ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. ESTUDIO DEL SISTEMA DE CONTROL DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO LAGO AGRIO DEL OLEODUCTO TRANS - ECUATORIANO. TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. MARCO VINICIO CUNACHIAGUILAR. NOVIEMBRE DE 1996,
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Transcript
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA.
ESTUDIO DEL SISTEMA DE CONTROL DE LA
ESTACIÓN DE BOMBEO LAGO AGRIO DEL
OLEODUCTO TRANS - ECUATORIANO.
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO ENELECTRÓNICA Y CONTROL.
MARCO VINICIO CUNACHIAGUILAR.
NOVIEMBRE DE 1996,
Certifico que el presente trabajo fuerealizado en su totalidad por el señorMarco Vinicio Cunachi AguHar.
Director de Tesis.
DEDICATORIA:
A mis padres y hermanos, en forma muyespecial a mi hermana Rita en reconocimiento asu esfuerzo y sacrificio para ayudarme.
AGRADECIMIENTO:
Quisiera expresar mi sincero agradecimiento al Ing. MarcoBarragan quien acertadamente me guio en el desarrollo de estatesis, al Ing. Manuel Vülacis y a todas las personas que meayudaron en el desarrollo de toda mi carrera.
PROLOGO.
La idea de realizar este tema de tesis., tuvo como objetivo encontrar
ecuaciones que caractericen el comportamiento de la estación de bombeo
Lago Agrio. Para de esta forma tener una herramienta que permita
experimentar, explicar y predecir las condiciones de operación del sistema.
Al mismo tiempo, este trabajo pretende ser un aporte bibliográfico para el
Oleoducto Trans - Ecuatoriano, ya que servirá como sustento teórico -
práctico de las condiciones de operación.
Para lograr el objetivo planteado, se tuvo que realizar varias visitas a la
mencionada estación, con el fin de recopilar la mayor cantidad de
infonnación; este trabajo no se hubiera podido llevar a cabo sin la
importante colaboración de personal técnico que labora en Oleoducto.
CONTENIDO.
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
1.1 Importancia del tema „..„, , 2
1.2 Justificación sobre la selección del tema ., , , 4
1.3 Contenido 5
1.4 Descripción del sistema Oleoducto Transecuatoriano 6
1.5 Estación Lago Agrio de origen 8
CAPITULO II: BOMBAS CENTRIFUGAS
2.1 Generalidades 12
2.2 Definiciones , 14
2.2.1 Capacidad ...:.... 15
2.2.2 Cabeza , 15
2.2.3 Potencia 16
2.2.4 Eficiencia . 17
2.3 Curvas características , 17
2.4 Parámetros de íuncionainíento 19
2.4.1 Leyes de afinidad 19
2.4.2 Velocidad especifica 21
2.4.3 Cavitación 24
2.4.4 Carga de succión 24
2.4.5 Carga neta positiva de succión 26
2.5 Sistema de bombeo y curvas de cabeza 29
2.5.1 Energía enunfluido incompresible 31
2.5.1.1 Velocidad de cabeza 32
2.5.1.2 Presión de cabeza 32
2.5.1.3 Cabeza de elevación 33
2.5.2 Cabeza total 34
2.5.3 Carga del sistema 34
2.5.3.1 Carga estática ......... 35
2.5.3.2 Presión de cabeza ,. '..... 37
2.5.3.3 Pérdidas por fricción 37
2.5.3.4Pérdidas en la entrada y salida 42
2.6 Puntos de operación del sistema 42
2.6.1 Variaciones de los pnntos de operación 43
2.6.2 Variación de la cabeza estática ,. 44
2.6.3 Variación de la resistencia del sistema 45
2.6.4 Variación de la velocidad de las bombas 46
2.7 Cabeza total de la bomba 46
2.8 Operación en paralelo y en serie .- 47
2.8.1 Operación en paralelo 48
2.8.2 Operación en serie 49
2.9 Bombeo de líquidos viscosos , 49
2.9.1 Líquidos viscosos 50
2.9.2 Corrección de características 50
CAPITULO ni: APLICACIÓN AL CASO EN ESTUDIO.
3.1 Ecuaciones de carga del sistema 53
3.1.1 Corrección de las curvas características para que funcionen con petróleo.. 60
3.2 Ecuaciones de carga del sistema de bombeo 70
3.3 Puntos de operación 78
3.4 Diagrama de bloques del proceso actual y descripción 82
3.4.1 Convertidor de corriente apresíón 84
3.4.2 Governador y unidad motriz 85
3.4.3 Engranaje 87
3.4.4 Transmisor de presión 88
3.4.5 Controlador ...90
3.5 Obtención de la función de transferencia del proceso en lazo cerrado 91
CAPITULO IV: COMPENSACIONES.
4.1 Determinación de la función de transferencia del sistema en lazo abierto ..... 107
4.2 Modos de control 109
4.2.1 Control on - off 110
4.2.2 Control Proporcional 112
4.2.3 Control Proporcional Integral 115
4.2.4 Control Proporcional Integral Derivativo , 117
4.3 Diseño de las compensaciones utilizando el Lugar Geométrico de las Raices. 120
4.3.1 Diseño del Control Proporcional Integral, PI 123
4.4 Diseño del compensador utilizando métodos de calibración 130
4.4.1 Método de ganancia limite 130
4.4.1.1 Diseño del Control Proporcional Integral, PI 131
4.4.1.2 Diseño del Control Proporcional Integral Derivativo, PID 134
4.4.2 Método de Cohén - Coon 138
4.5 Conclusiones y recomendaciones 143
Bibliografía r. 146
ANEXO A: DATOS DEL CONTROLADOR.
ANEXO B: FACTORES DE CONVERSIÓN.
CARACTERÍSTICAS DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO.
*s?
; CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
1.1 Importancia del tema 2
1.2 Justificación sobre la selección del tema 4
1.3 Contenido 5
¿v 1.4 Descripción del sistema Oleoducto Transecuatoriano 6&
1.5 EstaciónLago Agrio de origen 8
1.1.- IMPORTANCIA DEL TEMA-
Para comprender la importancia del tema., es necesario primero entender que el petróleo
es el principal recurso no renovable y sostén de la economía nacional, financia alrededor
del 50% del presupuesto, por lo cual su adecuada producción y transporte son vitales
para el desarrollo del país.
Ecuador produce un promedio de 393248 barriles diarios, de los cuales, 370437
corresponden a la producción de los campos que administra Petroproducción y 82810
barriles a las compafiias que operan mediante contratos de prestación de servicios.
El potencial petrolero en cuanto a reservas se refiere es el siguiente: el país tiene un
petróleo origina! en sitio de 35 mil millones de barriles, donde hay que diferenciar muy
bien lo que es petróleo original en sitio y lo que son las reservas.
El petróleo original en sitio es el que está en el subsuelo, es decir el que está en los
yacimientos. Pero no todo el petróleo en los yacimientos es recuperable. Al petróleo que
se puede recuperar es lo que se conoce corno reservas.
Las reservas ( petróleo recuperable) de nuestro país son de 3500 millones de barriles.
Estas a su vez se dividen en probadas y probables.
Reservas probadas son las que directamente pueden ser extraidas y están entonces
incorporadas a la producción; se tiene aproximadamente 2500 millones de barriles.
Reservas probables son aquellas que existen en yacimientos que ya están descubiertos,
es decir, que se sabe que el petróleo está allí, pero no ha sido incoiporado a la producción
a través de perforaciones. Estas reservas son aproximadamente 1000 millones de barriles.
Hay una tercera categoría de reservas, que son las reservas posibles, y como su palabra lo
indica son las que todavía no son descubiertas, es decir son de riesgo.
De la explicación anterior, cuando se habla de petróleo., hay que tener muy en cuenta a
que reservas se esta haciendo referencia.
El Ecuador como pala está en la capacidad de producir mucho más petróleo, pero existen
restricciones en la capacidad de transporte., por el Oleoducto Transecuatoriano "SOTE"., y
de almacenamiento.
El Sistema del Oleoducto Transecuatoriano fue construido entre 1970 y 1972 por la
Compafíia William Brothers, contratista del Consorcio Texaco-Gulf El diseño original
de la tubería del oleoducto fue concebido para transportar 400 mil barriles diarios, y
para un crudo de 30 grados API. En 1972 se comenzó a transportar 250 mil barriles
diarios de petróleo de 30 grados API
El sistema además, ha sido ampliado en dos ocasiones: la primera ampliación a 300 mil
barriles diarios., entre 1984 y 1985 y la segunda, a 325 mil barriles diarios entre 1991 y
1992., y lo que se realizó es instalar unidades de bombeo adicionales.
