Innovaciones de productos

Una instrumentación fiable es un requisito previo al control eficaz de los procesos. Esos dispositivos no sólo deben proporcionar datos precisos y reproducibles en cualquier momento, sino también realizarlo con un mínimo de supervisión, mantenimiento y tiempo de inmovilización. Además, por supuesto, deben ser fáciles de instalar. En esta colección de historias cortas, la Revista ABB presenta tres avances importantes, cada uno en una de estas áreas. Todos ellos se basan en innovaciones en el procesamiento de señales.

Mejoras en el procesamiento de señales El procesamiento de señales potencia la instrumentación Sean Keeping, Eugenio Volonterio, Ray Keech, Gareth Johnston, Andrea Andenna

El procesamiento de señales no es siempre el punto de partida obvio al desarrollar un nuevo producto de instrumentación. A menudo es más sencillo buscar avances en campos como la eficiencia y la robustez de la caja de los sensores o la electrónica, las mejoras en el uso de materiales y procesos, y la mejora en la utilidad. Sin embargo, como los productos de instrumentación se comercializan cada vez más, el área significativa que permite diferenciar entre vendedores es el valor añadido que se pueda

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conseguir del propio sistema de detección. El proceso de definir este valor añadido se inicia con el conocimiento. Al crear un nuevo producto es fundamental entender las necesidades del cliente y reconocer la información adicional útil que se pueda deducir de los datos medidos, lo que proporciona una visión valiosa del estado o la condición del producto o del proceso. ABB ha invertido en formas novedosas de utilizar el procesamiento de

señales para potenciar el valor para el cliente de sus productos. Los resultados de estos esfuerzos se ilustran en los dos estudios de casos siguientes: el primero para medida del caudal y el segundo para medida de la presión. El tercer caso presentado es un estudio sobre la tecnología inalámbrica. Demuestra la forma en que esta nueva tecnología puede aumentar la disponibilidad de las funciones de los instrumentos, al tiempo que satisface las necesidades de aplicaciones futuras.

Revista ABB 4/2007

Mejoras en el procesamiento de señales

Innovaciones de productos

Autocalibración de un caudalímetro electromagnético ABB ha presentado un nuevo caudalímetro que alcanza niveles sin precedentes en relación con la estabilidad y el rendimiento gracias a un concepto innovador de la autocalibración.

U

n caudalímetro electromagnético consta de dos partes principales: el sensor, que se compone de un tubo de medida del caudal que contiene un revestimiento aislado, bobinas de activación y dos o más electrodos de medición 1 ; un transmisor de flujo, como los nuevos WaterMaster 2a o ProcessMaster 2b de ABB, que activa las bobinas y mide la señal de CA, muy pequeña, procedente de los electrodos de medición.

cionan constantemente, establecidos en este caso por la International Recommendation R49 [1] de la OIML1), ABB ha desarrollado un concepto de autocalibración [2]. La empresa ha incorporado este concepto en la línea de productos WaterMaster. Al satisfacer la recomendación indicada, el producto se adapta a la Directiva de instrumentos de medida (que se convirtió en un requisito legal en noviembre de 2006). La OIML R49 exige que los caudalímetros electromagnéticos tengan “posibilidades de comprobación”, lo que significa que se aplica una señal simulada a la entrada del transmisor de flujo y se verifica que la salida se encuentra 2

1

Sensor de un caudalímetro electromagnético.

z

Bobina electromagnética Tubo de medida en el plano del electrodo

B

v E

Tiempo del campo eléctrico

W

x

U Tensión de la señal

Transmisores electromagnéticos de caudal WaterMaster

a

Línea de flujo magnético

y

a

y ProcessMaster

b

de ABB.

b

Para satisfacer los requisitos de metrología de los instrumentos, que evoluNota a pie de página 1)

OIML: International Organization of Legal Metrology/ Organisation Internationale de Métrologie Légale (Organización Internacional de Metrología Legal)

3

Diagrama de bloques de la nueva autocalibración de ABB para caudalímetros electromagnéticos.

