4. Control Por Rampa - Eduar Ramirez

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Control porRampa

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Parte 1 Seguridad en Combustión

Controles y SensoresEstándar de SeguridadNFPA 86

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Sistema de Control de Combustión

Un Sistema de Control es un grupode componentes electrónicos, eléctricos y mecánicos diseñadospara seguir un conjunto de reglaspara monitorear y guiar la operaciónde los equipos.

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Funciones Comunes de un Sistema de Control de Combustión

Verificar que siempre existan lascondiciones apropiadas y mantener los equipos en una condición de operaciónseguraControlar la secuencia de encendido, purga, ignición, funcionamiento y apagado

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Causas de Explosión

1. Escape de combustible durante el apagado

2. Re-encendido después de pérdida de llama, sin hacer purga

3. Intentos de encendido repetidos sin hacer purga

4. Control pobre de proporciones5. Sistema inestable; oscilación del aire o

combustible(cont.)

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Causas de Explosión

7. Ausencia de aire, causada porpresión excesiva de la mezcla

8. Apagado, causado por excesoconsiderable de aire

9. Interlock de seguridad defectuoso o con bypass

10.Falla mecánica11.Error humano

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Agencias de EstandarizaciónEscrita NFPA, FM, CSA, UL,

CEN - European Committee for Std., TUV, AGA

Autoridades FM, IRI (GE-GAP), CSA, con Government (Labor/Health), Building Jurisdicción Inspector, Local Fire Marshal,

Insurance Inspector, Property Owner

Pruebas & UL, CSA, FM, ETL, Advantica, Aprobación Gastec, DVGW

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Límites de Seguridad

Interruptor que monitorea cualquierparámetro físico requerido para que la operación sea segura y confiable.– Presiones de combustible (baja presión de

gas, alta presión de gas)– Bajo aire de combustión– Contacto para encendido del motor del

ventilador de aire– Alta temperatura– Ventiladores para circulación de aire y gases

de salida

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Interlocks de Secuencia

Switch que se debe cerrar antes de que pueda continuar una secuencia– Ventiladores Auxiliares encendidos

para purga– Dampers abiertos para purga– Posición de puerta para purga o

encendido– Encendido forzado de bajo fuego

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NFPA 86 Estándares - Límites

1. Debe estar aprobado y catalogadopara servicio en combustión

2. Debe ser conectado en serie paracontrolar directamente la válvulashut-off.

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Límites de Seguridad TípicosNEUTROVIVO

BAJO AIRE DE COMBUSTIÓN

SENSOR LÍMITE SUPERIOR

L1 L2

LÍMITECR1

CR2

BAJA PRESIÓN DE GAS

ALTA PRESIÓN DE GAS

CR2MS CR1

RELÉS INTERPUESTOS

A LOS CIRCUITOS DE LA VÁLVULA SHUT-OFF DE

SEGURIDAD

CONTACTO DE ENCENDIDO DEL

MOTOR DE AIRE DE COMBUSTIÓN

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NFPA 86 Estándares - PurgaPurga temporizada requerida antes de cada encendidoEl dispositivo de temporizado debeestar listado

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NFPA 86 Estándares - Ignición

Máximo 15 segundos

Quemadores que requieran arranqueen bajo fuego, deben tener interlock para probar la posición de la válvulade control.

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NFPA 86 Estándares - Válvulas

Dos Válvulas de Seguridad Shutoff (SSOV) en serie – AMBAS Piloto y PrincipalIndicadores de posición visual local paraquemadores mayores a 150,000 Btu/hr (44kW)Para quemadores mayores a 400,000 Btu/hr (117kW) al menos 1 válvula debe ser con prueba de cierre y entrelazada con la purga. Prueba de cierre significa: Switch de prueba de cerrado o sistema de prueba de válvulas

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NFPA 86 Estándares – Válvulas p.2

Recursos permantentes y listos paraprueba de fugas, hecho al menosuna vez al año. Una sóla válvula de seguridadshutoff aprobada para sistemas de quemadores de tubo radianteresistentes a explosiones.

