Transmisores Digitales

UNIDAD

Transmisores Digitales

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Indice

Índice Unidad I : “ Transmisores Digitales ” 1. TRANSMISORES DIGITALES ...................................................................................... 1 1.1. TRASNMISOR INTELLIGENT : .......................................................................... 2 1.2. TRANSMISOR “SMART”..................................................................................... 2 1.3. TRANMISOR DIGITAL ....................................................................................... 3 2. DIFERENCIAS ENTRE LOS TRANSMISORES DIGITALES Y LOS ANALÓGICOS ................ 3 3. VENTAJAS DE LOS TRANSMISORES DIGITALES.......................................................... 3 4. VENTAJA DE LOS TRANSMISORES ANALÓGICOS ........................................................ 4 5. DESVENTAJAS DE LOS TRANSMISORES ANALÓGICOS ................................................ 4 6. TIEMPO REAL........................................................................................................... 5 7. VÁLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL .................................................................... 6 8. RESUMEN................................................................................................................. 7 9. EJEMPLOS DE APLICACIÓN : ..................................................................................... 8 10. AUTOCOMPROBACIÓN .............................................................................................11 11. GLOSARIO...............................................................................................................12 12. BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................13

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Instrumentación Digital y Redes Industriales

UNIDAD I “TRANSMISORES DIGITALES” INTRODUCCIÓN Al cambiar un instrumento analógico por uno digital se debe conocer cuáles son las nuevas posibilidades y qué limitaciones hay. Se debe conocer cuáles son las diferencias entre un transmisor o una válvula inteligente, respecto a un instrumento analógico. OBJETIVOS ! ! ! !

Diferenciar entre los instrumentos “intelligent”, “smart” y digitales. Identificar las ventajas y desventajas de un instrumento digital con respecto a un analógico. Definir si un instrumento digital está trabajando en tiempo real. Enumerar las ventajas y desventajas de una válvula digital de control.

1. TRANSMISORES DIGITALES Recordemos algunos conceptos: ! ! ! !

Una señal análoga varia en forma continua con respecto al tiempo. Una señal digital tiene valores discretos, representados por números. Una señal análoga es digitalizada con un ADC. Debido al tiempo necesario para cuantificar una señal los instrumentos digitales no realizan una medición continua, sólo se toman muestras (samples) de la señal.

Figura 1 Conversión Analógica / Digital

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Los transmisores digitales digitalizan la señal análoga medida y utilizan un microprocesador. Se clasifican en: 1.1. TRASNMISOR INTELLIGENT : Al poseer un microprocesador realiza funciones que no hacen los analógicos: linealiza, compensa en función de otra variable medida o algoritmos y otras.

Figura 2 Señales de Entrada y Salida de un Transmisor “Intelligent” o de un “Smart 1.2. TRANSMISOR “SMART” Su salida es analógica de 4 a 20 mA, y se puede comunicar con un “hand-held” usando modulación en la salida.

Figura 3 Conexión de Transmisor “Smart” Pag. 2

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1.3. TRANMISOR DIGITAL Totalmente digital, inclusive la salida. Aunque puede tener salida analógica de 4 a 20 mA. Los instrumentos “fieldbus” (de campo) son de este tipo.

Figura 4 Señales de Entrada y Salida de un Transmisor Digital 2. DIFERENCIAS ENTRE LOS TRANSMISORES DIGITALES Y LOS ANALÓGICOS !

!

Los componentes electrónicos son diferentes: En un instrumento analógico se utilizan circuitos lineales como los OPAMP’s. En los instrumentos digitales se utiliza microprocesador, convertidores ADC, y DAC si se disponen de salidas analógicas. La señal de salida analógica es generada en forma distinta. En un instrumento digital proviene de un DAC.

3. VENTAJAS DE LOS TRANSMISORES DIGITALES !

! ! ! ! ! ! ! ! !

Son flexibles en sus funciones: disponen de más funciones, por la facilidad de la manipulación de números por un microprocesador. Las funciones pueden ser modificadas o ampliadas cambiando el firmware. La salida analógica de 4 a 20 mA es independiente del circuito de medida, su rango puede ser distinto al del instrumento. La calibración y linealización son realizados digitalmente. La linealización puede caracterizarse para ecualización de un sensor en particular. Las técnicas digitales de acondicionamiento son más poderosas. Compensa del drift del sensor con la ayuda de un sensor de temperatura. Mayor exactitud. Mayor rangeabilidad. Autodiagnóstico. Capacidad de comunicación, como en los instrumentos smart y digitales.

