IMPLEMENTACIÓN DE SENSORES VIRTUALES EN FOUNDATION FIELDBUS

Transcripción

1 IMPLEMENACIÓN DE SENSORES VIRUALES EN FOUNDAION FIELDBUS Anrés J. Piñón Pazos Dpto. Ingeniería Inustrial, Universiae e A Coruña. E.U.P. Ferrol, Ava. 19 e Febrero, s/n, A Coruña, anrespp@cf.uc.es Ramón Ferreiro García, Mª el Carmen Meizoso Lopez Dpto. Ingeniería Inustrial, Universiae e A Coruña, ferreiro@uc.es, mmeizoso@cf.uc.es Resumen En este articulo se escribe la implementación e sensores virtuales istribuios para la obtención e eterminaas variables, a partir e otras relacionaas, bajo arquitecturas el estánar Founation Fielbus. Palabras Clave: Founation Fielbus, sensores virtuales, bloques función. 2 OBENCIÓN DE DISAS VARIABLES. 2.1 Meia el nivel un fluio en un tanque. Una e los proceimientos más utilizaos para realizar la meia el nivel e un epósito [4], es meir la presión irostática en la parte inferior el mismo, según se muestra en la figura 1. 1 RODUCCIÓN En la instrumentación e procesos, entro e la inustria, es abitual la obtención e meias inirectas e las variables el proceso meiante la meia e otras variables. Esto se ebe a que ay una serie e variables físicas que se pueen meir con mayor facilia, y a partir e estas obtener el valor e otras variables relacionaas. Se consierará la meia e temperatura y presión como variables principales a partir e las cuales se porán obtener otras variables. A través e la meia e presión, se pueen obtener otras variables como pueen ser ensia, nivel, volumen y flujo. Actualmente, se utilizan transmisores que mien la variable primaria, y el cálculo e las variables erivaas se realiza bien en una unia eicaa o bien en la unia central el sistema e control. Meiante la utilización e Founation Fielbus y transmisores compatibles con este bus, se puee implementar el cálculo e icas variables erivaas en los propios instrumentos a través e los bloques funcionales que están isponibles en ico estánar. Este cálculo e las istintas variables estaría istribuio en el campo, permitieno aemás la utilización e cualquiera e las variables, tanto primarias como erivaas en las tareas e control. Partieno e la ecuación básica e la estática [2], Done P: variación e presión y: variación e altura. ρ : ensia. g: aceleración gravitacional Figura 1 Si se conoce la ensia el fluio (ρ) y la aceleración e la gravea (g), se puee conocer el nivel e fluio en el epósito (). P = ρ g (1 y P = ( 2 ρ g

