Control de Procesos Industriales
November 19, 2016 | Author: Ricky Mclaughlin | Category: N/A
Short Description
Control de Procesos Industriales...
Description
SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL
OCUPACIÓN:
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
MANUAL DE APRENDIZAJE
MÓDULO FORMATIVO:
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Técnico de Nivel Operativo
AUTORIZACIÓN Y DIFUSIÓN
MATERIAL DIDÁCTICO ESCRITO FAMILIA OCUPACIONAL
ELECTROTECNIA
OCUPACIÓN
CONTROLISTA DE MÁQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
NIVEL
TÉCNICO OPERATIVO
Con la finalidad de facilitar el aprendizaje en el desarrollo de la formación y capacitación en la ocupación de CONTROLISTA DE MÁQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES a nivel nacional y dejando la posibilidad de un mejoramiento y actualización permanente, se autoriza la APLICACIÓN Y DIFUSIÓN de material didáctico escrito referido a CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES. Los Directores Zonales y Jefes de Unidades Operativas son los responsables de su difusión y aplicación oportuna.
DOCUMENTO APROBADO POR EL GERENTE TÉCNICO DEL SENATI N° de Página……70……
Firma …………………………………….. Nombre: Jorge Saavedra Gamón Fecha: ………04.09.14…….
Registro de derecho de autor:
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
INDICE 1. Presentación
2
2. Tarea 1 < Instalaci’on de un Sistema de Control Automatico de Procesos
3 - 30
3. Tarea 2 < Operación de un Sistema de Control Automatico de Procesos
31 - 63
4. Hoja de Trabajo 64 - 65 5. Medio Ambiente
66 - 67
6. Bibliografía
68
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
PRESENTACION El presente Manual de Aprendizaje corresponde al Modulo Formativo 0404-05-03 CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES. El Modulo Formativo CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES es de aplicación en la ocupación de Controlista de Máquinas y Procesos Industriales. El presente Manual está estructurado por las siguientes tareas 1.
Instalación de un Sistema de Control Automático de Procesos.
2.
Operación de un Sistema de Control Automático de Procesos.
También comprende la tecnología relacionada a aspectos de seguridad Medio ambiente y la bibliografía empleada.
Elaborado en la Zonal
:
Lambayeque Cajamarca Norte
Año
:
2004
Instructor
:
Jorge Villanueva Zapata
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
2
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
TAREA 1 INSTALACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
3
CONTROLADOR TRANSMISOR LOVE CONTROL
YES
NO 1
ACK
2
STOP FEED
3
4
5
6
7 ENTER
8
EXIT
LARM PRINT
DISP
PROG
FUNC
POWER ZERO
SPAN
LOVE
CONTROL CORP
SP 1
O O
F C
SV
INDEX SELF
TERMOCUPLA
PV
AL SP 2
TUNE
ENTER PLUS
MADE IN USA
CONTROLADOR ELEMENTO FINAL DE CONTROL
OPERACIONES
N°
RESISTENCIA CALEFACTORA
MATERIALES / INSTRUMENTOS
01
7 Instalar Elemento Elemento Primario
7 01 Transmisor
02
7 Instalar Transmisor
03
7 Instalar Registrador
04
7 Instalar Controlador
7 01 Sensor de Temperatura (RTD)
05
7 Instalar Elemento Final de Control
7 01 Proceso (Tanque con entrada y salida)
7 Identificar Proceso
7 Cables de Conexion
7 01 Registrador 7 01 Controlador
01
7 01 Regulador de Potencia (EFC)
01
PZA. CANT.
DENOMINACIÓN - NORMA / DIMENSIONES Instalación de un Sistema de Control Automático de Procesos
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
MATERIAL
HT
01
TIEMPO: ESCALA:
OBSERVACIONES REF. HOJA:
1/1
2004
4
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
OPERACIÓN : INSTALAR ELEMENTO PRIMARIO. Se emplea como elemento una RTD ( Resistencia dependiente de la Temperatura) elemento que sensa la temperatura como resultado del cambio en la resistencia que ocurre cuando cambia la temperatura. El platino es el material usado en la mayoría de RTD , es altamente resistivo a la contaminación y tiene una variación de resistencia dependiente de la variación de la temperatura. Los RTD tienen una gran precisión típicamente +- 0,10% de la lectura. Los RTD son usados en todo tipo de aplicaciones, pueden medir un gran rango de temperatura y son ofrecidos en una gran variedad de configuraciones. Paso 1 : Instalar el sensor en el tanque como muestra la figura
ALGUNOS SENSORES DE TEMPERATURA Fifura 1
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
5
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
VALVULA DE ENTRADA
SENSOR
VALVULA DE SALIDA
Figura 2
OPERACION: INSTALAR TRANSMISOR. Los transmisores aislan y retransmiten todos los tipos de señales de los procesos. La entrada puede ser termocuplas, RTD, voltaje ( 0 - 10 vdc ) y corriente ( 0 - 20 mA ) la salida puede ser seleccionada en corriente ( 9 - 20 mA ) o voltaje ( 0 - 10 vdc ). Paso 1 : Instalar Transmisor en el riel DIN como muestra en la figura 3
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
6
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
POWER ZERO
SPAN
Figura 3
Paso 2 : Conectar el RTD en los bornes del TRANSMISOR
A
C
B
A LOS BORNES DEL TRANSMISOR
3/16” OD Stainless Steel Tubing
Fiberglass Insulated Wire with Stainless Steel Overbraid
Lug Terminals
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7
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
OPERACION: INSTALAR REGISTRADOR. Los registradores son instrumentos que pueden leer, medir y grabar variables de un proceso. Los hay de diferentes tipos; pueden ser de Carta Circular, de Carta lineal o digital. Paso 1 : Conectar la salida de la RTD a la entrada del registrador. Este modelo es un registrador de carta lineal y recibe entre 4 y 15 entradas directas. Las entradas pueden ser de voltaje, corriente, termocuplas y RTD. Tiene un tiempo de escaneo de 250 ms para las 4 entradas y 125 ms si solo se usan dos entradas. Tiene un cabezal térmico de 9 puntos e imprime en 4 colores; rojo, verde, azul y violetra. Los datos se guardan en una memoria ECPROM y tiene una autonomía de 24 horas sin energía eléctrica.
LOVE CONTROL YES
NO 1
2
ACK
STOP FEED
3
4
5
6
7 ENTER
8
EXIT
LARM
PRINT
DISP
PROG
FUNC
Figura 4
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
8
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
OPERACION: INSTRALAR CONTROLADOR. Paso 1: Conectar la salida del transmisor a la entrada del controlador. Este es un controlador para realizar un control económico de una variedad de procesos como calefacción, ventilación, control de presión, flujo, humedad, movimiento, ó PH, trabajando juntos con un transmisor, todas las funciones son programadas desde el panel frontal, los tipos de entrada son seleccionables. Puede configurarse para diferentes modos de sintonía como manual, P, PI, PD, PID.
