SISTEMAS de MEDIDA y REGULACIÓN; Ejercicios Tema 1. Luis Miguel López Pardo

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1. Explicar la diferencia entre control en lazo abierto y lazo cerrado.

En un sistema de lazo cerrado existirá una realimentación desde el instrumento de medida de

la variable que se esté controlando hacia el controlador, de forma que si se produce un error, es

decir, una diferencia entre la medida de la variable y el valor de consigna, el controlador variará

el aporte de energía (agente regulador) al sistema, de forma que la medida vuelva a ser igual al

punto de consigna (o al menos lo intentará).

En un sistema de lazo o bucle abierto, no existe dicha realimentación del valor de la variable

desde el instrumento de medida al de control.

2. Para controlar el nivel de un depósito disponemos de una válvula con mando manual para

ajustar el caudal del líquido de entrada. Mediante un flotador y un sistema de palancas es

posible observar el nivel del depósito. La operación de control se realiza manualmente y

queremos que el nivel se mantenga siempre en 5 m. Se pide:

a) Representar mediante un diagrama a bloques el sistema de control.

Como se nos dice que se quiere mantener el nivel a 5m, se tratará de un sistema de control de

lazo cerrado.

El operario es quien controlará manualmente el interruptor que abre o cierra la electroválvula

de llenado del depósito, en función de la lectura del instrumento de medida.

b) Identificar los diferentes elementos de la cadena de control.

- Controlador: En este caso será el propio operario, que además también será el

comparador entre la magnitud de la variable en cada momento y la consigna.

- Actuador: Interruptor que abre o cierra la válvula de llenado del depósito.

- Elemento final de control: En este caso, la electroválvula.

- Indicador: Flotador que, mediante el sistema de palancas, nos permite saber el nivel de

líquido en el depósito.

Magnitud controlada

(Nivel de líquido)

Medida (M)

Consigna

Actuador

(Interruptor)

Elemento final

de control.

(Electroválvula)

PROCESO

(Llenado)

Elemento

Indicador y

de Medida

Operario

(Controlador y comparador)

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- Energía aportada al sistema (y): Como he supuesto que se utiliza una electroválvula, se

tratará de energía eléctrica. En el diagrama de bloques anterior se encontraría entre el

actuador y la electroválvula.

- Agente regulador: El propio líquido que cae por la electroválvula. En el diagrama se

encontraría entre la electroválvula y el proceso de llenado.

c) Identificar las señales siguientes: consigna, medida, error, agente de regulación y magnitud

controlada.

- Consigna: Nivel de líquido que se quiere mantener en el depósito (5m en este caso).

- Medida: Nivel de líquido que efectivamente hay en el depósito en cada instante del

tiempo.

- Error: Diferencia entre consigna y medida. Puede ser positivo o negativo.

- Agente de regulación: En este caso, el líquido que vierte la electroválvula cuando está

abierta.

- Magnitud controlada: Altura que alcanza el líquido en el depósito (metros).

d) Realizar las modificaciones necesarias para que el sistema de control sea automático.

A diferencia del caso anterior, ahora la medida recogida por el flotador será transmitida a

un instrumento que compare dicha medida con el punto de consigna. Si hay diferencia entre

ambos niveles, es decir, un error, el comparador hará que el controlador actúe sobre el

elemento final de control, que es la electroválvula.

Es decir, en este caso, la realimentación sobre el valor de la magnitud controlada es la que

hace que el sistema de control actúe para ajustarse al valor deseado (la consigna).

Además, en la vida real, lo más probable es que controlador y elemento final de control

sean un mismo instrumento.

Medida normalizada Medida (M)

Consigna Magnitud controlada

(Nivel de líquido)

Comparador

Elemento final

de control

(Electroválvula)

Proceso Controlador

Indicación y

medida Transmisión

Error

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1. Explicar el funcionamiento de los sistemas de control representados en las figuras 1.59 y 1.60.

Este sistema dispone de un instrumento (ST) que

transmitirá la velocidad de rotación de la máquina a

otro instrumento (SRC) que registrará dicha velocidad

y además actuará como controlador sobre el puente

de tiristores y amplificador, que será el instrumento

final de control, variando la cantidad de energía que

entregará a la máquina.

La transmisión de la información se realiza mediante una línea eléctrica.

En este caso, el sistema se compone de una máquina rotativa que funciona con corriente

continua, con un amplificador como elemento final de control.

A la salida de la máquina rotativa tenemos:

- Por un lado, un sensor de posición de

aquello a lo que haga girar la máquina

rotativa, que además hace de transmisor de

dicha posición (ZT).

