República bolivariana de venezuela

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República bolivariana de venezuela

  1. 1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL NÚCLEO COJEDES - TINAQUILLOProfesor Bachiller:Che Paredes Pedro Luis Rengifo C.I: 19356445 Ing. Mecánica Página 1
  2. 2. ÍNDICEObjetivos……………………………………………………………………pag.3Introducción…………………………………………………………………pag.4Válvula De Control…………………………………………………………pag.5Partes De La Válvula De Control…………………………….….pag.5 - pag.6Clasificación De Las Válvulas…………………………………...pag.6 - pag.7Especificación De Válvulas………………..………………………………pag.7Tipos De Cuerpos De Las Válvulas De Control……………..…pag.7 - pag.8Dimensionamiento De Válvulas De Control…………….…….pag.9 - pag.12Acción De Una Válvula De Control……………………………………..pag.13Acciones De Control…………………………………………...pag.13 - pag.15Control Proporcional (P)………………………………………………….pag.15Control Proporcional + Integral (Pi)……………………………………..pag.16Control Proporcional + Derivativo (Pd)…………………………………pag.17Control Proporcional + Integral + Derivativo (Pid)…………………….pag.18Ajuste De Controladores………………………………………pag.18 - pag.20Conclusión…………………………………………………………………pag.21Anexos……………………………………………………………………..pag.22Bibliográfia………………..……………...……………………………..…pag.23 Página 2
  3. 3. ObjetivosObjetivo general Analizar la metodología cómoda y práctica para el aprendizaje desistemas lineales en general, con especial énfasis en la medición ycontrol de sistemas de controlObjetivos específicos  Hacer las investigaciones pertinentes sobre controladores  Enfocarse en los principios de funcionamiento de las válvulas de control y controladores  Estudiar por medio de ejemplos de aplicación, práctica y gráfica que permitan visualizar de mejor manera los conceptos involucrados Página 3
  4. 4. INTRODUCCION La importancia de los sistemas de control en nuestra vida diaria estan crítica que sin ellos la vida sería complicada. Sistemas de controlautomático simples pueden encontrarse en cada rincón de una casa, elcontrol de flujo automático de agua en la cisterna y el sistema automáticode llenado en la taza de baño, por citar algunos. A medida que lossistemas tienen más ingeniería son sorprendentes. En el hogar podemostener un sistema automático que encienda de manera automática labomba para llenar el tinaco; en los coches tenemos controles en lavelocidad de crucero, es decir, se mantiene una velocidad fija en el autode manera automática sin importarle la pendiente de la carretera, existeun sistema de control en los frenos conocido como ABS (Antilock BrakeSystem), otro para el control de temperatura y demás; en los avionesexisten controladores para mantener un determinado ángulo de subida obajada del avión; y aplicaciones de control las podemos encontrar ennaves espaciales, robots, fábricas y en prácticamente cualquier sistema. Página 4
  5. 5. VÁLVULA DE CONTROL Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cualse puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos ogases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en formaparcial uno o más orificios o conductos. Las válvulas son unos de los instrumentos de control másesenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulaspueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislaruna enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta losmás corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción depulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar conpresiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) ytemperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunasinstalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas oescurrimientos no tienen importancia.La válvula automática de control generalmente constituye el últimoelemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y secomporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente conla finalidad de controlar un caudal en una forma determinada. PARTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL. Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son:la parte motriz o actuador y el cuerpo.• ACTUADOR: el actuador también llamado accionador o motor, puedeser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dosprimeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones.Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria sonaccionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constanbásicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como semuestra en la figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tiponeumático es que cada valor de la presión recibida por la válvulacorresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuentaque la gama usual de presión es de 3 a15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores se selecciona el área deldiafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de Página 5
