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Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación Industrial. Análisis de Señales. Tipos de Señales. Identificación de instrumentos. Simbología a emplear en planos y dibujos.

Señales

Los conceptos de señales y sistemas aparecen en una variedad muy amplia de campos, las ideas y técnicas asociadas con estos conceptos juegan un papel importante en áreas tan diversas de la ciencia y tecnología como comunicaciones, aeronáutica y astronáutica, diseño de circuitos, acústica, sismología, ingeniería biomédica, sistemas de generación y distribución de energía, control de procesos químicos y procesamiento de voz.

Si bien la naturaleza física de las señales y sistemas que aparecen en estas disciplinas tan diversas pueden ser diametralmente diferentes, todos ellos tienen en común dos características básicas. Mientras que las señales son funciones de una o más variables independientes y contienen información acerca de la naturaleza o comportamiento de algún fenómeno, los sistemas responden a señales particulares produciendo otras señales.

Los voltajes y corrientes como funciones del tiempo en un circuito eléctrico son ejemplos de señales, y el circuito es, en sí, un ejemplo de un sistema, el cual, en este caso, responde a los voltajes y corrientes que se le aplican. Por citar otro ejemplo, cuando el conductor de un automóvil presiona el pedal del acelerador, el automóvil responde incrementando la velocidad del vehículo. En este caso, el sistema es el automóvil, la presión sobre el pedal del acelerador es la entrada del sistema, y la velocidad del automóvil la respuesta.

Un programa de computadora para el diagnóstico automático de electrocardiogramas puede ser considerado como un sistema, que tiene como entrada un electrocardiograma digitalizado y como salida produce estimaciones de parámetros como el ritmo cardiaco. Una cámara es un sistema que recibe luz directa de diferentes fuentes y/o reflejada desde los objetos, y produce una fotografía. En la gran variedad de contextos en los que aparecen las señales y los sistemas, hay una diversidad de problemas y cuestiones que se deben tomar en cuenta. En algunos casos, se presenta un sistema específico y debe ser caracterizado con detalle para entender cómo responderá a diversas entradas.

Otra clase muy importante de aplicaciones en las que aparecen los conceptos y técnicas del análisis de señales y sistemas son aquellas en las que se desea modificar las características de un sistema dado, quizá a través de la selección de señales de entrada específicas o combinando el sistema con otros sistemas. Un ejemplo de esta clase de aplicaciones es el control de plantas químicas, un área en general referida como control de procesos. En esta clase de aplicaciones, un conjunto de sensores miden las señales físicas, como temperatura, humedad, proporciones químicas y otras, y con base en estas mediciones, un sistema regulador genera señales de control para regular el proceso químico en marcha. Un segundo ejemplo está relacionado con el hecho de que algunos aviones de características muy avanzadas son representativos de sistemas inherentemente inestables, en otras palabras, sus características aerodinámicas son tales que sin señales de control diseñadas en forma cuidadosa, serían inmanejables. Tanto en este caso, como en el ejemplo anterior del control de procesos, el concepto conocido como retroalimentación juega un papel principal.