La posición es transmitida a un indicador y

controlador (ZIC), que actuará sobre el

amplificador, y este a su vez, sobre el

suministro de energía que aporta a la

máquina.

- Por otro lado, a la salida de la máquina

rotativa, tenemos dos instrumentos, (ZSL) y

(ZSH).

Se trata de interruptores que se activarán cuando la máquina alcance su punto más bajo y

su punto más alto respectivamente (L:Low, H:High, en este caso serán la quinta letra en la

denominación de estos instrumentos, modificando o concretando la función de los

interruptores). Estos interruptores activarán otros elementos en otro sistema.

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2. En el sistema de la Figura 1.61, identificar los diferentes

instrumentos que forman parte de él y la función que realizan.

- (HV): Válvula de control manual, para el llenado del

depósito.

- (HC): Controlador manual del sistema, mediante el que el

operario controlará eléctricamente el actuador de la

electroválvula.

- (LSH) y (LSL): Interruptores que se cerrarán cuando el

depósito llegue a sus niveles alto (H) y bajo (L)

respectivamente, activando una alarma distinta (1 y 2) en

cada caso.

- (WT): Se trata de un transmisor del peso que soporta el depósito en cada momento.

- (P/I): Es un convertidor de la señal neumática que le envía el transmisor, en una señal

eléctrica.

- (WR): Registro en algún tipo de soporte (papel, magnético, etc…) del peso que soporta el

depósito en cada momento. A este instrumento de registro le llega una señal eléctrica.

- Alarma 1 y Alarma 2: Alarmas de nivel alto y bajo del depósito respectivamente. Serán

actuadas eléctricamente por los interruptores (LSH) y (LSL).

3. Dado el sistema de control de la Figura 1.62, se pide:

a) Identificar los diferentes instrumentos que lo componen y la función que realizan.

Indicador de presión

Y controlador del bucle 1

Transmisor del valor de

presión del bucle 1

Actuador neumático

Línea neumática

Válvula accionada

neumáticamente del bucle 1

Alarma de temperatura alta

del bucle 4

Interruptor accionado por

temperatura alta en el bucle 4

Registro y controlador de

temperatura del bucle 4

Motor eléctrico

Válvula de mariposa para

regulación de

temperatura, bucle 4

Transmisor del valor

de caudal, bucle 2

Placa orificio en tubo,

para medida del caudal

Indicador de caudal y

transmisor de su valor,

bucle 2

Registro de caudal,

bucle 2

Indicador y transmisor

del valor de presión,

bucle 3

Registro de presión,

bucle 3

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Se trata de un sistema de control de un intercambiador de calor con 4 bucles:

- Bucle 1: Medida y control de la presión.

- Bucle 2: Indicación y registro del caudal.

- Bucle 3: Medida y registro de la presión.

- Bucle 4: Registro y control de la temperatura.

b) Representarlo mediante un diagrama a bloques

Consigna

(Temperatura líquido)

Magnitud a controlar

(Temperatura)

Entrada de líquido

Consigna

(Presión en serpentín)

COMPARADOR

(presión en serpentín)

INDICADOR

(presión en serpentín)

CONTROLADOR

(presión en serpentín)

ELEMENTO FINAL DE

CONTROL

(presión en serpentín)

PROCESO

(Regulación de

temperatura)

TRANSMISOR

(caudal)

INDICADOR

(caudal)

REGISTRO

(caudal)

INDICADOR

(presión)

REGISTRO

(presión)

TRANSMISOR

(presión)

ELEMENTO FINAL DE

CONTROL

(Temperatura)

CONTROLADOR

(Temperatura)

MEDIDA Y REGISTRO

(Temperatura)

COMPARADOR

(Temperatura)

Alarma

(Si temperatura ALTA)

Salida de líquido

Serpentín

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c) Explicar su funcionamiento.

El proceso principal o controlado es la regulación de temperatura del líquido en un depósito

mediante un intercambiador de calor, un serpentín por el que circulará vapor.

Para ello, en el bucle 1, tenemos una válvula accionada neumáticamente (PV1) que

regulará la presión de vapor en el serpentín. Habrá un valor deseado de presión que no se

desea sobrepasar (consigna), por lo que el valor de la presión en el serpentín será transmitido

mediante (PT1) a un controlador (PIC1), que también indicará el valor de presión en cada

momento y que actuará neumáticamente sobre el elemento final de control (la válvula PV1)

para que el valor real de presión en el serpentín y el de consigna coincidan.

