Manual Instrumentación Básica para Ingenieros

 

 

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA INGENIEROS 

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA INGENIEROS 

COLOMBIA 2007

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INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA INGENIEROS 

BOGOTA, NOVIEMBRE 2007

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DISEÑADO POR: Ing. Hely Mier y Terán INSTRUCTOR: Hely Mier y Terán ASESOR: Hely Mier y Terán

DURACIÓN DEL CURSO: 24 HORAS

   

 

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CONTENIDO Pág

Introducción Objetivo del curso CAPÍTULOI.MEDICIÓNDEVARIABLESDEPROCESOS   CAPÍTULOI.MEDICIÓNDEVARIABLESDEPROCES OS…………………………………………. OS 1.1 Fundamen FundamentosdeMed tosdeMedición……………………………………………………………………………………………… ición……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………  1.1.1 Medición MedicióndePresió dePresión…………………………………………………………………………………………………… n……………………………………………………………………………………………………  1.1.2 Medición MedicióndeTempera deTemperatura…………………………………………………………………… tura……………………………………………………………………………………….. …………………..  1.1.3 Mediciónd MedicióndeFlujo……………………… eFlujo………………………………………………………………………………………………...... ………………………………………………………………………........ ..  1.1.4 Mediciónd MedicióndeNivel……………………… eNivel………………………………………………………………………………………………....... ……………………………………………………………………….........  CAPÍTULOII.DOCUMENTACIÓ CAPÍTULOII. DOCUMENTACIÓNDEINGENIE NDEINGENIERÍA………………………………………………………… RÍA…………………………………………………………  CAPÍTULOII.DOCUMENTACIÓNDEINGENIERÍA 2.1DiagramasdeTu 2.1Diag ramasdeTuberíaseI beríaseInstrumenta nstrumentación(P&I ción(P&ID’s)…………………………………………… D’s)…………………………………………… ……………………………………………  2.2DiagramasdeLa 2.2Diag ramasdeLazo……………………………………………………………………………………………………………. zo……………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………. 2.3PlanosdeCab 2.3Plan osdeCableadoyCan leadoyCanalizacione alizaciones……………………………………………………………………… s……………………………………………………………………… 2.4PlanosdeUbicacióndeIns 2.4PlanosdeUbica cióndeInstrumentos… trumentos………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………. 2.5HojasdeDatosd 2.5Hoja sdeDatosdeInstru eInstrumentos………………………………… mentos…………………………………………………………………………………. ………………………………………………. CAPÍTULOIII CAPÍTULOIII.VÁLVULA CAPÍTULOIII.VÁLVULASDECONTROL .VÁLVULASDECONTROL. SDECONTROL............ ......................... ........................... ........................... ..................... ....... 3.1Definición………………………………………………………………………………………………………………………………… 3.2Componentes………… 3.2Compo nentes………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 3.3TiposdeVálv 3.3Tipo sdeVálvulasdeCon ulasdeControlyActua trolyActuadores…………………………………………………… dores……………………………………………………………. ………. 3.4ConceptosTécn 3.4Conc eptosTécnicos……………………………………………………………………………………………… icos…………………………………………………………………………………………………………… …………… 3.5SelecciónyDime 3.5Sele cciónyDimensiona nsionamiento……………………………… miento……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………. CAPÍTULOIV CAPÍTULOIV.TEORÍADE .TEORÍADECONTROL..... CONTROL.................. ......................... ........................... ............................ .................... ....... CAPÍTULOIV.TEORÍADECONTROL 4.1Introducción…………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………

7 7 16 21 25 45 51 51 58 59

5.4Comparaciónentre 5.4Compa raciónentreSCADAyDCS…………………………… SCADAyDCS……………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………. ………………………………………………. 

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4.5ModosdeCont 4.5Mod osdeControl…………………………………………………………………………………………………………… rol………………………………………………………………………………………………………………… …… 4.6EstabilidadyEn 4.6Estab ilidadyEntonación tonacióndeLazos… deLazos……………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… 4.7Controladores…………… 4.7Cont roladores………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………. CAPÍTULOV.INTRODUCCIÓNASISTEMASDECONTROL.......................   CAPÍTULOV.INTRODUCCIÓNASISTEMASDECONTROL 5.1ControladoresLó 5.1Cont roladoresLógicosProg gicosProgramables………………………………………………………………………. ramables………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………….  5.2SistemasSCADA………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 

  

61 62 63 63 64 71 85 96 105 105

5.3SistemasdeCon 5.3Siste masdeControlDistrib trolDistribuido…………………………………………………………………………………… uido…………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… 

4.4DiagramasdeBl 4.4Diag ramasdeBloques…………………………………… oques……………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………

 

107 111 121 126 135 146 149 149 152 153

4.2TérminosImportantes………………………………………………………………………………………… 4.2TérminosImportan tes………………………………………………………………………………………………………. ……………. 4.3LazosdeCon 4.3Lazo sdeControl………………………………………………………………………………………………………… trol…………………………………………………………………………………………………………………. ……….



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INTRODUCCIÓN El campo de la instrumentación y control consta de diferentes áreas desde el elemento sensor hasta los elementos finales que ejecutan las acciones de control y mantienen a las variables de una planta o sistema dentro de los valores correctos de funcionamiento. Aunque cada área o componente tiene una función específica, solo una buena integración de los mismos logrará un correcto funcionamiento del sistema. En general, se puede decir que el objetivo del control automático de procesos es mantener un determinado valor de operación, las variables del proceso tales como temperaturas, presiones, flujos, etc., con la finalidad de satisfacer los requerimientos de seguridad y de calidad de los productos. Como se verá, los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no se emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es decir, aquellas que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los índices de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño. Es notable el impacto que sobre el desarrollo de nuevos sensores, transductores y sistemas de Instrumentación y control, ha tenido el avance tecnológico en el área de la Instrumentación, tal como: mayor precisión, mayor sensibilidad, mayor confiabilidad, etc., es por ello que los ingenieros que laboran en el campo de la instrumentación y control tanto en el área de ingeniería como de mantenimiento, deben mantener conocimientos actualizados de las nuevas tecnologías, lo cual en conjunto con un detallado conocimiento del proceso y de los principios de operación y control, generará resultados altamente satisfactorios en el desempeño de los sistemas o plantas de proceso.

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OBJETIVO DEL CURSO

 ElCurso“INSTRUMENTACIÓNBÁSICAPARAINGENIEROS”esunaoportunidad para pa ra qu que e su su per perso sonal nal pr profe ofesio sional nal conoz conozca ca con con ma mayor yor profu profund ndida idad d el pri princi ncipio pio de de oper op erac ació ión, n, ap aplilica caci cion ones es, , co cons nsid ider erac acio ione nes s y proc proced edim imie ient ntos os de de espe especi cific ficac ació ión n y mantenimientodelasdiferentestecnologíasdeinstrumentaciónquenormalmentese encu cuen entr tra an en las plan lanta tas s de de pro roce cesa sam mient iento o, co con n la fina inalid lidad ad que ue inte intera racctúe túe ef efic icie ient ntem emen ente te en en la la op oper erac ació ión, n, di diag agnó nóst stic ico, o, inge ingeni nier ería ía y ma mant nten enim imie ient nto o de de las las mismas,yseacapazdegarantizarqueeldiseñocumplirálosrequerimientosdela filo filoso sofífía a de de co con ntr trol ol o ge gene nera rar r re reco come mend ndac acio ione nes s pa para ra es esto to. . Ad Adem emá ás es esta tará rá en en capa ca paci cida dad d de de ef efec ectu tuar ar cá cálc lcul ulos os de de in inge geni nier ería ía pa para ra de dete term rmin ina ar si si deter etermi mina nado dos s elemento elem entos s decon de control trolse seenc encuent uentra ra operand operando o den dentro trode delos losparám parámetro etros s ade adecuad cuados, os, pudien pudi endo do ad adem emás ás ge gene nera rar r la la do docu cume ment ntac ació ión n de de inge ingeni nier ería ía, , tale tales s como como plan planos os, , especificaciones,etc.

 

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CAPITULO I MEDICIÓN DE VARIABLES DE PROCESO 1.1 FUNDAMENTOS DE MEDICIÓN Procesos Es el conjunto de funciones colectivas realizadas en y por el equipo en el cual se controla una variable. El ttermino ermino proceso incluye todo lo que afecta la variable controlada (excepto el controlador).

Valvula Automatica

Controlador

Flujo de Entr Entrada ada Flujo de S Salida alida

Figura 1. Ejemplo de Lazo de Control El bucle de control típico está formado por el proceso, el transmisor, el controlador y la válvula de control. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la industria papelera, la industria textil, etc.

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Variables de Control

Variable medida Es una cantidad física o condición que está siendo medida. Ejemplo: Temperatura, Flujo, Presión, Nivel, etc. Señal Medida Es una variable eléctrica o neumática. Ejemplo: En un termopar la señal medida es una fuerza electromotriz, la cual es el análogo eléctrico de la temperatura. Elementos Primarios Es la parte de la unidad de medición que está en contacto con el proceso y convierte la energía de la variable en una señal adecuada para su medición. Cuando en un lazo de control aparezca el transmisor, se entiende entiende que debe existir un elemento sensor (elemento primario) y uno de medición. Tipos Los tipos de elementos primarios pueden clasificarse en mecánicos y eléctricos. Los elementos mecánicos emplean la acción de la variable de proceso para generar un movimiento, desplazamiento, torsión, etc., lo cual se aprovecha para cuantificar la variación de la medida. Los elementos eléctricos generan una variación en la corriente o voltaje de un determinado punto de un sistema cuando ocurre un cambio en la variable de proceso. Dentro de los elementos mecánicos mas conocidos se tienen los Tubos Bourdon, los que funcionan bajo el principio mecánico de que un tubo enrollado, cerrado por un extremo tiende a enderezarse cuando por el otro extremo del tubo se le aplica un gas o liquido bajo presión.

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A.A.- Tipo ipo C

B.- Ti Tipo po Espir Espiral al

C.- Tip Tipoo Hel Helicoi icoidal dal

Figura 2. Tipos de Tubo Bourdon

Existen tres configuraciones de tubos Bourdon como son: Tubo Bourdon tipo “C”: Se utilizan principalmente para indicación local en medidores de presión, que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberías. Tubo Bourdon en Espiral: Se construyen enrollando el tubo, de sección transversal plana. Este arreglo da al espiral un mayor grado de movimiento por unidad de cambio en la presión si se compara con el tubo tipo Bourdon tipo “C”. Tubo Bourdon Helicoidal: Se construye de manera similar al tubo en espiral, pero enrollando el tubo en forma helicoidal. Aplicaciones: Se utilizan sensorestransmisores de mediciónydirecta y como sensores de presión en ciertos tipos decomo controladores, registradores. Ventajas y desventajas: bajo costo, construcción simple, buena relación precisión/costo pero pierden precisión por debajo de 50 Psig. Un ejemplo de elemento primario eléctrico es el termopar, el cual es uno de los sensores más sencillos y comunes utilizados para determinar la temperatura de los procesos. Básicamente un termopar termopar está constituido por dos metales diferentes tales como alambres de hierro y constantán.

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En 1821 T.J. Seebeck descubrió que cuando se aplica calor a la unión de dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (f.e.m.) la cual puede ser medida en el otro extremo de estos dos metales (conductores). Este es el principio en el cual se basa la medición m edición de temperatura utilizando termopares. Los conductores de un termopar forman un circuito eléctrico, por el cual fluye corriente como resultado de la f.e.m. generada. Otro elemento primario eléctrico es la RTD. El principio de operación de los detectores de temperatura tipo resistencia (RTD) está basado en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales varía directamente con la temperatura. t emperatura. La magnitud de este cambio frente a 1°C de cambio e n la temperatura se conoc conocee como “el coeficiente de Resistencia de Temperatura” ( α)

Los metales utilizadosαen el 392 diseño de detectores resistencia son: Platino el cualcomúnmente tiene un coeficiente =0.00392 =0.00 Ohm/Ohm/° Oh m/Ohm/° C y sedeutiliza para me medir dir temperaturas temper aturas en el e l rango de -263 -26 3 °C a +545°C; y Níq uel el cua cuall tiene un co coefici eficiente ente 0.006 3 Ohm/Oh Ohm/Ohm/° m/°C, utilizado utiliz ado para par a medir temperatu te mperatu ras en el rango ddee -190 °C a α= 0.0063 + 310°C. Otros materiales utilizados son: plata, Tu ngsteno, Cobre y Oro. Un elemento de tipo eléctrico para medición de presión es el basado en celdas capacitivas, cuyo esquema se muestra m uestra en la figura siguiente:

Figura 3. Esquema de Celdas Capacitivas Cuando la presión aplicada produce una deflexión en el diafragma, la capacitancia del elemento sensor cambia en proporción a la presión aplicada, ya que la capacitancia es función del material dieléctrico entre las placas del condensador y de la distancia entre las mismas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en

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la señal de voltaje DC del circuito del puente. Esta variación de voltaje se convierte en una señal standard de 4-20 mA. Estos transductores pueden sensar presiones bajas, se usan frecuentemente en transmisores de d e presión manométrica y diferencial. Sus principales ventajas son buen desempeño para medir presiones bajas, son de construcción rígida y no son afectadas por vibración. Sus desventajas: sensibles a la temperatura, requiere electrónica adicional para producir una señal de salida standard y requiere fuente de poder externa.  

Presión

Amplificador

Figura 4. Esquema de Sensores Piezoresistivos Otro elemento primario eléctrico es el basado en sensores piezoeléctricos. La piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la presión sobre ciertas sustancias cristalinas como com o el cuarzo, titanato de bario, etc. Las piezoresistencias están difundidas en un medio homogéneo de silicona cristalino, de esta manera las resistencias están integradas al elemento sensor. En la figura se muestra un corte del elemento sensor con los cables soldados a los contactos metálicos. El elemento sensor está formado por cuatro piezoresistencias iguales difundidas o ensambladas en la superficie del diafragma delgado de silicona. Contactos de oro enUnla cambio superficieendella diafragma de silicona la conexión a las piezoresistencias. presión hace que elproveen diafragma se deforme, induciendo en él un esfuerzo y también en la resistencia. El valor de la resistencia cambiará dependiendo de la cantidad de presión aplicada al diafragma. Los transductores piezoeléctricos se utilizan para medir presiones absolutas, diferenciales o manométricas.

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Transmisores Los transmisores son sistemas de transmisión remota para enviar mediciones de presión o de diferencial de presión, sobre distancias relativamente largas y pueden ser neumáticos o electrónicos. Tienen muchas ventajas dentro de los cuales se pueden mencionar seguridad, economía y conveniencia. Transmisión Neumática: Un amplificador neumático convierte un pequeño cambio en la señal de entrada, en un gran cambio en la señal de salida. Transmisión Electrónica: Este transmisor está basado en un transductor capacitivo. La presión del proceso se transmite a través de diafragmas separadores y un fluido de sello (aceite de silicona) a un diafragma sensor en el centro de la celda. Este diafragma se deflecta en respuesta al diferencial deplacas presióndela capacitor presión través de se él. convierte La diferencia en capacitancia el diafragma sensor y las electrónicamente enentre una señal de 4-20 mA DC.

Figura 5. Transmisor Inteligente de Presión Hasta hace poco, los transductores y transmisores habían sido de tipo analógico, convirtiendo movimientos mecánicos y cambios en propiedades eléctricas en señales normalizadas de 3-15 Psig o 4-20 mA DC. La exactitud total es mejorada eliminando las fuentes principales de error en un transductor, como son aquellas generadas debido a cambios en la temperatura y presión estática. Con el poder del microprocesador es posible medir los efectos de la temperatura y presión estática sobre cada sensor.

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Cálculo de Variables Entrada / Salida en Transmisores Tran smisores 4-20 mA   De variable medida a señal medida:



mA = 4mA +

(16mA)  (Variable − L INF . RANGO ) (Span)

  De señal medida medida a variable medida:



Variable = L INF . RANGO +

(Span) (mA − 4mA) (16mA)

Un cálculo muy frecuente realizado en campo bien sea en labores de mantenimiento o en pruebas de lazo para arranque de instalaciones, es la verificación de la salida de los transmisores en cuanto a su salida y la correspondencia con la variable de proceso. Aunque el procedimiento es sencillo muchas veces suelen cometerse errores efectuando la conversión. En esta diapositiva se pueden apreciar las ecuaciones aplicables a un transmisor electrónico con salida 4-20 mA para convertir de la variable de proceso medida a la señal medida en mA y viceversa. Este es el caso más común en las instalaciones petroleras donde existe instrumentación electrónica. Para el caso de instalaciones donde aún se manejan transmisores neumáticos cuyo rango usual es 3-15 psi, aplican las mismas ecuaciones descritas, sólo que se debe cambiar la unidad de la señal medida de mA a PSI, cambiar 16 mA por 12 PSI (amplitud de salida) y cambiar los 4 mA por 3 PSI (BIAS). Controladores Los controladores son los que reciben la información del transmisor, la comparan con un valor preestablecido, llamado comúnmente set-point y envía una señal de corrección en función de la desviación desviaci ón al elemento final de control. De acuerdo a la energía utilizada, se puede decir que los controladores más usados son los neumáticos y los electrónicos y según su diseño, hay instrumentos de esta clase para instalar en campo y en sala de control. De acuerdo con los requerimientos de control de una variable determinada y las características de los procesos, es necesario adecuar el controlador a uno de los modos o acciones de control, lo cual constituye un aspecto muy importante para asegurar la estabilidad de los procesos. 13

 

 

Elementos Finales de Control En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente cont inuamente variable. Tipos: •Válvulas de control • Bombas dosificadoras accionadas por actuadores neumáticos o electrónicos • Actuadores de velocidad veloci dad variable que gobiernan la velocidad de bbombas ombas centrifugas, ventiladores, compresores, etc. En los sistemas de control del controlador sobre la válvula (elemento final automático de control) laa señal travésdedesalida un actuador, el cualactúa provee la potencia mecánica necesaria para operar la válvula de control. Clasificación de los Instrumentos Una de las formas de agrupar los instrumentos es considerando la variable donde prestan servicio. La Cantidad de variables utilizadas en los procesos industriales es muy amplia. A continuación se listan algunos de los instrumentos: Instrumentos de: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Velocidad, Humedad, PH Los instrumentos se pueden agrupar, también dependiendo del tipo de energía empleada para generar la señal que transporta la Combinaciones. información, como son: Mecánicos, Neumáticos, Eléctricos, Electrónicos, Hidráulicos, La necesidad de realizar distintas operaciones en la medición y en el control de las variables ha generado una gran variedad de instrumentos, de los cuales los más utilizados son: Indicadores, Registradores, Transmisores, Controladores, Convertidores.

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  Errores de Los Instrumentos Tal como puede observarse en la figura siguiente, un instrumento se considera que está bien calibrado (A), cuando en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado o registrado o transmitido, está comprendido entre los límites determinados por la precisión del instrumento. En un instrumento ideal sin error error la relación entre los valores reales de la variable comprendidos dentro del campo de medida, y los valores de lectura del aparato es lineal.

(A)

(B)

100%

L Inst. Bien E C Calibrado

Error de L Cero E

T U 50% R A

C T U R A 0%

0 50% INTERVALO DE MEDIDA

(C)

100%

100 %

Error de 100% Mult.

0

(D)

VARIABLE REAL

100%

Error de 100% Angularidad

L E C T U R A

L E C T U R A

0% 0

VARIABLE REAL

100%

0

100% VARIABLE REAL

Figura 6. Errores de los Instrumentos Error de cero (B): Todas las lecturas están desplazadas un mismo valor con relación a la recta representativa del instrumento y puede ser positivo o negativo. Error de Multiplicación (C): Todas las lecturas aumentan o disminuyen progresivamente con relación a la recta representativa. En la figura se observa que que el punto base no cambia y que la desviación progresiva puede ser positiva o negativa. Error de angularidad (D): La curva real coincide solo con los puntos de 0% y 100%.

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1.1.1 MEDICIÓN DE PRESIÓN La presión se define como fuerza, dividida por p or el área sobre el cual se aplica. En procesos industriales existen variadas aplicaciones de medición de presión, entre estas aplicaciones se tienen: (1) Calidad del producto, la cual frecuentemente depende de ciertas presiones que se deben mantener en un proceso. (2) Por seguridad, como por ejemplo en recipientes presurizados donde la presión no debe exceder un valor máximo dado por las especificaciones de diseño. (3) En aplicaciones de medición de nivel (4) En aplicaciones de medición de flujo.

Tipos de Presión Presió Presión nA Presión Manometrica Presión Absoluta

Presión Diferencial

Presión Negativa (Vacio)

Presión Presión B

Presión Pres ión Atmosfe Atmosferica rica

Cero Absoluto

Figura 7. Tipos de Presión Presión Absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presión atmosférica. Presión Manométrica: Se define como la presión relativa a la presión atmosférica. Presión de Vacío: Es la presión medida por debajo de la presión de vacío. Presión Diferencial: Es la diferencia en magnitud entre el valor de una presión y el valor de otra tomada como referencia. Presión Hidrostática: Es la presión ejercida por una columna de líquido.

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Unidades de Medición de Presión

Figura 8. Tabla de Equivalencia de Unidades de Presión. En las plantas Industriales se utilizan distintas formas para expresar las presiones de los procesos, dependiendo del sistema de unidades aplicado en las plantas, el cual puede variar de un lugar a otro. La tabla anterior muestra las equivalencias entre las unidades de presión más usadas.

Instrumentos de Medición de Presión Indicadores

Figura 9. Indicador de Presión.

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Los elementos primarios más utilizados para la medición de presión trabajan basados en el principio de la deformación elástica. Entre los medidores de presión por principio mecánico el más usado por su bajo costo, fácil instalación, poco espacio físico que ocupa y por su sencillez, es el medidor de presión a base de tubo Bourdon, llamado así en honor a su inventor, el Ingeniero Eugenio Bourdon. La figura anterior muestra un medidor de presión tipo tubo Bourdon en “C” y a la derecha todos sus componentes. Los manómetros pueden fabricarse con tubos Bourdon de varios materiales, entre los cuales se tienen: Acero Inoxidable 304 y 316, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosión. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta de 300 Psig, mientras que uno de acero puede manejar presiones hasta 4000 Psig. Registradores Locales: Se caracterizan porque su elemento de medición está capacitado para recibir la señal de la variable directamente del proceso. Constan básicamente de un elemento de medición que registra por medio de un sistema de entintado y de un reloj que, generalmente es el impulsor de la carta. Los puede haber de presión estática o diferencial. Los de presión estática utilizan un tubo Bourdon helicoidal como elemento primario, y los segundos emplean una cámara diferencial de diafragma. Hay también registradores combinados diferencial / estática, que serán analizados más adelante en la sección de medición m edición de flujo. Remotos: Están asociados a un transmisor, por lo tanto su elemento de medición sólo recibe señales representativas de las variables de 3-15 Psig si es neumático y de 4-20 mA si es electrónico.

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Patrones de Calibración

(a)

(b) Figura 10. Patrones de Calibración

(c )

Columnas de líquido (a): Las columnas de líquido sirven comúnmente como instrumento patrón de calibración por su alta precisión y estabilidad. Su referencia se basa en la presión hidrostática ejercida por una columna de líquido, normalmente mercurio, o agua destilada para muy bajos rangos. Pueden utilizarse para calibrar instrumentos que midan presiones manométricas positivas, negativas y diferenciales. Peso muerto (b): Es un instrumento patrón utilizado en los laboratorios y talleres de instrumentación, para realizar calibraciones de los medidores de presión. Su referencia se basa en la presión ejercida por la masa de una pesa calibrada. Viene calibrado en varias unidades, según se requiera, incluso en pulgadas de agua. El Comprobador de Manómetros (c): Se utiliza para comprobar manómetros utilizando una bomba y un manómetro patrón como referencia. Calibradores Digitales (c): Son instrumentos electrónicos de alta precisión que pueden ser utilizados tanto en laboratorio como en campo. Versiones más recientes presentan equipos robustos que permiten efectuar calibración documentada de instrumentos, la cual permite interactuar en forma automática las bases de datos con los resultados de las calibraciones. Ejemplo de estos equipos son los calibradores de procesos del fabricante FLUKE, serie 74X, con en software soft ware DPC-TRACK.

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Corrección de Errores en Manómetros Normalmente los manómetros de buena calidad o los manómetros patrones, tienen tres puntos de ajuste (cero, multiplicación y angularidad), pero la mayoría de ellos poseen solo dos puntos de ajuste (cero y multiplicación), ya que son los más susceptibles a falla. Cuando uno de estos manómetros presenta error de angularidad, es necesario desecharlo y reemplazarlo o en su defecto reemplazar el tubo bourdon ya que es probable que fue sometido a un esfuerzo mayor al máximo permisible, por lo que el material modificó su coeficiente de elasticidad. . 