  6. 6. presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al100% del total de la carrera.CUERPO DE LA VÁLVULA: este está provisto de un obturador o tapón,los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre laválvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas oroscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlarla cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar enla dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unidopor medio de un vástago al actuador. CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS. Aunque la gran variedad de diseños de válvulas produce cualquierclasificación, la mayoría de los diseños podrían ser considerados comomodificaciones de los dos tipos básicos:- Tipo compuerta.- Tipo globo o esfera (retención).Si las válvulas estuviesen clasificadas de acuerdo a la resistencia queofrecen al flujo, las válvulas tipo compuerta se podría decir que son debaja resistencia y las de globo son de alta resistencia.Otra forma de clasificar las válvulas sería considerando la manera deproducir el cierre, y las clasificaríamos en:1. Válvulas de asiento.- Con movimiento de rotación o charnela.- Con movimiento rectilíneo.2. Válvulas de desplazamiento.-A rotación, robinetes, llaves, etc.-A traslación, válvulas de compuerta.3. Válvulas de mariposa.Ahora bien, si nos fijamos en el sistema de accionamiento tendríamos: Página 6
  7. 7. 1. Válvula de asiento con disco normal.2. Válvula de asiento con disco de tapón.3. Válvula de asiento con disco metálico.4. Válvula de asiento con disco de aguja.5. Válvula de asiento con guías. Especificación de válvulas Especificar una válvula de control implica determinar lascaracterísticas de: Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se fija de acuerdo al servicio que debe prestar. También hay que indicar el diámetro que está relacionado con la capacidad y a esto se lo denomina dimensionamiento. Por último, algunos tipos de válvula permiten elegir la Característica de Flujo. Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debe elegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico, etc.), la acción ante falla y el tamaño. Accesorios: corresponde a elementos adicionales como transductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual, posicionador, etc. Tipos de cuerpos de válvulas de control Existen diversos tipos de cuerpos, que se adaptan a la aplicación.Los que más se emplean en la práctica industrial se muestran en la tablasiguiente. Teóricamente el tipo debe adoptarse en función de lasnecesidades del proceso, aunque a veces hay razones, económicas porejemplo, que obligan a usar un tipo aunque éste no sea el más adecuado. Página 7
  8. 8. TIPO CARACTERÍSTICA  Alto costo en relación al Cv  Aplicación limitada para fluidos con partículas en suspensión  Diámetros hasta 24 pulgadas Globo  Disponible en diversos modelos (simple y doble asiento, guiado en caja, etc.)  Existen tipos especiales para aplicaciones criogénicas, para vaporización, etc.  Rangeabilidad 35:1 a 50:1  Amplia disponibilidad de características de flujo  Buena disponibilidad para grandes diámetros  Bajo costo en la versión estándar  Bajo costo en relación a Cv  Característica igual porcentaje salvo Mariposa diseños especiales del plato  Susceptibles a cavitación y ruido  Baja pérdida de carga  Diámetros hasta 150 pulgadas  El cierre hermético requiere de recubrimientos especiales Esférica (ball)  Característica igual porcentaje salvo que el obturador tenga una sección especial  Apta para el manejo de suspensiones muy viscosas o con fibras y sólidos Tapon (plug)  Requiere motores de gran tamaño  Precisan posicionadores  Deben ser extraídas de la línea para mantenimiento  Rangeabilidad típica de 50:1  Ampliamente usadas para el manejo de fluidos corrosivos o erosivos  Construcción simple Sauders  Cierre hermético y las partes móviles no tienen contacto con el fluido  Limitado rango para presiones y temperaturas de trabajo  Rangeabilidad entre 3:1 a 15:1 Página 8