En la siguiente figura se puede apreciar la independencia del circuito de medida y el circuito de salida, los ajustes se hacen de forma independiente.

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Ajuste de mínimo y máximo

PV

Entrada de Sensor

Ajuste de mínimo y máximo

A/D

D/A

4 a 20 mA

CPU Señal Análoga Representación Digital de PV

Representación Digital de Salida

Figura 5 Arquitectura de un Transmisor Digital 4. VENTAJA DE LOS TRANSMISORES ANALÓGICOS Trabajan en tiempo real. En los instrumentos digitales se toman muestras en el orden de 2 a 20 muestra/s (scan time: 50 ms a 500 ms). Por lo tanto, en procesos muy rápidos no se pueden utilizar instrumentos digitales, se deben usar analógicos. 5. DESVENTAJAS DE LOS TRANSMISORES ANALÓGICOS ! ! ! !

Necesita recalibración para cambiar el rango de medición, y es necesario experiencia. Se necesita retirar el instrumento de la línea para calibrar. Los componentes, como los potenciómetros, experimentan “drift”. La linealización es fija para un solo tipo de sensor.

Las siguientes tablas comparan un transmisor analógico y uno digital, y un transmisor analógico y un “Smart”. Transmisor Exactitud

Analógico 0,25 % a 1 %

Digital 0,02 % a 0,1 %

Tabla 1 Exactitud de Transmisores

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Análogo Rango: 0-5/30 0-25/150 0-125/750 Exactitud: "0,2 % span Linealidad: "0,1 % span Histéresis "0,5 % span Estabilidad: "0,2 % URL 6 meses

Smart 0-.83/25 ”H20 0-8,3/250 0-33,3/1000 "0,1 % span, incluye histéresis, linealidad y repetibilidad –

0,1 % URL – 12 meses

"

Tabla 2 Comparación de un Transmisor de presión Análogo y uno “Smart” 6. TIEMPO REAL Los instrumentos analógicos trabajan en tiempo real. Los instrumentos digitales se considera que trabajan en tiempo real si “scan time” es mucho menor que las constantes de retardo del proceso controlado. El instrumento digital tiene tiempos muertos introducidos por el ADC y por el tiempo de ejecución del programa del microprocesador. La transmisión digital agrega más tiempo muerto, por ser comunicación serial, y de acuerdo a la eficiencia del protocolo entre el transmisor y receptor. En la siguiente tabla se muestra una comparación de tiempos muertos en lazos con distintos tipos de transmisores: Lazo Tipo de transmisor Razón de actualización (Actualizaciones/s) Tiempo muerto del transmisor (ms) Tiempo muerto del controlador (ms) Otros tiempos muertos (ms) Tiempo muerto total (ms)

A Análogo

B Smart (Rosemount) 5,5

C Digital (fieldbus) 2,7

20

400

700

250

250

250

480

480

480

750

1130

1680

Obtenido de una publicación de Greg Hull, 1991. Tabla 3 Tiempos Muertos de Transmisores

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7. VÁLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL La válvula convencional presenta los siguientes problemas: ! !

!

! !

! !

!

El posicionador neumático no provee una regulación muy exacta. El posicionador neumático es difícil de ajustar. El controlador digital de válvula (DVC) reemplaza al posicionador: El posicionador digital provee una mejor regulación. Al tener microprocesador realiza funciones y control, diagnóstico y comunicación con un host (PC, DCS o Hand Held). La autocalibración de la válvula se da en pocos minutos. La válvula puede ser monitoreada, obteniendo información de la posición del vástago y la señal de entrada, así como alarmas de estado o de proceso. Fuera de servicio, pero en línea se pueden realizar pruebas como: ! Histéresis ! “Signature” de la válvula: P actuador vs. desplazamiento del actuador ! Respuesta a escalón

Figura 6 Válvula Inteligente

Basándose en los resultados de las pruebas y con experiencia se puede diagnosticar numerosos problemas, y tomar la acción de mantenimiento necesaria. En la figura siguiente se muestra el diagrama de bloques de una válvula Fisher.

Figura 7 Diagrama de bloques de una Válvula Inteligente Pag. 6

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Las variables medidas son: ! ! !

Desplazamiento del vástago Presión del actuador Señal de control desde el controlador (4-20 mA)

Esta válvula utiliza protocolo Hart para comunicaciones. 8. RESUMEN Es importante recordar: Los transmisores digitales se clasifican en tres tipos: “ intelligent” , “ smart” y digital.

