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pracctica 1 integracion a sistemas.docx

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Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico
de Minatitlán
Ingeniería Electrónica
Integración de Sistemas
Práctica...
NOMBRE
Análisis comparativo entre sistemas analógicos y HART.
OBJETIVO
Que el alumno sea capaz de identificar las diferenc...
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se vera la comparación entre los sistemas analógicos e híbridos.
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  1. 1. Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Minatitlán Ingeniería Electrónica Integración de Sistemas Práctica No. 1 Análisis comparativo entre sistemas analógicos y HART Nombre: Hernandez Lopez Johanán de Jesús Lista
  2. 2. NOMBRE Análisis comparativo entre sistemas analógicos y HART. OBJETIVO Que el alumno sea capaz de identificar las diferencias entre los sistemas analógicos (3- 15 PSI y 4-20 mA) y el sistemas hibrido HART, en cuanto a instalación, configuración, mantenimiento, etc. MATERIAL Y EQUIPO  Computadora de escritorio.  Acceso a internet. METODOLOGIA Se debe de mostrar el análisis con diagramas de conexión, procedimientos de calibración y un cuadro comparativo de sus principales características, ventajas y desventajas. Esta práctica deberá de entregarse en formato digital en la plataforma google classroom (clave de curso qijiblp), en archivo Word con el nombre Practica1_num, donde “num” representa el número de lista de cada estudiante. FUENTES DE INFORMACIÓN La mencionada en el programa de estudios. EVALUACIÓN El valor para la práctica es de 10%, siempre y cuando cumpla con lo especificado en la rúbrica de la misma.
  3. 3. INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se vera la comparación entre los sistemas analógicos e híbridos. En los sistemas analógicos tenemos señales eléctricas y neumáticas. En el protocolo eléctrico se tiene una señal analógica que puede tener características discretas o continuas, se mide en voltios, milivolts, amperes o miliamperes. En instrumentación es empleado el rango de 4-20mA para definir corrientes de salida del instrumento de medición. Por otra parte, el protocolo neumático consiste en una señal neumática que emplea aire como salida del instrumento de medición. La presión estándar está en el rango de 3 a 15psi el cual es un protocolo estandarizado. El sistema hibrido HART es un protocolo el cual funciona con datos digitales que se transmiten a lo largo de una señal analógica de 4-20mA (la señal de 4mA corresponde al límite inferior del rango de calibración, mientras que 20mA corresponde al límite superior), sin interferir con las señales análogas. Además, este protocolo permite una comunicación bidireccional el cual admite la conexión de hasta 15 instrumentos a un solo cable; esta señal permite manejar hasta 256 variable en cada dispositivo de campo. Fundamento teórico Sistemas analógicos. Las señales analógicas, en las cuales la información del proceso se transmite a través de diferentes niveles de voltaje o corriente, son el tipo de señal más utilizadas hoy día en las industrias que requieren el control de procesos. De todas las señales analógicas disponibles para transmitir información de procesos, el lazo de corriente de 4-20 mA es el estándar dominante en la industria. Es esta señal de 4-20 mA se aplica a menudo en la transmisión de valores de presión y temperatura. En la década de los años cincuenta, cuando la neumática predominaba en la industria y su control se referenciaba con rangos de 3 a 15 PSI. Cualquier valor fuera de ese margen era considerado señal de alarma.
