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Universidad de Monterrey

Departamento de Ingeniería

Ot16

LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO PRÁCTICA No. 1 ELABORACIÓN DE DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE UN LAZO DE CONTROL INDUSTRIAL

Objetivos:   

Reconocer los elementos que forman un lazo de control automático en un proceso industrial Conocer las características de instrumentos utilizados en los lazos de control y su calibración Familiarizarse con el equipo de trabajo de la estación de control de temperatura en una cámara.

ELABORACIÓN DE DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIÓN Elaboración e interpretación de diagramas de instrumentación basados en la simbología ISA S5.1 La Asociación de Instrumentistas en América (Instrument Society of America, ISA) elaboró un estándar ANSI/ISA-S5.1 para elaborar diagramas de instrumentación y así ayudar a documentar una automatización de procesos. Los diagramas de tuberías e instrumentación (DTI) o también conocidos como “P&ID” (Pipeline and Instrument Diagrams) utilizan el estándar ANSI/ ISA S5.1, para mostrar la localización de los instrumentos de medición o control, la forma de comunicación entre ellos, la función de cada instrumento y con qué variable de proceso, PV, se relacionan. Simbología para instrumentos. Los instrumentos se representan por círculos (todos del mismo tamaño). Los instrumentos pueden ser localizados: en un tablero o cuarto de control (visibles), en un tablero o cuarto de control pero no visibles, y en campo, tal como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1. 1 (a) Controlador e indicador de nivel (localizado en un tablero de control), (b) Registrador de flujo (localizado en un tablero de control, pero no visible), y (c) Transmisor de temperatura localizado en campo.

Función del instrumento. Se utilizan dos o tres letras para representar la función del instrumento. La primera está asociada a la PV, como lo son: temperatura (T), Presión (P), Peso (W), corriente (I), flujo (F), etc. La segunda o tercera letra indican las funciones del instrumento, por ejemplo: Indicador (I), Controlador (C), Transmisor (T), Registrador (R). Un controlador e indicador de nivel estará representado por las letras LIC. Más variables se muestran en la Tabla 1-2. Número de identificación. Usualmente, a cada instrumento se le añade un número de identificación (01, 07, etc.) para diferenciar los instrumentos de los distintos lazos de control de una planta, o para enumerar los lazos de control. Comunicación entre instrumentos: Para representar la comunicación entre instrumentos se utilizan diferentes medios como son: conexión física directa (mangueras, tubería), señal eléctrica (corriente o voltaje), neumática (presión), capilar (registro de temperatura). Comunicación entre instrumentos 1.

Conexión directa o por tubería

2.

Señal indefinida

3.

Señal neumática**

4.

Señal eléctrica

5.

Señal hidráulica

6.

Tubo capilar

7.

Señal electromagnética sónica ***(Guiada) Señal electromagnética sónica *** (No guiada)

8.

Control Automático

1.1

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9.

Enlace del sistema interno (Software o enlace de datos) 10. Enlace mecánico

Localización Montado primaria *** en campo Normalmente accesible al operador 1 IPI** 2

Símbolos binarios (on – off) opcionales 11. Señal binaria neumática 12. Señal binaria eléctrica Nota: “ó” significa a selección del usuario. Se recomienda mantener consistencia. Las abreviaturas siguientes se sugieren para denotar el tipo de suministro de energía al instrumento. Estas designaciones se pueden también aplicar a suministros de fluidos de purga. AS – Suministro de aire HS – Suministro hidráulico IA – Aire para instrumentación NS – Suministro de nitrógeno PA – Aire de planta

SS – Suministro de vapor ES – Suministro eléctrico WS – Suministro de agua GS – Suministro de gas

El nivel de suministro puede ser incluido en la línea de transmisión de la señal, por ejemplo: AS–100, que indica un suministro de aire de 100 psig; ES24DC, suministro de energía de 24 volts de corriente directa. ** El símbolo de la señal neumática aplica a una señal que utiliza cualquier tipo de gas como la señal portadora. Si se utiliza un gas diferente al aire, el gas se puede identificar por una nota sobre el símbolo de la señal. *** El fenómeno electromagnético incluye calor, ondas de radio, radiación nuclear y luz.

Control Automático

Intrumento para una variable medida Indicador 3 compartido, control compartido Función de 4 computadora Control lógico programable

7

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Localización auxiliar *** Normalmente accesible al operador 3

4

5

5

6

8

9

Tabla 1. 1 Símbolos de instrumentación o funciones generales

*El tamaño de los símbolos puede variar de acuerdo a la necesidad del usuario y al tipo de documento. Un tamaño de cuadrado y de círculo para diagramas grandes se sugiere en la tabla anterior. Se sugiere mantener consistencia también. ** Abreviaturas seleccionadas por el usuario tales como IP1 (Instrument Panel #1), IC2 (Instrument Console #2), CC3 (Computer Console #3), etc., pueden usarse cuando es necesario especificar ubicación de instrumentos o funciones. *** Normalmente inaccesible o dispositivos detrás del panel. Pueden ser designados al usar el mismo símbolo pero con barras horizontales discontinuas. A continuación se presenta el ejemplo de un P&ID o DTI.

