúa. José Gustavo Leyva Retureta 38

39 1.6.2 Tiempo de respuesta de un controlador Cada sistema de control tiene su propio tiempo de respuesta. Este tiempo de respuesta depende del diseño de la maquina o sistema y no puede ser influenciada por el Ingeniero de Control. El tiempo de respuesta del sistema de control debe de ser establecido mediante la experimentación o el análisis teórico. El controlador es también un sistema de respuesta y tiene su propio tiempo. Este tiempo de respuesta será especificado por el Ingeniero de Control a fin de lograr un buen control de rendimiento. El tiempo de respuesta de un controlador continúo de acción está determinada por tres componentes: Componente proporcional (componente P) Componente integral (componente I) Componente derivativo (componente D) A continuación veremos como las designaciones anteriores indican cómo se calcula la señal de salida a partir de la desviación del sistema. Controlador Proporcional: En el controlador proporcional, la variable manipulada de salida es proporcional a la desviación del sistema. Si la desviación del sistema es grande, el valor de la variable manipulada es grande. Si la desviación del sistema es pequeña, el valor de la variable manipulada es pequeño. Como la señal de salida es proporcional a la desviación del sistema, la señal de salida sólo está presente si hay una desviación del sistema. Por esta razón, un controlador proporcional por sí solo no puede lograr un sistema de desviación de cero. En este caso no hay variable manipulada y por tanto no habría ningún control. José Gustavo Leyva Retureta 39

40 Controlador de acción integral: Una acción integral añade la desviación del sistema en el tiempo, es decir que se ha integrado. Por ejemplo, si una desviación del sistema está constantemente presente, el valor de la variable manipulada sigue aumentando, ya que depende de la suma en el tiempo. Sin embargo, como el valor de la variable manipulada sigue aumentando, el sistema disminuye la desviación. Este proceso continua hasta que la desviación del sistema es cero. Los controladores de acción integral o componentes integrales en los controladores son los utilizados para evitar la desviación de sistema permanente. José Gustavo Leyva Retureta 40

41 Controlador de acción derivativa: El componente derivativo evalúa la velocidad del cambio de la desviación del sistema. Esto también se llama diferenciación de la desviación del sistema. Si la desviación del sistema está cambiando rápidamente, la señal de salida es grande. Si la desviación del sistema es pequeña, el valor de la variable manipulada es pequeño. Un controlador con componente derivativa, por sí sola no tiene ningún sentido. Un controlador puede constar de un solo componente, por ejemplo un controlador I, P o D. El controlador también puede ser una combinación de varios componentes, la forma mas común de control continuo de la acción es el controlador PID, sin embargo también se ocupan los controladores del tipo PI o PD Los detalles técnicos de los controladores. Los controladores en la tecnología de automatización, son casi exclusivamente eléctricos o electrónicos, aunque los controladores mecánicos y neumáticos son a menudo ejemplos en los libros de texto, estos casi nunca se encuentran en los sistemas industriales modernos. José Gustavo Leyva Retureta 41

42 Los controladores eléctricos y electrónicos trabajan con señales eléctricas de entrada y de salida. Los transductores son sensores que convierten las variables físicas en voltaje o corriente. Los elementos de manipulación y servo accionamientos son operados por salidas de corriente o voltaje. Teóricamente, no hay límite de rangos para estas señales. En la práctica, sin embargo, se han estandarizado rangos para los controladores: Rango de entrada Rango de salida Voltaje 0 10v V Corriente 0 20mA 4 20mA El procesamiento interno de señales en el controlador, puede ser analógico con circuitos de amplificador operacional o digital con los sistemas de microprocesadores. En los circuitos con amplificadores operaciones, los voltajes y las corrientes se procesan directamente en los módulos adecuados. En el procesamiento digital de señales analógicas, primero se convierten en señales digitales, después del calcula de la variable manipulada en microprocesador, el valor digital se convierte de nuevo en un valor analógico. Aunque teóricamente estos dos tipos de tratamiento tienen que ser de manera muy distinta, no hay ninguna diferencia en la aplicación práctica de los controladores clásicos. José Gustavo Leyva Retureta 42

43 1.7 Modo de funcionamiento de los distintos tipos de controladores. Esta sección explica la respuesta de control de los distintos tipos de controladores y la importancia de sus parámetros. Al igual que en la explicación de los sistemas de control, la respuesta de escalón se utiliza para la descripción, la variable de salida del controlador es la desviación del sistema, es decir, la diferencia entre el valor deseado y el valor real de la variable controlada El controlador proporcional. En el caso del controlador proporcional, la señal de accionamiento es proporcional a la desviación del sistema. Si la desviación del sistema es grande, el valor de la variable manipulada es grande. Si la desviación del sistema es pequeña, el valor de la variable manipulada es pequeño. El tiempo de respuesta del controlador P en el estado ideal es exactamente la misma que la variable de entrada (Fig. 1-15). La relación de la señal de salida a la desviación del sistema es el coeficiente proporcional o ganancia proporcional. Estos son designados por Xp, Kp o similares. Estos valores pueden ser establecidos en un controlador P. Se determina la forma de la señal de salida a partir del cálculo de la desviación del sistema por lo tanto la ganancia proporcional se calcula como: Kp= Y 0 / X 0 José Gustavo Leyva Retureta 43

44 Si la ganancia proporcional es demasiado alta (Y 0 >> X 0 ), el controlador realizara grandes cambios sobre el elemento de manipulación, si la ganancia proporcional es demasiado pequeña, la respuesta del controlador será demasiado débil lo cual nos dará como resultado un control insatisfactorio. Un paso en la desviación del sistema también se traducirá en un paso en la variable de salida. El tamaño de este paso depende de la ganancia proporcional. En la práctica, los controladores suelen tener un tiempo de retraso, que es un cambio en la señal manipulada, la cual no se realiza hasta que un cierto tiempo haya transcurrido después de un cambio de la desviación del sistema. En los controladores eléctricos, este tiempo de retraso normalmente se puede establecer. Una propiedad importante del controlador P es que, como consecuencia de la rígida relación entre la desviación del sistema siempre permanecen. El controlador P no puede compensar esta desviación del sistema restante. El controlador proporcional es utilizado para controlar teniendo en cuenta el presente, es decir, el error actual es multiplicado por una ganancia constante (Kp) y aplicado al actuador. Como es obvio, cuando el error es cero, la salida de este regulador también es cero, por lo que junto a la señal de control proporcional habría que añadir un offset, o también conocido como bias, que permitiese al valor de salida seguir a la señal de referencia El controlador I El controlador I añade la desviación del sistema en el tiempo. Se integra la desviación del sistema. Como resultado, la tasa de cambio (y no el valor) de la señal de salida es proporcional a la desviación del sistema. Esto se demuestra por la respuesta de escalón del controlador I, si la desviación del sistema aumenta de repente, la variable manipulada aumenta continuamente. Cuanto mayor es la José Gustavo Leyva Retureta 44

45 desviación del sistema, mayor será el aumento de la variable manipulada (Fig. 1-16). Por esta razón, el controlador I no es adecuado para compensar la desviación del sistema. Si la desviación del sistema es grande, los cambios de variables manipuladas cambian rápidamente, como resultado, la desviación del sistema se hace más pequeña y la variable manipulada cambia más lentamente hasta que se alcance el equilibrio. Sin embargo, un controlador I puro no es apto para la mayoría de los sistemas de control, ya que causa oscilaciones en el circuito de lazo cerrado o responde con demasiada lentitud a la desviación del sistema en los sistemas con un tiempo de retraso grande. En la práctica, casi no hay controladores I puros. En otras palabras la acción integral da una respuesta proporcional a la integral del error. Esta acción elimina el offset, pero se obtiene una mayor desviación del set point, la respuesta es más lenta y el periodo de oscilación es mayor que en el caso de la acción proporcional. José Gustavo Leyva Retureta 45

46 1.7.3 El controlador PI El controlador PI combina el comportamiento del controlador P y el controlador I. Esto permite que las ventajas de ambos tipos de controlador se unan y nos den como resultado: la reacción rápida y la compensación de la desviación del sistema restante. Por esta razón, el controlador PI puede ser utilizado para un gran número de sistemas controlados. Además de la ganancia proporcional, el controlador PI tiene un mayor valor de la característica que indica el comportamiento del componente I: el tiempo de reposición (el tiempo de acción integral). Tiempo de reposición o reajuste: El tiempo de reposición es una medida de qué tan rápido el controlador restablece la señal de salida (además de la señal de salida generados por el componente P) para compensar la desviación del sistema, en otras palabras: el tiempo de reposición es el período por el cual el controlador PI es más rápido que el controlador I puro. Comportamiento se muestra por la curva de tiempo de respuesta del controlador PI (Fig. 1-17). José Gustavo Leyva Retureta 46

47 El tiempo de reajuste es una función de la ganancia proporcional Kp, la tasa de cambio de la señal de salida es más rápida para una mayor ganancia. En el caso de un largo tiempo de reposición, el efecto de la componente integral es pequeño, al igual que la suma de la desviación del sistema con la señal de entrada es lenta. El efecto de la componente integral es grande, si el tiempo de reposición es corto. La eficacia o eficiencia del controlador PI, se incrementa con el aumento de ganancia Kp y con el aumento de la componente I, es decir, disminución de tiempo de reposición, sin embargo, si estos dos valores son demasiado extremos, la intervención del Contralor es muy grande y el control de lazo cerrado empieza a oscilar, la respuesta entonces se vuelve inestable. El punto en que comienza la oscilación es diferente para cada sistema controlado y debe ser determinado El controlador PD El controlador PD consta de una combinación de acción proporcional y acción derivativa. La acción derivativa describe la tasa de cambio de la desviación del sistema. Cuanto mayor es esta tasa de cambio (que es el tamaño de la desviación del sistema durante un período determinado) mayor es el componente diferencial. Además de la respuesta de control del controlador P puro, grandes desviaciones del sistema se encuentran con respuestas muy breves pero de gran tamaño. Esto se expresa mediante la derivada de acción (tasa de tiempo). Tiempo de acción derivativa: El tiempo de acción derivativa Td es una medida de qué tan rápido un controlador PD compensa un cambio en la variable controlada de un controlador P puro. Un salto en la señal de salida compensa una gran parte de la desviación del sistema antes que un controlador P puro. El componente de P por lo tanto parece responder antes por un período igual a la tasa de tiempo (Fig. 1-18). José Gustavo Leyva Retureta 47

48 Existen dos desventajas en el controlador PD cuando se utiliza. En primer lugar, no puede compensar completamente las desviaciones del sistema. En segundo lugar, un componente de D ligeramente excesivo conduce rápidamente a la inestabilidad del de lazo cerrado. El sistema de control entonces tiende a oscilar Controlador PID Además de las propiedades del controlador PI, el controlador PID se complementa con el componente de D. Esto toma la tasa de cambio de la desviación del sistema en cuenta. Si la desviación del sistema es grande, el componente D garantiza un cambio muy alto momentáneo en la señal de salida; mientras que, si la influencia de la componente D cae de inmediato, la influencia de los aumentos de la componente I caen lentamente; Si el cambio de desviación, del sistema es ligero, el comportamiento del componente D es insignificante (véase la sección 1.6.2). Este comportamiento tiene la ventaja de una respuesta más rápida y una más compensación rápida de la desviación del sistema en caso de cambios o José Gustavo Leyva Retureta 48

49 variables de perturbación. La desventaja es que el bucle de control de lazo cerrado es mucho más propensa a la oscilación y que la elaboración de tal sistema es por tanto más difícil, la Fig muestra el tiempo de respuesta de un controlador PID. Tiempo de acción derivativa. Como resultado del componente derivativo, este tipo de controlador es más rápido que un controlador P o un controlador PI. Esto se manifiesta en el derivado de la acción en tiempo Td. La derivada en tiempo de acción es el plazo por el que un controlador PID es más rápido que el controlador PI. 1.8 Compensadores La compensación es la modificación de la dinámica del sistema, realizada para satisfacer la especificaciones determinadas, el diseñador trata de satisfacer todos los requerimientos mediante la repetición juiciosa del método de prueba y error. Ajustar la ganancia es el primer paso, sin embargo en muchos casos prácticos, no basta ajustar la ganancia del sistema para cumplir con las especificaciones dadas. Con frecuencia, aumentar la ganancia mejora el José Gustavo Leyva Retureta 49

50 funcionamiento estacionario, pero redunda en una estabilidad pobre. En tal caso es necesario rediseñar el sistema para alterar el funcionamiento global, de manera que el sistema se comporte en la forma deseada. Este rediseño se denomina compensación y al dispositivo que se inserta se le denomina compensador. El compensador modifica el desempeño con déficit del sistema original. Compensadores Se han utilizado numerosos dispositivos físicos como compensadores. Entre las muchas clases de compensadores, ampliamente utilizados, están los de adelanto, de atraso, de atraso-adelanto y compensadores con retroalimentación de velocidad. Los compensadores pueden ser dispositivos electrónicos, o redes eléctricas, mecánicas, neumáticas, hidráulicas o alguna combinación de ellas. Compensación en serie y compensación en paralelo Las figuras (a) y (b) muestran los esquemas de compensación que suelen utilizarse para los sistemas de control realimentados. La figura (a) contiene la configuración en la que el compensador G c (s) se coloca en serie con la planta. Este esquema se denomina compensación en serie. Una alternativa a la compensación en serie es la realimentación de las señales de algunos elementos y la colocación de un compensador en la trayectoria de realimentación interna resultante, como se aprecia en la figura (b). Esta compensación se denomina compensación mediante realimentación ó compensación en paralelo. Al compensar los sistemas de control, observamos que, por lo general, el problema termina en un diseño conveniente de un compensador en serie o mediante realimentación. La elección entre la compensación en serie y la compensación mediante realimentación depende de la naturaleza de las señales José Gustavo Leyva Retureta 50

51 del sistema, los niveles de potencia en los diferentes puntos, los componentes disponibles, la experiencia del diseñador, las consideraciones económicas, tec. En general, la compensación en serie es mas sencilla que la compensación mediante realimentación; sin embargo aquella requiere con frecuencia de amplificadores adicionales para incrementar la ganancia y/o ofrecer un aislamiento. Observe que, la cantidad de componentes de la compensación en paralelo será menor que la cantidad de compensación en serie, siempre y cuando se tenga una señal adecuada, debido a que la transferencia se da de un nivel de potencia más alto a un nivel más bajo. Al analizar los compensadores, solemos utilizar términos como compensación en adelanto, compensación en atraso y compensación adelanto atraso. En este trabajo explicaremos solo la compensación en adelanto y en atraso. José Gustavo Leyva Retureta 51

