Cap 1 sist control curtis (sep - 2015)

Instituto Tecnolgico de Hermosillo

TEMA IINTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE CONTROL

INSTITUTO TECNOLGICO DE HERMOSILLO

INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaN

1

Discutir los principios bsicos de control de procesos.Diferenciar entre control de procesos y servomecanismo.Discutir el diagrama a bloques de control de procesos.Describir el control digital y control analgico.OBJETIVOS



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Razones para usar el control automtico industrialSISTEMA DE CONTROL COMPUTARIZADO

Operaciones de procesos industrialesRegularMonitorearControlar



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Razones para usar el control automtico industrial (Cont)ControlSistema automatizadoElectrnico (ms usado)MecnicoHidrulicoNeumticoCombinacin de los anteriores



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INTRODUCCION AL CONTROL DE PROCESOSDicho simplemente, el trmino control significa mtodos para forzar parmetros del ambiente a valores especficos.Esto puede ser tan simple como hacer que la temperatura en un cuarto permanezca en 25 C o tan complejo como fabricar un CI o guiar un vehculo espacial a Jpiter.En general, todos los elementos necesarios para realizar el objetivo de control son descritos por el trmino sistema de control.



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SISTEMAS DE CONTROLLa estrategia bsica por la cul un sistema de control funciona es lgica y natural.En realidad, se emplea la misma estrategia en los organismos vivos para mantener temperatura, lquido, razn de flujo, y una serie de funciones biolgicas.Este es un proceso de control natural.La tecnologa del control artificial fue desarrollada primero con un ser humano como parte integral de la accin del control.Cuando aprendimos cmo utilizar las mquinas, aparatos electrnicos y las computadoras para reemplazar la funcin humana, el trmino control automtico entr en uso.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPrincipios de control de procesosEn control de procesos, el objetivo bsico es regular el valor de alguna cantidad.Regular significa mantener esa cantidad en algn valor deseado considerando las influencias externas.El valor deseado es llamado el valor de referencia o setpoint.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEL PROCESOEl objetivo es regular el nivel del lquido en el tanque, h, al valor H.Si el caudal de salida no es exactamente igual a la razn de flujo de entrada, el tanque de o bien se vaciar si Qout > Qin, o puede haber sobre-flujo si, Qout < Qin.Este proceso tiene la propiedad llamada auto-regulacin.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEsto significa que por alguna razn de flujo de entrada, la altura del lquido subir hasta que alcanza una altura para el cual el caudal de salida coincide con la velocidad de flujo de entrada.Un sistema de auto-regulacin no provee regulacin a una variable en ningn valor de referencia en particular.

QinQoutHh

EL PROCESO (Cont)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEJEMPLO 1.1Un tanque tiene una relacin entre el flujo y el nivel dado por

donde h est en pies (ft) . Suponga que la razn del flujo de entrada es de 2 gal/min. A que valor de h el nivel se estabilizar si se utiliza auto-regulacin?Esto pasa cuando Qout = Qin


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCONTROL MANUAL (Realizado por operarios)Para regular el nivel de modo que se mantenga en el valor H ser necesario emplear un sensor para medir el nivel.Esto ha sido provisto mediante un tubo de vidrio S.El nivel de lquido real o altura es llamado la variable controlada. Adems se ha montado una vlvula de modo que la razn de flujo de salida pueda ser cambiada por el operador.La razn de flujo de salida es llamada la variable manipulada o variable de control.

Tubo S de vidrio


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEl operador puede llevar el nivel al valor del setpoint H y mantenerlo ah monitorendolo continuamente a travs de la mirilla de vidrio y ajustar la vlvula.La altura es regulada.