El oleoducto es un medio de transporte estratégico al interior de la industria petrolera, ya
que armoniza la relación entre la fase productiva, la industrialización y la exportación del
crudo. Inclusive el Sistema del Oleoducto Transecuatoriano es el punto más sensible y
vulnerable de la industria petrolera., ya que su paralización anularla todo el proceso
productivo.
Como se mencionó en parte, las limitaciones de transporte del país obligan a restringir la
producción de crudo., que se mantiene a una tasa máxima de 390 mil barriles diarios. Los
350 mil barriles se transportan por el SOTE (esto se consigue con la ayuda de reductores
de fricción., ya que de no ser así, el transporte sería de 325 mil barriles diarios); se utiliza
inclusive el oleoducto secundario Lago Agrio - San Miguel, que se conecta con el
Oleoducto Transandino de Colombia (OTA) para transportar alrededor de 40 mil barriles
diarios de petróleo.
Petroproducción produce un petróleo de buena calidad de 29.5 grados API, pero la
producción de las empresas transnacionales es crudo pesado que está bordeando los 20
grados API; al transportarse por el SOTE, la mezcla baja la calidad del petróleo
ecuatoriano a 26 grados API, y por tanto su evidente impacto en el precio internacional
en unos 3 dólares menos por barril. Esta mezcla a la vez, genera dificultades en el
bombeo, ya que la viscosidad de crudos pesados es grande, de aquí la utilización de
reductores de fricción, que le cuestan al estado ecuatoriano alrededor de 10 mil dólares
diarios.
Por lo expuesto, el Oleoducto Transecuatoriano es el corazón mismo de la industria
petrolera en el pais. Texaco manejó la operación y administración del transporte del
crudo durante 20 de los 24 años de servicio del oleoducto, por tanto este medio de
transporte esta pocos años en manos de técnicos ecuatorianos.
Mediante el presente tema, se trata de dar un aporte teórico - práctico a las condiciones
de operación del oleoducto. Como el SOTE es muy amplio, se ha reducido el análisis a
la estación número uno Lago Agrio, para que una vez concluido el estudio los resultados
obtenidos sean extendidos fácilmente a las demás estaciones del sistema.
1.2.- JUSTIFICACIÓN SOBRE LA SELECCIÓN DEL TEMA
En muchos sistemas reales es conveniente tener una descripción matemática del proceso,
ya que de esta manera se tendrá un cabal conocimiento de las variables involucradas, se
podrá experimentar, analizar, y aprender sobre el proceso físico. Obtener el modelo
matemático de la estación, es decir, encontrar ecuaciones de las curvas características de
las bombas, como también para las curvas del sistema (tubería) permitirá tener una
manera de comprobar y predecir el funcionamiento del proceso ante determinadas
condiciones. En el presente trabajo se desarrolla el estudio matemático del sistema de
bombeo, asunto complejo, con un crudo de características representativas del bombeo
diario, en lo relacionado a densidad, temperatura y viscosidad, ya que de estos
parámetros depende la cantidad de crudo que se puede transportar, y respecto a lo que no /
hay información.^
El sistema de control es la parte crucial de todo proceso, ya que de éste depende el
control de las variables de interés. Describir a un sistema de control en diagrama de
bloques da facilidad de comprensión del proceso en sí, por que se presenta de una
manera concisa las variables involucradas. Representar el sistema de control de la
estación en bloques es muy ventajoso, indica las interrelaciones que existen entre los
diferentes componentes, y en definitiva muestra el flujo de señales del sistema, y la
acción de cada uno de los bloques.
Para el análisis de respuesta transitoria es conveniente utilizar un modelo matemático
representado en función de transferencia, ya que caracteriza las relaciones de entrada
salida del sistema. A partir de este modelo se puede comprobar el funcionamiento en
estado transitorio de la estación coa el compensador actual, y a sn vez analizar otras
compensaciones por medio de acciones de control que puedan garantizar el
funcionamiento de la variable controlada en los puntos fijos de operación.
1.3.- CONTEISODO.
En lo que falta de este primer capítulo, se describe al Sistema Oleoducto
Transecuatoriano., para tener una visión global de su funcionamiento, y sus características
roas representativas en cuanto a instalaciones y capacidad de bombeo. Se pone especial
énfasis en las características funcionales de la estación Lago Agrio.
En el capitulo n se detalla todo lo que tiene que ver con el bombeo de líquidos en
general, es decir, se definen las variables involucradas, se describen las relaciones
matemáticas para las curvas características de las bombas funcionando en diferentes
configuraciones, y también se dan sus parámetros de funcionamiento.
Los puntos de operación del sistema dependen del líquido que se bombea, por lo que se
hace un análisis muy detallado de los parámetros que intervienen y que se deben corregir
en las curvas características de las bombas cuando se transporta por ductos líquidos
viscosos, ya que los datos existentes son para agua.
Por último, se detallan las relaciones matemáticas para el sistema de bombeo (tubería)., y
se encuentran los puntos de operación del sistema total.
En. el capitulo 131, se aplican, los conceptos desarrollados en el capitulo anterior al caso
del SOTE, y particularmente, a la estación Lago Agrio, para encontrar las ecuaciones de
las curvas características de las bombas conectadas en paralelo. Además, se encuentran
las ecuaciones para el sistema de bombeo, claro está realizando las correcciones
respectivas en lo que tiene que ver a viscosidad y temperatura del crudo bombeado.
En este mismo capitulo, se representa el sistema de control en diagrama de bloques., y se
describe el funcionamiento de cada elemento involucrado encontrando sus respectivas
relaciones matemáticas. Por ultimo se encuentra la función de transferencia en lazo
cerrado del sistema de control de la estación.
En el capitulo IV se determina la función de transferencia del sistema en lazo abierto,
para luego proceder a mencionar las características del control por medio de acciones de
control, las •ventajas de cada caso.
Se analiza estabilidad mediante el lugar geométrico de las raices, primero sin
compensación, para luego proceder al diseño de las compensaciones utilizando acciones
de control. Al final del capitulo se dan las conclusiones y recomendaciones obtenidos en
el estudio.
Corno complemento., se presentan anexos en los cuales están incluidos., factores de
conversión de unidades, material técnico sobre el controlado!, características importantes
de las estaciones de bombeo.
1.4.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA. OLEODUCTO TRANSECUATORIANO,
El sistema del Oleoducto Tanaecuatoriano, está conformado por un duelo cíe
aproximadamente 500 Kilómetros de longitud, con. tubería que varia entre 20 y 26
pulgadas de diámetro y que corre el país de oriente a occidente.
Complementan el sistema., cinco estaciones de bombeo, situadas en Lago Agrio,
Lumbaqui., El Salado., Baeza y Papailacta., y cuatro estaciones reductoras de presión
ubicadas en San Juan, Chiriboga., La Palma y Santo Domingo.
Cada estación cuente con seis unidades de bombeo, propulsadas a motor diesel, que
consume crudo como combustible y conectadas para efectuar una operación en paralelo.
Actualmente se utilizan cinco unidades en cada una de las estaciones. La sexta se
mantiene de respaldo., y entra en operación cuando se realiza el mantenimiento de
cualquiera de las otras unidades instaladas.
El Oleoducto Transecuatoriano dispone de una capacidad total de almacenamiento de
53220000 bañiles de crudo en 18 tanques instalados en las estaciones de Lago Agrio y
Balao.
En Lago Agrio operan ocho tanques de almacenamiento de crudo, detechojlotante, con
capacidad de 250 mil barriles cada uno, lo que da un total de 2 millones de barriles. Dos
de esos tanques tienen además de techo flotante techo ñjo; estos reciben directamente la
producción de la compañía Maxus.
El terminal de Balao recibe el flujo transportado por el Oeloducto Transecuatoriano en
diez tanques que tienen capacidad para almacenar 322000 barriles cada uno, lo que da
una capacidad total de 3'220000 barriles.
En este terminal también operan dos monoboyas denominadas "X" y "Y", ubicadas a 3
Kilómetros de la playa, con capacidad de carga para buques de hasta 100000 toneladas
de pesojnuerto.
La monoboya "X"3 conectada a las instalaciones terrestres por la tubería submarina de 42
pulgadas de diámetro, opera a un caudal máximo de carga de 84 mil barriles por hora y
la monoboya "Y", conectada a la playa por una tubería submarina de 36 pulgadas de
diámetro., evacúa un caudal máximo de carga de 56 mil barriles por hora. La carga de dos
buques., en forma simultánea,, se concreta en 24 horas, aproximadamente.
El^ol&qductp dispone de un sistema de medición y fiscalización permanente del flujojiel
petróleo, actividad que se realiza en la estación de bombeo Lago Agrio y en el Terminal
de Balao.
La determinación de volúmenes se realiza diariamente ajas OóhOO. Todas las compañías
productoras disponen de un banco de medidores de flujo que contabilizan los barriles
entregados al oleoducto y luego de los correspondientes análisis de laboratorio, se obtiene
la calidad del petróleo., con el objeto de realizar las liquidaciones por diferencial de los
grados API y establecer los volúmenes que se han recibido y la cantidad exportada, de
conformidad con las normas vigentes.