Figura 11. Ajuste de Manómetros El procedimiento de corrección de errores consiste en ajustar primero el cero sometiéndolo a esa presión y ajustando el tornillo de cero, luego se le aplica la presión máxima del rango y se ajusta la multiplicación y de último se ajusta la angularidad (si la tiene) para el centro de la escala. Este procedimiento se debe repetir tantas veces como sea necesario hasta que coincidan perfectamente los 3 puntos. Interruptores de Presión Los interruptores de presión son instrumentos que se accionan por un valor de presión determinado, cortando o dejando pasar el flujo eléctrico o neumático hacia otro dispositivo, para el resguardo del equipo donde están instalados. Estos instrumentos son empleados protección de sistemas por alta y baja presión y también para establecer las secuencias de arranque y las alarmas de altos o bajos de presión, en diversos equipos industriales.

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Tipos: Con Microinterruptor: su principio de funcionamiento se basa en la fuerza que produce la presión al actuar sobre un diafragma para accionar un microinterruptor, que corta el fluido eléctrico hasta el dispositivo que protegerá al equipo ante cualquier alta o baja presión. Con cápsula de líquido: Funciona aprovechando la fuerza generada por la presión, para mover una cápsula que contiene un liquido conductor de la corriente eléctrica, el cual al desplazarse dentro de la cápsula cá psula interrumpe el paso del fluido eléctrico. 1.1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURA Escalas de Medición de Temperatura

-273,16

0

100

0

273,16

373,16

-459,69

32

212

0

491,69

673,69

Cero Absoluto

Punt Punto o de Congelació Cong elación n de aguaa a P. atm. agu atm.

°C °K °F °R

Punt Punto o de ebul ebulli lici ción ón de dell agua a P. atm.

Figura 12. Escalas de Temperatura. Celcius: Esta escala es usada en los países donde se adopta el sistema métrico. Fue introducida en el año 1743 por Celcius Upsala (Suecia). En esta escala se ha marcado con cero grado el punto de fusión del hielo y con 100 grados el punto de ebullición del agua destilada, con una presión de una atmósfera y se designa con la letra “C”. Fahrenheit: Se identifica con la letra “F” y se diferencia de la escala en grados centígrados solamente por su graduación. En su construcción se ha señalado el punto de fusión f usión del hi hielo elo en 32°F, en lugar de 0°C, y el punto de eb ebullici ullición ón de agua en 21 212° 2°F, en ve vezz de de 100 1 00 °C.

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Kelvin: Se designa con la letra “K”. El punto de fusión del hielo corresponde a 273,16 °K y el punt puntoo de ebulli ebu llición ción del agua a gua a 373,1 37 3,166 °K. Rankin: Se designa con la letra “R”. El punto de fusión del hielo corresponde a 491,69 °R y eell punto punt o de d e ebullición ebul lición del agua a gua a 671,6 9 °R Equi Eq uival valen encia cias: s:

°C = 5/9 (°F-32 F- 32)) °F = 9/ 9/55(°C) + 32

Instrumentos de Medición de Temperatura Termómetros

De Vidrio

Bimetálicos

Sistemas llenos

Figura 13. Tipos de Termómetros. De Vidrio: Los termómetros de vidrio se basan en la propiedad que tienen los líquidos de al de aumentar termómetros de vidrio están constituidos pordilatarse un capilar vidrio ylauntemperatura. depósito queLos contiene un líquido, por ejemplo, mercurio. El líquido contenido se dilata o se contrae y varía la altura dentro del capilar. Bimetálicos: Estos termómetros se basan en el hecho de que los metales tienen un coeficiente de dilatación diferente. diferente. El principio de operación es que si dos dos láminas de metal con coeficientes de dilatación diferentes, se funden una a la otra, ocurre una distorsión al ser calentadas, ya que uno de los metales tratará de dilatarse más que el otro. Para uso industrial, la cinta bimetálica generalmente se dobla en forma helicoidal, de modo que al calentarse se produce un movimiento de rotación, el cual se utiliza para mover una aguja de indicación. Sistemas llenos: es un conjunto integrado por un bulbo, un capilar y un elemento elástico, llenos de un gas, líquido o vapor. El bulbo va introducido en el proceso, el 22

 

 

cual al cambiar la temperatura, modifica la presión del fluido dentro del conjunto, deformando el elemento elástico, originando el movimiento para indicar la temperatura. Termopares

Figura 14. Tipos de Termopares. El termopar es uno de los sensores sencillos y más comúnmente utilizados para determinar la temperatura de los procesos y está constituido básicamente por dos metales diferentes. En 1821 T.J. Seeback descubrió que cuando se aplica calor a la unión de dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (fem) la cual puede ser medida en el otro extremo de estos dos conductores. La junta de medición es el extremo en el cual se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir y la junta de referencia es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medición. Los conductores de un termopar forman un circuito eléctrico, por el cual fluye una corriente como resultado de la fem generada. Esta fem es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos juntas. La corriente fluirá cuando T1 sea diferente a T2.

RTD´s

23

 

 

El principio de operación de los detectores de temperatura tipo resistencia (RTD) está basado en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales varía directamente con la temperatura. La magnitud de este cambio frente a 1°C de cambio e n la temperatura se conoc conocee como “el coeficiente de Resistencia de Temperatura” ( α) Rt = Ro(1+αT) Tapa

Entrada para Conexión del el conduit cabezal

Rosca para montaje (T (Tipi ipico co 1/ 1/2” 2” NP NPT) T) Termopozo

Longitud sensible (Tipico 1”) (Tipico

Alambres del elemento sensor Aislante de ceramica

Figura 15. RTD. Los metales comúnmente utilizados en el diseño de detectores de resistencia son: Platino el cual tiene un coeficiente α=0.00 =0.00392 392 Ohm/Ohm/° Oh m/Ohm/°C y se utiliza para me medir dir temperaturas temper aturas en el e l rango de -263 -26 3 °C a +545°C; y Níq uel el cua cuall tiene un co coefici eficiente ente α 0.006 0.0063 3 Ohm/Oh Ohm/Ohm/° m/°C, utilizado utiliz ado para par a medir teTu mperatu rasCobre en el rango +=310° C. Otros materiales utilizados son: plata,temperatu ngsteno, y Oro. ddee

-190 °C a

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1.1.3 MEDICIÓN DE FLUJO Tipos de Flujo Flu Flujo jo Lami Laminar nar Uniforme

Flu Flujo jo Lami Laminar nar No Uniforme

Flujo Turbulento

Figura 16. Tipos de Regímenes de Flujo.

Existen métodos confiables y precisos para medir flujo.y otros Algunos son aplicables solamente a líquidos otros solamente a gases y vapores a ambos. El fluido puede ser limpio o “sucio”, seco o húmedo, húme do, erosivo o corrosivo. El fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de flujo determinado, dependiendo en alto grado de su velocidad. Estos patrones se conocen como “laminar” y “turbulento”. El flujo laminar es referido algunas veces como un flujo viscoso, se distingue por el hecho de que las moléculas de fluido siguen trayectorias paralelas cuando el fluido se mueve a través de la tubería. Es el flujo que regularmente se quiere tener, ya que con él se reduce el error en la medición m edición de caudales. El flujo turbulento por otra parte, se caracteriza por patrones erráticos debido a que la turbulencia crea remolinos que mueven las moléculas de fluido a lo largo de las trayectorias irregulares. Unidades de Medición La cantidad de cierto líquido, gas o vapor se puede medir en unidades de masa, y el régimen de flujo se puede medir en unidades de masa por unidades de tiempo, por ejemplo, en libras por hora.

25

 

 

  L i q u id o s Galones por m inuto ( G .P . M . )

Ft3 /Ho  /Hora, ra, Ft 3 /dia

Lib Libras ras /hora /ho ra

Litros/seg

M 3 /dia,  /di a, M 3 /ho  /hora ra

Ton/h To n/hora ora,, T Ton on/dia /dia

cm 3 /min

Kilo/h Kil o/hora ora

Barriles/dia

G a se s

V a p o re s

Unidad

Equivalencia

1 pie3 /min

7,4805 G.P.M G.P.M..

1 G.P.M.

3,75 L.P.M.

1 Barril/H

42 G.P.H.

1 Kg/H

2,205 Lb/H

1 m 3 /dia

35,28 pie 3 /dia

Figura 17. Unidades de Medición de Flujo. Con mucha frecuencia, se mide la cantidad de fluido por unidades de volumen y el régimen de flujo, en unidad de volumen por unidades de tiempo. Por ejemplo, galones por minutos, barriles por día, pies cúbicos por hora, etc. Aun cuando la cantidad de un fluido se exprese en unidades de volumen, lo que en realidad interesa es conocer su masa. El volumen correspondiente a cierta masa es variable puesto que depende de la presión y temperatura, por lo tanto para que haya una relación fija entre volumen y masa es necesario que el volumen considerado sea el que corresponde a ciertas condiciones de temperatura y presión. Factores que Afectan el Flujo Velocidad del fluido: El termino velocidad, cuando se aplica al flujo de fluido en tuberías se refiere a la velocidad promedio del fluido, ya que varía de acuerdo a cada sección transversal de tubería. El fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de flujo determinado como laminar o turbulento. La fricción:

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La fricción de la tubería reduce la velocidad del fluido, por lo tanto, se considera un factor negativo. Debido a esta fricción, la velocidad del fluido es menor cerca de la pared que en el centro de la tubería. Mientras más lisa es una tubería, menor es el efecto de la fricción sobre la velocidad del fluido. Viscosidad (µ): La viscosidad es una medida cuantitativa de la tendencia del flujo a resistir la deformación. Los fluidos que fluyen libremente tienen viscosidades bajas; los fluidos que parecen resistir a fluir libremente tienen viscosidades altas. La Viscosidad se mide en unidades de centipoise o viscosidad cinemática (centistoke) que se obtiene dividiendo los centipoise por la gravedad específica. Densidad:

La densidad de líquidos una sustancia define como su peso unidad de mientras volumen.que La densidad de los cambiase considerablemente con lapor temperatura, los cambios por variaciones de presión son despreciables. La densidad de los gases y vapores es mayormente afectada por los cambios de presión y temperatura. La gravedad específica (SG) de un fluido es la relación de su densidad con respecto a una densidad patrón. El patrón para liquido es el agua ( ρ = 1 gr/cm3 gr/c m3 a 4°C y 1 atm). at m). El pa patrón trón ppara ara gas gases es es el aire (ρ = 1.29 1 .29 gr/lt gr/l t a 0° 0 °C y 1 atm) atm ) Presión y Temperatura: Los efectos de la presión y la temperatura ya han sido descritos en el análisis de densidad y viscosidad. El método más común de medición de flujo, el método de diferencial de presión, asume que tanto la presión y temperatura del fluido son constantes. En algunas aplicaciones esta suposición es valida, en otras es necesario hacer compensaciones.

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Instrumentos de Medición de Flujo Medidores Diferenciales

Figura 18. Medición de Flujo por Presión Diferencial. Este método es el más usado en el mundo debido a que tiene muchas ventajas. No es el mejor procedimiento en cuanto a precisión se refiere, ya que existen otros que proporcionan una medición más exacta. Cuando el caso lo requiera, se puede recurrir a otro método, pero cualquiera elegido siempre generará mayor costo. cos to. El método de medición de flujo por presión diferencial se fundamenta en aprovechar la diferencia de presión que genera la reducción del área, en el medio de transporte, utilizando un instrumento conocido como elemento primario (Placa orificio, tubo venturi, toberas de flujo, tubo pitot), etc.)

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Esta diferencial de presión puede ser detectada por cámaras diferenciales adaptadas a indicadores, registradores y transmisores lo cual generan una señal mecánica o eléctrica proporcional a esta diferencia de presión. Placas de Orificio La placa de orificio está constituida por una placa delgada perforada, la cual se instala en la tubería utilizando bridas especiales tal como se muestra en la figura. Generalmente se construye de acero inoxidable con un espesor que oscila entre 1/8 y 1/2 pulgada. Otros tipos de materiales tales como Monel, Níquel, Hastelloy se utilizan cuando se necesita prevenir la corrosión. El orificio de la placa puede ser de tres tipos: Concéntrico, Excéntrico y Segmental. Las placas de orificio de tipo excéntrico y segmental se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor. Las placas de orificio concéntrico se recomiendan para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases y vapor a baja velocidad. La relación del diámetro del orificio con respecto al diámetro interno de la tubería se llama “relación beta” (β  = d/D). Esta relación, para la mayoría de las aplicaciones, debe estar entre 0.2 y 0.7. Los valores óptimos de β están entre 0.4 y 0.6. Para una misma velocidad de flujo una relación de β  alta produce menor caída de presión que una baja relación de β.

Figura 19. Requerimientos de Tubería Recta para Placas de Orificio.

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La instalación correcta de todos los medidores de flujo diferenciales, requiere la existencia de tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor con el fin de garantizar un perfil simétrico o uniforme de velocidad antes an tes de la restricción.

Figura 20. Instalación de Transmisor en la Placa Orificio de acuerdo al Servicio . En cuanto al lugar de instalación de un medidor o transmisor respecto a la placa de orificio, dependerá si el fluido a medir es gas o líquido. Cuando se mide gas con posibilidades de existencia de líquidos, se recomienda que el medidor esté ubicado por encima dearriba, la placa, tomas que en lacualquier brida sean por arriba o laterales con inclinación hacia conylalas finalidad líquido condensado en las tomas de proceso, drene nuevamente hacia el proceso y no hacia el transmisor. Esto aplica igual donde se miden líquidos que puedan tener sólidos en suspensión. Si se usan sellos remotos se pude instalar en cualquier posición. Cuando se mide líquido por posibilidades de existencia de gas, se recomienda que el medidor esté ubicado por debajo de la placa, y las tomas en la brida sean por debajo o laterales con inclinación hacia abajo, con la finalidad que cualquier gas formado en las tomas de proceso, drene nuevamente nuev amente hacia el proceso y no hhacia acia el transmisor.

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Cajas de Orificio Las cajas de orificio son accesorios que permiten introducir o sacar la placa de orificio en la línea del proceso, sin tener que aislar y aliviar la presión dentro del sistema, la cual representa un ahorro significativo por concepto de producción diferida, si tuviese que detenerse el proceso de producción. Estas cajas son muy utilizadas en los procesos de medición de flujo por presión diferencial, en los cuales se requiere cambiar la placa de orificio frecuentemente. Tal es el caso de la medición de gas natural en los separadores de medida de producción, instalados en las Estaciones de separación de flujo.

Figura 21. Tubo Venturi Tubo Venturi El tubo venturi clásico (tipo Herschel) está caracterizado por una entrada convergente y una salida divergente. La presión interna se mide en su sección de entrada, la cual tiene el mismo diámetro que el de la tubería. Luego sigue una sección de transición, en el cual el diámetro interno se reduce hasta el diámetro de la sección de la garganta. La presión estática se mide en la sección de la garganta, la cual se dimensiona para producir un diferencial de presión deseado a una determinada tasa de flujo. En la sección de salida del tubo venturi, el diámetro de la garganta se incrementa gradualmente hasta hacerse hac erse igual al diámetro de la tubería.

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El tubo venturi se utiliza para medir flujo de líquidos y gases cuando se quiere minimizar la pérdida de presión. El medidor de flujo venturi puede medir hasta un 60% mas de flujo que una placa de orificio pero so costo es de aproximadamente 20 veces más a las de una placa orificio. Un medidor de tubo venturi no tiene partes móviles y no existe posibilidad de que partículas se puedan acumular en la garganta, esto trae como consecuencia un bajo costo de mantenimiento, por lo cual lo hace atractivo para flujos viscosos. La relación de diámetro recomendable es de 0.4 ≤  ≤0.75 Tobera

Figura 22. Tobera La abertura de la Tobera es una restricción elíptica como se muestra en la figura. Las tomas de presión se localizan aproximadamente 1/2D aguas abajo y 1D aguas arriba, D es elesdiámetro de la flujo tubería. La tobera utiliza principalmente cuando donde la turbulencia alta tal como de vapor a altassetemperaturas. La caída de presión que se produce en la tobera es mayor que en un tubo venturi pero menor que en una placa orificio.

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Tubo de Pitot

Figura 23. Tubo de Pitot El elemento utilizado para medir la presión de impacto es un tubo con el extremo doblado en ángulo recto hacia la dirección del flujo. Los tubos se pueden montar separados o en una sola unidad como se muestra en la figura. La Velocidad del fluido puede calcularse de acuerdo a la ecuación de Bernoulli Bernoulli y resulta: V  =

2( Pt   − Ps)  ρ 

 

Cambios en los perfiles de velocidad del flujo pueden causar errores significativos por ello normalmente se utilizan para medir gases. Los tubos Pitot tienen uso limitado porque pueden obstruirse fácilmente con las partículas que puede tener el fluido. Una variante del tubo de Pitot es el medidor Annubar, el cual consiste en un tubo insertado en la tubería con orificios en los que impacta el fluido para medir la presión total, y otro orificio en la parte posterior para restar la presión estática y obtener la presión de impacto. Registradores de Flujo por Presión Diferencial

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  Los registradores de presión diferencial son muy utilizados en las operaciones de producción en el proceso de medición de flujo de gas natural. Constan, básicamente, de una cámara diferencial y de un mecanismo de transmisión de movimientos que amplifican el desplazamiento producido por la diferencial de presión en el elemento primario. Este movimiento se registra en una gráfica, cuya lectura, si es lineal, será proporcional a la presión diferencial; pero si la gráfica es semilogaritmica (Cuadrática), la lectura representará un porcentaje del flujo a través del elemento primario. Usualmente, en este registrador se integra la medición de presión estática fluyente, por lo cual debe tener dos plumillas; una para la presión estática y otra para la diferencial. Ambas se registran en la misma gráfica. Esto requiere dos colores diferentes de plumillas el color rojo se le asigna a la presión diferencial y el azul a la presión estática. Para la lectura de datos en registradores de presión diferencial, se emplean las siguientes ecuaciones: 2

P DIF  =

P EST  =

.  L DIF  Rango  DIF  100 2 . Rango EST   L EST 

Presión Diferencial

Presión Estática

100

Q = C . L DIF  L .  EST 

2

Q = C . L DIF .  L EST  +

1470  Rango EST 

Flujo con compensación de presión atmosférica at mosférica en el registrador.

Flujo sin compensación de presión presió n atmosférica en el registrador.

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Para aplicaciones de medición de gases, el tipo de disco más usado es el de raíz cuadrada de 0 a 10, en el cual ambas plumillas registran sobre la misma escala, lo cual facilita la lectura del flujo, pero si se requiere calcular una de las dos presiones (diferencial o estática) por separado, se debe aplicar una de las dos primeras ecuaciones aquí mostradas según sea el caso. Como las ecuaciones que definen el flujo a través de medidores diferenciales están basadas en el uso de la presión estática absoluta, el registrador debe estar calibrado en 14,7 psia para su cero en la estática y de esta manera poder aplicar la tercera ecuación que es la más sencilla para el cálculo de flujo. Si el registrador no se compensa de esta manera, hay que aplicar la última ecuación para determinar el flujo. Esto es necesario hacerlo sólo para casos donde el rango del resorte de presión estática es igual o menor a 500 psi. Medidor de Desplazamiento Positivo

Figura 24. Medidor de Desplazamiento Positivo Los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos que separan la corriente de flujo en segmentos volumétricos individuales. Un volumen conocido de fluido se aísla mecánicamente en el elemento del medidor y es transportado desde la entrada de éste hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente alternadamente los compar compartimentos timentos o cámara del medidor. El volumen total del fluido que pasa a través del medidor en un período de tiempo determinado es el producto del volumen de la muestra por el número de muestras. Los medidores de flujo de desplazamiento positivo frecuentemente totalizan directamente el flujo en un contador integral pero también pueden generar un tren de pulsos que pueden ser leídas localmente o transmitida a una sala de control.

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En la instalación de un medidor de desplazamiento positivo es recomendable la instalación de un filtro aguas arriba para evitar que partículas extrañas entren en la cámara del medidor. Estos medidores son sensibles a los cambios de viscosidad. Para viscosidades menores a 100 Centistokes el medidor debe ser calibrado para el fluido especifico.Entre Por encima de este valor, en están: la viscosidad no afectan el funcionamiento. las características máscambios resaltantes Alta Precisión, Larga Vida, Diseño simple, operación a altas temperaturas, amplio rango de medición, alto costo de mantenimiento. Medidor de Turbina

Figura 25. Medidor de Flujo Tipo Turbina Un medidor de velocidad, utilizado para medir flujo volumétrico, puede definirse como un medidor en el cual la señal del elemento primario es proporcional a la velocidad del fluido. Q=A.V , donde Q=Tasa de flujo, V= Velocidad del fluido, A=Área transversal de la tubería El medidor de turbina trabaja aprovechando la velocidad del fluido para hacer girar un rotor. El fluido transfiere energía cinética al rotor haciéndolo dar vueltas a una velocidad angular determinada. Un medidor de turbina está constituido por un rotor con aspas o hélices instalado dentro de un tramo recto de tubería, axialmente en la dirección del flujo. El rotor generalmente está soportado por cojinetes para reducir la fricción mecánica y alargar la vida de las partes móviles. Los álabes del rotor cortan un campo magnético creado 36

 

 

por un imán permanente, montado en una bobina captadora exterior, lo que produce una frecuencia que es proporcional a la velocidad del fluido. Las siguientes son las características c aracterísticas más resaltantes de los medidores tipo turbina: •  Alta precisión en toda su escala. •  Presentación lineal de la medición •  Aplicaciones de presión relativamente altas

Medidor por Área Variable

P2

Dt Df

Tubo Orificio Anular Flotador

P1

Figura 26. Medidor por Área Variable  Mientras que la placa de orificio mantiene una restricción constante al flujo y la caída de presión resultante aumenta al aumentar el flujo, el rotámetro varía el área de la restricción para mantener una caída de presión constante. c onstante. Un rotámetro está constituido por un tubo vertical de área interna variable a través del cual se mueve el flujo en sentido ascendente y un flotador, bien sea esférico o cónico que tiene una densidad mayor que la del fluido. El flotador crea un pasaje anular entre su máxima circunferencia y el interior del tubo. A medida que el flujo varía el flotador sube o baja para variar va riar el área de flujo.

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La exactitud de un rotámetro puede variar entre 0.5% y 5% de la tasa de flujo. El rango puede variar desde una fracción de cm3/min hasta gpm. La capacidad de un rotámetro se calcula en base al flujo de aire equivalente para servicios de gas o vapor, y en base al flujo de agua equivalente para servicios de líquido. Los fabricantes proporcionan las tablas de capacidad para varios diámetros de tubos y para diferentes tipos de flotador basados en flujos de agua y aire en condiciones Standard. Para hacer la conversión se usan las siguientes ecuaciones: Para Líquidos: gpmH  2 O = gpmfluido

 ( 7 . 02 x ρ ) /( ρ  f  − ρ )  

Para Gas scfmaire = scfmdelfluido

(8.02)(SGx14.7 xTop    ρ  f  Popx530

Donde SG=gravedad específica del gas a condiciones Standard TOP=Temperatura absoluta a condiciones de Operación °R POP = Presión absoluta a condiciones de operación Psia ρ = Densidad del fluido a las condiciones co ndiciones de operación gr/cm3 ρf =Densidad del flotador requerido

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Medidores Ultrasónicos

Tiempo de Viaje

V  =

1   L     Cosφ    t − C 0 

Tipo Doppler

V  =

 L∆ f 

2Cosφ 

T= tiempo tiempo de viaje viaje C0= Velocidad Velocidad del sonid sonido o en el fluido( fluido( En agua 1481 mt/seg mt/seg a 20°C) L= Distancia Distancia entre entre transmisor transmisor y receptor receptor = An An ulo ulo entre ntre dire direcc cció ión n de flu flu o la d dir irec ecci ción ón de la ond ondaa de so soni nido do

Figura 27. Medidores de Flujo Tipo Ultrasónico Ultrasóni co 

Los medidores de flujo de tipo ultrasonido utilizan ondas de sonido para determinar el flujo de un fluido.

Medidor ultrasónico que mide el tiempo de viaje: via je: Este medidor opera colocando dos transductores en posición opuesta de modo que las entredel ellos forman un ángulo de 45°con la dirección del ondas flujo endelasonido tubería.que Laviajan velocidad sonido desde el transductor colocado aguas arriba hasta el transductor colocado aguas abajo representa la velocidad inherente del sonido en el liquido y en sentido opuesto por lo que la diferencia entre estos dos valores se determina electrónicamente dando la velocidad del fluido. Medidor ultrasónico tipo Doppler: Una onda ultrasónica de frecuencia constante es transmitida por uno de los elementos. Partículas sólidas o burbujas presentes en el fluido reflectan la onda de sonido hacia el receptor. El principio doppler establece que se produce un cambio en la frecuencia.