LOVE
CONTROL CORP
SP 1
PV
AL SP 2 O O
F C
SV
INDEX SELF
TUNE
ENTER PLUS
MADE IN USA
Figura 5 OPERACION: INSTALAR ELEMENTO FINAL DE CONTROL. Este elemento controlara la potencia aplicada al elemento calefactor. Paso 1: Conectar la salida del Controlador ( 4 - 20 mA ) a la entrada del regulador de Potencia ( 4 - 20 mA ).
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9
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Este control tiene una entrada estandart de 4 - 20 mA. El tiempo de ciclo es fácilmente ajustable de 1 a 10 segundos. Ofrece un buen control y reduce los armónicos en RFI ( Interferencias por radiofrecuencia).
Figura 6 Paso 2 : Conectar el calefactor a la Salida del Regulador de Potencia. OPERACION: IDENTIFICAR PROCESOS. Después de instalar los diferentes elementos hay que reconocer e identificar los elementos del proceso .
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
10
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
CONTROLADOR
TRANSMISOR LOVE CONTROL
YES
NO 1
ACK
2
STOP FEED
3
4
5
6
7 ENTER
8
EXIT
LARM PRINT
DISP
PROG
FUNC
POWER ZERO
SPAN
LOVE
CONTROL CORP
SP 1
PV
AL SP 2 O O
F C
SV
INDEX SELF
TUNE
ENTER PLUS
MADE IN USA
TERMOCUPLA ELEMENTO FINAL DE CONTROL
CONTROLADOR RESISTENCIA CALEFACTORA
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
11
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS
1
INTRODUCCIÓN La necesidad a dictado muchos de los avances en tecnología. En ningún otro campo esto es tan aparente como una disciplina llamada “instrumentación”, una palabra desconocida, hace algo mas de 50 años atrás. Durante este periodo, ha habido una evolución desde la fabricación de una serie de dispositivos, desarrollados para cubrir una necesidad especifica de medición y control, asta una ciencia, en donde las necesidades y la economía de plantas enteras, están basadas en estrategias de control y sistemas de instrumentación adecuados Los esfuerzos de muchos años de trabajo, han permitido que en la actualidad, se tenga la posibilidad de elegir entre varias opciones. La elección al final, debe considerar aspectos tan importantes como por ejemplo, para un proyecto relativamente grande: ! Análisis del grado de las necesidades de instrumentación y control ! Tipo de tecnología a aplicar con una proyección para el futuro, en caso de ampliación de la planta. ! Contar con personal calificado debidamente entrenado para el mantenimiento de los equipos. ! Tiempo de retorno de la inversión realizada. Al hablar de sistemas de control es necesario hacer una diferencia entre lo que es un sistema de mando y otro de regulación. El primero esta relacionado principalmente con procesos de manufactura, en los cuales, la repetición de secuencias es la características fundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantener constantemente el valor de una o mas variables, como sucede en un sistema realimentado.
Hagamos una breve reseña de como se ha desarrollado el control industrial, para tener una idea general de las posibilidades actuales: En principio todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador ( hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas ); la labor de este operador consistía en observar lo que esta sucediendo ( tal es el caso de un descenso en la temperatura )
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
12
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Y hacía algunos ajustes ( como abrir la válvula de vapor ), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte de este operador. Este lazo -proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso- se mantiene como un concepto básico en el control de procesos ( figura 1 )
SENSOR INDICADOR
PROCESO
INGRESO VAPOR AGUA CALIENT E SALIDA VAPOR
CONTROL MANUAL FUGURA 1 En el control manual sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará limitada por el número de variables que pueda manejar. Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar, en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar. En años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún más útiles asi como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
13
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo. El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático puede realizar simples cálculos basados en una señal de referencia ( set point ) y la variable del proceso y ajustar adecuadamente el elemento de control final. ( figura 2 )
SET POINT
CONTROLADOR- INDICADOR
OPERADOR
TRANSMISOR
ENTRADA VAPOR
X X X X
AGUA FRIA
X
AGUA CALIENTE
SALIDA VAPOR CONTROL AUTOMATICO Figura 2 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
14
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
La ventaja, está en que el operador puede controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radican en la lentitud de la respuesta del sistema de control a cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados ( pérdidas ). Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos es relativamente pequeña y ademas la recopilación de datos es aún no muy fácil de manejar. Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los controladores digitales, así como los controladores lógicos programables (PLC), además de sistemas especializados como por ejemplo las máquinas de control numérico computarizado ( CNC ). El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo ( DDC ), hasta el control distribuido actual. Con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc. Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos. Sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar (figura 3)
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
15
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
HOMBRE
SISTEMA AUTOMÁTICO
IMPRESIÓN SENSORIAL ( SENTIDOS )
INFORMACION ( SENSORES )
RACIOCINIO ( CEREBRO )
DE CISIÓN ( UNIDAD DE CONTROL )
ACCIÓN ( MANOS, VOZ )
ACCIÓN DE CONTROL. ( ELEMENTO FINAL DE CONTROL )
ANALOGICO HOMBRE - SISTEMA AUTOMATICO
Figura 3
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
16
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Con el fin de ver más claramente la relación de los componentes típicos de un sistema automático, veamos el diagrama mostrado en la figura 4
DISTURBIOS
VARIABLE MANIPULADA
PROCESO
VARIABLE CONTROLADA
SENSOR
E. F. C.
SET POINT SALIDA DE CONTROL
VARIABLE MEDIDA CONTROLADOR
TRANSMISOR
REGISTRADOR INDICADOR ALARMAS INTERLOCKS
DIAGRANA EN BLOQUES DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO figura 4
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Aqui, el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso. La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia ( set point ). El sensor, sensa el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función del instrumento en el sistema (registro, indicación, control o activación de alarmas ). En el caso del controlador que viene a ser el corazón del sistema, esta señal ( variable medida ) es comparada con el set point y la diferencia ( desviación ) sirve para el elemento final de control ( comúnmente una válvula ), para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia. Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo ( llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, el control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tectologías ( figura 1.5 ), vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática, como veremos más adelante.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
18
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
TECNOLOGÍAS
ELECTRO - NEUMÁTICA
MANDOS ELECTROMECÁNICOS
ELECTRO HIDRÁULICA
NEUMÁTICA
HIDRÁULICA
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
ELECTRÓNICA DIGITAL
PLC
SISTEMAS COMPUTARIZADOS
CNC
DIVERSAS TECNOLOGÍAS EN INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL figura 5
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
19
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
2
CONTROL AUTOMÁTICO Se entiende por control automático, el mantener estable una variable de proceso mediante un dispositivo, por lo general electrónico, cuyo valor deseado (Set Point) está almacenado en la memoria de éste y al recibir la señal de la variable controlada realiza los cálculos y estima la acción sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control. Este dispositivo electrónico es conocido como controlador de lazo simple o multilazo basado en C (Microcontrolador); PLC (Controlador Lógico Programable) y PC (Computadora Personal). Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control (figura 1) se tomará como ejemplo un proceso típico de intercambio de calor.