Antes de que el crudo llegue al terminal de Balao, el oleoducto tiene una derivación que
sirve para entregar el petróleo a la refinería Estatal de Esmeraldas, a través de un banco
de medidores de flujo.
Finalmente en el Terminal de Balao, el crudo es almacenado en tanques y posteriormente
entregado a los buques - tanque [Ref. 23].
1.5.- ESTACIÓN LAGO AGRIO DE ORIGEN.
La estación Lago Agrio es la cabecera de la linea principal del oleoducto y controla el
sistema total. Las unidades de bombeo, a diferencia de las demás estaciones son siete, ya
que una de ellas se utiliza para enviar petróleo por el Oleoducto Transandino "OTA".
Como se indicó, para enviar crudo por el SOTE se utilizan cinco bombas
simultáneamente., manteniéndose una adicional siempre de respaldo, para entrar en
funcionamiento cuando cualquiera de las demás unidades falla, o se encuentra en
mantenimiento.
La estación toma el petróleo de los tanques de almacenamiento, pero de los tanques el
flujo sale a poca presión, por tanto existen tres bombas elevadoras de presión (Booster),
para dar al crudo la suficiente presión de succión necesaria para que entren en
funcionamiento las bombas centrifugas antes mencionadas.
Antes de entrar el petróleo a las unidades de bombeo, hay en cada bomba un
intercambiador de calor, con el objeto de enfriar el agua que sirve para bajar la
temperatura en los motores "ALGO"., y a su vez, el calor liberado calienta un poco al
crudo; esta pequeñísima elevación de temperatura ayuda mucho al bombeo, ya que es
conocido que a un líquido viscoso al elevar su temperatura baja su viscosidad, y opone
menos resistencia a ser movido. En definitiva, el crudo enfiia el agua, a y su vez el agua
calienta al crudo.
La figura 1.1 presenta la configuración de ésta estación.
Entrada del petróleo
-r—
r\ r\ /-\
\J
Bombas yengranaje
\J \J
Intercambiadorde calor
Salida
MentoresAleo
Fig. 1.1 Configuración de la Estación Lago Agrio.
10
CAPITULO u: BOMBAS CENTRIFUGAS
2.1 Generalidades 12
2.2 Definiciones 14
2.2.1 Capacidad 15
2.2.2 Cabeza 15
2.2.3 Potencia 16
2.2.4 Eficiencia 17
2.3 Curvas características 17
2.4 Parámetros de funcionamiento 19
2.4.1 Leyes de afinidad 19
2.4.2 Velocidad especifica 21
2.4.3 Cavitación ..,. 24
2.4.4 Carga de succión 24
2.4.5 Carga neta positiva de succión 26
2.5 Sistema de bombeo y curvas de cabeza '. ;... 29
2.5.1 Energía en un fluido incompresible 31
2.5.1.1 Velocidad de cabeza :....... 32
2.5.1.2 Presión de cabeza 32
2.5.1.3 Cabeza de elevación 33
2.5.2 Cabeza total 34
2.5.3 Carga del sistema 34
2.5.3.1 Carga estática 35
2.5.3.2 Presión de cabeza 37
2.5.3.3 Pérdidas por fricción 37
2.5.3.4Pérdidas en la entrada y salida 42
2.6 Plintos de operación del sistema 42
2.6.1 Variaciones de los puntos de operación 43
2.6.2 Variación de la cabeza estática 44
2.6.3 Variación de la resistencia del sistema 45
2.6.4 Variación de la velocidad de las bombas 46
2.7 Cabeza total de la bomba 46
2.8 Operación en paralelo y en serie , .„,... 47
11
2.8.1 Operación en paralelo 48
2.8.2 Operación en serie ., 49
2.9 Bombeo de líquidos viscosos 49
2.9.1 Líquidos viscosos 50
2.9.2 Corrección de características 50
12
2.1.- GENERALIDADES.
Las bombas centrifugas consisten de un conjunto de aspas (vanes) rotacionales,
encerrados dentro de una cubierta o caja, usados para impartir energía a un fluido a
través de una fuerza centrifuga. Una bomba centrifuga tiene dos partes importantes: (1)
un elemento rotacional, que incluye un dispositivo llamado impulsor y un eje, y (2) un
elemento estacionario constituido de la caja, otra caja de relleno, y cojinetes.
En una bomba centrifuga el liquido es forzado por la presión atmosférica o por cualquier
otra presión, en el conjunto de vanes rotacionales. Estos vanes constituyen el impulsor, y
son los que además descargan el liquido en su periferia a alta velocidad. Esta velocidad
es convertida en energía de presión por medio de una voluta (fig. 2.1) o por un conjunto
de vanes de difusión estacionarios (fig. 2.2), alrededor de la periferia del impulsor. Las
bombas con caja de voluta son generalmente llamadas en inglés volute pumps3 mientras
tanto que las que tienen vanes de difusión son llamadas diffuserpitmps [Ref. 1].
Los impulsores son clasificados principalmente como:
1. De simple succión, con una sola entrada en una de las caras
2. De doble succión., con el liquido fluyendo por el impulsor simétricamente por ambas
caras.
Los mecanismos de construcción de los impulsores dan aun una subdivisión principal:
1. Cerrados, con la cubierta o cara de la pared cerrando la vía del flujo, haciéndolo un
canal.
2. Abiertos, sin cubierta
3. Serniabiertos, o sernicerrados
Si la bomba es una en la cual la cabeza es desarrollada por un solo impulsor, ésta es
llamado bombo de una sola etapa. Muchas veces, la cabeza total a ser desarrollada
requiere el uso de dos o mas impulsores operando en serie, cada uno toma su succión
desde la descarga del impulsor anterior (fig. 2.3). Para este propósito, dos o más bombas
de una sola etapa son conectados en serie, o todos los impulsores pueden ser
incorporados en una sola caja.
Línea de ñuto
Voluta
Fig. 2.1 Sección transversal de la voluta
Fig. 2.2 Difusor típico de una bomba centrífuga.
14
En definitiva, si se necesitan, cargas mayores (mayor cabeza), se recurre a las bombas de
múltiples etapas, que tienen varios impulsores arreglados generalmente en serie., con el
objeto que cada uno de ellos adicione al fluido una carga H (cabeza) correspondiente con
su velocidad angular y diámetro exterior.
Con la distribución en múltiples etapas, se logra la ventaja adicional de reducción de la
fricción hidráulica., por lo que conduce a un aumento del rendimiento., con respecto a una
bomba de una sola etapa.
Las unidades de múltiples etapas son más fuertes, tienen cierre con pernos pretensados
que resisten en la superficie de contacto la acción de grandes presiones internas; en bajas
presiones se utilizan unidades de múltiples etapas con volutas, y en muy altas presiones
con difusor; estas ultimas le dan aspecto de barril a la bomba [Ref. 24],
t±l
Fig. 2.3 Esquema de tres impulsores de simple succión en serie.
2.2.- DEFECCIONES.
La acción del bombeo es la adición de energías cinética y potencial a un liquido con el fin
de moverlo de un punto a otro. Esta energía hará que el liquido efectúe trabajo, tal como
circular por uua tubería o subir a una mayor altura.
15
Una bomba centrífuga transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en la
energía cinética y potencial requeridas. La fuerza centrífuga producida depende tanto de
la velocidad en la punta de los alabes o periferia del impulsor como de la densidad del
liquido [Ref. 3].
Las características más importantes en la operación de las bombas centrífugas son la
capacidad Q, la cabeza H, la potencia P, y la eficiencia T|. Estas variables son
influenciadas por la velocidad n y el diámetro D del impulsor.
2.2.1.-Capacidad.
La capacidad Q es el volumen del fluido por unidad de tiempo entregado por una bomba.
En el sistema Inglés la unidad de medida está expresada usualmente en galones por
minuto (gpm) o, para bombas de capacidades grandes en pies cúbicos por segundo
(flrVs).
2.2.2.- Cabeza.
La cabeza H de una bomba representa el trabajo neto realizado en cada unidad de peso de
fluido que está pasando desde el lado de succión s a el lado de descarga d. Se calcula
como:
+ + z (2.!)r 2g )
En definitiva, una bomba centrífuga entrega una cabeza diferencial dada por:
ü ' -Wdescarga ~
Las unidades de H son comúnmente pies de líquido bombeado, en el sistema Inglés; por
tanto las unidades de los términos involucrados en la ecuación 2. 1 son:
— Presión estática/?, en libras fuerza por pie al cuadrado (lb/ñ2)
— Peso especifico y, en libras fuerza por pie cubico (Ib/ft3)
— Velocidad promedio del fluido V, en pies por segundo (ftVs)
Donde V— Q/A y A es el área de sección transversal pbr donde pasa el flujo en pies al»)
cuadrado (ñ )
- Aceleración de la gravedad g, en pies por segundo al cuadrado (ñ/s2), usualmente
tomado como 32.174 fVs2,
— Elevación Z, en pies, medido para arriba o para abajo del eje de rotación en una
bomba horizontal.