En el bucle 2 tenemos una placa perforada en el tubo que nos permite conocer el caudal de

líquido que entra en el depósito. La magnitud del caudal es transmitida neumáticamente por

(FT2) a (FIT2), que actuará como indicador de caudal y lo transmitirá de nuevo a (FR2) para su

registro.

El bucle 3 también nos lo encontramos en la tubería por la que se llena el depósito, y

consiste en un indicador y transmisor del nivel de presión en la tubería (PIT3), señal que es

transmitida a (PR3) para su registro.

El bucle 4 afecta tanto al conducto de salida de líquido como al serpentín que regula su

temperatura.

Por una parte, el interruptor (TSH4) se cerrará (si es N.O.) cuando la temperatura de salida

sea muy alta, activando además una alarma (TAH4). Estos instrumentos se activarán

mediante señales eléctricas.

Por otra parte, y también mediante señal eléctrica, un instrumento de registro y

controlador de temperatura (TRC4), medirá esa temperatura y actuará sobre un motor

eléctrico (M), cuando el valor real se aleje del de consigna. A su vez, este motor eléctrico,

actuará sobre el instrumento final de control de temperatura, una válvula de mariposa (TV4).

Así, en caso de temperatura por encima de la de consigna, esta válvula se abrirá, con lo que

bajará la presión del vapor dentro del serpentín, y con ello su transmisión de temperatura al

líquido en el depósito.

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1. En los sistemas de control de nivel de la Figura 1.63 queremos que no haya desbordamiento de

líquido aunque se produzca un fallo en el controlador o la válvula. Estudiar de qué tipo (acción

directa o inversa) deben ser estos instrumentos.

En el caso (A), tanto el controlador como la válvula

deberían ser de tipo inverso para evitar el desbordamiento

accidental del depósito.

Por una parte, con un controlador (LIC) de tipo inverso, a

mayor magnitud del nivel de líquido, de menor intensidad

será la señal que envíe a la válvula (LV), disminuyendo el

caudal que aporta al irse cerrando progresivamente.

Además, en el caso de que el controlador (LIC) fallase y

dejara de enviar señal a la válvula, esta, al no recibir señal y

ser de tipo inverso, se cerraría completamente, dejando de

verter líquido al depósito y evitando el desbordamiento.

En el caso (B), la válvula debería ser de tipo

directo y el controlador de tipo inverso.

De esta forma, a mayor nivel en el depósito,

menor será la intensidad de la señal que el

controlador (LIC) envíe a la válvula, con lo que al

ser esta de tipo directo, más abierta estará,

desalojando más agua del depósito.

En el caso de fallo del controlador (LIC), este

dejará de dar señal a la válvula, abriéndose esta por

completo, desalojando toda el agua del depósito y

evitando el desbordamiento.

Con el sistema de la Figura 1.64 pretendemos controlar la presión de entrada a un proceso. En

el caso de que el PIC falle deseamos proteger el proceso frente a altas presiones.

¿Cuáles deben ser las acciones de la válvula y el controlador para conseguirlo?

El controlador (PIC) deberá ser de acción inversa, y la válvula

proporcional (PV) deberá ser de acción directa.

De esta forma, a mayor magnitud transmitida al controlador,

menor será la intensidad de la señal que este envíe al actuador

de la válvula, y por tanto, al ser esta de acción directa, más se

abrirá, evitando un exceso de presión en el proceso. Para mayor

seguridad,

válvula del

tipo “FAIL

OPEN”.

Para mayor

seguridad,

válvula del

tipo “FAIL

OPEN”.

Para mayor

seguridad,

válvula del

tipo “FAIL

CLOSED”.

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Además, en el caso de fallo del controlador, este dejará de enviar señal por completo al

actuador de la válvula, abriéndose esta completamente, saliendo por ella la presión del sistema.

Si cambiamos la disposición de los instrumentos, tal como indica la Figura 1.65, estudiar de

nuevo cómo deben actuar la válvula y el controlador.

En este caso, tanto el controlador (PIC) como la

válvula (PV) deberán ser de acción inversa.

De esta forma, a mayor presión captada por (PT)

y transmitida al controlador, menor será la

intensidad de la señal que este envíe a la válvula,

con lo que más se cerrará esta por ser de acción

inversa, aportando menos presión al proceso.

Por otra parte, si el controlador (PIC) fallase

completamente, dejaría de enviar señal al actuador

de la válvula, con lo que, de nuevo por ser esta de

acción inversa, se cerraría por completo, dejando

de aportar presión alguna al proceso.

Para mayor

seguridad,

válvula del

tipo “FAIL

CLOSED”.