52 Capitulo 2 Proyección de sistemas de automatización. 2.1 Introducción Motivación Configuración de la consola de prácticas Descripción del proceso de diseño de proyecto. 2.2 Núcleo del Diseño del proyecto - Metodología básica para el diseño de proyectos de sistemas de automatización Comentarios sobre la configuración del proyecto Listado de condiciones - Especificación del Funcionamiento Diagrama de flujo de PI Diagramas de bloques EMCS Notas sobre el diseño de proyectos de energía auxiliar Notas sobre el diseño del proyecto de montaje 2.3 Síntesis del sistema de control en lazo cerrado Observaciones previas Análisis del proceso I Modelo de configuración Controlador de configuración y parametrización 2.4 Selección de dispositivos de automatización Observaciones previas Fundamentos esenciales 2.5 Proceso de medidas de protección José Gustavo Leyva Retureta 52

53 2.1 Introducción Motivación. En la actualidad la formación en el campo de la tecnología de automatización está principalmente regida, por la teoría de los sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado, el objetivo principal de este equipo es proporcionar prácticas a los futuros especialistas en automatización y los métodos de diseño de proyecto para sistemas de automatización, la formación integral aplica en casos tales como: la selección y el dimensionamiento de equipos, métodos de diseño de proyectos, información, electrotécnica, así como la teoría de lazo abierto y cerrado; los cuales siempre se deberán enseñarse en un contexto común, demostrado a través de pertinentes ejemplos prácticos (aprender haciendo). Gracias a Festo Didactic (sistema modular de producción MPS), al Departamento de Automatización de la Universidad Técnica de Dresden y a la formación profesional y continua de ingenieros y otros especialistas se han podido recopilar muchos años de experiencia como parte de un proyecto común, utilizado para diseñar y desarrollar una consola de prácticas para la automatización de procesos continuos Configuración de la consola de prácticas. Adoptando la idea de la automatización de operaciones en la tecnología de proceso, el primer punto importante es la cuestión sobre los parámetros del proceso, para evaluar la experiencia adquirida, en los parámetros de un proceso típico como pueden ser: nivel de llenado, el rendimiento, la presión, la temperatura y la calidad (ph) se deben incorporar módulos adecuados (módulos de tecnología de procesos) basados en el conocido concepto de MPS. José Gustavo Leyva Retureta 53

54 Esto significa que estos módulos representan el proceso individual en secciones y son designados de acuerdo a una estructura estándar (Fig. 2-1). Los módulos de nivel de llenado, caudal, presión, temperatura y la calidad están disponibles para su uso individual, pero también pueden ser combinados o duplicados a través de un EMCS central (Sistema de control electrónico de medición) terminal y operacional como un proceso complejo de sistemas(fig. 2-2). José Gustavo Leyva Retureta 54

55 2.1.3 Descripción del proceso de diseño del proyecto Como ya se mencionó anteriormente, el concepto de formación integral requiere de la enseñanza de diferentes parámetros en la tecnología de automatización, además de su integración en un proyecto efectivo de metodología de diseño, la Fig. 2-3 proporciona una aclaración inicial de la diversidad técnica en la tecnología de automatización. Esta amplia base de conocimientos solo puede ser dominada mediante la práctica de diseños de proyectos, desde este punto de vista, solamente la consola de prácticas representa un importante medio auxiliar para la enseñanza de los contenidos y la formación para este tipo de tecnología. Si nosotros estuviéramos inmersos en alguna tarea de diseño de proyectos ya sea en la consola de prácticas o en un instalación industrial el saber como seria la base esencial de nuestra tarea por lo tanto la Fig. 2-4 proporciona una José Gustavo Leyva Retureta 55

56 introducción general inicial del alcance y secuencia del trabajo efectivo del diseño del proyecto. El punto de inicio de cada proyecto de automatización son los requisitos del proyecto, los cuales son puestos en el sistema de automatización, generalmente estos requisitos (especificaciones) son elaborados por el cliente, en este sentido las Normas DIN tienen una manera tradicional de representar las especificaciones y procesos mediante un diagrama de flujo. El contratista, como una regla de la compañía del diseño del proyecto, elabora una propuesta (incluyendo cotización) y documentos del trabajo del diseño del proyecto (especificación) para ser completada a través de un borrador configurable en forma de diagrama de flujo PI (tuberías y diagrama de flujo de la instalación). José Gustavo Leyva Retureta 56

57 Estas tareas son elaboradas en forma de un conjunto de documentos del proyecto, por medio del diagrama de bloques EMCS preliminar y el proyecto final (diagramas de bloques EMCS final /listas de cableado). La etapa de diseño del ensamble también forma parte de la tarea diseño del proyecto y asegura que el montaje del sistema de automatización tenga el funcionamiento deseado, finalmente, algunas tareas adicionales necesitan ser cumplidas para la puesta en marcha de este sistema por ejemplo, las especificaciones para la configuración del controlador y parametrización. De importancia paralela al diseño de los proyectos de esta parte EMCS, es la implementación de proyecto eléctrico, neumático e hidráulico, la Fig. 2-4 proporciona una ilustración esquemática de la interacción de estos tres componentes. El diseño del proyecto ahora proporciona una metodología, la cual establece la preparación sistemática de esta amplia gama de tareas (el núcleo de proyecto) y al mismo tiempo la vinculación con la tarea del diseño adicional (proyecto eléctrico / proyecto neumático e hidráulico). En el resumen de la Fig. 2-4, el diseño del proyecto básico (el núcleo del proyecto) también comprende la asignación de la especificación, el diagrama de flujo de PI y la lista de puntos de EMCS, los diagramas de bloque preliminares EMCS con las llamadas listas de accesorios y listas de distribución, incluidas las listas de cableado. Además, los componentes del sistema de montaje y la puesta en marcha del sistema de automatización deben ser identificadas. José Gustavo Leyva Retureta 57

58 2.2 Núcleo del Diseño del proyecto - Metodología básica para el diseño de proyectos de sistemas de automatización Comentarios sobre la configuración del proyecto En la práctica, la tecnología de procesos y las consolas de prácticas, además de la instrumentación de campo (sensores / actuadores), están dominados por el control de procesos y la instrumentación tecnología. Estas herramientas están instaladas dentro de una estructura básica del sistema, la cual es universalmente aceptada como medio de referencia. Esta configuración básica comprende los componentes típicos de la consola de control de procesos, cuarto de conmutación y nivel de campo (Fig. 2-5). José Gustavo Leyva Retureta 58

59 De acuerdo a esto, es posible proceder a la siguiente asignación: Consola de control de procesos --- tecnología de procesador/tecnología PLC Cuarto de conmutación --- transductor de medición Procesos / nivel de campo --- sensores/ actuadores y transductor de medición Recordando la configuración básica de control de lazo cerrado y el sistema de control binario (Fig. 2-6), también es posible asignar estos en la configuración básica con la ayuda de las herramientas de automatización, esta configuración también trabaja para la cadena de medición simple (punto de medición por separado). Finalmente, esto es crucial para definir todos los puntos EMCS (medida electrónica y puntos de control) requeridos para la solución de una tarea de automatización. José Gustavo Leyva Retureta 59

60 2.2.2 Listado de condiciones - Especificación del funcionamiento. La norma VDI / VDE 3694 formalmente especifica que el listado de condiciones o la especificación de funcionamiento de condiciones son la base de cualquier proyecto de automatización. De acuerdo con VDI/VDE el listado de condiciones contiene los requisitos desde el punto de vista de los usuarios, incluidas todas las condiciones de los parámetros. El listado de condiciones define, qué va a ser resuelto? y el propósito de la solución. (El listado de condiciones está redactado por el cliente o encargado. El listado de especificaciones del funcionamiento contiene el listado de condiciones y también detalla las tareas del usuario, ampliando el listado de condiciones, además describe los requisitos de aplicación, teniendo en cuenta enfoques de solución concreta. La especificación de rendimiento se define como y cuáles son los requisitos para su aplicación. (La especificación de funcionamiento esta generalmente elaborada por el contratista en cooperación con el cliente una vez que el pedido se ha realizado). Para una prueba de enfoque práctico, el Ingeniero de Diseño debe comenzar con un análisis y con la secuencia funcional de la respectiva tecnología de proceso (evaluación del diagrama de flujo del proceso, incluyendo la descripción del proceso correspondiente). El diagrama de flujo del proceso para los procesos continuos, se elaborará de acuerdo a las especificaciones de la norma DIN y es la representación esquemática de las tuberías y dispositivos. Una descripción adicional de las entradas y conexiones de los parámetros de proceso en el diagrama de flujo, José Gustavo Leyva Retureta 60

61 completa la documentación inicial general de la tecnología de procesos y las tareas de automatización. Como tal, se hace necesario definir en detalle las tareas de automatización (puntos EMCS). Esto se realiza mediante la introducción de los puntos EMCS en el diagrama de flujo del proceso, es decir el diagrama de flujo del proceso se convierte en el diagrama de flujo PI Diagrama de flujo PI Símbolos Los puntos EMCS necesarios se introducen en el diagrama de flujo de proceso y el número y la función de los puntos EMCS individuales son definidos con precisión. Para obtener un diagrama de flujo PI como lo especifica la norma (DIN 19227/Parte 1), el tipo utilizado en la estructura básica del sistema y la funcionalidad (código de letras) se define de acuerdo con los pasos del 1 al 3: Pasó 1- Tipo de puntos EMCS Dependiendo del alcance funcional de los puntos EMCS (alcance designado del código de letras) se utilizan los siguientes símbolos: José Gustavo Leyva Retureta 61

62 Si se utiliza el sistema de control de proceso: Si el controlador lógico programable es usado (Tecnología PLC) Paso 2 Integración del punto EMCS dentro de la estructura básica del sistema de automatización. Si volvemos a la estructura básica del sistema de automatización estudiada en la Fig. 2-1, el punto EMCS inicial, determinado de acuerdo al tipo, se modificaría una vez más. José Gustavo Leyva Retureta 62

63 El diseñador del proyecto también define cual punto EMCS se ocupara o cuales componentes de la estructura básica del sistema de automatización se cubrirán. Paso 3 contenido funcional del punto EMCS El contenido funcional del punto EMCS es un poco ambiguo por el código de letras; el código de letras seleccionadas para cada punto EMCS especifica si se debe introducir en el diagrama de flujo del proceso como: un punto de medición por separado, sistema de control en lazo cerrado o sistema de medición binario. Código de letra de diagrama de flujo PI De acuerdo con la norma DIN (Parte 1/hoja 6), el uso del código de letras y el diseño del diagrama de flujo de PI (interpretación del punto EMCS) se explican con la ayuda de la Fig Generalmente, las letras son usadas en un orden consecutivo: José Gustavo Leyva Retureta 63

64 Letra inicial para parámetros de tecnología de proceso típicos: T Temperatura, P Presión, F Caudal / rendimiento, L Nivel de llenado / altura Q Calidad (ejemplo valor-ph) Segundas letras para la modificación de estos parámetros del proceso: D Diferencia F Relación J Detección del punto de medición Letras consecutivas (1ª letra consecutiva/2ª letra consecutiva) - funciones típicas de operación tecnológica del proceso de automatización: para C Control de lazo cerrado I Exposición R Registro S Circuito, control de secuencia/ sistema de control lógico Y Función aritmética El número del punto EMCS el cual es también definido en la Fig 2-7es independientemente del proyecto y puede, para este ejemplo, comprender tres, cuatro o más caracteres. Ejemplos seleccionados De acuerdo con las principales secciones de la tecnología de proceso (ver el ejemplo de la consola de prácticas), se puede proveer de un gran número de José Gustavo Leyva Retureta 64

65 ejemplos diferentes para dar una visión completa de los puntos EMCS en el diagrama. Para empezar, con el estudio de los tipos de cada punto EMCS en el ejemplo mostrado en la Fig. 2-8 se demuestra como los puntos de medida diferentes en los contenedores o en el sistema de tuberías son representados en una forma conforma por la norma DIN. Basado en esta nomenclatura, el control de lazo cerrado también se representa, la Fig. 2-9 demuestra que, aparte del código de letra para las funciones de control de lazo cerrado, esta representación simbólica define también el lugar de medición (la señal de medida) y el actuador con punto de manipulación (señal de accionamiento). Finalmente, el sistema de control binario también tiene una parte importante dentro de la estructura de los puntos EMCS, la Fig muestra un ejemplo de cómo el sistema de control binario esta dentro del diagrama de flujo IP. Otra vez, el lugar de medición (señal de medida) y el actuador con punto de manipulación (señal de control) han sido incluidos en los puntos EMCS. José Gustavo Leyva Retureta 65

66 Apuntes en cuanto a la planificación del método de actuación Además de los ejemplos en las figuras 2-9 y 2-10, se requiere información adicional sobre el uso de símbolos para los actuadores (dispositivos de accionamiento), porque incluso en la fase de elaboración del diagrama de flujo de PI, el Ingeniero de Diseño del proyecto ya debe saber, que dispositivos de accionamiento se van a utilizar, por ejemplo para el lazo de control cerrado siempre se utiliza un dispositivo de accionamiento que consiste en el actuador y la regulación de la válvula (válvula proporcional), para el sistema de control con un actuador binario se utiliza una válvula on / off (válvula binaria), estas especificaciones de válvulas no las hace el diagrama de flujo PI, sino que simplemente permite que la colocación del tipo de válvula utilizada se pueda observar en el código de letras de los puntos EMCS. José Gustavo Leyva Retureta 66

67 En contraste con esto, el actuador ya es fácil de clasificar en el diagrama de flujo PI. Por lo tanto, los actuadores (dispositivos de accionamiento) usando la energía auxiliar neumática son de uso más frecuente, ya que aparte de las ventajas de la alta velocidad de respuesta y la precisión de corrección, pueden asumir el estado on" o " off" en caso de que falle el suministro de aire, todo esto dependiendo del arreglo de la construcción del muelle (Fig. 2-11). La mayoría de los actuadores eléctricos, por ejemplo, no tienen esta característica y permanecen en la posición asumida en el momento en el que falla la energía eléctrica auxiliar. José Gustavo Leyva Retureta 67

68 La implementación practica del diagrama de flujo PI. El diagrama de flujo PI proporciona las bases definitivas, para la realización del proyecto del sistema de automatización con respecto a la ingeniería técnica. Esto requiere una clasificación del proyecto, por ejemplo para la selección de sensores, actuadores y procesadores, la selección de sensores y actuadores es la primera tarea que se debe efectuar, la cual esta designada para el campo de instrumentación y la segunda tarea para la configuración es la selección de la tecnología de control de procesos (procesadores), estas tareas permiten ser subdivididas y muy a menudo aplicado en la práctica del equipo de trabajo. Esto significa que, una parte del equipo prepara la instrumentación a nivel de campo y la otra de la selección y puesta en marcha del sistema de control de procesos. Para proporcionar un entendimiento mejor, la consola de prácticas es usada como un ejemplo para introducir al diagrama de flujo PI de acuerdo con las normas DIN, seguido por el diagrama de flujo PI utilizado en el Departamento de Automatización, este último está también en el marco de la norma DIN 19227, especificando los sensores asignados como el punto adicional EMCS para cada control de lazo cerrado y sistema de control binario. Esto crea una interfaz central, José Gustavo Leyva Retureta 68