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Esquema de la tubería

VENTILADORAIRE DE

COMBUSTIÓN

SWITCHPRESIÓN DE

AIRE

CONTROLFLUJO DE

AIRE

VENTEO A ÁREA SEGURA

TRAMO GOTEO

SHUT-OFFMANUAL

FILTRO

SUMINISTRO DE GAS

VÁLVULASSEGURIDADSHUT-OFF

REGULADOR

QUEMADOR

PRUEBA

FUGA

SWITCHBAJA PRESIÓN

DE GAS

CONTROL FLUJOGAS

SWITCHALTA PRESIÓN

DE GAS

VÁLVULAS PILOTOREGULADOR PILOTO AJUSTE FLUJO

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Funciones de Seguridad de la Combustión:

Verificación de componentes y arranqueseguroPurga (algunos modelos) Ignición (bloqueo con falla de llama)Prueba de llamaEncendido válvulas de combustible principalesApagado en falla de llamaCerrar válvulas de combustible cuando no hay alimentación

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Estándares – Seguridades en la combustión 150,000 BTU/hr y menos

los métodos de detección típica incluyen:Elementos bimetálicosCapilares y de BulboTermocuplas

El tiempo de reacción puede estar en el rango de minutos

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NFPA 86 Estándares –Seguridades en la Combustión

La mayoría usan seguridades electrónicasaprobadas y catalogadas para la combustiónTiempo de respuesta a la falla de llama: < 4 segundosChequeo de arranque seguroEnclavado con el circuito de seguridadLos métodos de detección incluyen– Infrarrojo– Flame rod (rectificación, ionización)– Ultravioleta

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Sistema de seguridad típico para combustión

8

4

S2LLAMA AMP

V 5

A

S1

3

21

6

7

G

MICRO

AIRE COMB

DE LOS LÍMITES

120VAC

VERI-FLAME

IGNITER

TRANSFORMADOR IGNICIÓN

PILOTO

NEUTRO

ARRANCADOR VENTILADOR

VENT

VÁLVULA PRINCIPAL

AGUAS ARRIBA

VÁLVULA PRINCIPAL

AGUAS ABAJO

FLAMEROD

QUEMADOR

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Métodos de Detección de Combustión

Rectificación por ionización (flame rods)UltravioletaInfrarrojoOtros métodos no son confiables– Térmico/ temperatura– Fotosensible / luz visible– Conductividad

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Flame Rod

CONEXIÓN DEL CABLE

AISLANTE CERÁMICO

ELECTRODO

ACOPLE ROSCADO

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TIERRA LLAMA

ELECTRODO DE IGNICIÓN

BOQUILLA PARARETENCIÓN DE LLAMA

ELECTRODO DE LLAMA

Flujo deCorriente

Llama Encendida

Corriente PromedioDC

Corr. AC

Llama Apagada

Tierra

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Flame Rod

A. Cubrimiento de Llama Insuficiente C. CorrectoB. No hay superficie de tierra en la llama

Ubicación del Flame Rod

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Flame RodPropiedad Sensada: Ionización en la llama

Aplicación: Llamas de gas

Ubicación: 2/3 por encima de la llama

Ventajas: Bajo costo, simple

Limitaciones: Suciedad, interferencias

CONDUIT FLEXIBLECÁRTER

DETECTOR DEESTADO SÓLIDO

Detector Infrarrojo

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BUSHING

MIRAO LENTE AMPLIFICADOR

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Detector InfrarrojoPropiedad Sensada: Radiación IR

Aplicación: Llamas combustible gaseoso o líquido

Ubicación: No debe visualizar el refractario

Ventajas: Ampliación óptica

Limitaciones: Vibración

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Escáner UVCONEXIÓN ELÉCTRICA

MIRA O LENTE AMPLIFICADOR

AIRE ENFRIAMIENTO

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VisualizaciónESCÁNER UV

ENTRADA DE GAS

AIRE COMBUSTIÓN

PILOTO-SUFICIENTE PARA ENCENDER LA

PRINCIPAL

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OBTURADORLENTE

TUBO

ELECTRÓNICA

SI se bloquea obturador Y no hay señal = Tubo OK

SI se bloquea obturador Y hay señal = Falla en Tubo

CÁRTER

Auto-Chequeo Escáner UV

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Detector UltravioletaPropiedad Sensada: Radiación UV

Aplicación: Llamas combustible gaseoso o líquido

Ubicación: Primer tercio de la llama

Ventajas: Ampliación ópticaAlto nivel de señal

Limitaciones: Vida del tubo, Frágil, No es seguro a fallos, Ve la chispa

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Controladores Programables / PLC

No pueden ser usados para seguridad en combustión a menos que esté catalogadoPuede ser usado en conjunto con dispositivos de seguridad aprobados paramonitoreoNo debe interferir con o prevenir la operación de los interlocks de seguridadNo debe controlar directamente lasválvulas de seguridad shut-off

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Part 2 Sistemas de Control de Temperatura

Controladores y Sensores

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Controlador de temperatura

• Controles Digitales Microprocesados

• Tipo de entrada universal

• Salida SSR - Relé -4 a 20 mA- 0 a 10V

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Niveles de programaciónExisten 7 niveles de programación:

User: Nivel en el que se hallan las variables de manejo cotidiano.Control: Nivel de puesta a punto del PID y funciones especiales.Out: Nivel de configuración de alarmas, tipo de operación del control.Input: Nivel de configuración de las entradas.SPC: Parámetros de comunicación y funciones multivariable del PID.Prog: Nivel de programación de rampasHide: Ocultar o habilitar parámetros de uso restringido

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Códigos de Error

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Diagrama de Conexión

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Definiciones

Sistema de Control: Mantiene unapropiedad física en un valor deseadoVariable de proceso (PV): Propiedadfísica como temperatura, presión, velocidad, nivelSet Point (SP): Valor deseadoError: Diferencia entre SP y PV

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Definiciones

Acción Directa: (Enfriamiento) La salida actúa en la misma direcciónque tiene PV. A medida que PV aumenta la salida aumentaAcción Inversa: (Calentamiento) La salida está en dirección opuesta a PV. A medida que PV aumenta la salida disminuye

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Control de Lazo Abierto

Definición: Controla el valor de salida sin conocer el valor del procesoUso: Donde la variación de temperaturano es crítica– Hornos microondas, calentamiento

temporizado– Calentamiento de barras de soldadura– Evaporación de agua

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Control de Lazo Abierto

QuemadorVálvulaMariposa

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Control de Lazo Cerrado

Definición: Controla el valor de la salida basado en el conocimientoreal del valor de procesoUso: Cuando la temperatura debeser mantenida

– Tratamiento térmico– Secado/curado

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Control de Lazo Cerrado

TERMOCUPLA

Controlador

OUT IN

Set Point

Quemador

Actuador

VálvulaMariposa

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Tipos de Salida de Control

ON-OFF o HIGH-LOWPROPORCIONAL – MODULANTE – TEMPORIZADA

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Control On-Off

Definición: La salida estácompletamente encendida o apagadadependiendo de la temperaturaUso: Con aplicaciones que no son críticas, amplias variaciones de temperatura o procesos muy lentos

– Calentamiento de agua– Calentamiento de hogares– Quemadores de tubo

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Secuencia On-OffCalent. On

Calent. Off

Calent. On

Calent. Off

Tiempo

Temperatura

Setpoint

Histéresis

Histéresis

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Salida Proporcional

Definición: La salida varía en algún valor desde completamente apagado a completamente encendidoUso: Cuando las variaciones de temperatura son críticas y deben ser minimizadas– Válvulas mariposa– Ventiladores con velocidad variable o bombas

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4-20mA vs. % Salida

20

16

12

8

4

0% 50% 100%SALIDA CALENTAMIENTO

MA

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Proporcional en el TiempoDefinición: La salida estácompletamente encendida o completamente apagada, pero la relación de tiempo encendido vs. tiempo apagado varía para simularun control proporcionalUso: Calentamiento eléctrico y quemadores de tubo

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Ejemplo Proporcional en el Tiempo: Salida 75%

ON

OFF

9 SEG. ON 3 OFF

REPETITIVO

12 SEG. TIEMPO DE CICLO

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ON

OFF

6 SEG. ON 6 SEG OFF

REPETITIVO

12 SEGUNDOSTIEMPO DE CICLO

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ON

OFF

9 SEG. OFF3 ON

REPETITIVO

12 SEGUNDOSTIEMPO DE CICLO

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Cálculo de la Salida

Basado en PV y SPFórmula matemática

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Fórmula de Ziegler-Nichols

m = Salida Controladormo = Salida Controlador Modo ManualKc = Ganancia Proporcionale = Señal de Error del ControladorTi = Tiempo IntegralTd = Tiempo Derivativo

m = mo + Kc e + e dt - Kc TdKc

Ti

dedt

Proporcional Reset Relación

T

o

1.5 IK To

Proporcional:

Reset:

Relación:

Kc =

Ti = 2.5 To

Td = 0.4 To

K = Ganancia Proceso Lazo AbiertoI = Constante Tiempo de Proceso

To = Tiempo Muerto de ProcesoKc = Ganancia Proporcional del ControladorTi = Tiempo IntegralTd = Tiempo Derivativo

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Banda Proporcional - Ganancia

Definición: El rango de temperaturasobre el cual el valor de salida varíade 0% a 100%La ganancia es el Inverso de la Banda Proporcional (100% / BP%)

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Ejemplos de Banda Proporcional

S.P.

100%

80%

60%

40%

20%

0%

100%

80%

60%

40%

20%

0%

BP Amplia BP Angosta

Salida

Salida

S.P.