VREF

S3

b c

de los electrodos 6 S1

del sensor de intensidad 7 S2

Frente y corriente A1

Sentido de la corriente A2

M U X

A3 A4 A5 A6

AGP I

M U X

M U X

A7 A8 A9 A10

AGP D

M U X

CAD I controlador

a la pantalla

d

CAD D a

CDA

circuitos de amplificación a las bobinas de excitación 4

Revista ABB 4/2007

circuitos de cálculo y control circuitos de excitación

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Mejoras en el procesamiento de señales

Innovaciones de productos

dentro de los límites predefinidos.

4

Esta técnica siguió desarrollándose no sólo por la utilización de esta señal para comprobar la amplitud, sino también para llevar a cabo la calibración automática. De esta forma, no sólo se satisfacen y superan los requisitos de la OIML R49, sino que además el instrumento dispone de muchas funciones interesantes. Estas funciones vienen relacionadas en el Cuadro 1 .

Efecto de una variación importante de la temperatura dinámica sobre distintos parámetros del sistema y su compensación. Compensación 1,004

Medición normalizada

1,002 1,001 1,000 0,999 0,998

Temperatura de la sala

0,997

Horno encendido

0,996 210000

212000

214000

216000

220000

222000

máticamente por sí solo, no se requieren componentes de precisión en la cadena de medición. Un chip de audio codec de alta linealidad se utiliza como convertidor analógico-digital (CAD). Mediante una configuración de multiplexadores, se genera la señal simulada con el convertidor analógico-digital 3a . Esto se aplica directamente al mismo amplificador delantero 3b que se utiliza para ampliar y procesar las señales de los electrodos.

Características de la nueva gama de caudalímetros WaterMaster de ABB.

Instrumento con autocalibración Ya no es precisa la calibración en fábrica El ajuste de calibración es continuo durante el funcionamiento normal Comportamiento ultraestable a lo largo del tiempo Coeficiente de temperatura muy bajo Codec de audio de bajo coste Diseño resistente a cualquier variación de cc Menor coste con un solo elemento de precisión Porcentaje de ajuste presentado al usuario para su utilización en diagnósticos Límites de alarma para detectar fallos de equipos y desajustes

El aspecto novedoso de esté método es que el valor medido no se basa en el valor absoluto real de la señal, sino en su ganancia. Al utilizar multiplexadores ( 3c y 3d ) para enviar directamente la tensión de referencia a los CAD, el comportamiento del sistema se hace independiente de las ganancias, las desviaciones o la estabilidad de cualesquiera de sus componentes, y la salida no depende

Ajustes internos de ganancia automática efectuados por el transmisor para responder a los cambios de temperatura.

5

218000

224000

Tiempo

El funcionamiento de este nuevo concepto se muestra en 3 . Puesto que el sistema se ajusta auto-

Cuadro 1

Ganancia L2 Ganancia L3 Amplitud del CAD I Caudal Ganancia R2 Ganancia R3

1,003

6

de la magnitud de la tensión de referencia. Se ha demostrado que el comportamiento del producto depende sólo de un componente: la resistencia necesaria para convertir la corriente que atraviesa las bobinas en una tensión que mida su valor. 4 ilustra que el nuevo sistema compensa correctamente los cambios en los parámetros dependientes de la temperatura de sus componentes.

En comparación con un diseño de transmisor clásico, que a menudo depende del comportamiento de unos diez componentes de precisión, la reducción a un solo elemento permite llevar la estabilidad y el comportamiento a niveles sin precedentes. 5 muestra el grado de ajuste que experimenta el transmisor al responder a los cambios en la temperatura. 6 muestra la estabilidad global del transmisor en una amplia gama de temperaturas. En las mediciones que dieron lugar a estas cifras, se volvió a ajustar la temperatura a 20 °C tras cada cambio de temperatura, demostrando la excelente reproducibilidad de la medición. La incorporación por ABB del sistema de autocalibración en un caudalímetro electromagnético es una novedad mundial, que se traduce en una estabilidad y un comportamiento sin par. El producto se presentó en Barcelona el 7 de noviembre de 2007.