QinQoutHh

H

ValveCONTROL MANUAL (Realizado por operarios) (Cont)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCONTROL AUTOMATICOMquinas, aparatos electrnicos, o computadoras reemplazan las operaciones de los humanos.Un instrumento llamado sensor es agregado y es capaz de medir el valor y convertirlo en una seal proporcional s. Esta seal es provista como entrada a la mquina, circuito electrnico, o computadora, llamado el controlador.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCONTROL AUTOMATICO (Cont)Este realiza la funcin del humano evaluando las mediciones y suministrando la seal de salida u para cambiar el ajuste de la vlvula va un actuador conectado a la vlvula por un enlace mecnico.Cuando se aplica el control automtico a sistemas parecidos a este, es llamado control de procesos.

QinQoutHh

Valve

ControllerActuator

Sensor


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSERVOMECANISMOSOtros tipos de sistemas de control usados.El objetivo es forzar algn parmetro para que vare de una manera especfica. En lugar de regular el valor de una variable a un setpoint, el servomecanismo obliga a que el valor de la variable controlada siga la variacin del valor de referencia. Ver acetato siguiente.



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Los servomecanismos forzan al brazo de robot a que siga una trayectoria desde el punto A al punto B.

SERVOMECANISMOS (Cont.)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSISTEMAS DE CONTROL DE ESTADO DISCRETOControlar una secuencia de eventos en lugar de la regulacin o la variacin de las variables individuales

Ej. La fabricacin de pintura quiz involucre la regulacin de muchas variables, tales como temperatura de mezclado, razn de caudal o lquidos dentro de tanques mezcladores, velocidad de mezclado, etc. Cada una de estas se espera quiz que sean reguladas por lazos de control de procesos.Hay tambin secuencias de eventos y sub-eventos Ej. Una mezcla que necesita ser calentada a una temperatura regulada por un cierto perodo de tiempo y luego tal vez ser bombeada a un tanque diferente y agitar la mezcla durante otro perodo.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEl arranque y paro de eventos es un sistema de estado discreto porque cualquier evento es verdadero o falso, es decir, arranca o para, abre o cierra, enciende o se apaga.Este tipo de sistemas de control pueden ser automticos y perfectamente adaptables a controladores basados en computadoras.Estos sistemas de control de estado discreto a menudo son implementados usando PLC.

SISTEMAS DE CONTROL DE ESTADO DISCRETO (Cont)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDetermina la accin a ser tomadaProcesa la seal electrnica. Procesa la seal neumtica.- Procesa la seal de la PCDIAGRAMA A BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL DEFINE TODOS LOS ELEMENTOS BSICOS Y SEALES INVOLUCRADAS.

r

Controlador

Elemento de ControlProcesoMedicinp = Seal de salida del Controladorpbuce = Seal de errorr = Referencia o Set-pointu = Seal de salida para controlar el procesob = representacin medida de la variable controlada-Medicin = Sensor/transductor/medidor b c


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNBloque del ProcesoEn general, un proceso puede consistir de un complejo conjunto de fenmenos que se relacionan con algunas secuencias de fabricacin. Muchas variables pueden ser involucradas en dicho proceso, y puede ser deseable controlar todas estas variables al mismo tiempo. Existen procesos de variable nica, en las que solamente una variable va ser controlada, as como tambin procesos multi-variables, en las cuales muchas variables, tal vez interrelacionadas, pueden requerir regulacin. El proceso a menudo es llamado la planta.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNMedicinEs evidente que, para efectos de control de una variable en un proceso, debemos tener informacin sobre la variable misma. Esta informacin se encuentra midiendo la variable. En general, una medicin se refiere a convertir la variable en alguna correspondiente anloga de la variable, tal como una presin neumtica, un voltaje o corriente elctrica, o una seal codificada digitalmente. Un sensor es un dispositivo que realiza la medicin inicial y la conversin de energa de una variable a una informacin anloga elctrica o neumtica. El acondicionamiento adicional de la transformacin o acondicionamiento de la seal puede ser requerida para terminar la funcin de la medida. El resultado de la medicin es una representacin del valor de la variable en alguna forma requerida por los otros elementos en la operacin del lazo de control.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNVlvulaQin

H

h

SHDetector de errorEn la Figura el operador detecta la diferencia entre el nivel real, h, y el nivel del setpoint, H, y deduce un error. Este error tiene magnitud y polaridad. Para el sistema de control automtico de la siguiente Figura (Acetato 23) , esta misma clase de determinacin del error debe ser hecha antes de que cualquier accin de control pueda ser tomada por el regulador. Aunque el detector del error es a menudo una pieza fsica del dispositivo del controlador, es importante guardar una distincin clara entre los dos.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSensoruQin

H

h

Vlvula

ControladorActuador

sSistema de control automtico


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEl siguiente paso en la secuencia de control de procesos es examinar el error y determinar qu accin, si la hay, debe ser tomada. Esta parte del sistema de control tiene muchos nombres, tales como compensador o filtro, pero controlador es el ms comn. La evaluacin se puede realizar por un operador (como en el ejemplo anterior), por el proceso de seal electrnico, por el proceso de seal neumtico, o por una computadora. En sistemas de control modernos, las operaciones del controlador son realizadas tpicamente por las computadoras basadas en microprocesador.Controlador


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEl controlador requiere una entrada de una indicacin medida de la variable controlada y de una representacin del valor de referencia de la variable, expresado en los mismos trminos que el valor medido. El valor de referencia de la variable, se conoce como el setpoint. La evaluacin consiste en determinar la accin requerida para conducir la variable controlada al valor del setpoint


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEl elemento final en la operacin del control de procesos es el dispositivo que ejerce una influencia en el proceso; proporciona esos cambios requeridos en la variable controlada para traerla al setpoint. Este elemento acepta una entrada del controlador, que entonces se transforma en una cierta operacin proporcional realizada en el proceso. En nuestro ejemplo anterior, el elemento de control es la vlvula que ajusta la salida del lquido del tanque. Este elemento tambin se conoce como el elemento final de control.A menudo se requiere una operacin intermedia entre la salida del controlador y el elemento final de control. Esta operacin se refiere a un actuador porque utiliza la seal del controlador para actuar el elemento final de control. El actuador traduce la baja seal de energa del controlador a una accin ms grande de energa en el proceso.Elemento de control


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNTubera de flujoCelda sensora de presin diferencial DPPlaca de orificioVlvulaConvertidor de presin a corriente4-20 mAConvertidor de corriente a presin3-15 psi

I/P

ControladorP/I

setpoint4-20 mA3-15 psiActuador neumticoDiagrama fsico de un lazo de control de procesos



EJEMPLOS DE VLVULAS



Elemento deControl final ProcesoMedicinControlador

c

pSeal de salida delcontroladorb

uSeal de salida para controlar el procesoe = Error de sealSumadore = r - brr = referencia o set-pointRepresentacin medida de la variable controlada(Sensor/transductor /medidor)b a cDetermina la accin a ser tomada Procesa la seal electrnica Procesa la seal neumtica Procesa la seal computarizadaDiagrama a bloques del control de procesos



Elemento deControl ProcesoMedicinControlador

c

pbuSumadore = r - brRepresentacin medida de la variable controlada

(Sensor/transductor /medidor)b a cSeal de salida para controlar el proceso

c = Variable controladaEj. Nivel de lquido en el tanqueTemperatura, presin

Provee los cambios requeridos en la variable requerida para llevarla al set point

Diagrama a bloques del control de procesos


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDiagrama a bloques del control de procesos


ce = r - b p u bSumador

rEnsamble complejo de fenmenos que relacionan a cierta secuencia de fabricacinConversin de la variable correspondiente en alguna variable analgica

