Como escalizar variables de proceso en sistemas de control

 

Piense en la siguiente situación: se encuentra en un proceso industrial en donde se requiere medir los valores de una variable de proceso asociada a una sustancia que se encuentra contenida en un depósito. Para ello requiere de un elemento primario que pueda tomar los valores de dicha variable de proceso y luego enviarlos hacia un dispositivo de control. Un dispositivo de control puede ser un PLC, una FPGA, Arduino, microcontrolador, PC industrial, etc. En cualquier caso se requiere poder configurar y "hacer entender" al dispositivo de control la información que proviene de la variable de proceso. Es por ello que es necesario buscar la equivalencia entre el rango de la información de campo y el rango del sistema de control relacionado con valores análogos. Esto quiere decir, que al momento de recibir el valor mínimo del instrumento que se encuentra en campo (asociado la variable de proceso), el sistema de control debe poder corresponder con un valor equivalente dentro de su rango de funcionamiento; dicho valor debe ser el LRV del sistema de control para entradas análogas. De manera similar sucede con el máximo valor del instrumento de campo, el cual debe reflejar dentro del dispositivo de control su URV. Se puede resumir lo anterior con una palabra: Escalizar.

Para la mayoria de los lazos de control presentes en los procesos industriales, la información proveniente de la variable de proceso se envía hacia el dispositivo de control, tipicamente un PLC, través de una señal análoga normalizada de 4 a 20 mA, donde 4 mA deben corresponder al LRV del rango de operación del PLC para entradas análogas, y 20 mA deben corresponder a su URV.

¿Como se hace?

Todo parte de la ecuación de linealidad del instrumento y de la capacidad (en bits) del conversor análogo digital del dispositivo de control. Dicha capacidad indica la cantidad de información que se toma de la señal análoga proveniente del instrumento de campo. Algunas marcas de PLC, por ejemplo,  utilizan un rango de 0 a 2000 para entradas análogas de 0 a 10V DC; tambien se presenta el caso de 0 a 4000 para entradas análogas que pueden estar de 0 a 20 mA, o de 4 a 20 mA, según la configuración seleccionada. Con esta información, se puede realizar la escalización en el dispositivo de control, mediante la ecuación de linealidad obtenida con los valores anteriores. La siguiente tabla muestra la relación de los rangos del transmisor (PV) y el dispositivo de control.

Valores del transmisor (PV) Ejemplo de valores modo Voltaje Ejemplo de valores modo corriente
0 a 10V DC 0 a 2000 No Aplica
4 a 20mA No Aplica 0 a 4000

Para profundizar mas en el tema, lo invito a observar la siguiente transmisión sobre este tema, realizada en vivo.

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¿RESISTENCIA EN UN LAZO DE CONTROL?

Muchas veces se me ha preguntado el porqué de utilizar un resistor dentro del lazo de control de una variable de proceso. A partir de esta inquietud se derivan otros aspectos que son relevantes dentro del óptimo funcionamiento de la estructura de control. En esta oportunidad vengo a explicar un poco sobre dicha inquietdud.

¿Para que sirve un resistor dentro de un lazo de control?

Por lo general los instrumentos de campo son alimentados con una fuente de corriente contínua cuyo valor normalizado es de 24V DC. En la mayoria de los casos los instrumentos de campo tienen inmersos una impedancia adaptada a los valores de la fuente de alimentación; en otros, el resistor se puede colocar y retirar debido a la misma configuración del fabricante.  Este resistor normalmente tiene un valor de 250 ohm.

Un poco de números

Cuando un instrumento de campo, en particular un transmisor, detecta un cambio en la variable de proceso que está midiento a traves del sensor conectado a él, de manera consecuente envia una señal análoga (en miliamperios) hacia el sistema de control. Normalmente los dispositivos de control utilizan una señal de voltaje en su conversor análogo digital (ADC) para realizar los procesos de escalización y normalización dentro de su estrategia de control. En estonces cuando la función del resistor empieza a relucir, ya que el dispositivo de control se conecta en paralelo a este resistor para tomar dichos valores de voltaje (o incluye la resistencia e internamente hace ese proceso), obteniendo los siguientes resultados:

  • Si el instrumento detecta que su PV se encuentra al 0% de su campo de medida, la cantidad de corriente a enviar por el lazo será de 4 mA, entonces el voltaje que debe llegar al dispositivo de control a traves del resistor de 250 ohm es 1V DC.
  • Si el instrumento detecta que su PV se encuentra al 25% de su campo de medida, la cantida de corriente a enviar por el lazo será de 8 mA, entonces el voltaje que debe llegar al dispositivo de control a traves del resistor de 250 ohm es 2V DC.
  • Si ahora la PV se encuentra al 50% de su rango, la cantidad de corriente a enviar por el lazo será de 12 mA, entonces el voltaje que debe llegar al dispositivo de control a traves del resistor de 250 ohm es 3V DC.
  • Luego, la PV se encuentra al 75% de su rango, entonces la cantidad de corriente a enviar por el lazo será de 16 mA, que para este caso el voltaje que debe llegar al dispositivo de control a traves del resistor de 250 ohm es 4V DC.
  • Cuando la PV se encuentra al 100% de su campo de medida, la cantida de corriente a enviar por el lazo será de 20 mA, en este caso el voltaje que debe llegar al dispositivo de control a traves del resistor de 250 ohm es 5V DC.

Con estos valores el sistema de control puede trabajar cómodamente y realizar su proceso de control según la estrategia planteada. Cabe anotar que hay casos en los que el sistema de control utiliza señales de 0 10 V DC, motivo por el cual se puede sustituir el valor del resistor de 250 ohm a 500 ohm, garantizando todo el campo de medida en el ADC del dispositivo controlador en cuestión.

Una Anécdota

Puedo resaltar el caso de un cliente que solicitó la verificación de un medidor de flujo, el arrojaba un valor de 2,99 mA al 0% y de 15,93 mA al 100% de la variable, usando el modo simulación de dicho instrumento. En conjunto con el cliente, se hizo la revisión del conexionado del instrumento hacia el dispositivo de control (en este caso un PLC) y se evidenció que se encontraba en óptimas condiciones y realizado con base a las recomendaciones del fabricante. Se procedió a verificar el procedimiento en modo simulación y se evidenció que la causa de la variación de los valores de corriente (y por ende de voltaje hacia el PLC) se debía a que dentro del lazo de control había conectado otro resistor en paralelo al lazo, haciendo que la corriente se dividiera y no enviara el valor adecuado al dispositivo controlador.  Retirado este elemento, el dispositivo empezó a funcionar correctamente. Luego de ello se realizó prueba del lazo en cuestión utilizando un resistor de 270 ohm con una fuente de alimentación de 25V proveniente del medidor de flujo, como se observa en la siguiente imagen.

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FT, resistor, voltimetro y amperímetro en lazo abierto.

Los resultados obtenidos luego de retirar la resistencia adicional son los siguientes:

PORCENTAJE mA TEORICO mA OBTENIDO V OBTENIDO %ERROR mA
0% 4mA 3,98mA 1,1V 0,5%
25% 8mA 7,98mA 2,1V 0,25%
50% 12mA 11,98mA 3,2V 0,17%
75% 16mA 15,97mA 4,3V 0,19%
100% 20mA 19,95mA 5,4V 0,25%

Al final, el cliente quedó satisfecho de la asesoria y acompañamiento realizado, y recomendó a INSTRUMENTOS & AUTÓMATAS para próximos proyectos.

 

 

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UN ACERCAMIENTO A LAS VÁLVULA DE CONTROL EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES

Los procesos industriales constan de cientos, e incluso miles de lazos de control interconectados cuyo objetivo principal es obtener un producto final. Cada uno de estos lazos de control está diseñado para  controlar las variables de proceso que interviene en la realización de dicho producto final, tales como presión, temperatura, nivel, flujo, densidad, peso, velocidad, etc. Estos lazos de control reciben y asimismo crean perturbaciones que deterioran la señal de la variable de proceso, y la interacción de otros lazos en la red de comunicación industrial también aporta perturbaciones  que  pueden afectar sustancialmente la variable de proceso.

Para mitigar el efecto de las perturbaciones, los elementos primarios en conjunto con los transmisores recolectan la información de la variable de proceso. El controlador recibe dicha información y con base en su programación, determina la estrategia que se debe realizar para regresar la variable de proceso afectada al valor de consigna luego de haberse dado la perturbación. Cuando todas las medidas, comparaciones y cálculos se han realizado en el controlador, es necesario seleccionar elementos finales de control de manera estratégica para llevar a cabo la orden dada por éste.