ENTRADA DE AGUA FRIA VALVULA SALIDA DE AGUA CALIENTE
BULBO
ENTRADA DE VAPOR
TERMOMETRO INDICADOR
INTERCAMBIADOR DE CALOR A SER CONTROLADO Figura 6
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
20
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; sería como se detalla en la figura 7.
ENTRADA DE AGUA FRÍA
SALIDA DE AGUA CALIENTE
ACCIÓN CORRECTORA
ENTRADA DE
COMPARA CONTROLADOR COMPUTA
LAZO DE CONTROL
REPRESENTACIÓN DEL CONTROL DEL INTERCAMBIADOR POR UNA PERSONA
Figura 7
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
21
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Analicemos el Sistema de Control Manual de la figura 7, donde el operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la válvula de vapor, y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicas del control manual realizado por un ser humano son: · · · ·
Medir Comparar Calcular Corregir
Luego los fundamentos de un Sistema De Control Automático deben de provenir de las funciones básicas del control manual realizadas por un ser humano. 2.1
ELEMENTOS DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO Un sistema de control automático se divide en cuatro grupos de instrumentos los cuales se presentan en la figura 8: · · · ·
Mediciones Primarias. Transmisión de Señales. Controladores Automáticos. Elementos de Control Final.
ELEMENTO DE CONTROL FINAL
PROCESO
MEDICION PRIMARIA
CONTROLADOR AUTOMATICO
ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL Figura 8
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
1.3.1.
MEDICIONES PRIMARIAS. (ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN) Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso, siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para transformar la variable medida en una señal eléctrica, los más usados en la industria son los de nivel, de presión, de temperatura, de flujo, de proximidad entre otros. También son conocidos con el nombre de detectores.
1.3.2
RANSMISIÓN DE SEÑALES. (TRANSMISORES) Los Transmisores captan la variable del proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. En muchos casos los transmisores tienen incorporados el elemento primario de medición Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o “set point” determinando el error y la acción de control. CONTROLADORES AUTOMÁTICOS (CONTROLADORES) Los Controladores son instrumentos que comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado o “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador, de acuerdo con la desviación. Los controladores pueden ser del tipo: neumático, electrónico, analógicos ó digitales; así como las computadoras con tarjetas de adquisición de datos y los PLC (Controladores Lógicos Programables). ELEMENTOS DE CONTROL FINAL (ACTUADORES) Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por función alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores como: motores, válvulas, relés, y swicthes. A continuación describiremos los actuadores más importantes:
2.2
TERMINOLOGIA DE CONTROL Dado el Diagrama en bloques de un sistema de control clásico se pueden observar
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
23
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Ingreso de Material Variable Manipulada
Agente de Control
Variable Controlada
ELEMENTO DE
ELEMENTO DE CONTROL PRIMARIO Señal de Corrección CONTROLADO R AUTOMATICO
Variable Medida
Punto de Control ( Set Point )
DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADO Figura 9
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
!PUNTO DE CONTROL (Set Point).- Señal que fija el valor de la Variable controlada a nivel de control deseado. !VARIABLE CONTROLADA.- Variable que es objeto de medición y control. !VARIABLE MANIPULADA.- Variable que afecta el valor de la variable controlada.
de medida o
!AGENTE DE CONTROL.- Señal requerida para operar al elemento de control de la variable manipulada, necesaria para mantener controlado a su valor deseado. !MEDIO CONTROLADO.- Es el proceso, energía o material el cual va a ser ajustado a un valor definido por el punto de control. !PROCESO.- Son funciones colectivas realizadas por equipos en las cuales una variable es controlada. PROCESO CONTINUO.- Cuando no existe flujo de material producido Sde una sección del proceso a otra. PROCESO DISCONTINUO.- Cuando el material está sujeto a tratos diferentes, conforme este fluye a través del proceso. !ERROR.- Diferencia entre el valor actual de la variable controlada y el punto de control. La señal de error cuando es registrada toma el nombre de - DESVIACIÓN (OFFSET). !REALIMENTACIÓN.- Señal o acción de control que luego de ser medida es comparada con el SET Point, para producir una señal de error utilizada para reducir este error, estabilizando la acción del sistema control automático. !INSTRUMENTOS PARA PROCESOS.- Instrumentos usados para medición
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
y control
25
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
DIAGRAMA DE BLOQUES 1.-
GENERALIDADES Para poder emplear correctamente los sistemas de control es preciso conocer el comportamiento de los distintos elementos que lo componen y saberlo avaluar correctamente para elegir el controlador más adecuado y para poder ajustar de la forma mas conveniente sus parámetros. Los distintos elementos de un sistema se representan en general mediante un rectángulo con dos flechas. Una de ellas indica la entrada y la otra la salida. Para determinar la respuesta de un elemento en lo que respecta al tiempo y a la amplitud, se aplican repetidas veces a su entrada señales fácilmente reproducibles y se evalúan las señales resultantes que aparecen en su salida. El comportamiento de un elemento no solo puede representarse mediante la curva correspondiente a la respuesta a un escalón, sino que también puede describirse matemáticamente mediante la “Respuesta de Frecuencia”. Los distintos elementos de un sistema se representan en general mediante un rectángulo con dos flechas. Una de ellas indica la entrada y la otra la salida. Para determinar la respuesta de un elemento en lo que respecta al tiempo y a la amplitud, se aplican repetidas veces a su entrada señales fácilmente reproducibles y se evalúan las señales resultantes que aparecen en su salida. La respuesta obtenida de esta forma se denomina Escalón, se obtiene en la salida la respuesta a un Escalón. El comportamiento de un elemento no solo puede representarse mediante la curva correspondiente a la respuesta a un escalón, sino que también puede describirse matemáticamente mediante la “Función de Transferencia” que también se denomina “Respuesto de Frecuencia”
2.-
FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA La función de transferencia (G) contiene la información para obtener la respuesta en régimen transitorio y en régimen permanente del sistema frente a cualquier variación a la entrada, los sistemas de control se calculan utilizando métodos en los que la variable primaria no es el tiempo, sino a la frecuencia. Sin embargo una vez
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
26
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
G