1.2

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Indicador de corriente

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0 - 150% 0 - 100%

PLC

Comunicación interna.

* Alarma alta de energía

Controlador de Velocidad.

SC 20

Indicador de Velocidad.

SI 20 SIC 20

ZCS 20 Interruptor de control de posición. JAH * Indicador de energía.

JQ 20 JI 20

Señal eléctrica.

4 - 20mA

II 20 4 - 20mA Indicador multivariable.

UI 20 0 - 100% 0 - 100% Controlador e indicador de velocidad.

IT 20

Transmisor de corriente.

SZ 20

Elemento final de control de velocidad.

ST 20

Transmisor de velocidad.

JT 20

Transmisor de potencia.

Totalizador de consumo de energía.

0 - 150%

Figura 1. 2 Fragmento de un Diagrama ISA

A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. K.

4 - 20mA

Funciones de indicación y control compartidos en un instrumento (Shared control/Shared Display).

Control Automático

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Motor 100HP 1350 RPM.

Primera letra Variable Letra de medida modificación Análisis Llama (quemador) Conductividad Densidad o Diferencial Peso específico Tensión (f.e.m.) Caudal Relación Calibre Manual Corriente eléctrica Potencia Exploración Tiempo

Función de lectura pasiva Alarma Libre

Letras sucesivas Función de Letra de salida modificación Libre

Libre

Control

Elemento primario Vidrio Alto Indicación o indicador Estación de control

L. Nivel M. Humedad

Luz piloto

N. O. P. Q. R. S.

Libre Orificio Punto de prueba

T.

Libre Libre Presión o vacío Cantidad Integración Radiactividad Velocidad o Seguridad frecuencia Temperatura

U. V. W. X. Y.

Multivariable Viscosidad Peso o Fuerza Sin clasificar Libre

Multifunción

Z.

Posición

Libre

Bajo Medio o intermedio Libre

Registro Interruptor

Vaina Sin clasificar

Transmisión o transmisor Multifunción Válvula

Sin clasificar Relé o computador Elemento final de control sin clasificar Tabla 1. 2 Simbología ISA: Letras de identificación

Multifunción

Sin clasificar

1.3

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ANÁLISIS MATEMÁTICO DE UN LAZO DE CONTROL INDUSTRIAL.

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las acciones ordenadas (OP) por el controlador, hasta llevar a la variable de proceso (PV) al valor deseado por la referencia o set-point (SP).

Fundamentos LR

La forma de realizar la producción en industrias de procesos y de manufactura difiere en el tipo de operaciones que se realizan sobre la materia prima. Esta diferencia también se refleja en el equipo requerido para la automatización de sus respectivas formas de producción.

LIC

I P

FT

En la industria de procesos predominan los llamados procesos continuos, los cuales se denominan así, porque se refiere a la forma de procesar, de manera continua y/o por largos periodos de tiempo, el flujo de la materia. Por ejemplo, en un proceso de calcinación dentro de una industria del cemento, la materia prima se alimenta al horno de manera continua y se obtiene calcinada a la salida del horno en forma continua. Son ejemplos de industrias de procesos: la del vidrio, del cemento, del hierro, la farmacéutica, de alimentos, entre otras.

LI

S

FT

En las industrias de procesos continuos un lazo de control automático con retroalimentación es la forma básica para realizar el control automático sobre los procesos. Los elementos de un lazo de control automático son: Planta o proceso, controlador, elemento final de control y elemento de medición, como se muestra en el diagrama a bloques de la Figura 1. 3. Controlador SP + -

Ecuación de control

OP

Elemento final de control

Planta o Proceso

PV

Elemento de medición

Figura 1. 3 Lazo de control automático

La planta corresponde al lugar físico en donde se realiza una operación de transformación. El proceso corresponde a la operación física que se realiza sobre la materia. El elemento de medición corresponde al instrumento o dispositivo utilizado para medir el valor de una condición física sobre una variable de proceso y enviar una señal hacia el controlador. El controlador se encarga de corregir cualquier desviación que presente la variable de proceso (PV) con respecto al valor preestablecido por el “set-point” (SP) o referencia. El elemento final de control es un instrumento o actuador, el cual cambia su estado físico de operación al ejecutar Control Automático

LT

Figura 1. 4 Representación del lazo de control de nivel en un tanque, usando simbología ISA.