Campo de variación del transmisor en función de la temperatura. La temperatura siempre volvió a 20 °C entre mediciones, lo que demuestra la elevada reproducibilidad del dispositivo. 0,10

0,04

0,08

0,03 Error de amplitud (%)

Ajuste automático de ganancia (%)

0,05

0,02 0,01 0,00 -0,01 -0,02 -0,03

0,02 0,00 -30

-10

10

30

-0,02 -0,04

50

70 90 Un ciclo a 70 °C con un 95 % de humedad relativa

-0,08 Medido a 10 m/s -20

0

20 Temperatura (°C)

14

0,04

-0,06

-0,04 -0,05 -40

0,06

40

60

80

-0,10 Temperatura (°C)

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Mejoras en el procesamiento de señales

Innovaciones de productos

U

n transmisor de presión diferencial es un dispositivo que se utiliza para detectar la diferencia de presiones entre dos puntos de un proceso. Su principal aplicación es el cálculo del caudal en una conducción. Esto se consigue midiendo la caída de presión producida por lo que se conoce como elemento primario. Al introducir este elemento en el flujo, causa variaciones locales de la presión. Se mide la diferencia de presiones entre dos puntos y, a partir de este valor, se calcula el caudal utilizando el conocimiento de la geometría del elemento primario. Se conectan al proceso los transmisores de presión diferencial mediante dos tubos llamados líneas de impulso 7 .

Por lo que respecta a las mediciones de flujos diferenciales, las líneas de impulso obturadas son especialmente difíciles de detectar, ya que los resultados continúan pareciendo plausibles. A lo largo de la vida operativa del transmisor, estas conexiones pueden obturarse (bloquearse) a causa de materiales sólidos presentes en el proceso, o de la cal depositada o de la congelaRevista ABB 4/2007

Sin embargo, no todo está perdido: la experimentación ha demostrado que la condición de obturación se puede diagnosticar mediante el análisis de la señal de presión diferencial detectada. A partir de tales resultados, se ha desarrollado un método para la detección automática de las líneas de impulso obturadas y se ha incorporado el algoritmo correspondiente en un transmisor de presión diferencial de la serie 2600T de ABB.

la detección de la presión. Los procesos del flujo de fluidos se ven afectados por fluctuaciones en el valor de la presión causadas por otros dispositivos y máquinas que interactúan con el proceso. A modo de ejemplo se puede citar una bomba que produce un ruido en la señal de presión diferencial. En una condición normal de funcionamiento, sin ningún problema de obturación de la línea de impulso, este ruido del proceso se compensa prácticamente porque el dispositivo mide la diferencia de presiones entre dos lugares relativamente próximos. El bloqueo de una línea de impulso hace que las fluctuaciones de presión dejen de compensarse, por lo que el ruido del proceso aparece entonces en la señal de presión diferencial. Por último, cuando Transmisor de presión diferencial conectado a un orificio calibrado.

7

El principio de “Plugged Impulse Line Detection” (detección de líneas de impulso obturadas) (PILD) se basa en las características observadas empíricamente en las series temporales recogidas en 8

Potencia de la señal a sin obturación, de las líneas obturadas.

b

a

con ambas líneas obturadas y

c

y

d

con cada una

b

Potencia de la señal entre 0,5 Hz y 5 Hz

Una medición defectuosa puede tener graves consecuencias negativas para un proceso, de ahí la importancia de poder detectar dichos errores tan pronto como se produzcan. Por lo que respecta a las mediciones de flujos diferenciales, las líneas de impulso obturadas son especialmente difíciles de detectar, ya que los resultados continúan pareciendo plausibles. ABB ha descubierto una forma de identificarlas, utilizando el ruido de fondo del proceso.

ción del fluido. Para impedirlo, es necesario realizar trabajos de mantenimiento importantes. El mantenimiento es aún más exigente debido al hecho de que, en contraste con la mayoría de los otros funcionamientos defectuosos que pueden presentarse en los dispositivos de utilización a pie de obra, una línea de impulso obturada no produce ningún efecto sobre el equipo; si no se llega a detectar, el valor medido sigue siendo plausible. Esto hace especialmente difícil la detección de dichos errores.

