La instrumentación y el control se basan en la conversión de variables físicas o de proceso a un formato más útil para la pantalla del operador.
La presión en una tubería se convierte en deflexión mecánica de un diafragma, que se convierte en energía eléctrica mediante un extensómetro (el diafragma y el extensómetro constituyen un transductor), luego en un valor entero numérico mediante un módulo de E/S y luego en un valor de unidad de ingeniería de punto flotante mediante el PLC o la HMI para su visualización.
Esta información también se utiliza para ayudar a generar comandos de salida, que se convierten en señales eléctricas y luego en acción mecánica. El truco es comprender las relaciones de E/S de los distintos convertidores.
Cómo lee el PLC los datos de los transmisores de campo
Por ejemplo, un orificio de flujo provocará una caída de presión predecible a medida que los fluidos fluyen a través de él. Un transmisor de presión puede medir esta caída de presión comparando la presión aguas arriba con la presión aguas abajo.
Aunque esta diferencia de presión no es lineal con el caudal, tiene una relación repetible con él. Esta relación se aproxima mejor como una función de raíz cuadrada.
Tomar la raíz cuadrada de la señal de presión diferencial la linealiza efectivamente con el caudal.
Una vez que se ha establecido una relación lineal, se puede deducir toda la secuencia de conversión del transmisor a la pantalla de la computadora a partir de una medición.
La siguiente figura muestra dos circuitos típicos de medición de temperatura de la siguiente manera: La configuración superior utiliza la fuente de alimentación externa del transmisor para alimentar el bucle de señal.
Esta configuración se conoce como bucle de cuatro cables. La configuración inferior utiliza una fuente de alimentación interna (alimentación de tarjeta AI) para alimentar el bucle. Esta configuración se conoce como bucle de dos cables.
La siguiente discusión sobre las conversiones de unidades se aplica a ambos tipos de circuitos. Concéntrese en el circuito superior.
Un termopar es el elemento sensor. Los termopares son dispositivos que utilizan el principio de contacto bimetálico para generar una pequeña señal de milivoltios.
Tenga en cuenta que la curva de temperatura-voltaje que se presenta en el gráfico es relativamente lineal en todo el intervalo de temperatura.
Fuera de ese intervalo de temperatura, la señal puede volverse menos lineal (una característica de un termopar), pero eso no tiene importancia aquí.
El escalado del instrumento siempre debe comenzar en la medición del proceso. El diseñador consulta la hoja de balance de calor y materia (HMB) para nuestro sistema imaginario y descubre que la temperatura esperada en el punto de medición es de aproximadamente 105 °C.
El calentador aguas arriba es capaz de calentar el sistema a aproximadamente 130 °C antes de que se apague debido a su enclavamiento por sobretemperatura.
El ingeniero de diseño sabe que un intervalo calibrado correctamente colocaría el punto de funcionamiento normal aproximadamente en la mitad de la curva. El extremo superior tendría que estar por encima de los 130 °C.
Después de pensarlo un poco, el ingeniero decide utilizar un intervalo de calibración de 15 a 150 °C y elige un termopar tipo K, que proporciona una salida de 0,597 a 6,138 mV en ese intervalo de temperatura.
El transmisor de temperatura, entonces, debe calibrarse en banco para proporcionar una señal de salida de 4 a 20 mA que sea proporcional a la señal de entrada de 0,597 a 6,138 mV esperada del termopar.
El transmisor, al ser una fuente de corriente (a diferencia de una fuente de voltaje), varía su salida de potencia según sea necesario para mantener una salida de miliamperios constante que sea proporcional a los milivoltios en su entrada, es decir, la lectura de temperatura medida.
(Nota: una fuente de voltaje, como una batería, intenta mantener un voltaje constante independientemente de la carga, mientras que una fuente de corriente intenta mantener una corriente constante independientemente de la carga).
El transmisor de temperatura convierte entonces esta señal en una señal de 4-20 mA que ha sido escalada, en este caso para un rango de 15 a –150 °C.
El PLC tiene un módulo de entrada analógica que detecta la salida del transmisor de temperatura. Prácticamente todos los módulos de entrada analógica son voltímetros, aunque se los incluya como entradas de miliamperios.
A veces, la resistencia es externa en la regleta de terminales y, a veces, es interna en el módulo de E/S del PLC (que se muestra en la Figura). En cualquier caso, la señal de 4-20 mA se convertirá en un voltaje.
Normalmente, este voltaje es de 1-5 VCC porque la resistencia utilizada es de 250 ohmios. Este valor analógico debe convertirse entonces en un valor binario.
En nuestro ejemplo, la especificación del PLC indica que este módulo de E/S del PLC en particular tiene una resolución de 12 bits. Para encontrar la resolución del módulo en términos de la variable de proceso, realice una conversión binaria: 212 = 4095.
Por lo tanto, para un intervalo de entrada de 1 a 5 VCC, el módulo de E/S del PLC proporciona un valor entero al programa del PLC que va de 0 a 4095.
El programa del PLC puede obtener estos datos para utilizarlos según sea necesario. Una de las posibles acciones del programa del PLC es mover este valor de datos a un búfer de interfaz de red (una serie de ubicaciones contiguas en la memoria del PLC) para su transmisión a la HMI.
El valor entero de conteo sin procesar se pone a disposición para la transmisión de datos a través de la red.
La HMI recibe este flujo de datos transmitidos, que luego se almacena en un búfer de datos de entrada. La computadora HMI tiene una base de datos de archivo de etiquetas, que contiene instrucciones sobre cómo manipular cada elemento de datos para su presentación al operador.
Muchas de las etiquetas en el archivo de etiquetas están vinculadas a elementos de datos en el búfer de datos de entrada. Una de esas etiquetas está vinculada a esta ubicación en particular.
El valor sin procesar de 0 a 4095 se extrae y se convierte a unidades de ingeniería mediante el uso de la fórmula incorporada en la base de datos del archivo de etiquetas o en el software de pantalla gráfica que utiliza la información.
La fórmula en nuestro caso de muestra se muestra en la siguiente figura.
El valor producido (85,88) sería el valor que se muestra al operador en oC como se muestra a continuación en las siguientes figuras:
