(IMP#3) Instrumentación y Control

 

 

INSTRUMENTACIÓN ENTACIÓN Y CONTR CONTROL OL.. 3. INSTRUM

 

 

Instrumentación y control

PEMEX REFINACIÓN Proyecto: Cuadros de d e Re Reemplazo emplazo Ing. Quí Químico micoss

Líder de proyecto proyecto:: Ing. René Soltero Sáenz

Especialista: Ing. Manuel Méndez Zúñiga Ing. Marco Antonio Rendón Sosa Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Gloria Isela Lugo Trejo Ing. Alberto Carrasco Rueda Ing. Carlos A. Medina Maldonado Ing. David Jacobo Balbuena Ing. Tirso M. Policarpo Morales

Copyright © 2009 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO

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Contenido 3  INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL. ...................... ................................................ ................................................ ...................... 3-5  OBJETIVO INSTRUCCIONAL....................... INSTRUCCIONAL..................................... ........................... ........................... ........................... ........................... ................. ...3-5 3-5  INTRODUCCIÓN. ............ .......................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ........................... ...................3-7 ......3-7   3.1  ANTECEDENTES DEL CONTROL AUTOMÁTICO. .............. ........................... .......................... ........................3-9 ...........3-9  3.2  SISTEMAS DE CONTROL. .......................... ........................................ ........................... ........................... ........................... ....................3-12 .......3-12   3.2.1  3.2.2  3.2.3  3.2.4 

Generalidades de sistemas de control. Generalidades control. .................. ........................... ................... ................... ................... ................... .............. ..... 3-12  Clasificaciónn de los sistemas de control.......... Clasificació control. .................. .................. ................... ................... .................. ................... ............. ... 3-13  Circuito básico de control automático. automático......... .................. ................... ................... ................... ................... ................... ................ ....... 3-13  Retroalimentación Retroali mentación.. ................... ............................ ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... .................. ........ 3-14 

3.3  DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO DE CONTROL AUTOMÁTICO. ............ .......................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ ..........................3-14 ............3-14  3.3.1  3.3.2  3.3.3  3.3.4 

Proceso..................................... Proceso........................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................. ........ 3-14  Elementoss primarios Elemento primarios de medición................. medición........................... ................... ................... ................... ................... ................... .............. ..... 3-15  Transmisores. Transmiso res. .................. ............................ ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................ ....... 3-15  Controladores.................... Controladores... .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ....................... ...... 3-19 

3.3.5 Posicionadores.. .................................. .................................. ................................. ................................. ....................... ...... 3-28 3.3.6  Posicionadores.................. Elemento final de................................. control. ................... ......... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... ................ ....... 3-30 

3.4  TIPOS DE CONTROL. CONTROL.............. .......................... ........................... ............................ ........................... ........................... ........................... ............... 3-31  3.4.1  3.4.2  3.4.3  3.4.4  3.4.5  3.4.6 

Control en cascada.......... cascada. ................... ................... ................... ................... .................. ................... ................... ................... ................... ............... ...... 3-31  Control de rango dividido. dividido. ................... ............................ .................. ................... ................... .................. ................... ................... ................ ....... 3-32  Control de rango escalonado................. escalonado.......................... ................... ................... .................. ................... ................... ................... ............. ... 3-33  Control de relación........................ relación................................. .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ............. .... 3-34  Control BIAS. .................. ........................... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... ................. ........ 3-34  Control override........................... override.......... ................................. ................................. .................................. .................................. .............................. ............. 3-35 

3.5  SIMBOLOGÍA Y NOTACIONES. .............. ........................... ........................... ............................ ........................... ........................3-35 ...........3-35  3.5.1  Nomenclat Nomenclatura ura de la instrumentación. instrumentación. ................... ............................ ................... ................... ................... ................... ................ ....... 3-35  3.5.2  Símbolos básicos de instrumentos. instrumentos. ................... ............................ .................. ................... ................... ................... ................... ........... 3-37 

3.6  ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL BAJO EL ESQUEMA CAUSA-EFECTO. ........................... ......................................... ........................... ........................... ............................ ................ 3-40  3.6.1  3.6.2  3.6.3  3.6.4  3.6.5 

Factores principales.................. principales............................ ................... .................. ................... ................... ................... ................... ................... ................ ...... 3-40  Consideraciones y simbología. Consideraciones simbología........... ................... ................... ................... ................... ................... .................. ................... ................. ....... 3-40  Diagrama de control (DC) para un circuito de control automático................... automático............................. ............ 3-41  Descripción Descripció n de los ejercicios ejercicios ¿Qué pasa si? (QPS) Para lazos de control................ 3-42  Ejercicios ¿qué pasa sí? (QPS) Para lazos de control automático.................. automático............................ ..........3-44 3-44 

BIB LIOGRA LIOGRAFÍA. FÍA. ........................ .................................................. .................................................... .................................................... ............................ .. 3-47 

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3 INSTRUMENT INSTRUMENTA A CIÓN Y CONTROL CONTROL..

OBJETIVO INSTRUCCIONAL.

Identificar los elementos de los sistemas de control automático e interpretar su funcionamiento de acuerdo a sus principios de operación y su relación con los parámetros de operación del proceso.

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INTRODUCCIÓN.

Los sistemas de control son parte esencial de los procesos ya que a través de ellos el operador puede interrelacionarse con los equipos para tener una mejor regulación a través de las corrientes del proceso. En esta sección se hace una remembranza del desarrollo de los sistemas de control a lo largo de la historia; posteriormente se describe el circuito básico de control automático y los principios bajo los cuales operan los diferentes elementos que integran un sistemas de control, de tal manera que permita entender mejor las acciones que como operadores harían al manipular estos equipos. También se hace una descripción de las acciones de los controladores, de los tipos de control y de la simbología que se utiliza para identificar en los diagramas de tubería e instrumentación (DTI) los instrumentos y señales de estos sistemas. Finalmente se hace un análisis causa – efecto, de las diferentes situaciones que se puede encontrar al manipular los sistemas de control, mediante ejercicios ¿qué pasa si? (QPS).

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3.1 ANTECEDENTES DEL CONTROL AUTOMÁTICO. AUTOMÁ TICO. La aplicación del principio de retroalimentación tiene sus comienzos en máquinas e instrumentos muy sencillos, algunos de los cuales se remontan a 2000 años atrás. El aparato mas primitivo que emplea el principio de control por retroalimentación fue desarrollado griego aproximadamente 300 años A.C. de Seagua trataba un reloj de aguapor queun medía el llamado paso delKtsibios tiempo por medio de un pequeño chorro quedefluía a velocidad constante dentro de un recipiente. Poseía un flotador que subía a medida que el tiempo transcurría. Ktsibios resolvió el problema del mantenimiento del caudal constante de agua inventando un aparato semejante al usado en los carburadores de los motores modernos. Entre el suministro de agua y el tanque colector había una regulación de caudal de agua por medio de una válvula flotante que mantenía el nivel constante. Si el nivel se elevaba, el flotador se elevaba restringiendo el caudal de agua en el recipiente regulador hasta que el flotador volvía al nivel específico. En el siglo IX el regulador de nivel flotante es reinventado en Arabia. Se usaba para mantener el nivel constante en los bebederos de agua. En el siglo XVI, en Inglaterra se usaba el principio de retroalimentación para mantener automáticamente las paletas de los molinos de viento en una posición normal a la dirección del viento. En el siglo XVII, en Inglaterra se inventaba el termostato que se aplicaba para mantener la temperatura constante de una incubadora. El primer uso del control automático en la industria parece haber sido el regulador centrífugo de la máquina de vapor de Watt en el año 1775 aproximadamente. Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula. Por lo tanto, están presentes todos los elementos de retroalimentación. Aún cuando el principio de control por retroalimentación data de muchos años, su estudio teórico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia. El primer análisis de control automático, es la explicación matemática del regulador centrífugo por James Clerk Maxwell en 1868. Más tarde la técnica del regulador se adjudicó a otras máquinas y turbinas y a principio del siglo XX comenzó la aplicación de reguladores y servomecanismos en controles de energía térmica al gobierno de buques. La primera teoría general sobre control automático, pertenece a Nyquist en el famoso artículo “Teoría de la regeneración“. Otros desarrollos en servomecanismos y amplificadores dieron origengenerales a muchasaltécnicas de procesos frecuencianoy comenzaron lugar geométrico se usan hoy eneléctricos día. Las aplicaciones control de hastaque la década de los 30´s. Las técnicas de control se consagraron rápidamente, tal es así que ya en los años 40´s funcionaban redes de control relativamente complejas. En casi todos los procesos industriales se utilizan aparatos de control automático. Algunas de las muchas ventajas del control automático, son las siguientes: a)

Aumento en la producción.

b)

Mejora de la calidad de los productos.

c)

Economía de materiales.

d)

Economía de energía o potencia.

e)

Economía de equipos industriales.

f)

Reducción de inversión de mano de obra en tareas no especializadas. Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

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Estos factores generalmente contribuyen a aumentar la productividad. La difusión de la aplicación del control automático en la industria ha creado la necesidad de elevar el nivel de la capacitación de los operadores y operarios, para desempeñar tareas de mayor responsabilidad en el manejo y mantenimiento de equipos e instrumentos de control. El campo del control automático desde el punto de vista práctico se puede dividir en tres secciones: a) Control de procesos que involucran cambios químicos y de estado. b) Control de manufactura que involucra cambio de forma. c)

Control de posición fundamentalmente, con niveles de potencia potencia de unos pocos Watt.

