• Author / Uploaded
• Gianella Espíritu Gómez

Citation preview

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 2018B-1

1

UNIDAD 1 • • • • • •

INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE CONTROL COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL CLASES DE SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO TERMINOLOGIA E INSTRUMENTACION DOCUMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

2

INTRODUCCION

3

INTRODUCCION

Automatizado: guiado por uno mismo - griego antiguo - es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos ( de Wikipedia, la enciclopedia libre).

4

INTRODUCCION

MECANIZACION.- La máquina reemplaza

a los músculos del hombre

AUTOMATIZACION.- La máquina reemplaza

al cerebro del hombre

5

INTRODUCCION

Historia de la Automatización En antigua etiopia 1500 a.c . Estatua que emite sonidos. En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada por Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria textil.

6

INTRODUCCION

Historia de la Automatización La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial y dispositivos vinculados a la biónica.  Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. 7

SISTEMAS DE CONTROL

8

SISTEMAS DE CONTROL Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control se tomará como ejemplo un proceso típico de intercambio de calor. ENTRADA DE AGUA FRIA

VALVUULA DE VAPOR

ENTRADA DE VAPOR

BULBO

SALIDA DE AGUA CALIENTE

TERMOMETRO INDICADOR

9

SISTEMAS DE CONTROL Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; sería:

ENTRADA DE AGUA FRIA ACCION CORRECTORA ENTRADA DE VAPOR SALIDA DE AGUA CALIENTE

CONTROLADOR COMPARA COMPUTA

lazo de control

10

• SISTEMAS DE CONTROL • Analizamos el control manual, donde el operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la válvula de vapor, y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicas del control manual realizado por un ser humano son: • Medir • Comparar • Calcular ( y decidir) • Corregir • Luego los fundamentos de un sistema de control automático deben de provenir de las funciones básicas del control manual realizadas por un ser humano.

11

SISTEMA DE CONTROL Un sistema de control automático simple generalmente debe contar con los siguientes elementos: sensor, proceso, controlador y actuador. VARIABLE PERTURBADORA PERTURBACION DETECTOR DE SENSOR O CONTROLADOR

ENTRADA

ACTUADOR O ELEMENTO FINAL DE CONTROL

SET POINT

VARAIBLE CONTROLADA

VARIABLE MANIPULADA

PROCESO

SALIDA

ERROR VALOR DE REFERENCIA

VARIABLE MEDIDA

SENSOR O ELEMENTO DE MEDICION

Diagrama de bloques general de un sistema de control automático 12

VARIABLES DEL SISTEMA DE CONTROL

13

VARIABLES DEL SISTEMA DE CONTROL

Variable Controlada Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor se observa, la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable Controlada. 14

VARIABLES DEL SISTEMA DE CONTROL

Variable Manipulada Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor.

15

VARIABLES DEL SISTEMA DE CONTROL

Variable Perturbadora Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos afectando el proceso. En el ejemplo, la variable perturbadora sería el flujo de entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso originando la desestabilización del sistema.

16

VARIABLES DEL SISTEMA DE CONTROL

Variable Medida Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, por lo tanto deberá ser monitoreado; no siendo necesariamente la mas importante para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data.

17

COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL

18

COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL

• Sensor ó Elemento Primario de Medición Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso.

19

COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL

• Controlador El controlador es un instrumento para detectar los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o "set point", programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador. Como las computadoras con tarjetas de adquisición de datos y los PLC (Controladores Lógicos Programables).

20

COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL

• Actuador ó Elemento Final de Control Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por función alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores como: motores, válvulas, relés, y swicthes.

21

COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL

• Proceso El término proceso, para los fines de control significa el equipo a automatizar en donde se estabiliza la variable de control, a través de los sensores, actuadores y controladores.

22

1

23

2

24

CLASES DE SISTEMAS DE CONTROL El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de ajuste "set-point". El término regulación es usado para describir la acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la variable controlada. Un sistema de control, solamente puede llegar a la regulación, aplicando en oposición a las fuerzas perturbadoras llamadas cargas, correcciones equivalentes en una o más variables denominada manipuladas. La variable controlada permanecerá estable, en el proceso mientras se encuentre en estado estacionario. Este equilibrio puede ser alcanzado usualmente por distintos sistemas de control clásico o moderno. 25

CLASES DE SISTEMAS DE CONTROL Sistemas de Control CLÁSICO Sistemas de Control de Lazo Abierto Se denominan sistemas dé control de Iazo abierto cuando la salida no tiene efecto sobre la acción de control, es decir no se compara la salida con la entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija.

Así, la precisión del sistema depende de la calibración y del operador cuya función será la del controlador. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple su función asignada, por no tener una forma de conocer el resultado del control efectuado o salida del proceso. En la práctica el control de lazo abierto sólo se utiliza si la relación entre la entrada y la salida es conocida y sí no se presentan perturbaciones tanto internas como externas significativas. 26

Operación manual o en lazo abierto 27

CLASES DE SISTEMAS DE CONTROL

Sistemas de Control CLÁSICO

Sistema de Control de Lazo Cerrado Se denomina sistema de control de lazo cerrado cuando frente a presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y el valor deseado o "set point"; realizando el control de forma automática.