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Características Principales: buena precisión, buenos para medir líquidos con sólidos en suspensión y se pueden adaptar a varios tamaños de tuberías, precisión entre 1% y 5%. Medidor de Coriolis

Figura 28. Medidores de Flujo Tipo Coriolis   Este instrumento consta de un conjunto de tubos alojados en la unidad sensora. A medida que el flujo pasa por medio de los tubos, es forzado a seguir el movimiento vertical de los tubos en vibración. A medida que el fluido se acelera en la entrada y se desacelera en la salida, los lo s tubos se tuercen. La resistencia de los tubos del fluido induce una fuerza de coriolis en cada uno de sus lados. La torcedura provocada por la fuerza de coriolis hace que la amplitud de torsión de los tubos sea directamente proporcional a la tasa de flujo de la masa del fluido que va a través de los tubos. Los detectores de posición, ubicados a ambos lados de los tubos, son los elementos sensores principales usados para determinar el ángulo de torcedura función del tiempo. Ellos envían esta información a la unidad electrónica, donde esen procesada. Las principales características son: •  Mide el flujo de masas directamente •  Las variaciones de temperatura y presión no afecta la medición de la masa. •  Posee alta precisión

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•  Tiene elevada velocidad de respuesta

Principio de operación El fluido de proceso entra al sensor y es dividido, la mitad del flujo pasa a través de cada tubo. Durante la operación una bobina de oscilación es energizada. Esta bobina causa que los tubos oscilen hacia arriba y abajo en oposición uno al otro. La generación de señal se produce al mover cada bobina al campo magnético uniforme del magneto adyacente. El voltaje generado de cada bobina de carga crea una onda senosoidal. Esta Onda generada representa el movimiento de un tubo relativo al otro. Si ambas señales se muestran en fase significa que no hay flujo.

Figura 29. Medidores Coriolis para Condición No Flujo

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Figura 30. Medidores Coriolis para Condición de Flujo Flu jo 

Cuando el fluido está en movimiento a través de los tubos sensores, las fuerzas de coriolis son inducidas. Estas fuerzas causan que los tubos se tuercen en oposición uno del otro. Como resultado de la torcedura de los tubos las ondas sinusoidales no están en fase. La cantidad de tiempo entre las ondas sinusoidales es medida en microsegundos y es llamada delta-T. Delta-T es directamente proporcional a la cantidad de flujo de masa. Mientras más grande sea Delta-T más grande será el flujo de masa.

Figura 31. Medidores Coriolis para Medición de Densidad 

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La densidad del proceso puede ser derivada de la frecuencia natural de oscilación del sensor y esta es tomada de la bobina de carga del lado izquierdo. Como es más fácil medir tiempo que cantidad de ciclos el equipo contabiliza la cantidad de tiempo o período del tubo. La densidad es directamente proporcional al período del tubo. El sensor es operado con aire completamente y el período del tubo es grabado como K1. La densidad del aire la cual es determinada separadamente es guardada como D1. Luego es llenado de agua y el período del tubo es guardado como K2 y la densidad del agua medida separadamente como D2. Entonces las relaciones K1/D1 y K2/D2 caracterizan la respuesta del sensor s ensor a la densidad del proceso. En la gráfica siguiente se muestra las relaciones ploteadas de las dos calibraciones K1/D1 y K2/D2.

Figura 32. Gráfica de relación Período - Densidad  

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Medidor de Torbellinos o Vortex

Figura 33. Medidor de Flujo Tipo Vortex  También llamados tipo Vortex, esta basado en la medición de la frecuencia de oscilación de los vórtices que se crean detrás de un obstáculo colocado en la corriente de un fluido. Cuando el fluido se hace pasar a través de un obstáculo, el flujo es incapaz de seguir la superficie del objeto, apartándose del mismo en un punto para formar una serie continua de corrientes de remolino. La frecuencia de la vertiente es proporcional a la velocidad de flujo e inversamente proporcional al diámetro del objeto. La detección de frecuencia se logra con sensores de presión de cristales piezoeléctricos que detectan los picos de d e presión en el lado contrario del torbellino. Este instrumento puede utilizarse para medir gas o líquido, y den instalarse en tubería recta con longitudes mínimas de 10 diámetros aguas arriba y 5 aguas abajo y debe instalarse perfectamente alineado con la tubería.

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1.1.4 MEDICIÓN DE NIVEL Instrumentos de Medición de Nivel Medición Directa:

Figura 34. Medición Directa de Nivel   La medición de nivel puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos, entre un sólido granulado y un gas o entre un líquido y su vapor. La medición directa son las más antiguas y simples. Entre estos tipos de medidores se pueden mencionar: las cintas graduadas y los tubos de vidrio. La medición por cinta graduada consiste en bajar una plomada con una cinta de aforamiento dentro de un tanque, la huella dejada por el líquido señalará la medida del nivel existente en el tanque. La medición por tubo de vidrio consiste en un tubo montado al lado del recipiente y conectado a este por medio de tuberías y válvulas; como el nivel del líquido del recipiente y en el tubo son iguales se puede observar el nivel eenn el cristal. Existen dos tipos el transparente usado para líquidos con color, viscoso o corrosivos; y el de reflexión que utiliza la incidencia de rayos de luz y se utiliza para líquidos en recipientes de alta presión y temperatura y con c on líquidos transparentes.

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Mínimo Mínim o Nivel Escala Máximo Máxim o Nivel

(a)

(b)

Figura 35. Medición Directa de Nivel por Flotación El método por flotación consiste un flotador (a) que actúa como elemento detector y cambia de posición cada vez que el nivel de liquido varía. Esto origina un movimiento que es transmitido, por medio de un cable y una polea, al exterior del recipiente. En la extremidad exterior del cable existe un contrapeso con trapeso y un indicador recorre la escala. La figura (b) muestra un instrumento constituido por por un flotador y una cinta que acciona un indicador y un contador. Un motor mantiene una tensión constante sobre la cinta. Este mecanismo puede ser equipado con interruptores por alto y bajo nivel para activar alarmas, relés, válvulas solenoides, etc. Medición Indirecta: Por Presión Hidrostática

Por Presión Diferencial

P H

Pe

H

P h

= =

PE  P PE 

× h

Pe

H || L

Atmósfera

P = Presión PE = Peso Específico h = altura

Figura 36. Medición Indirecta de Nivel por Presión de Columna

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Uno de los métodos indirectos más usados en por presión de la columna. La medición de nivel por presión hidrostática en un recipiente o tanque se obtiene del peso del líquido en el fondo del recipiente, mediante el uso del manómetro. El nivel se mide por medio del peso que ejerce una columna de líquido sobre el sensor de presión. caso seenasume que la densidad líquido es constante, sin embargo,En laseste variaciones la temperatura pueden de afectar considerablemente la densidad del líquido afectando la exactitud de la medición. El método más común para medir nivel es utilizando transmisores de diferencial de presión. En los transmisores de presión diferencial, la presión ejercida por la columna de líquido actúa sobre una celda de diferencial de presión, cuyo movimiento es utilizado para transmitir una señal electrónica proporcional a la altura del nivel. Estos transmisores tienen precisiones de 0.2 % a 0.25% 0 .25% del span. Los transmisores de presión manométrica utilizados para medir nivel de líquido, miden la presión hidrostática. Esta presión es igual a la altura del líquido sobre la conexión o toma de proceso, multiplicada por la gravedad especifica del líquido y es independiente del volumen o forma del recipiente. En tanques abiertos, un transmisor de presión instalado cerca del fondo del tanque medirá la presión correspondiente a la altura del líquido sobre él. La conexión se hace en el lado de alta presión del transmisor. El lado de baja presión se ventea a la atmósfera. Si el transmisor está instalado por debajo del valor inferior del rango del nivel deseado, entonces debe hacerse una supresión del cero. Medición por Ultrasonido LECTURA CONTADOR TRANSMISOR OSCILADOR

BLOQUEADOR

Transductor Superficie Superf icie de Reflexión

Figura 37. Medición Indirecta de Nivel por Ultrasonido

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La figura muestra el principio de operación de un sensor de nivel ultrasónico para aplicaciones de nivel continuo. En estos sensores, se mide el tiempo empleado por el sonido en su trayecto desde un emisor hasta un receptor. El instrumento tiene un emisor que proporciona breves impulsos sónicos. Estos impulsos son reflejados por la superficie del material en el recipiente y llegan de nuevo al emisor, que actúa ahora como receptor. El tiempo transcurrido es una medida de la distancia entre el material y el emisorreceptor. Un convertidor electrónico proporciona la medida de nivel. El instrumento puede incluir un sensor de temperatura para compensar los cambios en la temperatura del aire. Para aplicaciones de nivel puntual (control on-off, alarma) se utilizan interruptores en los cuales el sensor se pone en contacto con el fluido del recipiente. El principio de operación de estos interruptores es el de transmitir una onda ultrasónica desde un cristal piezoeléctrico a través de un espacio llamado gap de aproximadamente 1/2” hasta un cristal receptor, cuando este espacio se llena con el liquido la señal se transmite. Características: Sensores no intrusivos que evita problemas de corrosión, medición continua y puntual, no posee partes móviles pero la medición puede ser afectada por el movimiento del material en el tanque. Medición por Radar UNIDAD ELECTRONICA DE MICROONDAS

UNIDAD DE INDICACION

ANTENA TIPO PARABOLICA

Sensor de RADARES CON ANTENA TIPO Temperatura

CORNETA

Figura 38. Medición Indirecta de Nivel por Radar Un sensor de nivel tipo microondas es un sensor no intrusivo. El sistema de medición está formado principalmente por un módulo electrónico de microondas, una antena y sensores de temperatura. Además una unidad local o remota de indicación.

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El principio de operación está basado en el cambio de frecuencia de la señal de radar emitida hacia la superficie del líquido. La señal reflejada por la superficie del líquido en el recipiente tiene una frecuencia diferente a la de la señal transmitida. Esta diferencia de frecuencia es proporcional a la distancia que existe entre el transmisor y la superficie del líquido. La señal de microondas es emitida por una antena la cual direcciona la señal perpendicularmente hacia la superficie del líquido. Una aplicación muy común es la medición de nivel en tanques de techo fijo y flotante en la Industria Petrolera. Interruptores de Nivel Por Flotación

Figura 39. Interruptor de Nivel Tipo Flotador Los Instrumentos de medición de nivel constituidos por flotadores, operan por el movimiento delnivel flotador. El flotador se mueve hacia arribapuede y hacia con los cambios en el del liquido. Este movimiento del flotador serabajo transformado por diversos medios en una acción de indicación, registro o control. Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados en aplicaciones de nivel de líquido. Los más utilizados son los flotadores f lotadores horizontales y verticales. El diseño mostrado en la figura (a) permite que el movimiento del flotador pueda ser usado para operar un interruptor o switch eléctrico. eléc trico. El montaje de este tipo de sensor puede hacerse directamente sobre el recipiente o utilizando una cámara, en el cual se encuentra el flotador, y que puede ser conectada

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al recipiente por medio de bridas. La figura (b) muestra diferentes esquemas de conexión.

Ventajas: •Fácil Instalación • No requiere Calibración • Adecuado a altas temp.(530°C) •y presiones hasta 5000 Psig • No lo afecta la turbulencia y es•puma en la superficie

Desventajas: * Los depósitos de materiales pueden impedir su operación * La exactitud es tá limitada a 61/4” * Requiere mantenimiento frecuente por partes móviles

Tipo Desalojador o Desplazador

Figura 40. Medidor de Nivel Tipo Desplazador Este método funciona de manera similar al de los flotadores con la diferencia que, en vez de usar un flotador que se mantiene en la superficie del liquido, se utiliza un desalojador o desplazador la cual a medida que pierda peso, la fuerza ejercida sobre el resorte disminuye haciendo que este se mueva. Este movimiento se utiliza para activar un interruptor. Generalmente se utilizan para medición de nivel de interfaces, ya que la variable medida es el nivel entre dos medios que tienen diferente gravedad especifica. Las longitudes Standard van desde 0.3 Metros hasta 3 Metros (11.8 “ hasta 118”).

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CAPITULO II 2.1 DOCUMENTACIÓN DE INGENIERÍA DIAGRAMAS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID´S) El diagrama de tuberías e instrumentación es el documento más importante y el segundo que se debe generar en una ingeniería aplicada a una planta de procesos (el primero es el diagrama de flujo de procesos), ya que en el se define como será el funcionamiento de los diferentes sistemas mediante la representación de los equipos que componen la planta, las tuberías que los interconectan y la instrumentación asociada a cada uno de ellos, pudiendo ser posible definir la estrategia, filosofía y arquitectura de control en este documento. Simbología Según ISA S5.1 El propósito de esta Norma es el de establecer un criterio uniforme para designar y sistemas de instrumentación utilizados para la medición y control. La Sociedad de Instrumentación de los Estados Unidos (ISA: Instrument Society of America) es una de las organizaciones más importantes que han dedicado esfuerzo en la normalización de este campo de trabajo, ella tiene por objeto establecer sistemas de designación (código y símbolos) de aplicación a las industrias químicas, petroquímica, aire acondicionado, etc. Señales de Transmisión Los símbolos asociados a las señales de transmisión representan generalmente, la forma como se transporta la información de un lugar a otro. Existe una gran variedad de estas señales.

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(*) AS Alimentació Alimentaciónn de Aire ES Alim Alimentac entación ión Eléctrica Eléctrica GS Alimentació Alimentaciónn de gas HS Alimentación Alimentación de nitrógeno nitrógeno SS Alimentación Alimentación de vapor WS Alimentación Alimentación de agua ** Se aplica aplica tambien tambien a cualquier cualquier señal que emplee gas como como medio de transmisión. Si el gas es diferente d iferente al aire se debe identificar. *** Los fenómenos Electromag Electr omagnetico neticoss incluyen incluyen calor calor,, ondas de radi radio, o, radiación radiación nuclear nuclear y luz.

Figura 41. Señales de Transmisión Si se emplea un gas distinto dis tinto al aire se debe indicar en una nota n ota al lado del símbolo. Las señales electromagnéticas incluyen ondas de radio, radiación nuclear y luz.

Figura 42. Nomenclatura

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Nomenclatura La simbología descrita en esta Norma puede ser utilizada para identificar instrumentos y sistemas de medición control en cualquier tipo de documento se requiera hacer referencia a un yinstrumento, tales como diagramas dedonde flujo, diagramas de instrumentación, diagramas de instalación, especificaciones, etc. La Norma proporciona la identificación de las funciones principales de un instrumento. Los detalles complementarios del instrumento se dejan para ser descritos en hojas de especificación apropiadas, hojas de datos, u otro documento. Cada instrumento debe ser identificado por un sistema de letras utilizadas para clasificar su funcionalidad. La identidad del Lazo al cual pertenece el instrumento se designa un número al sistema de letras. Este número, en general será común para todos los instrumentos que forman parte del lazo de control. Como ejemplo tenemos el código típico de identificación (Tag Number) para un controlador registrador de temperatura. T R C 2 A Primera letra Letras Subsiguientes # Lazo Sufijo Identificación de la Función del Instrum. Identificación del Lazo

Estos símbolos sirven para señalar el lugar de la planta donde está ubicado el instrumento. Los instrumentos se representan por un círculo, dentro del cual se coloca el número de identificación del instrumento. Los símbolos pueden ser dibujados en cualquier dirección siempre y cuando sean nítidos y legibles. De la misma forma, las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama entrando o saliendo de la parte apropiada del símbolo con cualquier ángulo. direcciónFlechas del flujo.de dirección de señales pueden ser añadidas para aclarar la La alimentación neumática, eléctrica o de otro tipo, no tiene que ser mostrada a menos que sea esencial para comprender la operación del instrumento o lazo. En general una sola línea de señal es suficiente para representar la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo, aún cuando ellos puedan estar conectados físicamente por más de una línea. La identificación de la función de un instrumento debe ser hecha utilizando las letras de la tabla. 53

 

 

La identificación de la función de un instrumento debe hacerse de acuerdo a su función y no de su construcción. Ej Un registrador de diferencial de presión utilizado para medir flujo FR La primera letra de la identificación debe seleccionarse de acuerdo a la variable medida y no de la manipulada. Ejemplo una válvula de control que varía el flujo de acuerdo a la señal de control suministrada por un controlador de Nivel es un LV no un FV. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto. Ej N modulo de Elasticidad y como sucesiva osciloscopio. Letra sin clasificar X. Se emplea en designaciones no indicadas que se utilicen solo una vez o un número limitado l imitado de veces. Ej XR-3 Cualquier primera letrasusisignificado se utiliza con letras de modificación Q (Integración) cambia paralasrepresentar una nueva D(Diferencial), variable medida. Ejemplo TDI y TI miden dos variables distintas. La letra A para análisis es conveniente definir el tipo de análisis El empleo de la letra U es opcional en lugar de combinación de primeras letras. Ejemplo FQIEl empleo de los términos de modificaciones alto, bajo, medio o intermedio y muestreo es preferible pero opcional. El termino seguridad debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia. Ejemplo Válvula autorreguladora de presión para alivio PCV pero si es para condiciones de emergencia PSV. La función pasiva Glass se aplica a instrumentos que proporcionan visión directa. El termino indicación se refiere a la lectura de una medida me dida real de proceso. Una luz piloto que es parte de un lazo de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L Ejemplo E jemplo KL Luz que indica un período de tiempo El empleo de U como multifunción en lugar l ugar de combinación de letras es opcional opcion al 54

 

 

Las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirá al lado del símbolo cuando sea conveniente. LY

Loslatérminos alto, bajo debendecorresponder a valores de laseñal variable medida no a los de señal. Ejemplo Alarma nivel alto derivada de una de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH aun cuando la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor. Los términos alto y bajo cuando se aplican a válvulas se definen como: Alto: Indica posición de apertura Bajo: Denota posición cerrada.

Estos símbolos para señalar el lugar deporla un planta donde está del ubicado el instrumento. Lossirven instrumentos se representan círculo, dentro cual se coloca el número de identificación del instrumento. Los símbolos pueden ser dibujados en cualquier dirección siempre y cuando sean nítidos y legibles. De la misma forma, las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama entrando o saliendo de la parte apropiada del símbolo con cualquier ángulo. Flechas de dirección de señales pueden ser añadidas para aclarar la dirección del flujo. La alimentación neumática, eléctrica o de otro tipo, no tiene que ser mostrada a menos que sea esencial para comprender la operación del instrumento o lazo. En general una sola línea de señal es suficiente para representar la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo, aún cuando ellos puedan estar conectados físicamente por más de una línea.

Simbología de Instrumentos El propósito de esta norma es establecer documentación para instrumentación de computadores y controladores programables. Los símbolos se util utilizan izan para la

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interfase de la instrumentación de campo, instrumentación en sala de control y equipos relacionados. Símbolo

Instrumento instalado Localmente (en el campo) En el panel principal

Detrás del panel principal En el panel auxiliar En el campo para dos variables Controlador logico programable Controlador programable (PLC) Sistema de control distribuido

Figura 43. Simbología

Figura 44. Simbología para Sistemas Computarizados Definiciones: Accesible (accesible): el sistema es visible por la interacción con el operador, permite cambios en setpoint, transfer auto/manual. 56

 

 

Transferible (asignable): Permite al operador cambiar o dirigir una señal de un dispositivo a otro sin tener que cambiar cables.

Interfase Link): un dispositivo en dispositivos. el cual acciones de controlde y/ocomunicación indicación son(Comunication generadas para seres utilizadas por otros Sistema de control por computador (Computer Control System): Un sistema en el cual toda acción de control tiene lugar lug ar en el computador. Sistema de control distribuido (Distributed Control system): Sistema de Instrumentación (dispositivos I/O, control y operación) que además de ejecutar sus funciones de control envía información interactiva a otras localizaciones. Interpretación de PID´s PAH PAL dp/dt PDA

PIC 101

PY 101

FIC 102 FT 102

PT 101

E/H

PAH: Alarma alta presión presión PAL: Alarma baja Presión Presión dp/dt: Tasa Tasa de Cambio PDA: Desviación Desviación del set-Point set-Point

Figura 45. Ejemplo de Lazo de Control Los diagramas de tubería e instrumentación (PID´s) son generados por el Departamento de Ingeniería de Procesos y Mecánica. El Departamento de Instrumentación da su aporte para realizar estos diagramas. Proveen una información más detallada que la que se presenta en los diagramas de flujo (PFD). También muestran:

Todos los equipos con presiones y temperaturas de diseño Todas las tuberías de interconexión, con su tamaño, material y especificaciones de fabricación. 57

 

 

Representación esquemática de todos los lazos de control. Esta representación deberá hacerse siguiendo las Normas S5.1 y S5.3.

Numeración de cada uno de los componentes de los lazos de control Representación de los dispositivos e instrumentos de seguridad En algunas situaciones muestran esquemáticamente las líneas de suministro de los servicios. 2.2 DIAGRAMAS DE LAZOS Los diagramas de lazos son planos de ingeniería de detalles y en ellos se representa la ruta del cableado que siguen los instrumentos y señales asociadas a un lazo de control desde intermedias los instrumentos en campo, pasando por las cajas interconexión hasta sensores los sistemas de control y visualizaciones en de la interfaz hombre máquina. Si el mismo lazo ejerce una acción de control hacia un elemento final, también se representa la ruta de las señales pero en sentido contrario. En este diagrama debe identificarse cada punto de conexión dentro de la borneras por las cuales pasen las señales involucradas, ya que la razón fundamental de este plano es evaluar aisladamente cada lazo de control bien sea para verificación de las conexiones, pruebas de lazos funcionales, detección de fallas (troubleshooting) durante las etapas de construcción, pre-arranque, arranque o mantenimiento durante la operación normal. En la figura siguiente se muestra un ejemplo de un ddiagrama iagrama de lazo para un sistema de control de presión.

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Figura 46 .Ejemplo de Diagrama de Lazo.

2.3 PLANOS DE CABLEADO Y CANALIZACIONES. Según el tipo de proyecto o planta y de acuerdo al criterio aplicado al de desarrollo sarrollo de la ingeniería, podrán existir diferentes planos donde se represente la descripción y la ruta de los cables de instrumentación y control asociados a la planta o instalación. El primer uso de estos planos es durante la construcción para efectuar el tendido de las canalizaciones y los cables, sin embargo son de gran utilidad en mantenimiento para detección de fallas o cuando se requiera hacer modificaciones a plantas existentes. Normalmente estos planos son presentados en vista de planta, que podrá ser uno solo o varios dependiendo del tamaño o complejidad de la instalación. Todas las canalizaciones y cables mediante deben tener un origen yo tag un ydestino. canalizacioneso deber estar identificadas un consecutivo puedenLas ser subterráneas a la vista, lo cual debe diferenciarse claramente claramen te e indicar los puntos de transición. Los cables también deben identificarse, y para cada canalización debe indicarse la cantidad y tipo de cables que por ella pasan. También es recomendable que se indique el porcentaje de ocupación para verificar disponibilidad y cumplimiento de normas y buenas prácticas de diseño. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un plano de canalizaciones de instrumentos.

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Figura 47. Ejemplo de Diagrama de Canalizaciones.

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2.4 PLANOS DE UBICACIÓN DE INSTRUMENTOS. Es un plano de ingeniería de detalles para especificar el sitio de instalación de cada instrumento dentro de la planta, tipo de conexión y altura de instalación con respecto al terreno. En la figura siguiente se muestra un ejemplo de un plano de ubicación de instrumentos.

Figura48. Ejemplo de Plano de Ubicación de d e Instrumentos.

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2.5 HOJAS DE DATOS DE INSTRUMENTOS. Las hojas de datos de instrumentos son los documentos donde se detallan la totalidad las cuales especificaciones técnicas rangos de los mismos, tales como condiciones de proceso adelas estará sometido, de medición, propiedades de los fluidos, tipo de conexión eléctrica, mecánica y neumática, materiales de construcción, función (indicación, transmisión, registro, etc.), tipos de señales a manejar, accesorios adicionales, etc. Cada instrumento que pertenezca a una planta o instalación debe poseer una hoja de datos. Si existen dos o más instrumentos de características idénticas, pueden ser referenciados desde una misma hoja de datos. Normalmente, para muchos instrumentos, en el código de especificación se pueden determinar todas sus características según lo indique el manual del fabricante, en el ejemplo siguiente se tiene el caso cas o de un transmisor del fabricante Rosemount. Determinar las especificaciones del siguiente transmisor Rosemount:



3051L3AB2JD21AAE5M5T1

  De acuerdo a los catálogos del Fabricante Rosemount, el transmisor presenta las siguientes especificaciones: Modelo: 3051L medición de nivel con c on montaje en brida. Rango de -1000 a 1000 inH2O Salida 4-20 mA y protocolo digital Hart. Lado de alta: diafragma de 4”/DN 100. Brida de 4” ANSI 300 RF de SST. Fluido de llenado lado de alta: D.C. Silicone 200. Lado de baja: diferencial, adaptador SST, diafragma 316L SST, fluido de llenado silicone. Material del O’ring: Glass filled TFE. Material de la carcasa: poliuretano cubierto de aluminio. Aprobación FM Explosion-proof. Display LCD Protector de trasientes.