2.2.3.-Potencia.
La potencia de salida es comúnmente dada en caballos fuerza de liquido (liquid
horsepower Ihp) o caballos fuerza de agua si agua es el liquido bombeado. En el sistema
de medida Inglés, la potencia de salida Iph, en caballos de fuerza, está dada por:
O - H • (Sp .G r ) ,_,Ihp = ^- ¿- (2.3)
3 9 6 0
Donde:
Q — caudal engpm
Sp.Gr = gravedad especifica, es adimensional
H = cabeza en pies
2.2.4.-Eficiencia.
La eficiencia r\e la bomba, son los caballos de fuerza del liquido dividido por la
potencia de entrada al eje de la bomba. La potencia de entrada es usualmente llamada
caballos fuerza de ruptura o en inglés brake horsepower (bhp).
17
2.3,- CURVAS CARACTERÍSTICAS.
Los vanes de los impulsores de las bombas reales, tienen espesores finitos y son
relativamente muy espaciados,, esto hace que el fluido no fluya paralelamente a las caras
de los vanes aún en el punto de mayor eficiencia.
Para poder analizar las curvas características de las bombas, se debe tener muy en
cuenta lo que significa cabeza de liquido. En un sistema de bombeo, la carga se puede
medir en diversas unidades como pies de liquido (ft), presión en pies por pulgada
cuadrada (psi)., pulgadas de mercurio, etc., por tanto se debe saber la equivalencia
existente entre estas unidades.
Así, una columna de agua fría de 2.31 pies de altura producirá una presión de 1 psi en su
base. Por esta razón para el agua a temperatura ambiente, cualquier presión calculada en
psi se puede convertir a una carga equivalente en pies de agua al multiplicarla por 2.31,
corno se muestra en la figura 2.4.
Agua fría
Densidad relativa
2.31 pies
1 psi
Fig. 2.4 Equivalencia de la carga en psi. a píes de altura para agua fria
18
Para líquidos que no son agua fría, la columna de líquido equivalente de 1 psi? se obtiene
dividiendo 2.31 pies para la densidad relativa del liquido en consideración. Por tanto para
una misma presión se obtienen columnas de líquido diferentes (fig. 2.5).
Gasolina
Mercurio
3,08 ft
0.170ft
1 psi
Densidad relativa = 13.6 Densidad relativa = 0.75
Fig. 2.5 Columna de líquido equivalente para líquidos diferentes, a agua fría.
Las ecuaciones que relacionan lo antes expuesto son:
carga en piesPresión en psi = . densidad relativa
2.31(2.4)
psi* 2.31carga en pies =
densidad relativa(2.5)
Los fabricantes de bombas centrifugas representan gráficamente las curvas características
de las mismas, con mucha precisión . Es una practica común dibujar la cabeza H en pies
(ft), potencia P en hp, y la eficiencia TI en % como funciones de la capacidad en gpm para
una velocidad constante (fig. 2. 6).
CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA TÍPICA POR ETAPA
Capacidad, Q an gpm
Fig. 2.6 Curvas características que presenta el fabricante.
Las características de la figura 2.6., son para bombas de una sola etapa o lo que es lo
mismo, que tenga un solo impulsor. Si las bombas son de múltiples etapas, que están
conectadas en serie como la figura 2.3, la cabeza total de la bomba es la suma de la
cabeza generada por cada una de las etapas en otra forma :
— (Número de etapas)*(H por etapa) , y el caudal es el mismo para una etapa como
para muchas etapas.
Las bombas son diseñadas para operar en el punto de máxima eficiencia, por tanto la
cabeza, potencia, capacidad en el punto de mejor eficiencia, son los puntos nominales de
operación y se los designa por HN, Pw, Qw respectivamente.
2.4.- PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO.
Los parámetros de funcionamiento de una bomba centrifuga se describen a continuación:
2,4.1.- Leyes de afinidad,
Las características hidráulicas de una bomba centrífuga usualmente penniten variar las
condiciones de operación. Como se indicó anteriormente, el punto ideal de operación
debe ser el de máxima eficiencia; sin embargo, variaciones sustanciales en el flujo hacia
la derecha de la característica., incrementándose., o hacia la izquierda decrementándose, a
menudo son permisibles (ñg. 2.6)
Para mover las curvas características, se debe recordar que las bombas centrifugas son
máquinas que imparten velocidad al flujo y convierten esta velocidad en presión, por
tanto el ñujo y cabeza desarrollados pueden ser cambiados variando la velocidad de las
bombas o cambiando el diámetro de los impulsores. El cambiar los diámetros de los
impulsores, puede resultar en una pérdida de eficiencia, especialmente cuando el
diámetro es reducido. Sin embargo para pequeñas variaciones de velocidad, la eficiencia
no cambia apreciablemente [Ref. 1].
En definitiva, las relaciones que permiten predecir el funcionamiento de una bomba
centrífuga a una velocidad diferente a la indicada por el fabricante, son:
- Cambiando el diámetro del impulsor solamente, las ecuaciones son:
(2.6) m = H (2.7) bhpi = bhp{2- (2.8)
Cambiando la velocidad solamente.
(2.9) m = n (2.10) bhpi = bhP (2.11)
— Cambiando el diámetro y la velocidad.
(2-12) m = m \) bhp* = bhp (2.14)£1x
Donde:
Qi. HI, bhpi, DI y NI = Capacidad inicial, Cabeza, Potencia de entrada en caballos-
fuerza de ruptura (bhp), Diámetro del impulsor, y velocidad.
21
Q2. Ü2, bhp2, D2 y N2 = Nueva Capacidad , Cabeza, Potencia de entrada en caballos-
fuerza de ruptura (bhp), Diámetro del impulsor, y velocidad.
Para cambios moderados de la velocidad, estas relaciones se pueden utilizar sin peligro.
En las leyes para cambios del diámetro del impulsor existen ciertas desviaciones incluso
con reducciones más o menos pequeñas. Por eso en la figura. 2.7 se presenta la. reducción
recomendada con relación a la reducción teórica.
«ii?5 °O"
Q
100
9080
70
6050
403020 -\0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Diámetro calculado del impulsor, %del original
íg- 2.7 Diámetro recomendado, para reducciones pequeñas en los impulsores.
2.4.2.- Velocidad específica.
La velocidad especifica es un número índice que caracteriza al impulsor sencillo de
forma única., la cual está definida sobre la base de sus proporciones geométricas (D2/Do)3
utilizándose como número clasíficatorio de las proporciones, el aspecto y la rapidez de
giro de una bomba simple.
La velocidad específica es el término que relaciona los tres factores principales de las
características de rendimiento de una bomba simple: capacidad, carga y velocidad de
rotación. En su forma básica se tiene;
22
(2.15)
Donde:
Ns = velocidad especifica
N = velocidad de rotación de las bombas, en rpm
Q = capacidad, en gpm
H = cabeza, en pies (carga por etapa en una bomba de múltiples etapas).
Según la ecuación 2.15, la velocidad especifica se podría calcular en cualquier
condición de carga, capacidad y velocidad, pero esto no es correcto, ya que ésta se la
define para carga, capacidad y velocidad a la máxima eficiencia.
Las características físicas y el contorno general de los perfiles de los impulsores tienen
estrecha relación con sus respectivas velocidades específicas (tabla 2.1). Por lo tanto la
velocidad específica describirá de inmediato la configuración aproximada del impulsor.
Si el impulsor es de doble succión, esto es, dos en paralelo, se usa Q/2 en la ecuación
2.15, o se especifica que es de doble succión.
Del mismo modo., la velocidad especifica de una bomba dada, reflejará de inmediato las
formas de las curvas características de la bomba (fig. 2.8). También de está velocidad
depende la rnáxima eficiencia que se puede obtener (fig. 2.9).
TIPO:
PROPOSICIONES
FORMA DEL ASPA
RANGO DE Ns.
LENTAS (Radiales)
D2/D0 = 2.5
Plana con salida
circular.
500 a 1000
NORMALES
D2/D0 = 2.0
Circular en la salida
helicoidal a la entrada
1000 a 2000
RÁPIDAS
D2/D0 = 1.8/1.3
Helicoidal y
acampanada.
2000 a 4000
Tabla 2.1 Características de las bombas centrifugas» en los diferentes rangos de velocidades específicas.