(Sensor)b a c

Representacin medida de la variable controlada




ce = r - b uSumador r

p be(t)=r c(t). Idealmente, e(t) = 0; sin embargo, se espera algn error. EVALUACIN DEL SISTEMA DE CONTROLUn sistema de control de procesos se usa para regular el valor de alguna variable de proceso. Cuando dicho sistema est en uso, es natural preguntarse..Qu tan bien est trabajando? Esta no es una pregunta fcil de contestar, porque es posible ajustar el sistema de control para que provea diferentes tipos de respuesta de errores. Existen algunos mtodos para evaluar que tan bien est trabajando.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNObjetivo del sistema de controlDebe satisfacer tres requerimientos:El sistema debe ser estable.El sistema debe proveer la mejor regulacin posible de estado estable.El sistema debe proveer la mejor regulacin transitoria posible.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNEstabilidadEl propsito de los sistemas de control es regular el valor de alguna variable.Cuanto mas bien tratemos de controlar la variable, mayor ser la posibilidad de inestabilidad.

c(t)rtSistema de Control encendido (ON)Inicio de inestabilidad


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNRegulacin de estado estableSe espera una variacin por arriba o por abajo del set point o valor de referencia.Ej. 200C 2CLa temperatura puede variar entre 198C y 202C y el proceso est bien.La variacin est permitida siempre y cuando no afecte negativamente al sistema.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCriterios de evaluacinQue tambin trabaja el sistema es:Garantizar la estabilidadEvaluar la respuesta de estado estable, yEvaluar la respuesta a los cambios del set point y efectos transitorios.En general, el trmino sintona se utiliza para indicar como se ajusta un lazo de control de proceso para proporcionar el mejor control.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaN Un capacitor se carga y descarga en 5 constantes de tiempo o 5*RC



rnewroldc(t)

tDtCambio de set-point

c(t)tDt

Ocurre el transitorio

e max

rQue pasa en una Respuesta amortiguada


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNQue pasa en una Respuesta cclica

rnewrold

tDt

e max

Cambio del Set point

c(t)tDt

e maxr

Ocurre el transitorio


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNRespuesta CclicaSe utilizan dos tipos comunes de criterios estndar de ajuste cclico:rea mnima ycuarto de amplitudrea mnima: se ajusta la sintona hasta que el rea neta bajo la curva del error en funcin del tiempo est a un mnimo, para el mismo grado de excitacin (cambio del set-point o transitorio).

crTiempo

crTiempoa1a2a3


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCuarto de amplitud. Especifica que la amplitud de cada pico de la respuesta cclica sea un cuarto del pico anterior.

crTime

crTimea1a2a3Respuesta Cclica (Cont)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema Ej.1Un lazo de control de procesos tiene un set-point de 175C y una desviacin permisible de 5C. Un transitorio causa la respuesta mostrada en la Figura.Especifique el mximo error yTiempo de establecimiento.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema Ej. 1 - SolucinUn lazo de control de procesos tiene un set-point de 175C y una desviacin permisible de 5C. Un transitorio causa la respuesta mostrada en la Figura.

(a) Especifique el mximo error y(b) Tiempo de estabilizacin. b) Tiempo de estabilizacin = tiempo de la primera excursin produce 175 5 C a la vez que el rango es readquirido.




INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema Ej. 2El segundo error cclico transitorio de pico de una respuesta de prueba mide 4.4%.Utilizando el criterio de cuarto de amplitud, Qu error deber tener el valor del tercer pico.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema Ej. 2 - SolucinEl segundo error de pico transitorio cclico de una respuesta de prueba mide 4.4%.Por el criterio de cuarto de amplitud, que error deber tener el valor del tercer pico?.Puesto que cada pico debe estar a un cuarto del anterior, el siguiente pico debe ser dado por:


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProcesamiento analgico y digitalEn el pasado, las funciones del controlador en un sistema de control eran realizadas por circuitos electrnicos sofisticados.Los datos eran representados por la magnitud de voltajes y corrientes en dichos sistemas

Procesamiento analgicoLa mayora de los sistemas modernos usan computadoras para realizar las operaciones del controlador.