  4. 4. Las instalaciones utilizaban señales de control neumático donde los controladores estaban alimentados por presiones variables de aire comprimido. Ultimadamente, la compresión de aire de 3-15 psi se convirtió en el estándar por las siguientes razones: • Era muy costoso diseñar sistemas que detectaban señales de presión menos de 3 psi • Las señales debajo de 3 psi serían irreconocibles. • Era más fácil de diferenciar una señal de cero vivo (3 psi) de una falla en el Sistema (0 psi). La fácil instalación y mantenimiento del cableado eléctrico sedujo a los industriales, quienes sufrían los problemas de pérdidas de presión en las líneas neumáticas y el gasto energético que representaba el continuo funcionamiento de aquellos ineficientes compresores. En la misma década, a medida que los sistemas electrónicos se hacían menos costosos, la señal de corriente se convirtió en la señal preferida y más eficiente para el control de procesos. Más adelante el rango de 4-20 mA se convirtió en el estándar por razones similares a las del 3-15 psi. La solución electrónica, con lazos de corriente 4 a 20 mA, ganó terreno rápidamente gracias a sus grandes ventajas como los son: su mayor precisión, bajo consumo y potencial algorítmico para controles complejos (PID), además, una señal de corriente ofrece una mayor resistencia contra efectos electromagnéticos que señales de tensión. Las perturbaciones electromagnéticas se manifiestan en variaciones de tensión y provocan pocas variaciones de corriente. Esta solución soportó dos revoluciones más de la tecnología industrial, convirtiéndose en un estándar que pareciera no tener fecha de caducidad.
  5. 5. Figura 1. Componentes de un lazo de 4-20mA. Comunicación digital HART. Los sistemas híbridos HART fueron creado a fines de la década de los 80, este protocolo es un estándar líder en la comunicación con instrumentación inteligente de campo. Se llamada protocolo hibrido porque combina comunicación analógica y digital. Este se puede comunicar una sola variable usando una señal analógica de 4-20mA, mientras comunica también información agregada sobre señal digital. La información digital es transportada mediante una modulación de bajo superpuesta en su lazo de corriente estándar de 4-20mA. La señal digital no llega a afectar las lecturas analógicas porque se remueve de la señal analógica mediante técnicas estándar de filtrad Figura 2. La señal digital de comunicación digital HART super puesta sobre la señal analógica de 4.20mA
  6. 6. El principal atributo de la comunicación digital HART es que la señal digital, el cual usa el estándar BELL 202 es sobre puesta en la seña análoga, lo cual permite a la señal digital ser usada por un host para el control de procesos y la señal digital a ser usado por el mismo o un host diferente para comunica la información relacionada a la configuración de dispositivo diagnóstico en tiempo no real y monitoreo de los estados, además la información digital puede viajar en ambos sentidos, es decir, para un instrumento que tradicionalmente solo recibiría información de señales de control de un host, pero para este protocolo la válvula podrá enviar información al host acerca de los que esta sucediendo en la valvula. Figura 3. HART usa FSK para codificar señales digitales en la parte superior de la señal análoga
  7. 7. El protocolo HART proporciona acceso a la gran variedad de información adicional (variables, diagnósticos, calibración, etc.) proporcionados por los dispositivos de campo inteligentes que emplean esta tecnología. HART permite a los fabricantes de instrumentos de campo incorporar potentes características en sus productos como algoritmos de control PID, de diagnóstico, y medidas adicionales del proceso. El HART es una solución para comunicaciones de campo de altas prestaciones. Es relativamente de fácil mantenimiento y operación especialmente en comuniones de punto a punto. Esto permite reducir los costos de cableado por medio del sistema multidrop que enlaza varios disipativos, mediante el sistema multidrop que conecta varios dispositivos mediante el mismo cable DESARROLLO. Sistemas de control analógico. Los sistemas de control analógico son aquellos en el que las variables a controlar y las que se procesan en el sistema se presentan de forma continua (analógica), de modo que las relaciones que aparecen entre las señales de entrada y salida son ecuaciones y funciones continuas. El protocolo eléctrico consta de una señal analógica que puede tener características discretas o continuas, se mide en voltios, milivolts, amperes o miliamperes. Por otra parte, el protocolo neumático consiste en una señal neumática que emplea aire como salida del instrumento de medición. La presión estándar está en el rango de 3 a 15psi mientras que para el protocolo eléctrico es de 4-20mA. Calibración de transmisor o posicionamiento de vástago de una válvula a 4-20mA. Si se requiere calibrar, por ejemplo, un transmisor de temperatura a 4.20mA para medir rango de 50 a 250ºC podríamos representar valores de corriente y temperatura de manera lineal. Una señal 4 a 20 mA representa alguna señal en una escala de 0 a 100 en porcentaje. Usualmente, es una escala lineal, como:
  8. 8. Figura 4. Gráfico de corriente y temperatura Siendo una función lineal, se puede usar la ecuación de una recta para proporcional las señales medidas a sus respectivos valores de corriente: y = mx + b Donde: y = Salida del instrumento x = Entrada del Instrumento m = Pendiente de la recta b = Punto de intercepto respecto a y (por ejemplo, el "live zero" cero del rango del instrumento) Una vez determinada los valores adecuados para m y b, podemos entonces usar esta ecuación lineal para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto sera muy útil cuando se busque determinar el valor de señal 4-20mA de salida de cualquier transmisor, o la posición de vástago de una válvula ente una salida de señal 4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una señal 4-20mA y alguna variable física. Antes de usar la ecuación para cualquier propósito, se debe determinar los valores de la pendiente (m) y el intercepto (b) apropiados para el instrumento que deseamos aplicar la ecuación. Para la ecuación lineal mostrada, se debe determinar el valor de la pendiente (m) dividiendo el "rise" entre el "run" es decir los rangos en miliamperios (4-20mA) y rango de apertura (0 -100 %).