23
D2
Do
f H.P.TI
Ns entre 500 a 1000 Ns entre 1000 a 2000
4 H.P.T1
Ns entre 2000 a 4000 Q
Fig. 2.8 Formas de los impulsores y gráficos de las curvas características para bombas centrífugas» endiferentes rangos de velocidades específicas.
100
90
80_rtucaiu
£
50
40
1000 a 3000 gpm
500alOOOgpm
200 a 500 rom100 a 200 gpm
menos de 100 gpm
500 1000 2000 3000 4000 5000
Velocidad aapacifica, Ns(U.S)
10000 15000
Fig. 2.9 Eficiencia de las bombas respecto a la velocidad especifica.
24
Las unidades con más alta velocidad específica son más eficientes, se caracterizan por
entregar más ñnjo y menos carga, y tienden a consumir altas potencias en el arranque.
Las unidades con velocidad específica grande, poseen una velocidad angular más
pequeña, su alta rapidez especifica se debe a su mayor relación Q/H.
2.4.3.- Cavitación.
Cuando se bombea líquidos, nunca se debe permitir que la presión en cualquier punto
dentro de la bomba caiga a menos de la presión de vapor del liquido a la temperatura de
bombeo, ya que éste se evaporiza formando cavidades de vapor, burbujas de vapor, que
son arrastradas a regiones de alta presión, provocando:
— Ruido, vibración, calda en las curvas de capacidad de la carga y eficiencia.
- Erosión, corrosión, picaduras en el impulsor.
2.4.4.- Carga de succión.
Es la carga total equivalente en la linea de centro de la bomba corregida con la presión
de saturación.
Se la define también como la carga estática en el tubo de succión de la bomba por encima
de la linea de centros de la misma, menos todas las pérdidas por carga de fricción para la
capacidad que se estudia, más cualquier presión que haya en el suministro de succión.
Los gráficos siguientes ilustran la forma de calcular la carga de succión:
Ps
A
Fig. 2.10 Carga de succión de la bomba, que tiene el tanque de almacenamiento arriba de la linea decentros» y tiene una presión diferente a la atmosférica.
25
hs = Hz - hfs -hi
A Hz
Bomba
Linea de centrosB
Fig. 2.11 Carga de succión,, cuando se tiene un tanque de almacenamiento a presión atmosféricaubicado arriba de la linea de centros de la bomba-
BombaLínea de centros
BHz
hs = - Hz-hfs -hi
Fig.2.12 Carga de succión, cuando se tiene un tanque de almacenamiento bajo la linea de centros, y apresión atmosférica
Cuando la carga de succión es negativa (fíg. 2.12), se cambia de signo y generalmente
toma el nombre de altura de aspiración.
26
Si se coloca un manómetro en el tubo de succión de la bomba, con la lectura corregida
para la altura hasta la linea de centros de la bomba, mide k carga total de succión por
encima de la presión atmosférica, menos la carga de velocidad en el punto que se
encuentra colocado [Ref. 3], En estos gráficos se tiene:
hsg = ns - hvs
Donde:
(2.16)
hi = pérdidas en la entrada en el punto A.
bfs = pérdidas por fricción entre A y B.
hvs = carga de velocidad en el punto B.
hsg = lectura del manómetro en B
Ps = presión en pies de liquido.
hs = carga de succión
Hz = distancia entre la Línea de centros de la bomba y el nivel del liquido en eltanque.
2.4.5.- Carga neta positiva de succión.
En las curvas de capacidades nominales, presentadas por los fabricantes en sus catálogos
de ventas, también incluyen la carga neta positiva de succión requerida (NPSHíR, como
se observa en la figura 2.13.
100 150
C«p»cW«d, opm
200 250
Fig. 2.13 Características del NPSH requerido para una bomba centrífuga típica.
27
La carga positiva neta de succión requerida (NPSEQa es la energia en pies de carga de
liquido, que se necesita en la succión de la bomba por arriba de la presión de vapor del
liquido a fin de que la bomba entregue una capacidad dada a una velocidad dada.
Siempre se debe tener suficiente energía disponible en la succión de la bomba para hacer
que el liquido llegue al impulsor y contrarreste las pérdidas entre la boquilla de succión y
la entrada al impulsor; luego, los alabes del impulsor aplican más energía al liquido. Por
consiguiente., la energía de succión que se tiene en un sistema de bombeo real se lo
denomina cabeza positiva neta de succión disponible (NPSH)A, la misma que debe ser
siempre mayor que la (NPSH)R en cualquier punto de operación. El rendimiento no se ve
afectado ante cambios de la (NPSH)A siempre y cuando cumpla la condición anterior; se
recomienda que este valor sea hasta un 30 % mayor que el indicado por el fabricante,
pero si por algún motivo es mayor que el 30 %, los sellos mecánicos de las bombas
sufrirán desgastes prematuros.
Cuando la (NPSH)A es menor que la (NPSH)R en el punto de operación, la bomba
empieza a tener cavitación y pierde eficiencia.
En términos matemáticos, la carga de succión neta positiva disponible se la define como
la lectura manométrica-, en pies de liquido., tomada en la succión referida al centro de la
bomba, más la carga por velocidad, corregida con la carga de saturación (fig. 2.14).
Línea de centrosHz>
Fig. 2.14 Forma de encontrar el OTSH aprovechable
28
s ¿\U = hsa + TT-?:' - TTsat— - (2.17)
Donde:
Y — peso específico
Hsat = carga equivalente a la presión de saturación que corresponde a la
temperatura del liquido bombeado,
hsg = carga de succión (medida manométrica)
Hvs = carga por velocidad.
Siendo Hvs = (2.18)¿g
Vs = velocidad promedio con la que circula el liquido en el tubo de succión.
g = aceleración de la gravedad.
En la figura 2.15 se dan los puntos de operación para máxima eficiencia de la bomba,
Si la bomba trabaja en los puntos (J^L) el NPSH debe ser mayor que el valor M.
500 1000 1500 2000
Caudal en gpm
2500 3000 3500
Fig 2.15 Punios de operación de una bomba centrifuga
Experimentalmente se ha encontrado un número para poder predecir si una bomba se
encuentra en cavitación, al que se le ha llamado parámetro de cavitación a, y
corresponde a la relación:
29
(2.19)
Donde:
a = parámetro de cavitación,
hs — carga de succión, en pies
H = carga desarrollada por la bomba, en pies
Por experiencia, se tiene que cuando a ^ 0.175 comienza la cavitación, y en caso de que
a « 0.09 el bombeo disminuye considerablemente (fig. 2.16).
%T\9
0.175
Fig. 2.16 Reducción de la eficiencia con respecto al parámetro a
2.5.- SISTEMAS DE BOMBEO Y CURVAS DE CABEZA.
La tubería y el equipo a través del cual el liquido fluye para y desde una bomba,
comprende el sistema de bombeo. En términos estrictos., una bomba solo puede
funcionar dentro de un sistema.
Solamente la longitud de la tubería contiene liquido controlado por la acción de la
bomba, esto es sólo una parte del sistema de bombeo (fig. 2.17).
30
Bomba
Longitud de la tubería
Fig. 2.17 Longitud del sistema controlado por una bomba.
*Los sistemas de bombeo son de distintas formas. Por ejemplo, la presión de succión y
descarga pueden estar constituidas por muchas ramas y manejadas por una sola bomba
(fig. 2.18). El sistema también podría tener muchas bombas , las mismas que pueden
estar conectadas en serie o en paralelo (fig. 2.19) y (fig. 2.20); en los dos casos, el flujo a
través del sistema es determinado por el funcionamiento combinado de las bombas.
Bomba
Fig. 2.18 Sistema con varias ramas
31
Bomba Bomba
Fig. 2.19 Sistema de bombeo con bombas conectadas en serie
Bomba
Bomba
Fig. 2.20 Sistema de bombeo con bombas en paralelo
También se pueden tener combinaciones de todos estos tipos de sistemas. El sistema a
través del cual el líquido es bombeado ofrece resistencia al flujo por muchas razones. La
bomba debe vencer la resistencia total del sis tema esto es, fricción más elevación y la
presión de cabeza deseada para el flujo.
2.5.1.- Energía en un fluido incompresible.
La energía total en pies o presión diferencial en libras fuerza sobre pulgada cuadrada
(psi) producida por una bomba, es una medida de la energía añadida al liquido y es la
diferencia de energía entre el punto donde éste deja la bomba y el punto donde éste entra
a la bomba. Es también la cantidad de energía añadida al liquido en el sistema. El total
de energía en cualquier punto de un sistema., es un término relativo y es la medida arriba
de algún eje arbitrario seleccionado.