La mayoría de los elementos finales de control que se encuentran en los diversos procesos industriales son válvulas de control. La válvula de control, entonces, es  un instrumento capaz de manipular un fluido que puede ser gas, vapor, agua, una sustancia química, etc. Esto lo realiza para compensar las perturbaciones y mantener la variable de proceso regulada y establecida, tanto como sea posible, en el valor de consigna. La siguiente imagen superior muestra una válvula de control típica dentro de un proceso inustrial.

Muchas de las personas que comentan acerca de válvulas de control se refieren realmente a la estructura física de la válvula. Una válvula de control típica consta del cuerpo de la válvula, sus partes internas, un actuador que proporciona el movimiento para operar la válvula, y una variedad adicional de accesorios que pueden incluir entre posicionadores, transductores, elementos reguladores de presión, operadores manuales (ej: volanta), interruptores limitadores, entre otros.

La versatilidad que demuestra la válvula de control para ejecutar la orden dada por el controlador en diversos tipos de industrias y a diferentes condiciones de proceso hacen que se encuentre dentro las mas utilizadas como elemento final de control. Su relación costo/beneficio, contribuye a tener procesos competitivos, eficientes, autónomos. Adicional, es recomendable acompañar su uso de un adecuado plan de mantenimiento para garantizar su vida útil, junto al resto de instrumentos y elementos que conforman el lazo de control.

Si requiere profundizar  acerca de las válvulas de control, recomiendo el libro Control Valve Handbook, 4th Edition, el cual  tiene información interesante respecto a este tema.

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FLUKE 154: EL MEJOR COMUNICADOR HART PORTÁTIL DEL 2018

 

El comunicador Fluke 154 se posiciona como el mejor comunicador tipo portable por su relación costo-beneficio y la versatilidad a la hora de realizar actividades de instrumentación en procesos industriales. Es una herramienta Stand-Alone desarrollada en una tablet que permite realizar procesos de verificación y calibración de instrumentos de una manera más fácil y práctica. Este dispositivo brinda la posibilidad al usuario de calibrar un gran número de dispositivos hart presentes en los procesos industriales. También permite combinarse con otros equipos tales como el Fluke 720 y el Fluke 750, ambos pertenecientes a la categoría de los calibradores de procesos.

El sistema Fluke 154 está basado en una plataforma android, mediante el uso de una aplicación móvil, junto con un modem HART inalámbrico que se puede conectar al instrumento con comunicación HART para ser probado o configurado. Este sistema permite comunicarse con dispositivos hasta una distancia del modem HART de 250 pies ( 76,2 metros), permitiendo al personal técnico trabajar desde una distancia más conveniente y segura.

Adicional, el Fluke 154 proporciona una base datos con un gran número de DD's que permite comunicarse con los dispositivos que utilizan protocoloco de comunicación HART y determinar el valor de diferentes variables de un instrumento tales como PV, SV, TV, QV, entre otros tipos de variables.

El cable de conexión del modem HART inalámbrico hacia el instrumento de campo permite colocar en sus extremos terminales en forma de puntas de prueba en forma de "C" o tipo pinzas, para ser usado según las condiciones de conexión que tenga el instrumento de campo que será probado o configurado.

El equipo posee autonomía para realizar servicios de configuración y calibración de instrumentos al contar con batería recargable en su estructura.

 

(Inspirado en nota de la revista Instrumentation Dec/Jan 2017, página 12)

 

Campo de medida y alcance en el instrumento de campo

Todo instrumento de campo se construye con el fin de desarrollar funciones específicas con base a los lineamientos establecidos por el fabricante. Sin embargo, existen algunas características que afectan a todos los instrumentos de manera general y que permiten realizar actividades como calibración, diagnóstico y configuración de instrumentos. A continuación mencionaré algunas de estas características.

Para empezar, todo instrumento posee una zona de trabajo o campo de medida en donde él es capaz de percibir las variaciones de la variable de proceso y mostrar el valor equivalente a dicha variación en una unidad de medida equivalente. Dicha zona de trabajo se conoce como el RANGO del instrumento. Un ejemplo de ello es un transmisor de temperatura, el cual es capaz de medir valores entre -20 y 250 °F.