5,5

5,5

4,5

4,5

4,0

4,0

3,5

3,5

3,0

3,0

2,5

2,5

2,0

2,0

1,5

1,5

1,0

1,0

0,5

0,5

0,0

5

10

15 20 Tiempo (s)

25

c

0,0

5

10

15 20 Tiempo (s)

25

5

10

15 20 Tiempo (s)

25

d

Potencia de la señal entre 0,5 Hz y 5 Hz

Detección de línea de impulso obturada en un transmisor de presión diferencial

5,5

5,5

4,5

4,5

4,0

4,0

3,5

3,5

3,0

3,0

2,5

2,5

2,0

2,0

1,5

1,5

1,0

1,0

0,5

0,5

0,0

5

10

15 20 Tiempo (s)

25

0,0

15

Mejoras en el procesamiento de señales

Innovaciones de productos

9

Resultado de la detección de líneas de impulso obturadas (PILD).

ambas líneas de impulso se obturan, el nivel de ruido de la presión diferencial detectada casi se reduce a cero. De ambas observaciones se puede generalizar que: La obturación de una sola línea de impulso 8b y 8c produce un nivel de ruido mayor que en el caso en que no hay obturación 8a .

Las comunicaciones inalámbricas, el futuro de la instrumentación La tecnología inalámbrica tiene muchas ventajas: se ahorran los costes del cableado (y el riesgo de errores que lleva asociado) y es más fácil realizar cambios. ABB respalda la introducción de la tecnología y coopera con otros proveedores para aplicar normas conjuntas.

L

a tecnología inalámbrica ha invadido la vida diaria en muchos niveles, desde los teléfonos móviles a los timbres de las puertas, desde los mandos a distancia de las televisiones al WiFi y las conexiones públicas a Internet. Por lo tanto, puede parecer extraño que se haya tardado tanto en que las comunicaciones inalámbricas lleguen a la automatización de procesos, a pesar de que las ventajas son evidentes y sea grande el interés del usuario final Cuadro 2 . La razón del desarrollo relativamente lento de las comunicaciones inalám16

La obturación de ambas líneas de impulso 8d produce un nivel de ruido menor que en el caso de ausencia de obturación. El nuevo algoritmo se autoadapta a las condiciones del proceso específico en el momento de la instalación. Permite detectar los eventos de obturación de las líneas de impulso con solidez frente

bricas en la automatización de procesos se entiende mejor cuando se consideran los requisitos especiales que plantea. Entre otros, la fiabilidad, la seguridad y la sencillez.

a las variaciones de las condiciones del proceso. Las conclusiones presentadas anteriormente se confirman en las publicaciones de la Universidad de Sussex [3, 4, 5] y en los laboratorios de ABB [6]. El beneficio obtenido por la reducción de costes en la detección de líneas de impulso obturadas se debe a la disminución del mantenimiento preventivo. El resultado del algoritmo PILD debe estar disponible en el lugar de mantenimiento y en la sala de control. Se debe vigilar el estado de todos los transmisores desde un punto de acceso central a través de Fieldbus y Asset Monitoring. Esto permite pasar de una configuración de mantenimiento preventivo a otra con un mantenimiento reactivo basado en los tiempos de reacción 9 .

de prueba y busca una norma abierta que satisfaga dichos requisitos y proporcione una red inalámbrica de múltiples proveedores.