32
Para un fluido incompresible se tiene energía en forma de velocidad, presión, y
elevación. El teorema de Bemoulli para un fluido incompresible que permanece en
estado estable sin pérdidas de energía en cualquier punto, es la suma de la cabeza de
velocidad, presión de cabeza, y elevación de cabeza, y esta suma es constante a lo largo
del flujo en el tubo, como se presenta en la ecuación 2.20. Sin embargo la energía H en
pies-lb/lb, o pies, en cualquier punto en el sistema es relativo al eje seleccionado.
(D(2.20)
Donde:
V— velocidad, pies/s (fVs).
g = aceleración de la gravedad, aproximadamente 32.17 pies/s2
p = presión lb/plg2 .
w = peso especifico del líquido, Ib/pies3
Z = elevación arriba del eje (+) o bajo (-),, pies
2.5.1.l.-Vélocidad de cabeza.
La energía cinética en la masa de un liquido es —mV2 o — (W/.g)V2. A la energía
cinética por unidad de peso se la denomina velocidad de cabeza, entonces se tiene
l o V2—WV IWg o — medida en pies.2 2g ,
Donde:
m = masa. Ib
W = peso, Ib fuerza
2.5.1.2.-Presión de cabeza.
La presión de cabeza, o trabajo de flujo, en un líquido es 144p/ro, en pies. El líquido que
tiene presión es capaz de hacer trabajo. Por ejemplo en un pistón teniendo área A y
33
vastago L, la cantidad de liquido requerido para completar un movimiento del vastago es
mAL. El trabajo que es Fuerza por distancia, por unidad de peso es 144 pAL /mAL, o
144 p/to.
La presión de cabeza desarrollada en psi (lb/plg2) es directamente proporcional a la
gravedad especifica (fíg.2.5) (numéricamente, la gravedad especifica es igual a la
densidad en gramog/cm3 y por tanto a la densidad relativa). La cabeza y la presión son
términos intercambiables; en el sistema inglés se tiene:
spgr 2,31
C7(2.23) p= (2,24)
Donde:
H = cabeza en pies de liquido, pies
p = presión en psi
sp gr = gravedad especifica
tn = peso específico, Ib/pies
2.5.1.3,- Cabeza de elevación.
La energía de elevación, o energía potencial en un liquido, es la distancia Z, en pies
medida verticalmente arriba o abajo del eje horizontal arbitrario seleccionado. El trabajo
requerido para elevar un liquido arriba del eje de referencia es WZ, y el trabajo por
unidad de peso es WZAV, o Z en pies.
En un sistema de bombeo, la energía requerida para elevar al liquido por arriba del plano
de referencia provee una bomba colocada en el eje de referencia, y produciendo una
presión que soportará el peso total del líquido en la tubería entre la descarga de la bomba
y el punto de la tubería donde el liquido esta siendo subido. Esta presión es AZuj/A, or
Zto (Ib/ft2) o ZW144 (lb/plg2). Por tanto, la cabeza es igual a la presión dividida para el
34
peso específico ZWtD o Z en pies. El liquido bajo el plano de referencia tiene cabeza de
elevación negativa.
2.5.2.- Cabeza total.
TD
Nivel de Energía total.1..l^.4
(Ib/pies3)sp»
Ejed
r
-
•
•
i
'i
p enpsiindicador
,.-. :.;/.-.:¿Jíz'j * v
e referencia
L
144p/tD
Z
H
• S ib ;
Fig. 2.21 representación de la ecuación de Bcmoulli
La fig. 2.21 ilustra un liquido bajo presión en un tubo. Para determinar la cabeza total H
en el lugar donde se está midiendo la presión p y relativa al eje de referencia, se utiliza la
ecuación de Bemoulli ( ecuación 2.20).
En el gráfico se puede apreciar también que la cabeza total H eg equivalente a 1 Ib de
liquido elevado H pies arriba del eje de referencia ( V = 0).
2.5.3.- Carga del sistema.
El sistema de bombeo puede consistir de la tuberia, válvulas, reguladores, canales
r abiertos, medidores, etc.; tales componentes se oponen al paso del liquido, pues estos
35
elementos tienen una resistencia al paso del flujo, la resistencia se incrementa al
aumentar el paso del flujo. Para vencer la resistencia del sistema, la bomba debe ser
capaz de dar la cabeza necesaria para subir el liquido desde el nivel de succión al nivel
alto de descarga. En algunos sistemas la presión en la descarga del liquido debe ser más
alta que la presión en la succión del liquido, incrementándose asi la carga del sistema,
por tanto se deben analizar todos los parámetros que intervienen de acuerdo a la
configuración de cada sistema de bombeo.
En resumen, las bombas deben aplicar al liquido energía formada por los siguientes
componentes:
1. Carga estática
2. Presión de cabeza
3. Pérdidas por fricción
4. Pérdidas de entrada y salida.
5. Pérdidas en accesorios.
2.5.3.1.- Carga estática.
La carga estática total de un sistema es la diferencia en elevación entre los niveles del
liquido en los puntos de descarga y de succión de la bomba. La carga estática de
descarga es la diferencia en elevación entre el nivel del liquido de descarga y la linea de
centros de la bomba.
La carga estática de succión puede ser negativa si el nivel del liquido para succión está
debajo de la linea de centros y generalmente se la llama altura estática de aspiración. En
todo sistema la carga estática total es:
Z (carga estática total) = Zs(carga estática de descarga) - Zi (carga estática de succión)
Las figuras 2.22, 2. 23, y 2.24 aclaran el concepto.
Cargaestática desucción
1III
Carga estáticatotal Bomba
Presión atmosférica
l i l i
Carga estáticade descarga
Presiónatmosférica
Fig.2.22 Carga estática total, para un sistema con nivel de succión bajo la linea de centros de la bomba
Ps
Carga estáticatotal
Bomba
Fig. 2.23 Carga estática total para un sistema con el nivel de succión arriba de la líneade centros de la bomba
Ps
Carga estáticatotal
Bomba
Pd
Fig. 2,24 Carga estática total, COQ el nivel de succión más arriba que el nivel de descarga
37
2.5.3.2.-Presión de cabeza.
Cuando el nivel de liquido de succión o de descarga está sometido a una presión
diferente a la atmosférica (fig. 2.23), ésta debe ser cambiada a un equivalente en presión
de cabeza. Tanto la presión de cabeza como la presión estática no cambian con la
variación del flujo, por tal motivo a la suma de éstas se las conoce como cabeza fija del
sistemo (FSH) .
En el sistema de bombeo se define el inicio en el lado de succión y el final en el lado de
descarga. Por tanto la cabeza fija del sistema, es el cambio neto en la energía total desde
el inicio hasta el fin. La cabeza en el punto de succión referido a la linea de centro de la
bomba es 144 Ps/tu (fig. 2.23) , y en el punto de descarga es 144 Pd/m + Z, luego el
cambio neto es la cabeza final menos la cabeza inicial, tal como se aprecia en la
ecuación 2.21.
(2.21)
2.5.3.3.-Pérdidas por fricción.
En flujo incompresible a régimen permanente por un tubo, las irreversibilidades se
expresan en función de las pérdidas de cabeza (altura) o calda de linea hidráulica de
altura; en otras palabras., caldas de presión. La línea hidráulica de altura está p/tn
unidades arriba del centro del tubo., y si z es la altura del centro del tubo, entonces z +
P/TD es la elevación de un punto colocado en la línea hidráulica de altura. Las pérdidas o
irreversibilidades causan que esta línea caiga en la dirección del flujo.
Para calcular las pérdidas por fricción en tubos, se utiliza la ecuación experimental de
Dancy - Weisbach:
,LV (2.22) Si se considera que las pérdidas son solamente por fricción.
38
Donde:
hf = pérdidas por fricción
f = coeficiente de fricción, y es adimensional.
L = longitud de la tubería.
V = velocidad promedio del flujo
D = diámetro interior del tubo.
El factor de fricción f se selecciona de tal manera que la ecuación 2.22 produzca
correctamente la pérdida de carga., por tanto f no es una constante sino más bien depende
de la velocidad V3 del diámetro D, de la densidad p, de la viscosidad ji y de ciertas
características de rugosidad para la pared representada por e, 6C y m, donde B es una
medida de las proyecciones de rugosidad y tiene las dimensiones de longitud, GL es una
medida de la disposición o espaciamiento de los elementos de rugosidad cuyas
dimensiones son también de longitud, y m es un factor de forma dependiente de la forma
de los elementos de rugosidad individuales y es adimensional, por tanto f depende de:
(2.23)
Como f es adimensionaí, depende de la agrupación de las cantidades anteriores de tal
forma que se obtengan parámetros adimencionales.
(2-24)
En esta fórmula, cuando el tubo es liso, no hay rugosidades, ni factor de forma, esto es,
e= 6C = m = 0.