69 los puntos terminales EMCS, son los que proporcionan las señales de campo para la conexión de la tecnología de control de proceso (figs y 2-13) Diagrama de bloques EMCS Dentro de la estructura del núcleo del diseño del proyecto, los diagramas de flujo PI son seguidos por el diagrama de bloques EMCS, en el sentido de un nivel de especificación más alto en los proyectos, un diagrama de bloques EMCS preliminar y un diagrama EMCS final son preparados para cada punto EMCS, donde el diagrama de bloques preliminar EMCS define la conexión del equipo de automatización que participan en la configuración de un punto EMCS y el diagrama de bloques EMCS final se encarga del detalle basado en el cableado del sistema de automatización. José Gustavo Leyva Retureta 69

70 Nuevamente utilizamos símbolos en la elaboración de estos diagramas de bloques EMCS para indicar como las señales normalizadas se utilizan para conectar los dispositivos de automatización. Para proporcionar una mejor comprensión de estos símbolos normalizados, la siguiente sección estará destina a explicar cada uno de ellos. Concepto de señales normalizadas Trabajando en la parte inicial de la estructura básica del sistema de automatización, especificado en la fig y teniendo en cuenta la asignación de dispositivos de automatización individuales, es de cierta importancia la cuestión de la interconectabilidad simple y clara, entre los diferentes tipos de equipo de automatización, particularmente cuando es considerada la amplia gama de José Gustavo Leyva Retureta 70

71 productos ofertados por los diversos fabricantes de equipos de automatización. La introducción de las señales normalizadas resuelve este problema. Hoy en día, estas señales normalizadas se utilizan en todo el mundo por los fabricantes de equipos de automatización. Para la energía eléctrica auxiliar ma (preferente) 0 20 ma 0 5 ma V +10 V Para energía neumática auxiliar. 20 kpa 100 kpa ó 0.2 bar 1 bar La Fig demuestra estas normatividades y se amplía en el contenido de la Fig Este estándar conforma la representación de la integración normalizada de señales en la estructura del sistema de automatización, esta misma se utiliza como base para la creación de la documentación del proyecto. Al mismo tiempo, se puede ver que las herramientas de automatización avanzadas, son generalmente acondicionadas hacia el uso de señales normalizadas, es decir, los sensores inmediatamente emiten señales normalizadas o los actuadores son directamente accionados (por ejemplo, los dispositivos de accionamiento neumático) por medio de señales normalizadas. Como tal, la José Gustavo Leyva Retureta 71

72 integración de las señales normalizadas se muestra en la fig esta se modifica de forma que, como se muestra en la fig. 2-15, una conexión directa se realiza entre el proceso y sistema de control de procesos (eliminación del transductor de medición y un convertidor de señal). El cuarto de conmutación por lo tanto sólo se utiliza para proporcionar la energía eléctrica auxiliar (fuente de alimentación) y por el enrutamiento de señales de campo, esta ruta de señales de campo se lleva a cabo de tal manera que su distribución a las unidades básicas del sistema de control de proceso ofrece una mejor fiabilidad del proceso (gracias a la distribución favorable del monitoreo de señales). José Gustavo Leyva Retureta 72

73 Como ya mencionamos anteriormente, muchos símbolos son usados para la creación de diagramas de bloque EMCS preliminar y final (DIN 19227/parte 2), estos son definidos por el equipo de ingenieros de automatización, utilizado una configuración de un punto EMCS. Si nos referimos a la estructura simple indicada en la fig. 2-16, podemos observar que esta empieza con un método práctico para aprobar los símbolos del campo de instrumentación y luego trata con los procesadores u otros componentes. De acuerdo con la norma DIN 19227/parte 2, el término detector es ahora también dado para sensores (tecnología de medición) y los símbolos siguientes son los que los representan: José Gustavo Leyva Retureta 73

74 José Gustavo Leyva Retureta 74

75 Los siguientes símbolos son usados para los actuadores desplegados al nivel de campo (proceso): José Gustavo Leyva Retureta 75

76 La norma DIN también proporciona una serie de símbolos para transductores de mediciones/convertidores de señal (adaptadores/salvaguardia de conceptos de señal normalizada) instalados en el cuarto de conmutación. José Gustavo Leyva Retureta 76

77 Finalmente, los símbolos necesarios utilizados en los equipos de automatización para la consola de control de procesos también tiene su simbología (sistema de procesos de control / controlador compacto / muestra). José Gustavo Leyva Retureta 77

78 Los Símbolos adicionales son utilizados como resultado del display (SALIDAS), los cuales están localizados en la consola de control de proceso. Los siguientes símbolos son utilizados para representar el sistema de control binario, el cual también requiere operaciones de tecnología de automatización de procesos. José Gustavo Leyva Retureta 78

79 Este conjunto de símbolos cubre todo el equipo importante de automatización para diagramas de bloque EMCS registrados. Finalmente, los símbolos también son utilizados para la conexión de equipo de automatización para identificar las líneas de transmisión correspondientes de acuerdo con la norma DIN 19227/DIN 19227/ parte 2. Una consideración final de gran importancia para la preparación inmediata de estos diagramas de bloques EMCS, surge de la pregunta relativa a el tipo de hardware utilizado para equipos de automatización. Se deberá señalar en este contexto: Los símbolos propuestos para sensores y actuadores son utilizados independientemente del hardware básico que estemos utilizando (por ejemplo, tamaño, diseño de construcción, etc.). José Gustavo Leyva Retureta 79

80 Los símbolos que ya son familiares se pueden modificar conservando la misma esencia como el procesador y la tecnología de display, al igual que los transductores de medición y los sistemas de control binario pueden modificarse, por ejemplo en un sistema de control de procesos estas modificaciones ocurren por medio de funciones de software: Como ya se indicó anteriormente, el diagrama de bloques EMCS preliminar conecta el equipo de automatización para la configuración de los puntos EMCS. La consola de prácticas se utiliza como un ejemplo para establecer el Diagrama de bloques EMCS preliminar, para el nivel de llenado del circuito de control de lazo cerrado (Fig. 2-16). Con este fin, el modulo se ha configurado, basado en la estructura de un sistema de automatización: sensores y actuadores en el nivel del campo; convertidores de medición en el cuarto de conmutación, además de un controlador compacto (tecnología PLC) y del funcionamiento y monitoreo por computadora en el proceso de control de la consola. José Gustavo Leyva Retureta 80

81 En paralelo con el diagrama de bloque EMCS preliminar se debe elaborar una lista de equipos, la Tabla 1 es un ejemplo claro de esta lista: José Gustavo Leyva Retureta 81

82 Esta lista se elabora para cada punto EMCS y los equipos de automatización como: los sensores, actuadores, transductores y tecnologías de procesador, deben acomodarse con orden y con una denominación precisa para que puedan documentarse fácilmente y también puedan ser de fácil acceso para la información necesaria sobre los pedidos, además, las listas de asignación José Gustavo Leyva Retureta 82

83 también son preparadas sobre la base de los diagramas de bloque EMCS preliminares. Las listas de asignación (allocation list) están orientadas a los sistemas de contenedores utilizados en el sistema de automatización y como tal proporcionan un desplegado con las especificaciones del montaje de los equipos de automatización (Fig. 2-17). En este contexto, cabe señalar que los sistemas de contenedores utilizados son subdivididos en los niveles de montaje y éstos a su vez en posiciones de montaje. La lista de asignación es por tanto un documento claro y organizado que es utilizado directamente para el montaje de los equipos de automatización. Basados en el diagrama de bloques preliminar EMCS, los documentos del diagrama de bloque final EMCS de cableado detallan los equipos de automatización y por tanto constituyen la base para la creación de la documentación de cableado. Para proporcionar una mejor comprensión, se hace nuevamente referencia a la estructura de un sistema de automatización que se define en la fig. 2-5, la cual plantea la tarea de la interconexión de los componentes de la consola de control de proceso, el cuarto de conmutación y el nivel de campo por medio de cableado. José Gustavo Leyva Retureta 83

84 La base de este cableado son los arneses de cableado y la correspondiente terminal de distribución, la Fig ilustra la estructura de las rutas de cableado y los puntos de concentración de estas terminales de distribucion definidas en las unidades de contenedores de la consola de control de procesos, cuarto de conmutación y en las cajas de terminales a nivel de campo, esto ilustra que las terminales de distribución son los puntos de apoyo importantes para el camino del cableado, puesto que acomodan los cables de entrada y ruta a través de bloques de cableado correspondientes a los niveles de montaje de los gabinetes de control o unidades contenedoras. José Gustavo Leyva Retureta 84

85 Cabe señalar que la designación de las terminales de distribución siempre comienzan con la letra X y son completadas por un número ordinal y un número consecutivo. Aquí, el diseño de hardware de las terminales de distribución también es de gran interés. La Fig ofrece una mejor explicación de este diseño. José Gustavo Leyva Retureta 85

86 En el sentido de una evaluación general, siempre es importante preguntar de qué terminal de distribución viene la línea (cable) y hacia dónde se dirige, es decir, si se va a unir otra terminal de distribución o a una zona de montaje. Por ejemplo, si se considera elaborar una propuesta de designación (nomenclatura) bajo este contexto, la siguiente asignación es viable, teniendo en cuenta la Fig Terminal de distribución nivel de campo/cuadro de campo de nivel X300.01; X X 300.nn Terminal de distribución Cuarto de conmutación. X X200.nn Terminal 196 control de procesos de consola X X100.nn Las rutas de cableado principal se definen claramente en la Fig y puede ser utilizadas como orientación general para cualquier sistema de automatización. Suponiendo que están conectados los sensores y actuadores respectivos a las cajas de terminales a nivel de campo, las rutas de cableado pueden ser definidas por siguiente secuencia: Ruta 1 Desde la caja de campo de nivel a la terminal de distribución-cuarto de conmutación. Ejemplo: X X José Gustavo Leyva Retureta 86

87 Ruta 2 Desde la terminal-cuarto de conmutación a el área de montaje de bastidores cuarto de conmutación. Ejemplo: x nivel A / área 1 Ruta 3 Desde el área de montaje de bastidores cuarto de conmutación a través de distribuidor de terminales cuarto de conmutación a distribuidor terminal de la consola de control de procesos. Ejemplo: nivel A/área 1 X X Ruta 4 Desde la terminal de distribución consola de control de procesos a PLC Ejemplo: X P-I/O tarjeta de PLC (DE 1) Ruta 5 Desde PLC a la terminal de distribución consola de control de procesos Ejemplo: P-I/O tarjeta de PLC (DA 11) X Ruta 6 Terminal de distribución consola de control de procesos a Terminal de distribución cuarto de conmutación. Ejemplo: X X José Gustavo Leyva Retureta 87

88 Ruta 7 Terminal de distribución cuarto de conmutación al área de montaje - bastidores cuarto de conmutación. Ejemplo: X nivel A /área 2 Ruta 8 Área de montaje-bastidores cuarto de conmutación a través de la terminal de distribución cuarto de conmutación a la caja de campo de nivel terminal. Ejemplo: nivel A / área 2 X X Las listas de cableado se establecen de acuerdo con las rutas de cableado y como tal, las conexiones que están documentadas en el diagrama de bloque EMCS final del equipo de automatización que se utilizan en la configuración de la los puntos EMCS, se ubican de tal forma que sean de fácil acceso y manejo para el Ingeniero de Control de Procesos. La Fig también utiliza el ejemplo del control de nivel de llenado (LIC30 de la consola de prácticas) para introducir el diagrama de bloque final EMCS y para dar una representación parcial de una lista de cableado (tabla 2), La lista de cableado es parcialmente representada en la tabla 2 y establecida de acuerdo con la configuración ya descrita en la sección José Gustavo Leyva Retureta 88

89 José Gustavo Leyva Retureta 89

90 2.2.5 Notas sobre el diseño del proyecto de la energía auxiliar. Comentarios introductorios. Como ya se ha mostrado en la figura 2-6, el trabajo de diseño del proyecto también incluye la documentación del proyecto para la disposición de la energía auxiliar eléctrica, neumática e hidráulica, además del proyecto central. Debido a los detalles técnicos y la considerable cantidad de trabajo necesario, ocupa la mayor parte del proyecto excepto para el proyecto central. Los principales lineamientos del diseño del proyecto eléctrico son por lo tanto introducidos en forma abreviada. Determinación de la energía eléctrica necesaria (carga conectada) El primer punto que hay que establecer es: que carga eléctrica está disponible para el sistema de automatización. Esto es evaluado sobre la base del diagrama de bloques EMCS preliminar, el equipo de automatización establecido en la lista de equipo, el voltaje requerido (por ejemplo, 230 V AC, 24 V DC) y la capacidad establecida. Todos los puntos EMCS están sujetos a estos análisis y también toda la energía eléctrica necesaria está determinada por medio de la coordinación de estos análisis. José Gustavo Leyva Retureta 90

91 Respecto a la conexión / combinación del proyectos eléctricos y el proyecto básico El diagrama de bloques EMCS basado en el diagrama de bloques EMCS preliminar también define el cableado detallado para los suministros de voltaje requerido, esto hace notar la importancia de la interfaz para la reducción respectiva de los voltajes necesarios, la Fig ilustra una estructura, que proporciona una solución a este problema. Esto significa que la selección de voltaje de prueba de una terminal de distribución proporciona un medio de conexión derivado de los voltajes para el proyecto eléctrico establecido en el lado de la entrada y la realización de los puntos EMCS en el lado de la salida de las terminales de distribución, esta asignación (diagrama de bloques) es la única documentada en la llamada lista de conexión, en la fig también se puede observar que este principio es utilizado para realizar el suministro de energía auxiliar neumática e hidráulica (lista de conexiones). Además, también se hace referencia a los problemas adicionales que deben resolverse de EMC, protección contra explosiones y sobrecargas. José Gustavo Leyva Retureta 91