2 En este caso se supone que la ensia el fluio es conocia y constante. En el caso e que la ensia puea ser variable, se puee realizar su meia como se inica en el apartao siguiente. 2.2 Meia e la ensia e un fluio. Para realizar la meia e la ensia e un fluio contenio en un tanque one el nivel e ico fluio es variable, se puee recurrir a la meia e la presión iferencial como se muestra en la figura 2.. Calibrar el transmisor superior para meir ese su toma asta el máximo nivel con la ensia máxima. Determinar la ensia meiante lectura el transmisor inf.- lectura el transmisor sup. ρ = (3 g Una vez que la ensia a sio eterminaa, se puee obtener el valor el nivel meiante lectura el transmisor inferior = (4 ρ g Por lo tanto, si conocemos g y, y se mie la iferencia e presión entre las os tomas, poemos conocer la ensia el fluio (siempre y cuano sea constante y el fluio no estratifique). Es eviente que el nivel entro el epósito siempre ebe estar por encima e la toma superior para que la meia e ensia sea fiable. Otra posibilia es utilizar os transmisores e presión manométrica en lugar e utilizar un transmisor e presión iferencial según se muestra en la Figura 3. Figura 2 Done el valor e ρ es el calculao en la ecuación (3. Los cálculos expuestos en este apartao son válios siempre y cuano se trabaje con epósitos abiertos, e forma que la parte superior el tanque esté a presión atmosférica. En aquellos casos en que el epósito sea cerrao y la presión por encima el fluio puea ser negativa o positiva, se eberá acer la compensación para la presión estática. Esta compensación se puee acer fácilmente sustituyeno los transmisores e presión manométrica por transmisores e presión iferencial, e forma que una e las tomas e caa uno e los transmisores esté conectaa a la parte superior el tanque. Otra posibilia para la compensación e la presión estática si se usa la configuración e la figura 3, es añair un tercer transmisor e presión manométrica que mia la presión en la parte superior el tanque, e forma que a partir e las relaciones entre las salias e los transmisores, se obtenrían los valores e ensia y nivel el fluio en el tanque. 2.3 Meia e la masa y volumen e fluio contenio en un epósito. Figura 3 Con esta isposición, el transmisor e la parte inferior puee ser usao para ambas meias, nivel y junto con el transmisor e la parte superior se obtenría la ensia. Los pasos a seguir serían[3]: Calibrar el transmisor inferior para meir ese su toma asta el máximo nivel con la ensia máxima. El volumen e fluio en un eposito, conocieno el nivel e ico fluio, es función e la geometría el epósito. Por lo tanto, para obtener el volumen e fluio abrá que implementar la función volumennivel. En cuanto a la masa e fluio contenia en el tanque, una vez conocio el volumen e fluio y su ensia, se obtiene fácilmente la masa e fluio: m = ρ Vol. ( 5

3 2.4 Meia e flujo másico. Uno e los métoos abituales e realizar la meia e flujo másico en la inustria, es meiante meias inirectas, e forma que se mie una presión iferencial o la velocia el fluio. Basánose en la meia e la presión iferencial en un sensor e flujo primario con orificio calibrao, se puee obtener el flujo másico en una tubería como [2]: En este apartao se mostrará como construir un sensor virtual para obtener las variables mencionaas en base a la meia e presión en istintos puntos e un epósito. En la figura 4 se muestra el sistema sobre el cual se Pt Pm Q m = k P ρ ( 6 Pl Done: k: Factor e flujo. P: Presión iferencial. ρ: ensia el fluio. En este caso, se esta consierano la ensia constante. En otras aplicaciones, en las cuales se tenga que compensar la variación e ensia ebio a la variación e presión y temperatura, aemás e meir la presión iferencial, abrá que meir la presión estática y la temperatura. Por ejemplo, para la meia e un gas se poría utilizar la siguiente ecuación [2]: Figura 4 van a meir las variables, configurao con tres transmisores e presión manométrica. Los bloques e función a utilizar para obtención e las variables son [1]: AI, y SGCR. El bloque AI (Analog Input) procesa la meia el ispositivo e campo y la pone a isposición e otros bloques e función. Los valores e salia el bloque AI están en uniaes ingenieriles y tiene un inicaor e la valiez e la meia. Done: P Q m = k ( 7 El bloque (Bloque e Función Aritmético) representao en la figura 5 proporciona la posibilia e configurar iversas funciones aritméticas aicionales para aplicar sobre la variable e entraa. : presión estática : temperatura. En aquellos casos en los cuales se esee realizar una compensación inámica el flujo abrá que tener en cuenta que el factor k e las ecuaciones 6 y 7, no es un valor constante, sino que varía en función e las coniciones el flujo. A través e la meia e la presión iferencial, presión estática y temperatura se pueen obtener los istintos parámetros que influyen en k, como son la ensia, viscosia, número e Reynols, coeficiente e escarga, factor e expansión térmica y factor e expansión el gas. 3 IMPLEMENACIÓN DE MEDIDAS VIRUALES EN FOUNDAION FIELDBUS. 3.1 Meia e nivel, ensia, volumen y masa e un fluio en un epósito. Figura 5 El bloque e función SGCR (Signal Caracterizer) que se muestra en la figura 6 aproxima cualquier función que se efina como una relación entraa/salia. La función es efinia meiante veinte coorenaas X,Y como máximo.