En la misma expresión a:
• —— = R t es el número de Reynolds. (2.25)
39
En tubos rugosos el término s/D se llama la rugosidad relativa. Debido a la extrema
complejidad de las superficies naturalmente rugosas, muchos de los avances en la
comprensión de las relaciones básicas se han desarrollado alrededor de experimentos en
tubos hechos rugosos artificialmente, por tal motivo la ecuación de Dancy -Weisbach se
adapta mejor para flujo turbulento [Ref. 2].
Diagramas de Moody.
Moody ha construido una de las gráficas más convenientes para la determinación de
factores de fricción en tubos comerciales limpios (fig. 2.25). La gráfica es un diagrama
que expresa a f como una función de rugosidad y el número de Reynolds.
Los valores de rugosidad absoluta para los tubos comerciales se determinan por
experimentación, R se puede calcular y, teniendo 6/D (que son datos de los fabricantes
de tubos) se encuentra rápidamente f de la misma figura.
Calculando R3 se puede determinar si el flujo de un fluido es laminar o turbulento. Para
valores de R menores de 2000, el flujo es laminar. Las partículas del liquido siguen
trayectorias que no se interceptan, sin torbellinos o turbulencia.
Cuando R es mayor que 4000, existe un flujo turbulento. Las trayectorias de las
partículas liquidas son sumamente irregulares, y continuamente se cruzan.
En la zona crítica cuando 2000 < R < 4000, generalmente se considera que el flujo es
turbulento.
Para flujo laminar., las rugosidades o condición de la cara interna del tubo no tiene efecto
en el factor de facción, llegando a ser:
/ - — (2.26)R V '
^i^
^JLm
^^
Rey
nold
s nu
mbc
r, R
e =
- —
Di a
gr-
ima
de
N
onrl*
41
Las pérdidas por fricción ocasionadas por el flujo del líquido en la tubería, válvulas,
accesorios., etc. varían proporcionalmente al cuadrado del flujo, así la ecuación 2.22
cambia a:
(2.27)
donde:
hf=pérdidas por fricción
K= constante
Q = caudal
Las pérdidas por fricción se presentan gráficamente en la figura 2.26
Pérdidas por fricción
Q, opm
Fig. 2.26 Curva característica de fricción del sistema
Sumando la carga por fricción, la carga estática total, y la presión de cabeza, se tiene la
curva de carga del sistema (fig. 2.27).
42
(O
o-u
45
40 -
35 -
30 . -
25
20
15
1 0 • •
5 - •
O
Cabeza estática mas cabeza de presión
Cabeza estática
O 10 15 20
Caudal
25 30 35 40
Fig. 2.27 Cabeza total del sistema.
Como se puede ver en el gráfico., sólo ks pérdidas por fricción varían con el caudal., las
demás permanecen constantes.
2.5.3.4.-Pérdidas en Ja entrada y salida.
Las pérdidas de entrada generalmente se producen cuando la toma de la bomba está en
un depósito, tanque o cámara de entrada, y ocurren en el punto de conexión de la tubería
de succión con el suministro., por tanto un buen diseño de la entrada al tubo disminuirá
considerablemente estás perdidas.
En el lado de descarga, cuando el tubo termina en algún cuerpo de líquido, se pierde
toda la carga de velocidad, y se considera como pérdidas totales por fricción. Si lo antes
mencionado no ocurre, las pérdidas a la salida casi son nulas.
2.6.- PUNTOS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA.
En general la curva característica cabeza - caudal del sistema se puede construir de la
siguiente manera:
r 1. Definir el sistema de bombeo y la longitud de la tubería, (realizando dibujos).
43
2. Calcular o medir la cabeza fija del sistema
3. Calcular la cabeza total, todas las pérdidas a través de la tubería, válvulas, reguladores
y equipo en el sistema para varios valores de flujo.
Al poner en un mismo gráfico las curvas características totales de las bombas como del
sistema, el punto de operación del sistema de bombeo es la intersección de las dos
curvas, es decir, se define un punto de cabeza-caudal, dependiendo de la velocidad de las
bombas (r.p.m.), (fig.2.28).
PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO
5000
2000 4000 6000 8000 10000 12000
CAUDftLBíGPM
14000
Fig. 2.28 La intersección de Ins dos curvas define el punto de operación
2.6.1.-Variaciones de los puntos de operación.
En el sistema de bombeo, para un valor de flujo se tiene un valor de cabeza (fíg. 2.28), y
la bomba centrífuga operando a velocidad constante desarrolla el flujo que fija la
intersección de las dos curvas caracteristicas.
En un sistema de bombeo, los puntos de operación se pueden cambiar, variando las
condiciones del sistema. Por ejemplo, cambiando las condiciones de la válvula en la
descarga de la bomba (válvula de descarga), cambiando el nivel de liquido en la
44
descarga como también en la succión, realizando cambios en el proceso., cambiando el
número de bombas que están funcionando., y cambiando la velocidad de rotación de las
bombas. Todos los cambios mencionados se pueden hacer sin modificar la configuración
del sistema.
2.6.2.~Variación de la cabeza estática.
Esto ocurre en un sistema en donde la bomba succiona el liquido de un reservorio y llena
otro. En el tanque de succión, conforme se bombea, el nivel comienza a bajar, mientras
tanto que en el reservorio de descarga el nivel del liquido sube; estos hechos producen
una cabeza estática variable., que a su vez cambia el punto de operación de la bomba
(fig.2.29) .
Z mínimo
BombaoLJ
Fig. 2.29a, Nivel inicial de los reservónos, definiendo una cabeza estáticamínima
Z máximo
Fig. 2.29b. Nivel final de los reservónos, definiendo una cabeza estática máxima
45
rt.o
oJD
TI
Í3
rtO
Flujo, gpm
Fig. 2. 29c. Puntos de operación cuando la presión estática es variable
2.6.3.- Variación de la resistencia del sistema.
Cambiando las condiciones de la válvula de descarga se alteran las pérdidas por fricción
de la curva cabeza-caudal del sistema (fig. 2.30). Cuando la válvula está completamente
abierta se obtiene el máximo flujo, y al ir cerrando la válvula de descarga se disminuye
el flujo bombeado. Cuando la válvula está totalmente cerrada la bomba opera en
condiciones de corte de flujo.
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Caudal, gpm
Fig. 2.30 Cambió de los puntos de operación, cambiando la resistencia del sistema
2.6.4.- Variación de la velocidad de las bombas.
Otra fonna de cambiar la cabeza y capacidad de un sistema, es cambiar la velocidad de
las bombas, esto se logra cambiando la velocidad de las unidades motrices, y por tanto
modificando las curvas características de las bombas (fig. 2.31).
4500
O 1500--
1000
500
O
Carga - Capacidad de las bombas
Carga - Capacidad del sistema
O 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
CAUWVL m GPM
Fig. 2.31 El punto de operación se va moviendo al cambiar la velocidad N de la bomba,
2,7.- CABEZA TOTAL DE LA BOMBA-
La cabeza total de una bomba es la diferencia de energía en el punto de descarga de la
bomba y el punto de succión [ Ref. 1]. Aplicando el teorema de Bernoullí se encuentra la
cabeza total:
coa
47
la cabeza en el punto de succión es:
2g ¿Dr
por tanto la cabeza total es la siguiente:
T H = < . + + z,> _ ( l + + Zí) (2.28)^ 2g ' ^ GTs 2g J ^ }
La cabeza total TH puede encontrarse en una instalación poniendo medidores de presión
en la succión y descarga de la bomba, para luego sustituir estos valores en la ecuación
2.28. Otra forma de obtener la cabeza total de una bomba centrifuga es midiendo la
diferencia de energía entre dos puntos en el sistema de bombeo, uno a cada lado de la
bomba3 obteniendo todas las pérdidas y sumándolas a la diferencia de energía entre los
dos puntos. Sea 1 el punto del sistema que se encuentra antes de la succión y 2 el punto
que está luego de la descarga, entonces la ecuación que sirve para hallar TH es:
TH — í ^2 I + 7 - í \ ( P1 + 1 -i- 7 A 4. "V hr(\ (9 ?Q"l_í jj -— ^ ™ ~ ¿j ¿ j i • ~ ~ JLJ i j ~ / f t j \ i— •*•_/ \¿*.¿*yj072 2 g 071 2 g
Donde:
IH = cabeza total de la bomba
V = velocidad promedio, pies/s
g = aceleración de la gravedad, aproximadamente 32317 pies/s2
p = presión, lb/plg2 (psi).
w = peso especifico del líquido, Ib/pies3
Z = elevación arriba del eje (+) o bajo (-), pies
Z lie — suma de las pérdidas entre los puntos 1 y 2
2.8.- OPERACIÓN EN PARALELO Y EN SERIE.
.Dos o más bombas se pueden poner en paralelo o en serie, dependiendo de los
requerimientos de servicio tanto en cabeza como en caudal que se desea El método que
48
se expone es adecuado para bombas que están dentro de una misma estación, ya que si
no es de esta forma, aparecen serias presiones transitorias y hay que poner especial
cuidado en el momento del arranque y de parada del sistema.