92 Distribución de la potencia eléctrica auxiliar. Basado en la carga conectada establecida, una estructura favorable es desarrollada para la distribución de la energía eléctrica. De acuerdo con el diagrama de flujo PI para el diseño del proyecto básico, es necesaria una estructura general para la distribución de la potencia eléctrica auxiliar con respecto al proyecto eléctrico, la Fig muestra una estructura generalmente aplicable. Cuando el proyecto eléctrico es aún más configurado, este debe ser ampliado por una segunda versión que comprende la documentación del cableado básico y dispositivos de conmutación. José Gustavo Leyva Retureta 92

93 Desglose de la estructura general. Dependiendo de la magnitud del proyecto eléctrico, este panorama general es seguido por una subdivisión en uno o varios niveles, mediante el desarrollo del diagrama de circuito, que también se basa en los diagramas de bloques EMCS obtenidos durante el diseño del proyecto básico. Estos diagramas de circuitos definen la distribución detallada (cableado) de la potencia eléctrica auxiliar. La Fig utiliza el ejemplo de un componente típico que demuestra la conexión de potencia eléctrica auxiliar y define el diagrama del circuito para el enclavamiento de conexión de procesadores y dispositivos de consumo de tres fases. Este diagrama de circuito ilustra que los procesadores y los dispositivos de alto consumo siempre deben estar conectados por separado por razones de seguridad; por lo tanto dos contactores (C1/C2, C3/C4) siempre deben ser liberados cuando se apaga el equipo o en el caso de un paro de emergencia. José Gustavo Leyva Retureta 93

94 Comentarios y una breve evaluación. Es comprensible, que la información anterior se limita solamente a establecer una idea del alcance y contenido técnico de diseño de proyectos eléctricos. En el sentido de una preparación integral del proyecto de un sistema de automatización, es esencial recordar que, aparte del diseño del proyecto básico, el diseño del proyecto eléctrico es una parte fundamental. Este hecho debería tenerse en cuenta en relación con el horario y el plan de gastos para garantizar el éxito del trabajo de diseño del proyecto Notas sobre el diseño del proyecto de montaje. Aparte de la central eléctrica y el diseño del proyecto, el diseño del proyecto de montaje representa el aspecto más importante para la realización de un sistema de automatización, este tiene en cuenta toda la construcción y aspectos tecnológicos de montaje. Basado en el diseño del sistema de tecnología de proceso, incluyendo cualquier componente de los edificios asociados, el diseño del proyecto de montaje se encarga de problemas como: Configuración de guías de tendidos de cable (para EMCS y electro tecnología). Determinación del material necesario para tendidos de cable (número de componentes de tendido de cable, soportes, brackets, etc.). Determinación de longitudes de cable y arneses para el cable, Diseño y construcción de arneses de cable, Ordenación de territorio de unidades de contenedores necesarios y unidades auxiliares (por ejemplo, sala de compresor, fuente de alimentación de emergencia) etc. José Gustavo Leyva Retureta 94

95 Estos servicios también deben ser implementados con mayor cuidado, ya que son cruciales en determinación de la eficiencia de costos y eficacia de horarios de la realización práctica (montaje) de un sistema de automatización. 2.3 Síntesis del sistema de control en lazo cerrado Observaciones previas. Otra de las tareas importantes dentro del trabajo de diseño del proyecto es sin duda la configuración y la puesta en marcha del diseño de control de lazo cerrado y el sistema de control binario. Sobre el esquema de la automatización de la tecnología de proceso, la tarea más importante en este sentido es la puesta en marcha del control en lazo cerrado Análisis del proceso / Modelo de configuración Para ser capaz de resolver una tarea de automatización (configuración y puesta en marcha de control lazo cerrado), es esencial contar con la mayor información posible con respecto a las características estáticas y dinámicas del sistema de control (procesos) que va a ser automatizado. La posible solución depende en gran medida de los conocimientos cualitativos y cuantitativos disponibles sobre el proceso técnico que va a ser automatizado, a fin de poder definir con suficiente detalle algoritmos para su control, el hardware necesario y las herramientas de software para su realización. El análisis del comportamiento y características de los sistemas técnicos (sistemas controlados) se conocen como análisis de procesos o configuración del modelo, el resultado de esto se conoce como modelo de proceso o simplemente modelo. Los modelos de este tipo no sólo ayudan en el diseño de los sistemas automatización, sino que también son de fundamental importancia para otras áreas de la tecnología, las ciencias naturales, economía, etc. José Gustavo Leyva Retureta 95

96 En el área de la tecnología, los modelos de comportamiento juegan una parte importante y están destinados a reflejar el comportamiento del sistema con respecto a la causa, efecto y correlación, los modelos de comportamiento son principalmente utilizados para predecir los acontecimientos, se usan con la intención de poder determinar el comportamiento futuro del sistema con suficiente precisión, es decir, para determinar las reacciones del sistema para causas (señales de entrada), que aún no son de importancia en el punto de configuración de modelo. Un Buen modelo refleja el comportamiento del concepto original de la manera más adecuada posible con la utilización de medios simples. Se limita a reflejar el comportamiento original, el cual es de gran importancia para la solución de una tarea en particular, al ser un sustituto del original, el objetivo del modelo debe estar de acuerdo con el comportamiento funcional del original, el rendimiento (calidad) de los modelos por lo tanto debe ser probado suficientemente respecto a la solicitud o aplicación antes de su uso práctico, por ejemplo para el diseño del sistema de automatización. Dado que el comportamiento del sistema depende en gran medida de las señales que actúan sobre el sistema (corrección y variables de perturbacion), un modelo de proceso general consiste de un modelo de sistema y un modelo de señal. Para diseñar un controlador, lo que se necesita saber es si el sistema opera principalmente bajo señales escalón, señales periódicas o señales accidentales, por lo tanto el análisis general de señales también forma parte del proceso de análisis, en algunos casos, el análisis de la señal es el único objetivo del análisis de procesos. Por lo tanto los modelos utilizados en el diseño de un sistema de control abierto y cerrado para la: Selección y definición de variables de medidas apropiadas y variables corregidas José Gustavo Leyva Retureta 96

97 Detección y evaluación de señales de interferencia Descripción de comportamientos de sistemas de control estático y dinámico. Detección de enlaces funcionales entre variables de proceso. Cálculo de simulación de variantes designadas Selección de algoritmos de control y dimensionamiento de valores característicos de dispositivos de control. Estrategias de configuración de modelo. El modelo puede ser configurado bajo la línea teórica o la línea experimental (fig. 2-25). En este caso la configuración del modelo teórico, del proceso físico/químico ocurrido en un sistema técnico es analizada y formulada matemáticamente, mecánicamente, termodinámicamente, etc. Con la configuración de modelo experimental, las señales de entrada y salida de los sistemas técnicos son medidas y evaluadas, por lo cual se pueden usar señales de entrada como señales de cambio de escalón, artificialmente modulada o de origen natural José Gustavo Leyva Retureta 97

98 Cabe destacar que un modelo obtenido a lo largo de la línea experimental rara vez permite información acerca de procesos físico/químicos ocurridos en el proceso, el modelo simplemente describe la interacción entre variables de entrada y de salida por lo tanto también se le conoce como modelo I / O, esto es bastante común para los dos métodos de configuración de modelo ser combinados para poder determinar la configuración del modelo por medio del análisis de sistemas teóricos y de parámetros del modelo (sistema de valores característicos) por medio de la experimentación. Configuración del modelo En la tecnología de automatización los modelos de cálculo o modelos de comportamiento son principalmente utilizados, ya que se describen cuantitativamente el medio de relaciones entre variables del proceso, por ejemplo, en la forma de correlaciones matemáticas, funciones características, datos de rendimiento, etc. La Fig ilustra la estructura básica de esta forma de modelo. Esta imagen proporciona una visión inicial de la línea de acción de las señales del proceso, sin complicar el "contenido de los procesos". Además, se supone que todas las variables del proceso (por ejemplo, caudal, temperatura, nivel de llenado, etc.) dependen únicamente del tiempo, y no de la ubicación José Gustavo Leyva Retureta 98

99 (como en el caso de los sistemas de tecnología de procesos de dimensiones físicas significativas). De acuerdo con la fig. 2-26, los modelos de cálculo ahora representan cuantitativamente la dependencia de la variable de salida x en la variable de entrada y, z y posiblemente también v, por lo que la diferenciación debe estar aquí entre los modelos estáticos y dinámicos. La relación entre las variables de entrada y de salida de un sistema técnico en su condición de estado estacionario es conocida como comportamiento estático. Un simple ejemplo de esto se muestra en la fig. 2-27, donde se muestran las características de correlación de un sistema controlado, es decir la relación entre, la posición de la válvula y como una variable de entrada del proceso y la temperatura de x como una variable de salida del proceso con las principales interferencias z (por ejemplo, presión) como un parámetro de datos de rendimiento. El índice cero designa a los valores de punto de trabajo (valores de la señal de proceso durante la operación nominal). Sin embargo, las señales de entrada y salida cambian de tiempo en tiempo durante el funcionamiento del equipo técnico, debido a las variaciones y procedimientos del inicio y cierre, o sea perturbaciones impredecibles. Esta es la José Gustavo Leyva Retureta 99

100 razón por la que a menudo es esencial para el proceso del modelo incluir la descripción de la relación entre estas señales de cambio con respecto al tiempo, que también es conocida como el comportamiento dinámico, los modelos dinámicos en forma de modelos lineales suelen ser adecuados, incluso por ejemplo para la tarea de proceso de estabilización con la ayuda de control de lazo cerrado, esto es posible en los casos donde el proceso de señales se opera con la suficiente atención al punto de trabajo durante la ejecución de procesos técnicos, de modo que el comportamiento del proceso no es perceptible incluso durante el cambio de transición fases, en el caso de la operación practica de los equipos de automatización, entonces se hace necesario considerar los límites del rango de la operación lineal, si se sobrepasan estos, entonces los resultados alcanzados en el curso del diseño del sistema utilizando los modelos lineales, se ponen en cuestión. Finalización de la configuración del modelo del análisis experimental del proceso. La descripción siguiente explica el modelo experimental de configuración en gran detalle, la principal característica de este es que, con ayuda de la tecnología experimental adecuada, e análisis está inmediatamente fuera de cuidado sobre del sistema técnico y los datos obtenidos pueden ser convertidos dentro de una clase de modelo de proceso de acuerdo a los diferentes niveles (empezando con la finalización de la configuración del modelo manual a evaluación de datos asistidos por computadora) (fig. 2-28). José Gustavo Leyva Retureta 100

101 consiste en: Los puntos principales y problemas de un análisis de proceso experimental La formulación de la demanda de requisitos del modelo (aplicación objetivo, veracidad, rango valido) La preparación e implementación de los experimentos La selección del método adecuado para el análisis de los datos de proceso grabados Estimación del error y verificación del modelo siguiente: Como parte o fase preliminar del experimento, se debe lo considerar lo El hardware auxiliar y dispositivos de software Estructura del modelo (por ejemplo, en la forma de información cualitativa respecto al comportamiento del proceso) El proceso principal influenciado por variables, en particular las variables de perturbación. Tiempos medidos requeridos La preparación del hardware y la metrológica incluyen: El montaje del control adecuado, medición y técnicas de grabación, a menos que el proceso disponible esté listo. La verificación de técnicas experimentales / tecnología bajo condiciones de operación. Como parte de los experimentos, a menudo es necesario llevar a cabo experimentos preliminares con el fin de establecer rangos, adecuar la relación de señal a la perturbación e identificar las principales variables que influyen. Esto es importante para los experimentos principales ya que hay que asegurarse que José Gustavo Leyva Retureta 101

102 estén registrados suficientes datos para determinar los valores del punto de trabajo (valores iníciales al comienzo de la medición). Las señales útiles a la salida del sistema deben tener una suficiente razón ruido, en el caso de los experimentos con señales de entrada del tipo escalón, estas deben ser modificadas aproximadamente un 10% de su corrección de rango (precaución: observar rango de linealidad!). La Fig.2-29 muestra un ejemplo de la perturbación (teórica), es decir, un defecto (determinado durante el funcionamiento en la práctica) en la respuesta escalón x(t) de una sistema técnico. Una medida cuantitativa simple de la señal de perturbación es la relación de amplitud S = A S A N de la señal de perturbación y señal útil en la condición de estado estacionario. José Gustavo Leyva Retureta 102

103 Respuestas de escalón de sistemas técnicos. importancia: En la planificación de los experimentos, dos aspectos son de particular La selección de señales de prueba adecuadas (sistemas de señales de entrada) La selección del tiempo de observación, durante el cual las señales son adquiridas. Las señales de prueba deben activar el sistema para ser suficientemente analizadas de modo que sea posible detectar las características del sistema con un rango de señal de perturbación lo más grande posible, para que de esa manera sea más fácil de detectar y analizar, al comienzo del experimento es donde la señal de prueba llamada cambio de escalón es particularmente adecuada, Ejemplos de estos casos son los dispositivos electromecánicos o electro térmicos, que cambian su estado de funcionamiento durante la conmutación o conexión de voltajes eléctricos o salidas, o el material de control o flujo de energía en tecnología de sistema de procesos a través de (solenoides) válvulas o bombas. La prueba de señales del tipo escalón son utilizadas a menudo en la práctica y con mucho éxito. Por lo tanto, también deben ser utilizadas aquí para el análisis de proceso experimental. La reacción de un sistema al que se le aplica una señal de cambio de escalón es conocida como respuesta de escalón. Si esta respuesta de escalón es relacionada para la altura de cambio de escalón de la señal de entrada (representación estandarizada), entonces este es conocido como la función transitoria de un sistema, esto se lleva acabo suponiendo que el intervalo de linealidad en todo el punto de funcionamiento no está excedido durante el proceso transitorio y que el sistema estaba en el estado estacionario al inicio del punto de funcionamiento del experimento, la Fig ilustra este proceso. José Gustavo Leyva Retureta 103

104 La función transitoria representa la parte más importante del modelo del sistema dinámico lineal. Representación de la respuesta característica La señal de la respuesta característica del sistema técnico puede ser representada cualitativamente con la ayuda de la función transitoria. Dependiendo del patrón de la función transitoria para tiempos de periodos largos (t ), diferenciamos ente sistemas con acción-p (elementos P), acción-i (elementos I) y acción-d (elementos D). Siguiendo la activación del tipo escalón, los elementos proporcionales (P) adquieren un nuevo estatus estacionario, diferentes para los valores de puntos de funcionamiento; los elementos integrantes (I) asumen un ritmo constante de cambio de la variable del sistema de salida para tiempos de periodos largos (precaución: observar linealidad del rango), y en el caso de elementos diferenciales (D), las variables de salida vuelven a el estado estacionario del valor del punto de funcionamiento. Esta estructura básica del sistema técnico está ilustrada en la fig José Gustavo Leyva Retureta 104