La Figura 1. 4 muestra un ejemplo de un sistema de control automático en lazo cerrado, en donde se pueden identificar los distintos elementos de un lazo de control, como se describe en la Tabla 1. 3. Elemento Planta Proceso Elemento final de control Elemento de medición Controlador

Descripción Tanque Mantener el nivel de llenado en el tanque Válvula de control Transmisor de nivel Controlador de nivel Tabla 1. 3

Operación en modo manual y automático de un lazo de control El controlador es el instrumento que determina la forma de operación del lazo de control. Los dos modos de operación son: manual y automático . Los modos de operación son seleccionados por el usuario a través de un botón selector (según el diseño de fabricación). Cuando el controlador opera en modo manual, se dice que el sistema de control opera en lazo abierto , y cuando el controlador opera 1.4

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en modo automático, se dice que el sistema de control opera en lazo cerrado. En modo manual, el operador puede modificar la señal de control OP o salida de control para cambiar el estado del elemento final y modificar el valor de la variable controlada. En modo automático, el controlador es quien determina el valor de la salida de control (manipulación) requerido para llevar y mantener a la variable de proceso (PV) en el punto de operación deseado (set-point), el usuario sólo puede modificar dicho valor del set-point y esperar a que el controlador actúe.

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Efecto

Causa Proceso continuo

Función forzante

Aproximar Respuesta transitoria

Respuestas de modelos conocidos

Figura 1. 6 Aproximación de respuestas transitorias mediante

Hasta aquí se ha explicado brevemente la parte operativa de un lazo de control utilizado en la automatización de procesos continuos. Modelación matemática Las transformaciones que sufre el flujo de materia, durante un proceso de transformación, pueden ser representadas por medio de ecuaciones matemáticas, principalmente por ecuaciones diferenciales. Estas ecuaciones se obtienen a partir de las leyes que rigen las transformaciones a realizar: método analítico. Las ecuaciones establecen una relación causa - efecto, en donde se distingue cuál es la variable dependiente (respuesta del proceso) y cuál es la variable independiente (forzante), como se muestra en la Figura 1. 5. El orden y tipo de las ecuaciones diferenciales resultantes dependen de las leyes que relacionan a la variable dependiente e independiente, así como, de los elementos físicos que se incluyen dentro del proceso.

Forzante: m(t) Flujo de combustible

Proceso continuo

Respuesta: y(t) Temperatura

Figura 1. 5 Relación causa - efecto en un proceso continuo

REPORTAR 1. Investigue y describa, con su entendimiento propio, los elementos básicos de un lazo de control cerrado: - Elemento sensor o de medición - Elemento actuador o final de control - Planta o proceso - Elemento de control o controlador o ecuación de control Reporte cada concepto. 2. Investigue y describa, con su entendimiento propio, los siguientes conceptos relacionados con un sistema de control: - Variable de proceso (Process Variable PV, por sus siglas en ingles) - Referencia ( Set-Point SP, por sus siglas en ingles) - Variable manipuladora (Output , por sus siglas en ingles OP) - Error Reporte cada concepto.

Cuando las ecuaciones diferenciales son difíciles de obtener de manera analítica, se realizan pruebas experimentales y la respuesta gráfica obtenida se compara con gráficas de repuestas conocidas ante la misma función forzante. Dentro de los métodos experimentales destaca el de la respuesta transitoria. Este método consiste en aplicar una función forzante conocida a un proceso y obtener la gráfica de la respuesta transitoria. De acuerdo a la forma de la respuesta transitoria obtenida, se aproxima a respuestas conocidas en modelos matemáticos simples tal como el modelo de primer o segundo orden ante funciones forzantes tipo escalón, como se muestra en la Figura 1. 6.

Control Automático

1.5

Universidad de Monterrey 3. Asocie todos los conceptos anteriormente mencionados al diagrama que se encuentra al final de la práctica. Como guía, los elementos básicos estarán dentro del recuadro, mientras los conceptos relacionados al sistema de control estarán en las líneas subrayadas. Reporte la figura de la siguiente página con los conceptos asociados. 4. Investigue y describa, con su entendimiento propio, el concepto de transductor y transmisor. Explíquelo brevemente. Reporte cada concepto. 5. Dibuje el diagrama ISA del lazo de control de la cámara climática. Explique y reporte el diagrama ISA de la estación. 6.

Observe los elementos de la estación “cámara climática” , identifique y reporte la tabla correspondiente.

BIBLIOGRAFÍA - Ogata, Katsuhiko, “Ingeniería de Control Moderna”, Prentice Hall, 1998. - Smith and Corripio, “Principles and Practice of Automatic Process Control”, John Wiley and Sons, 1997.

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Tipo de Instrumento

Función

Rango y Tipo de Variables de Entrada y Salida

Ot16 Energía de Suministro

Transmisor de temperatura Transductor de revoluciones por minuto Transductor de posición Actuador continuo 1 Actuador continuo 2 Actuador abrir 1 Actuador cerrar 1

LIGAS DE INTERÉS http://www.staudinger-est.de/en/simulation/standardmodels/documents/220013_000.pdf https://www.iz3mez.it/wp-content/library/ebook/ANSI%20ISA%20%20Instrumentation%20Symbols%20And%20Ident.%20(1992)%20WW.pdf

Actuador abrir 2 Actuador cerrar 2 Switch 1 Switch 2 Switch 3 Switch 4

Control Automático

1.6

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Lazo cerrado de control

Control Automático

1.7...