Cronología de los sistemas de control automático de los últimos años.  AÑOS 50’s. 50’ s. Fue a principios del siglo XIX y hasta los años 50`s cuando se utilizan lazos de control mediante elementos de medición directa, con instrumentación mecánica y neumática de operación manual y automática, pero instalada localmente, a prueba de intemperie con instalaciones complicadas, obligando a tener sistemas independientes y aislados como se muestra del lado izquierdo de la Fig. 3-1.  AÑOS 60’s. 60’ s. En los años 60´s se introduce la electrónica del estado sólido a los procesos de control, por lo que puede efectuarse la operación teniendo la información centralizada en cuartos de control y mejorando condiciones de trabajo, además de poder interrelacionar los procesos. También se ponen en práctica las normas de instalación y comunicaciones, lado derecho de la Fig. 3-1.

FIG. 3-1. SISTEMAS DE CONTROL TÍPICOS DE LOS AÑOS 50´S Y 60´S.

 AÑOS 70’s En los años 70´s se introduce la instrumentación electrónica digital (mediante sistemas de cómputo) con los sistemas de control supervisorio, en los cuales se puede tener mayor exactitud en el control de las variables mediante el uso de monitores y reportes con información centralizada, mejorando aún más las condiciones de trabajo. La desventaja de estos sistemas fue el alto costo del equipo, la instalación y el sofisticado mantenimiento, Fig. 3-2. 3-10

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FIG. 3-2. SISTEMA DE CONTROL SUPERVISORIO CON USO LIMITADO EN LOS AÑOS 70´S.

 AÑOS 80’s En los años 80’s con los avances tecnológicos en las computadoras se crean los sistemas de control distribuido (SCD), estos equipos proporcionan un control altamente sofisticado, con la instrumentación digital, una distribución geográfica funcional en operación, control avanzado, comunicación, información y una optimización funcional a través de paquetes de computo comerciales. Además se tiene la ventaja de la integración con otros sistemas, una redundancia efectiva en su enoperación, instalación y mantenimiento través de autodiagnósticos el sistema.bajo En la costo Fig. 3-3de se muestra un esquema general del asistema.

FIG. 3-3. SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ESTABLECIDO DESDE LOS AÑOS 80´S.

En la actualidad se están utilizando estos sistemas de control, pero con programas más avanzados que nos permiten efectuar funciones complicadas en el control, tal como la simulación del proceso y el manejo en línea de la información que se genera en las plantas, para el control estadístico del proceso, entre otras cosas.

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3.2 SISTEMAS DE CONTROL. 3.2. 3.2.1 1 Ge Generalidades neralidades de sistemas sis temas de contro con trol.l. Definición de sistema: a) Un “sistema” es un ordenamiento, conjunto o colección de cosas conectadas o relacionadas de manera que constituyan un todo. b) Un “sistema” es un ordenamiento de componentes físicos conectados o relacionados de manera que formen una unidad completa que puedan actuar como tal. La palabra “control” generalmente se usa para designar “regulación”, dirección o “comando”. Al combinar las definiciones anteriores se tiene: Un sistema de control es un ordenamiento de componentes físicos conectados de tal manera que el el mism o pueda comandar, dirigi r o regularse a sí mismo o a otro sistema. si stema. En las definiciones de la Norma de referencia NRF-046-PEMEX-2001 se especifica: Sistema digital de monitoreo y control .- Integración de hardware y software de propósitos Sistema específicos para supervisar y controlar las variables de proceso de pozos, instalaciones de producción, refinación, plantas petroquímicas, transportación, distribución y almacenamiento.  almacenamiento.  En el sentido más abstracto es posible considerar cada objeto físico como un sistema de control. Cada cosa altera su medio de alguna manera, activa o pasivamente. En la ingeniería y en la ciencia se restringe el significado de sistemas de control al aplicarlo a los sistemas cuya función principal es comandar, dirigir, regular dinámica o activamente. Los sistemas de control abundan en el ambiente del hombre. Antes de mostrar esto, se definirán los términos entrada y salida que ayudarán a identificar o definir al sistema de control. La entrada  entrada  es el estímulo o la excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, generalmente con el fin de producir de parte del sistema de control, una respuesta especificada. La salida  salida  es la respuesta obtenida del sistema de control. Puede no ser igual a la respuesta especificada que la entrada implica. El sistema de control generalmente identifica y define la entrada y la salida. Dadas éstas es posible determinar o definir la naturaleza de los componentes del sistema. Los sistemas de control pueden tener más de una entrada o salida. Existen tres tipos básicos de sistemas de control: a) Sistemas de control hechos por el hombre, ejemplo; un conmutador eléctrico. b) Sistemas de control naturales, incluyendo sistemas biológicos, ejemplo;  la indicación de un objeto con un dedo. c)

Sistemas de control cuyos componentes se combinan entre están hechos por el hombre y naturales, ejemplo; clima artificial controlado por medio de un termostato.

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial.

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El objetivo de un sistema de control automático es mantener el valor de una variable específica del proceso en un valor constante, el cual es fijado por el operador a través del punto de ajuste o “set point” del instrumento de control. El sistema de control interrelaciona con el proceso a través de sus elementos, los cuales integran los circuitos de control. La idea básica de lazo realimentado de control es mas fácilmente entendida imaginando qué es lo que un operador tendría que hacer si el control automático no existiera.

3.2. 3.2.2 2 Clasificació n de los sistemas de contro con trol.l. Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. La distinción la determina la acción de control, que es la que activa al sistema para producir la salida. Un sistema de contr ol de laz lazo o abierto abierto es  es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida. Un sistema de control de lazo cerrado  cerrado   es aquel en el que la acción de control es en cierto modo dependiente de la salida. Los sistemas de control a lazo abierto tienen dos características sobresalientes: a) La habilidad que éstos tienen para ejecutar una acción con exactitud está determinada por su calibración. Calibrar significa establecer o restablecer una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada. b) No tienen tienen los problemas de inestabilidad, que presentan los lazos cerrados. Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por retroalimentación (o retroacción). El lazo de control retroalimentado simple sirve para ilustrar los cinco elementos principales de cualquier lazo o circuito de control.

3.2. 3.2.3 3 Circuito bá básico sico de contro l a automático. utomático. Independientemente del tipo de control que se utilice en los procesos, para la operación de sus sistemas se requiere integrarles el circuito básico de control automático, a través del cual se tiene la interrelación con los sistemas de control de los procesos. En la Fig. 3-4 se muestran los elementos que integran un circuito básico de control automático.

… … … …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… .… .…

  FIG. 3-4. ELEMENTOS QUE INTEGRAN UN CIRCUITO BÁSICO DE CONTROL AUTOMÁTICO. Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

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1. PROCESO: PROCESO:   Serie de operaciones que se realizan para obtener un producto con especificaciones requeridas. 2. ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN: Instrumento MEDICIÓN:  Instrumento que detecta el valor de la variable. 3. TRANSMISOR: TRANSMISOR:   Es un instrumento que capta la variable del proceso y la transmite a distancia, a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos. La transmisión puede ser neumática, electrónica, hidráulica o telemétrica (NRF046-PEMEX-2001). 4. CONTROLADOR: CONTROLADOR:   Controlador(es).- Dispositivo que opera automáticamente para regular una variable controlada (NRF-046-PEMEX-2001). 5. ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Son dispositivos que reciben la señal del controlador y modifican el caudal del fluido o agente de control. Estos dispositivos pueden ser válvulas de control (NRF-046-PEMEX-2001).  (NRF-046-PEMEX-2001). 