105 El modelo de tangente de inflexión En numerosas aplicación técnicas, particularmente en las áreas de procesos o tecnología de energía, la respuesta escalón del sistema se produce sin ninguna relación de oscilación y solo se muestra la acción proporcional o integral en conexión con el tiempo muerto. La función transitoria mostrada en la fig forma parte de un modelo dinámico lineal y es a menudo muy utilizada. El comportamiento del sistema es simplificado considerablemente, caracterizado por los tres valores característicos: Proporcional o coeficiente integral, tiempo retrasado y tiempo transitorio. José Gustavo Leyva Retureta 105

106 La tangente de inflexión utilizada para obtener los valores característicos Tu y Tg es por ejemplo, entrada a mano alzada en la respuesta escalón determinada experimentalmente. Si esto está sujeto a interferencias de frecuencia alta, entonces debe llevarse a cabo una suavización, si es necesario por el ojo (o asistida computadora). En el caso de interferencia de frecuencia baja, el proceso no puede ser evaluado, aquí, un número de repeticiones de los experimentos y suavizado por medio de un promedio pueden ser de ayuda. La tabla 3 contiene los valores del modelo característico de sistemas de control típicos. A partir del cociente de Tg, es incidentemente posible estimar el grado de Tu dificultad que se espera en el control de un sistema: José Gustavo Leyva Retureta 106

107 Modelo del tiempo total constante Otro modelo básico simple de acción proporcional de sistemas de control sin relación de oscilación, el cual se presta muy bien para el diseño del controlador, puede ser determinado de acuerdo con Strejc de la siguiente manera: Los tiempos t 20 o t 80 se toman de la ilustración de la función del sistema transitorio, con la cual la función h(t) ha logrado un 20% u 80% de este valor final, José Gustavo Leyva Retureta 107

108 El comportamiento transitorio del sistema se describe a continuación a través de tres valores característicos: K Coeficiente proporcional del sistema T Tiempo constante del sistema T t Tiempo muerto del sistema El Tiempo constante T y el tiempo muerto T t son calculados para valores del tiempo t 20 y t 80 de acuerdo con las siguientes fórmulas: T = t 80 t 20 T t = t t 80 El total de los dos valores característicos T y T t es referido como tiempo total constante T. Configuración del modelo para sistemas de control seleccionados. Sistema de control de flujo En el estado experimental, el sistema de control de flujo consiste de un sistema de tuberías, con el cual el agua es extraída y regresada a un contenedor a través de una bomba centrifuga (Fig. 2-34). La tarea de automatización es regular el flujo Q en la tubería. José Gustavo Leyva Retureta 108

109 Configuración del modelo teórico Dejando aparte los detalles del hardware y software, el comportamiento del flujo en el sistema de control puede ser representado de forma considerablemente simplificada como lo muestra la Fig Esto significa: p 0 = K p N 2 Presión máxima de entrega de la bomba centrifuga a velocidad N (para Q=0) José Gustavo Leyva Retureta 109

110 p Stat = pg A w für A w, de otro modo cero Presión diferencial como un resultado de la diferencia de altura. p i = k i Q 2 Caída de presión como resultado de la resistencia interna de la bomba centrifuga p R = k R Q 2 Caída de presión por el sistema de tubería p v = k s Q 2 k v 2 (Y) Caída de presión por la válvula de control K v Valor K v (definido en la sección 2.4.2) Y Viaje de la válvula Modelo estático del sistema de control En el estado estacionario (Q= constante), debe haber un balance entre las presiones, esto significa: o = p 0 p Stat p R p v ó 0 = k p N 2 pg A w k i + k R + k s. 1 k v 2 (Y) Q 2 José Gustavo Leyva Retureta 110

111 Si una curva característica lineal de flujo es asumida con K v Y = ky en el rango de operación (0 a 100%) de la válvula, entonces la siguiente relación es obtenida a partir de estas ecuaciones asumiendo un nivel de agua constante h w y una velocidad constante N de la bomba Q Y = k p N 2 pg( A w ) k 1 + k R + K s 1 k 2 Y 2 La Fig ilustra el patrón cualitativo de esta curva característica. En el área del punto de funcionamiento A (Q=Q 0 + q, Y=Y 0 + y), se aplica la correlación lineal siguiente: Q = Ky (modelo linealizado) Si el flujo es regulado por encima de la velocidad N de la bomba, entonces la siguiente relación lineal puede ser asumida en el rango de operación de la bomba Q(N) = k 1 +k 2 N entre la corrección de la velocidad N variable de la bomba y la variable de flujo Q controlada (Fig. 2-37). José Gustavo Leyva Retureta 111

112 Modelo del sistema de control dinámico lineal. El sistema de control de flujo (variable de entrada: posición de la válvula y, variable de salida: flujo Q) proporciona una buena aproximación del comportamiento proporcional sin tiempo de retraso. Un cambio de posición de la válvula en un instante causa un cambio proporcional en el flujo, los fenómenos transitorios causados por la aceleración del volumen del agua en el sistema de tuberías, pueden dejarse pasarse por alto. Sin embargo, el tiempo de retraso entre la actuación del equipo de control (señal de voltaje estándar V e ) y la posición de la válvula y no debe ser ignorado. Aquí, la acción proporcional con retraso de primer orden es para ser esperada, la Fig ilustra el patrón cualitativo de la respuesta de escalón de un elemento transitorio de este tipo. José Gustavo Leyva Retureta 112.

113 Sin embargo, debido a la disposición del sistema de tuberías, la tecnología de medición y el procesamiento de valores de medición utilizados, un sistema de retardo de tiempo muerto T t tiene que esperarse cuando el sistema está operando en la práctica, que luego tendrá que ser experimentalmente determinado de la misma manera que el valor del sistema de control K y T. Las mismas deliberaciones que se aplican al tiempo muerto T t. se aplicaran con consideración a los fenómenos transitorios relacionados con la utilización de la bomba centrifuga. Aquí se debe suponer que la variación de velocidad de la bomba no afecta al flujo inmediatamente, pero que debido al diseño de la bomba, el proceso de aceleración en el volumen en movimiento del agua hará que se retrase en el proceso Sistema de control de nivel de llenado. El sistema de control de nivel de llenado en estado experimental consiste en contenedores unidos a través de dos tuberías y una bomba, que se encuentra a diferentes niveles de altura (Fig. 2-39), el agua es conducida desde el contenedor inferior al contenedor superior a través de la bomba y tuberías (1) y de allí, pude de nuevo fluir libremente hacia el contenedor de abajo a través de la tubería (2) por medio de fuerza gravitacional. Los efectos de la tarea de automatización son para regular el nivel de agua en el contenedor superior. José Gustavo Leyva Retureta 113

114 Configuración del modelo teórico. Modelo para el proceso de flujo desde el recipiente superior Este proceso de flujo puede ser representado de una manera muy simplificada (Fig. 2-40). Las siguientes abreviaturas significan: P 0 presión atmosférica P B = p 0 + ρgh H presión en el fondo Δp= k R2 Q 2 ab caída de presión a través de tuberías Q ab velocidad de flujo volumétrico Δp= p B p 0 = ρgh h José Gustavo Leyva Retureta 114

115 Se convierte en el flujo de salida volumétrico Q ab = k ρgh H El proceso dinámico en el sistema de tuberías, podría dar lugar a retrasos del proceso, se tendrán en cuenta en este caso, ya que el comportamiento dinámico es determinando principalmente por el proceso de almacenamiento en los dos contenedores. Modelo para el proceso de flujo de entrada dentro del contenedor superior. Sobre la base de las deliberaciones del mismo, como ya se ha descrito en detalle, una vez más el equilibrio debe existir entre las presiones parciales en el sistema, para los que se aplica lo siguiente 0 = p 0 p stat p R p i Utilizando p stat = ρg(h A + H H H U ) p R = k R1 Q in 2 p i = k i Q in 2 Resultados en la condición 0 = k p N 2 ρg H A + H H H U (k i + k R )Q in 2 Aquí hay que señalar que si los contenedores son idénticos en diseño, el total de los niveles de llenado H W = H U + H H permanece constante. José Gustavo Leyva Retureta 115

116 Este resultado finalmente, se obtienede la correlación entre la velocidad N de la bomba, nivel H H en el contenedor superior y flujo de entrada Q in en el contenedor superior. Q in = k p N 2 ρg H A + H H H W k i + k R El nivel de llenado H H solo cambia una diferencia ΔQ entre flujo de entrada Q in y flujo de salida Q out, Q = Q in Q out Por intervalo de tiempo Δt, el volumen del agua V en el contenedor superior seria entonces: V = A H H = Q t Si usamos las tasas de flujo de entrada Q in y flujo de salida Q out de acuerdo a las ecuaciones del flujo que vimos anteriormente, con respecto al cambio de nivel ΔH H entre el intervalo de tiempo Δt.este tenemos como resultado la siguiente correlación H H t = 1 A k p N 2 ρg H A H w + 2H H k i + k R k ρgh H José Gustavo Leyva Retureta 116

117 Modelo de estado estacionario del sistema de control En el estado de estacionario (H H = constante), el flujo de entrada y flujo de salida en el contenedor superior deben ser iguales. Q in = Q out y la correlación por lo tanto seria: k p N 2 ρg H A H w + 2H H k i + k R = k ρgh H Si esta ecuación es resuelta con respecto al nivel de llenado H H, la siguiente correlación se utiliza para la interdependencia entre la velocidad N de la bomba y nivel de altura H H en el estado estacionario. H H N = k pn 2 ρg H A H w ρg(2 + k 2 k i + k R ) La Fig ilustra el estado estacionario correspondiente a la curva característica del sistema de control. José Gustavo Leyva Retureta 117

118 Modelo del sistema de control dinámico lineal Recordando la correlación mencionada anteriormente, la cual se describe la conexión entre los cambios de estatus ΔH H por intervalo de tiempo Δt y la velocidad N o el nivel de altura H H, se aplica en principio también a los pequeños cambios de variable en el proceso por su punto de valores de funcionamiento. H H = H HO + H N = N 0 + n y los resultados en la correlación lineal serian: H t = a H + b n Con los dos parámetros del sistema de control a y b, los cuales son del punto dependiente del sistema y funcionamiento. Comenzando con un estado inicial (por ejemplo, h H =0) y un curso especifico de relación tiempo de variación de velocidad N (por ejemplo cambio de escalón a tiempo t=0), esta ecuación puede ser resuelta paso por paso. Los resultados en el sistema respuesta escalón son mostrados en la fig. 2-37, siempre y cuando si un intervalo lo suficientemente corto de tiempo t es utilizado. José Gustavo Leyva Retureta 118

119 Este sistema de control por lo tanto también presenta un comportamiento proporcional con retraso de primer orden al punto de funcionamiento y esta curva característica necesita ser determinada experimentalmente de acuerdo a las mismas consideraciones establecidas en la sección de sistema de control de flujo. Sistema de control de temperatura El sistema de control de temperatura de la consola de prácticas consiste en un contenedor eléctrico calentable, en el que la temperatura del agua aumenta (fig. 2-43), para obtener una mejor distribución de temperatura en el contenedor, el agua pude ser agitada por medio de una bomba centrifuga, esto da como resultado una homogeneización de la mezcla, que impide que existan diferentes niveles de calor. El propósito de la tarea de automatización es el control de la temperatura del agua T (variable controlada) por medio de la salida de calor P el (variable corregida). La característica especial de este sistema de control es que la temperatura baja únicamente como un resultado del calor disipado hacia el medio ambiente. La salida de este proceso, es decir la disipación de calor ΔQ out en el intervalo de tiempo Δt, es considerablemente menor en comparación a la salida máxima de calor. José Gustavo Leyva Retureta 119

120 T Temperatura del agua en el contenedor T u Temperatura ambiente (aire) ΔQ el Cantidad de salida de calor por sistema de calefacción en Δt ΔQ L Cantidad de calor emitido directamente al aire en Δt ΔQ W Cantidad de calor emitido a través de la pared en Δt h Nivel de llenado en el contenedor Configuración del modelo teórico El proceso de calefacción en el sistema de control de temperatura puede ser representado de una manera muy simplificada como se muestra en la Fig. 2-44). V = c m T Energía interna del volumen del agua con M = ρv = ρ A h Q el = P el t Cantidad de calor de salida a través del sistema de calefacción en un intervalo de tiempo Δt Q L = α A L (T T u ) t Cantidad de calor (transmisión de calor) emitido directamente a el aire a través del nivel de agua expuesta en Δt José Gustavo Leyva Retureta 120

121 Coeficiente de transmisión de calor (agua-aire) Q W = k A W (T T u ) t Cantidad de calor (transmisión de calor) emitido para el aire a través de la pared en Δt K Coeficiente de transmisión de calor (agua recipiente, pared aire) Lo siguiente significa: La cantidad de calor suministrado y eliminado durante el intervalo de tiempo Δt, puede ser señalado de la siguiente manera: Q in = P el t Q out = Q W + Q L La temperatura T solo cambia si una diferencia ΔQ ocurre entre las cantidades de calor: Q = U = c m T Modelo de estado estacionario de control de lazo cerrado El suministro y cantidades eliminadas de calor debe coincidir en el estado estacionario (ΔQ= constante, ΔT= constante), Q in = Q out José Gustavo Leyva Retureta 121

122 por lo tanto P el = α A L T T u + k A W (T T u ) Asumiendo la temperatura ambiente como constante y aplicando la formula anterior, tenemos la siguiente correlación: T P el = P el α A L + k A W + T u Lo que indica la dependencia entre capacidad de producción de calefacción de salida y temperatura de agua en el estado estacionario, la Fig muestra la curva característica en estado estacionario del sistema de control de temperatura. La temperatura ambiente se puede asumir como una constante y menos valida con una disipación de calor en aumento. Con la temperatura ambiente en aumento, no hay perdida de disminución de flujo de calor, (ΔQ ab ~T-T u ), por el cual la temperatura del agua se hace más alta en el caso ideal. El modulo de calefacción utilizado pude ser accionado de forma intermitentemente, ya que puede estar encendido a plena capacidad o apagado por completo (elemento dos puntos). Cualquier producción de calor deseada pude ser alcanzada por medio de un encendido periódico o un apagado del modulo de calefacción. El tiempo periódico t y el calor de salida en el estatus de encendido P elmax está definido por: P el = P el max t on t per José Gustavo Leyva Retureta 122

123 El tiempo periódico t per debe ser suficientemente largo de modo de no cargar excesivamente el contactor en el control de calor en los módulos de calefacción como resultado de una conmutación frecuente. Por otra parte, el tiempo periódico seleccionado debe ser corto, de modo que el patrón de temperatura se mantenga (Fig.2-46). Esto significa que este debe ser considerablemente más corto que la constante de tiempo del sistema de control de calefacción o proceso de refrigeración (por ejemplo t per = 10 s). José Gustavo Leyva Retureta 123