Ligado a este concepto se encuentra el SPAN o alcance, el cual se refiere a la diferencia algebraica que existe entre valor máximo de la escala del instrumento (URV) y el valor mínimo de dicha escala (LRV). Para el ejemplo anterior se tiene un SPAN de 270 °F.

Los valores del campo de medida y del alcance del instrumento normalmente se colocan en la placa del instrumento, con la finalidad que sean accesibles al operador y a personal de mantenimiento Un ejemplo de lo anterior se presenta en la siguiente imagen.

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Se puede observar el rango de entrada designado con la abreviatura CAL., cuyos valores son de 0 a 1000 inH2O .El rango de salida, en este caso, esta designado con la palabra OUTPUT, y sus valores son 4 a 20 mA. Con estas características es posible determinar los valores de linealidad y trazabilidad del instrumento que se esta verificando, permitiendo tener un acercamiento al comportamiento del elemento y de esta manera realizar actividades de mantenimiento de una manera mas confiable.

Si quiere mas información sobre como determinar el comportamiento del instrumento mediante las características de Campo de Medida y Alcance, puede visitar la sección Videotutoriales.

CONOCIENDO EL GENERADOR DE 4 A 2O mA

Dentro de las actividades de mantenimiento que se desarrollan en el sector industrial local relacionadas con instrumentación industrial y electrónica se encuentra la verificación de los elementos que hacen parte de los diferentes lazos de control presentes en
los procesos industriales. Esta actividad contribuye a disminuir la frecuencia de fallos en los instrumentos de campo como transmisores, interruptores, elementos primarios, controladores, elementos finales de control, entre otros. Dentro de este último grupo se encuentran las válvulas de control, elementos muy utilizados en la mayoría de los procesos industriales debido a la relación costo/beneficio que se obtiene al implementar lazos de control con este tipo de instrumentos. De ahí la importancia de una buena
estrategia de mantenimiento en las válvulas de control de procesos, la cual empieza con la inspección y verificación del instrumento de campo.
En los procesos industriales es una prioridad mantener el valor de la variable de proceso (en adelante PV) dentro de los valores sintonizados para realizar el lazo de control y de esta manera garantizar calidad al cliente final sobre el resultado de dicho proceso. Es por ello que las válvulas de control juegan un papel determinante a la hora de llevar a cabo esta labor. Una válvula de control es instrumento de campo que tiene como función primordial modificar su apertura a través de un elemento denominado actuador, y de esta manera logra mantener el valor de la PV dentro del margen de valores permitidos para dicho lazo de control.

El generador de lazo de 4 a 20 mA es una herramienta utilizada para verificar el comportamiento de las válvulas de control en procesos industriales, mejorando el rendimiento de la planta y su rentabilidad. Este equipo permite variar y visualizar la señal de 4 a 20 mA a través de dispositivos electrónicos, permitiendo realizar pruebas de lazo abierto a las válvulas de control con el fin de determinar sus curvas de comportamiento y poder realizar acciones de mejora que incrementen el desempeño de los procesos industriales. Este prototipo ayuda a diagnosticar el estado de la válvula de control mediante la realización de la prueba de lazo, permitiendo establecer el comportamiento real de la válvula y tomar acciones para mantener o mejorar su eficiencia.

En los siguientes vídeos se evidencia el funcionamiento de diferentes generadores de corriente de 4 a 20 mA usados para realizar actividades de mantenimiento en la parte de #instrumentación.

 

Generador de 4 a 20 mA con Fluke 707

Valvula de Control y LoopDRACK 3.0

Generador de 4 a 20 mA con LoopDRACK SX

calibracion

Una alternativa interesante a la hora de calibrar y diagnosticar instrumentos de presión

Dentro de los procesos instrumentados presentes en la mayoría de los sectores industriales surge la necesidad de determinar el comportamiento de los instrumentos de campo con el fin de garantizar confiabilidad en dichos procesos. Es por ello que la realización de actividades de mantenimiento y verificación de instrumentos se convierte en el diario quehacer del personal de instrumentación industrial. Para garantizar la confiabilidad de los instrumentos se requiere tener equipos especializados para interactuar con las diferentes variables de proceso (PV). Dicho de otra manera, un dispositivo para calibrar transmisores de presión tiene diferencias notables con aquel usado para verificar el comportamiento de una válvula de control, por ejemplo.