3.2.4 Retroalimentación. Es la propiedad 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, de manera tal que se pueda establecer una acción de control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y la salida. Más generalmente se dice que existe retroalimentación en un sistema cuando hay una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto entre las variables del sistema. Características Ca racterísticas de la retro retroalimentación. alimentación. Las características más importantes que la retroalimentación aporta a un sistema son: a) Aumento de la exactitud. Por ejemplo, la habilidad para reproducir la entrada entrada fielmente. b) Aumento de la sensibilidad de la salida, correspondiente a una determinada entrada, ante variaciones en las características del sistema. c)

Efectos reducidos de la no linealidad y de la distorsión.

d) Aumento del intervalo de frecuencias (de la entrada) en el cual el sistema responde satisfactoriamente (aumento del ancho de banda). e) Tendencia a la oscilación o a la inestabilidad.

3.3 DESCRIPCIÓN DE LOS CONTROL CONT ROL AUTOMÁTICO.

ELEMENTOS

DEL

CIRCUITO DE

3.3.1 Proceso. Los tipos de procesos encontrados en la industria son tan variados como los materiales que producen. Estos se extienden desde lo simple y común, tales como almacenar un producto, hasta los grandes y complejos como la elaboración de productos en la industria de refinación del petróleo o petroquímica. Cada planta de una refinería o complejo petroquímico es un proceso al que se debe controlar una gran cantidad de variables para la optimización de su producción.

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3.3. 3.3.2 2 Eleme Elemento ntoss pri primarios marios de medición. medici ón. La medición debe ser hecha para indicar el valor actual de la variable controlada por el lazo. Las mediciones comunes usadas en la industria incluyen flujo, presión, temperatura, nivel, mediciones de pH, conductividad y muchas otras particulares específicas de cada industria. En el tema sobre variables de operación de este manual se ilustran y se describe la operación de los instrumentos de medición para cada variable del proceso, muchos de ellos se utilizan como elementos primarios de medición en los sistemas de control.

3.3.3 Transmisores. En el circuito básico de control automático se describe la función del transmisor que es recibir del elemento primario de medición el valor de la variable y transmitirlo al controlador. Se tienen varios tipos de transmisores para cada variable de de proceso, en las figuras siguientes se ilustran algunos de ellos. 3.3.3. 3.3 .3.1 1 Transmi Transmisor sores es de temperatu ra.

FIG. 3-5. TRANSMISORES DE TEMPERATURA (TERMOPARES).

FIG. 3-6. TRANSMISOR DE TEMPERATURA Y ACONDICIONADOR DE SEÑAL DE 4 –   –  20 MA.

FIG. 3-7. TRANSMISORES INTELIGENTES DE TEMPERATURA.

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3.3.3. 3.3 .3.2 2 Transmi Transmisor sores es de presi ón.

FIG. 3-8. TRANSMISORES DE PRESIÓN Y PRESIÓN DIFERENCIAL.

3.3.3. 3.3 .3.3 3 Transmi Transmisor sores es de flujo. flu jo.

RANSMISORES S INTEGRADOS A DIFERENTES MEDIDORES DE FLUJO. FIG. 3-9. TRANSMISORE

FIG. 3-10. TRANSMISORES INTEGRADOS INTEGRADOS A DIFERENTES MEDIDORES DE FLUJO.

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3.3.3. 3.3 .3.4 4 Transmi Transmisor sores es de Nivel.

FIG. 3-11. ESQUEMA DE SISTEMA DE MEDICIÓN DE NIVEL Y TRANSMISORES DE ÉSTA VARIABLE.

FIG. 3-12. MÚLTIPLES TRANSMISORES DE NIVEL.

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3.3.3.5 Analizadores.

FIG. 3-13. SISTEMA DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DE PH.

FIG. 3-14. ANALIZADORES DE PH Y DE CONDUCTIVIDAD.

FIG. 3-15. ANALIZADORES DE OXÍGENO DISUELTO ADAPTADOS CON TRANSMISOR DE SEÑAL.

FIG. 3-16. ANALIZADORES DE TURBIDEZ Y CONCENTRACIÓN DE HIDRÓGENO.

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3.3.4 Controladores. Los controladores están clasificados de acuerdo al tipo de energía que utilizan: electrónicos, neumáticos, mecánicos ó hidráulicos. Actualmente los controladores se encuentran integrados en los sistemas de control distribuido (SCD). Para que el control retroalimentado automático exista, el lazo debe estar cerrado. Esto significa que la información debe ser continuamente transmitida dentro del lazo. El controlador debe mover a la válvula, la válvula debe afectar a la medición, y la señal de medición debe ser transmitida al controlador. Si la conexión se rompe en cualquier punto, se dice que el lazo está abierto. Tan pronto como el lazo se abre, como cuando el controlador automático es colocado en la posición manual, el controlador queda inhabilitado para mover la válvula. Así, las señales desde el controlador en respuesta a las condiciones cambiantes de la medición no afectan a la válvula y el control automático no existe. Al llevar a cabo la función de control, el controlador automático usa la diferencia entre el valor de ajuste (set-point) y la señal de medición para obtener la señal de salida hacia la válvula. La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medición. Si el transmisor no envía una señal precisa, o si existe un retraso en la medición de la señal, la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada. Al mismo tiempo, el controlador debe recibir una señal de valor de ajuste precisa (set-point). En controladores que usan señales de valor de ajuste neumática o electrónica generadas dentro del controlador, una falla de calibración del transmisor de valor de ajuste resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición a un valor erróneo. La habilidad del controlador para posicionar correctamente la válvula es también otra limitación. Si existe fricción en la válvula, el controlador puede no estar en condiciones de moverla a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una diferencia entre la medición y el valor de ajuste. Repetidos intentos para posicionar exactamente la válvula pueden llevar a una oscilación en la válvula y en la medición, o si el controlador mueve la válvula muy lentamente, lentamente, la habilidad del controlador para controlar el proceso será mala. Una manera de mejorar la respuesta de las válvulas de control es el uso de posicionadores de válvulas, que actúan como un controlador de retroalimentación para posicionar la válvula en la abertura exacta correspondiente a la señal de salida del controlador. 3.3. 3.3.4. 4.1 1 Acció Acción n del contr olador. Dependiendo de la acción de la válvula, un incremento en la medición puede requerir incrementos o disminuciones del valor de salida del control. Todos los controladores pueden ser cambiados entre acción directa o inversa. La acción directa significa que cuando el controlador recibe un incremento de señal desde el transmisor, su salida se incrementa. La acción inversa significa que un incremento en las señales de medición hace que la señal de salida disminuya. Para determinar cuál de estas salidas es la correcta, debe ser analizado el lazo:

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1. Determinar la acción de la válvula. Cuando por razones de seguridad la válvula deba cerrar si existe una falla en el suministro de aire, esta debe ser normalmente abierta con aire, o normalmente cerrada sin aire o del tipo cierra a falla de aire (CFA), la Fig. 3-17 ilustra la acción de las válvulas a falla de aire; la primera actúa cerrando con la presión de aire y por lo tanto abre a falla de aire (AFA) y las dos de la derecha cierran a falla de aire (CFA). 2. Considere el efecto de un cambio en la medición. Una selección incorrecta de la acción del controlador ocasiona un control inestable tan pronto como el mismo sea puesto en la posición automático.

FIG. 3-17. ACCIÓN DE LAS VÁLVULAS A FALLA DE AIRE.

3.3. 3.3.4. 4.2 2 Ca Características racterísticas del proceso y contr controlabili olabili dad. El controlador automático usa cambios en la posición del elemento final para controlar cualquier cambio que se presente en la señal de medición. La controlabilidad de cualquier proceso está en función de lo bien que responda la señal de medición a los cambios de la salida del controlador; para un buen control la medición debería comenzar a responder en forma proporcional y no cambiar rápidamente. Debido al gran número de aplicaciones del control automático, caracterizar un proceso por lo que hace ó por el tipo de industria, es una tarea difícil, sin embargo, todos los procesos se describen por una relación entre las entradas y las salidas. La Fig. 3-18 ilustra la respuesta de la temperatura de un intercambiador de calor cuando se abre la válvula de vapor manualmente, incrementando la señal de salida del controlador.

FIG. 3-18. TIEMPO DE RESPUESTA DE LA VARIABLE ANTE UN CAMBIO DE SEÑAL .