En algunos de los ejemplos mencionados, las señales varían de forma continua en el tiempo, mientras que en otros, su evolución se describe sólo en puntos discretos del tiempo. Por ejemplo, en la restauración de antiguas grabaciones de audio el interés son las señales de audio que varían en forma continua. Por otro lado, el cierre diario del promedio del índice bursátil es, por su propia naturaleza, una señal que evoluciona en puntos discretos en el tiempo (es decir, al cierre de cada día). En lugar de una curva como una fundón de una variable continua, el promedio del índice bursátil al cierre es una secuencia de números asociada con instantes en tiempo discreto en los que está especificada. Esta distinción en la descripción básica de la evolución de señales y de los sistemas que responden y procesan estas señales conduce de forma natural a dos marcos paralelos para el análisis de señales y sistemas, uno para fenómenos y procesos que son descritos en tiempo continuo, y otro para aquellos que son descritos en tiempo discreto. Los conceptos y técnicas asociados, tanto con las señales y sistemas de tiempo continuo como las señales y sistemas de tiempo discreto, tienen una amplia historia y se encuentran muy relacionados. Sin embargo, históricamente, debido a que en el pasado sus aplicaciones han sido muy diferentes, la mayor parte de su estudio y desarrollo se ha realizado en forma separada. Las señales y sistemas de tiempo continuo tienen fuertes raíces en los problemas asociados con la física y, en el pasado reciente, con los circuitos eléctricos y las comunicaciones. Las técnicas de señales y sistemas de tiempo discreto tienen fuertes raíces en el análisis numérico, en la estadística, y en el análisis de series de tiempo asociadas con aplicaciones como el análisis de datos económicos y demográficos. A lo largo de las últimas décadas las disciplinas de señales y sistemas de tiempo continuo y de tiempo discreto se han entrelazado cada vez más y sus aplicaciones han llegado a estar muy interrelacionadas. Una gran motivación para esta interrelación han sido los impresionantes avances en la tecnología del desarrollo de sistemas y de la generación de señales. En específico, el desarrollo tan rápido de computadoras digitales de alta velocidad, de circuitos integrados, y de técnicas para la fabricación de complejos dispositivos electrónicos de alta densidad, ha hecho cada vez más ventajoso considerar el procesamiento de señales de tiempo continuo representándolas con muestras espaciadas a intervalos iguales en el tiempo (es decir, convirtiéndolas a señales de tiempo discreto). Es un hecho notable que con relativas restricciones, una señal de tiempo continuo se puede representar en su totalidad mediante un conjunto de muestras en particular.

Hay dos tipos básicos de señales, de tiempo continuo y de tiempo discreto. En el caso de las señales de tiempo continuo la variable independiente es continua y entonces estas señales están definidas para una sucesión continua de valores de la variable independiente. Por otra parte, las señales de tiempo discreto están sólo definidas en tiempos discretos y, en consecuencia para estas señales, la variable independiente toma sólo un conjunto de valores discretos. Una señal de voz como una función del tiempo y la presión atmosférica como una función de la altitud son ejemplos de señales de tiempo continuo. El índice Dow Jones semanal del mercado de valores es un ejemplo de una señal de tiempo discreto, la cual se ilustra en la figura 1. Otros ejemplos de señales de tiempo discreto pueden encontrarse en estudios demográficos de población en los cuales varios atributos, tales como ingreso promedio, índice de criminalidad o kilogramos de pescado capturado, se tabulan contra variables.

En esta materia, Ingeniería de la Medición se deben resaltar las señales capturadas por sensores que auxilian el control de determinado proceso. Por lo tanto las señales que se adquieren, están basadas en mediciones eléctricas sin diferenciar si son continuas o discretas, se consideran señales analógicas, así por ejemplo si se trata de adquirir una temperatura a través de un termopar se debe medir una caída de voltaje o una corriente que fluye a través de la junta bimetálica. Si esta señal eléctrica se trata de remitir a un sitio distante, el voltaje o el amperaje medido es probable que no sea exactamente el valor, ya que el conductor eléctrico ofrece cierta resistencia que afectará el valor medido, para compensar esta diferencia se deben colocar en puntos intermedios amplificadores o elementos que mantengan el valor de la señal, este tipo de señal analógica es fácilmente afectada por medios externos que inducen ruido. En la actualidad se impone la conversión de la señal analógica en una señal digital a través de conversores A/DC que deben estar ubicados en sitios muy próximos al sensor o elemento primario de medición, posteriormente esta señal digital puede ser remitida sin que sufra muchas alteraciones, como comentario, una señal digital puede ser la ausencia de luz, sonido, corriente, caída de voltaje, etc., esta ausencia se puede identificar con un 0 y la presencia de cualquier valor será la representación del 1, por lo tanto, no importa si el valor del voltaje o luz llega disminuido, su presencia significa la unidad y su ausencia un cero.

Figura 1. Ejemplo de una señal de tiempo discreto. Índice Dow Jones semanal del mercado de valores, desde el 5 de enero de 1929 hasta el 4 de enero de 1930.

La figura 2 ilustra la secuencia empleada para la transformación de la señal analógica y su procesamiento posterior en las estaciones de trabajo.