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CAPITULO III VÁLVULAS DE CONTROL

En este capítulo se estudiarán los conceptos básicos necesarios para conocer y comprender el funcionamiento y operación las válvulas de control, conocimientos que a su vez servirán como herramientas para diseñar o evaluar alguna válvula en particular. Se estudiarán los componentes y tipos principales de válvulas y actuadores, se detallará el fenómeno físico que ocurre internamente en las válvulas, así como la terminología y conceptos técnicos necesarios para poder calcular y/o evaluar válvulas de control. Dadas las características del curso, se realizarán cálculos analíticamente de casos sencillos y empleando el software de cálculo se harán ejercicios de complejidad moderada. Por otra parte, el estudio de los casos de flujo multifásico, flujo laminar y de vapor de agua, así como el análisis numérico de los fenómenos de cavitación, ruido y el efecto de los conos reductores, corresponden a cursos más avanzados de selección y dimensionamiento de válvulas de control. 3.1 DEFINICIÓN  DEFINICIÓN  Es el elemento final de control más común, y consiste en un dispositivo mecánico de orificio variable cuya área transversal puede variar según la señal de mando, controlando así el flujo a través del mismo.

qi

LIC LT q0

FO

Figura 49. Válvula de Control Control como Elemento Final Las válvulas de control son el regulador y elemento final de control básico en cualquier proceso que se manejan corrientes de fluidos.

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En las plantas de procesos químicos se utilizan muchas válvulas de control automáticas para regular flujos desde menos de una gota por minuto hasta miles de galones por minuto de fluido y caídas de presión desde pocas pulgadas de agua hasta miles de libras por pulgada cuadrada de presión. La válvula de control actúa como una resistencia variable en la línea de proceso; mediante el cambio de su apertura se modifica la resistencia al flujo, y en consecuencia, el flujo mismo. 3.2 COMPONENTES  COMPONENTES  Cuerpo:

Figura 50. Cuerpo de una Válvula de Control Es un accesorio provisto de rosca o bridas para su conexión, y sirve para el paso del fluido y como contenedor de los elementos internos. Está sometido a las mismas condiciones de presión, temperatura y corrosión que el resto del proceso. Su fabricación más común es en acero al carbono, cuyo espesor y conexiones terminales dependerán del rango de presión a manejar. Externamente es el elemento de la válvula cuya diseño geométrico varía más según el tipo de válvula. Por ejemplo, los cuerpos pueden ser de globo, angulares, de tres vías, de cuerpo dividido, etc. Tal como se s e detallará más adelante.

Actuador:

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Figura 51. Actuador de una Válvula de Control Es el elemento motriz que recibe la señal de control y suministra la fuerza necesaria para hacer variar la posición del elemento móvil dentro del cuerpo de la válvula. El mostrado en la figur figuraa es una actuador neumático tipo diafragma, per peroo tal como se analizará mas adelante, los puede haber ha ber tipo pistón, eléctrico, electrohidráulico, etc. Su configuración también puede variar en energía para extender o energía para contraer, lo cual en combinación con el tipo de válvula en la cual se instale, definirá el tipo de falla, es decir si es falla abierta o cerrada. Trim:

Figura 52. Trim de una Válvula de Control El tapón es el elemento móvil ubicado dentro del cuerpo de la válvula y su posición determina la sección transversal libre a través de la misma, y por lo tanto el porcentaje de apertura. De esta manera, este elemento es el que directamente regula el flujo a través de la válvula.

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En el caso de válvulas rotativas, la función del tapón la suele ejercer un disco (en el caso de válvulas de mariposa) o una bola (en las válvulas de bola). El asiento no es más que la base donde asienta el tapón cuando la válvula esta completamente cerrada. Geométricamente se adapta a la forma del tapón para garantizar la hermeticidad. El conjunto conformado por el tapón y el asiento se denomina trim. Debido a que el diámetro del trim es el que determina la máxima sección transversal libre a través de le válvula, es éste el que define realmente la capacidad de la misma, no el tamaño del cuerpo.

Vástago, Bonete, Empaque y Sellos:

Figura 53 Vástago, Bonete, Empaque y Sellos de una Válvula de Control El vástago o stem es el componente deslizante que transmite la fuerza ejercida por el actuador al elemento móvil dentro del cuerpo de la válvula. Tanto la válvula como el actuador poseen un vástago y cuando son acoplados, el sistema es capaz de operar integralmente. El bonete está normalmente normalmente ubicado en la parte superior del cuerpo, sirve de guía para el vástago de la válvula y de base para el acople del actuador y a su vez contiene los empaques. En servicios de alta temperatura suele emplearse un bonete extendido como el mostrado en la figura del lado derecho para reducir la transferencia de calor hacia el actuador. Los sellos y empaques evitan la emisión de fluidos desde el cuerpo de la válvula hacia el ambiente a través del espacio entre vástago y el bonete y en la unión del bonete y el cuerpo.

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  VÁSTAGO SELLOS BONETE EMPACADURA CUERPO TAPÓN

ASIENTO

Figura 54 Esquema de Componentes Principales de la Válvula En la figura se muestra un diagrama integral con las partes principales de una válvula de control anteriormente descritas. Accesorios Posicionador

Figura 55. Posicionador Mediante un acople mecánico con el vástago del actuador, este dispositivo obtiene una retroalimentación de la posición de la válvula, variable que es comparada con la señal del controlador para mejorar el desempeño completo del sistema y aumentar la precisión al posicionar el vástago.

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Si el vástago no está en la posición que indica el controlador, el posicionador adiciona o quita aire al actuador hasta que tenga la posición correcta. Se recomienda instalar posicionadores en procesos con constante de tiempo lenta tal como temperatura o nivel en fricción recipientes o cuando exista retardo actuadores de gran capacidad, en al grandes vástago por ajuste excesivo de sellospor o fricción por productos viscosos. El posicionador posee tres conexiones neumáticas: la alimentación que viene directo de un regulador a la presión requerida, la entrada que corresponde a la salida del controlador y la salida hacia el actuador actua dor de la válvula. Convertidor Corriente / Presión

º Figura 56. Convertidor I/P y Posicionador Inteligente En los casos más comunes, cuando existen controladores electrónicos o PLC con tarjetas analógicas, la salida de controlador es de 4-20 mA, en estos casos es necesario instalar un elemento para convertir esta salida a una señal neumática capaz de accionar el actuador. Este elemento se conoce como convertidor corriente/presión y normalmente traducen una señal de 4-20 mA linealmente en una señal de 3-15 psi. Este convertidor puede existir integrado al posicionador, en este caso se llama a este conjunto electroposicionador. Existen adicionalmente posicionadores inteligentes los cuales se comunican con los controladores o sistemas de control y supervisión mediante protocolos digitales como Hart, Mobdus, Fieldbus, etc. Tienen la ventaja que pueden intercambiar más información con los sistemas de control ya que la señal digital además de contener la salida del controlador, contiene porcentaje de apertura, status de la válvula, límites, configuración, etc., se pueden calibrar remotamente y pueden hacer diagnósticos a la válvula.

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Multiplicadores, Interruptores de Límite

ENTRADA DIAFRAGMAS PUERTO DEL VENTEO

TORNILO DE AJUSTE BY-PASS BY-PASS

VENTEO PUERTO DEL SUPPLY SUPPLY

SALIDA

 

Figura 57 Multiplicadores e Interruptores de Límite Los multiplicadores (boosters) también se conocen como relevadores de aire. Suelen instalarse en la señal neumática hacia el controlador para acelerar la respuesta de la válvula a un capacidad de cambio salida. de señal proveniente de un controlador o de un I/P con baja Cuando el caso es el mencionado se utilizan boosters con relación 1:1. En ocasiones es necesario multiplicar la salida del I/P o controlador para adecuarse al rango del actuador. En estos casos se utilizan boosters de 1:2 o de 1:3 según sea el caso. Por ejemplo: en un I/P con salida de 3-15 psi que acciona un actuador de 6-30 psi se debe duplicar la señal con un booster 1:2 si no existe posicionador.

Los interruptores de límite se acoplan mecánicamente en el recorrido del vástago y se disparan a determinada posición, para ser usados como alarma, disparar válvulas solenoide o para tomar alguna otra acción acció n de control.

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Válvulas Solenoide, Reguladores

Figura 58 Válvulas Solenoide y Reguladores Las válvulas solenoide son elementos de funcionamiento on/off operados por una señal eléctrica discreta de 24 Vdc o 110 Vac. Pueden ser de dos o tres vías. Estas válvulas normalmente se instalan en la línea neumática que acciona el actuador para ejercer una acción extrema de control tal como hacer abrir o cerrar completamente la válvula de control, como resultado de alguna condición insegura del proceso. Por ejemplo: cuando se recibe una señal de muy alto nivel en un separador gas - líquido se debe hacer abrir completamente la válvula de control de nivel accionando la selenoide e inhabilitando la señal del controlador o I/P. Los reguladores de presión son válvulas autorreguladoras capaces de mantener constante su salida siempre que las variaciones en su entrada ocurran por encima del punto de control. Su requerida función básica es suministrar una presiónI/P, constante para la alimentación neumática por posicionadores, boosters, controladores, etc.

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3.3 TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROL Y ACTUADORES Existen muchos tipos diferentes de válvulas de control en el mercado, los fabricantes con mucha frecuencia ofrecen una “nueva” válvula de control “mejorada”, en consecuencia resulta difícil clasificar toda la gama de d e válvulas existentes. No obstante, estructura mas frecuente de clasificación consiste es clasificarlas según su acción y según su construcción. Debido a la importancia que tiene la determinación del tipo de acción, se incluye como el elemento básico de su clasificación al momento de especificar una válvula, luego se determina el tipo de válvula según su construcción. Cualquier válvula de los diferentes tipos según su construcción puede ser falla abierta o cerrada, según se escoja también su actuador. Las válvulas según su construcción se clasifican en vástago deslizante o “reciprocantes” y vástago rotatorio o “rotativas”. Válvulas Reciprocantes Las válvulas de vástago recíproco también conocidas como reciprocantes o de vástago deslizante, son aquéllas en las que el desplazamiento del vástago ocurre en la misma dirección y sentido que el tapón dentro de la válvula y normalmente perpendicular al fluido o a la tubería de proceso. Esta última condición puede variar en válvulas de cuerpo angular como se analizará mas adelante. Los tipos de válvulas reciprocantes listados son los más comunes en la industria y serán detalladas a continuación. Válvulas Rotativas En las válvulas de vástago rotatorio también conocidas como rotativas, el porcentaje de apertura de éstas viene dado por el ángulo de giro del tapón, disco o bola dentro del cuerpo, con relación al eje de referencia de la válvula. Debido a que los actuadores igualmente son deslizantes, existe una conversión de movimiento lineal en movimiento giratorio, análogo a lo que ocurre entre una biela y un cigüeñal en un motor. La extensión o contracción completa del vástago de la válvula, hará girar el tapón, disco o bola a su máximo o mínimo ángulo de apertura según sea eell tipo de falla. Los tipos más comunes de válvula rotativas se detallarán seguidamente.

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Tipos de Actuadores Los tipos de actuadores más comunes en la industria petrolera para válvulas de control regulatorio son del tipo neumático de diafragma, sin embargo en resto de los indicados suele tener usos en diversas aplicaciones. Además del desempeño y los costos, uno de los criterios determinantes en la especificación de un actuador para una válvula determinada, es el tipo de energía disponible localmente, es decir, si existe o no disponibilidad de aire para instrumentos, energía eléctrica, etc. Si este tipo de limitación no existe, su especificación se reduce al que ofrezca un mejor conjunto; desempeño - inversión - costo de mantenimiento - espacio físico. Válvulas Según su Acción Falla abierta (aire para cerrar):

ENTRADA DE AIRE

VENTEO VENTEO

ENTRADA DE AIRE

Figura 59. Válvulas Falla Abierta Se define como falla abierta al conjunto válvula - actuador que adopta la posición de apertura total en estado de reposo o cuando no recibe señal de control alguna, quedando completamente libre el paso de fluido a través de la válvula. En la figura de la izquierda se observa que el tapón de la válvula está colocado en posición “flujo para cerrar”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para extender” o “de acción directa” para que el conjunto sea falla abierta. En este 72

 

 

actuador la presión de aire entra por la parte superior del diafragma y el resorte de rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la cámara opuesta para para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara. En la figura de para la derecha queseel debe tapóninstalar de la válvula está colocado en posición “flujo abrir”. se En observa este caso un actuador “aire para contraer” o “de acción inversa” para que el conjunto sea falla abierta. En este actuador la presión de aire entra por la parte inferior del diafragma y el resorte de rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la cámara opuesta para para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara. Falla cerrada (aire para abrir):

ENTRADA DE AIRE

VENTEO VENTEO

ENTRADA DE AIRE

Figura 60. Válvulas Falla Cerrada Se define como falla cerrada al conjunto válvula - actuador que adopta la posición de cierre total en estado de reposo o cuando no recibe señal de control alguna, quedando completamente bloqueado el paso de fluido a través de la válvula. En la figura de la izquierda se observa que el tapón de la válvula está colocado en posición “flujo para cerrar”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para contraer” o “de acción inversa” para que el conjunto sea falla cerrada. En este actuador la presión de aire entra por la parte inferior del diafragma y el resorte de rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la cámara opuesta para para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara.

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En la figura de la derecha se observa que el tapón de la válvula está colocado en posición “flujo para abrir”. En este caso se debe instalar un actuador “aire para extender” o “de acción directa” para que el conjunto sea falla cerrada. En este actuador la presión de aire entra por la parte superior del diafragma y el resorte de rango ejerce una contrapresión en sentido contrario. También posee un venteo en la cámara opuesta para para liberar o permitir la entrada de aire en esa cámara. Tipos de Válvulas Reciprocantes Válvula de Globo

Simple Asiento (no balanceada)

Doble Asiento (balanceada)

Figura 61. Válvula de Globo Se les conoce con el nombre de válvula de globo por la forma del cuerpo de la misma. Es el tipo de válvula reciprocante mayormente usada en la industria petrolera. Se puede emplear en altas caídas de presión pero caudales medios a bajos. Puede ser de simple asiento a siento o de doble asiento. Se dice ejerce que el una simple asiento es no porque diferenciapor de el presión en lay válvula presión sobre el balanceado tapón que debe serlamanejada actuador F  = ( P1 − P2 ) S  se conoce como “bench set”. s et”. Llamando F a esta fuerza y S la superficie del tapón: En el caso de las válvulas de doble asiento o “v-port”, se dice que son balanceadas porque la fuerza que el fluido ejerce sobre uno de los tapones es ejercida ejercida en sentido contrario sobre el otro tapón, resultando nula la sumatoria de fuerzas por efecto del fluido: F  = ( P1 − P2 ) S 1 − ( P1 − P2 ) S 2 ≅ 0

⇔  S 1 ≅ S 2

En este caso el actuador normalmente es de menor tamaño porque no debe vencer la fuerza ejercida por el proceso, por lo que se recomienda para altas caídas de presión. El costo de esta válvula es e s mayor. 74

 

 

Válvula de Jaula

Figura 62. Válvula de Jaula. La válvula jaula de es“jaula” una variante de la válvulainternos de globo, con ladediferencia el trim es tienedeforma o caja con pasajes a través los cualesque pasa el fluido. Por su configuración geométrica, esta válvula también puede manejar eficientemente altas caídas de presión. Su desventaja es que no se recomienda en fluidos sucios o altamente viscosos ya que podría po dría ocurrir obstrucción de los pasajes internos del trim. Válvula de Cuerpo Dividido

Figura 63. Válvula de Cuerpo Dividido. La válvula de cuerpo partido o dividido tiene la particularidad que su cuerpo es fácilmente separable para tener acceso a sus internos sin necesidad que sea desmontada mecánicamente del proceso, por lo que se recomienda en procesos 75

 

 

donde se requiere cambio frecuente del asiento o del tapón, bien sea por variaciones frecuentes en las condiciones del proceso o por la existencia de fluidos altamente corrosivos y/o erosivos que demanden mantenimiento constante del trim. Válvula Angular

Figura 64. Válvula de Cuerpo Angular. El cuerpo esta diseñado con un ángulo de 90°entre 90°entre la entrada y la salida. Es una de las más usadas en servicios de alta caída de presión por su excelente desempeño bajo esas condiciones. Los fabricantes normalmente emplean este tipo de válvula con algunos trim anticavitación como la mostrada en la figura.

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Válvula de Tres Vías

Figura 65. Válvula de Tres Vías. Las válvulas de tres vías como la mostrada en la figura pueden ser del tipo convergentes o divergentes y, en consecuencia, con ellas se puede separar una corriente en dos o se pueden mezclar dos corrientes en una sola. Estas son las configuraciones cuando se emplea para control. Existe otro tipo de válvula de tres vías que no se emplea control sino en forma on/off para direccionamiento de fluidos, en las cuales la configuración típica es que el flujo entra en la válvula y sale por solo una de los otras dos conexiones dependiendo de la posición deldevástago. Este es el caso de se lasdirecciona empleadas en loso múltiples de producción petróleo donde el flujo del pozo a prueba a producción general.

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Válvula Saunders

Figura 66. Válvula de Saunders. La válvula de Saunders representada en la figura, consta de un diafragma que es empujado por el actuador a través del vástago contra un vertedero en el cuerpo para cerrar el área de flujo. La construcción del cuerpo es de bajo costo y se puede fabricar de cualquier aleación. Se usa principalmente en servicios químicos, para aceite lodoso, para líquido con partículas sólidas o sustancias altamente corrosivas. Los límites de temperatura dependen del material del diafragma.

78

 

 

Válvula de Aguja

Figura 67. Válvula de Aguja. La válvula de aguja posee un trim con forma cónica, normalmente de área muy pequeña. Es ideal para caudales muy bajos por lo cual se emplea para dosificación de productos químicos. Puede ser de cuerpo c uerpo recto o angular. Es común su aplicación en múltiples de inyección de gas o diluente, donde se requiere un control de flujo preciso. Tipos de Válvulas Rotativas Válvula de Bola

Figura 68. Válvula de Bola.

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Consta de un elemento giratorio esférico cuyo grado de giro determina la sección transversal libre. En su posición de apertura total puede presentar mínima restricción al flujo, altas caídas por lode que presión utiliza ya en que aplicaciones es más propensa de alto caudal, a generar pero no cavitación se recomienda o ruido para que una válvula de globo. Otro aspecto importante de esta válvula es que es recomendable cuando se requiere alta hermeticidad, como es el caso de válvulas de corte (shut-down) y despresurización (blow-down) especialmente en plantas de gas a alta presión. Su costo es relativamente alto. Válvula de Mariposa

Figura 69. Válvula de Mariposa Convencional. La válvula convencional de mariposa consta de un disco que gira alrededor de un eje; se requiere mínimo espacio para su instalación, y al igual que la de bola, posee alta capacidad de flujo con mínima caída de presión; normalmente se le emplea en servicios de baja presión. Por la simplicidad del cuerpo es una de las válvulas más económicas. Son muy comunes en sistemas de venteo y transferencia de gas en baja presión.

80

 

 

Válvula de Mariposa de Alto Desempeño

Figura 70. Válvula de Mariposa de Alto Desempeño. La válvula de mariposa de alto desempeño tiene un disco con su eje descentrado desde la línea de centros de la válvula, con lo que se obtiene un movimiento excéntrico del disco cuando abre o cierra la válvula. Una característica importante es que el disco solo hace contacto con el asiento unos cuantos grados de rotación durante el cierre de la válvula; Esto reduce el desgaste del sello y su deformación permanente. Además, como el sello no tiene rozamiento contra el disco cuando la válvula está en posición de estrangulación, se requiere baja torsión para su accionamiento, y por lo tanto un actuador de menor tamaño o potencia. Con esta válvula se puede obtener alta hermeticidad, por lo que se emplea en aplicaciones similares a la válvula de bola. Válvula de Tapón Excéntrico Rotativo (Camflex ®)

Figura 71. Válvula de Tapón Excéntrico Exc éntrico Rotativo. La válvula de tapón excéntrico rotativo es fabricada por Masoneilan International Inc., bajo el modelo Camflex II ®. Consta ddee un tapón rotativo cuyo asiento se encuentra 81

 

 

en uno de los laterales. El eje de rotación rotación es excéntrico como se muestra en la figura. Cuando la válvula está completamente cerrada, la superficie del tapón se encuentra perpendicular a la dirección del flujo. Esta válvula se ha venidode empleando cadapor vezsucon mayor frecuencia en ylaexcelente industria petrolera en aplicaciones baja presión, versatilidad, simplicidad desempeño. Tipos de Actuadores Actuador de Diafragma

Figura 72. Actuador de Diafragma Aire para Extender y Aire para p ara Contraer.

En este actuador la presión de aire entra por la parte superior o inferior del diafragma dependiendo si es aire para extender (acción directa) o aire para contraer (acción inversa), y un venteo en laposee cámara pararango” liberarque o permitir la entrada de aire en esa cámara. También unopuesta resorte “de ejerce una contrapresión en sentido contrario. Se denomina “de rango” porque de su constante de elasticidad dependerá el rango de presión que manejará el actuador, los rangos más comunes son: •3 a 15 psi •6 a 30 psi •7 a 15 psi •7 a 24 psi •21 a 54 psi  Tanto el resorte a emplear como el diámetro del actuador son los factores manejados por los fabricantes para el diseño de los mismos en función de la máxima caída de

82

 

 

presión que deberán manejar, ya que como es conocido, a mayor área, mayor será la fuerza ejercida por el actuador. Actuador de Pistón

Figura 73. Actuador de Pistón. El actuador neumático tipo pistón opera según idéntico principio físico que el de diafragma pero en su lugar emplea un émbolo deslizante dentro de un cilindro recto. Puede usar presiones de control más altas que un actuador de diafragma, por lo que generalmente son de menor diámetro. También suele ser más duradero que el de diafragma debido a que es menos susceptible a perforaciones. Actuador de Doble Acción

Figura 74. Actuador de Doble Acción. El actuador neumático tipo pistón de doble acción posee igualmente un émbolo deslizante dentro del cilindro, pero con la diferencia que no usa resorte de 83

 

 

contrapresión sino que esta función es realizada con presión de aire en la cámara opuesta, controlado todo por un posicionador. Una de sus principales aplicaciones es para operaciones donde se requiere manejar caídas de presión muy grandes o válvulas de gran tamaño. Actuador de Eléctrico

Figura 75. Actuador Eléctrico. Este tipo de actuador posee un motor eléctrico que ejerce el movimiento necesario para desplazar el vástago de la válvula. Se puede usar para control continuo pero su aplicación más común es en servicios on/off en válvulas de compuerta especialmente las de diámetros grandes, donde la apertura manual es lenta y forzada. Normalmente se alimentan eléctricamente en 480 VAC, y la señal de control puede ser a dos o a siete hilos. El control a dos hilos involucra el intercambio de información mediante un protocolo de comunicaciones manejado por una maestra de actuadores u otro dispositivo inteligente de control. Este sistema es muy práctico cuando se desean controlar varios actuadores. El control a siete hilos no es más que un bus con un conductor para cada señal de control requerida para su acción bien sea del sistema de control hacia la válvula o viceversa.

84

 

 

Actuador Electro Hidráulico

Figura 76. Actuador Electro Hidráulico El actuador electro-hidráulico ejerce el movimiento del vástago de la válvula basado en la acción de la presión de aceite sobre un émbolo. Es controlado por servomecanismos los que a su vez son manejados por un sistema electrónico que los controla y se comunica con c on el sistema inteligente. La utilidad de este actuador es que puede manejar torques de gran magnitud, pero su costo es muy alto en comparación c omparación con otro tipo de actuadores. 3.4 CONCEPTOS TÉCNICOS En esta sección se definirán y detallarán conceptos importantes para comprender el funcionamiento de una válvula de control y que a su vez son de manejo indispensable para el cálculo de la capacidad, para determinar posibles problemas en su funcionamiento, o para evaluar si una válvula está bien especificada para un proceso determinado.