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Al comienzo, no hay una respuesta inmediata en la indicación de temperatura, luego la respuesta comienza a cambiar, se eleva rápidamente, y se aproxima finalmente a un valor constante. El proceso se caracteriza por dos elementos de su respuesta: El Primero es Primero  es el tiempo muerto (dead (de ad time, en Inglés), o sea el tiempo antes an tes de que la medición comience a responder, en éste ejemplo, el tiempo muerto es mayor debido a que el calor en el vapor se conduce hasta el agua, antes de que pueda afectar a la temperatura, y luego hacia el transmisor antes de que el cambio pueda ser percibido. El tiempo muerto está en función de las dimensiones físicas de un proceso y factores tales como el flujo y mezclado. El Segundo, Segundo , es la capacidad de respuesta del proceso en función de la materia o energía que entra o sale de el, para cambiar las mediciones, es por ejemplo, los litros necesarios para cambiar el nivel, las calorías necesarias para cambiar la temperatura, o los metros cúbicos de gas necesarios para cambiar la presión. La capacidad se mide por una constante de tiempo, que se define como el tiempo necesario para completar el 63% de su respuesta total. La constante de tiempo está en función del tamaño del proceso y del régimen de transferencia de materia o energía. Este valor puede ser de tan sólo algunos segundos, o tan largo como varias horas. Combinados con el tiempo muerto, definen cuanto tiempo tarda para que la señal responda a cambios en la posición de la válvula. Un proceso puede comenzar a responder rápidamente, pero no cambiar muy rápido si su tiempo muerto es pequeño y su capacidad muy grande. En resumen, cuanto mayor sea la capacidad de respuesta comparada con el tiempo muerto, será mejor la controlabilidad del proceso. 3.3. 3.3.4. 4.3 3 Modos de control contr ol de los control adores. La primera y más básica característica de la respuesta del controlador ha sido indicada como la acción directa o inversa. Una vez que esta distinción se ha llevado a cabo, existen varios tipos de respuestas que pueden ser usadas para controlar un proceso. Estas son: Control de dos posic iones (ON/ (ON/OF OFF) F).. El comportamiento de un control de dos posiciones, ON/OFF (encendido/apagado) es mostrado en la Fig. 3-19.

FIG. 3-19 RESPUESTA DE UN CONTROL ON/OFF 

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Instrumentación y control

Para un controlador de acción inversa y una válvula del tipo abre a falla de aire (AFA), el controlador ON/OFF tiene dos salidas o posiciones (abierta o cerrada). Para este sistema se determina que cuando la medición cae debajo del valor de ajuste, la válvula abre, la salida del controlador será del 100%. A medida que la medición este arriba del valor de ajuste la salida del controlador cambia a 0%. Esto hace que la medición disminuya y cambie de posición repitiendo el ciclo. Este ciclo continuará indefinidamente. La continua oscilación puede no ser aceptable, dependiendo amplitud y longitud del ciclo. Un ciclo rápido causa en el sistema de de laalimentación de la planta y un excesivo desgaste de lafrecuentes válvula. Elalteraciones tiempo de cada ciclo depende del tiempo muerto en el proceso, debido a que determina cuanto tiempo toma a la señal de medición para invertir su dirección una vez que la misma cruza el valor de ajuste y la salida del controlador cambia. La amplitud de la señal depende de la rapidez con que la señal de medición cambia durante cada ciclo.  Control proporcional (gain). La acción proporcional es la base de los tres modos de control (proporcional, integral y derivativo), si los otros dos, acción integral (reset) y acción derivativa (rate) están presentes, éstos son sumados a la respuesta proporcional. “Proporcional” significa que el cambio presente en la salida del controlador es algún múltiplo del porcentaje de cambio en la medición.  Este múltiplo es llamado “ganancia” del controlador. Para algunos controladores, la acción proporcional es ajustada por medio de tal ajuste de ganancia, mientras que para otros se usa una “banda proporcional”. Ambos tienen los mismos propósitos y efectos. La banda proporcional está definida como el span (rango) de valores de entrada que corresponden a un cambio completo ó total en la salida. Esto es usualmente expresado como un porcentaje y también es sinónimo de banda reguladora (throttling band) ó rango regulador (throttling range). La acción proporcional es aquella en la cual el elemento final de control toma posiciones a la magnitud de la variable controlada, más específicamente es proporcional al error o desviación (diferencia entre variable controlada y punto de ajuste) pues el controlador efectúa la comparación de las señales y el resultado es una diferencia. En este tipo de control, hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (con la banda proporcional); es decir, el elemento final de control se mueve a la misma cantidad para cada unidad de desviación. Este tipo de control responde únicamente a la cantidad de laódesviación es insensible(off a la relación de duración de la desviación, pero siempre hay un error desviacióny permanente set). La Fig. 3-20 ilustra la respuesta de la acción proporcional por medio de un indicador de entrada/salida pivoteando en una de estas posiciones. Con el pivote en el centro entre la entrada y la salida dentro del gráfico, un cambio del 100% en la medición ocasiona un cambio del 100% en la salida, o un desplazamiento completo de la válvula. Un controlador ajustado para responder de ésta manera se dice que tiene una banda proporcional del 100%.

3-22

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

FIG. 3-20. BANDA PROPORCIONAL CON AJUSTE DEL 100%.

Cuando el pivote se desplaza hacia la derecha, la medición de la entrada debería tener un cambio de 200% para ocasionar un cambio de salida completo desde el 0% al 100%, esto es una banda proporcional de 200%, ver Fig. 3-21.

FIG. 3-21. BANDA PROPORCIONAL CON AJUSTE DEL 200%.

Finalmente, si el pivote estuviera en la posición del lado izquierdo y si la medición se moviera sólo del 50%del de 50%. la escala, salidaa menor cambiaría 100% en la escala. Esto es un valor del de bandacerca proporcional Por lolatanto, banda proporcional implica mayor cambio valor de salida para el mismo tamaño de medición, ver Fig. 3-22.

FIG. 3-22. BANDA PROPORCIONAL CON AJUSTE DEL 50%.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-23

 

 

Instrumentación y control

Para cualquier lazo de control de proceso existe un valor óptimo de banda proporcional. A medida que la banda proporcional se reduce, la respuesta del controlador a cualquier cambio en la medición se hace mayor. En algún valor, dependiendo de la característica de cada proceso, la respuesta del controlador será lo suficientemente grande como para hacer que la variable medida retorne nuevamente al valor con el que se obtiene un ciclo constante de la medición. Este valor de banda proporcional, conocido como la última banda proporcional, es un límite en el ajusteladel controlador dicho lazo. Por otro cambio lado, si en se la usamedición una banda ancha, respuesta del para controlador a cualquier seráproporcional muy lenta muy y la medición no será controlada adecuadamente. La determinación del valor correcto de banda proporcional para cualquier aplicación es parte del procedimiento de ajuste (tuning procedure) para dicho lazo. El ajuste correcto de la banda proporcional puede observarse en la respuesta de la medición a una alteración en la variable. El control proporcional es el más sencillo y fácil de sintonizar, es decir hay un solo parámetro que ajustar, proporciona buena estabilidad y respuesta rápida. Sin embargo tiene una desventaja. En situación estable presenta desviación (offset), es decir hay una diferencia en situación estable entre el valor deseado ó setpoint y el valor actual de variable controlada. Control integral (reset). La acción integral punto de ajuste.  ajuste.   mueve la válvula a una velocidad proporcional a la desviación con respecto al La acción de reset se conoce también como acción integral ó acción de reajuste, y es una integración de la señal de error (e). En efecto, esto significa que en una acción de reset, el valor de la variable manipulada se cambia con un rango proporcional al error, es decir, si la desviación es el doble sobre un valor previo, el elemento final de control se mueve al doble. Cuando la variable controlada coincide con el setpoint, el elemento final de control permanece fijo, Fig. 3-23.

FIG. 3-23. RESPUESTA DEL CONTROL INTEGRAL (RESET) SOBRE LA SEÑAL DE SALIDA.

La acción de control reset ó integral, usualmente se combina con la acción de control proporcional. La combinación da lugar al término proporcional + reset (proporcional (proporcional + integral), esto se conoce como control PI.

3-24

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

El escalón de cambio en la variable primero produce una respuesta proporcional y luego se agrega la respuesta de reset. Cuanto más acción de reset o integral exista en el controlador, mas rápido cambia la salida en función del tiempo. Entre los tipos de controladores, la salida de acción integral se mide de dos maneras, tanto en minutos por repetición como en número de repeticiones por minuto. Para aquellos controladores que miden en minutos por repetición, el tiempo de reset es la cantidad de tiempo necesaria para que dicho modo repita la respuesta del lazo abierto causada el modo proporcional unmayor ciclo de cambio de error. Así, para estos controladores, cuantopor menor sea el número depara reset, será la acción del modo reset. En aquellos controladores que miden la acción de reset en repeticiones por minuto, el ajuste indica cuantas repeticiones de la acción proporcional se generan por el modo de reset en un minuto. Así, para dichos controladores a mayor número de reset, mayor será la acción integral. El tiempo de reset se indica en la Fig. 3-24.