Teniendo en cuenta lo anterior, y haciendo énfasis en los dispositivos que permiten trabajar con la variable presión, les comentaré un poco sobre la bomba hidráulica 700HTP2 y el manómetro 700G30 de la línea Fluke, los cuales se convierten en una alternativa interesante para realizar actividades de comisionamiento y calibración de instrumentos.

En el siguiente video se muestra el funcionamiento de estos equipos.

Conociendo el Protocolo Hart

En la actualidad existen diferentes marcas y medios de comunicación de los instrumentos de campo con los sistemas de control, con el fin de garantizar fiabilidad en los . Dentro de los protocolos de comunicación para dichos instrumentos se mantiene bien posicionado el tan conocido Hart, el cual se basa en el principio de modulación de frecuencia (MDF). Con esto logra superponer una señal digital en los dos hilos que alimentan el instrumento con 24V DC, y sobre los cuáles se desplaza una señal que varia de 4 a 20 mA.

La señal digital de este protocolo transmite los datos del dispositivo de campo hacia el sistema de control y viceversa. Con el fin de no afectar los valores de la señal de corriente, la transmisión se realiza bajo la normativa Bell 202, que consiste en asignar una frecuencia especifica para el valor cero (0) y para el valor uno (1). Para el caso del valor cero, su frecuencia asignada es 2200 Hz, mientras que para el valor uno, su frecuencia es 1200 Hz.

Dentro de las ventajas que posee se encuentra el ahorro en su capa física, debido a que usa la mismo cableado de la señal de alimentación del instrumento. Asimismo, permite conectar dos dos maestros a las vez sin afectar el envío de los datos. Para el personal de instrumentación que realiza mantenimiento en esta rama es relevante estos puntos, dada la oportunidad de poder conectar comunicadores de campo y realizar configuraciones de los instrumentos in situde manera mas fácil, práctica, amigable.

Este protocolo no se quiere quedar atrás de los avances tecnológicos. Ya se tiene grandes adelantos en Wireless Hart, y se espera que su difusión sea cada vez mayor en los diferentes sectores productivos.

Si quiere ver un ejemplo de calibración y configuración de un transmisor con protocolo HART, lo invito a ver el siguiente vídeo.

Generalidades de los Instrumentos de campo

Los instrumentos de campo son los encargados de detectar los valores de las variables de proceso, transmitir la información obtenida de dichas variables hacia el controlador, ejecutar acciones de control en el proceso que se ejecuta. Dichos instrumentos se pueden agrupar en las siguientes categorías: elementos primarios, transmisores, indicadores, interruptores, elementos finales de control. A continuación explicaré cada una de ellas.

Elemento Primario: Es el encargado de detectar las variaciones en la variable de proceso de manera continua y expresarlas en una forma de medida adecuada. Un ejemplo de ello son las RTD tipo Pt-100 y los termopares tipo K, cuyas señales de salidas son en ohmios y milivoltios, respectivamente.

Indicador: Elemento que detecta los valores de la variable de proceso de manera continua y a través de un sistema análogo o digital es capaz de mostrar la lectura de dicha variable, en tiempo real. En esta categoría se puede encontrar instrumentos como los manómetros y termómetros.

Interruptor: Dispositivo que se ajusta a un valor deseado de la variable de proceso para que envíe una señal discreta cuando la variable de proceso se iguale o supere dicho valor. Como ejemplo se puede mencionar a los presóstatos y a los termóstatos.

Transmisor: Dispositivo que recibe los valores de la salida del elemento primario y los transforma a una señal de tipo estándar y continua ( como voltaje o corriente) para que luego sea utilizada dicha señal por el controlador. Según la variable de proceso se encuentran transmisores de presión, temperatura, nivel, caudal, peso, etc.

Elemento final de control: Con base a la señal enviada por el controlador este dispositivo realiza una acción que puede ser continua ( para el caso de las válvulas) o discreta ( para el caso de las bombas), afectando el valor de la variable de proceso dentro del lazo de control.