Las transmisores di gitales presentan muc has ventajas, tienen mucha capacidad funci onal al estar basados en micro procesador.

Dentro de un sistema de control hay que asegurarse que el controlador trabaje en tiempo real.

Las válvulas int eligentes tienen ventajas d e funcion alidad, autodiagnóstico y comunicaciones.

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9. EJEMPLOS DE APLICACIÓN : 1. En la figura se muestra el diagrama de bloques de un transmisor análogo de presión diferencial. El sensor es capacitivo, para medir la variación de capacidad se utiliza un oscilador y un demodulador. La salida del demodulador controla la corriente del transmisor.

Figura 8 Transmisor Analógico de Presión Diferencial 2. En la figura se muestra un transmisor “Smart” de presión diferencial. Se compensa la medición al medir la temperatura. Se utiliza ADC para la medición y DAC para la salida analógica, se utiliza un modem Bell 202 para modular la señal de salida con información digital. Se observa la independencia del circuito de medición y el de salida.

Figura 9 Transmisor “Smart” de Presión Diferencial

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En la tabla se muestra la información accesible remotamente de una válvula inteligente. Se observa la información de identificación, las de diagnóstico, calibración y otras. Identificación Tag (nombre) Tipo de dispositivo Número de serie Descripción Fecha Local de calibración Nivel de revisión Mensaje Unidades de Ingeniería Diagnóstico Alarma de desviación Error de banda dinámica Firma válvula/ actuador Respuesta a escalón Contador de ciclos Acumulación de carrera Alarma de carrera Estado del instrumento Bandera de cambio de configuración

Características de E/S Límites de carrera Caracterización Tiempo mínimo de apertura y cierre Caracterización de la realimentación Salida manual Calibración Rango de entrada Rango de carrera Falla Reiniciar modo de control Auto comprobación para desconexión Variables DVC Corriente de entrada análoga Presión del actuador Carrera Temperatura interna Estado del terminal auxiliar Alarmas de carrera Protección de escritura

Tabla 4 Información disponible de una válvula inteligente 3. A continuación se muestra la “signature” de una válvula inteligente P actuador vs. desplazamiento del actuador. Se compara una válvula nueva con una ya usada. En los cuadros también se muestran parámetros, arriba de la válvula nueva y debajo de la usada. Con esta información se puede decidir el mantenimiento.

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10. AUTOCOMPROBACIÓN 1. ¿En un ADC de 12 bits a qué porcentaje de todo el rango de medida corresponde 1 LSb? a) b) c) d)

0,0488 % 0,0976 % 0,0244 % 0,0122 %

2. ¿En un transmisor con rango de 0 a 150 psi con un ADC de 12 bits a cuántos psi corresponde 1 LSb ? a) b) c) d)

0,0183 psi 0,0366 psi 0,0732 psi 0,0091 psi

3. Calcule la rangeabilidad de los transmisores de presión analógico y “smart” que se muestran en el cuadro 2. a) b) c) d) e)

y 20 30 y 6 y 30 20 y 5 y 15

Soluciones 1. c)

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2. b)

3. c)

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11.GLOSARIO ADC: Analog Digital Converter. Convertidor Análogo Digital. DAC: Digital Analog Converter. Convertidor Digital Análogo. Drift: variación de las características por efecto de temperatura o envejecimiento. DCS: Distribute Control System, sistema de control distribuido. DVC: Digital Valve Controller, controlador digital de válvula. Fieldbus: Bus de Campo, permite la comunicación digital entre instrumentos controladores. Firmware: software del controlador que se encuentra grabado en una memoria ROM. Hand-held: programador manual, utilizado para configurar o programar transmisores digitales, controladores, válvulas digitales y PLC’s. Host: servidor, presta servicios a otro nodo del sistema de comunicación. Protocolo: semántica y sintaxis que debe tener el formato de datos para comunicación entre dos estaciones. Signature: Pactuador vs. desplazamiento del actuador. Scan time: tiempo de barrido, periodo en que se ejecuta cíclicamente el procesamiento en el controlador. URL: Upper Range Limit. Límite superior del rango.

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12.BIBLIOGRAFÍA 1. TOMPSHON, Larry – Appling Intelligent Field Devices – ISA 1996 2. ANCRUM, Robert - Configuring & Troubleshooting Intelligent Field Devices – ISA 1996

FIN DE LA UNIDAD

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