EL MEJOR METODO PARA ESCALIZAR VARIABLES DE PROCESO

 

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 los dispositivos lógicos programables de la marca DELTA,  utilizan un rango de 0 a 2000 para entradas y salidas análogas de 0 a 10V DC; tambien se presenta el caso del rango de 0 a 4000 para entradas y salidas análogas que pueden estar en modo 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  de salida del transmisor (PV) y el dispositivo de control seleccionado.

Valores de salida del transmisor (PV) Rango de valores modo Voltaje en PLC DELTA Rango de valores modo corriente en PLC DELTA
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 los siguientes videotutoriales y transmisión en vivo relacionados con el tema.

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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.