FIG. 3-24. RESPUESTA DEL CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL (PI).

La cantidad correcta del reset depende de que tan rápido responda la medición al recorrido adicional de la válvula. El controlador no debe controlar la válvula mas rápido que el tiempo muerto en el proceso, permitiendo que la medición responda, o de otra manera, la válvula irá a sus límites antes de que la medición regrese nuevamente al valor de ajuste. La válvula se mantendrá entonces en su posición extrema hasta que la medición cruce el valor de ajuste en la dirección opuesta. El resultado será un ciclo de reset en el cual la válvula se desplaza de un extremo al otro a medida que la medición oscila alrededor del valor de ajuste. Control derivativo (rate (rate). ). El tercer modo encontrado en los controladores, es la acción derivativa. Así como la respuesta proporcional responde al tamaño del error y el reset responde al tamaño y duración del error, el modo derivativo responde a que tan rápido cambia el error. En la Fig. 3-25, se muestran dos respuestas derivativas.

FIG. 3-25. DOS CASOS DE RESPUESTA DEL CONTROL CON ACCIÓN DERIVATIVA. Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-25

 

 

Instrumentación y control

La primera es una respuesta a un corte en la medición alejada del valor de ajuste. Para un escalón, la medición cambia en forma infinitamente rápida, y el modo derivativo del controlador produce un cambio muy grande y repentino en la salida, que muere inmediatamente debido a que la medición ha dejado de cambiar luego del escalón. La segunda respuesta muestra la respuesta del modo derivativo a una medición que está cambiando a un régimen constante. La salida derivativa es proporcional al régimen de cambio de éste error. Cuanto mayor sea el cambio, mayor será la salida debido a la acción derivativa. Lalaacción derivativa salida mientras la medición esté cambiando. Tan pronto como medición deja demantiene cambiar, ésta esté o no en el valor de ajuste, la respuesta debido a la acción derivativa terminará. Entre los tipos de controladores, la respuesta derivativa se mide comúnmente en minutos, como se indica en la Fig. 3-26. 

FIG. 3-26. RESPUESTA DEL CONTROL CON ACCIÓN PROPORCIONAL + DERIVATIVA.

La acción derivativa, en minutos, es un anticipo en tiempo a la respuesta correctiva de la acción proporcional y actúa en función del error que irá a ocurrir. Así, cuanto más grande sea el ajuste derivativo mayor será la respuesta derivativa. Los cambios en el error son resultado de los cambios en el valor de ajuste, la medición o en ambos. Para evitar un gran pico causado por los cambios en el valor de ajuste, la mayoría de los controladores modernos aplican la acción derivativa sólo a cambios en la medición. La acción derivativa en los controladores ayuda a controlar procesos con constantes de tiempo especialmente grandes y tiempo muerto significativo, la acción derivativa es innecesaria en aquellos procesos que responden rápidamente al movimiento de la válvula de control, y no puede ser usado en absoluto en procesos con ruido en la señal de medición, tales como caudal, ya que la acción derivativa en el controlador responderá a los cambios bruscos en la medición que el mismo observa en el ruido. Esto causará variaciones rápidas y grandes en la salida del controlador, lo que hará que la válvula esté constantemente moviéndose, produciendo un desgaste innecesario en la misma. Control propo p ropo rcion al, integral y derivativo (PI (PID) D).. PID (Modo de control proporcional, integral y derivativo). Es una función matemática que describe la manera en que se establecen las acciones correctivas del control, con relación a la desviación o error entre la variable controlada y el valor deseado de la misma (NRF-046PEMEX-2001).   PEMEX-2001).

3-26

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

La acción combinada de respuesta proporcional, reset y derivativa para la medición de temperatura de un intercambiador de calor, que se desvía del valor de ajuste debido a un cambio de carga. Cuando la medición comienza a desviarse del valor de ajuste, la primera respuesta del controlador es una respuesta derivativa, proporcional al régimen de variación de la medición que se opone al movimiento de la medición al alejarse del valor de ajuste. La respuesta derivativa es combinada con la respuesta proporcional agregada, a medida que el reset incremento de error, controlalalaacción válvula.derivativa. La acciónDado continúa hasta en queel lacontrolador medición detecta deja de elcambiar, entonces se detiene que existe aún un error, la medición continúa cambiando debido a la acción de reset, hasta que la medición comienza a retornar hacia el valor de ajuste. Tan pronto como la medición comienza a moverse hacia el valor de ajuste, interviene la acción derivativa, proporcional al régimen de cambio en la variación, oponiéndose al retorno de la medición hacia el valor de ajuste. La acción integral o reset continúa debido a que aún existe un error, a pesar de que su contribución disminuye con el error. Además, la salida debido al valor proporcional está cambiando. Así, la medición retorna hacia el valor de ajuste. Tan pronto como la medición alcanza el valor de ajuste y deja de cambiar, la acción derivativa cesa nuevamente y la salida proporcional vuelve al valor establecido. Con la medición nuevamente en su valor de ajuste, no existen más respuestas a variaciones debidas al reset. Sin embargo, la salida está ahora a un nuevo valor. El nuevo valor es el resultado de la acción de reset durante el tiempo en que la medición se alejó del valor de ajuste, y compensa el cambio de carga que fue causado por la alteración original. Aunque actualmente los controladores de las variables del proceso forman parte de los sistemas de control distribuido (SCD), ocasionalmente suelen usarse sistemas de control aislados que operan de forma independiente. Para atender estos casos se usan sistemas de control, indicadores y registradores como los que se ilustran en las siguientes figuras.

FIG. 3-27. CONTROLADORES MULTIVARIABLE DE PROCESOS.

FIG. 3-28. INDICADORES MULTIVARIABLE.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-27

 

 

Instrumentación y control

FIG. 3-29. REGISTRADORES MULTIVARIABLE.

Conclusión. Anteriormente se ha descrito las respuestas a controladores de los tres modos cuando los mismos son usados en lazos realimentados de mediciones industriales. El capacitando deberá tener claros los siguientes conceptos. 1. Para alcanzar el control automático, el lazo de control deberá deberá estar cerrado. 2. Para tener una lazo retroalimentado de control estable, el ajuste más importante del controlador es la selección de la acción correcta, sea directa o inversa. La incorrecta selección de ésta acción hará que la salida del controlador sea inestable. 3. El valor correcto de los ajustes de banda proporcional, reset y derivativo dependen de las características del proceso, cabe aclarar que en los controladores actuales, dichos valores se pueden detectar en forma automática, ya que el controlador dispone de un modo en que produce alteraciones controladas, y dentro de ciertos límites establecidos previamente por el operador, en la salida se miden los resultados del proceso para una cierta cantidad de ciclos de alteración, en base a este comportamiento puede detectar cuál es el mejor conjunto de ajustes para controlar un proceso mediante el software interno del aparato. 4. La función del modo reset (también llamado acción integral) es para eliminar el offset (diferencia entre el setpoint y el valor de la variable). Si el valor de offset es alto el resultado será una oscilación de la medición cuando el controlador acciona la válvula de un extremo al otro. Si se usa un valor muy bajo de reset, el resultado será que la medición retorna al valor de ajuste más lentamente. 5. El modo derivativo se anticipa a cualquier cambio en la medición. Una acción derivativa muy pequeña no tiene efecto significativo, una acción con valores muy altos provoca una respuesta excesiva del controlador.

3.3.5 Posicionadores. El posicionador es uno de los principales accesorios de las válvulas de control, cuya función fundamental situar del concontrolador. precisión la posición del tapón de la válvula, posición que es proporcional aesla señal 3-28

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

En algunas aplicaciones la parte móvil de la válvula queda sujeta no sólo a la influencia de las fuerzas correspondientes a la presión del aire y al resorte, si no también a otras fuerzas como fricción del empaque del prense, la histéresis del diafragma del actuador, o las fuerzas contrarias sobre el tapón de la válvula, que pueden tener un valor apreciable. En tal caso la posición del tapón no podría ser fijada con precisión. Una manera de resolver este problema consiste en usar un posicionador. Cuando se usa un posicionador, la presión del controlador no es recibida por la válvula, sino por el posicionador (ver Fig. 3-30). Este recibe, a su vez, una indicación de la posición de la válvula, y hace una comparación de las dos señales recibidas. Si no hay correspondencia entre ellas, envía a la válvula la presión de aire necesaria para que la haya, es decir, para que la válvula tome la posición que debe corresponder a la señal que está enviando el controlador.