  9. 9. Figura 5. Grafica de rango en mA y rango de apertura Para calcular el intercepto (b), se debe resolver la ecuación en un punto determinado (x- y). En este caso probamos el punto (0,4) es decir a 0% se tiene 4 miliamperios y se procede a calcular: Con la ecuación completa se puede describir la relación entre la señal 4-20mA y una señal de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuántos miliamperios representan cualquier porcentaje de señal. Por ejemplo, si se necesita convertir un porcentaje de 34.7% a su correspondiente señal de corriente de 4-20mA, como se representa en la siguiente imagen: Figura 6. Diagrama de posicionamiento de una válvula
  10. 10. Entonces se haría algo como esto: Por tanto, 34.7% es equivalente a 9.552 miliamperios en un rango de señal de 4-20mA. Sistema hibrido HART Un sistema de control control digital es una unidad digital pequeña que actúa como un sistema de control. Dependiendo del requerimiento del controlador, el control digital puede tomar la forma de un computador de escritorio o puede ser tan pequeño como un micro control. HART es un protocolo híbrido donde la señal digital se superpone a la señal analógica 4-20 mA.. Es el 4-20mA tradicional que todavía se usa en muchas plantas. El protocolo HART, desarrollado en base al estándar Bell-202, modula/desmodula usando FSK (Frequency Shift Keying) y trabaja a 1.200 bps. La señal tiene dos frecuencias: 1.200 Hz representa ‘1’ y 2.200 Hz representa ‘0’. La técnica permite que el maestro se comunique con el esclavo sin ninguna interrupción en la señal 4-20 mA. Calibración para un transmisor de presión. El calibrador que documenta procesos Fluke 754 utiliza el módulo de presión de la serie 750P y tiene la funcionalidad integrada HART que permite recortes inteligentes en los transmisores. También puede documentar el rendimiento del transmisor antes y después del ajuste, y calcular los errores correctos/fallidos. Los pasos para realizar la calibración son los siguientes. 1. Aísle el transmisor del proceso que se medirá y del cableado del lazo. Si mide la señal de mA en el diodo de prueba del transmisor, deje los cables intactos, pero tenga en cuenta que este método no es el más preciso para medir los mA.