124 Modelo del sistema de control dinámico lineal Recordando la siguiente ecuación: Q in Q out = c m T Podemos aplicar esta ecuación para el suministro y disipación de cantidad de calor, lo cual nos da como resultado la correlación siguiente, para el cambio de temperatura ΔT por intervalo de tiempo T t = 1 c m P el α A L + k A W T T u José Gustavo Leyva Retureta 124

125 Esta sección del sistema de control representa un pequeño Δt, y es la base del comportamiento del sistema, esto se muestra en la Fig. 2-47a. El sistema de control de temperatura por lo tanto tiene una acción proporcional con un retraso del primer orden. El cambio en salida de calor causa un cambio de temperatura gradual. Otra vez, cabe señalar que el ritmo de cambio en temperatura no es el mismo para calefacción y enfriamiento, la Fig muestra el patrón cualitativo de los dos procesos. En adición, un corto tiempo muerto T t ocurre en el caso de comparación de calefacción para el sistema de tiempo constante T Heating, este es causado por la capacidad de calor del modulo de calefacción y la velocidad de conducción de calor en el agua, este último tiempo constante puede ser bajo por movimiento o agitación del agua, los parámetros K, T Heating y T Cooling se determinan por experiencia. José Gustavo Leyva Retureta 125

126 2.3.3 Controlador de configuración y parametrización. Los controladores técnicos constituyen un componente esencial en los sistemas de automatización, cuya tarea principal es el de la estabilización del proceso. Estos se utilizan con el objetivo de Lograr y mantener estados de procesos específicos (modo de funcionamiento) de forma automática. Eliminar los efectos de interferencia en secuencia del proceso. La prevención de acoplamiento no deseado en el proceso técnico. El proceso de los estados dirigidos principalmente se refiere a los parámetros de proceso específico, tales como presión, caudal, temperatura, nivel de llenado y la calidad (ph). Modo de operación del control en lazo cerrado. La Fig muestra la estructura básica de un sistema de control en lazo cerrado y su modo de operación: La característica deseada del valor requerido de la variable controlada X en función del tiempo, es especificada por el valor del punto de ajuste (setpoint) José Gustavo Leyva Retureta 126

127 W, esto se puede hacer manualmente en el controlador del equipo de control o también por otro dispositivo de control, que sea de orden superior al controlador. En el caso de un valor de punto de ajuste (setpoint) fijo, hablamos de un control de punto de ajuste (setpoint) fijo, y en el caso de un valor de tiempo variable del punto de ajuste de un control o de un servo control. La variable controlada X se mide continuamente a través de un dispositivo de medición conveniente (o en los intervalos de tiempo permitidos) y comparado continuamente con el valor setpoint W por medio de la substracción. La desviación del sistema e = W - X indica, cuánto y en qué dirección es necesario intervenir en el proceso a través de la variable de corrección y para eliminar la desviación del sistema (por ejemplo, a la dirección de la válvula puede abrirse o cerrarse más). El dispositivo de control se utiliza como un sistema de procesamiento de información, que calcula la variable de corrección y apropiada para el proceso de control de la desviación del sistema existente, Los sistemas de control Técnico están sujetos a una multitud de interferencias (las variaciones de carga, los cambios en la calidad de los materiales utilizados, etc.). Para simplificar algunas situaciones, la Fig incluye solamente una variable de perturbación principal Z, Todas las perturbaciones tienen un efecto sobre la variable controlada y cambian (ejemlo en el caso de un control setpoint fijo) su valor requerido X 0 = W 0 del punto de funcionamiento, como tal, todas las perturbaciones se reflejan en la desviación de sistema, y el control de proceso arriba descrito, que se lleva acabo continuamente y de forma automática, después se asegura de completar una disminución de la desviación del sistema y por lo tanto la eliminación del efecto de la perturbación en la variable controlada. José Gustavo Leyva Retureta 127

128 El éxito de un sistema de control obviamente depende de manera crítica de la característica relacionada con el tiempo de las variables de perturbación (y de los valores del setpoint variables en el tiempo), del comportamiento en estado estacionario, el comportamiento dinámico del sistema de control y procesamiento de la información en el equipo de control. Similar a las deliberaciones con respecto a la simulación del comportamiento estático y dinámico del sistema técnico que se controlará (en este caso sistemas controlados), es también esencial discutir los conceptos y las descripciones con respecto al comportamiento en estado estacionario y dinámico del control en lazo cerrado. La descripción del comportamiento en estado estacionario del control en lazo cerrado exige otra vez el uso de curvas características, en este caso, los modelos de estado estacionario del sistema de control y del controlador, por lo tanto la Fig.2-49a ilustra la característica en estado estacionario del sistema de control y la Fig.2-49b muestra la característica en estado estacionario de un controlador con acción proporcional, aquí, y señala la variable de corrección (posición de la válvula) y x la variable controlada (temperatura). José Gustavo Leyva Retureta 128

129 Ambas curvas características se pueden representar de forma común si se selecciona la misma escala (Fig. 2-50). La interface entre la curva característica válida para el sistema de control (Z = Z 0 ) y el equipo de control (W = W 0 ) resulta en el punto de funcionamiento A 0 y por lo tanto el punto de operación valora el Y 0 o X 0 para la señal de accionamiento Y o para la señal X la variable controlada. Si la interferencia entonces cambia de Z = Z 0 a Z = Z 0, después, en el caso de una posición fija de la válvula sigue habiendo Y 0, por ejemplo, con un controlador que es apagado o no ha sido arrancado, el punto de operaciones iría a la deriva de A 0 a A 1 y la variable controlada X (ejemplo: la temperatura) asumiría el valor X 1. Sin embargo, si el regulador esta activo entonces, sobre la base de las mismas consideraciones que se aplican a la interface A 0, el punto de operaciones A2 ocurre, desde ahora las curvas características del sistema controlado para la Z = Z 1 y del dispositivo de control para la W = W 0 (con el valor de setpoint inalterado) se tienen que interceptar, por lo tanto el punto de funcionamiento en este caso deriva de A 0 a A 2, los valores correspondientes del punto de funcionamiento son Y 2 y X 2, para prevenir el aumento indeseado del la variable controlada de X 0 a X 1 por lo menos hasta cierto punto, el valor setpoint se reajusta a través del controlador de Y 0 a Y 2 y el sistema de control en estado estacionario del valor de la variable X 2 se establece. Cuanto más plana sea la forma de la curva característica del controlador en la fig.2-50, más eficaz será la probabilidad del controlador con respecto al comportamiento en estado estacionario del control en lazo cerrado, en el caso límite de una curva característica horizontal del controlador, el objetivo de control es la disminución total de la desviación en el sistema estacionario e s = W 0 X 2, incluso podría ser cumplido por completo, sin embargo, una curva característica José Gustavo Leyva Retureta 129

130 horizontal del funcionamiento del controlador según las indicaciones de la Fig significa un patrón vertical en la Fig.2-49b y como tal un coeficiente proporcional infinitamente alto del controlador se asume que la acción será del tipo proporcional, este comportamiento de estado estacionario óptimo del control de lazo cerrado actualmente puede ser realizado, solamente puede ser considerado más lejos persiguiendo la deliberación con respecto la tratamiento de la información en controladores técnicos. Función del modo de operación de los controladores técnicos (algoritmos de control) Los algoritmos de control han demostrado ser un método probado y analizado para calcular la variable de corrección y de la desviación de sistema e, que se relacionan con los patrones básicos de comportamiento descrito en la sección de la representación de la respuesta característica (acción P, I, D) de los sistemas técnicos, cada acción asume su propio papel particular en el curso de José Gustavo Leyva Retureta 130

131 este procesamiento de información, la Fig muestra el diagrama de flujo de la señal (representación gráfica de procesamiento de señales), del controlador. El objetivo de la acción P y D es asegurar lo más rápido y suave posible el proceso del fenómeno transitorio en el control de lazo cerrado, La acción D no tiene ningún efecto en el estado estacionario de un circuito en lazo cerrado, ya que incluso con una desviación en estado estable e s () 0, la señal de salida y decae a cero, por lo que no contribuye hacia el valor estacionario de la señal de control y. La función actual de la acción es mantener la curva característica del regulador fig. 2-49b vertical y corregir así totalmente cualquier interferencia permanente, esto se relaciona con la característica previamente ilustrada de los sistemas de acción integral, para generar un índice de cambio constante de la variable de salida de sistema después de una activación de salto, este es cómo la salida del sistema (en el caso del controlador, la señal y ) puede asumir cualquier valor dentro de su rango de control, aunque la señal de entrada (en este caso la desviación de sistema e ) logra el valor cero otra vez después de una respuesta transitoria. Un sistema de acción integral tiene por lo tanto un efecto de estado estacionario de la misma forma que un sistema de actuación proporcional con coeficiente proporcional infinitamente significativo. Durante un período suficientemente largo de tiempo, los valores de señal de entrada unidimensionales más pequeños conducen a una señal de salida de cierta relevancia. Con el fin de poder calcular el efecto total del controlador sobre el comportamiento del control de lazo cerrado y como tal la respuesta relacionada con el tiempo de las variables controladas x y y en lo referente a la tarea, las acciones del controlador se puede introducir en el cálculo de los valores de la especificación setpoint y. José Gustavo Leyva Retureta 131

132 Para ello, todos los controladores PID tienen tres parámetros ajustables libremente (características de los valores del controlador): El coeficiente proporcional K R para el ajuste de la acción P. El tiempo de corrección T n para el ajuste de la acción I. El tiempo de la acción derivada T v para el ajuste de la acción D. Requisitos de comportamiento del control en lazo cerrado. El ajuste de los valores característicos del controlador K R, T n y T v depende en gran medida de: El comportamiento del sistema de control en estado estacionario y dinámico. Las perturbaciones que actúan sobre el sistema de control. Las exigencias sobre el comportamiento del control de lazo cerrado en estado estacionario y dinámico. El comportamiento del control en lazo cerrado en estado estable (ajuste del punto de trabajo, desviación del sistema en estado estable, las funciones y el efecto de la acción I en el controlador) ya ha sido descrito en detalle en la sección del comportamiento en estado estable del control de lazo cerrado. José Gustavo Leyva Retureta 132

133 Las mismas condiciones previas se deben asumir para la discusión del comportamiento dinámico como los que están aplicados en la sección para el modelo dinámico lineal de sistemas técnicos, aquí, se supone que todas las señales del proceso durante los procesos de control se producen en las cercanías de sus centros de trabajo y en la práctica no se desvían de la gama de linealidad. De esta manera, las exigencias sobre el comportamiento dinámico del control de lazo cerrado, ejemplo en la forma de respuestas escalón puede ser definida con precisión. Sin embargo, esto significa que durante el funcionamiento práctico del control de lazo cerrado, los límites de la zona de trabajo lineal en torno al punto de trabajo deben ser observados. Si se sobrepasan estos, entonces los resultados alcanzables en este caso con la configuración del controlador basado en los modelos lineales dinámicos son cuestionados La Fig ilustra un comportamiento de la variable controlada x (t) después del cambio repentino del valor de set point w (la respuesta de paso del control de lazo cerrado). Este comportamiento puede ser descrito aproximadamente por dos valores característicos: José Gustavo Leyva Retureta 133

134 El tiempo de sobrepaso T m El sobrepaso estandarizad de la amplitud La amplitud de sobrepaso h requiere generalmente un valor entre 0 y 20% t. Los requerimientos del sobrepaso del tiempo Tm dependerán del comportamiento dinámico del control de lazo cerrado y siempre debe considerarse en relación con el proceso de tiempos muertos y las constantes del proceso. Si el modelo de la tangente de inflexión introducida en la sección El modelo de la tangente de inflexión se utiliza para describir el comportamiento del sistema controlado, entonces el tiempo de sobrepaso no debe ser menos de la mitad del total del tiempo de retraso y el tiempo transitorio especificado (valor de referencia). Esto asegura que la señal de control y no asume insosteniblemente altos valores durante la fase transitoria. Un proceso similar se puede adoptar con respecto a una evolución favorable de la etapa de interferencia de la respuesta del control de lazo cerrado (paso de respuesta al cambio del control en lazo cerrado en su entrada), la Fig muestra una evolución favorable de este proceso desde el punto de vista de la tecnología de control. José Gustavo Leyva Retureta 134

135 Aquí también, el proceso puede ser descrito aproximadamente por medio de dos valores característicos Establecimiento de normas por Ziegler / Nichols Justo en la etapa inicial de la tecnología de control moderno, JG Ziegler y N.B. Nichols han especificado el establecimiento de normas, que siguen siendo ampliamente utilizados hoy en día. Estas están destinados a los casos que se presentan a continuación: No hay un modelo (o modelo tangente de inflexión) disponible del sistema de control. El control de lazo cerrado se puede operar de forma segura a lo largo del límite de estabilidad. Estas normas son las siguientes: 1. Ajuste el controlador como un controlador P (T v = 0, T n =...). José Gustavo Leyva Retureta 135

136 2. El factor de amplitud K R del controlador se incrementa hasta que el control de lazo cerrado este a punto de realizar oscilaciones atenuadas (límite de estabilidad). Esto determina el factor crítico de amplitud K RK y el período de oscilación de T K de esta oscilación sostenida. 3. En base a estos dos parámetros (K RK, T K ), los parámetros de control K R, T N y T V son entonces calculados por el controlador de acuerdo con las siguientes especificaciones y establecimiento en el equipo. Sin embargo, la experiencia muestra que estos valores de ajuste sólo conducen a la conducta funcional de control de lazo cerrado, si la proporción de tiempo transitorio Tg a Tu tiempo de retardo del sistema de control no es demasiado grande, es decir, el sistema en el modelo de la función transitoria muestra un notable tiempo de demora. Establecimiento de normas por Chien / Hrones / Reswick Si tratamos con un modelo de tangente de inflexión del sistema de control debemos utilizar las normas establecidas por Chien, Hrones y Reswick. Estas normas se muestran en la tabla siguiente. José Gustavo Leyva Retureta 136

137 Para sistemas con controlador I la expresión siguiente es utilizada en lugar de Estas normas también se pueden aplicar a un modelo de tiempo total constante siempre que Tu = Tt y Tg = T se establezcan. 2.4 Selección de los equipos de automatización Comentarios introductorios. Ahora que los aspectos esenciales del trabajo de diseño del proyecto han sido explicados en los puntos 2.2 y 2.3, el siguiente paso se concentra en cuestiones igualmente importantes en el contexto de la selección de equipos de automatización. Estas selecciones son particularmente relevantes para la preparación de los diagramas de bloques EMCS y listas de equipo, ya que, además de la integración funcional de los equipos de automatización en estos diagramas, su diseño es también de importancia (por ejemplo, los rangos de medición / sensores y las rangos de correcciones / actuadores). José Gustavo Leyva Retureta 137