FIG. 3-30. POSICIONADOR.

POSICIONADORES ES. FIG. 3-29. DIFERENTES TIPOS DE POSICIONADOR

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-29

 

 

Instrumentación y control

3.3. 3.3.6 6 Eleme Elemento nto final de contro con trol.l. Elemento final de control. Son dispositivos que reciben la señal del controlador y modifican el caudal del fluido o agente de control. Estos dispositivos pueden ser válvulas de control (NRF046-PEMEX-2001).   046-PEMEX-2001). La válvula es el elemento final de control más comúnmente usado. En la mayoría de los sistemas, las válvulas de control están sujetas a las más severas condiciones de temperatura, presión, corrosión y contaminación, por ser dispositivos que están a la intemperie, y en contacto con los fluidos, muchas veces agresivos para los materiales de las válvulas. En el tema de “Válvulas y tuberías”, de este manual, se describe detalladamente las partes y los principios de operación de las válvulas en general, la Fig. 3-31 muestra una válvula de control automático y la Fig. 3-32 la integración de estas a los circuitos de control automático.

FIG. 3-31. ALGUNAS CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL AUTOMÁTICO.

FIG. 3-32. INTEGRACIÓN DE LAS VÁLVULAS A LOS CIRCUITOS DE CONTROL AUTOMÁTICO. 3-30

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

FIG. 3-33. INTEGRACIÓN DE INSTRUMENTOS EN UN CIRCUITO DE CONTROL AUTOMÁTICO.

3.4 TIPOS DE CONTROL. 3.4.1 3.4 .1 Cont Contro roll en cascada. casc ada. El control en cascada consiste en tener dos controladores para manipular un solo elemento final de control o válvula automática. Al primer controlador, que es el que se encarga de controlar la variable principal o controlada se llama CONTROL MAESTRO. La señal de corrección que sale del control maestro, en lugar de ir directamente al elemento final de control se envía al segundo controlador, al cual se le llama CONTROL ESCLAVO, quién recibe esta señal como ajuste o “setpoint” remoto, para que finalmente se tenga la señal de corrección hacia el elemento final de control para que éste a la vez controle la variable manipulada, generalmente un flujo, a través de la cual se controla la variable controlada. El control esclavo puede funcionar como un sistema de control sencillo si se ajusta en la posición de operación local, en este caso solo efectuará el control sobre la variable manipulada sin tomar en cuenta la señal de ajuste remoto del control maestro. En la Fig. 3-34 se ilustra como se enlazan estos controles para hacer la función de un sistema de control en cascada.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-31

 

 

Instrumentación y control

FIG. 3-34. SISTEMA DE CONTROL EN CASCADA.

3.4. 3.4.2 2 Contro Controll de rango div dividid idid o. Este tipo de control consiste en tener un controlador que manipula dos válvulas o elementos finales de control, para el control de una sola variable. La característica principal del sistema es que la señal de corrección o de salida del control se envía a las dos válvulas, de tal manera que estas deben ajustarse para que una de ellas trabaje u opere en el rango del 0% al 50% de la señal de salida del control y la otra en el rango del 50% al 100%. En la Fig. 3-35 se muestra como se integra este sistema y en la siguiente tabla se puede ver la relación que hay entre la señal de salida del control y las aberturas de ambas válvulas. SALIDA DEL CONTR CONTROL OL

3-32

ABERTURA DE VÁLVULAS

% 0

mA 4

VÁLVULA “A” (%) 100

VÁLVULA “B” 0

25

8

50

0

50

12

0

0

75

16

0

50

100

20

0

100

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

(%)

 

 

Instrumentación y control

FIG. 3-35. SISTEMA DE CONTROL DE RANGO DIVIDIDO.

3.4. 3.4.3 3 Contro Controll de rango escalon escalon ado. El control de rango escalonado se caracteriza por contar con un solo controlador para accionar 2 elementos finales de control. Para llevar a cabo esta función, la señal de salida del controlador (4-20 mA), se escalona para accionar ambos elementos finales de control, esto es que de 4-12 mA operará una válvula y de 12-20 mA la otra, como se ilustra en la Fig. 3-36.

FIG. 3-36. SISTEMA DE CONTROL DE RANGO ESCALONADO.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-33

 

 

Instrumentación y control

Con la señal al 0% de la salida del controlador ambas válvulas permanecerán cerradas, a un 25% la válvula “A” estará abierta un 50% y la otra permanecerá cerrada; al 50% la válvula “A” estará completamente abierta y la “B” comenzará a abrir; y con una señal de 100% ambas válvulas estarán completamente abiertas, la siguiente tabla muestra la relación de señales. SALIDA DEL CONTR CONTROL OL

ABERTURA DE VÁLVULAS

% 0

mA 4

VÁLVULA “A” ( % ) 0

VÁLVULA “B” ( % ) 0

25

8

50

0

50

12

100

0

75

16

100

50

100

20

100

100

3.4. 3.4.4 4 Contro l de relación. relación . El control de relación frecuentemente lo vemos con operaciones de procesos en los que es necesario mezclar 2 ó 3 corrientes para mantener una composición estable en la mezcla. Un camino práctico para hacer esto es el uso de un controlador convencional de flujo en una corriente y controlar la otra con un controlador ratio o de relación, que mantiene ésta corriente de flujo en una relación prefijada con respecto al flujo de la corriente principal. Un sistema de control ratio se muestra en la Fig. 3-37 con una mezcla alimentada a un reactor.

FIG. 3-37. SISTEMA DE CONTROL DE RELACIÓN O RATIO.

También es posible implementar un sistema de control de relación, si en lugar de control primario, instalamos un transmisor. En ésta situación, el setpoint del controlador se fija en una relación directa a la magnitud de la variable controlada.

3.4.5 3.4 .5 Cont Contro roll BIAS. Las estaciones BIAS suministran una salida proporcional a la señal de entrada ± una señal de BIAS. Este valor de BIAS es ajustable con límites de ±  50% de span (rango) de entrada. El ajuste de BIAS se muestra siempre por un puntero en el lado derecho de la escala del instrumento. La ecuación funcional es: % señal

de salida  BIAS 

3-34

=   % señal  

=   % span

de entrada

de entrada

±

 BIAS   

 

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

El uso más común del control BIAS es para distribuir la carga de salida entre 2 ó más elementos finales de control. Un ejemplo de distribución de carga es afectar con un control BIAS uno ó más flujos de combustible o aire en un sistema de control de la combustión, Fig. 3-38.

FIG. 3-38. SISTEMA DE CONTROL BIAS.

3.4. 3.4.6 6 Contro l overr override. ide. Algunas veces es necesario limitar una variable para mantener una operación segura ó proteger el equipo de proceso. Si ésta variable es una función de la variable principal controlada del sistema, las dos variables pueden interconectarse en un sistema Override. La variable principal mantiene control tanto tiempo como la segunda variable no excede su límite de seguridad, punto en el que la segunda variable toma el control, Fig. 3-39. Override (Selectordebaja) PY 1

 Acción directa PIC 1

Succión

 Acción inversa

Recirculación

PIC 2

Compresor

Descarga

  FIG. 3-39. SISTEMA DE CONTROL OVERRIDE.

3.5 SIMBOLOGÍA SIMBOL OGÍA Y NOTACIONES. 3.5. 3.5.1 1 Nomenclatur Nomenclatura a de la inst rum rumentación entación.. En instrumentación se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir más efectivamente tanto las ideas como la información, este sistema es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los sistemas de control. El sistema de símbolos ha sido estandarizado por la Sociedad Americana de Instrumentistas (ISA),designarlos existen dosentipos de identificación para para referirse a un instrumento los cuales se utilizan para trabajos escritos y dibujos su representación en planos y diagramas. Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-35

 

 

Instrumentación y control

IDENTIFICACIÓN GENERAL. Es GENERAL. Es cuando se utiliza una combinación de letras para establecer una función y propósito. En el uso de las letras y sus combinaciones se deben aplicar las siguientes reglas: 1. Las letras de identificación en todo caso se escribirán con mayúsculas, se hace notar que las únicas excepciones para las letras (d), (r), (p), esta ultima con la combinación pH únicamente. 2. El máximo de letras permitido para la identificación en cualquier tipo de combinación será de tres, siendo la única excepción los símbolos químicos como CO2, pH, etc. donde se considerara como una sola letra. 3. Cada letra tendrá un solo significado al usarse como primera en cualquier combinación y esta definirá la variable. 4. Igualmente cada letra tendrá un solo significado al usarse como segunda o tercera en cualquier combinación al definir el tipo de servicio. 5. No puede utilizarse letra o combinación de letras intermedias. NOTA. Lo anterior es particularmente importante al formar la combinación de letras que indican la siguiente tabla. LETRAS

DEFINICIONES Y POSICI POSICIONES ONES PERMITIDAS EN CUALQUIER COMBINACIÓN COMB INACIÓN PRIMERA LETRA. LETRA . SEGUNDA LETRA TERCERA LETRA. Variable del proceso Tipo de registro registro o fun ción Función adicional.