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Si en vez de un sistema de realimentación negativa, fuera un sistema de realimentación positiva, la función de transferencia fuese. G=
S = G1 . G2 R 1- H.G1.G2
Donde G1 y G2 son las funciones de transferencia de los, módulos del controlador y H la del lazo del realimentación. 2.1 Relaciones Básicas del Diagrama de Bloques
Sustractor
Básico R
C
G
R
E +
G= C R
Salidas Equivalentes C
C +
+
C E= R - C
Sumador Y
-
C
C
X
C=X + Y
C=C=C
Figura 13
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
28
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
DESPLAZAMIENTO HACIA ATRÁS DEL PUNTO DE CONEXIÓN DE SEÑALES
DESPLAZAMIENTO HACIA DELANTE DEL PUNTO DE CONEXIÓN DE SEÑALES
SIMPLIFICACIÓN DE CICLO BASICO DE RETROALIMENTACIÓN
SIMPLIFICACIÓN DE CICLO BASICO DE RETROALIMENTACIÓN
COMBINACIÓN DE BLOQUES EN PARALELO
COMBINACIÓN DE BLOQUES EN SERIE
PROCESOS
+
E
E
R
+
R
R
+
-
R
G
E
A
B
A
B
A
B
A
H
G
B
B
ANTES
Y
X
X
C
C
Y
+
+
C
C
E
G
E
R
R
R
R
G
B.G
A G
A 1-AB
G 1+GH
A+B
A.B
Y
X
Y
X
C
C
C
C
DESPUES
2.2 SIMPLIFICACION DE DIAGRAMAS DE BLOQUES
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Figura 14
29
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Ejemplo SIMPLIFICAR EL SISTEMA DADO: E
A
R +
-
Y
G
B
C
+
-
H 1 G
A -
E
R
G
+
Y
B
C
+
-
H A G
G 1+GH
Y
R
G 1+GH
Y
R
G 1+GH
R
R
-
B
+
B- A G
BG - A G
GB - A 1+GH
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
C
C
C
C
30
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
TAREA 2 OPERACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
31
220 V
CONTROLADOR LOVE CONTROL
YES
NO 1
ACK
2
STOP FEED
3
4
5
6
8
7 ENTER
EXIT
PROG
FUNC
LARM PRINT
DISP
POWER ZERO
SPAN
TRANSMISOR
LOVE
CONTROL CORP
SP 1
O O
F C
SV
INDEX SELF
TUNE
TERMOCUPLA
PV
AL SP 2
ENTER PLUS
MADE IN USA
ELEMENTO FINAL DE CONTROL
CONTROLADOR RESISTENCIA CALEFACTORA
01
7 Identificar Sistema de Control de Proceso
02
7 Operar sistema de Control de Proceso
03
7 Verificar funcionamiento
01
MATERIALES / INSTRUMENTOS
OPERACIONES
N°
7 7 7 7 7 7
01 transmisor 01 Registrador 01 Controlador 01 Regulador de Potencia (EFC) 01 Sensor de Temperatura (RTD) 01 Proceso (Tanque con Entrada y Salida) 7 Llave Electromagnenica monofasica 7 Cables de conexion
01
PZA. CANT.
DENOMINACIÓN - NORMA / DIMENSIONES OPERACION DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
MATERIAL
HT
02
TIEMPO: ESCALA:
OBSERVACIONES REF. HOJA:
1/1
2004
32
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
OPERACION: IDENTIFICAR SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO El participante identificara y nombrara cada elemento del Sistema de Control de Procesos. Paso 1 :
Identificar elementos
YES
NO 1
2
STOP FEED
3
8
2
LOVE CONTROL
ACK
4
5
6
7 ENTER
8
EXIT
LARM PRINT
POWER ZERO
DISP
PROG
FUNC
3
SPAN
7
9 LOVE
CONTROL CORP
SP 1
O O
F C
SV
INDEX SELF
TUNE
1
PV
AL SP 2
4 5
ENTER PLUS
MADE IN USA
6
Paso 2 : Anotar los elementos del Sistema. 1 2 3 4 5 6
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
33
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
7 8 9
OPERACION: OPERAR SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO. En esta operacion se dara energia a los elementos instalados en el sistema de control y se probara funcionamiento. Paso 1 : Energizar el Sistema de Control. Paso 2 : Programar el Controlador para un control proporcional con I = 0, =0
D
Paso 3 : Ajustar el Set point en 60º C
OPERACION: VERIFICAR FUNCIONAMIENTO. Paso 1 : Observar y anotar el tiempo que demora el proceso en llegar a 60ºC Paso 2 :
Graficar la curva de respuesta de respuesta del proceso y verificar su funcionamiento.
Paso 3 :
Aumentar el nivel de agua y verificar que el sistema que el Sistema funciona.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
34
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
DOCUMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. (IDENTIFICACIÓN Y SIMBOLOGÍA DE INSTRUMENTOS) Todos los diagramas de control de procesos están compuestos de símbolos,identificaciones y líneas, para la representación gráfica de ideas, conceptos y aparatos involucrados en el proceso; a su vez, describen las funciones a desempeñar y las interconexiones entre ellos. Estos símbolos e identificaciones son usados para ayudar a atender el proceso y proporcionar información acerca del mismo. En el área de medición y control se usa un conjunto estándar de símbolos para preparar esquemas de los sistemas de control de procesos. Los símbolos usados en estos diagramas están generalmente basados en los estándares ISA (Sociedad de Instrumentos de América) y ANSI (Instituto de Estándares Americano) El simbolismo e identificación pueden representar dispositivos de máquinas y funciones, el grado de detalle de las representaciones depende del uso de los símbolos, pueden ser extremadamente simples o complejos. El símbolo y la identificación son herramientas gráficas utilizadas para lograr captar una imagen gráfica, usadas frecuentemente como un medio electrónico para clasificar documentos y mostrar la forma de instrumentar y controlar un proceso. Al realizar una representación documentada se debe presentar conceptos generales, dibujos más detallados, especificaciones narrativas, esquemas y otros necesarios, para cumplir con los objetivos de las herramientas de comunicación estandarizados según las normas Internacionales de la “Instrumental Society of America” (ISA). .
Finalmente el uso de estos símbolos de identificación debe servir para comunicar conceptos de las formas más sencilla, clara y exactamente posible.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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1
SIMBOLISMO El simbolismo es un proceso abstracto en el cual las características salientes de los dispositivos o funciones son representados de forma simple por figuras geométricas como círculos, rombos, triángulos y otros para escribir caracteres como letras y números identificando la ubicación y el tipo de instrumento a ser utilizado. Entre los símbolos más empleados tenemos:
FIGURAS GEOMÉTRICAS
1.1
Las figuras geométricas son usadas para representar funciones de medición y control en el proceso, así como dispositivos y sistemas; para la cual se utilizan:
·
CÍRCULOS El Círculo se usa para indicar la presencia de un instrumento y como elemento descriptor; como símbolo de un instrumento representa, el concepto de un dispositivo o función. En la figura 15, se muestra un dispositivo indicador de Presión (PI):
PI 1
CIRCULO COMO INSTRUMENTO Figura 15
Como elemento descriptor es usado para proporcionar información acerca de otro símbolo. En la figura 16, se muestra una válvula para el control de Flujo (FV):
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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FV 2
CIRCUITO COMO IDENTIFICADOR Figura 16
La diferencia entre ambos usos está en la inclinación de la línea saliente del círculo y en el trazo incompleto para el caso del descriptor. El elemento descriptor suele llevar además un código proporcionando información adicional sobre el tipo de instrumento y el tipo de variable medida. La localización del instrumento en la planta se indica dibujando:
A.