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Efectos de la Banda Proporcional

REMOVE LOAD BP Angosta

BP Media

BP Amplia

Con

trolle

d V

aria

ble

Time

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Integral - Reset

Definición: Un ajuste automático del valor de salida para corregir unacompensación del set point (causadopor el control proporcional) Nota: El reset manual cambia la banda proporcional (compensa el set point interno)

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REMOVER CARGA

400

390

410

DEMASIADO LARGOBUENO

DEMASIADO CORTO

TIEMPO DE RESET

Efectos de la IntegralLA TEMPERATURA SE ESTABILIZARÍA AQUÍ SIN RESET

TEM

PE

RA

TUR

A

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Derivativo - Relación

Definición: Un ajuste del valor de salidabasado en la relación y dirección del cambio en la variable de proceso paraanticipar y corregir una desviación que de otro modo puede ocurrir.Usado para prevenir exceso en el encendidoUsado para compensar cambios rápidosen la carga

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DEMANDA DE CALOR DECREMENTADA

TIEMPO

TEM

PE

RA

TUR

A

400

370

430DEMASIADO LARGO

BUENO

DEMASIADO CORTO

TIEMPO DERIVATIVO

Efectos Derivativo

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Procedimiento de SintonizaciónManual

Curva reacciónde lazo abierto(modo manual) cambio paso

Pgananc=1.5*T/[K*d]o

BP=d*pend*100%/span

I=2.5*d (minutos)O I=0.4/d (RPM)

D=0.4*d Time

Tem

pera

tura

KTd

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Procedimiento de SintonizaciónManual

Ejemplo:Para un rango de

controlador de 100 a 600°C, Span = 500°C Pend. = 18°C/5m

= 3.6°C/min.d= 7 min. BP%=d*[pend/span]*100%=7m*3.6C/m*100/500C = 5% Reset = 2.5*d2.5*7m=17.5min. or 0.06 RPMRelación= 0.4*d=0.4*7m=2.8min.

Time

Tem

pera

tura

KTd

5 min.

18 C7 min.

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Alterno al PID: La Lógica Difusautiliza un conjunto de reglas

Si la temperatura se dirige hacia abajo del set point, y el aumento está a unavelocidad baja– Incrementar la salida rápidamente

Si la temperatura está un poco por debajodel set point, y está aumentando a unavelocidad rápida:– Decrementar la salida rápidamente

Si la temperatura está un poco por encimadel set point, y está cayendo lentamente– Mantener el valor de salida

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AGUA FRÍAIN

TERMOCUPLACONTROL PRINCIPAL

AGUA CALIENTEOUT VELOCIDAD DEL AGUA

Ejemplo tiempo retroceso y tiempomuerto

TiempoMuerto

TiempoRetroceso

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Retroalimentación

AGUA FRÍAIN

TERMOCUPLA CONTROLPRINCIPAL

AGUA CALIENTEOUT VELOCIDAD DEL AGUA

Controlador

PID output

TERMOCUPLA RETROALIMENTACIÓN

Retroaliment.

Verano

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SENSORES DE TEMPERATURA

Termocuplas

Detector de resistencia metálica ( RTD)

Termistor

Sensor de estado sólido ( IC )

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TERMOCUPLAS

Un circuito por donde circula corriente, encontramos evidencia del calentamiento por efecto Joule ( R x i2 ).

Las termocuplas (También conocidas como termopares). En su aspecto básico, consisten de dos alambres de metales distintos. Dichos alambres están soldados en un extremo, y terminan en una ficha especial en el otro (Clavija).

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TERMOCUPLAS

PRINCIPIOS BASICOS:El fenómeno por el cual, la termocupla entrega una fem, térmicamente dependiente, lo conocemos como efecto Seebeck. Este es en realidad, la superposición de otros dos: El efecto Thomson y el efecto Peltier. Efecto Peltier: En la unión de dos metales, aparece una fem. Efecto Thomson: Si en un cuerpo metálico, hay puntos a diferentes temperaturas, entre esos puntos apareceráuna fem. Esta fem no depende de la distancia entre los puntos. Sólo de la diferencia de las temperaturas. En un circuito formado por dos metales, cuyas uniones están a diferentes temperaturas, surgen las distintas fem.

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TERMOCUPLAS

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TERMOCUPLAS

La termocupla produce en el extremo de la clavija, una fem que depende de la diferencia de temperaturas entre la soldadura y la clavija misma. Como el sentido de la tensión es importante, distinguimos a los conductores con los signos positivo y negativo, para no confundirlos.