  9. 9. Dimensionamiento de válvulas de control Por dimensionamiento se entiende la determinación del tamaño dela válvula, que viene dado por su diámetro. Es evidente que hay razoneseconómicas que hacen que esta tarea sea importante, hay que tratar queeste dispositivo tenga el menor tamaño (y por lo tanto el menor costo).Pero también hay razones técnicas, ya que válvulas sobre dimensionadaspueden llegar a tener un pobre desempeño cuando trabajan en un lazo decontrol.El método más aceptado para el dimensionamiento es conocido como elProcedimiento de Cv. Cv es el Coeficiente de Flujo de la válvula ydepende del tipo, diámetro y grado de apertura de este Dispositivo.Dimensionamiento de válvulas de controlUna vez seleccionado el tipo de válvula teniendo en cuenta los aspectosenunciados anteriormente se la debe dimensionar.La ecuación general de flujo de una válvula de control se obtuvo gracias alos esfuerzos de Daniel Bernoulli y a pruebas experimentalesF = Caudal [gpm]Cv = Coeficiente de dimensionamiento de la válvula. Determinadomidiendo el caudal de que circula a caída de presión constante a 60 FP1 = presión aguas arribaP2 = Presión aguas abajoγ = Densidad relativaDimensionar una válvula significa determinar el diámetro del orificio demanera que cuando deba circular el caudal normal mínimo y normalmáximo las aperturas se encuentren en el tramo intermedio de su carrera Página 9
  10. 10. (entre el 30 y el 70 %). La apertura será del 100 % para el caudal máximo.Con estas condiciones de cálculo se aseguran capacidad de regulación yrangeabilidad adecuadas.Procedimiento general para el dimensionamiento:1. Determinar la caída de presión a través de la válvula ΔpV.Hay dos situaciones para fijar el salto de presión:a) La válvula se instalará en una línea existente. Planteando el balance depresiones(Teorema de Bernoulli) se puede conocer la distribución de presiones enla línea dónde se montará la válvula. Se deben considerar las pérdidas enequipos, accesorios y en el caso de órganos de impulsión la energía desuministro. La diferencia entre la fuerza impulsora y la pérdida de cargade la línea es lo que tiene disponible la válvulab) La válvula estará enana línea nueva en la que se deben especificar lossistemas de impulsión inclusive. Un heurístico propone que se establezcaen 50% de la caída de presión en la línea sin válvula (33% de la caída depresión total).2. Determinación de los caudales de operaciónSe deben conocer (información del proceso) los caudales normales detrabajo (máximo y mínimo):FNmín, FNmáx. Al caudal máximo (válvula completamente abierta) se lopuede calcular como el máximo que circularía si válvula estaríacompletamente abierta. Se puede adoptar como estimación 1.25 veces elcaudal normal máximo.3. Cálculo de Cv para líquidos• Si la viscosidad cinemática es ≥ 20 cst el régimen es laminar y laecuación del coeficiente de descarga de la válvula es: Página 10
  11. 11. • Si la viscosidad cinemática es ≤ 20 cst el régimen es turbulento y sedebe analizar:Si hay riesgo de cavitación incipiente que se da para las válvulas con altocoeficiente de recuperación de la caída de presión a las salida de lamisma respecto a la que se produciría en al vena contractaSi el flujo es crítico (flasheo) ó subcríticoEstas tres situaciones deben ser identificadas para la caída de presiónque debe utilizarse para el cálculo de CV de la válvulaVerificación de cavitación incipiente. La válvula cavitará si:P1 = presión aguas arribaPV = Presión de vapor del fluido a la temperatura de trabajoKC= coeficiente de cavitación incipiente, suministrado por el fabricanteEn este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de CV pero la caídamáxima de presión admisible será ( ) y este es elvalor que se usa. Página 11
  12. 12. Acción de una Válvula de Control Al especificar una válvula de control, la primera pregunta que debehacerse el ingeniero es ¿Qué debe hacerse con la válvula si falla laenergía? Esta pregunta se relaciona con la Posición de Falla o con laAcción de la Válvula. La principal consideración al responder estapregunta es, o debería ser, la seguridad. Es decir, decidir si ante una fallade energía la posición más segura de la válvula es que se coloque en unasituación completamente cerrada o completamente abierta. Cuando la posición más segura de la válvula es la completamentecerrada, el ingeniero debe especificar una válvula de Falla Cerrada (Fail- Página 12
  13. 13. Closed, FC). En este tipo de válvula, el mecanismo requiere que se lesuministre energía para que abra, razón por la cual también se le llamaVálvula de Aire para Abrir (Air-toOpen, AO). Para cuando lo mas seguroes que la válvula, ante una falla energética, se encuentre completamenteabierta. En este tipo de válvula, el mecanismo requiere que se lesuministre energía para que cierre, razón por la cual también se le llamaVálvula de Aire para Cerrar (Air-to-close, AC) Acciones de controlDescripción de un bucle de control: Un bucle de control por retroalimentación se compone de unproceso, el sistema de medición de la variable controlada, el sistema decontrol y el elemento final de control. Cada uno de estosElementos tiene su propia dinámica, que vendrá descrita por una funciónde transferencia.En este capítulo se explicará cómo se puede encontrar la función detransferencia de todo un lazo de control a partir de las funciones detransferencia de cada uno de los elementos del lazo. Página 13