Figura 2. Fases de una señal analógica para su posterior tratamiento en una estación de trabajo

2 Tipos de señales

En el párrafo anterior se comentó acerca de las señales y su tipo, para resumir básicamente se reconocen las señales como analógicas las cuales a su vez pueden ser continuas o discretas, las señales analógicas para poder ser tratadas por computadoras requieren de su conversión a señales digitales.

3 Señal analógica

Se define como funciones continuas, como una gráfica de voltaje contra tiempo, o desplazamiento contra presión.

4 Señal discreta

Consiste en un número de pulsos discretos y discontinuos cuya relación de tiempo contiene información referente a la magnitud o naturaleza de la cantidad. Un ejemplo lo ilustra la figura 1

5 Señal eléctrica

Una señal eléctrica es una señal analógica que puede tener características discretas o continuas, usualmente se mide en Voltios (V), milivoltios (mV), Amperios (A) o miliamperios (mA). En instrumentación se emplea un rango entre 4 y 20 mA c. c. para definir la corriente de salida del instrumento de medición. En este caso la señal captada debe ser transformada haciendo que el valor menor de la escala de valores a ser sensados coincida con 4 mA y el mayor con 20mA.

6 Señal neumática

Como su nombre lo indica una señal neumática emplea aire como salida del instrumento de medición. La presión estándar está en el rango de 3 a 15 psi.

7 Señal Hart

Las señales “HART” Highway Addressable Remote Transducer” es un protocolo de comunicación que funciona con datos digitales que se transmiten a lo largo de una señal analógica de 4 a 20 mA, sin interferir la señal analógica. Además, permite comunicación bidireccional, posee la modalidad digital que permite conectar hasta 15 instrumentos a un solo cable; esta señal permite manejar hasta 256 variables en cada dispositivo de campo.

Por muchos años, el estándar de comunicación para equipos de procesos automáticos, ha sido fijado en una señal de corriente analógica en miliamperios (mA). La señal de corriente en mA, varia entre 4 y 20 mA en proporción a la variable que se esté midiendo. En una aplicación típica, la señal de 4 mA correspondería al límite inferior del rango de calibración, mientras que 20 mA, corresponderá al límite superior. Si un sistema esta calibrado de 0 a 100 Psi, entonces una señal analógica de 12 mA (50 % del Rango), correspondería a 50 Psi.

Virtualmente todos los sistemas utilizan este estándar internacional para comunicar variables de proceso.

Es necesaria la conversión de señales analógica de los sensores, (bien sean del tipo de Celda de Carga o por Variación de Capacitancia) en señales digitales, para poder tanto comparar con las Tablas en memoria, que permiten ajustar y compensar por efectos tales como la Temperatura (Patrones de Calibración), como definir la calibración del instrumento dentro de la Rangobilidad del sensor. Los Transmisores con esta habilidad son los llamados TRANSMISORES INTELIGENTES, y para poder Configurarlos, se necesita definir un sistema de comunicación.

El protocolo de Comunicación HART, para instrumentos de campo (los Trasmisores de Presión son Instrumentos de Campo), extiende el estándar 4-20 mA, para mejorar la comunicación con instrumentos de campo Inteligentes. HART permite comunicación digital direccional a lo largo de los conductores de la señal analógica 4 - 20 mA, sin alterar su integridad. Esto permite que los valores de presión sean transmitidos con una señal de 4 - 20 mA, mientras que al mismo tiempo se intercambie información adicional con el Transmisor (Configuración del Transmisor, Calibración, Diagnóstico, etc.).

En el protocolo HART la señal digital se transmite por medio de dos frecuencias individuales, 1200 Hz y 2200 Hz, representando respectivamente bits 1 y 0. El seno de la onda de frecuencia se sobrepone en la corriente directa. El tiempo de respuesta es de aproximadamente 500 ms, por cada dispositivo del campo. Esto se logra con la asignación de direcciones a cada instrumento, ejemplo: 1, 2, 3,...,15, etc.

El protocolo HART, utiliza el Código Estándar de Cambio de Frecuencia Bell 202, para súper imponer señales digitales de comunicación, a bajo nivel, sobre la señal de 4 - 20 mA. (Bell 202 Frequency Shift Keying o FSK).