Procesamiento digital


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSe refiere a como la magnitud de alguna variable fsica es representada en el lazo de control.Si la salida de un sensor es un voltaje cuya magnitud vara con la temperatura, entonces el voltaje representa la temperatura.Procesamiento analgico y digital


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDATOS ANALGICOSHay una variacin suave y continua entre una representacin de un valor de la variable y el valor en s.La relacin no es lineal ya que el mismo dc no resulta en la misma db.

b1b2cccb


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDATOS DIGITALESLos nmeros son representados en trminos de dgitos binarios (bits).La relacin suave y continua entre la representacin y los valores de los datos de la variable se pierde.Las variaciones de c, como dc, no podrn dar lugar a ningn cambio de n.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDATOS ANALGICOS Y DIGITALES

ccn1n2=0nc

b1b2cccbQu se puede decir acerca de dc contra db y de dc contra dn?


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDATOS ANALGICOS Y DIGITALES (Cont)

Qu se puede decir acerca de dc contra db y de dc contra dn?En una seal analgica db no es la misma (db1 > db2) aunque dc sea la misma. Esto pasa porque la seal analgica no es lineal.En una seal digital, dn podra ser incluso cero (dn2 = 0) aunque dc no es cero. Depende del momento en que se toma la muestra.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCONVERSIONES DE DATOSADC (Convertidor de Analgico a Digital).DAC (Convertidor de Digital a analgico).

AnalgicoDigitalVinADCb3b2b1b0


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema Ej. 3Suponga que cada cambio de bit en un ADC de 4 bits representa un nivel de 0.15 m. Cuales seran los 4 bits para un nivel de cambio de 1.7 m?Suponga que los 4 bits fueron 10002. Cul es el rango de los posibles niveles?


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema 3 - SolucinPodemos hacer una tabla de cambios para los 16 estados del ADC de 4 bits.BinarioNivelBinarioNivelBinarioNivel0000001100.9011001.8000010.1501111.0511011.9500100.3010001.2011102.1000110.4510011.3511112.2501000.6010101.5001010.7510111.65


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNProblema 3 Solucin (cont)Podemos ver que un nivel de 1.7 m resultara en una salida de 10112, ya que el nivel es mayor que 1.65 pero aun no es 1.8 para el siguiente cambio de bit.Si los bits fueron 10002 entonces se dice que el mximo que se puede tener es que el nivel est entre 1.20 m y 1.35 m. As pues hay una incertidumbre de 0.15 m.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNControl ON / OFF


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCONTROL ANALGICOTodas las variables en el sistema son representaciones analgicas de otra variable.VT es un anlogo de TSistema de medicinControlador

Calentador Q

HornoVQVrefVe = Vref - VTVTDetector de error


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNControl DigitalEl verdadero control digital involucra el uso de una computadora en aplicaciones modernas.Control supervisorioControl digital directo (DDC)Sensores inteligentesSistemas de control de red


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNControl supervisorioSe utiliza una computadora para monitorear la operacin de los lazos de control analgico y determinar los puntos de referencia (setpoint) adecuados.Una sola computadora podra monitorear muchos lazos de control y utilizar el software apropiado para optimizar los puntos de referencia (setpoints) para el mejor funcionamiento de la planta.Si la computadora falla, los lazos analgicos mantienen el proceso trabajando usando los ltimos puntos de referencia (setpoints) hasta que la computadora se pone de nuevo en lnea.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNCONTROL SUPERVISORIOSistema de medicinControlador

Calefactor

VQTVrefVTComputadora

ADC

DAC

Horno

Se us una computadora para monitorear la operacin del lazo de control analgico y determinar los setpoints adecuados.Ve = Vref - VTDetector de error


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNControl Digital DirectoLas computadoras han tomado la funcin del controlador porque son mas confiables .Los lazos de procesamiento analgico son descartados.Las operaciones del controlador han sido reemplazadas por software en la computadora.Los ADC y DAC proveen la interfaz con la medicin del proceso y la accin de control