A

Análisis

Alarma

Alarma

C

Conductividad

Control

Control

D

Densidad

Diferencial

E

Voltaje

Elemento primario

F

Flujo

Relación

G

Calibración

Cristal

H

Manual (actuante)

Alto

I

Corriente eléctrica

Indicador

L

Nivel

Luz (piloto)

M

Humedad

O

Bajo

Orificio

P

Presión

Punto (conexión de prueba)

R

Radioactividad

Registro

S

Rapidez o frecuencia

Seguridad

T

Temperatura

Transmisor

V

Viscosidad

Válvula

W

Peso

Y Z

3-36

Alto

Interruptor (Switch) Válvula Pozo Transductor

Posición

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

Relé o compensador

 

 

Instrumentación y control

IDENTIFICACIÓN ESPECIFICA.- Cuando ESPECIFICA.- Cuando a la combinación de letras le acompaña un número este sirve para identificar al instrumento más específicamente, en cualquier caso la serie de números consecutivos servirá para un grupo de instrumentos que se encuentran en la planta de proceso, en un punto específico, es así como podrían tenerse instrumentos con nomenclatura tal como PIC-01, PIC-02, que tendrían la función de controlar la presión, pero en diferentes puntos de la planta. Segunda y tercera letra tipo de mecanismo       a   e   r   l    t    b   e   a    L   i  .   r    ª   a    1   v

Mecanismos controladores Controladores separados Reg. RC

Ind.

Ctrl.

Valv. Reg.

  e    d   y  .  .   v   g    l   a   e    V  s

Mec. de medición Reg.

Ind.

  e   l    d   a  .    t   s   s   i    b   r   c    O

Mec. de alarma Reg.

Ind.

Alarma

E. Primario

IC

C

CV

SV

R

I

G

RA

IA

A

TSV

TR

TI

///

TRA

TIA

TA

TEE

T

TRC

TIC

TC

TCV

F

FRC

FIC

FC

FCV

FR

FI

FG

FRA

FIA

FA

FE

L

LRC

LIC

LC

LCV

LR

LI

LG

LRA

LIA

LA

LE

P

PRC

PIC

PC

PCV

PR

PI

///

PRA

PIA

PA

PEE

D H

DRC

DIC HIC

DC HC

DCV HCV

DR

DI HI

/// ///

DRA ///

DIA ///

C

CRC

CIC

CC

CCV

CR

CI

///

CRA

CIA

CA

CE

S

SRC

SIC

SC

SCV

SR

SI

///

SRA

SIA

SA

SE

V

VRC

VIC

VC

VCV

VR

VI

VG

VRA

VIA

VEE

W

WRC

WIC

WC

WCV

WR

WI

///

WRA

WIA

WE

PSV

SSV

DE ///

3.5. 3.5.2 2 Símbo Símbolos los básico s de instru ins trumentos mentos.. La simbología utilizada en los diagramas de proceso y de tubería e instrumentación (DTI) puede ser específica de cada licenciador del proceso. Los símbolos que con más frecuencia se utilizan se ilustran en los siguientes párrafos, se muestran los dibujos básicos de los símbolos típicos requeridos para su representación gráfica en los diagramas.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-37

 

 

Instrumentación y control

3.5. 3.5.2. 2.1 1 Simbolog ía para instr instrumentos umentos y seña señales les y corr corrientes. ientes.

3.5.2. 3.5 .2.2 2 Símbolo Símboloss para válvu válvulas. las.

Mariposa

Compuerta u otra  Ángu  Án gulo lo

Globo

Tres vías Cuatro vías

3-38

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

Obturador rotativo o válvula de bola

Diafragma

 

 

Instrumentación y control

3.5.2. 3.5 .2.3 3 Símbolo Símboloss para actuado res. Diafragma con muelle, posicionador, solenoide y diafragma.

Diafragma con muelle Preferido

Opcional

Cilindro sin posicionador u otro piloto

Motor rotativo Simple acción

Doble acción

Actuador manual Electrohidráulico

Preferido para cualquier cilindro

Para Válvula de alivio o de seguridad Solenoide

3.5.2. 3.5 .2.4 4 Representaci Representación ón de la acció acción n del actuado r a fall falla a de aire.

 Abr e en ffall alla a

Cierra en falla  Abre  Ab re en fal falla la a vía v ía A-C

Se bloquea en falla

Posición indeterminada en falla

Abre en falla a vías A-C y D-B

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-39

 

 

Instrumentación y control

3.6 ANÁLISIS ANÁ LISIS DE LA OPERACIÓN OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS SISTEMAS DE DE CONTROL CONTROL BAJO EL ESQUEMA CAUSA-EFECTO. En esta sección se desarrolla el análisis de la operación de los circuitos o lazos de control automático mediante ejercicios que nos ayudan a comprender como analizar, resolver problemas y optimizar el uso de los circuitos de control automático. El análisis se desarrolla bajo el esquema causa  efecto o del hecho natural de que para toda acción hay una reacción (acción  reacción), que nos permita visualizar el desarrollo de una secuencia de transiciones lógica en el movimiento de los elementos del circuito, sus efectos sobre las variables y viceversa. El análisis se hace mediante el planteamiento de la pregunta ¿qué pasa si? (causa) al cambio en una condición o variable del proceso y la respuesta a la pregunta (efecto) sobre el cambio de la condición o variable, es decir el esquema sería pregunta (causa)   respuesta (efecto).  (efecto).  Posteriormente al resultado de la respuesta se le plantea la misma pregunta convirtiéndose en la causa y su propia respuesta en el efecto, estableciendo así una cadena que describe la secuencia de transiciones hasta que la variación del proceso llegue al valor o condición que la mantiene estable. Los ejercicios ¿Qué pasa si? son iniciados con eventos basados en suposiciones, tales como: • 

Un cambio de Set Point efectuado por el operador del sistema de control distribuido (SCD).

• 

Una falla en algún elemento del circuito de control.

• 

Una falla de una de las partes del equipo.

• 

Un cambio en el flujo, composición o temperatura de alimentación.

3.6. 3.6.1 1 Factores pri princip ncip ales. La operación de los procesos, equipos e instrumentos depende de factores de operación o proceso que gobiernan el comportamiento de estos. Estudios estadísticos han demostrado que aproximadamente el 20% de los factores determina el 80% de la operación de los sistemas, mismos que se consideran como los factores principales de operación o proceso. Debido a esto los factores principales siempre deben ser considerados en primera instancia, antes de considerar otros factores. La atención del proceso a un factor principal, dominará siempre sobre la atención hacia otros factores.

3.6. 3.6.2 2 Consid eraciones y sim simbolo bolo gía. Para el desarrollo del análisis es necesario establecer consideraciones que permitan estandarizar los criterios del esquema. También para facilitar el análisis de la secuencia de cambios en el proceso y desarrollar las transiciones a través del esquema causa efecto   es necesario utilizar símbolos que nos efecto  permitan describir los cambios en las variables o condiciones del proceso, así como los movimientos que se lleven a cabo en la instrumentación para indicar cuando aumentó, bajó, no cambió, etc.

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Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

Las tablas siguientes contienen las consideraciones y los símbolos que se utilizan para el análisis. Consideraciones

Explicación

El sistema esta estable.

Todos los circuitos de control y equipos de proceso responden al cambio y las transiciones se terminan.

Los circuitos de Control trabajan normalmente.

Siempre que no se establezca lo contrario, todos los circuitos de control, mantienen el control y operan dentro de sus límites.

El calor del sistema esta balanceado.

El calor de entrada es igual al de salida

El material balanceado.

El material de entrada es igual al de salida.

del

sistema

esta

El operador del sistema de control distribuido (SCD) no ha tomado ninguna acción.

El operador del SCD no ajustó ningún circuito de control, a no ser que haya sido especificado en el ejercicio.