El Protocolo HART, se comunica a 1200 bps, sin interrumpir la señal de 4 - 20 mA y le permite al Maestro (en una aplicación residente) tener dos o más actualizaciones por segundo de los

Instrumentos de Campo (esclavos). Como la señal digital FSK es de fase continua, no hay interferencia con la señal 4 - 20 mA.

Entonces HART es un protocolo del tipo Maestro - Esclavos, lo que significa que los instrumentos de campo o sea, los Esclavos, sólo hablan cuando el Maestro les habla. Esto no significa (que no se pueda establecer una comunicación tipo BURST, con un sólo Transmisor el cual está transmitiendo continuamente). En este caso la actualización es de 3 a 4 veces por segundo.

Esto permite comunicación de campo Bidireccional, además de hacer posible el intercambio de información, mas allá de la Variable de Proceso, desde y hacia el instrumento de campo Inteligente.

Esta es la razón por la cual este tipo de comunicación se haya impuesto (estimados 1.4 millones de aparatos con habilidad HART se han instalado mundialmente), ya que ha mejorado substancialmente la eficiencia de plantas alrededor del mundo. Esto explica el porqué la fundación HART, que comenzó por un puñado de fabricantes de equipos, que deseaban estandarizar la comunicación entre sus instrumentos de campo, se haya convertido en una organización cuyo directorio está compuesto por varias decenas de manufactureras, llegando aún a fabricar sus comunicadores, a pesar de ser una corporación sin fines de lucro.

La Fundación de Comunicación HART, apoya a la industria en general, y a sus miembros, como la fuente oficial de información a nivel mundial en lo que a Tecnología HART se refiere.

8 Transmisión de la señal

Se emplean los transmisores para captar la variable de proceso (a través de un sensor o elemento primario) y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos. Los transmisores pueden ser neumáticos o electrónicos, dependiendo de ello, la señal será de 3 a 15 psi o de 4 a 20 mA. El elemento primario puede ser o no parte integral del transmisor.

9 Unidad terminal remota (RTU)

Son unidades que tienen por función recoger toda la información de los instrumentos instalados en campo y transmitir los datos a la Unidad Terminal Maestro (MTU), localizadas en las salas de control o las salas externas a la estación. Las estaciones remotas transmiten información de los equipos en campo a través de unidades de interfaces de procesos normales, usándose como plataforma de comunicación corrientes analógicas, señales de lazos digitales y/o cualquier red de comunicación digital.

10 Unidad de lógica y procesamiento (PLC)

El sistema del PLC “Programmable Logic Controller” consiste en una unidad central que recoge todas las señales de entradas lógicas de los procesos de la planta, posee un sistema de procesador central, el cual esta formado por uno o más microprocesadores que le dan rendimiento a la señal y le ayuda al operador de la planta a dirigir todos los procesos que están enlazados al sistema.

Esta especificación es requisito genérico de un sistema de PLC, a continuación se dan detalles de los requerimientos para implantar un sistema de control en una planta de proceso real donde los procesos son dirigidos por un sistema de PLC:

• Los diagramas de control de proceso.

• Los detalles de medida y funciones de control.

• Los diagramas lazo.

• El programa del instrumento.

• El diagrama del bloque de sistema.

• El suministro de energía.

• Sistema conectado a tierra.

11 Normas

El proyecto de sistemas instrumentados de control de procesos requiere del auxilio de diagramas del circuito de instrumentos donde se indique claramente los tipos de instrumentos, señales con las que se comunicarán, ubicación relativa de los elementos que conformarán el circuito, etc.. La Sociedad de Instrumentación de los Estados Unidos (ISA: Instrument Society of America) es una de las organizaciones mas importantes que han dedicado esfuerzo en la normalización de este campo de trabajo, ella tiene por objeto establecer sistemas de designación (código y símbolos) de aplicación a las industrias químicas, petroquímica, aire acondicionado, etc. A continuación se presenta un resumen de las normas ISA-S5.1 de ANSI/ISA 1984, anteriormente ANSI Y32.20, sobre instrumentación de medición y control, de ISA-S5.2 Binary Logic Diagrams for Process Operations 1973 sobre símbolos de operaciones binarias de procesos, y de ISA-S5.3 Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer

Systems 1982, sobre símbolos de sistemas de microprocesadores con control compartido. Hay que señalar que estas normas no son de uso obligatorio sino que constituyen una recomendación a seguir en la identificación de los instrumentos en la industria.