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDACSistema de medicin

Calefactor

VQHornoTVTADC

Computadora

NQNT

Las operaciones del controlador han sido reemplazadas por software en la computadora. Los ADC y DAC proporcionan la interfaz con el procesos de medicin y la accin control.Control Digital Directo. (DDC)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSensor InteligenteLa integracin de un controlador de computadora basado en microprocesador montado directamente en el ensamble del sensor.El sensor, acondicionamiento de seal, ADC, y el controlador de computadora todos estn contenidos dentro del encapsulado del sensor.De una forma, la unidad tambin contiene un DAC con una salida de 4 a 20 mA para ser alimentada al elemento de control final.El setpoint es programado conectando otra computadora a la unidad usando la lnea de interface serial.La mayora de la tecnologa actual hace interfaz con estos sensores inteligentes a una red LAN.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSistemas de control en RED

PLANTA

LANComputadoras de control de procesosAdministradorIngenieraFinanciero


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPLCsMuchas operaciones de manufactura son de naturaleza ON / OFFUna banda transportadora o un calefactor pueden estar en ON o OFF.Una vlvula est abierta o est cerrada y as sucesivamente.Estos tipos de funciones fueron realizadas por un diagrama complejo llamado un sistema de lgica de relevadores.Las computadoras han tomado la operacin de dichos controladores de lgica de relevadores, conocidos como PLCs (Controladores Lgicos Programables).


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNLos PLCs ahora tambin se usan para implementar funciones de control digital.Los interruptores de limite trmicos son usados para indicar cuando la temperatura ha aumentado por encima o por debajo de las temperaturas lmites. Estos son simplemente interruptores diseados para abrir (o cerrar) cuando la temperatura alcanza ciertos lmites pre-establecidos.PLCs (Cont)



AC LineaAC LineaMdulo de salidaMdulo de entradaEnfriadorCalefactor

PLCInterruptores de lmite trmicos


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNUNIDADESEs esencial usar un conjunto bien definido de unidades de medicin.Dos sistemas de unidades:Sistema mtricoSistema InglesEn control de procesos, un conjunto particular de unidades mtricas es usado llamado el Sistema Internacional (SI)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADESCANTIDADUNIDADSIMBOLOBASELongitudMetromMasaKilogramokgTiempoSegundosCorriente ElctricaAmpereATemperaturaKelvinKCantidad de substanciaMolemolIntensidad luminosaCandelacdAngulo planoRadianRadSUPLEMENTARIAAngulo SlidoSteradiansr


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 4La presin atmosfrica est cerca de 14.7 lbs/pulg2 (psi). Cul es esta presin en pascales?


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 4 (Solucin)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 5Un acelermetro se usa para medir la constante de aceleracin de un carro de carreras que cubre un cuarto de milla en 7.2 segundos.Usando x = at2/2 para relacionar la distancia, x, aceleracin, a, y tiempo, t, encuentre la aceleracin en ft/s.Exprese la aceleracin en m/s2.Encuentre la velocidad del carro, v, en m/s al final del cuarto de milla usando la relacin v2 = 2ax.Encuentre la energa en Joules al final del cuarto de milla si el peso es de 2000 libras, donde la energa w = mv2/2.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 5 (Solucin)1 milla = 5280 ft y 1 ft = 0.3048 mPara la aceleracin encontramos,

En m/s2 tenemos queTenemos que la velocidad, v = 2ax, as que

El peso debe convertirse a masa en kg.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNRepresentacin de datos analgicosSensorConvertidorde corrienteActuadorI a VV a P

4 20 mA3 15 psi

IPP

SensorVlvulaPlantaCuarto de control


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 6El rango de temperatura de 20 C a 120 C es linealmente convertido al rango de corriente estndar de 4 a 20 mA.Que corriente resultar de 68 C?Qu temperatura representa 8.2 mA?