“Ninguna” línea para instrumentos montados en planta (o campo ) PI 1
INSTRUMENTO EN EL CAMPO Figura 17
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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B.
Una línea sólida dividiendo el círculo para instrumentos montados en paneles de salas de control ( de fácil acceso para el operador )
INSTRUMENTO MONTADO EN PANEL Figura 18 C.
Una línea entrecortada dividiendo el círculo para instrumentos montados detrás de paneles o gabinetes (de fácil acceso para el operador).
FY
INSTRUMENTO MONTADO DETRÁS DEL PANEL Figura 19 D.
Una línea sólida doble dividiendo el círculo para instrumentos montados en paneles auxiliares o secundarios.
PI 1
INSTRUMENTO MONTADO EN PANEL AUXILIAR Figura 20
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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E.
Líneas entrecortadas dobles dividiendo el círculo para instrumentos montados detrás de paneles secundarios.
FY
4
INSTRUMENTO MONTADO DETRÁS DE PANEL AUXILIAR Figura 21 En el caso de tener demasiados paneles, dificultando la interpretación de “panel principal” o “panel secundario” se puede usar combinaciones de letras distinguiendo los paneles unos de otros: P1, P2,.(paneles); RI,(soportes). Sin embargo, sea cual sea el sistema de descripción usado, se debe indicar en la leyenda del diagrama.
P3
P2
P1 TIC
WIC
SIC
1
1
1
DESIGNADORES DE POSICIÓN Figura 22
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
CUADRADOS PEQUEÑOS Uno de los primeros usos de los cuadrados pequeños es la representación de actuadores del tipo solenoide, en este uso se prefiere dibujar el cuadrado con una letra S inscrita en él.
S
REPRESENTACIÓN DE UN ACTUADOR DE SELENOIDE Figura 23 Los cuadrados pequeños son también usados para representar actuadores de pistón dibujando para esto una pequeña T representando el pistón y líneas simples y dobles para pistones de simple y doble acción respectivamente.
REPRESENTACIÓN DE UN ACTUADOR DE PISTÓN Figura 24
REPRESENTACIÓN DE UN ACTUADOR DE PISTÓN DE DOBLE ACCIÓN figura 25 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Otros actuadores, se pueden representar inscribiendo un cuadrado con la combinación E/H para indicar actuadores electrohidráulicos o con una X para representar actuadores no clasificados.
REPRESENTACIÓN DE UN ACTUADOR ELECTROHIDRÁULICO Figura 26
X
REPRESENTACIÓN DE UN ACTUADOR NO CONVENCIONAL Figura 27 El cuadrado pequeño puede representar también un posicionador dibujándose al lado del cuerpo de la válvula.
REPRESENTACIÓN DE UN POSICIONADOR PARA VÁLVULA Figura 28 CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Uno de los más recientes usos para los cuadrados es la representación de bloques de funciones o como indicador de función.
FY 5
INDICADOR DE FUNCIÓN Figura 29
CUADRADOS GRANDES Con la llegada del control compartido y visualizadores o pantallas mostrando datos de diversos lazos, se requería poder distinguir instrumentos independientes y aquellos cuyos componentes se encuentran repartidos en diversos gabinetes no pudiendo reconocérseles como localizados en un sólo lugar. La solución se encontró usando un cuadrado alrededor del símbolo del instrumento. Esto indica la función cumplida por varios elementos no localizados en un sólo gabinete.
SIMBOLISMO DE CONTROL COMPARTIDO Figura 30
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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PIC
SIMBOLISMO DE FUNCIÓN COMPARTIDA Figura 21 2.-
SIMBOLISMO DE SEÑALES Las líneas de unión para envío de señales o conexiones de los sistemas de control también deben ser presentadas más finas en relación a tuberías de proceso, tal como se muestra en el cuadro 1.
Conexión de proceso o suministro Señal Neumática O
Señal Eléctrica Tubo Capilar
Línea Mecánica Señal electromagnética o de Sonido Señal Hidráhulica El símbolo de señal neumática es usado de esta forma cuando se Trata de aire
AS ES GS HS NS SS
Aire suministrado Suministro eléctrico Suministro de gas Suministro Hidráulico Suministro de Nitrógeno Suministro de vapor
Fuente Instrumental Society of America (ISA) Cuadro 1.- Líneas de Señales
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
3.
SIMBOLISMO DE FUNCIONES El simbolismo utilizado para determinar las funciones de cada instrumento se presentan a continuación en el cuadro 2
.
1
SUMATORIA
2
PROMEDIO
3
DIFERENCIA
4
PROPORCIONA L
5
INTEGRAL
6
DERIVADA
7
MULTIPLICACI ÓN
8
DIVISIÓN
9
EXTRACCIÓN DE RAÍZ
SÍMBOLO
Nº 11
n
12
FUNCIÓN
SIMBOLO
FUNCIÓN NO LINEAL FUNCIÓN TIEMPO
f(x) f(t)
13
MAYOR
>
14
MENOR
15
LIMITE ALTO
>
d/dt
16
LIMITE BAJO
X
17
K 1:1 2:1
18
n
19
>
FUNCIÓN
>
Nº
PROPORCION AL REVERSIBLE LIMITE DE VELOCIDAD
-k
*/ *
CONVERSIÓN **H
10
EXPONENCIAL
Xn
20
SEÑAL DEL MONITOR
**L
**HL
FUENTE: Instrumental Society of America ( ISA)
Cuadro 2 .- Bloque de Funciones.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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4.-
SIMBOLISMO DE INSTRUMENTOS La representación de los instrumentos como sensores y controladores se muestran en el cuadro 3.
LOCALIZACIÓN PRIMARIA NORMALMENTE ACCESIBLE PARA EL PROGRAMADOR
MONTADO EN CAMPO
LOCALIZACIÓN AUIXILIAR NORMALMENTE ACCESIBLE PARA EL OPERADOR
INSTRUMENTOS DISCRETOS CONTROL MECANICO FUNCION DE COMPUTADOR CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE
Fuente: Instrumental Society of America ( ISA ) Cuadro 3.- Representación de los Instrumentos
5.-
IDENTIFICACIÓN DE ELEMENTOS La identificación de los símbolos y elementos debe ser alfa numérica, los números representan la ubicación y establecen el lazo de identidad, y la codificación alfabética identifica al instrumento y a las acciones a realizar, ver figura 32.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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Primera Letra (A - Z) Instrumento de Medida
Letras Sucesivas (A - Z) Funciones pasivas de salida y las posibles modificaciones
a a a a
# # #
Ubicación o posición del Elemento (0 - 9)
REPRESENTACIÓN ALFA-NUMÉRICA
LETRAS DE IDENTIFICACIÓN PARA INSTRUMENTOS Cada instrumento se identifica mediante un sistema de letras, clasificadas en cuanto a la función, como se vera en el siguiente cuadro 4.