Símbolo

Significado No cambia o permanece igual. Disminuye, baja o cierra. Aumenta, sube o abre. Disminuye el peso molecular promedio o se hace ligera. Aumenta el peso molecular promedio o se hace pesada. Disminuye, baja o cierra ligeramente. Aumenta, sube o abre ligeramente. Disminuye ligeramente el peso molecular promedio o se s e hace levemente ligera. Aumenta ligeramente el peso molecular promedio o se hace levemente pesada.

 

Por lo tanto… (referido al resultado de la pregunta pre gunta ¿Qué pasa si?

NOTA: Los símbolos que no llevan una “s” indican cambios asociados a factores principales. principales . Los símbolos que llevan una “s” indican cambios asociados a otros factores. La “s” significa que los cambios ocasionados por otros factores, son de menor importancia que los cambios asociados debido a Factores Principales.

3.6. 3.6.3 3 Diagrama de con tro troll ((DC DC)) para un circ uito de contr control ol automático . Para poder desarrollar el análisis de la secuencia de transición es conveniente tener un diagrama sobre el cual se este visualizado el proceso en estudio. En este tema se hace el análisis de la secuencia de transiciones de la reacción de los circuitos de control sobre la variable de proceso que estos controlan, así, tenemos circuitos de control de temperatura, presión, flujo y nivel, que son las principales variables que se controlan en los procesos.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

3-41

 

 

Instrumentación y control

3.6. 3.6.4 4 De Descr scripc ipción ión de los ejercici os ¿Qué pasa si? (Q (QPS PS)) Para Para laz lazos os de contr control. ol. El diagrama de control (DC) y los ejercicios ¿qué pasa si? Para sistemas de control automático se describen en los ejemplos que se desarrollan a continuación para cada una de las principales variables de control de proceso. 3.6. 3.6.4. 4.1 1 Diagrama de contro controll (D (DC) C) y ejercicio ¿qué pasa si? para circu circuito ito de contr ol de temperatura. Un sistema común con control de temperatura se tiene en los calentadores a fuego directo. La corriente de proceso se calienta mediante un combustible que es regulado por medio del control de temperatura a la salida de la corriente de proceso del calentador. El diagrama de control (DC) muestra el sistema:

Secuencia Se cuencia de transición transición:: ¿Qué pasa si el operador sube el set point del control de temperatura TIC-3? Considerando que el operador incrementó el set point (SP) del control de temperatura, el sistema respondería mediante la siguiente secuencia de transiciones: ¿Qué pasa si sube el SP del TIC-3? Respuesta: abre la válvula TV-3 (

SP-TIC-3   TV-3).

¿Qué pasa si abre la válvula TV-3? Respuesta: sube la temperatura en control de temperatura TIC-3 ( TV-3   TIC-3). ¿Qué pasa si sube la temperatura en TIC-3? Respuesta: iguala el nuevo SP del control de te temp mper erat atur uraa TI TICC-33 ( TI TICC-3 3   SP-TIC-3). En ese momento el sistema alcanza la estabilidad en el punto de control. La secuencia de transición utiliza solo los símbolos y quedaría de la siguiente manera: SP-TIC-3  

TV-3  

TIC-3  

SP-TIC-3

El resultado del análisis nos indica que la válvula de gas combustible quedaría más abierta y la indicación del control de temperatura subiría. 3.6. 3.6.4. 4.2 2 Diagrama de contro controll (D (DC) C) y ejercicio ¿qué pasa si? para circu circuito ito de contr ol de presión. Es muy común controlar la presión de las corrientes gaseosas de los procesos en un acumulador o línea de proceso. El siguiente diagrama de control (DC) muestra un sistema en el que se controla la presión de una corriente de gas:

3-42

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

PIC 39 FI 30

  Secuencia Secue ncia de transicion es: ¿Qué pasa si sube el flujo en FI-30? Considerando un incremento del flujo de de la corriente de proceso indicada en el instrumento FI-30, el sistema respondería de la siguiente manera: FI-30  

PIC-39  

PV-39  

PIC-39 

SP-PIC-39

El resultado del análisis nos dice que la presión se mantendría en el valor del set point (permanecería sin cambio) y la válvula de salida (PV-39) quedaría más abierta. 3.6. 3.6.4. 4.3 3 Diagrama de contro controll (D (DC) C) y ejercicio ¿qué pasa si? para circuito circu ito de cont rol de flujo. El flujo es una variable que comúnmente es controlada en los procesos. El siguiente diagrama de control (DC) muestra un sistema en el que se controla el flujo de una corriente de proceso: FIC 32

  Secuencia Secue ncia de transicion es: ¿Qué pasa si sube el flujo a través del FIC-32? Considerando un incremento del flujo de de la corriente de proceso debido a un cambio o disturbio ajeno al control de flujo, el sistema respondería de la siguiente manera: FIC-32 

FV-32

FIC-32 

SP-FIC-32

El resultado del análisis indica que el flujo regresa a su valor de ajuste (set point) quedando la válvula mas cerrada. 3.6. 3.6.4. 4.4 4 Diagrama de contro controll (D (DC) C) y ejercicio ¿qué pasa si? para circuito circu ito de cont rol de nivel. Los sistemas con control de nivel son muy comunes. El ejemplo del diagrama de control (DC) muestra un sistema en el que a una corriente de proceso, que es bombeada a otra sección o equipo, se le controla el nivel en un tanque que tiene la función de servir como recipiente de succión de la bomba.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

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Instrumentación y control FI 31 LIC 35

  Secuencia Se cuencia de transicion transiciones: es: ¿Qué pasa si sube el flujo en FI-31? Si al tanque le llega más flujo, es evidente que el nivel en el recipiente se incremente, al percibir el controlador el cambio a la variable respondería de la siguiente manera: FI-31 

LIC-35  

LV-35  

LIC-35  

SP-LIC35

El resultado del análisis nos dice que al subir el flujo el control mantiene el nivel en su valor de ajuste, pero con la válvula LV-35 más abierta.

3.6. 3.6.5 5 Ejercici Ejercicios os ¿qué pasa sí? (Q (QPS PS)) Para Para laz lazos os de contr control ol automátic o.

En los siguientes ejercicios desarrolle las Secuencia de transiciones, al lado derecho del diagrama de control, de acuerdo al planteamiento que se le hace y coloque los resultados del análisis en los círculos colocados a un lado de los instrumentos y válvulas. 1. ¿Qué pasa si se incrementa el flujo de la corriente de proceso en FI-2?

2. ¿Qué pasa si se incrementa el flujo de la corriente de gas en FI-30?

PIC 39 FI 30

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Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

3. ¿Qué pasa si disminuye el flujo a través de FI-31? FI 31 LIC 35

  4. ¿Qué pasa si el operador del SCD aumenta el set point del controlador de flujo FIC-32? FI 31

LIC 35 FIC 32

  5. ¿Qué pasa si el operador del SCD aumenta el set point del controlador de flujo FIC-30? FI 31 PIC 39 FIC 30

  6. ¿Qué pasa si el operador del SCD aumenta el set point del controlador de presión PIC-39? FI 31 PIC 39 FIC 30

 

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

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Instrumentación y control

7. ¿Qué pasa si el operador del SCD aumenta el SP del FIC-22?

Nota: Considere que en el separador V-02 se mantiene la proporción de la corriente de gas y de líquido, es decir, si aumenta el flujo de entrada, aumenta el flujo de gas y líquido en la misma proporción. FI 25 PIC 41 FI 24

FI 21

Fluido de proceso

V-03

V-01 LIC 31

F-01 FIC 22

V-02

2 PASOS TIC 41

P-01

LIC 32

FI 26

Gas combustible

FI 23

V-04 LIC 33 FI 27

P-02

 

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Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

 

 

Instrumentación y control

BIBLIOGRAFÍA.

1. Petróleos Mexicanos, “NRF-046-PEMEX-2003 Protocolos de comunicación en sistemas digitales de monitoreo y control”, México D. F. 2003. 2. Petróleos Mexicanos, “NRF-105-PEMEX-2005 Sistemas digitales digitales de monitoreo y control”, México D. F. 2005. 3.

Petróleos Mexicanos, “NRF-148-PEMEX-2005 temperatura”, México D. F. 2005.

Instrumentos

para

medición

de

4. Petróleos Mexicanos, “NRF-162-PEMEX-2006 Instrumentos de medición de flujo elementos primarios tipo placa de orificio”, México D. F. 2006. 5. Petróleos Mexicanos, “NRF-161-PEMEX-2006 Instrumentos de nivel servo-operados”, México D. F. 2006.

Cuadros de Reemplazo Ing. Químicos

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