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 6 (solucin)

20C120C4 mA20mA

tI

(120 - 20) C/(20 4) mA = (t 20)/(I 4) (100) C/(16) mA = (68 20)/(I 4) I = 11.68 mA (100) C/(16) mA = (t 20)/(8.2 4) t = 46.25 C


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 7Analice la siguiente figura.

(a) Por qu?(b) Cual es el rango de valores de RL?

R

RL

Sensor convertidor de corriente

bCut

V = I RL

IIII


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 7 (Solucin)(a) Por qu?

RL es menor que R. Esto asegura que la corriente no cambiar(b) Cual es el rango de valores de RL?

R

RL

Sensor convertidor de corriente

bCut

V = I RL

IIII


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDefiniciones de Control de ProcesosError: Diferencia entre el valor medido de la variable y el valor deseado.Funcin de transferencia: Relacin entre la salida y entrada del bloque.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDefiniciones de Control de Procesos (Cont)Funcin de transferencia: Relacin entre la salida y entrada del bloque. Hay dos partes en la relacin: Esttica y dinmica.

Esttica: describe la relacin de entrada/salida cuando la entrada no est cambiando en el tiempo.Dinmica: Describe la relacin de entrada/salida cuando hay variacin de la entrada en el tiempo.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNDefiniciones de Control de Procesos (Cont)Precisin: Mximo error completo esperado de un dispositivo. La precisin generalmente se expresa como la imprecisin tal que: Variable medida Porcentaje de lectura a escala completa del instrumento (FS). Porcentaje de alcance (span) del instrumento. Porcentaje de la lectura real


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSensibilidadMedicin del cambio en la salida de un instrumento para un cambio en la entrada.La alta sensibilidad es deseable en un instrumento: Un gran cambio en la salida para un cambio pequeo en la entrada.Entre ms alta sensibilidad, ms precisa ser la salida.Ej. Un transductor de temperatura tiene una salida de 10 mV por grado Celsius; sensibilidad = 10 mV/C.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNHistresis y reproductibilidadUn instrumento no tendr el mismo valor de salida para una entrada dada en muchas pruebas. (trials).Esta es la reproductibilidad del dispositivo.Esta variacin es aleatoria e impredecible.Histresis: Resultan diferentes lecturas para una entrada especfica, dependiendo de si el valor de entrada es aproximado (approached) de los valores ms altos o ms bajos.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNHistresisGeneralmente se especfica como un porcentaje a escala completa de la mxima desviacin entre las dos curvas.

Este efecto es predecible si los valores de la medicin estn siempre cercanos en una direccin.

bc

BA


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNResolucinMnimo valor medible de la variable de entrada.Slo puede ser cambiada por re-diseo.Sistemas analgicos: cambios muy pequeos medibles en la salida analgica del dispositivo de medicin.Sistemas digitales: cambio en la variable dinmica representada por un 1- bit de cambio en la salida de palabra binaria.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 8La funcin de transferencia de un sensor de temperatura es de 44.5 mV/C. El voltaje de salida de 8.86 V es medido en un voltmetro de 3 dgitos Qu se puede decir acerca del valor de la temperatura?.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 8 SolucinEste es un transductor lineal as que se representa por la ecuacin de una lnea recta con una intercepcin de cero, V = kT con k = 44.5 mV/C,

Si V = 8.86 volts entonces,

Dado que solamente tenemos tres cifras significativas, la temperatura es reportada como T = 199 C.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNLinealidadEn el sensor y el acondicionamiento de la seal, la salida es representada en alguna relacin funcional a la entrada.Esta relacin debe ser nica: para cada valor de la variable de entrada existe un valor nico de la variable de salida.Una relacin lineal entre la salida y la entrada es altamente deseable.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 9La resistencia de un sensor cambia linealmente desde 100 a 180 W cuando la temperatura cambia desde 20 C a 120 C. Encuentre la ecuacin lineal que relacione la resistencia y la temperatura.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 9 - Solucin

20C120C100

tR180 (120 - 20) C/(180 100) = (t 20)/(R 100)100/80 = (t 20)/(R 100)100 R 10000 = 80 T 1600 R = 0.8 T + 84