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LETRA
PRIMERA LETRA VARIABLE MEDIDA
4A
Análisis (composición)
B
Combustión
C
Conductividad, Concentración
D
Densidad, Peso Especifico
E
Voltaje
F
Flujo
MODIFICADO
LETRA SUCESIVA FUNCIONES PASIVAS Ó FUNCIONES DE MODIFICADAS LECTURAS DE SALIDA SALIDA Alarma, incluye Inter-loook y Emergencia Regulación (ON – OFF)
Control
Diferencial Sensor Fracción
G
Dispositivo de visión
H
Mano (acción manual)
I
Corriente Eléctrica
K
Tiempo
L
Nivel
M
Humedad
N
Alarma de alta Indicación (indicador) Razón del cambio de tiempo
Luz
Alarma de baja Intermedio ó Medio
Libre a elección
O
Libre a elección Oroficio, restricción
P
Presión
Punto de prueba ó conexión
Q
Cantidad
R
Radiación
S
Velocidad, Frecuencia
T
Temperatura
Transmisor
U
Multivariable
Multifunción
W
Peso (fuerza)
Pozo
V
Vibración o Análisis Mecánico
X
Libre a elección
Eje X
Y
Evento, Estado, Presencia
Eje Y
Réle, Computadora
Z
Posición, Dimensionamiento
Eje Z
Actuador, Manejador
Integrado, Totalizado Registro Seguridad
Interruptor
Multifunción
Multifunción
Valvula Libre a elección
Libre a elección
Libre a elección
FUENTE:Instrumental Society of America (ISA)
CUADRO 4 Letras para identificación de instrumentos
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2. COMBINACIONES POSIBLES DE LETRAS PARA IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS Priemra Letra
Variables Medidas
A B C D E F FQ FF G H I J K K M N O P PD Q R S T
Análisis Combustión Conductividad Densidad Voltaje Flujo Cantidad de flujo Flujo Promedio Corriente Eléctrica Tiempo Nivel
Dispositivos de salida
Controladores
ARC BRC
AIC BIC
AC BC
ERC FRC FQRC FFRC
EIC FIC FFIC FFIC
EC FC
IRC JRC KRC LRC
HIC IIC JIC KIC LIC
FCV
FFC
Interruptores y Dispositivos de Transmisión de Alarmas Solenoides, Elementos
KCV LCV
PC PDC
PCV PDCV
RC SC TDC
SCV TDCV
primarios
AT BT
AY BY
AE BE
EIT FIT FQIT
ET FT FQT
EY FY FQY
EE FE FQE
IRT JRT KRT LRT
IIT JIT KIT LIT
IT JT KT LT
IY JY KY LY
IE JE KE LE
PRT PDRT QRT RRT SRT TRT
PIT PDIT QIT RIT SIT TIT
PT PDT QT RT ST TT
PY PDY QY RY SY TY
PE PDE QE RE SE TE
TDRT
TDIT
TDT
TDY
TDE
Indicadores
Registros
AR BR
AI BI
ASH BSH
ASL BSL
ASHL BSHL
ART BRT
AIT BIT
ER FR FQR FFR
EI FI FQI FFI
ESH FSH FQSH FFSH
ESL FSL FQSL FFSL
ESHL FSHL
ERT FRT
IR JR KR LR
II JI KI LI
ISH JSH KSH LSH
ISL JSL KSL LSL
HS ISHL JSHL KSHL LSHL
PR PDR QR RR SR TR
PI PDI QI RI SI TI
PSH PDSH QSH RSH SSH TSH
PSL PDSL QSL RSL SSL TSL
TDR
TDI
TDSH
TDSL
HC
KC LC
Réles
Registros
Indicadores
Punto de muestreo AP
FP
Humedad
Presión PRC PIC Presión Diferencial PDRC PDIC Cantidad QRC QIC Radiación RRC RIC Velocidad SRC SIC Frecuencia TDRC TDIC Temperatura TD diferencial U Multivariable Vibración ó Análisis V Mecánico W Peso WRC WIC WD Peso Diferencial WDRC WDIC Evento, Estado Y YIC Presencia Posición Z ZRC ZCI Dimensionamiento ZD Posición ZDRC ZDIC Fuente: Instrumental Society of america (ISA)
WC WDC
WCV WDCV
YC
PSHL QSHL RSHL SSHL TSHL
VR
VI
VSH
VSL
VSHL
VRT
VIT
VT
VY
VE
WR WDR
WI WDI
WSH WDSH
WSL WDSL
WSHL
WRT WDRT
WIT WDIT
WT WDT
WY WDY
WE WDE YE
YR
YI
YSH
YSL
YSHL
YRT
YIT
YT
YY
ZC
ZCV
ZR
ZI
ZSH
ZSL
ZSHL
ZRT
ZIT
ZT
ZY
ZE
ZDC
ZDCV
ZDR
ZDI
ZDSH
ZDSL
ZDRT
ZDIT
ZDT
ZDY
ZDE
PP PDP QP TP TDP
Cuadro 5 Combinaciones de letras para identificar instrumentos
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
6.-
DIAGRAMA DE FLUJO Los diagramas de flujo detallan las acciones multidisciplinarias mostradas durante las operaciones unitarias, del proceso y de ingeniería.