28

Cambios

Regulador Valores Deseados

Respuestas Proceso Medir

Cambios

Operacion en lazo cerrado 29

CLASES DE SISTEMAS DE CONTROL Sistemas de Control MODERNO Control Adaptativo Es un método en el cual la respuesta de un controlador varía automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones, como en el control del pH. Control Difuso Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia artificial capaz de convertir una muestra de la señal real a números difusos, para tratarlos según las reglas de inferencia y las bases de datos determinados en las unidades de decisión, logrando estabilizar el sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia. Redes Neuronales Artificiales Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano conectando la red entre los elementos de la forma más sencilla para poder ser entrenado; y realizar funciones complejas en diversos campos de aplicación.

30

TERMINOLOGIA

TERMINOLOGÍA 1 – Rango: Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida 2 – Alcance: Diferencia entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento 3 – Error: Valor leído- Valor verdadero 4 – Precisión: Cualidad de un instrumento por lo que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras 5 - Banda muerta: Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación 6 – Sensibilidad: Es la razón entre el incremento de la señal de lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona 7 – Repetibilidad: Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable de medida en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de la variación, recorriendo todo el campo 8 – Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente 9- Otros términos: Elevación de cero Supresión de cero Deriva Fiabilidad Trazabilidad …

32

INSTRUMENTACION

34

Instrumentos • Indicadores

Conectados por lineas

• Transmisores

de transmisión:

• Registradores

•Neumáticas

• Convertidores • Controladores

•Eléctricas •Digitales

• Actuadores

• Transductores 35

ELEMENTOS DE MODELAMIENTO Y DOCUMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

P&ID

DOCUMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

diagramas de control de procesos

COMPUESTO DE …

-ideas

símbolos

-conceptos

identificadores líneas

PARA Graficar …

-aparatos -funciones

-interconexiones -modelos

Estos símbolos e identificadores son usados en los procesos para: -atender en sus requerimientos de control -proporcionar información en todos sus componentes

T1 HERRAMIENTAS DE COMUNICACIÓN En el área de medición y control se usa un conjunto estándar de símbolos para preparar esquemas de los sistemas de control de procesos. Los símbolos usados en estos diagramas están generalmente basados en los estándares ISA (Sociedad de Instrumentos de América) y ANSÍ (Instituto de Estándares Americano) Los diagramas de instrumentación y proceso (P&ID) son un ejemplo del uso de estos estándares. Este tipo de diagramas muestra la interconexión de equipos y la instrumentación usada en el control del proceso.

T1 HERRAMIENTAS DE COMUNICACIÓN

Los símbolos son representaciones abreviadas de grandes detalles requiriendo muchas veces páginas para ser descritas; apareciendo dibujos como: diagramas de flujo, de lazos de control, de instalaciones en detalle, necesitando Insertarles una leyenda para poder comprenderlas. El simbolismo e identificación pueden representar dispositivos de máquinas y funciones, el grado de detalle de las representaciones depende del uso de los símbolos, pueden ser extremadamente simples o complejos.

T1 HERRAMIENTAS DE COMUNICACIÓN

El símbolo y la identificación son herramientas gráficas utilizadas para lograr captar una imagen gráfica, usadas frecuentemente como un medio electrónico para clasificar documentos y mostrar la forma de instrumentar y controlar un proceso. Al realizar una representación documentada se debe presentar conceptos generales, dibujos más detallados, especificaciones narrativas, esquemas y otros necesarios, para cumplir con los objetivos de las herramientas de comunicación estandarizados según las normas Internacionales de la "Instrumental Society of América" (ISA). Finalmente el uso de estos símbolos de identificación debe servir para comunicar conceptos de las formas más sencilla, clara y exactamente posible.

T2 SIMBOLOS El simbolismo es un proceso abstracto en el cual las características salientes de los dispositivos o funciones son representados de forma simple por figuras geométricas como círculos, rombos, triángulos y otros para escribir caracteres como letras y números identificando la ubicación y el tipo de instrumento a ser utilizado.

Entre los símbolos de un P&ID tenemos: Figuras geométricas Las figuras geométricas son usadas para representar funciones de medición y control en el proceso, así como dispositivos y sistemas; para la cual se utilizan: Círculos Cuadrados Pequeños Cuadrados Grandes Simbolismo de Señales Simbolismo de Funciones Simbolismo de Instrumentos Representación de equipos

EL CÍRCULO se usa para indicar la presencia de un instrumento y como elemento descriptor; como símbolo de un instrumento representa, el concepto de un dispositivo o función. Ej. dispositivo indicador (instrumento) de Presión (PI): PI 1

Como elemento descriptor (identificador) es usado para proporcionar información acerca de otro símbolo. Ej. válvula para el control de flujo (FV):

FV 2

La diferencia entre ambos usos está en la inclinación de la línea saliente del círculo y en el trazo incompleto para el caso del descriptor. El elemento descriptor suele llevar además un código proporcionando información adicional sobre el tipo de instrumento y el tipo de variable medida.