85

 

 

Característica de Flujo: La característica de flujo de una válvula de control se define como la relación entre el flujo que pasa a través de la válvula y la posición de la misma conforme varía la posición de 0 a 100 %. Esta característica puede variar en las válvulas de control dependiendo de su aplicación. Existen tres tipo fundamentales de característica de flujo: lineal, apertura rápida e igual porcentaje. Algunos fabricantes han hecho variantes para aplicaciones especiales. La característica de flujo lineal   produce un flujo directamente proporcional al

desplazamiento o posición de la válvula, por lo que su representación gráfica es una línea recta. Ejemplo: con un 60 % de apertura, ap ertura, se tiene un 60% del flujo máximo. La característica de flujo apertura rápida   produce un gran flujo con un pequeño

desplazamiento de la válvula. La curva es casi lineal en la primera parte, con pendiente pronunciada. No es recomendable para control regulatorio ya que no afecta el flujo mayor parteendeválvulas su desplazamiento. Por estodonde suele usarse para servicios on/offen ylaen especial de despresurización se requiere desplazar altas cantidades de flujo de manera rápida.  produce un cambio muy pequeño en el flujo La característica de flujo igual porcentaje  produce al inicio del desplazamiento de la válvula, pero aumenta considerablemente a medida que ésta se acerca a su apertura máxima.

   %    O    J    U    L    F    E    D    E    J    A    T    N    E    C    R    O    P

  A    R    U    T    D  A    R    I    E    P    P   A    R  A    L    E  A    N    I    L

   E    L   J   A    T  A    U    N    I  G    E   C    R   O    P

POSICIÓN DE LA VÁLVULA %

Figura 77. Tipos de Característica de Flujo “Igual porcentaje” significa que para incrementos iguales en el desplazamiento de la válvula, el cambio del flujo respecto a éste, es un porcentaje constante de la tasa de 86

 

 

flujo en el momento del cambio. Por ejemplo cuando la posición de la válvula se incrementa en 1% al pasar la posición de 20% a 21%, el flujo se debe incrementar en 1% respecto al flujo que tenía en 20%, si la posición de la válvula se incrementa en 1% al pasar la posición de 60% a 61%, el flujo se debe incrementar en 1% respecto al flujo que tenía en 60%.

APERTURA RAPIDA

LINEAL

IGUAL  PORCENTAJE

Figura 78. Configuración Geométrica del Trim La característica de flujo de una válvula es definida por la configuración geométrica del trim de la misma. En la figura anterior anterior se aprecia la diferencia entre cada una de las características de flujo mencionadas para el caso de una válvula de jjaula. aula. Una de los puntos más importantes que se deben definir cuando se diseña o se evalúa una válvula de control, es el tipo de característica de flujo apropiada al proceso específico. El método ideal para determinarla es mediante un análisis dinámico del proceso, que con de simuladores se puede la característica que una ofrecemejor una mejorla ayuda respuesta en el transitorio de determinar una perturbación ofreciendo estabilidad del sistema. Sin embargo, la limitación de este método es que requiere del modelo matemático del sistema o de su función de transferencia, además de análisis de ingeniería complejos que muchas veces no se disponen de los recursos para su realización. Producto de estos análisis en procesos de propiedades análogas, se han tipificado los tipos de característica de flujo más idónea para cada uno, dependiendo también de la magnitud de la caída de d e presión. La tabla mostrada funciona muy bien y puede servir de gran ayuda al momento de diseñar o evaluar una válvula de control.

87

 

 

P de Válvul Válvulaa ∆ P de Válvul Válvulaa menor de 2:1 ma yor de 2:1 y ∆

SERVICIO

menor de 5:1 L in ea ea l

F lluu jo p o r o rfi cio cio

A pe p e rt ur ura rá p i d a

F lu jo l in ea l

L in e al

Ig u a l %

N ive l

L in e al

Ig u a l %

G a s a p re s i ó n

L in e al

Ig u a l %

L íq u id o a p re s ió n Ig u a l %

Ig u a l %

Figura 79. Reglas Empíricas para Selección de la Característica de Flujo

Coeficiente de Flujo (Cv) Se define como Cv a la cantidad de galones U.S. por minuto de agua que fluyen a través de una válvula completamente abierta con una caída de presión de 1 psi en la sección transversal de la misma. Su ecuación básica es:

 

 

C V  = q

G f 

∆P

q = flujo de líquido, en gpm

∆P = caída de presión en la válvula, en psi

G f  = gravedad específica del líquido a la temp. que fluye. El dimensionamiento de una válvula de control no es más que el procedimiento mediante el cual se calcula el coeficiente de flujo de una válvula, Cv. Este coeficiente es el más usado y aceptado por la mayoría de los fabricantes, siendo usado por primera vez por Masoneilan International Inc., en 1944. Una vez que se calcula el Cv y se ha determinado el tipo de válvula que se empleará, se puede obtener el tamaño de la l a válvula con base en e n el manual del fabricante. Para ejemplificar la definición descrita de Cv: a través una válvula Cv máximo de 120 deben pasar 120 gpm de agua cuando ésta se abre completamente y existe una caída de presión de 1 psi. Es importante tener en en cuenta que cuando se dice que una válvula es de un Cv determinado, se está refiriendo al máximo Cv, es decir, a 100% de apertura. En la 88

 

 

medida que la válvula se cierra su Cv disminuye de la misma manera que lo hace en la gráfica de característica de flujo vs recorrido. En las tablas de capacidad de la válvula, los fabricantes especifican el Cv cada 10% de apertura normalmen normalmente. te. Para fluidos compresibles la ecuación es la siguiente: Q = flujo de gas, scfh T  = Temperatura del fluido, en °R  

C V  =

Q GTZ 

G = gravedad específica del gas

834C  f  P1 ( y − 0  .148 y 3 )

Z = Factor de compresibilidad 1.63 ∆P y =  C f    P1 función de compresibilidad

La diferencia más importante entre fabricantes se encuentra en las ecuaciones de dimensionamiento de fluidos compresibles y surge a raíz del modo en que expresa o considera el fenómeno de flujo crítico, que será estudiado más adelante. La ecuación presentada en este caso corresponde a la de Cv propuesta por el fabricante Masoneilan International Inc. Coeficiente de Flujo para Gases (Cg) Fisher Controls otro de los principales fabricantes de las válvulas de control que se utilizan en la industria. Para el caso de líquidos, este fabricante también emplea el el coeficiente Cv, pero en el caso de gases difiere de Masoneilan International Inc., introduciendo otro factor conocido como Cg, cuyo concepto se deriva de la Ecuación Universal para dimensionamiento de gases. Su ecuación es:

C g =

 

Qscfh

520  59.64 ∆P  P1 

GT   C 1



P1 

Sin embargo existe una relación directa entre Cv y Cg en el caso de gases, que permite determinar uno a partir del otro, lo que permite comparar la capacidad de las válvulas cuyos fabricantes empleen diferentes coeficientes. Esta relación será definida más adelante. Perfil de Presiones a Través de una u na Restricción 89

 

 

Cuando un fluido atraviesa una restricción cualquiera en una tubería ocurre una caída de presión, pero no ocurre un cambio instantáneo de P1 a P2, sino que describe un fenómeno el representado en la figura, la de cual se conoce como perfil de presiones y es como la representación del comportamiento la presión del fluido cuando atraviesa una restricción o la sección s ección transversal de la válvula. En la figura se puede apreciar que inmediatamente después del área menor sección transversal (área de puerto de una válvula de control) se obtiene el punto de menor presión dentro del perfil, punto en cual también ocurre la velocidad máxima del fluido. Este punto es conocido como vena contracta. Dependiendo de la geometría o configuración del trim de la válvula, la forma del perfil de presiones podrá variar de tal manera que alcancen diferentes presiones y velocidades en la vena Cuando la presión baja considerablemente en este punto se dice que la válvula posee recuperación baja, como es el caso de válvulas de globo, angulares o v-port. En estos casos la válvula se desempeña mejor para altas caídas de presión. Si la presión no baja considerablemente en este punto se dice que la válvula posee recuperación alta, comomejor es elpara casobajas de válvulas válvula se desempeña caídas de de mariposa presión. y bola. En estos casos la

P1 P2 - RECUPERACION ALTA P2 - RECUPERACION BAJA

VENA CONTRACTA

Figura 80. Perfil de Presiones a Través de una Restricción Factor de Recuperación de Líquidos (FL, Cf, Km, C1) El término FL es el empleado en la nomenclatura ISA, Cf es usado usado por Masonelinan International Inc., y Km por Fisher Controls, pero pero los tres son equivalentes.

90

 

 

Una válvula con baja recuperación tiene un FL mayor por lo tanto, como se dijo anteriormente, es más favorable para procesos con altos delta P. más se acerca a 1, mejor es la recuperación de presión. La válvula ideal tiene FL = 1 Para el caso de fluidos compresibles, Fisher Controls emplea el factor C1, que a su vez define la relación entre Cv y Cg, de acuerdo a la siguiente exp expresión: resión: C 1 =

C g C V 

Normalmente el valor de C1 está comprendido entre 33 y 38. La ecuación que define este factor viene dada por:

P1 − P2 F  L =

P1 − PVC 

P1 = Presión aguas arriba P2 = Presión aguas abajo PVC  = Presión en la vena contracta

Con esta ecuación queda demostrado lo anteriormente expuesto sobre el FL ideal. Aquí se observa que si la l a presión en la vena contracta es igual igua l a P2, entonces FL=1. De igual forma, mientras más por debajo de P2 se encuentre Pvc, menor será el factor de recuperación de líquidos, y por lo tanto la válvula será menos conveniente para aplicaciones con altas caídas de presión. Cavitación / Flashing Flujo Crítico Cuando a través de una válvula de control ocurre una caída de presión relativa alta (delta P mayor que la mitad de P1), se debe tener especial atención el análisis de la válvula, porque existe la posibilidad que existan fenómenos físicos relacionados a cambios de fase, que desvíen el comportamiento de la válvula de su funcionamiento ideal. Por lo tanto, en esos casos se hace necesario deter determinar minar cual es es el valor exacto de la caída de presión en la que se pudiesen a comenzar a formar esos fenómenos, dicho valor es conocido como delta P crítico, que viene definido por:

91

 

 

2 ∆PCRIT . = F    L  ( ∆PS )

Donde ∆Ps para la mayoría de los casos se puede aproximar a:

∆PS  = P   1 − PV  Donde Pv es la presión de vapor v apor del fluido. Flashing o Vaporización Instantánea

P1 PV P2

VENA CONTRACTA

Figura 81. Ocurrencia de Flashing La vaporización instantánea también conocida como flashing ocurre cuando la presión en la vena contracta se hace inferior a la presión de vapor del fluido, y se mantiene por debajo, generándose un cambio de fase instantáneo dentro de la válvula, de líquido a gas. Además de producir daño físico a la válvula, el flashing tiende a disminuir la capacidad de flujo de la válvula. A medida que se forman las burbujas se tiende a formar una condición de obstrucción hasta el punto de agravarse de tal manera que puede ocurrir el “flujo tapón”, en el cual un incremento en el delta P no reflejará un aumento del flujo, es decir, la ecuación mostrada para Cv ya no tendría validez.

92

 

 

Cavitación P1

P2 PV

VENA CONTRACTA

Figura 82. Ocurrencia de la Cavitación. Si la recuperación que experimenta el líquido es suficiente como para elevar la presión abajo nuevamente por encima de la presión de vapor del líquido, entoncesaguas las burbujas de vapor comienzan a colapsar o a implosionar, lo cual se conoce como cavitación. La energía que se libera durante la cavitación produce ruido como si fuera grava a través de la válvula. En las válvulas de vástago rotatorio como la de mariposa o de bola, que poseen alta recuperación o bajo FL suelen ser más propensas a generar cavitación que las reciprocantes como las de globo o cuerpos angulares. Ruido Flujo Crítico en Gases Así como en los líquidos existe el flujo crítico cuando la caída de presión a través de la válvula es muy grande, igualmente en los gases aplica un concepto de flujo crítico que en este caso ocurre al alcanzar la velocidad sónica en la vena contracta. Masoneilan International Inc., emplea la función de compresibilidad “y” para definir el flujo crítico:  y =

1.63 ∆P C  f 

P1

Cuando “y” alcanza un valor igual a 1.5, existe la condición de flujo crítico, por debajo de éste, es sub-crítico. Para Fisher Controls, el flujo crítico se determina mediante:

93

 

 

 59.64  ∆P      C    1   P1  rad

sen 

 

Cuando el argumento del seno alcanza un valor igual a π /2, existe flujo crítico, por debajo de éste, es sub-crítico El ruido generado en una válvula de control puede ser de dos tipos, aerodinámico e hidrodinámico. El ruido aerodinámico aerodinámico ocurre en fluidos compresibles y es el resultado directo de la conversión de energía mecánica en energía acústica cuando el fluido pasa a través de la restricción de la válvula. Si el flujo es subcrítico (velocidad del flujo en la vena contracta < velocidad sónica) el ruido es producido por la intensa turbulencia creada aguas debajo de la vena contracta. Para flujo crítico (velocidad del flujo en la vena contracta >= velocidad sónica) se adiciona el ruido generado por la interacción entre la turbulencia y las ondas de choque desarrolladas por la velocidad del flujo crítico. D U R A CI CI N DE DE L LA A EXPOSICIÓN (HRS)

Nivel de Ruido (dBA) (dBA)

8

90

4

95

2

10 0

1

10 5

1/ 2 1/ 4 o m e no s

11 0 11 5

Figura 83. Ruido Permisible. En aplicaciones con líquidos ocurre el ruido hidrodinámico. En el flujo subcrítico se genera de la turbulencia del líquido y en el flujo crítico, se adiciona el generado bien sea por el flashing o por la cavitación. En especial esta última puede generar ruido de alta intensidad. Efecto del Flujo Crítico en el Cálculo de Cv y Cg Cuando existe flujo crítico, las ecuaciones para el cálculo de Cv y Cg se modifican para líquidos a: 94

 

 

C V  =

q

G f 

C  f 

∆PS 

Y para fluidos compresibles:

C V  =

Q GTZ 

C g =

834C   f  P1

Qscfh

520 GT 

 59.64 ∆P   C  P 1  rad   1

P1 sen 

Para el caso de líquidos se observa que a diferencia del caso sub-crítico, se debe tomar en cuenta el Cf y emplear ∆Ps en lugar de ∆P. En fluidos compresibles, en el caso de los fabricantes que emplean Cv, su ecuación se reduce ya que para flujo crítico (y=1.5): se tiene que:  y − 0.148   y3 = 1

En el caso de los fabricantes que emplean el término Cg para fluidos compresibles, la ecuación se reduce es para el caso de flujo sub-crítico, es decir, para condiciones bastante por debajo del flujo crítico:  59.64  ∆P   59.64  ∆P    ≅    C 1   P1  rad   C 1   P1

sen 

4

Ejercicio de  ∆ ∆ P Crítico

1.-Se tiene una válvula de control Camflex II, en la descarga de una bomba de agua. Si la presión de descarga de la bomba es 350 psig, determinar el mínimo valor de P2 antes que exista flujo crítico. La presión crítica del agua es 3198.8 psia y la presión de vapor es 0.9501 psia. Asumir para este tipo de válvula Cf = 0.85.

95

 

 

Primero que nada se debe calcular ∆Ps: ∆PS  = 364.7 − 0.9501 = 363.75

Luego, aplicando la ecuación de flujo crítico: ∆PCRIT  = 0.85 2 (363.75) = 262.81 psi ∆P = P1 − P2

⇒ 

P2 = P1 − ∆P

P2 = 364.7 − 262.81 = 101.89 psia

Por lo tanto, para que no exista flujo crítico, se debe cumplir que: P2 ≥ 87.19 psig

3.5 SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROL En esta sección se detallará el procedimiento a seguir para calcular la capacidad de una válvula de control, bien sea para fines de diseño o para evaluar una válvula existente en un proceso determinado. Es importante destacar que el manejo de la información técnica descrita hasta ahora es vital para realizar un dimensionamiento efectivo de la válvula en cualquier variedad de casos que se puedan presentar. Igualmente, se recomienda conocer y manejar bien el método de cálculo en forma manual, para poder manejar efectivamente cualquier software de dimensionamiento que se tenga disponible. En esta sección, el método manual se basará en ejemplos simples dadas las características del curso, pero también se manejarán los software de dimensionamiento de los fabricantes Fisher Control y Masoneilan International Inc., con los que se obtendrá mejor precisión en los cálculos con problemas más específicos para visualizar los casos más frecuentes. Consideraciones de Diseño -

Criterios para el cálculo

El dimensionamiento de una válvula de control es el procedimiento mediante el cual se calcula el coeficiente de flujo requerido de la válvula Cv o Cg.

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Una vez determinado el tipo de válvula a emplear y su acción o tipo de falla, continúa el cálculo del coeficiente de flujo de la válvula. Esta es la información más importante para obtener el tamaño de la válvula con base a los catálogos del(los) fabricante(s), luego se especifica y dimensiona el actuador y accesorios. Se deben determinar las condiciones mínimas, normales y máximas para el cálculo de la válvula: PORCENTAJE DE APERTURA (%)

CONDICIONES DE PROCESO

15

M ÍN IM A S

5 0 -6 0

NO RM A L E S

85

M Á XIM A S

Para realizar un dimensionamiento efectivo y preciso de una válvula de control es recomendable disponer de las condiciones de operación mínimas, normales y máximas, en cuyo caso se debe diseñar para para que la válvula opere dentro de los porcentajes de apertura indicados en la tabla anterior. Estos porcentajes de apertura sugeridos para las diferentes condiciones de operación no deben ser necesariamente en valores exactos los indicados en la tabla, aquí muchas veces prevalece el criterio del diseñador según las características del proceso, de hecho, es difícil encontrar una válvula de control que se adapte exactamente a estos porcentajes, por ese motivo se trabaja con aproximaciones. Cuando solo se dispone de las condiciones normales de operación se puede asumir que:

qmax  diseño  = 2qrequerido Hay ocasiones en las que no se dispone de la información de proceso para condiciones mínimas, normales y máximas, es esos casos se suele establecer la relación indicada para estimar el flujo máximo ya que así se garantiza mejor rangoabilidad en torno al al punto de operación, es decir, la válvula tendrá aproximadamente igual capacidad de manejo del flujo si las condiciones varían en incremento o decremento. Ocurre con cierta regularidad que se instala una válvula la cual opera en óptimas condiciones, pero luego ocurren variaciones en las condiciones de proceso (normalmente un mayor flujo) que demandan una mayor capacidad, quedando a veces insuficiente la válvula.

97

 

 

Si es predecible que ocurra lo indicado, se recomienda instalar trim reducido en una válvula de mayor tamaño, de esta manera se evitaría el cambio futuro del cuerpo completo de la válvula, sólo sería necesario neces ario cambiar del trim de la misma. Cuando se instala una válvula “full-trim” se debe estar seguro que las condiciones de proceso no demandarán a futuro una capacidad mayor a la que pueda manejar la válvula.

Dimensionamiento de la Válvula El tipo de acción de una válvula de control es el primer paso y el más importante, ya que el mismo está ligado a las condiciones de seguridad de la instalación. Este se define dependiendo del proceso y la función de la válvula, escogiendo el caso “menos desfavorable” entre una falla de la válvula completamente abierta o cerrada. Por ejemplo, en una válvula de control ddee venteo de gas debe fallar abierta, en la alimentación de gas combustible a un horno debe fallar cerrada, en la recirculación de una bomba debe fallar f allar abierta. Igualmente se debe predefinir el tipo de válvula en función de sus características ya descritas y del proceso a manejar, es decir, si se requiere manejar altas caídas de presión se debe instalar una tipo globo o angular, si se requiere manejar bajos delta P y altos flujos se debe instalar una de mariposa o bola, si van a manejar flujos muy bajos se debe instalar uuna na válvula de aguja, etc. etc. Seguidamente se determina cual es el sentido de flujo más conveniente para el proceso en función de la seguridad, si es mejor que el flujo haga cerrar el tapón (flujo para cerrar) o que lo haga abrir (flujo para abrir). El rating se determina por el rango de presión estática a manejar que según ANSI pueden ser 300, 600, 900, 1500, 2500. Es importante determinar previamente el tipo de característica de flujo de la válvula, para garantizar desempeño óptimo de la válvula en todo el rango de operación. Existen diferentes tablas de capacidad en cada caso ya que, tal como se analizó, la forma en que varía el coeficiente de flujo en cada una, es diferente. Se puede emplear el método empírico señalado para su determinación. Luego se procede a calcular el coeficiente de flujo mediante las ecuaciones ya analizadas para cada grupo de condiciones de pproceso, roceso, es decir, para el caso mínimo, normal y máxima. Aquí es importante conocer las propiedades físicas del fluido y determinar previamente si existe flujo crítico, tomando en cuenta el Cf, FL o Km.

98

 

 

Una vez cumplidos todos los pasos anteriores, se debe buscar en los catálogos las tablas de capacidad de la válvula, los cuales presentan los valores de los coeficientes de flujo en función de los porcentajes de apertura para los diferentes tamaños existentes. En estas tablas se determinará el tamaño que se adapte a los coeficientes de flujo calculados para las condiciones de proceso.

Tabla de capacidades de una válvula:

Figura 84. Ejemplo de Tabla de Capacidades de una Válvula. Aquí se muestra una sección de una típica tabla de capacidades de una válvula de control, donde se observa toda la información que se ha mencionado, para este caso la tabla corresponde a una válvula marca Masoneilan, serie 35002 (Camflex II), característica de flujo lineal, ANSI 150 a 600. Se indican los F L para cada porcentaje de apertura dependiendo si es flujo para abrir o para cerrar. Se observa que para cada ttamaño amaño de cuerpo hay diferentes diámetros diámetros de trim. trim. Finalmente en el rango de Cv es que se determina el tamaño óptimo. Dimensionamiento del Actuador

99

 

 

Figura 85. Ejemplo de Tabla de Capacidades de Actuadores. El tamaño del actuador depende básicamente de la caída de presión que deberá manejar, el tamaño de la válvula y la presión de control y de suministro disponible (supply). El método más fácil y directo de determinar el tamaño adecuado del actuador e dirigiéndose a las tablas de delta P permisible de la válvula de control previamente seleccionada. Estas tablas varían su estructura de acuerdo al fabricante y tipo de válvula. En el caso de la sección de tabla mostrada, se presenta la capacidad de manejo de diferencial de presión para un actuadores tipo 37/38 para válvulas Masoneilan serie 21000, en función de los posibles valores de presión presión de control y para cada tamaño. Ejemplos de Dimensionamiento

100

 

 

Problema 1 En la salida de agua de un equipo deshidratador se va a instalar una válvula para controlar el nivel de interfase crudo-agua, la cual descarga a un sistema de aguas efluentes. Se desea dimensionar la válvula requerida, según las condiciones de proceso: MIN

NOR

M AX

1 00 0

5 00 0

20 00 0

P 1 (P S IG )

60

90

1 25

P 2 (P S IG )

50

75

90

F L U JO (B P D )

Grav.. E spec ífica Grav ífica del agua = 1

Siguiendo los pasos indicados se tiene: 1.- Tipo de falla debe ser cerrada ya que el caso más desfavorables es pase de crudo al sistema de agua. 2.- El sentido de flujo debe ser “flujo para cerrar” y rating ANSI 300. Puede ser 150 pero las normas PDVSA exigen mínimo 300 en e n válvulas de control. 3.- La característica de flujo debe ser lineal, según las reglas empíricas estudiadas. 4.- Pasando el flujo a gpm y empleando la ecuación básica para el Cv para líquidos en cada caso se obtiene:

flujo en gpm

MIN 29,17

NOR 233,33

MAX 583,33

Cv

9,22

60,25

98,60

5.- Revisando el catalogo (ver apéndice 1) para una válvula Camflex II, se observa que la que mejor se adapta a estas condiciones es una de d e 3” full trim.

101

 

 

Empleando el software:

4 

Problema 2 Se requiere calcular una válvula de control de presión a la entrada de un múltiple de gas-lift. Se desea dimensionar la válvula requerida según las condiciones de proceso: (Asumir gas ideal) M IN

NO R

M AX

0, 9

8

17

P 1 (P S IG )

1 30 0

14 50

15 0 0

P 2 (P S IG )

1 25 0

12 50

12 5 0

F L U JO (M M P C N D )

TE M P (°F )

90 1 00 Grav. Específica del gas = 0,62

1 10

Este problema corresponde al cálculo para el servicio de gas, el cual para este caso se realizará mediante el software de uno de los fabricantes, Fisher Controls o Masoneilan International Inc. Se observa que P2 se mantiene constante en las tres condiciones ya que es el punto o set de control de la válvula.