138 En general, la tarea del ingeniero de proyecto es seleccionar el equipo de automatización de modo que represente la solución óptima para el sistema que va a ser construido. Inicialmente, los siguientes requisitos generalas de aplicación pueden ser seleccionados: Realización: La tarea de automatización debe ser solucionada por un medio apropiado de equipo de automatización. Confiabilidad El aspecto de interrupción automática de los equipos de automatización utilizados deberán ser adecuados para el funcionamiento de los procesos peligrosos. Condición de proceso Las condiciones de las operaciones de tecnología de proceso, tales como temperaturas, presión, medios agresivos, riesgos de explosión, radiación, campos electromagnéticos, etc, deben tenerse en cuenta. Exigencias de cliente Los clientes con frecuencia especifican como fabricar y con que funcionalidad del equipo de automatización debe ser procurado Integrabilidad Debería ser posible realizar la ampliación de un sistema de automatización existente por medio de equipo de automatización adicional con el menor gasto posible (por ejemplo, sin cambiar la energía auxiliar existente). José Gustavo Leyva Retureta 138

139 El consumo de energía La energía tomada directamente por el equipo de automatización (energía auxiliar) o el gasto de energía requerida en el proceso (por ejemplo, válvulas de control, motores de las bombas, etc), debe utilizarse de la manera más eficiente posible. Costo determinante La comparación de precios de equipo de automatización diferentes para la solución de una tarea equivalente representa un factor importante del proyecto de cálculo de costos. Varios Los aspectos a considerar en este apartado son, por ejemplo, el tamaño, el peso, la posible instalación de equipos de automatización, el servicio al cliente, etc. Por otra parte, la importancia de las diversas evaluaciones de estos requisitos deben ser considerados en este contexto, por ejemplo, la garantía de la fiabilidad del proceso es siempre más importante que una reducción de los costos. Si ahora regresamos de nuevo a las consolas de prácticas ya mencionadas u otros sistemas de la tecnología de proceso, después del análisis del diagra PI y el diagrama de bloque EMCS se demuestra claramente que la selección de equipo de automatización se aplica principalmente a los actuadores y a los sensores. Los siguientes temas enumeran los fundamentos esenciales para la selección del equipo de automatización, integrándolo en una estrategia para la selección. José Gustavo Leyva Retureta 139

140 2.4.2 Fundamentos esenciales. General. Utilizando el ejemplo de control de flujo y nivel de llenado de los pequeños módulos experimentales con los que ya estamos familiarizados, ahora sigue una explicación de los fundamentos esenciales de la teoría del flujo. Tanto los lazos de control cerrado a partir de la premisa de un flujo de fluido (caudal de agua), por el cual q (flujo) y p (presión) representan los parámetros de proceso característicos. Aquí, deberá ser notado que en la literatura relevante sobre la función de bomba y el diseño de bomba, el término ' flujo de salida ' a menudo es usado en vez del caudal. El objetivo del ejercicio ahora es lograr un caudal correspondiente o el flujo de salida para las especificaciones correspondientes. En la tecnología de proceso, bombas centrífugas (también ajustable) y válvulas de control se utilizan principalmente para este propósito. Selección de la bomba centrífuga La fig proporciona una descripción más detallada del diseño y de la configuración de la bomba centrífuga. José Gustavo Leyva Retureta 140

141 Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tubos de salida o hacia el siguiente rodete (siguiente etapa). Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pascales, Pa, metros de columna de agua m.c.a. o o pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. En el contexto de las bombas centrifugas, el término cavitación implica un proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido, su crecimiento y subsecuente colapsamiento a medida que el líquido fluye a través de la bomba. Adicionalmente, la bomba centrífuga se puede definir mediante su curva característica. Esta indica la correlación entre el flujo de salida y la presión de entrega a una velocidad constante. Con el flujo de salida aumentando, una caída de presión en aumento es creada sobre la resistencia del flujo interno de la bomba. En el caso ideal, la presión de entrega de la bomba será p p p0 ki q p Presión de entrega José Gustavo Leyva Retureta 141

142 p0 Máxima presión de entrega (Q=0) ki Constante de la bomba q Flujo de salida. Como complemento, la Fig muestra el diagrama de circuito eléctrico de una bomba centrífuga. Muy a menudo la presión de suministrop, la altura de suministro h en relación con un líquido específico, con frecuencia se especifica como un parámetro típico de la bomba como una alternativa a la entrega de presión, ejemplo para el agua (densidad p = 1 g/cm3), la cabeza de entrega se calcula como En la siguiente figura (Fig. 2-56) podemos observar las curvas características de una bomba centrifuga para diferentes velocidades y la eficiencia. José Gustavo Leyva Retureta 142

143 En el punto A de la fig donde el flujo de salida es cero, que puede ser resultado de que la bomba es accionada contra una válvula cerrada o la diferencia de presión estática en una tubería es idéntica a la presión de entrega, da como resultado que aunque la bomba está funcionando, no se transporta líquido, esto significa que la eficiencia es 0 y la energía consumida se convierte en calor en la carcasa de la bomba. Sin embargo, durante un período prolongado y con refrigeración insuficiente, esto puede conducir a daños de la bomba, por lo que este punto de trabajo no puede mantenerse durante un período prolongado. de trabajo. En el punto B la bomba alcanza su valor máximo de eficiencia en el punto En el punto C podemos observar como la eficiencia disminuye debido a que se aumenta el flujo hasta superar la capacidad de la bomba. El aumento en el consumo de energía puede conducir a una sobrecarga del motor de accionamiento. Por ello, un flujo de salida determinado, no podrá superarse. A continuación veremos las consideraciones que hay que tomar en cuenta a la hora de seleccionar una bomba centrifuga. En primer lugar hay que diferenciar que tarea va a desempeñar la bomba, comúnmente la bomba desempeña dos tareas: En el primer caso, la bomba se José Gustavo Leyva Retureta 143

144 utiliza para aumentar la presión y así mantener el flujo (de la corriente de salida) en una tubería, aquí la bomba funciona a una velocidad constante. En el segundo caso, la bomba se utiliza como un elemento de regulación de caudal, por lo que su velocidad se utiliza como una variable de corrección. En la Fig observaremos el primer caso donde la bomba funciona a una velocidad constante, en este diagrama podemos observar que el punto de trabajo se localiza en la intersección entre la curva característica de la bomba y la curva del sistema. Por otro lado en la Fig podremos observar que la eficiencia de la bomba también se utiliza para determinar el punto de trabajo. Esto significa que, aparte de la definición del punto de trabajo de la bomba centrífuga (salida de flujo q 0 ) en la intersección de las curvas anteriores características, también es necesario tener en cuenta la máxima eficiencia como una especificación para el flujo de salida q 0. José Gustavo Leyva Retureta 144

145 En el caso de la bomba centrífuga con velocidad variable, el primer requisito que hay que cubrir es especificar q mín y q máx en concordancia con las especificaciones correspondientes del proceso tecnológico (Fig. 2-59). Además, el rango de velocidad / el rango de control (la velocidad de n 1 a n 3 ) de la bomba para ser seleccionados deben ser definidos. Con este fin, la curva característica de la figura muestra que cualquier entrega volumétrica se puede lograr mediante la variación de la velocidad de la bomba centrífuga. En lo que se refiere a la selección óptima de la bomba, una vez más debe llegar a una velocidad de bombeo para ser eficaz en el punto de trabajo (salida de flujo q 0 ), que también representa una máxima eficiencia para el flujo de salida q 0. La Fig muestra que la eficacia necesaria max se puede obtener a partir de una curva característica similar a las de la fig pero para una bomba centrifuga aplicada a variaciones de velocidades. José Gustavo Leyva Retureta 145

146 El esquema de la Fig nos muestra un resumen de las descripciones mencionadas para la selección de la bomba. El elemento final de control (regulación de válvula / válvula de control / actuador de la válvula) La función de un elemento de control final en un sistema de tuberías es cambiar el rendimiento del líquido por medio de su resistencia al flujo variable. La fig proporciona una representación esquemática de los elementos habituales de control final. José Gustavo Leyva Retureta 146

147 La Fig por lo tanto muestra el diseño de una válvula de control mientras que la Fig muestra un circuito equivalente eléctrico. Frente a la tarea de seleccionar un elemento de control final, el primer paso es examinar el comportamiento básico del elemento de control final en una sección del sistema (sección de la tubería). En este contexto, cabe señalar que, debido a la resistencia al flujo de este elemento de control final de una caída de presión dinámica produce p, que cuadráticamente depende de la velocidad de flujo o caudal. Esto significa que parte de la presión global disponible en el comienzo de la tubería se reduce en el elemento final de control (pérdida de energía). Debido a su naturaleza, se deduce que los procesos de sistemas técnicos siempre estarán equipados con numerosas válvulas de control, sometidas a diferencias en el flujo y la presión. Por tanto, es necesario establecer los parámetros principales con el fin de clasificar estas válvulas de control. José Gustavo Leyva Retureta 147

148 Para poder hacer una comparación de las válvulas de control, los fabricantes trabajan sobre las bases de un estado estándar (tasa de flujo estándar) de la válvula y definen el valor k v. Esto significa que para una caída de presión de 0,98 bar (0,98-105Pa), los fabricantes deben especificar las tasas de flujo de agua (r = 103 kg / m 3) que pasan por la válvula. Estas tasas de flujo estándar dependen exclusivamente de la carrera de la válvula y la cual se le conoce como valor de kv. El rendimiento asociado con el movimiento nominal de la válvula de control se conoce como valor de K vs. La dependencia de los valores de k v en la carrera de la válvula correspondiente se registra en la llamada curva característica de estado estacionario o curva característica básica de la válvula de control. Las formas básicas más típicas de esta curva característica pueden ser la curva característica lineal, una variación de la carrera de la válvula causa un cambio en el rendimiento lineal (Fig. 2-65) y la igualdad de la curva característica de porcentaje que es cuando la variación de la carrera de la válvula y el rendimiento tienen una correlación no lineal (Fig.2-65). Sobre la base de la tarea de automatización tiene que ser decidido, cual curva característica se va a utilizar. Para dar una indicación práctica, el procedimiento siguiente puede ser recomendado: José Gustavo Leyva Retureta 148

149 Si la curva característica estática se conoce (estimación) para el proceso de utilización de la válvula, entonces la curva característica básica de la válvula de control se elegirá tomando en cuenta la superposición de ambas curvas características (con la interacción de la sección del sistema, y la válvula de control) lo más cerca posible de la curva característica lineal en estado estacionario (características de funcionamiento) obtenida por el comportamiento del flujo. Por otra parte, cabe señalar que las diferentes válvulas de control, dependiendo del diseño de construcción, no se cierran totalmente. El caudal residual resultante se conoce como valor de k v0 de la válvula de control. Desde el punto de vista del costo y la función, esto no debería considerarse necesariamente como una desventaja, ya que la relativamente las válvulas simples On/Off se utilizan a menudo para cerrar completamente las tuberías. Por otra parte, la válvula de control se puede diseñar para que cierre completamente (por ejemplo, el uso de sellos), en este caso, se habla también de la llamada supresión de punto cero, donde la curva característica se desvía en gran medida de la curva característica real en el caso de un accidente pequeño (Fig. 2-66). Los parámetros K VS y K v0 se utilizan para formar la llamada relación teórica de control K VS / K v0, que generalmente es especificado como un parámetro típico por el fabricante de la válvula y en la práctica a menudo también se sustituye por la relación eficaz de control K VS / K vr. Esto toma en cuenta la tolerancia entre el objetivo y la medida actual de la curva característica básica (Fig. 2-66) José Gustavo Leyva Retureta 149

150 Si ahora volvemos a la selección de la válvula, entonces de acuerdo con la información anterior, se comienza con el valor de kv. Para una caída de presión DP=1bar (especificación resultante de la experiencia práctica), esto se puede determinar de la siguiente manera, teniendo en cuenta que el caudal de la sección del sistema (especificación derivada de la experiencia práctica): Donde: q= Flujo de salida en m 3 /H densidad en 10 3 kg/m 3 p- Caída de presión especificada en 1 bar Esto significa que por definición el máximo y mínimo caudal (Q máx / mín) en la sección del sistema en cuestión, se calculan con la ayuda de la fórmula anterior, siendo estas: Para propósitos prácticos, cabe señalar que, en la mayoría de los casos no es posible encontrar una válvula de control con el valor calculado de K VS a partir de los datos del sistema, en consecuencia, por razones prácticas (por ejemplo, José Gustavo Leyva Retureta 150

151 teniendo en cuenta también cualquier otro cambio que ocurren en el sistema de datos) siempre se debe seleccionar una válvula de control con un mayor valor K vs (que la calculada). Además, cabe mencionar que al cambiar la fórmula para determinar el valor kv, también es posible obtener una fórmula para las características de funcionamiento antes mencionadas: Como puede verse en la fig. 2-69, la diferenciación se hace entre las secciones del sistema dominante, con una caída de presión estática y la dinámica dominante de la caída de presión. Sin embargo, en la fig. 2-67, se puede ver claramente que en los sistemas con la caída de presión estática, esto sólo marginalmente depende de la velocidad de flujo, también conocido como el flujo de salida Q. Por lo tanto, se aplica en general que la caída de presión total se mantiene constante y también la presión baje a través de la sección del sistema y la válvula de control. José Gustavo Leyva Retureta 151

152 Para casos donde la caída de presión en el sistema es dinámica, los cambios de presión están en relación con el flujo, podemos observar la grafica en la Fig La Fig representa un resumen de las consideraciones principales que participan en la selección de una válvula de control, que están documentadas en forma de normas básicas de procedimiento a través de los puntos 1 a 4. José Gustavo Leyva Retureta 152

153 Selección de sensores Como regla general, la selección de los sensores en el marco de un proyecto de automatización es más sencilla que la selección de los actuadores descritos en la sección anterior. La selección por medio de la evaluación de la literatura de la compañía respectiva, es relativamente simple para el ingeniero del proyecto. Mediante el uso de los rangos de medición relacionados con la tecnología de proceso, todo lo que le queda por hacer es seleccionar un sensor correspondiente. José Gustavo Leyva Retureta 153