6.1
DIAGRAMA DE PROCESOS O EQUIPOS UTILIZADOS EN SISTEMAS DE CONTROL DE FLUJO, NIVEL, PRESIÓN Y TEMPERATURA A continuación se muestra los principales equipos y la forma de representarse:
Columna de
Columna empacada Para destilación
REPRESENTACION DE EQUIPOS Figura 33.a
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Secador de
Secador de faja
Secador rotatorio
REPRESENTACION DE EQUIPOS Figura 33.b
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Secador Rotatorio
Extractor centrífugo ( líquido/líquido )
Evaporador Convección natural
Evaporador Circular, fuerza
REPRESENTACION DE EQUIPOS Figura 33.c
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Evaporador Efecto múltiple
Vibrador, protegido
Hidroprotector
REPRESENTACION DE EQUIPOS Figura 33.d
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Precipitador
Filtro, rotatorio
Molino de bolas
Filtro de bolas
REPRESENTACION DE EQUIPOS Figura 33.e
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Labador
Molino de rodillos
Filtro prensa
Tanque
REPRESENTACION DE EQUIPOS
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Molino
Molino de discos
Ciclón
Secador discontínuo
REPRESENTACIÓN DE EQUIPOS Figura 33.g
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
6.2.-
DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN
PDC 401
TIC 301
TT
TT
301
301
Producto TV
301
14”
Vapor I/P
L LT H 201
FY
101
TV 301
LT 201
Producto
I/P
PY 401 LAH
201
FIC 101
PDI
401
FT 101
Leyenda: FT FIC FY LAH LT I/P PY PDI PDC TT TV TIC
Transmisor de flujo Controlador Indicador de flujo ´Relé de flujo Nivel con Alarma de Alta Transmisor de Nivel Corriente/Neumático Relé de Presión Indicador Presión Diferencial Controlador Presión Diferencial Transmisor de Temperatura Válvula de Temperatura. Controlador Indicador de Temperatura Señal Capilar Señal Eléctrica Señal Neumática
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS PROCESOS El proceso consiste en un sistema que ha sido desarrollado para llevar a cabo un objetivo determinado: tratamiento de material mediante una serie de operaciones específicas destinadas a llevar a cabo su transformación. Los procesos presentan dos características que deben tomarse en cuenta antes de ser automatizados. Los cambios en la variable controlada debido a alteraciones en las condiciones del procesos y llamados generalmente cambios de carga. El tiempo necesario para que la variable del proceso alcance un nuevo valor al ocurrir un cambio de carga. Este retardo se debe a una o varias propiedades del proceso: Capacitancia, resistencia y tiempo de transporte. 1.-
CAMBIOS DE CARGA Es la cantidad de energía o material (fluido o agente de control) que el proceso requiere en cualquier momento para mantener la variable medida al nivel deseado. En el intercambiador de calor figura 35, cuando el agua fría circula con un determinado caudal y la salida de agua caliente debe estar a una temperatura dada, es necesaria una determinada cantidad de vapor. En estas condiciones, un aumento en el caudal de agua da lugar al consumo de más cantidad de vapor y constituye por tanto un cambio en la carga del proceso. Por otro lado, un aumento en la temperatura de entrada del agua fría, precisa una menor cantidad de vapor y es también un cambio de carga. En general los cambios de carga del proceso son debidos a las siguientes causas: A
Mayor o menor demanda del fluido de control por el medio controlado. En el ejemplo del intercambiador de calor de la figura 35, un aumento en el caudal de agua o una disminución en su temperatura da lugar a un cambio de carga porque requiere el consumo de más cantidad de vapor.
B.
Variaciones en la calidad del fluido de control. Una disminución de presión en el vapor del ejemplo de la figura 35, da lugar a un aumento del caudal en volumen del vapor para mantener la misma temperatura controlada, ya que las calorías cedidas por el vapor al condensarse disminuyen al bajar la presión.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
C.
Cambios en las condiciones ambientales; son muy claros en el caso de instalaciones al aire libre donde las pérdidas de calor por radiación varían mucho según la estación del año, la hora del día y el tiempo.
D.
Calor generado o absorbido por la reacción química del proceso. Se presenta un cambio de carga porque el proceso necesita una menor o una mayor cantidad del agente de control.
TRC
AGUA FRÍA
TT
VAPOR
AGUA CALIENTE
CONDENSADO
INTERCAMBIADOR DE CALOR Figura 35
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Los cambios de carga en el proceso alimentación y en la demanda
pueden producir perturbaciones en la
Las perturbaciones en la alimentación consisten en un cambio en la energía o en los materiales de entrada en el proceso. Por ejemplo, las variaciones en la presión de vapor o en la apertura de la válvula de vapor son perturbaciones en la alimentación del proceso. Las perturbaciones en la demanda consisten en un cambio en la salida de energía o de material del proceso. Los cambios en la temperatura del agua fría y la variaciones en el caudal de agua pertenecen a este tipo. 2.-
CAPACITANCIA Es la cantidad de energía o material (fluido o agente de control) que el proceso requiere en cualquier momento para mantener la variable controlada. No debe confundirse con capacidad del proceso que representa simplemente las características propias de almacenar energía o material. Por ejemplo, los dos depósitos de la figuras a tiene la misma capacidad de 100 m3, pero tienen distinta capacitancia por unidad de nivel: 12,5 m3/m, nivel el mas alto y 25 m3/m, nivel el mas bajo. 4m
5,64 m = 4 2
Capacidad = .4.8 = 100m3 Capacitancia = 100/8 = 12,5 m3/m
Capacidad = .8.4 = 100m3 Capacitancia = 100/4 = 25 m3/m
CAPACITANCIA CON RELACIÓN A CAPACIDAD Figura 36
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CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
En un proceso, una capacitancia relativamente grande es favorable para mantener constante la variable controlada a pesar de los cambios de carga que puedan presentarse. sin embargo, esta misma característica hace que sea más difícil cambiar la variable a un nuevo valor que toma la variable controlada. En las siguientes figuras pueden verse dos procesos con dos capacitancias térmicas, una grande y la otra limitada, respectivamente.
Entrada Líquido
Vapor
Salida Líquido
CAPACITANCIA TÉRMICA GRANDE Figura 37.a
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
60
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
Entrada Líquido
Vapor
Salida Líquido
CAPACIDAD TÉRMICA LIMITADA Figura 37.b
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
61
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
3.-
RESISTENCIAS Es la oposición total o parcial de la transferencia de energía o de material entre dos capacitancias. En la siguiente figura las capacitancias son el serpentín de vapor y el tanque, y su resistencia se manifiesta porque las paredes de los tubos del serpentín de vapor y las capas aislantes de vapor y de agua que se encuentran a ambos lados de los mismos, se oponen a la transferencia de energía calorífica entre el vapor del interior de los tubos y el agua que se encuentra en el exterior.
Agua Fría
Agua caliente
B
Resistencia a la Transferencia de calor de las paredes, tubos...
A
Vapor
3m 10 m
Capacitancia Tubos
Capacitancia Tanque
CAPACITANCIA, RESISTENCIA Y TIEMPO DE TRANSPORTE Figura 38
4.-
TIEMPO DE TRANSPORTE En el intercambiador de calor de la figura 35, si disminuye la temperatura del agua de entrada, pasará cierto tiempo hasta que el agua más fría pueda circular a través del tanque y alcance la sonda termométrica. Hay que hacer notar que durante el tiempo de transporte, la sonda termométrica no capta ningún cambio en la temperatura. El valor del tiempo de retardo depende a la vez de la velocidad de transporte y de la distancia de transporte. En la figura anterior si el agua circula con una velocidad de un metro por segundo, con el bulbo a tres metros del tanque, el tiempo de transporte es de 3 seg. Si el bulbo está en el punto B, a 10 m del tanque, el tiempo será de 10 seg. Pero si la velocidad del agua es de 0,5m/s el tiempo es de 6 y 20 seg. Respectivamente.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
62
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
El tiempo de transporte retarda la reacción del proceso, existiendo un tiempo muerto durante el cual el controlador no actúa ya que para iniciar una acción de corrección debe presentársele primero una desviación.