La localización del instrumento en la planta se indica dibujando: a. "Ninguna" línea para instrumentos montados en planta (o campo)

PI 1

instrumento en el campo

b. Una línea sólida dividiendo el círculo para instrumentos montados en paneles de salas de control (de fácil acceso para el operador).

PI 1

Instrumento montado en panel

c. Una línea entrecortada dividiendo el círculo para instrumentos montados detrás de paneles o gabinetes (de fácil acceso para el operador).

FY 3

Instrumento montado detrás del panel d. Línea sólida doble dividiendo el círculo para instrumentos montados en paneles auxiliares o secundarios.

PI 1

Instrumento montado en panel auxiliar

e. Líneas entrecortadas dobles dividiendo el círculo para instrumentos montados detrás de paneles secundarios.

TI 2

Instrumento montado detrás del panel auxiliar En el caso de tener demasiados paneles, dificultando la interpretación de "panel principal" o "panel secundario" se puede usar combinaciones de letras distinguiendo los paneles unos de otros: P1, P2. (Paneles); RI, ~ (soportes). Sin embargo, sea cual sea el sistema de descripción usado se debe indicar en la leyenda del diagrama.

P2

P1 TIC 1

Designadores de posición

WIC 1

P3 SIC 1

CUADRADOS PEQUEÑOS Uno de los primeros usos de los cuadrados pequeños es la representación de actuadores del tipo solenoide, en este uso se prefiere dibujar el cuadrado con una letra S inscrita en él.

S

Representación de un actuador de solenoide Los cuadrados pequeños son también usados para representar actuadores de pistón dibujando para esto una pequeña T representando el pistón y líneas simples y dobles para pistones de simple y doble acción respectivamente.

Representación de un actuador de pistón de simple y doble acción respectivamente.

Otros actuadores, se pueden representar inscribiendo un cuadrado con la combinación E/H para indicar actuadores electrohidraulicos o con una X para representar actuadores no clasificados.

E H

X

Representación de un actuador electrohidraúlico y un actuador no convencional El cuadrado pequeño puede representar también un posicionador dibujándose al lado del cuerpo de la válvula.

Representación de un posicionador para válvula

Uno de los más recientes usos para los cuadrados es la representación de bloques de funciones o como indicador de función.

FY 5

indicador de función

CUADRADOS GRANDES Con la llegada del control compartido y visualizadores o pantallas mostrando daros de diversos lazos, se requería poder distinguir instrumentos independientes y aquellos cuyos componentes se encuentran repartidos en diversos gabinetes no pudiendo reconocérseles como localizados en un sólo lugar. La solución se encontró usando un cuadrado alrededor del símbolo del instrumento. Esto indica la función cumplida por varios elementos no localizados en un sólo gabinete.

PIC 2

Simbolismo de control compartido

PIC 2

Simbolismo de función compartida

SIMBOLISMO DE SEÑALES Las líneas de unión para envío de señales o conexiones de los sistemas de control también deben ser presentadas más finas en relación a tuberías de proceso, tal como se muestra en el cuadro 2.1.

Conexión de proceso a sumnistro Señal Neumática Señal Eléctrica Tubo Capilar Señal indifinida Linea de Software Línea Mecánica Señal eléctromágnetica o de sonido Señal Hidraúlica

El Símbolo de señal Neumática es usado de esta forma cuando se trata de aire

AS Aire suministrado ES Suministro eléctrico GS Suministro gás HS Suministro hidráulico NS Suministro de Nitrógeno SS Suministro de vapor WS Suministro de agua

Los símbolos se han hecho con visio plantilla Ingeniería de procesos Instrumentos

Fuente: Instrumental Society of América (1SA) Líneas de Señales

Normas ISA S5.1 - S5.3 Líneas de instrumentación (se dibujan más finas que las de proceso) Conexión a proceso, o enlace mecánico o alimentación de instrumentos. Señal neumática Señal eléctrica Señal eléctrica (alternativo) Tubo capilar Señal sonora o electromagnética guiada (incluye calor, radio, nuclear, luz) Señal sonora o electromagnética no guiada Conexión de software o datos Conexión mecánica Señal hidráulica

SIMBOLISMO DE FUNCIONES El simbolismo utilizado para determinar las funciones de cada instrumento se presentan a continuación.

N°

FUNCION

1

SUMATORIA

2

PROMEDIO

3

DIFERENCIA

4

PROPORCIONAL

5

INTEGRAL

6

DERIVADA

7

MULTIPLICACION

8

DIVISION EXTRACCION DE RAIZ

9

SIMBOLO

n

N°

FUNCION SIMBOLO FUNCION NO 11 f(x) LINEAL 12 FUNCION TIEMPO f(t) 13

MAYOR

14

MENOR

>


d/dt

16