154 La Fig ilustra este procedimiento. Es irrelevante decir que las condiciones de funcionamiento ambiental del sensor también se deben tomar en cuenta (por ejemplo, medio agresivo, las condiciones de montaje, etc.) 2.5 Proceso de medidas de protección Dado que los capítulos anteriores únicamente representan una relación de los principales aspectos del trabajo de diseño del proyecto, la cuestión de la protección de proceso no se ha abordado de manera explícita. Por lo tanto, hay que decir que esta cuestión puede ser un factor adicional muy importante de la labor de diseño del proyecto en relación con la tecnología de proceso. Por ejemplo, los requisitos para la automatización de una planta de energía atómica serán considerablemente más altos que los del sistema de automatización de una fábrica de cerveza. En consecuencia, el Ingeniero de Diseño del proyecto debe ser consciente de los requisitos esenciales para la protección del proceso y debe incorporarlos en el diseño del proyecto. La Fig establece los aspectos básicos de la protección del proceso. José Gustavo Leyva Retureta 154

155 Según esto, el Ingeniero de Diseño del proyecto se enfrenta a problemas tales como la protección contra explosiones (diseño a prueba de explosión del equipo de automatización y sistemas). En general, hay suficiente documentación disponible de la empresa, por lo cual las exigencias derivadas de la tecnología de proceso puede ser aplicado con bastante éxito. El problema de la EMC (compatibilidad electromagnética), que también se muestra en la Fig es aún más compleja en comparación con un diseño a prueba de explosión del equipo de automatización. Sin embargo la parte que requiere un minucioso estudio es la referida por la norma VDI/VDE2180. graficado: La norma VDI/VDE 2180 es basada en el siguiente precepto básico José Gustavo Leyva Retureta 155

156 En el caso de un sistema de proceso técnico, la diferenciación se hace entre el rango aceptable, el rango de error admisible y el rango de error inaceptable, aquí se supone que un proceso del sistema técnico en el curso de la operación normal (operación en estado estacionario) se mueve dentro de los llamados márgenes aceptables, es decir, en el caso de la deriva de los parámetros del proceso, desde el punto de trabajo, el sistema opera en el rango de error permitido. La protección de este régimen de operación se realiza por medio del sistema de automatización actual, mediante un correspondiente equipo de monitoreo (valor límite codificado, si se supera el rango aceptable (estado estable del estado operacional), el sistema vuelve automáticamente al rango aceptable o, si se rige por la tecnología de proceso, por la intervención manual (caso 1). Si el dispositivo de monitoreo falla, entonces el dispositivo de seguridad 1 centra en funcionamiento ya que también realiza esta medición por medio de un decodificador correspondiente del valor límite y devuelve al sistema de proceso al rango de error permitido (caso 2 ). José Gustavo Leyva Retureta 156

157 Independientemente de las medidas descritas anteriormente, se debe proporcionar un dispositivo adicional de seguridad (el dispositivo de seguridad 2), que entra en funcionamiento en caso de que fracasen los dispositivos de seguridad descritos anteriormente. Este dispositivo de seguridad requiere una base de hardware que es completamente independiente del equipo de automatización anterior, que abarca tanto sensores como actuadores y también procesadores (el caso 3). Esto garantiza que en caso de que fracase el equipo de monitoreo o de seguridad 1, una estructura de automatización adicionales entre en funcionamiento en el sistema de tecnología de proceso, impidiendo así que los parámetros del proceso no salgan del rango de error aceptable causando así daños en el sistema. Dependiendo de la clase de proceso, el Ingeniero de Diseño debe decidir hasta qué punto las especificaciones de la VDI / VDE 2180 deben integrarse en el diseño del proyecto. José Gustavo Leyva Retureta 157

158 Capitulo 3 Puesta en marcha y Mantenimiento 3.1 Puesta en marcha de los procesos y la automatización de los sistemas Observaciones introductorias - Puesta en marcha de la estrategia Conexión de potencia auxiliar (Parte 1 y Parte 2) Prueba de control: de lazo cerrado, sistemas de control de binarios y dispositivos de seguridad Establecimiento del modo stand-by de los procesos técnicos 3.2 Mantenimiento de los sistemas de proceso técnico (a pequeña escala sistema experimental) 3.3 Búsqueda de fallas y control de errores José Gustavo Leyva Retureta 158

159 3.1 Puesta en marcha de los procesos y la automatización de sistemas Observaciones introductorias - Puesta en marcha de la estrategia Para poder resolver las tareas establecidas en los sistemas de control, es ante todo, necesario establecer los sistemas de tecnología de procesos (el proceso) y el sistema de automatización deben ser siempre considerados como una sola entidad. En este sentido, la interacción entre el proceso (la sección tecnológica de proceso del sistema) y la estructura de automatización siempre deberán de tenerse en cuenta a la hora de ponerlo en marcha. La Fig. 3-1 proporciona una visión general de los principales aspectos de la puesta en marcha de procesos y sistemas de automatización, clasificándolos en los niveles I y II, aquí es de gran importancia, en qué orden las acciones individuales llevaran a cabo la puesta en marcha, determinando así: El periodo de tiempo real, los gastos incurridos y el éxito del sistema puesto en marcha. Una primera evaluación de la fig. 3-1 nos permite definir las siguientes actividades principales: José Gustavo Leyva Retureta 159

160 NIVEL I Grupo 1 (paso 1) Conexión eléctrica, neumática e hidráulica de energía auxiliar para los transformadores y equipos de automatización (con la excepción de los grandes dispositivos de consumo eléctrico). Comprobación del modo de funcionamiento (en modo manual) de sistemas de control de lazo cerrado y binario. Prueba básica de los sistemas de control binario, como son la conexión y desconexión de las bombas, el abierto cerrado de las válvulas, etc., las variaciones de la estructura del sistema y la prueba de los equipos de monitoreo y seguridad. Grupo 2 (paso 2) Establecimiento del dispositivo operativo del proceso, como son la disponibilidad de materias primas en los contenedores correspondientes, llenado necesario de los sistemas de tuberías, etc. (todos los pasos se operan de modo manual (Purgado)). Grupo 3 (paso 3) Pruebas de los dispositivos de seguridad (como se especifica en la norma VDI / VDE 2180), mediante el cual un dispositivo de seguridad 1 (sensores, actuadores y los algoritmos del procesador se realizará en primer lugar, seguido por el dispositivo de seguridad 2. Conexión de la energía auxiliar eléctrica para dispositivos de gran consumo. Acercarse a los puntos de trabajo de los procesos tecnológicos del sistema, es decir, los lazos cerrados de control se mueven en los puntos necesarios que trabajan en el modo manual, mediante el cual la estructura José Gustavo Leyva Retureta 160

161 de control y los parámetros del controlador se programan para cada lazo cerrado de control. NIVEL II Grupo 1 El establecimiento del modo de operación (el modo automático) por medio de una transición sin problemas, manual / cambio automático (la señal de control manual y la señal de control automático coinciden). Seguimiento de la puesta en estado estacionario inicial y las pruebas de control y el comportamiento de la perturbación Conexión de las energías auxiliares (Parte 1 y Parte 2) Como ya se ha discutido en la sección 2.2.5, la mayor concentración de trabajo relativo a la conexión de las energías auxiliares (electricidad, neumática, hidráulica) está en la energía eléctrica auxiliar. Esta forma de energía auxiliar es el factor dominante en el funcionamiento de un sistema de automatización. Debido a los diferentes grupos de dispositivos de consumo (véase el consumo de energía), la secuencia de conexión de diferentes niveles de tensión y se determina un procedimiento (etapas 1 a 3), como se muestra en la fig. 3-2, en los que estos voltajes están disponibles: José Gustavo Leyva Retureta 161

162 Paso 1: Conexión de la energía eléctrica auxiliar para los procesadores (sistemas de control) de procesos, controles compactos, tecnología de PLC y PC s). Los niveles de voltaje típicos de 220V CA y 24 V CD (disponible a través de unidades de alimentación). Paso 2: Conexión de la energía auxiliar eléctrica para equipos de automatización, los dispositivos de consumo estándar (tales como sensores, actuadores, transductores de medición y dispositivos de seguridad). Los niveles de voltaje son de 220V de CA (alimentación principal) 24V CD (disponible a través de unidades de alimentación). Paso 3 Conexión de la energía auxiliar eléctrica para equipos de automatización, dispositivos que consumen grandes cantidades de energía (Bombas, calentadores). Los niveles de voltaje son de 220V de CA (alimentación principal). Las Fig Fig. 3-4, Fig. 3-5 y Fig. 3-6 son ejemplos que representan técnicamente, una solución de circuito típico de conformidad con el procedimiento de conexión (pasos del 1 al 3) La Fig. 3-3 muestra un ejemplo de cómo, mediante la aplicación de los pasos del 1 al 3, el auxiliar de energía eléctrica para el modulo a pequeñas escala experimental se va a conectar. Esto muestra que el controlador compacto José Gustavo Leyva Retureta 162

163 (procesador) es el primero que se suministra con la energía auxiliar, seguido de los sensores, actuadores, pequeñas bombas y dispositivos de seguridad y por último, el calentador (por ser de gran consumo). Un ejemplo individual ilustra a continuación, que circuito propuesto es más favorable para el suministro de energía eléctrica auxiliar para los procesadores (Fig. 3-4), mediante el cual el dispositivo de seguridad, así como la energía neumática auxiliar son suministrados mediante los contactos adicionales K1 y K2(Fig. 3-6). La Fig. 3-5 muestra un ejemplo de la conexión de la energía eléctrica auxiliar para dispositivos de gran consumo, por lo que las bombas y calentadores son asignados a las vías de 220V de CA a través de los contactores del K3 al K6. José Gustavo Leyva Retureta 163

164 José Gustavo Leyva Retureta 164

165 José Gustavo Leyva Retureta 165

166 3.1.3 Prueba de control: de lazo cerrado, sistemas de control binarios y dispositivos de seguridad. Ahora que las energías auxiliares necesarias han sido conectadas, la prueba de automatización de la configuración o estructura se puede iniciar., El siguiente procedimiento se recomienda para realizar con éxito esta tarea (Fig. 3-7) José Gustavo Leyva Retureta 166

167 Con el paso 1, los sistemas de control binario se ponen a prueba como primera medida. Esto implica. Por ejemplo, la prueba de las válvulas On/off provistas para cambios de configuración y su interacción con los controladores binarios correspondientes, en esta corrección las señales resultantes de la particularmente llamada retroalimentación del elemento de control, (sección 2.2.4) deben ser evaluados visualmente o mediante el control binario (los sistemas de control binario). Del mismo modo, la zona asignada, los sistemas de control binario para la conexión y desconexión de las bombas correspondientes y calentadores son sometidos a prueba. Una vez más, la zona asignada, los sistemas de control binario deben ser probados a través de los elementos de control manual y sensores de retroalimentación correspondiente. Una vez más, la zona asignada, los sistemas de control binario deben ser probados a través de los elementos de control manual y sensores de retroalimentación correspondiente. Igualmente, las pruebas de los dispositivos de seguridad también incluyen la supervisión de los sistemas de control binario. Sin embargo, para ello, los sensores asociados se activan mediante la manipulación adecuada y por lo tanto cualquier actuador accionado de esta manera es evaluado de forma similar para el José Gustavo Leyva Retureta 167

168 funcionamiento correcto (Reconocimiento final del elemento de control visual y la lógico). Si los sistemas de control binario y los dispositivos de seguridad son totalmente funcionales, la puesta en marcha del control de lazo cerrado se puede iniciar. Para ello, los lazos de control cerrado deberán estar puestos en línea con los respectivos puntos de trabajo especificados, todo esto en el modo manual y luego cambiándolos al modo automático. Después de una evaluación suficientemente larga de la dirección y el comportamiento de la interferencia de los circuitos de control en lazo cerrado, el sistema puede ser entregado al usuario Establecer el modo de espera de un proceso técnico. Al utilizar la energía auxiliar disponible (eléctrica y neumática) y la configuración de operaciones de automatización (sistemas de control binario y control de lazo cerrado en modo manual), al poner el proceso técnico en modo de espera, se garantiza la activación del estado real de equilibrio del proceso continuo. En particular, los pasos preparatorios que figuran a continuación deberán ser llevados a cabo: Llenado y vaciado de las secciones de tuberías necesarias para garantizar la capacidad de ejecución de las bombas utilizadas (purgar). Asegurar una cantidad suficiente de agua en los contenedores de salida a las bombas de abastecimiento. Cambios de configuración al contenedor y al sistema de tuberías para el inicio de la producción verificando el estado que guardan las válvulas on/off y las correspondientes válvulas de la mano. José Gustavo Leyva Retureta 168

169 3.2 Mantenimiento de los sistemas de proceso técnico (modulo experimental a pequeña escala). Sin duda, la magnitud y el costo de mantenimiento de los sistemas modernos de proceso técnico son en gran medida determinads por la calidad del sistema de automatización (el proyecto de automatización), mediante el cual el uso de equipo de automatización moderna desempeña un papel vital. Aquí, hay que tener en cuenta que el procedimiento reconocido para la instrumentación convencional tiene que ser modificado para el mantenimiento y puesta en marcha de un sistema de proceso técnico. En este contexto, los siguientes aspectos deben tenerse en cuenta: El equipo moderno de automatización es muy fiable, requiere poco o ningún reajuste, o se puede ajustar fácilmente a través de sistemas de control e instrumentación o los elementos de control similares, por lo que cualquier medida de reajuste se puede hacer fácilmente si es necesario. El uso universal de control de procesos, siendo una típica característica de los sistemas de automatización moderna, facilita un nuevo enfoque eficiente para la realización de las medidas necesarias para el mantenimiento y conservación. El uso cada vez más de los sistemas de intercomunicación de campo (field bus) de igual forma se deben tomar en cuenta y también influye en el mantenimiento y las operaciones de conservación. 3.3 Encontrar errores y manejo de errores - Entrenamiento de prevención de daños. El hallazgo de fallas y manejo de errores representa un área extensa de funciones en un proceso técnico operativo. Una amplia variedad de errores pueden ocurrir, que deben ser analizados y eliminados por el personal de José Gustavo Leyva Retureta 169

170 mantenimiento. En lo que se refiere a una agrupación sistemática de estos errores, la Fig. 3-8 define las distintas categorías que se discuten a continuación. Grupo 1.- Cobertura de los errores típicos, los cuales son causados como consecuencia de un fallo de los sensores o actuadores, las siguientes recomendaciones se da para la eliminación de errores. Categoría 1 Fallos en los sensores Inmediatamente hacer mediciones en los terminales del sensor o en los puntos terminales de la caja EMCS. Fallos en el actuador Prueba de la señal de control de entrada en el actuador Prueba directamente sobre el actuador trayectoria de la señal de la posición a la unidad de servo (verificación de la exactitud de calibración). Prueba directamente sobre el actuador movilidad del asiento de la válvula y la aguja (por ejemplo, como resultado de la interferencia o la oxidación del asiento de la válvula o aguja). José Gustavo Leyva Retureta 170