EFECTO DEL TIEMPO DE TRANSPORTE Figura 39
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
63
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
HOJA DE TRABAJO 1
La característica principal de un sistema de control de procesos que utiliza un controlador solo proporcional es: A) Excesiva oscilación B) Presencia de offset C) Cancelación del offset D) Variación constante del set-point E) Oscilaciones en la válvula de control
2
Durante el proceso de sintonía de un controlador en lazo cerrado, la última banda proporcional originaría: A) Respuesta brusca e instantánea B) Respuesta estable al valor del set point C) Oscilación sostenida D) Cambio del set-point E) Corrección rápida de los errores
3
El instrumento que convierte un rango de unidades de ingeniería en un rango estandarizado de unidades de corriente o presión se denomina A) Convertidor B) Transductor C) Transmisor D) Conversor E) N.A.
4
La acción derivativa del controlador actúa en el proceso para: A) Eliminar ruidos en procesos con cambios de carga lentos B) Eliminar el offset en procesos con cambios rápidos C) Aumentar la ganancia por acción proporcional D) Eliminar ciclos de recuperación después de la perturbación E) Aumentar la banda proporcional al producirse un error
5
En un proceso con grandes cambios de carga y cambios de carga rápidos ¿quÉ tipos de controlador es recomendable desde el punto de vista de seguridad y economia? A) On/off B) PI C) PD D) Proporcional E) PID
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
64
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
6
Para cancelar el offset en un sistema de control, en el controlador se debe realizar el ajuste necesario de la: A) Banda proporcional B) Acción Derivativa C) Acción integratíva D) Ganancia E) N.A.
7
La variable controlada corresponde a la salida del: A) Transmisor B) Controlador C) Proceso D) Elemento final de control E) Elemento primario de control
8
La definición: “dispositivo que corresponde a la acción de control para realizar un cambio en la variable medida”, corresponde a: A) Controlador B) Posicionador C) Transmisor D) Comparador E) Elemento final de control
9
La característica principal de un sistema de control de procesos que utiliza un controlador solo proporcional es: A) Presencia de offset B) Excesiva oscilación C) Tiempo de retardo grande D) Variación constante del set-point E) Oscilaciónes en la válvula de control
10 Para cancelar el offset en un sistema de control , en el controlador se debe realizar el ajuste necesario de la: A) Banda proporcional B) Acción Derivativa C) Acción Integrativa D) Ganancia E) N.A.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
65
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
MIRANDO HACIA EL FUTURO Durante todo el desarrollo de esta materia de Ciencias Naturales, examinando a grandes rasgos "el ambiente en que vivimos", un sin numero de ideas, de conceptos, de problemas y soluciones han desfilado ante tu vista y muchos de ellos han quedado grabados para siempre en tu mente. Sin embargo no basta esto, esos problemas y esas soluciones, ese saber debe ser parte de tu vida, debe ser algo de tu propia existencia. La grandeza del Perú está en su juventud, que mañana será la llamada a realizar aquellos ideales que las generaciones pasadas no pudieron o no quisieron realizar. Tú eres joven, eres el hombre que mañana tendrá en sus manos la solución a tantos problemas que has conocido en este curso. Es por esto, que la final del libro deseo señalar algunas ideas, ya tantas veces repetidas a través de él, pero que deben ser la conclusión final del mismo. Esas ideas no deben borrarse jamás de tu mente y deben ser guía de tu vida ideal para alcanzar. 1. El ambiente en que vivimos Somos parte del medio ambiente y sin él no podemos subsistir, compartimos la biosfera con las plantas y los animales, en su interesante y complicada variedad. El medio ambiente nos brinda los recursos naturales, los agotables y los renovables. Estos recursos son la fuente de los productos que utilizamos para satisfacer nuestras necesidades básicas. El suelo, el agua, el aire, la vegetación, y la fauna son recursos renovables, que si los utilizamos adecuadamente, no se podrán destruir ni agotar. El clima, expresado en la interacción del aire, de la humedad, de la temperatura y de la energía solar es uno de los factores más importantes del ambiente. 2. Interacciones en el ambiente en que vivimos Todos los seres vivos dependen tanto del ambiente como los unos de los otros. Cada ser vivo, por más insignificante y minúsculo que sea, es importante dentro del equilibrio natural. El hombre no tiene derecho a techar a plantas y animales como a "enemigos", porque la función que tienen dentro del equilibrio natural es necesaria e imprescindible. Si algunos le causan daño directa o indirectamente, casi siempre se debe a que él ha alterado en alguna forma ese equilibrio. Las plantas y los animales forman comunidades en estrecha interdependencia de producción y de alimentación. El Perú tiene zonas muy interesantes donde existen plantas y animales característicos. Ellas son: el mar, el desierto, el bosque seco del noroeste. CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
66
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
3. Conservación del ambiente en que vivimos La conservación es utilizar sin destruir, respetando el equilibrio natural. Es un deber del Estado y de cada peruano, porque los recursos son patrimonio común. Conservar el suelo, evitando la erosión, es la base de la producción de alimentos. Sin suelos fértiles, y con suelos erosionados hay hambre. La vegetación como los pastos, bosques y malezas se debe manejar en forma adecuada. Sin la cobertura de las plantas no hay suelos estables y fértiles, no hay agua suficiente y no hay fauna silvestre. Los animales silvestres son parte del ambiente y nos brindan productos alimenticios e industriales. Todos debemos cooperar en evitar su extinción. La vicuña es la especie más prometedora de los Andes y el futuro de nuestros campesinos de la puna depende en gran parte de ella. El hombre, a pesar de ser inteligente, causa enormes daños al medio ambiente, contaminando las aguas, los suelos y el aire. Si no corrige estos errores, se destruirá a sí mismo. Como joven debes esforzarte en comprender la realidad y diversidad ecológica de tu patria, a fin de contribuir a su desarrollo armonioso, conservando los recursos.
CONTROLISTA DE MAQUINAS Y PROCESOS INDUSTRIALES
67
CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
BIBLIOGRAFÍA
Tópicos de Automotización y Control
Ing. Raymundo Carranza Noriega
Ingeniería de la Automatización Industrial
Ramón Piedrafita Moreno
Instrumentación Industrial
TECSUP
DGLP
68
PROPIEDAD INTELECTUAL DEL SENATI PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN Y VENTA SIN LA AUTORIZACIÓN CORRESPONDIENTE
CÓDIGO DE MATERIAL 0314
EDICIÓN SETIEMBRE 2004
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