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNAnalice la siguiente figura

0 20 40 60 80 100

8

6

4

2

0

5

Mxima desviacinCurva realVolts de salidaMejor lnea llenaPresin (psi)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNMejor Lnea llenaLa lnea que mejor llena es una lnea recta que mejor representa los datos sobre un grfico (scatter) o una grfica no lineal. Esta lnea puede pasar a travs de alguno de los puntos, ninguno de los puntos, o todos los puntos.A partir de esta una medida de la linealidad del sensor puede ser determinada por la desviacin de la salida del sensor de la mejor lnea llena sobre un rango.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNTiempo de respuesta del sensorEl elemento de un lazo de control especifica como se relaciona la salida a la entrada si la entrada es constante. Un elemento tambin tiene una dependencia del tiempo que especifica como cambia la salida en el tiempo cuando la entrada est cambiando en el tiempo.Esta funcin de transferencia dinmica se llama tiempo de respuesta.El tiempo de respuesta es independiente de la funcin de transferencia esttica.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNRespuesta de primer orden Analice las siguientes figuras

Sensor

c(t)b(t)

cicfc(t)t0

bibfbt


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNbi = salida inicial del sensor de la funcin de transferencia esttica y la entrada inicial.bf = salida final del sensor de la funcin de transferencia esttica y la salida final.t = constante de tiempo del sensorLa salida del sensor est en error durante el tiempo de transicin de bi a bf . La respuesta real comienza cuando la pendiente es igual a cero.Tiempo de respuesta del sensor (Cont)


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 10Un sensor de temperatura tiene una funcin de transferencia esttica de 0.15 mV/C y una constante de tiempo de 3.3 s. Si se aplica un cambio de un paso de 22 C a 50 C en t = 0, encuentre la temperatura a 0.5 s, 2.0 s, 3.3 s, y 9 s.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 10 - solucinNo tenemosWe do not have to use the transfer function at all since the relation between voltage and temperature is linear. Using the equation for first-order time response,T = Ti + (Tf Ti)(1-e-t/) T = 22 C + (50 C - 22 C)(1-e-t/3.3s) T = 22 C + 28(1-e-t/3.3s) C

T = 0.5 s T = 22 C + 28(1-e-0.5/3.3s) C = 25.9 CT = 2.0 s T = 22 C + 28(1-e-2/3.3s) C = 34.7 CT = 3.3 s T = 22 C + 28(1-e-3.3/3.3s) C = 39.7 CT = 9.0 s T = 22 C + 28(1-e-9/3.3s) C = 48.2 C


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 11Un sensor de presin mide 44 psi justo antes de un cambio sbito de 70 psi. El sensor mide 52 psi en un tiempo de 4.5 s despus del cambio. Cul es la constante de tiempo del sensor.


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNPROBLEMA 11 - solucinUsando la ecuacin de la respuesta de tiempo de primer orden, sabemos todo excepto la constante de tiempo.52 = 44 + (70 44)(1 e-4.5/)8 = 26(1 e-4.5/)e-4.5/) = 1 8/26 = 0.6923Tomando los logaritmos naturales de ambos lados, -4.5/ = ln(0.6923) = - 0.3677 = 12.2 s


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNRespuesta de segundo ordenEn algunos sensores, un cambio tipo escaln en la entrada causa que la salida oscile por un corto perodo de tiempo.R(t): salida del transductora: salida amortiguada constantefn: frecuencia natural de la oscilacin.Ro = amplitud

RespuestaTiempoRFRI1/fNe-at0


INSTRUMENTACION Principios de sistemas de controlIng. ElectrnicaNSensor

c(t)b(t)

cicfc(t)t0Respuesta de segundo orden (cont..)R(t) R0e-atsin(2fnt)

RespuestaTiempoRFRI1/fNe-at0



Cap 1 sist control curtis (sep - 2015)

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