  14. 14. El medidor, el proceso y el elemento final de control serán habitualmentesistemas lineales de primer o de segundo orden, como los descritos enlos dos capítulos anteriores. Las funciones de transferencia de loscontroladores se detallarán más adelante en este capítulo.El sistema de control se compone del controlador y del punto suma, quecompara la lectura del medidor con la consigna para dar el error! quealimenta el controlador. El objetivo del sistema de control es minimizar elerror para que su valor sea lo más próximo a cero. Además debe lograreliminar los errores lo más rápidamente posible.En el capítulo 1 se describe cualitativamente un bucle de control porretroalimentación, un intercambiador de calor en una planta depasteurización de leche. En este capítulo se describirá el bucle de unamanera más detallada.El proceso, en este caso el intercambiador de calor, viene descrito por lafunción de transferenciaGp. El proceso puede tener dos posibles entradas: f(t) que es la variablemanipulable y d(t) que representa a las perturbaciones. Lasperturbaciones pueden ser una entrada en cualquier punto del lazo decontrol, pero normalmente son debidas al proceso. La respuesta delproceso es la variable controlada que normalmente se indicará como y(t).Esta variable es la respuesta global del sistema formado por todos loselementos del lazo de control.El valor de la variable controlada se mide con un sensor, un termómetrode resistencia de tipo Pt100 para el ejemplo, cuya dinámica viene descritapor la función de transferencia Gm.Como salida de este proceso se obtiene la variable controlada medidaym(t).El valor de ym se compara con la consigna ysp(t) para obtener el error !(t).El valor de la consigna será normalmente cero, en el caso de estardefinido utilizando variables de desviación.Este error es la entrada del controlador, cuya función de transferencia esGc. Las respuesta del controlador c(t) es una intensidad de corriente ouna diferencia de presión según sea el sistema de transmisión deinformación eléctrico o neumático. Página 14
  15. 15. Control proporcional (P)La acción de control c del controlador proporcional es:Donde Kc es la ganancia proporcional del controlador y cs es el bias delcontrolador.La ganancia del controlador también se puede expresar mediante laBanda proporcional, expresada como porcentaje:Normalmente, La banda proporcional expresa el intervalodel error para que el control se sature. Cuanto mayor es Kc, menor es BPy mayor es la sensibilidad del controlador a los cambios o, lo que es lomismo, al error !El bias del controlador es el valor de la acción de control cuando el errores nulo.La función de transferencia del controlador se obtiene realizando latrasnformada de LaplaceTeniendo en cuenta que se ha utilizado como variable de desviación:La acción de control proporcional es la más importante y se encuentra entodos los sistemas de control. Página 15
  16. 16. Control Proporcional + Integral (PI)En este tipo de controlador la acción de control es: Donde es el tiempo integral o tiempo de reset. Se suele expresarcomo minutos por repetición y se suele encontrar entre 0.1 min50 min. También se puede expresar como (repeticiones por minuto) ySe conoce como la velocidad de es la ganancia delcontrolador, tal como ocurría con el controlador proporcional. Al conjuntoa veces, se le conoce como la ganancia integral KI.A se le conoce como el tiempo de reset porque es el tiemponecesario para que el controlador repita la acción de control inicial:Para un error constante con el tiempo, como por ejemplo, el debido a unescalón. La función de transferencia de este tipo de controladores es: El controlador PI actúa mientras exista error en la salidaproduciendo cada vez valores mayores para la acción integral. Por tanto,se deben tomar acciones especiales para evitar saturaciones en losactuadores finales para errores persistentes con el tiempo Página 16
  17. 17. Control Proporcional + Derivativo (PD)Se define como:Donde es la constante de tiempo derivativa. La acción de controlderivativa aplica una acción de control proporcional a la velocidad decambio del error. En cierta manera se anticipa al error futuro, por ello se laconoce a veces como control anticipativo. En lugar de la constante detiempo derivativa se utiliza a veces la ganancia derivativa Presenta el problema de que puede tomar acciones de controlderivativas intensas para sistemas con ruido pero con un error próximo acero, lo que implica que la acción de control no es necesario. Esteproblema se puede solucionar añadiendo algún sistema de filtrado queelimine ominimice el ruido.Su función de transferencia es: Página 17