Problema 3 Una bomba de 12 MBD, transfiere crudo 29 API. Se instalará una válvula de recirculación para mantener constante la presión de descarga. Diseñar la válvula si las condiciones de proceso son las siguientes: P 1 (P S IG ) P 2 (P S IG ) TE M P (°F ) P v (P S IA ) P c (P S IA ) V i s c . (C p )

NO R 350 80 90 1, 21 2265 19, 5

La situación planteada en este problema suele ser muy usual en muchas aplicaciones de la industria. También será calculado mediante software. Se observará que el proceso se encuentra cercano a la cavitación, por lo cual se debe ser cuidadoso en el tipo de válvula que se seleccionará. 102

 

 

Problema 4 En la pozos descarga de un sistema de bombeo de agua hacia inyectores, se encuentra instalada una válvula Masoneilan serie 41000 de 6” full trim, igual porcentaje porce ntaje,, manejando manej ando un u n flujo de M BD a 120°F. d e 130 MBD La válvula se diseñó con P1=1200 psig y P2=900 psig. Por obstrucciones en los pozos, P2 se ha incrementado a 1100 psig. Determinar que efecto ocurre sobre la válvula. Utilizar el software de Masoneilan. ¿Que acción recomendaría para corregir este problema?.

En este problema se muestra una de las tantas variantes que pueden ocurrir en cualquier proceso, en los que constantemente pueden cambiar las condiciones de proceso. Estos cambios a veces no se les da la importancia requerida, pero en muchos casos pueden afectar gravemente el proceso. En este problema se observará que una variación no muy grande en P2 ocasiona problemas en el sistema. Suele ocurrir que en los procesos cambia el flujo, la gravedad específica, las presiones, temperatura, etc. Cuando esto ocurre es necesario analizar el efecto sobre la capacidad de la válvula, puede ser que el problema sea del proceso y no de la válvula en sí. A pesar que las válvulas se diseñan para que sean capaces de manejar un rango determinado en las variables de proceso, hay algunas variaciones que cuando ocurren en conjunto pueden afectar significativamente la capacidad.

103

 

 

Problema 5 Problema 5 Se necesita una válvula para operar con gas en las condiciones indicadas abajo. Obtener la dimensión de la válvula para un factor de sobrediseño de 2: NO R F LU JO (s c fh )

5 5 00 0

P 1 ( P S IG )

1 10

P 2 ( P S IG )

11

TE M P (°C ) 40 Grav. Específica del gas = 1,54

Este es un sencillo caso de dimensionamiento para fluidos compresibles donde es importante tomar en cuenta uno de los criterios mencionados en cuanto al factor de sobrediseño cuando se dispone solo de las condiciones normales. También es importante en este caso verificar la condición de flujo crítico dada la caída de presión existente en la válvula.

104

 

 

CAPITULO IV TEORÍA DE CONTROL 4.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se estudiarán los conceptos básicos necesarios para conocer y comprender el mundo de los sistemas de control y de todos los elementos que los componen y que de manera integral se encargan del control de procesos en las instalaciones industriales. Se estudiarán inicialmente conceptos básicos importantes, luego se establecerán los tipos más comunes de sistemas y lazos de control en la industria, así como sus componentes. Así mismo, se estudiará la representación de sistemas de control mediante diagramas de bloques, para lo cual será necesario conocer el concepto de función de transferencia, lo cual es base para analizar cualquier sistema. Se revisarán también los controladores neumáticos y electrónicos más comunes, sus componentes, teoría de funcionamiento y su operación. Finalmente, se analizarán las más comunes acciones de control, donde se le dará especial importancia a la compresión de las acciones proporcional, integral y derivativa y a los métodos prácticos de entonamiento de los lazos de control para garantizar su estabilidad ante cualquier perturbación.

200°F

VALOR VALO R DESEADO DESEAD O = 200°F

CRUDO Qi

GAS

Figura 86. Ejemplo de Lazo de Control. C ontrol.

105

 

 

En cualquier planta industrial siempre existen variables que afectan directamente el proceso y por lo tanto el funcionamiento óptimo de la misma. En la maypría de las plantas industriales las variables más comunes son presión, flujo, nivel y temperatura, las cuales en todos los casos poseen rangos y puntos de operación que deben mantenerse para que las instalaciones operen de manera confiable y segura. En sus inicios, el control era realizado manualmente por operadores quienes se encargaban de abrir o cerrar válvulas para mantener los procesos dentro de los parámetros, lo cual generaba graves accidentes y múltiples problemas operacionales además de los altos costos y desgaste humano. Luego nacieron los sistemas automáticos de control, que han venido avanzando técnicamente en forma exponencial hasta los sistemas inteligentes que hoy conocemos. Con ellos se logra mantener en valores constantes las variables de proceso y dentro de los rangos o puntos deseados con tiempos de respuesta muy rápidos ante cualquier perturbación y garantizando la estabilidad del sistema en esos casos. Como se observa en el caso de la figura, a fin de ejemplificar, en un horno de calentamiento de crudo la variable que desea ajustar es la temperatura de salida, y se dice que el sistema está operando bien cuando dicha temperatura es igual a su valor deseado. Razones para el Control de Procesos

SEGURIDAD

COSTOS CALIDAD

Figura 87. Razones para el Control de Procesos.

106

 

 

La importancia de mantener la variable controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones, se debe fundamentalmente a tres grandes razones que han sido producto de la experiencia industrial. Tal vez no sean las únicas, pero si las más resaltantes: 1.-Seguridad:  se evitan lesiones al personal que labora en la planta o a los 1.-Seguridad:  equipos existentes en ella. La seguridad debe ser siempre el factor más importante al diseñar, modificar o evaluar sistemas de control. co ntrol. 2.-Calidad: en segundo lugar de importancia se tiene mantener la calidad del 2.-Calidad: en producto (composición, pureza, color, dureza, espesor, etc.) en un nivel continuo y a bajo costo. 3.-Costos:  evidentemente un adecuado control de procesos permitirá un 3.-Costos:  mejor aprovechamiento de los insumos requeridos por la planta y por lo tanto optimizará sus costos de operación, incrementando su eficiencia y gananciales. 4.2 TÉRMINOS IMPORTANTES EN CONTROL DE PROCESOS

CRUDO Qi

CRUDO Qo

SEÑAL ELEMENTO FINAL DE CONTROL

TT

SENSOR TRANSMISOR

GAS TC

CONTROLADOR

Figura 88. Componentes de un Sistema S istema de Control. Retornando al ejemplo del horno de calentamiento de crudo, se observa que se ha representado el esquema básico requerido para poder efectuar el control de la temperatura de salida de crudo en forma automática. Los componentes mostrados son los siguientes:

107

 

 

1.-Sensor:  también conocido como elemento primario, es el encargado de 1.-Sensor:  traducir el valor de una variable de proceso a otra variable que pueda ser interpretada por el elemento secundario. 2.-Transmisor:  también conocido como elemento secundario, su función 2.-Transmisor:  tomar la lectura generada por el sensor y convertirla en una señal transmisible con los niveles adecuados de potencia eléctrica, neumática o electrónica. 3.-Controlador: es el “cerebro” del lazo de control. Es allí donde se toma la 3.-Controlador: es decisión de la acción de control a ejecutar en función de la señal recibida por el transmisor. 4.-Señal:  Es el medio por el cual se transmite la información bien sea del 4.-Señal:  transmisor al controlador o del controlador al elemento final de control: 5.-Elemento final de control: En control: En los casos más comunes es una válvula de control, pero también puede ser un motor, un variador de frecuencia, etc. Es quien ejecuta la acción de control directamente al proceso. Operaciones Básicas de Todo Sistema de Control Según lo analizado en el diagrama de control del horno de calentamiento de crudo existen tres operaciones básicas, medición, decisión y acción. Es fácilmente deducible que elemento realiza cada una de las operaciones básicas mencionadas, las cuales siempre estarán presentes en todo sistema de control, independientemente de su complejidad o tecnología empleada. La medición es la conversión de un valor de una señal de proceso (presión, nivel, flujo, etc.) en una señal que puede ser neumática, eléctrica o digital en valor escalado (3-15 psi, 4-20 mA, etc.) La decisión consiste en la selección de la acción mas apropiada que se deberá efectuar y en que cantidad y velocidad. Básicamente resulta de una comparación entre el valor deseado y el valor real medido. La acción es la modificación que se efectúa sobre determinada variable del sistema para obtener como resultado que el valor medido se acerque más o sea igual al valor deseado.

108

 

 

  Variables Involucradas en un Sistema de Control

VARIACION DE Qi = PERTURBACIÓN

Qg

Qi NIVEL = VARIABLE CONTROLADA LT

LC

SET-POINT = 2 PIES FLUJO = VARIABLE MANIPULADA

Qo

Figura 89. Variables en un Sistema de Control. Otros términos empleados en el campo del control de procesos son los aplicados a las variables involucradas en el sistema. Para simplificar, se estudiará en base al ejemplo precedente y al horno de calentamiento previamente mostrado. 1.-Variable controlada:  controlada:  es que se debe mantener o controlar para la operación óptima del proceso. En este caso es el nivel de líquido. En el caso del horno es la temperatura de salida. 2.-Variable manipulada:  manipulada:  es la se modifica mediante el elemento final de control a fin de mantener la variable controlada en punto de control. En este caso es el flujo de salida y en e n el caso del horno es el flujo de gas al quemador. 3.-Punto de control: también control: como el punto de o valor deseado para  también la variableconocido controlada. En“set-point” este caso es el set-point es ajuste 2 pies de nivel, en el horno es 200°F en la salida de cru do. 4.-Perturbaciones: son variables que ocasionan que la variable controlada se 4.-Perturbaciones: son desvíe del punto de control, pueden ser de diferente índole. En este caso pueden ser el flujo de entrada, la relación gas-petróleo, viscosidad del crudo, etc. En el horno, puede ser flujo de entrada, temperatura de entrada, calidad del gas, etc.

109

 

 

Otros Términos Importantes El estado estacionario  estacionario  también es conocido como régimen permanente y es alcanzado cuando las señales estables, involucra que la normalmente variabletodas controlada es igual están o cercana al puntolodeque ajuste. Cuando en un sistema ocurre una perturbación, responde ante ella dependiendo de su naturaleza y su esquema de control, hasta finalmente entrar de nuevo es estado estacionario, ese período de tiempo es conocido como transitorio de un sistema. La constante de tiempo (τ)  guarda relación con la velocidad de respuesta de un proceso, y se define como el tiempo en alcanzar el 63,2% del cambio total luego de una perturbación. Todos los sistemas pueden tener diferentes constantes de tiempo, en algunos de ellos el transitorio es mucho mas lento (constante de tiempo grande) y en otros más rápido (constante de tiempo pequeña). Este parámetro es el que define la “personalidad” del proceso. Cuando unde sistema es afectado por una en perturbación, un retardo entreeste la ocurrencia la misma y la modificación su salida oexiste variable controlada, retardo se conoce como tiempo muerto y muerto y se representa por to. La estabilidad estabilidad es  es una característica muy importante en todo sistema ya que define la capacidad del mismo de mantener la salida limitada para una entrada limitada. Mientras más estable es un sistema, oscila menos ante una perturbación, alcanzando más fácilmente el estado estacionario. La ganancia (K) indica (K) indica cuanto cambia la variable de salida por unidad de cambio de la variable de entrada, es decir: K  =

∆O ∆ variable de salida = ∆ I  ∆ variable de entrada

La función de transferencia debe transferencia debe su nombre a que con la solución de la ecuación se transfiere la función de entrada a la salida o variable de respuesta. Es desarrollada a partir de la transformada de Laplace de las ecuaciones diferenciales que definen el comportamiento del sistema, puede ser de primer, segundo u orden n , dependiendo del orden de las ecuaciones diferenciales. El error es la diferencia o desviación que existe entre la salida o variable controlada y el punto de ajuste de la misma. Puede estar definido por una función y puede existir tanto en régimen transitorio como en el estado estacionario. es tacionario.

110

 

 

4.3 LAZOS DE CONTROL Lazo Cerrado de Control SALIDA DE VAPOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR

ENTRADA DE CRUDO

TY TE

SALIDA DE CRUDO

TT

ENTRADA DE VAPOR

TC

Figura 90. Lazo de Control Cerrado. En un lazo de control cerrado, se efectúa la medición de la variable controlada y es transmitida al controlador. Cuando por producto de una perturbación, existe una diferencia o error entre el valor medido y el valor deseado, el controlador cambia su salida hacia el elemento final de control para que éste actúe sobre el sistema, haciendo llevar nuevamente la variable controlada al valor deseado. En la figura mostrada, cuando la temperatura de salida de crudo se hace inferior al punto de ajuste, el controlador ordena incrementar el porcentaje de apertura de la válvula de control para aumentar el flujo de vapor al intercambiador y por ende la temperatura de salida del crudo. Si la tem temperatura peratura de salida de crudo se hace superior al punto de ajuste, el controlador ordena disminuir el porcentaje de apertura de la válvula para reducir el flujo de vapor al intercambiador y por ende la temperatura de salida de crudo. Existen varios tipos de control a lazo cerrado, el más común en la industria es por retroalimentación, pero también existen otros tipos como com o control por previsión, control de relación, control selectivo, control de rango partido, control en cascada y control multivariable.

111

 

 

Lazo Abierto de Control

MÚLTIPLE DE INYECCIÓN DE DILUENTE

FI

HACIA EL POZO

ENTRADA DE DILUENTE

Figura 91. Lazo de Control Abierto. En un lazo de control abierto, no existe una retroalimentación ni controlador que ejerza acción sobre la válvula en caso de desviación de la variable controlada con respecto al punto de ajuste. Esto involucra que se debe conocer o mantener bajo control las posibles perturbaciones que puedan hacer variar la variable controlada. Un lazo cerrado de control puede convertirse en abierto inhabilitando el controlador o desconectándolo del sistema. En la figura mostrada se presenta el caso de un múltiple de inyección de diluente a pozos de crudo pesado, en los que anteriormente se dosificaba el flujo manualmente con una válvula y un indicador de flujo, dejándola en un porcentaje fijo de apertura. Mientraspero el resto resto de las condiciones dede proceso mantengan constantes, el flujoque no variará, cuando varíe cualquiera ellas, se si se modificará sin posibilidad retorne automáticamente a su valor deseado.

112

 

 

Lazo de Control ON / OFF ó TODO / NADA

DESHIDRATADOR MECANICO

LSH LSL

A.S.

LY

Figura 92. Lazo de Control ON / OFF. El control de dos posiciones, también conocido como “on / off” o “todo / nada” es el más sencillo de implementar y suele implementarse en algunos algunos procesos. La filosofía de control consiste en que la válvula de control sólo tiene dos posiciones posibles, completamente abiertas o completamente cerradas, acciones que ocurren cuando la variable controlada alcanza los valores límites de operación máxima o mínima. En el caso de la figura, cuando el nivel de interfase alcanza el nivel mínimo (LSL), el control ordena el cierre total de la válvula y cuando alcanza el nivel máximo (LSH) ordena la apertura total de la misma. Pueden existir variantes en cuanto a los elementos sensores, pueden ser dos interruptores de máximo y mínimo (como el caso de la figura) o puede ser un mismo interruptor con brecha diferencial para que la apertura y cierre no ocurra en el mismo punto. La ventaja de este sistema es que es sencillo y económico y su desventaja es que es de poca precisión y puede ocasionar efectos no deseados en el proceso como variaciones en la salida, conificación de líquidos, limitaciones de flujo en tuberías, etc.

113

113

 

 

Controles por Retroalimentación y por Previsión

SISTEMA INTELIGENTE  DE CONTROL

CONTROL POR PREVISIÓN

SALIDA DE VAPOR TT

FT

TE

FE

INTERCAMBIADOR DE CALOR

ENTRADA DE CRUDO

TY

SALIDA DE CRUDO TE TT

CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN TC ENTRADA DE VAPOR

Figura 93. Controles por Retroalimentación y por Previsión. El control por retroalimentación es el más utilizado en la industria para casi todos los procesos, y consiste en medir la variable de salida del sistema y compararla con el punto de ajuste para entonces decidir la acción de control. La principal ventaja de este sistema de control es que compensa todas las perturbaciones, indistintamente de su origen, además es sencillo y de fácil diseño e instalación. Su desventaja estriba en que debe esperar que la variable se desvíe del punto de control para entonces tomar las acciones correctivas, es decir, la perturbación propagar por todo el proceso antes que pueda ser compensada por el control se pordebe retroalimentación. El control por previsión se basa en la medición y análisis de las variables de entrada al sistema, ejerciendo acciones de control cuando existan variaciones en las mismas que pudiesen afectar la variable de salida, es decir, se antepone o previene que la perturbación afecte al sistema, compensándola antes que varíe la salida, lo cual es su principal ventaja. Su desventaja principal es que requiere complicados algoritmos para su instalación y su costo es elevado, por lo que se justifica solo en procesos críticos, donde no son aceptables variaciones transitorias en la variable controlada.

114

 

 

Control de Relación

FLUIDO A

FT FC

FY

 A ESTACIÓN DE  R = RELACIÓN FY  B

FC

FY

FT FLUIDO B

MEZCLADOR

Figura 94. Control de Relación. El control de relación es muy usado en algunos procesos industriales, particularmente donde se requiere efectuar mezclas de fluidos con una proporción definida y constante que se denomina R:  R =

 A  B

En el caso de la figura, se tiene un mezclador de dos corrientes A y B. Hay procesos en los que B no se controla, simplemente se mide y el control de relación ajusta el flujo de A según la proporción definida. En el esquema mostrado aquí, la corriente B es controlada por un simple lazo de control que pudiese ser parte de otro más complejo y cuyo punto de ajuste será definido en función del proceso. El control de relación toma la lectura de flujo de B y fija el punto de ajuste del controlador de flujo de la corriente A. Otra aplicación muy común de este tipo de control es en la mezcla de gas / aire para ser usado como combustible en equipos de calentamiento y mecheros.

115

 

 

Control Selectivo

LT

LC

LS

FC FT

Figura 95. Control Selectivo. El control selectivo consiste en dos o más controladores para manejar solo uno a la vez, un mismo elemento final de control. Existe un selector de baja señal cuya función es comparar las señales de los controladores y seleccionar la más baja para aplicarla al elemento final. Este tipo de control se aplica básicamente cuando se requiere mantener a algunas variables del proceso (diferentes a la variable controlada), dentro de ciertos límites, generalmente por razones de seguridad, protección de los equipos, economía o eficiencia. En el caso de la figura, se tiene una bomba cuya succión está conectada a la salida de líquidos de un separador. La velocidad de la bomba es controlada mediante un variador de frecuencia como elemento final. En condiciones normales de operación, cuando hay un nivel de líquidos dentro del recipiente suficiente para superar el volumen neto de bomba,pero la velocidad la que debe operar, espositivo controlada en succión función (NPSH) del flujodedelasalida, si el nivela comienza a descender, cuando la salida del controlador de nivel se hace inferior a la del controlador de flujo, el selector le entrega el mando a éste para reducir la velocidad de la bomba en función de nivel y evitar que ocurra cavitación dentro d entro de la misma. Control de Rango Partido. El control de rango partido consiste en un solo controlador que maneja dos válvulas de control. Normalmente se usa en procesos donde las condiciones pueden variar en una relación muy alta. Hay casos en los que el flujo a través de una válvula de control puede tener valores bajos y súbitamente incrementarse a valores altos, entonces si se dimensiona la válvula para el máximo flujo, no podrá controlar eficientemente para bajos flujo y, por supuesto, si se dimensiona para bajos flujo no podrá manejar los altos caudales. En estos casos se recomienda instalar dos

116

 

 

válvulas en rango partido, es decir, se calibran sus posicionadores de tal manera que la primera válvula abra de 0 a 100% al variar la presión de control de 3 a 9 psi, y la segunda válvula abra de 0 a 100% cuando la presión del control varíe de 9 a 15 psi.

AGUA

9 - 15 PSI TY TC TY

3 - 9 PSI TT

VAPOR TE

Figura 96. Control de Rango partido. En el caso mostrado en la figura se tiene el caso de un intercambiador de calor para un proceso cuya temperatura puede tener valores o muy altos o muy bajos, en al caso que la temperatura sea muy baja se le suministra vapor para incrementar su temperatura y si la temperatura está muy alta se le suministra agua fría para disminuir su temperatura. La válvula de vapor se moverá desde completamente abierta a completamente cerrada al pasar la señal de control de 3 a 9 psig y la válvula de agua se moverá de completamente cerrada a completamente abierta al pasar la señal de control de 9 a 15 psi. Control en Cascada El control en cascada es una técnica muy común en los diferentes procesos de la industria de petróleo y gas. Consiste en dos controladores conectados de manera tal que la salida del primero corresponde al punto de ajuste del segundo. Cuando se aplica correctamente el sistema de control en cascada se logra que todo el lazo de control sea más estable y de respuesta más rápida. El controlador que maneja la variable controlada principal, se conoce como controlador maestro, externo o principal. Al controlador que maneja la variable controlada secundaria se le conoce como controlador esclavo, interno o secundario.

117

 

 

CRUDO Qi

CRUDO Qo TT

FY

GAS FT

SET-POINT FC

TC

Figura 97. Control en Cascada. La consideración más importante que se debe tomar en cuenta al diseñar un sistema en cascada es que el lazo interno o secundario debe sser er más rápido que el primario. En la figura se presenta el caso de un horno de calentamiento de crudo en el cual el lazo primario es el de la temperatura de salida que actúa como maestro y cuya salida le fija el punto de ajuste al controlador del lazo secundario que es el de flujo de gas combustible. Control Multivariable Hasta ahora las técnicas de control estudiadas has sido considerando una sola variable controlada y una manipulada. Estos sistemas son conocidos como de entrada simple y salida simple (SISO). No obstante, con frecuencia existen procesos donde se deben controlar y/o manipular dos o más variables, éstos se conocen como de múltiples entrada y múltiples salidas (MIMO). No existe una técnica de control definida para los procesos multivariables, en todos los casos se requiere realizar análisis para determinar cual es la mejor agrupación de pares de variables controladas y manipuladas, cuanta interacción existe entre los diferentes lazos de control y como afectan af ectan a la estabilidad de los mism mismos. os.

118

 

 

FLUIDO A

FT

VARIABLES MANIPULADAS FT FLUIDO B VARIABLES CONTROLADAS FT

AT

MEZCLADOR

Figura 98. Multivariable. Existen métodos para realizar estos análisis que se estudian en cursos más avanzados de control de procesos. Uno de los más usados es la gráfica de flujo de señal, la cual es un grupo de representaciones gráficas de las funciones de transferencia con las que se describen a los sistemas de control. En la figura mostrada se presenta el caso de un mezclador de dos fluidos diferentes en el cual hay que controlar tanto el flujo total como la composición del fluido resultante, para lo cual hay dos variables manipuladas que son los flujos de entrada de cada fluido. Acciones de Control La acción tener en cuenta del controlador cuando se es diseña uno un de lazo los parámetros de control o más se configura importantes un controlador que se debe ya que es así como se define cuando debe ordenar abrir la válvula y cuando debe ordenar cerrarla. El tipo de acción depende básicamente de la lógica de operación y del tipo de falla de la válvula de control. Acción Directa Cuando un controlador aumenta su salida con un incremento en su señal de entrada, se dice que es de acción directa, y cuando disminuye su señal de salida cuando se incrementa su entrada, se dice que es de acción inversa.

119

 

 

SEÑAL: SALIDA:

ACCIÓN DIRECTA

PC PY PT FA

LT LC

DESHIDRATADOR MECANICO LY

SEÑAL: SALIDA:

FC

Figura 99. Acción de Control Directa. En los ejemplos de la figura se observan dos casos comunes de acción directa. En el caso del deshidratador de crudo, la válvula de control es falla cerrada, por lo que la acción debe ser directa para que cuando el nivel de interfase agua-crudo aumente, el controlador también incremente su salida para hacer abrir la válvula de salida de agua. En el caso del control de presión aguas abajo de la bomba, la válvula de control es falla abierta, por lo que la acción debe ser directa para que cuando la presión controlada disminuya, el controlador también disminuya su salida para hacer abrir la válvula. Acción Inversa En los ejemplos de la figura siguiente se observan dos casos comunes de acción inversa. En el caso de la recirculación de la bomba, la válvula de control es falla abierta, por lo que la acción debe ser inversa para que cuando la presión de descarga se incremente, el controlador disminuya su salida para hacer cerrar la válvula. En el caso del horno, la válvula de control es falla cerrada, por lo que la acción también debe ser inversa para que cuando la temperatura de salida disminuya, el controlador incremente su salida para hacer abrir la válvula de control de gas combustible.

120

 

 

PY

ACCIÓN INVERSA

PC FA

SEÑAL: SALIDA:

PT

SEÑAL: SALIDA:

TT

TY

TC

FC

Figura 100. Acción de Control Inversa. En resumen, para determinar cual debe ser la acción del controlador, se debe primeramente establecer el tipo de falla de la válvula y luego verificar cual debe ser su condición cuando la variable controlada aumente o disminuya para que el proceso opere normalmente. 4.4 DIAGRAMAS DE BLOQUES El diagrama de bloques es una representación esquemática de las funciones de transferencia de todos los elementos que interactúan en un sistema. Consta de flechas, bloques, puntos de sumatoria y de bifurcación. BLOQUE

SUMATORIA

DERIVACIÓN

E (s)

R (s) + _

M (s) Gc (s)

C (s)

M (s) FLECHAS

Figura 101. Diagrama de Bloques.