  11. 11. 2. Conecte los conectores de medición de mA del modelo 754 al transmisor. 3. Conecte el cable del módulo de presión al modelo 754 y conecte la manguera de prueba del transmisor de la bomba de mano al transmisor. 4. Pulse el botón HART en el calibrador para ver la configuración del transmisor. 5. Pulse HART nuevamente y el calibrador ofrecerá la correcta combinación de medida/fuente para la prueba. Si documenta la calibración, pulse "Como se encontró", ingrese la prueba de tolerancia y siga las indicaciones. Si la medida de la señal de mA en los puntos de prueba se encuentra dentro de la tolerancia, la prueba está completa. En caso contrario, es necesario realizar ajustes. 6. Seleccione, ajuste y recorte la presión cero, la señal de salida de mA y el sensor de entrada. Después de seleccionar el ajuste "Como se dejó", documente el estado del transmisor y, luego del ajuste, si pasa la prueba, entonces el proceso está completo Figura 7. Diagrama de conexión para calibración de transmisor CUADRO COMPARATIVO DE SISTEMAS ANALOGICOS Y SISTEMAS HIBIRDOS HART
  12. 12. CARACTERISTICAS VENTAJAS DESVENTAJAS SISTEMAS ANALOGICOS  Las labores son del tipo neumatica.  Comunicacion analogica (4-20mA) y (3-15 Psi)  No require de electricidad  Es un protocol limpio  Las señales se representan mediante variables continuas (valores continuos).  Lleva mas años en la industria.  Son menos sensible al ruido eléctrico.  Es económico  Es la opción más simple y sencillapara conectar y configurar.  Sus diseños son más simples.  Tiene mayor fidelidad.  Instantaneidad.  Es un protocolo limpio. • Las señales debajo de 3 psi llegas a ser irreconocibles. • Requiere constante mantenimiento. • Requiere de mucho tubing. • El lazo de corriente está limitado a transmitir una sola señal particular de proceso. • Los requisitos de aislamiento se complican exponencialmente a medida que se aumenta el número de lazos. SISTEAS HIBRIDOS HART  Las las labores son del tipo eléctrica, comunicación analógica y digital es un protocolo limpio requiere Datos  Empezó en la década de los 80 por lo que es un sistema más nuevo  La señal digital no llega a afectar las lecturas analógicas porque se remueve de la señal analógica mediante técnicas estándar de filtrado  Sólo admiten valores discretos  Proporciona acceso a la gran variedad de información adicional (variables, diagnósticos, calibración, etc.)  Fácil mantenimiento y operación.  Puede trabajar con cualquier dispositivo que cumpla con HART.  Es preciso y eficiente.  Tiene una amplia variedad de productos.  Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en las instalaciones multipunto.  Las caídas de voltaje y la cantidad de variables de proceso que deben ser monitoreadas pueden afectar su costo y complejidad.  Alteración.  Conversión.  Ancho de banda.  Ocupa demasiados cables de conexiones, conduit y racks.
  13. 13. CONCLUSION. En la presente práctica, se analizaron dos sistemas los cuales aún en la actualidad siguen utilizando en la industria debido a sus características. Tenemos el protocolo HART, un protocolo hibrido ya que cuenta con una señal analógica de 4-20 mA y una señal digital codificada FSK, este protocolo tiene un poco de tiempo en uso desde ladécada de los 80 y casi la mayoría de las empresas los ocupan porque es un protocolo fácil de comprender y los instrumentos son menos costosos, pero tiene ladesventaja de necesitar muchos cables de conexiones, conduits y racks, así tambiénestos presentan problemas inesperados lo que provoca paros de plantas inesperados. En cambio, los sistemas analógicos son más antiguos, cuando la neumática predominaba dentro de la industria por lo que este tiene mayor fiabilidad que el sistema híbrido HART. Este sistema es más económico y tiene una fácil instalación, se considera la opción sencilla para realizar las conexiones y configuraciones debidas del sistema además que los diseños para este tipo de sistemas son más simples a comparación de los sistemas híbridos HART que hace uso de muchos cables de conexión. Una de las grandes desventajas del sistema analógico aparte del constante mantenimiento que requiere y el uso del tubing, es la carencia de información sobre la planta, el protocolo HART nos proporciona una gran variedad de información adicional importante como lo son variables, diagnósticos, calibración, entre otros; siendo esta una gran desventaja para los sistemas analógicos.
  14. 14. Fuente de información https://www.predig.com/whitepaper/de-regreso-lo-b%C3%A1sico-los-fundamentos- de-los-lazos-de-corriente-de-4-20-ma http://guiaautomatizacionindustrial.blogspot.com/2017/02/senal-de-control-4-20- ma-y-hart.html https://www.emerson.com/documents/automation/training-engsch-buses-201-es- es-41574.pdf https://www.predig.com/whitepaper/de-regreso-lo-b%C3%A1sico-los-fundamentos- de-los-lazos-de-corriente-de-4-20-ma

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