  18. 18. Control Proporcional + Integral + Derivativo (PID)Simplemente es la combinación de las tres acciones de control anteriores:Y su función de transferencia es: AJUSTE DE CONTROLADORES Aún cuando se haya diseñado el sistema de control con algúncriterio previo es necesario hacer ajustes en campo cuando se instala elcontrolador (tuning, sintonía). El ajuste por ensayo y error, si bienrequiere cierta experiencia, sigue siendo válido, y particularmente setorna necesario cuando no se tiene mayor idea del modelo del proceso.Muchas veces se parte de la base de algún proceso similar por lo que yase tiene una idea de los valores de los parámetros. Últimamente se handesarrollado controladores adaptativos, esto es, que ajustanautomáticamente los valores de los parámetros.Se pueden establecer ciertos lineamientos generales para los sistemasmás comunes encontrados en la industria de procesos:• Control de flujo Página 18
  19. 19. – Los lazos de control de caudales líquidos se caracterizan en general porrespuestas rápidas (del orden de los segundos), sin tiempo muerto odelay. Las dinámicas comienzan a aparecer cuando se trata de fluidoscompresibles (gas, vapor) o debido a eventuales procesos inerciales enlíquidos.– Los sensores y líneas de transmisión neumáticas pueden introducirdinámicas significativas.– Cuando las perturbaciones tienden a ser frecuentes pero de pequeñamagnitud, normalmente se trata de ruidos de alta frecuencia debidos aturbulencias, cambios en válvulas, vibraciones en las bombas, etc.– Por estos motivos en principio es conveniente utilizar controladores PI(sin acción derivativa), con valores intermedios de Kc.• Nivel de líquido– Debido a la naturaleza “integradora” del proceso en general alcanza conun control proporcional, con ganancia elevada, pues el propio sistematiende a amortiguar las oscilaciones.– Puede usarse también la acción integral pero si pueden tolerarsepequeños offsets no sería necesario.– La acción derivativa normalmente no se emplea porque tiende aamplificar los ruidos.– Si el tanque se utiliza como fuente de alimentación para otro proceso, yse utiliza la corriente de salida como variable de manipulación, se debeser conservador con el ajuste para evitar fluctuaciones.• Presión de gas– Debido a la naturaleza compresible del gas (cuando está en equilibriocon el líquido puede ser más complicado) el proceso actúa comoautorregulado. Por lo tanto suele alcanzar con un control proporcional.– Si se usa PI (porque es importante eliminar el offset), normalmente laacción integral es pequeña (valor grande de I).– Como normalmente los tiempos de residencia son bajos, las constantesde tiempo involucrado suelen ser también bajas Página 19
  20. 20. • Temperatura– Dependiendo de la situación (p.ej. intercambiadores, reactores,columnas de destilación, evaporadores) se pueden dar diferentesdinámicas incluyendo delays. En general es necesario recurrir a PID.• Composición– También tienen en general dinámicas más complicadas y es necesariorecurrir a PID.– El problema del ruido tiende a ser muy importante.– Los delays debidos a los analizadores suelen ser significativos.– Por tal razón la acción derivativa suele tener limitaciones yeventualmente puede ser necesario recurrir a estrategias más complejas. Ajuste por ensayo y error 1) Eliminar las acciones integral y derivativa seteando al máximo yal mínimo. 2) Sintonizar Kc en un valor bajo (p.ej. 0.5) y prender el controlador. 3) Aumentar la ganancia con pequeños incrementos hastaconseguir una oscilación continua o permanente (“ganancia última”). 4) Reducir dicha ganancia a la mitad. 5) Disminuir en pequeños incrementos hasta que alcanzarnuevamente la oscilación continua. Sintonizar I en un valor tres vecesmayor. 6) Aumentar en pequeños incrementos hasta alcanzar nuevamentela oscilación. Sintonizar en un tercio de ese valor. Página 20
  21. 21. CONCLUSIÓN Las válvulas de control y los controladores son un componentecada vez más importante de la manufactura moderna y del los procesosen el mundo. La selección adecuada y mantenimiento de las válvulas decontrol y los controladores permiten aumentar la eficiencia de losprocesos, la seguridad, rentabilidad y minimizar impactos nocivos a laecología. Página 21
  22. 22. ANEXOSPágina22
  23. 23. BIBLIOGRÁFIA.Internet http://www.scielo.org.ve/scielo. http://read.pudn.com http://isa.uniovi.es http://materias.fi.uba.ar http://isa.cie.uva.es http://recursostic.educacion.es http://cmapspublic2.ihmc.us http://materias.fi.uba.ar http://web.udl.es http://catarina.udlap.mx Página 23

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