121

 

 

El empleo de los diagramas de bloques para la representación gráfica de las funciones de transferencia, transferencia, es una herramienta muy útil en el control de pro procesos. cesos. Su uso fue introducido por primera vez por James Watt cuando aplicó el concepto de retroalimentación a una máquina de vapor. Constan básicamente de cuatro elementos: bloques, flechas, puntos de sumatoria y puntos de bifurcación. Las flechas indican flechas indican la dirección y sentido de la información, y representan a las variables de procesos o señales de control. Los bloques  bloques  representan la función matemática de la función de transferencia y su salida es igual al producto de la entrada por dicha función, en el ejemplo M(s)=E(s)Gc(s). Los puntos de sumatoria representan sumatoria representan la suma algebraica de los puntos que entran, en el ejemplo: E(s)=R(s)-C(s). Los puntos de bifurcación  bifurcación  son posiciones sobre las flechas, en las cuales la información sale y va concurrentemente a dos o más puntos dentro del diagrama. En resumen, el diagrama de bloques de la figura se puede representar mediante la siguiente ecuación matemática:  M ( s ) = GC ( s ) E ( s ) =  GC ( s )( R ( s ) − C ( s ) )

Reglas del Algebra de Diagrama de Bloques.

1.- Y=A-B-C B

B _

A

Y

A

=

+ _

+

_

Y

+ _

C

C

2.- Y=G1G2A A

G1

G2

Y

=

A

G1 G2

Y

Cualquier diagrama de bloques se puede tratar y estudiar de manera algebraica, siguiendo una serie de normas o leyes para su tratamiento, que a su vez permiten la

122

 

 

simplificación en diagramas equivalentes. A continuación se presentan los casos más comunes: En el caso 1 cuando se desean sumar dos o más variables se debe usar el punto de sumatoria, los cuales se pueden simplificar sim plificar hasta tres señales por punto. En el caso 2, cuando se tienen dos bloques de función de transferencia conectados en cascada, la señal resultante es el producto de la entrada por la función de transferencia de cada uno y se puede simplificar a un solo bloque cuya función de transferencia sea el producto de las dos funciones originales.

3.- Y=G(A-B) A A

Y

G

+ _

=

Y

+ _

G

B

B

G

4.- Y=(G1+G2)A A

G1

G2

Y

+

G1

+

=

A

G1

Y

+ +

G2

En el caso 3, la función de transferencia es aplicada al resultado de la diferencia entre las señales A y B, lo cual también puede expresarse de manera análoga en la diferencia de cada una de las señales previamente multiplicadas por la función de transferencia G, es decir:

(A-B)G = AG-BG

En el caso 4, tenemos dos funciones de transferencia G1 y G2 que son aplicadas a una misma señal A, representada de dos maneras análogas, que de manera algebraica, sería equivalente a:  G2    + AG  1 =  AG2 + AG1 G   1  

 AG1 

123

 

 

5.- Y=G1A+G2B A

B

Y

+ _

G1

G2

6.- Y=AG1 /(1+G2G1) A

Y + _

A

=

G1

G1

Y

1 +  G1G2

G2

En el caso 5, se presentan dos funciones de transferencia G1 y G2 diferentes aplicadas cada una a dos señales diferentes A y B respectivamente. En el caso 6, se muestra uno de los casos más frecuentes e importantes que se pueden presentar en el estudio de sistemas de control, ya que consiste en la representación de un sistema con retroalimentación negativa, que corresponde al ya estudiado sistema de control por retroalimentación. Principio de Superposición.

La respuesta total del sistema se obtiene mediante la sumatoria algebraica de la respuesta generada por cada una de las entradas, es decir, en la figura, “Y” se puede definir efecto sólo de A (con B=0) menos el efecto sólo de como B (conelA=0). A

B

G1

+ _

Y

G2

La propiedad de la suma algebraica de las respuestas debidas a varias entradas para obtener la respuesta final es particular de los sistemas lineales  lineales  y se conoce como principio de superposición, superposición, por eso cuando el principio de superposición es aplicable a un sistema, se dice que q ue el sistema es lineal.

124

 

 

Este principio es de gran ayuda para el estudio de los diagramas de bloque y funciones de transferencia, ya que cuando se posee un sistema de entradas múltiples y se desea hallar la función de transferencia con respecto a cada entrada, se pueden hacer elfuese restolade las en entradas igual a cero y hacer el análisis como si la entrada analizada única el sistema. Ejemplo de Diagrama de Bloques

A partir del siguiente diagrama de bloques, determinar las funciones de transferencia que relacionan a Y con X1 y a Y con X2: X1(s)

+

G1

Y1 _

G3

Y3

Y ( s )  X 1 ( s ) = ?

G2 +

Y(s)

Y ( s )

+

X2(s)

G4

+

 X 2 ( s )

Y2

=?

_

Para encontrar la solución al ejemplo planteado, se deben emplear las normas anteriormente señaladas a fin de simplificar y determinar la función de transferencia resultante en cada sector del diagrama. Aplicando la propiedad 4 para Y1, se tiene que: Y 1 = (G1 − G2 ) X 1 ( s )

Y en la rama de X2, se tiene ti ene que:

Y 2 = G4 X 2 ( s ) − X  2 ( s ) =  X 2 ( s )(G4 − 1)

Luego, aplicando la regla 2 en la rama de X1, se tiene: Y 3 = G3 (G1  − G2 ) X 1 ( s ) Finalmente, aplicando principio de superposición, se deduce que: Y ( s )  X 1 ( s )

= G3 (G1 − G2 )   y

Y ( s )  X 2 ( s )

= G4 − 1

125

 

 

Ejemplo de Simplificación de Diagramas de Bloques

Reducir el siguiente diagrama de bloques y hallar la función de transferencia: H2 R

+

_

+

G1

+

 

    _ +

G2

G3

C

H1

Para resolver este ejercicio se deben emplear igualmente las normas de simplificación y álgebra de diagramas de bloques. En este caso no se requiere emplear el principio de superposición ya que existe una sola entra. Se debe emplear la ecuación para la simplificación de un sistema con retroalimentación para poder reducir los tres lazos presentes y transformar todo a un solo bloque con una función de transferencia equivalente. El resultado final debe ser s er el siguiente: C   R

=

G1G2G3

1 − G1G2 H 1 + G 2G3 H 2 + G1G2G3

4.5 MODOS DE CONTROL Debido a que el sistema de control por retroalimentación es el más común en la industria, en esta sección se estudiarán los principales modos de control aplicable para estos casos. Con las diferentes acciones de control indicadas (acción proporcional, integral y derivativa) se pueden generar diferentes modos de control, de los cuales los más comunes son los siguientes: • 

Control proporcional puro (P).

• 

Control proporcional + integral (PI).

126

 

 

• 

Control proporcional + integral + derivativo (PID).

• 

Control proporcional + derivativo (PD).

Adicionalmente existe también el control ON/OFF o “todo/nada” que suele encontrarse en algunos procesos de la industria, pero no es considerado como control regulatorio. Modo Proporcional Puro (P) La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C [r (t ) − c (t )]  

ó   m(t ) = m ± K C e(t )

donde : m(t) = salida del controlador, psig o mA r(t)  = punto de control, psig o mA c(t)  = variable controlada, psig o mA (salida de transmisor) psi mA K C = ganancia del controlador,  ó psi mA m = valor base BIAS, 9 psig ó 12 mA

El controlador proporcional es el modo más simple de control. Tal como se ve en su ecuación, consiste en adicionar o sustraer un valor al valor base o BIAS dependiendo de signo del error poryaunque factor Si en la ecuación c(t) se aplica el signo “+”,laelmagnitud control esy de acción inversa si laKc. variable controlada se incrementa por encima del punto de control r(t), el error será negativo y por ende la salida del controlador decrece. Si en la ecuación se aplica el signo “-”, el control es de acción directa ya que para el mismo mi smo caso, la salida del controlador se incrementará. Cuando el error es cero, la salida del controlador debe ser igual al valor base, que en el caso de los controladores neumáticos será 9 psig y en los controladores electrónicos será 12 mA. En este modo de control la salida es proporcional al error en un factor dado por la ganancia Kc, mediante la cual se determina cuanto se modifica la salida del controlador con un cierto cambio de error.

127

 

 

La ventaja del modo de control proporcional puro es que existe un solo parámetro de ajuste (Kc). La desventaja es que luego de una perturbación, siempre existirá una desviación o diferencia entre el punto de control y la variable controlada, la cual se conoce como error de estado estacionario. c(t) mA

1 mA

c(t) mA

Pto. de control

1 mA

Pto. de control

t m(t) mA 14 13 12

t

ACCION DIRECTA

ACCION INVERSA m(t) mA

Kc=2

12

Kc=1 BIAS

BIAS

11

Kc=1

10

Kc=2

t

t

Figura 102. Efecto Proporcional. En la figura de detalla como varía la salida del controlador proporcional en caso de existir una perturbación tipo escalón unitario en la variable controlada c(t). Aplicando la definición de error, se tiene que éste es igual a -1 mA, por lo que para el caso del control en acción directa, la salida será: s erá: m(t ) = 12 −  Kc(−1mA)

Por lo que para Kc=1, m(t) será igual a 13 psig y para Kc=2, m(t) será igual a 14 psig. Si el control es de acción inversa, inve rsa, la salida será: m(t ) = 12 +  Kc ( −1mA)

Por lo que para Kc=1, m(t) será igual a 11 psig y para Kc=2, m(t) será igual a 10 psig.

128

 

 

l(t)

PERTURBACIÓN

t c(t) mA

Pto. de control

1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

VARIABLE CONTROLADA Kc2

Kc1>Kc2 Kc1

t

Figura 103. Efecto de la Acción Proporcional. En la gráfica se observa el comportamiento típico de la variable controlada ante una perturbación escalón unitario y el efecto de un controlador proporcional puro con dos valores diferentes de ganancia Kc. Se observa que en ambos existe un error de estado estacionario, pero mientras mayor es la ganancia, este error es menor, sin embargo, también es importante notar que mientras mayor es la ganancia también es mayor la oscilación, lo que hace más inestable al sistema. Más adelante se estudiará el efecto de la variación de la ganancia sobre la estabilidad de los sistemas. Con un control en modo proporcional puro, siempre existirá error de estado estacionario ya que en la ecuación que define a m(t), la única forma que la salida varíe con respecto al BIAS para compensar una perturbación es que el término “Kc.e(t)” sea diferente de cero, y por supuesto, mientras mayor sea Kc menor será la magnitud de e(t) para generar la variación requerida en la salida del controlador. Esta es la razón por la que no se recomienda este modo de control para procesos rigurosos donde no se acepten desviaciones, sino para casos donde se puede controlar dentro de una banda alrededor del punto de control.

129

 

 

Punto de Control 15 Salida del Controlador

   %     %     5     5    0     2   0   0   0  0  %   %    =   =   =  1     B    B     B     P    P     P

psig

 %   0  0  =  2   B   P

12

20 mA 16

9

12

6

8

3

0

25 50 75 100 Porcenta Porcen ta e de la Variable Contr Controlada olada

PB =

100 K C 

4

Figura 104. Ganancia y Banda Proporcional. En una amplia gama de fabricantes de controladores, se emplea el término banda proporcional en lugar de ganancia, por lo que es importante conocer esto antes de configurar un controlador, de acuerdo a la ecuación mostrada, la salida del controlador será: m(t ) = m + 

100 PB

e(t )

La banda proporcional se puede definir como el error (expresado en porcentaje de rango de la variable que se controla) que se requiere para llevar la salida del controlador del valor más bajo al valor más alto. Por ejemplo, se tiene un transmisor de presión de 0-200 psig conectado a un controlador y el punto de ajuste es 100 psig. Las variaciones serán de la siguiente manera:

PB 100% 50% 25% 200%

Salida del Controlador 3 psig 9 psig 15 psig 4 mA 12 mA 20 mA 0 psig 100 psig 100 psig 50 psig 100 psig 150 psig 75 psig 100 psig 125 psig 100 psig

130

 

 

Modo Proporcional + Integral (P+I) La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )] ±

  ó   m(t ) = m ± K C e(t ) ±

K C 

τ i

K C 

τ i

∫ [r (t ) − c(t )]dt 

∫ e(t )dt 

donde : minutos τ i = tiempo de integración o reset,  repetición El modo de control Proporcional + Integral (PI) es el más común en la mayoría de los procesos de la industria. industria. La gran ventaja de este modo de control es que elimina el error de estado estacionario que, tal como se explicó, es inevitable con un controlador proporcional puro. Este modo de control requiere del ajuste de dos parámetros para su buen funcionamiento, la ya conocida constante Kc y ahora τi, que no es más que el tiempo de integración dado en minutos por repetición y que seguidamente se explicará. Como se puede apreciar en la ecuación de m(t) para este caso, se le adiciona un nuevo término con respecto al controlador proporcional puro, el cual depende de Kc, de τi  y de la integral del error. Es decir que mientras exista un error, el controlador lo integrará lo multiplicará por Kc yque dividirá entre el resultado del controlador hasta garantizar el error seaτi y igual a cero. los sumará a la salida Si el error o desviación es un escalón, entonces la integral será una rampa rampa,, tal como se verá seguidamente.

131

 

 

c(t) mA 1 mA

Pto. de control t

ACCION DIRECTA

m(t) mA

Kc Kc 12

Respuesta del control proporcional

τ i BIAS t

Figura 105. Efecto del Control P+I. El tiempo de integración τi, también conocido como reajuste o reset, tal como puede apreciarse fácilmente en la gráfica, es el tiempo requerido para que salida del controlador vuelva a alcanzar el efecto proporcional suministrado por la ganancia Kc. En la gráfica se presenta la respuesta del controlador ante una perturbación escalón unitario. La salida será al inicio el mismo efecto proporcional ya estudiado y luego se le adiciona una rampa cuya pendiente depende de Kc y de τi. Mientras menor sea τi, mayor será la pendiente de la rampa porque se debe alcanzar nuevamente el efecto integral en menos tiempo. Igualmente, mientras Kc sea mayor, también será mayor la pendiente o velocidad del efecto integral ya que deberá alcanzar en igual tiempo un valor mayor. Una vez que el error se hace igual a cero, la fracción de salida adicionada por el efecto integral, se mantiene constante o “añadiendo “aña diendo cero” a la salida. Similarmente a lo que ocurre en el caso de la ganancia y la banda proporcional en los distintos fabricantes, en el caso de el tiempo integral también hay dos tendencias, una de las cuales es el ya mencionado reajuste o reset, expresado en minutos por repetición, y el otro caso es el de rapidez de reajuste expresado en repeticiones por minuto.  τ  R i =

1 τ  i

 

repeticiones minuto

132

 

 

Ambos parámetros son recíprocos y expresan lo mismo pero pero expresado de manera diferente. La rapidez de reajuste se define como la cantidad de repeticiones del efecto proporcional originado por Kc que se s e deben repetir en un minuto. También es de suma importancia que se conozca con cual de los parámetros opera el controlador que se desee operar o configurar, ya que pudiese originarse un efecto no deseado en el sistema que en algunos casos pudiese involucrar un riesgo operacional. Modo Proporcional + Integral + Derivativo (P+I+D) La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C e(t ) ± 

K C 

τ i

∫

e(t )dt ± K C τ  D

de(t ) dt 

donde : τ D = rapidez de derivación en minutos

En el modo de control proporcional + integral + derivativo (PID) se añade un nuevo término a los indicados en el PI, y corresponde al efecto derivativo de la función error e(t), el cual tiene como propósito anticipar hacia donde va el proceso y con que rapidez, por lo que el efecto derivativo será mayor mientras mas rápida sea la razón de cambio en la variable controlada y de manera proporcional a la ganancia Kc y a la rapidez de derivación τD. Por lo tanto, en el control PID es necesario ajustar tres parámetros para lograr su correcto funcionamiento, los ya conocidos Kc y τi y ahora τD. La desventaja principal del modo de control PID es que es cuando hay ruido en la variable controlada, lo toma como el inicio de una perturbación de gran pendiente y genera una gran salida para intentar compensar este efecto, por este motivo se utiliza básicamente en procesos donde la constante de tiempo es larga, como es el caso de la temperatura, concentración o nivel en recipientes grandes que no son susceptibles al ruido. En los procesos de constante de tiempo corta como control de flujo o presión, son rápidos y susceptibles al ruido, por lo que no se recomienda el efecto derivativo.

133

 

 

PERTURBACIÓN l(t)

t c(t) VARIABLE CONTROLADA Pto. de control

e(t)

t a

t b

t

FUNCIÓN ERROR

0

t a t b

t

Figura 106. Efecto del Control P+I+D. La figura muestra el efecto de la acción derivativa en un controlador en modo PID. Suponiendo que haya una perturbación con la forma mostrada, inicialmente la variable controlada tratará de desviarse del punto de control con una forma de onda similar, pero el sistema de control comenzará a corregir dicha desviación. En el punto ta la señal error es muy pequeña por lo que el efecto proporcional y el derivativo serán muy pequeños sobre la señal de salida del controlador, pero como la pendiente es pronunciada positiva, el controlador detecta que la variable se está desviando a gran velocidad, por lo que adiciona una parte importante en la señal para compensar más rápidamente esta variación antes que se incremente demasiado. Cuando la variable controlada pasa por el punto tb la señal error es grande por lo que el efecto de la acción proporcional e integral será grande. Pero en este caso la pendiente es pronunciada negativa y el controlador anticipa que la variable bajará mucho del punto de ajuste, por lo que le resta una parte a la señal del controlador, haciendo que la bajada sea mas suave. Tal vez este efecto haga que la señal llegue más lentamente al punto de ajuste pero reduce significativamente las oscilaciones y por lo tanto mejora la estabilidad.

134

 

 

Modo Proporcional + Derivativo (P+D) La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

m(t ) = m ± K C [r (t ) − c (t )] ± K C τ  D

  ó de(t ) m(t ) = m ± K C e(t ) ± K C τ  D

d 

[r (t ) − c(t )]

dt 

dt 

Este modo de control se emplea en aquellos procesos donde es permisible un error de estado estacionario y a la vez son de constante de tiempo larga y se requiere que cumpla el efecto de anticipación ya descrito. La ventaja modoemplear PD es que respectomayor, al proporcional puroeleserror más estable por lo que se del puede unacon ganancia reduciendo de estado estacionario, que a pesar de esto, siempre estará presente. Sólo es posible eliminarla completamente mediante la acción integral. 4.6 ESTABILIDAD Y ENTONACIÓN DE LAZOS Como se definió anteriormente, se dice que un sistema es estable, si para una entrada limitada, su salida permanece también limitada. Por ejemplo, en un lazo de control por retroalimentación como el de la temperatura de salida del horno, si equivocadamente se configura el controlador como de acción directa, cuando la temperatura de salida aumente, incrementará la salida del controlador y por ende la apertura la válvula, haciendo está que en la temperatura aumente aún mas. No obstante, aún si la de acción del controlador el modo correcto, el sistema puede tornarse inestable debido a los retardos y ganancias del sistema. Para comprender el último fenómeno descrito, es necesario conocer y manejar ciertos conceptos como el de la función de transferencia que ya fue mencionado. A partir de la función de transferencia, se determina la ecuación característica, cuya representación el plano S servirá de base bas e para el estudio de su estabilidad. Existen una serie de métodos analíticos para determinar los parámetros adecuados del controlador para evitar la inestabilidad (proceso conocido como entonación del lazo), sin embargo en este curso se estudiarán los métodos prácticos, que serán de gran ayuda para los instrumentistas en el área de trabajo al momento de efectuar la entonación de los lazos de control.

135

 

 

Función de Transferencia de Lazo Cerrado

ENTRADA CONTROLADOR SET-POINT r

e

+ _

l

Gl

VÁLVULA DE CONTROL

Gc

p

Gv

u

PROCESO m

Gs

+

+

c SALIDA

b TRANSMISOR b

Ht

c

Figura 107. Función de Transferencia de Lazo Cerrado En la figura mostrada se representa el diagrama de bloques genérico que aplica para todos los casos de sistemas de control por retroalimentación. Recorriendo el lazo, la variable medida “b” proveniente del transmisor y elemento de medición es comparada en el enlace sumador dentro del controlador con el punto de ajuste “r”, esta comparación produce una señal de error “e” que se aplica bloque Gc que define la ganancia y acción del controlador, generando una señal de salida “p” que es entregada a la válvula de control o elemento final de control para producir un cambio en la variable manipulada “m” según lo establece la función de transferencia de la válvula Gv. La variable manipulada “m” ejercerá algún efecto sobre el proceso Gs, haciendo modificar su salida con la finalidad de reducir al mínimo posible la señal error “e”. El transmisor mide la salida “c” convirtiéndola a través de la función de transferencia Ht en la señal “b” que podrá ser interpretada por el controlador. Adicionalmente, existen todo sistema entradas, cuyas variaciones ocasionen que en el sistema entre unaen perturbación “l” la cual según la función de transferencia Gl producirá un efecto “u” en la salida del sistema que luego deberá ser compensado por el sistema de control tal como se s e explicó. A partir del diagrama de bloques se obtiene:

Señal de error :    E ( s ) =  R ( s ) − B ( s ) Salida del controlado r :   P ( s ) = GC  ( s ) E ( s ) Variable manipulada :   M(s) = GV (s)P(s) Variable controlada :   C ( s ) = G S  ( s ) M ( s ) + G L ( s ) L ( s ) Señal del transmiso r :    B ( s ) =  H t ( s )C ( s )

136

 

 

Mediante el empleo de las reglas del álgebra de diagrama de bloques, previamente estudiadas, fácilmente ecuaciones mostradas partir del diagrama deson bloques para deducibles el sistema las retroalimentado indicado ena la lámina precedente. Se puede observar en las ecuaciones anteriores que están expresadas en mayúsculas y en función de “s”, ya que así es indicativo que las expresiones corresponden a la transformada de Laplace de las ecuaciones diferenciales que rigen el comportamiento de cada señal y cada bloque que conforma el diagrama. El trabajo de los sistemas en base a sus transformadas de Laplace es una condición necesaria para hallar la función de transferencia y para facilitar el estudio de la estabilidad. En el caso del diagrama de bloque mostrado, se tiene una salida C(s) y dos entradas R(s) y L(s). Se puede determinar la función de transferencia de la salida con respecto asuperposición, cada una de siempre las entradas por separado, ya mencionado principio de y cuando se trate de aplicando un sistemaellineal: C ( s)  R( s)

y

C ( s)  L( s)

Eliminando todas las variables intermedias y combinando ecuaciones se obtiene:

C ( s ) = GS ( s )GV  ( s )GC ( s )[− H t ( s )C ( s )] + G L ( s ) L ( s )

Y reordenand o la ecuación : C ( s ) = G L ( s )  L ( s ) 1 + H ( s )GS ( s )GV  ( s )GC ( s )

A partir de las ecuaciones escritas anteriormente para eell diagrama de bloques de sistema retroalimentado, es posible hallar la función de transferencia de la salida con respecto a cada una de las entradas. En este caso se determinó la función de transferencia con respecto a la variable de entrada L(s). Es importante destacar que para hacer esto es necesario hacer la entrada R(s) igual a cero (principio de superposición). superposic ión).

137

 

 

De la misma manera se puede determinar la función de transferencia de C(s) pero con respecto a R(s), para lo cual habría ha bría que hacer L(s)=0: C ( s ) = GS  ( s )GV  ( s )GC ( s )[ R ( s ) − H t ( s )C ( s )]

Y reordenand o la ecuación : C ( s )  R ( s )

=

GS  ( s )GV GC 

1 + H ( s )GS ( s )GV  ( s )GC ( s )

Es importante notar que el denominador es igual en ambos casos. Estas son las funciones de transferencia genéricas de un sistema de control a lazo cerrado. En cada sistema particular las funciones individuales de cada bloque pueden variar su estructura. Partiendo de la función de transferencia hallada, la l a ecuación característica será:

1 + H ( s)GS ( s )GV  ( s)GC ( s) = 0 Esta es la ecuación característica de un sistema de control por retroalimentación. Ahora bien, cuando en esta ecuación se reemplazan las funciones de transferencia de cada bloque individual, se obtendrá una ecuación en función de “s”, y como esta ecuación está igualada a cero, existirán cierto valores de “s” para los cuales se cumple esta igualdad, esos valores son las denominadas raíces de la ecuación característica y son quienes realmente definirán la estabilidad est abilidad del sistema. Es importante notar que en la ecuación característica está incluida la función de transferencia del controlador, de allí es que mediante el ajuste de los parámetros del controlador es posible dar forma a la respuesta respues ta del circuito y variar su estabilidad. Adicionalmente, son importantes la función de transferencia de la válvula de control, la del transmisor y por supuesto la parte del proceso que aafecta fecta la variable manipulada a la variable controlada, en este caso llamada Gs(s). El plano S Es el plano complejo donde es representada la variable “s” de la transformada de Laplace:

138

 

 

s = σ  +  jω   (número

 complejo)

Eje Imaginario

+  jω  Plano Izquierdo

Plano Derecho Eje Real

− σ 

+ σ  −  jω  Figura 108. El plano S

Ante nada,laesraíz importante que unnegativa número (raíz imaginario contiende cuadradarecordar de la unidad de -1) puro y poresloaquel tantoque no pertenece a los números reales. Un número complejo es aquel que no puede representarse como un número real puro ni como un imaginario puro y consta de una parte real y otra imaginaria. Con la aplicación de la transformada de Laplace se cambia la ecuación en función del tiempo “t” a una ecuación en función de s , la cual es un número complejo, por lo que su representación debe ser en un plano complejo denominado plano s  o  o dominio Laplace: s = σ  +  j

 (número  complejo)

Un número complejo se puede representar gráficamente en el plano s , situando su parte real en el eje horizontal y su parte imaginaria en el eje vertical. Es muy común en término lado derecho o lado izquierdo del plano s . Lado derecho se refiere a aquella parte de plano donde se ubican todos los números con parte real positiva y lado izquierdo todos los números con parte real negativa.