Resumen Norma ISA-S5.1

Generalidades

A) Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras que lo clasifique funcionalmente. Una identificación representativa es la siguiente:

B) El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro.

Para ello conviene:

a) Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, un transmisor registrador de relación de caudales con un interruptor de alarma de relación de caudales puede identificarse con dos círculos uno con FFRT-3 y el otro FFS-3.

b) En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicación).

c) Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto deben identificarse con una secuencia única de números. Ésta puede empezar con el número 1 o cualquier otro número conveniente, tal como 301 o 1201 que puede incorporar información codificada tal como área de planta.

d) Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE- 25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc. Estos sufijos pueden añadirse obedeciendo a las siguientes reglas:

1. Deben emplearse letras mayúsculas. A, B, C, etc.

2. En un instrumento tal como un registrador de temperatura multipunto que imprime números para identificación de los puntos, los elementos primarios pueden numerarse TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etcétera.

3. Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse por sufijos formados por letras y números.

4. Un instrumento que realiza dos o más funciones puede designarse por todas sus funciones. Por ejemplo, un registrador de caudal FR-2 con pluma de presión PR-4 se designa preferentemente FR-2/PR-4 o bien UR-7; un registrador de presión de dos plumas como PR-7/8; y una ventanilla de alarma para temperatura alta y baja como TAH/L-9.

5. Los accesorios para instrumentos tales como rotámetros de purga, filtros manorreductores y potes de sello que no están representados explícitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una identificación para otros usos deben tenerla de acuerdo con su función y deben emplear el mismo número del bucle que el del instrumento asociado. Alternativamente, los accesorios pueden emplear el mismo número de identificación que el de sus instrumentos asociados, pero con palabras aclaratorias si ello es necesario. Por consiguiente, una brida para una placa-orificio FE-7 debe designarse como FX-7 o bien como FE-7 brida. Un rotámetro regulador de purga asociado con un manómetro PI-8 debe identificarse como FICV-8, pero puede también marcarse PI-8 purga. Una sonda empleada con un termómetro TI-9 será TW-9, o bien, TI-9 sonda.

TABLA 1. Letras de Identificación

1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el módulo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.

2. La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilicen sólo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado figure en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo: XR-3 registrador de vibración.

3. Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (integración) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y Tí miden dos variables distintas: la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.

4. La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla 1, que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.

5. El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primeras letras, es opcional.

6. El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional.

7. El término seguridad, debe aplicarse sólo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema, mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta si las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio, o válvula de seguridad de alivio.

8. La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporcionan una visión directa no calibrada del proceso.

9. La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso. No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta.

10. Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L. Por ejemplo, una luz piloto que indica un período de tiempo terminado se designará KL. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única L. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL, suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L. La actuación de la luz piloto puede ser acompañada por una señal audible.

11. El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras, es opcional. 12. Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.

13. Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la serial a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.

14. Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:

Alto: indica que la válvula está, o se aproxima a la posición de apertura completa.

Bajo: denota que se acerca o está en la posición completamente cerrada.

La figura 3 ilustra los símbolos a emplear en los planos y dibujos de representación de instrumentos en los procesos industriales.

Figura 3. Simbología a emplear en planos y dibujos de representación de instrumentos en procesos industriales. (Ver Tabla 2, nota de llamada con *).

TABLA 2. Abreviaturas sugeridas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos)

** El símbolo se aplica también a cualquier señal que emplee gas como medio de transmisión. Si se emplea un gas distinto del aire debe Identificarse con una nota al lado del símbolo o bien de otro modo.

*** Los fenómenos electromagnéticos incluyen calor, ondas de radio, radiación nuclear y luz. En las próximas páginas se mostrarán la representación de los Símbolos generales, símbolos para válvulas de control, símbolos para actuadores, autorreguladores y muchos otros. Estos símbolos es un resumen de la norma ISA. ( Fuente informativa : UNIVERSIDAD DE ORIENTE - ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS )

>> Instrumentación industrial. Normas. Símbología de instrmentación

 

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