El siguiente gráfico nos muestra como evoluciona la fem generada por algunas de las termocuplas típicas en función de la temperatura:

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CURVAS DE RELACION ENTRE FEM vs TEMPERATURA:

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TERMOCUPLAS

Criterios que pueden ser útiles para definir los tipos de termocupla a utilizar:

rango de temperatura que se desea cubrir resistencia química de la termocuplaresistencia a vibraciones requerimientos de instalación (compatibilidad con equipamiento existente )

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TERMOCUPLAS

El tiempo de respuesta del sensor, es decir, el tiempo requerido para responder a un cambio brusco de la variable que está siendo sensada.

- La precisión del sensor : esto es la capacidad de medir el mismo valor repetidas veces en idénticas condiciones.

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Precauciones con Termocuplas

– Inversion de polaridad– Extension de cable– Tipos incorrectos– Ruido eléctrico– Fatiga mecánica

• Cortos• Ruptura y pérdida de conexiones• Cable estirado• Descalibración (cambio aleación - química)

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PRECAUCIONES CON TERMOCUPLAS

Los materiales conductores con los que se construyen las termocuplas, tienen ciertos requerimientos para poder utilizarlos con este fin. Deben mantener sus propiedades mecánicas a las temperaturas que se pretende medir. Las partes sometidas a altas temperaturas, sufren en algunos casos procesos de sublimación, recristalización, etc. También existe, y se debe considerar la acción química del medio ambiente, que normalmente es de naturaleza corrosiva.

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Por ejemplo, el platino funciona bien en medios neutros y oxidantes, pero se desgastarápidamente en medios reductores ( de hidrógeno). En el vacío, sublima (sólido – gaseoso) a 500oC. Normalmente es usado para mediciones desde 300 hasta unos 1600oC

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El tungsteno, el molibdeno, el renio y sus aleaciones, soportan el vacío, y las atmósferas reductoras (de hidrógeno), pero su vida útil es muy corta en medios oxidantes.

Es muy importante el uso de metales puros y homogéneos (o sea sin concentraciones de impurezas), ya que de no cumplir este requisito, podemos introducir errores del orden de 10 a 25 oC, y mas.

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Esto último está sumamente ligado a las causas de inexactitudes en las mediciones. El uso de esto elementos puede acarrear procesos de recristalización de los alambres, la evaporación o sublimación de uno de los componentes de la aleación, el intercambio de impurezas con el medio ambiente (envenenamiento), etc.

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- La calibración del sensor con respecto a la variable física. Si la respuesta del sensor a los cambios de la variable fisica es lineal o no. una calibración mal hecha va a producir mediciones erróneas.- La interdependencia entre los distintos componentes del sistema de adquisición de datos, por ejemplo un sensor muy bueno, con un pobre convertidor A/D no sirve casi nada.

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Termocupla

Ventajas• Simple• Auto-alimentada• Económica• Amplia variedad• Amplio rango

Desventajas• No lineal• Bajo voltaje• Menos estable• Menos sensible

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http://www.omega.com/pptst/1PT100G_RTD_ELEMENTS.html

http://www.omega.com/ppt/pptsc.asp?ref=PR-10

http://www.omega.com/pptst/TFD_RTD.html

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Detector de resistencia metálica (RTD)El detector de resistencia metálica RTD, es uno de los sensores más precisos de temperatura. Se caracteriza por su excelente estabilidad.La resistencia metálica es de alambres finos o de películas de metales.

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Su resistencia varía en forma directamente proporcional con la temperatura. Son fabricadas de metales como cobre, plata, oro, tungsteno y níquel, no obstante el platino es el material más comúnmente usado. El platino presenta una excelente estabilidad y la más alta resistividad con respecto a los otros metales.

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Tienen un alcance de medición hasta 800 oC.

Son muy estables.Son muy exactas.Más lineal que la termocuplaEstán estandarizadas entre fabricantes.Requieren de alimentación.Tienen baja sensibilidad.

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VARIACION DE RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA

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DESVENTAJAS DE LAS RTD DE PLATINO

Debido a su baja resistencia (100 Ω a 0 °C) y sensibilidad (0.4 Ω/°C), los alambres de conexión es uno de los principales problemas, la vía para minimizarlo es usar el esquema de medición con 4 alambres.En el sistema de medición con 4 alambres, dos alambres llevan y traen la corriente proveniente de una fuente de corriente constante y otros dos alambres se emplean para la conexión del instrumento de medición de voltaje, convertidor A/D en un sistema de adquisición de datos por computadora

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DESVENTAJAS

•Presentan autocalentamiento•Son lentas a los cambios •Su alto costo, por lo que

hacer instrumentación con ella es caro

•

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