139

 

 

Criterio de Estabilidad s 

PLANO Eje Imaginario

+  jω  Sistema Estable

Sistema Inestable Eje Real

− σ 

+ σ  −  jω 

Figura 109. Criterio de Estabilidad Las raíces reales, así como la parte real de las raíces complejas de la ecuación característica, deben ser negativas para que el sistema sea estable. Los enunciados del criterio de estabilidad dicen lo siguiente: “Para que el circuito de control con retroalimentación sea estable, todas las raíces de su ecuación característica deben ser números reales negativos o números complejos con partes reales negativas”. “Para que el circuito de control con retroalimentación sea estable, todas las raíces de su ecuación característica deben caer en la mitad izquierda del plano s, que también se conoce como plano izquierdo”.

Cuando se modifica la ganancia de un controlador, lo que se está haciendo es mover las la ecuación dentro del plano s , existiendo la posibilidad de caerraíces en eldelado derechocaracterística y hacer inestable al sistema. Cuando las raíces están ubicadas sobre el eje imaginario o vertical, se encuentran en el límite de la estabilidad, entonces, la ganancia del controlador para la cual las raíces de la ecuación característica se encuentran al límite de la estabilidad o en el eje vertical, se llama ganancia última. última.

140

 

 

Métodos Experimentales de Entonación de Lazos La entonación es el procedimiento mediante el cual se ajustan los parámetros del controlador por retroalimentación para obtener una respuesta específica en lazo cerrado según los requerimientos de proceso. La entonación incrementa su dificultad en mientras se requiera ajustar mayor número de parámetros, es decir, el caso más sencillo sería un controlador proporcional puro y el más complejo un proporcional + integral + derivativo. Existe una diversidad de métodos analíticos para determinar los valores idóneos para los parámetros del controlador. Aquí se mencionan solo algunos de ellos. Para aplicarlos se requiere disponer de la función de transferencia del sistema y por lo tanto de todas las ecuaciones diferenciales que rigen el proceso, lo cual no es objetivo ni materia de este curso. En este caso se analizarán con mayor detalle los métodos experimentales para entonación de lazos, los cuales pueden hacerse en campo y no requieren complejos conocimientos matemáticos para su aplicación y ofrecen excelentes resultados. Estos métodos se clasifican en: de lazo cerrado como el método de Ziegler-Nichols o de la ganancia última, y de lazo abierto como el método de la curva de reacción o el de los dos puntos. Método de la Ganancia Última (Ziegler – Nichols). Lazo Cerrado

SISTEMA OSCILATORIO c(t)

ASENTAMIENTO DE 1/4

 A

c(t)

T U 

1  A 4  A = ctte

SP t

t

Figura 110. Método de Ziegler – Nichols. Razón de Asentamiento de ¼. Entre los métodos más conocidos para el entonamiento de lazos de control se encuentra el de Ziegler-Nichols de lazo cerrado c errado o de ganancia última. El asentamiento es la relación de amplitud entre dos oscilaciones sucesivas, deben ser independientes de las entradas del sistema y depender únicamente de las raíces de la ecuación característica del sistema. Con este método se logra un asentamiento de 1/4, es decir, la amplitud de primera oscilación se reducirá en 1/4 para la segunda

141

 

 

oscilación y así sucesivamente. Este tipo de respuesta es muy deseable ante perturbaciones porque se evita una gran desviación inicial del punto de control sin que exista demasiada oscilación. Para poder aplicar este método, es necesario hallar experimentalmente la máxima ganancia a la cual el sistema es estable, que tal como se ha mencionado se conoce como ganancia última Kcu. A este valor de ganancia las raíces de la ecuación característica están sobre el eje vertical del plano s. En este punto la salida del sistema oscila con amplitud constante y con una frecuencia que vendrá dada por las características dinámicas del mismo. El período de tiempo para esa frecuencia se conoce como Tu. A continuación se explicará el procedimiento para aplicar el método. La ganancia y período último se deben hallar de manera experimental con el sistema real, mediante el siguiente procedimiento: 1.-Se desconectan las acciones integral y derivativa, dejando el controlador en modo proporcional puro y en modo automático (lazo cerrado). 2.-Se aumenta gradualmente la ganancia proporcional (o reduce banda proporcional) hasta que el lazo oscile con amplitud amplitud constante. Entre cada cambio de ganancia se debe alterar el sistema con pequeños cambios en el punto de control. Los incrementos de ganancia deberán ser más pequeños conforme se está más cerca de la ganancia última. Se debe registrar el valor de la ganancia en este punto como Kcu. 3.-Del registro de tiempo de la variable controlada, se mide y registra el período de oscilación como Tú o período último.

Modo de Control P

Kc K c u   / 2

τi

PI

K c u  / 2.2

T u  / 1.2

P ID

K c u  / 1.7

T u   / 2

PD

K c u  / 1.6

τD T u   / 8 T u   / 8

Una vez hallados el período y ganancia última se procede a aplicar las ecuaciones mostradas en la tabla anterior para determinar los valores óptimos de los parámetros del controlador para obtener una razón de asentamiento de 1/4.

142

 

 

La desventaja de este método es que en ocasiones se dificulta colocar el sistema a oscilar sin ocasionar inconvenientes en los procesos relacionados al mismo. Método de la Curva de Reacción Reacció n (Ziegler – Nichols). Lazo Abierto Estos métodos se aplican en lazo abierto, es decir con el controlador en manual y se procede a hallar la curva de reacción del proceso mediante el siguiente procedimiento: 1.-Con el controlador en manual, se aplica un cambio en escalón en la salida m(t) del controlador. El cambio debe ser lo suficientemente grande para que para que sea apreciable pero no tanto para que las no linealidades del sistema ocasionen distorsión en la respuesta. 2.-La salida del transmisor que mide la señal c(t) se debe registrar en un graficador de papel continuo o en un PC, ggarantizando arantizando que tenga la amplitud amplitud adecuada en las escalas de tiempo y amplitud. La graficación debe hacerse desde que que es introducido introducido el escalón en la salida del controlador hasta que el sistema vuelve a alcanzar el estado estacionario, tiempo que dependerá de la naturaleza del proceso.

CURVA DE REACCIÓN SALIDA DEL CONTROLADOR c(t)

m(t)

VALOR FINAL

∆cs ∆m

K =  

∆m

t 0

τ  VALOR INICIAL

t 1

t

t 1

t 1 +   t 0

t 1 +   t 0 + τ 

t

Figura 111. Método de la Curva de Reacción Es importante que no entren perturbaciones externas mientras se grafica la respuesta. La gráfica obtenida será del tipo mostrada en la figura anterior y se conoce como curva de reacción del proceso. Si en la gráfica se traza una recta tangente el punto de inflexión de la curva de respuesta, se obtiene que su intersección con la línea de valor inicial ocurre después de t1 con un retardo igual a t0 (tiempo muerto).

143

 

 

Modo de Control

τi

Kc

τD

P PI

/ K t o  0. 9 τ   / K t o 

3.33t o 

P ID

1. 2 τ   / K t o 

2.0t o 

0.5t o 

De la misma manera, se observa que la intersección de la misma recta con la línea de valor final ocurre en un tiempo igual a τ, luego que finaliza to. Ese el valor es la constante de tiempo del sistema y tal como se mencionó anteriormente corresponde al 63,2% del cambio total. Por otra parte, la ganancia de estado estacionario del proceso conocida como K, viene dada por la relación entre el cambio en la señal de salida del sistema c(t) y la señal de salida del controlador m(t). Finalmente, luego de haber determinado gráficamente los valores de la ganancia de estado estacionario K, el tiempo muerto t0 y la constante de tiempo τ, se aplican las ecuaciones mostradas para el ajuste de los parámetros del controlador y se obtendrá una razón de asentamiento de 1/4 ante cualquier perturbación, igual que en el método de la ganancia última.

Método de los Dos Puntos

CURVA DE REACCIÓN m(t)

SALIDA DEL CONTROLADOR

c(t) VALOR FINAL

∆cs ∆m

K =  

∆m t 1

t

0.283∆cs

t 1

 

0.632∆cs ∆cs

τ 

t 2

VALOR INICIAL t

Figura 112. Método de los Dos Puntos En este método se obtiene mejor aproximación entre el modelo real y el estimado debido a que se elimina la dependencia de la línea tangente la cual puede ser trazada con desviación en el punto de inflexión.

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De resto se procede de manera muy similar al método anterior, pero en este caso, se deben determinar los valores de dos puntos t1 y t2 en la gráfica los cuales deben corresponder al 28.3% y 63.2% respectivamente del cambio total en la salida. Luego, se aplican las siguientes ecuaciones para determinar to y τ: τ  = 1.5(t 2 − t 1 ) t 0 = t 2 − τ 

Finalmente se aplican las mismas ecuaciones del método anterior para determinar los parámetros de entonamiento del controlador. Método de Ensayo y Error Este es el método recomendado en lacasos teoríaesdeelcontrol de procesos por ser netamente empírico,menos sin embargo en muchos más usado por operadores y mantenedores en pla plantas ntas industriales donde a veces no se dispone de los recursos para la aplicación de otras técnicas. Es por ello que aquí se menciona como debe hacerse este procedimiento, ya que de lo contrario podría tardarse horas para lograr el entonamiento e inclusive no encontrarlo. enc ontrarlo. 1.-Controlador P: se empieza con una ganancia baja y se va aumentado paso a paso, moviendo el punto de ajuste para crear perturbaciones, hasta lograr la estabilidad deseada. 2.-Controlador P+I: con el tiempo integral en su valor más alto, se realiza el procedimiento anterior hasta una razón de amortiguamiento de 1/4. Luego se baja un poco la ganancia y se comienza a reducir el tiempo integral por pasos creando las mismas perturbaciones hasta que la variable alcance rápidamente el punto de ajuste con mínimas oscilaciones. 3.-Controlador P+I+D: Se repite el paso 1 hasta obtener razón de amortiguamiento de 1/4, se reduce el tiempo integral hasta acercarse al límite de la estabilidad. Se aumenta el tiempo derivativo gradualmente con las mismas perturbaciones, hasta tener un comportamiento aceptable. Al final, se puede pued e aumentar un poco la ganancia.

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4.7 CONTROLADORES El Controlador Neumático

Figura 113. Controlador Neumático Fisher 4160K Tal como se ha estudiado, el controlador es el elemento del lazo de control encargado de determinar la magnitud de la señal hacia el elemento final de control, en función de la diferencia existente entre la variable controlada y el pu punto nto de ajuste. Desde los inicios del control, la naturaleza y tecnología de los controladores ha variado considerablemente, pero sin duda el controlador neumático ha sido el más usado en gran parte de los procesos. A pesar que hoy en día, la mayoría de las plantas industriales emplean sistemas inteligentes, todavía se les suele encontrar en algunos casos donde se requiere gran robustez e independencia de sistemas integrados. Es por ello que en esta sección se hace un pequeño análisis del funcionamiento del controlador neumático que a su vez, sirve de base para entender el principio de funcionamiento de cualquier tipo de controlador. En la figura se muestra uno de los controladores neumáticos más conocidos, Wizard 4160K fabricado por Fisher Controls.

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SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN FIJA SISTEMA TOBERA OBTURADOR

SISTEMA DE REFERENCIA

SISTEMA DE MEDICIÓN SISTEMA DE RETROALIMENTACIÓN

SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN AJUSTABLE

Figura 114. Diagrama del Controlador Neumático Fisher 4160K El controlador neumático opera mediante los siguientes s iguientes sistemas: 1.-Sistema de medición: es el elemento primario de medición que emplea el controlador para medir la variable controlada, puede ser un tubo bourdon, un desplazador, un bulbo y capilar, etc. 2.-Sistema tobera - obturador: es un tubo capilar con reducciones en la entrada y salida en forma de tobera, la cual es obstruida por una lámina llamada obturador. Su función es convertir el movimiento recibido del elemento de medición en una señal de presión. 3.-Sistema de amplificación fija: consiste en un relevador cuya función es amplificar la señal de salida del sistema tobera obturador. 4.-Sistema de retroalimentación: devuelve una parte de la señal de salida hacia la señal de entrada. Normalmente es negativa. 5.-Sistema de referencia: es quien fija el valor del punto de ajuste mediante la ubicación del soporte de la tobera con c on respecto al obturador.

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6.-Sistema de amplificación ajustable: su función es darle proporcionalidad a la señal de salida, de acuerdo con la diferencia existente entre la variable controlada y el punto de ajuste. El Controlador Electrónico

DISPLAY  PRINCIPAL  PRINCIPAL

DISPLAY  DE  DE

RECONOCIMIENTO DE ALARMAS

IDENTIFICADOR BARRA DE SET-POINT BOTON DISPLAY CAMBIO MANUAL /  AUTOMATICO

BARRA DE SALIDA

BARRA DE PROCESO UP / DOWN

Figura 115. Controlador Electrónico PAC 353 de MOORE Los controladores electrónicos están basados en el uso de un microprocesador para ejercer todos los algoritmos y operaciones requeridas para el lazo de control. Esto permite que toda la configuración del controlador pueda hacerse mediante software o por el teclado sin necesidad de accesar a sus componentes internos. Normalmente este tipo de controladores tienen capacidad de manejar dos lazos de control, existiendo la posibilidad de conectarlos en cascada. Otra de las ventajas es que se pueden conectar a un sistema supervisorio mediante protocolos de comunicación para centralizar las operaciones, fijar set-points remotamente, etc. En la figura se muestra un controlador electrónico PACS 353 fabricado por Moore, en la cual se muestran la utilidad de sus principales teclas y displays. Adicionalmente a este tipo de controladores, ha tomado mucho auge en grandes plantas el uso de sistemas de control distribuido (DCS), controladores lógico programables (PLC) o sistemas de control y adquisición de datos (SCADA), los cuales pueden hacer las funciones de los controladores remotamente y de manera centralizada. Estos sistemas son objeto de otros cursos de control.

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CAPITULO V INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE CONTROL 5.1 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES Los Controladores Lógicos Programables  Programables  o PLC PLC   (Programmable Logic Controller   en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización Industrial.

Figura 116. Esquema de un PLC Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional. Hoy en día, los PLC PLC   no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos sino que realizar operaciones aritméticas, manejar industriales, señales analógicas paratambién realizarpueden estrategias de control, tales como controladores proporcional integral derivativo (PID). Los PLC PLC actuales  actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido. Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son el diagrama de escalera LADDER, lista de instrucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar y mantener. En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los más simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y

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operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación mutiprotocolos que le permitirían interconectarse con otros dispositivos.

Figura 117. Diagrama Interno de un PLC Historia

El PLC fue inventado en respuesta a las necesidades la industria automotriz Norteamericana. Antes del PLC, el control, las secuencias, y los permisivos en la lógica para la manufactura de automóviles era realizada utilizando relevadores, temporizadores, y controladores dedicados de lazo cerrado. El proceso para actualizar dichas instalaciones para la industria cambiante año con año era muy costosa y consumía mucho tiempo, así como los sistemas basados en relevador tenían que ser recableados por electricistas especializados. En 1968 GM Hydramatic (la división de transmisiones automáticas de General Motors) realizo un requerimiento para una propuesta para un reemplazo electrónico para los sistemas cableados. La propuesta ganadora vino de Bedford Asociados de Boston, Massachussets. El primer PLC designado el 084, debido a que fue el proyecto ochenta y cuatro de Bedford Asociados. Bedford Asociados iniciaron una nueva compañía dedicada al

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desarrollo, manufactura, venta y servicio para este nuevo producto: Modicon (Modular Digital Controller o Controlador Digital Modular). Una de las personas que trabajo en ese proyecto fue Dick Morley, el que es considerado como "padre" del PLC. La marca fue Alemana vendida en 1977 a Gould Electronics, y posteriormente adquirida por laModicon compañía AEG y más tarde por Schneider Electric, el actual dueño. Uno de los primeros modelos 084 que se construyeron se encuentra mostrado en el corporativo de Modicon en el Norte de Andover, Massachussets. Fue regalado a Modicon por GM, cuando la unidad fue retirada tras casi veinte años de servicio ininterrumpido. La industria automotriz es todavía una de las más grandes usuarias de PLCs, y Modicon todavía numera algunos de sus modelos de controladores con la terminación ochenta y cuatro. Los PLCs son utilizados en muchas diferentes industrias y maquinas tales como maquinas de empacado y de semiconductores. Algunas marcas con alto prestigio son ABB Ltd., Koyo, Honeywell, Siemens, Schneider Electric, Omron, Rockwell (Allen-Bradley), General Electric, Tesco Controls, Panasonic (Matsushita), Mitsubishi y Isi Matrix machines. PLC en comparación con otros sistemas de control Los PLCs están bien adaptados para un amplio rango de tareas de automatización. Estos son típicamente procesos industriales en la manufactura donde el costo de desarrollo y mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto contra el costo de la automatización, y donde existirán cambios al sistema durante toda su vida operacional. Los PLC’s contienen todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia; se requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en expresar las operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las aplicaciones de PLC son típicamente sistemas a la medida, por lo que el costo del PLC es bajo comparado con el costo de la contratación diseñador diseño específico de unadesola vez. Por lado, en caso de del productos de para alta un producción, los sistemas control a laotro medida rápidamente se pagan por si solos debido a los ahorros en los componentes, lo cual puede ser elegido de manera óptima en vez de una solución "genérica". Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC’s ya no tienen un precio alto. Los PLC’s actuales tienen capacidades completas por algunos cientos de dólares. Para un alto volumen o una simple tarea de automatización, diferentes técnicas son utilizadas. Por ejemplo, una lavadora de trastes de uso doméstico puede ser controlada por un temporizador CAM electromecánico costando algunos cuantos dólares en cantidades de producción. Un diseño basado en un microcontrolador puede ser apropiado donde cientos o miles de unidades pueden ser producidas y entonces el costo de desarrollo (diseño de fuentes de poder y equipo de entradas y salidas) puede ser dividido sobre muchas

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ventas, donde el usuario final no tiene necesidad de alterar el control. Aplicaciones automotrices son un ejemplo, millones de unidades son vendidas cada año, y pocos usuarios finales alteran la programación de estos controladores. (Sin embargo, algunos vehículos especiales como sondecamiones de pasajeros urbano utilizan PLC’s en vez de controladores diseño propio, debido apara quetránsito los volúmenes son bajo y el desarrollo no sería s ería económico.) Algunos procesos de control complejos, como los que son utilizados en la industria química, pueden requerir algoritmos y desempeño más allá de la capacidad de PLC’s de alto desempeño. Controladores de alta velocidad también requieren de soluciones a la medida; por ejemplo, controles para vuelo de aviones. 5.2 SISTEMAS SCADA SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Adquisition", es decir: adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos. La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos. Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se denomina en general sistema SCADA. Capacidades. Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes bondades: −  Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador

para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias −  Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo.

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−  Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o

modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones. condicione s.

−  Posibilidad programación quedel permite realizar cálculos aritméticos dedeelevada resolución numérica, sobre la CPU ordenador.

Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco e impresora, etc. Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o Visual Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general que permiten personalizar de manera muy amplia la aplicación que desee realizarse con dicho SCADA.

Figura 118. Arquitectura de un Sistema SCADA. Requerimientos Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: abierta, capaces de crecer o adaptarse −  Deben ser sistemas de arquitectura abierta, según las necesidades cambiantes de la empresa.

−  Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al al usuario con

el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).

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−  Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de

hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.

Módulos de un SCADA. Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: −  Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA,

adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.

dell operador: proporciona al operador las funciones de control −  Interfaz gráfico de y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.

−  Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas preprogramadas a partir

de los valores actuales de variables leídas. l eídas. almacenamiento y pr procesado ocesado −  Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. transferencia de información entre la planta −  Comunicaciones: se encarga de la transferencia y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión.

En la figura siguiente se muestra un esquema de los bloques que componen un SCADA.

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Figura 119. Diagrama Interno de un Sistema Si stema SCADA. 5.3 SISTEMAS DE CONTROL CON TROL DISTRIBUIDO (DCS) Los sistemas de control distribuido sin sistemas dedicados usados para control en procesos industriales continuos o por lotes, tales como plantas refinadoras de petróleo, petroquímicas, plantas de generación eléctrica, farmacéuticas, alimentos, producción de cemento, papel, entre otros. Un DCS consiste en un grupo de controladores digitales distribuidos funcional y/o geográficamente de ejecutar desde 1 hasta o más al lazos de controlo regulatorios. Los capaces dispositivos de entrada pueden ser256 integrales controlador localizados remotamente vía red de campo. Hoy en día, los controladores poseen un amplio rango de capacidades computacionales y, además de los lazos proporcional integral derivativo (PID), pueden desempeñar lógica y control con trol secuencial. Los DCS recolectan la data de campo y deciden que hacer con ella. La data puede ser almacenada para referencia futura, usada para simple control de procesos o usada en conjunto con data de otra parte de la planta para estrategias avanzadas de control.

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Figura 119. Ejemplo de un DCS. Partes de un DCS.

Consola de Operador. Son los monitores o interfases hombre máquina. Ellos proveen al operador de la información que está ocurriendo en la planta y de los efectos ocasionados por las acciones de control. Aquí también el operador envía los comandos a los instrumentos de campo. Estación de Ingeniería. Son las estaciones para los ingenieros que configuran el sistema e implementas algoritmos nuevos de control o modifican los existentes. Módulo de Históricos. Es como el disco duro de un PC. Ellos almacenan la configuración del DCS y también la de todos los puntos de la planta. También almacenan los archivos gráficos que son mostrados en la consola y en muchos sistemas, ellos almacenan datos de operación de la planta. Data Histórica. Son usualmente segmentos de software que son dedicados a almacenar variables de proceso, puntos de ajuste y valores de salida. Son de más alta frecuencia de barrido que la disponible en el módulo m ódulo de históricos. Módulos de Control. Estos son como los brazos del DCS. Estos módulos son programados para hacer funciones de control como PID, controles de relación, aritmética simple y compensaciones dinámicas. Hoy en día ejecutan técnicas avanzadas de control. I/O

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Este módulo administra las entradas y salidas del DCS. Las entradas y salidas pueden ser digitales o analógicas. Las entradas digitales son normalmente señales on/off, arranque / parada, etc. La mayoría de las mediciones de procesos y salidas de controladores son consideradas analógicas. Todos los componentes mencionados arriba son interconectados usando una red de control. Hoy en día la más frecuentemente f recuentemente usada es Ethernet.

5.4 COMPARACIÓN ENTRE SCADA Y DCS ASPECTO 

SCADA’s 

DCS 

TIPO DE ARQUITECTURA 

CENTRALIZADA 

DISTRIBUÍDA

TIPO DE CONTROL PREDOMINANTE 

SUPERVISORIO: Lazos de control cerrados por el operador. Adicionalmente: control secuencial y regulatorio. 

REGULATORIO: Lazos de control cerrados automáticamente por el sistema. Adicionalmente: control secuencial, batch, algoritmos avanzados, etc. 

TIPOS DE VARIABLES  DESACOPLADAS 

ACOPLADAS

ÁREA DE ACCIÓN

Áreas geográficamente Área de la planta. distribuidas. 

UNIDADES DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y CONTROL 

Remotas, PLC’s.

Controladores de lazo, PLC’s. 

MEDIOS DE COMUNICACIÓN

Radio, satélite, líneas telefónicas, conexión directa, LAN, WAN. 

Redes de área local, conexión directa. 

BASE DE DATOS 

CENTRALIZADA 

DISTRIBUÍDA