4 Pt AI1 Pm AI2 Figura 6 La implementación el sensor virtual se muestra en la figura 7, one se puee observar que meiante la utilización e los tres móulos mencionaos se obtienen las cuatro variables que se pretenía. _D _D 1 2 SGCR 1 _1 _2 Nivel Volumen Masa Una vez obtenio el nivel a la salia el bloque e función 1, se utilizará el bloque e función SGCR 1 para obtener el volumen e fluio entro el epósito; con el uso e este móulo se poría linealizar la función e transferencia nivel/volumen en el caso e que no fuese lineal. El bloque 3, se configura como tipo 7, sumaor traicional, y la ganancia será ajustaa a 1/g, con lo cual se obtiene el valor e la ensia. Finalmente, 2 es configurao como tipo 5, mult/iv. traicional, e forma que a su salia se obtiene la masa e fluio en el eposito. Las variables obtenias quearan isponibles para ser utilizaas en un lazo e regulación, así como para ser leías por una aplicación o mostraas en un isplay. 3.2 Meia e flujo másico. Según se a visto en la sección 2.4, para realizar la meia el flujo másico utilizano como sensor primario un orificio calibrao, y en aquellos casos one la ensia el fluio tiene variaciones no espreciables y los emás factores se pueen consierar como constantes, es necesario tener el valor e la caía e presión a través el orificio, la presión estática y la temperatura el fluio como se muestra en la figura 8. Pl AI3 _D 3 Densia DP Figura 7 Figura 8 Las salias e los istintos bloques e función AI nos an a su salia la presión en las uniaes seleccionaas. Con los atos proporcionaos por los bloques e función AI, se realizan las operaciones mencionaas en el apartao 2 en los bloques. En caa uno e estos bloques se eberá seleccionar la operación aritmética aecuaa para obtener las variables eseaas. Para la implementación el sensor virtual e flujo másico, que se muestra en la figura 9, se utilizan los bloques e función AI y, escritos en el apartao anterior, configuraos e moo aecuao. DP AI1 _D El bloque 1 se configura como tipo 9 cuya función es: PV t(1) función = ( 8 PV t(2) AI2 _D 1 Flujo másico Y el valor e ganancia es (altura entre Pl y Pm); AI3 _D Figura 9

5 En este caso, a la salia e AI1 y AI3 se tenrán los valores e presión estática y temperatura, mientras que AI2 se configurará para tener la raíz cuaraa e la presión iferencial. Por otro lao, 1 se configurará como tipo 2 realizano la operación t(1) t(3) = PV Gain + Bias ( 9 t(2) De forma que a la salia se obtiene el flujo másico compensao para variaciones e ensia. El valor e salia se poría utilizar como entraa e otros bloque e función como puee ser PID para realizar un lazo e control o para ser utilizao si interesa realizar una totalización el flujo urante un eterminao tiempo. 4 CONCLUSIONES Los algoritmos y técnicas e meia virtuales son susceptibles e ser implementaos sobre soporte software y arware bajo el estánar Founation Fielbus, e forma que es posible la realización e iversas meias a partir e las señales generaas por los sensores primarios, meiante el uso e la programación e bloques funcionales estánar. Por otro lao, tenemos que son los propios instrumentos e campo los que realizan los cálculos necesarios para obtener las istintas variables el proceso e forma que se pueen utilizar estas variables en la implementación e lazos e regulación y control, too ello istribuio sobre el propio campo, formao así un veraero sistema e control multiagente con inteligencia istribuia. Referencias [1] Founation Fielbus Blocks, Rev BA 5/00, , Fiser-Rosemount Inc. [2] Streeter, Victor. Mecánica e Fluios McGraw-Hill [3] ecnical Data Seet, Density Measurement. Rosemount-Emerson Process Management [4] ecnical Data Seet, Level Measurement. Fiser-Rosemount Inc.