El sector gasístico y petrolero se encuentra entre los primeros en reconocer las ventajas y los requisitos de una red inalámbrica en el ámbito de la instrumentación. A consecuencia de las pruebas efectuadas con proveedores importantes, como ABB, el sector gasístico y petrolero se encuentra entre los primeros en reconocer las ventajas y los requisitos de una red inalámbrica en el ámbito de la instrumentación. Estas pruebas tempranas utilizaron redes privadas que a menudo tenían el inconveniente de limitar la posibilidad de elección del proveedor, al tiempo que dejaban de satisfacer los tres requisitos indicados anteriormente. Sin embargo, demostraron el potencial de la tecnología para reducir los costes operativos. La industria ha superado ahora la fase Revista ABB 4/2007

Mejoras en el procesamiento de señales

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Hay dos grupos que trabajan en la actualidad en una norma de comunicaciones inalámbricas para la automatización de procesos. Si bien ambos comparten la misma tecnología de radio (802.15.4), por lo demás son

Cuadro 2

incompatibles. Estas dos normas en competencia son HART 7 e ISA SP100. De las dos, WirelessHART será la primera que estará disponible ya que su norma ya está redactada y ha superado una votación de las compañías

Ventajas de una red inalámbrica para la automatización de procesos.

Disponibilidad de la planta Una opción de bajo coste que aporta control del estado a equipos críticos (posicionadores – analizadores) para reducir tiempos de inmovilización inesperados. El acceso inalámbrico se puede incorporar en los instrumentos o añadir por medio de un adaptador de alimentación en bucle. Variación de procesos Una opción de bajo coste que aporta puntos para control del proceso antes de considerar inversiones costosas. Aporta a corto plazo puntos de control del proceso de bajo coste para ayudar a resolver problemas difíciles. Cumplimiento de la legislación ambiental y de seguridad Opción de bajo coste para controlar el funcionamiento de duchas de seguridad.

Opción de bajo coste para supervisar: Detectores de gas Emanación de agua Emisiones de gas Funcionamiento de válvulas de seguridad Trampas de vapor Control de procesos Acceso a información multivariable (por ejemplo, dispositivos de caudal másico de gas). Control de puntos lejanos o inaccesibles (puede que el cable precise ser tendido bajo carreteras o a una gran distancia). Comparación de señales analógicas y digitales (información de retorno de la válvula comparada con el valor fijado).

miembros. En la exposición ISA de septiembre de 2006 tuvo lugar una demostración de instrumentos WirelessHART, incluidos instrumentos de ABB, Emerson y Siemens. Sean Keeping Productos de automatización e instrumentación de ABB St Neots, Reino Unido [email protected] Eugenio Volonterio ABB SACE S.P.A. Lenno, Italia [email protected] Ray Keech Productos de automatización e instrumentación de ABB Stonehouse, Reino Unido [email protected] Gareth Johnston Productos de automatización e instrumentación de ABB St Neots, Reino Unido [email protected] Andrea Andenna Investigación corporativa de ABB Baden-Dätwil, Suiza [email protected]

Referencias [1] OIML International Recommendation, R49-1, Water meters intended for the metering of cold potable water and hot water. (Equipos medidores de agua destinados a la medición de agua potable fría y agua caliente) [2] Patente solicitada en el Reino Unido. Wray T, 30799GB [3] Zhu, H., Higham, E. H., Amadi-Echendu, J. E., Signal Analysis applied to Detect Blockages in Pressure and Differential Pressure Measurement Systems (Análisis de señal aplicado a la detección de bloqueos en los sistemas de medición de presión y presión diferencial), Actas de la Conferencia de Tecnología de Instrumentación y Medición de la IEEE, Vol. 2 (1994), páginas 741–744. [4] Zhu, H., E. H.Higham, Amadi-Echendu, J. E., The Application of Signal Analysis Methods in Orifice Plate-Differential Pressure Flow Measurements (La aplicación de los métodos de análisis de señal en las mediciones de presión diferencial en el flujo por orificios calibrados), Informe técnico, Universidad de Sussex. [5] Amadi-Echendu, J. E., Zhu, H., Detecting Changes in the Condition of Process Instruments (Detección de variaciones en el estado de instrumentos del proceso), IEEE Trans. Sobre instrumentación. [6] Andenna, A., Eifel, D., Invernizzi, G., Embedded diagnosis to detect plugged impulse lines of a differential pressure transmitter (Diagnóstico incorporado para la detección de líneas de impulso obturadas en un tranmisor de presión diferencial), Documento técnico, ABB Schweiz AG, ABB Forschungszentrum, ABB Sace S.p.A.

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