2.8.1.- Operación en paralelo.
La operación en paralelo de dos o más bombas generalmente se la utiliza cuando se
requiere capacidades mayores a la que puede dar una sola bomba. Con esta forma de
conexión se consigue operar muy cerca a la máxima eficiencia.
Las curvas características combinadas de dos o más bombas en paralelo se consiguen
sumando horizontalmente las capacidades que tienen la misma cabeza como se observa
en la figura 2.32., repitiendo este proceso para muchos puntos. Es necesario indicar que
las curvas características cabeza - caudal no necesitan ser idénticas.
En la misma figura, se observa que las curvas H - Q de las bombas cambian al
conectarse en paralelo, pero la curva del sistema permanece fija., esto demuestra que el
caudal bombeado por dos bombas en paralelo siempre es menor que 2 veces el caudal
bombeado por una sola bomba.
u
Qr Capacidad, gpm
Fig. 2.32 Curvas cabeza - capacidad de dos bombas iguales en paralelo
49
2.8.2.- Operación en serie.
La conección de bombas en serie generalmente se la utiliza para suministrar grandes
cargas, ya que una sola bomba no la puede generar.
Para la operación en serie, la curva combinada de funcionamiento se obtiene sumando
verücatmente las cabezas, manteniendo el mismo caudal para las dos bombas (fig. 2.33),
repitiendo este proceso para muchos puntos.
•9o
Q — constante Caudal, gpm
Fig. 2.33 Operación de doe bombas iguales en serie,
2.9.- BOMBEO DE LÍQUIDOS VISCOSOS.
Las características de las bombas suministradas por los fabricantes son para agua fda.
Por tanto estas características se comportan diferente, dependiendo del liquido manejado.
El líquido manejado por una bomba afecta a:
1. La columna y capacidad a las cuales puede operar la unidad.
2. La potencia demandada por la bomba
3. Los materiales de construcción que deben usarse para asegurar una vida satisfactoria
de la bomba.
50
En bombeo se encuentra cuatro clases de liquido., además del agua:
1. Líquidos viscosos.
2. Líquidos volátiles
3. Líquidos químicos y,
4. Líquidos con sólidos en suspensión.
En bombeo de crudo., generalmente el problema del liquido es su viscosidad, como ya se
vio al calcular las pérdidas por fricción, estas afectan también al funcionamiento de las
bombas en sí.
2.9.1.- Líquidos viscosos.
En definitiva para problemas de bombeo la viscosidad se considera como una medida de
la fricción interna de un líquido., que produce una resistencia al flujo a través de un tubo,
válvula, bomba, etc. Las unidades que comúnmente se utilizan para la viscosidad son los
SSU (segundos universal Saybolt), centistokes (viscosidad cinemática) o, centipoises
(viscosidad absoluta).
2.9.2.- Corrección de Características.
Para corregir las características de las bombas cuando trabajan con líquidos viscosos, se
utiliza la figura 2.34, en la misma se puede obtener los factores de corrección para
líquidos viscosos de bombas centrifugas, no debiendo usarse para bombas de diseños
especiales.
Cuando se utilizan bombas de múltiples etapas, la corrección se realiza en una etapa, y se
usan sólo para líquidos uniformes - lodos, gelatinas, pasta de papel etc.
o o en U)
en í° u» O n 5-"
B CU
fS I- n i o." 8.
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UE
TE
RS
.
OJ
CD 0
52
CAPITULO III: APLICACIÓN AL CASO EN ESTUDIO.
3.1 Ecuaciones de carga del sistema 53
3.1.1 Corrección de las curvas características para que funcionen con petróleo. 60
3.2 Ecuaciones de carga del sistema de bombeo 70
3.3 Puntos de operación 78
3.4 Diagrama de bloques del proceso actual y descripción 82
3.4.1 Convertidor de corriente a presión 84
3.4.2 Govemador y unidad motriz 85
3.4.3 Engranaje 87
3.4.4 Transmisor de presión 88
3.4.5 Controlador..... 90
3.5 Obtención de la función de transferencia del proceso en lazo cerrado 91
53
CAPITULO ni: APLICACIÓN AL CASO EN ESTUDIO.
Una vez que en el capitulo anterior se presentaron loa fundamentos teóricos sobre el
funcionamiento de las bombas centrífugas, en este capítulo se busca aplicar estos y otros
conceptos al caso del bombeo en la estación Lago Agrio
3.1.- ECUACIONES DE CAJIGA DE LAS BOMBAS.
En la figura 3.1, se tienen las curvas características suministradas por el fabricante de las
bombas centrifugas que existen en la estación de bombeo Lago Agrio [Ref. 6]. Estas
curvas son sólo para una etapa a la velocidad nominal y diferentes diámetros de
impulsores.
Las curvas de capacidades nominales de la bomba centifuga, indican las características
carga - capacidad para distintos diámetros de impulsores, así como también su respectiva
potencia a la entrada. Además., indican la eficiencia que se puede obtener cuando
funciona a un determinado caudal.
En la estación de bombeo Lago Agrio el diámetro del impulsor es de 12 1/16 plg
(pulgadas), pero en la gráfica de capacidades nominales no existe la curva característica
para este impulsor, por tanto utilizando las leyes de afinidad, primero se consigue la
característica para el nuevo diámetro de éste.
Por facilidad de cálculo, se utiliza la característica para el impulsor de 13 plg de
diámetro, y sacando un cuadro de valores para manipular mejor los datos se tiene la tabla
3.1.
543100-52 SEPTCMtilIFÍ 30. 1 3 7 S
SUPERSEOES 310ü-»'¿J A M U A R Y 3 I. I 973
NOTE 13 3/8" MAX. DÍA. EXTRA COSTR E F E R T O SAN JOSÉ
Fíg. 3.1 Curvas características por eUpa de las bombas que existen "en lá'esíflci&nXHgo Agrio
»
^
'
55
Caudal en gpm
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
' 2000
2250
2500
2750
3000
3250
3500
Cabeza en pies
738
742
748
750
750
748
740
730
718
698
670
640
604
564
518
Potencian, bbp
95
108
122
140
160
185
192
209
225
243
259
270
283
297
306
Máxima eficiencia
Tabla 3.1. Valores que definen las curvas características por etapa de una bombacentrífuga para un impulsor de 13 plg.
De la tabla 3.1 las características nominales por etapa son:
A
máxima eficiencia TJ
capacidad nominal Qw
cabeza nominal
velocidad nominal
83%,
2500 gpm (galones por minuto)
670 pies
3560 rpm
Utilizando las ecuaciones de afinidad cuando se cambia el diámetro del impulsor
(2.7) bhpi = bhpD
(2-8)
*
56
y siendo Qu Hu dhpi, los valores de la tabla 1, DI = 13 plg. y D2 = 12 1/16 plg, los
valores obtenidos para las curvas características son:
Capacidad en gpm
0
231.971154
463.942308
695.913462
927.864615
1159.85577
1391.82692
1623.79808
1855.76923
2087.74038
2319.71154
2551.68269
2783.65385
3015.625
3247.59615
Cabeza en pies
635.395756
638.839636
644.005455
645.727395
645.727395
644.005455
637.117696
628.507997
618.176359
600.956962
576.849806
551.02071
520.025795
485.587001
445.982387
Potencia de entrada enbhp
75.8936653
86.2791142
97.4634438
111.843296
127.82091
147.792927
153.385092
166.966064
179.748155
194.128007
206.910098
215.697785
226.083234
237.267564
244.45749
Máxima eficiencia
Tabla 3.2. Valores que definen las curvas características por etapa de una bomba
centrífuga con impulsor de 12 1/16 plg. de diámetro.
De la gráfica 3.1 y de la tabla 3.2, se obtienen los nuevos valores nominales para las
curvas de las bombas centrifugas., estos son:
máxima eficiencia i] = 8 1 %
capacidad nominal Qw = 23 1 9.7 1 1 54 gpm
cabeza nominal HN = 576.849806 pies
velocidad nominal NN = 3560 rpm
En la figura 3.2 se presentan las curvas características corregidas para el impulsor de 12
1/16 plg. de diámetro
57
700650 -fino -"ñ^n -
- 500 -" 450 -•§ 400 -0 350-
^nn -250 -200 -
^' —^-^
^^^
"
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Caudal, gpm
Fig. 3.2a Curva cabeza - caudal por etapa de una bomba centrifuga que existe en la estaciónLago Agrio, para un impulsor de diámetro 12 1/16 plg y velocidad de rotación de3560 rpm.
Potencia de entrada600
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
gpm
Fig. 3.2b Potencia de entrada por etapa de una típica bomba centrífuga que existe en laestación Lago Agrio para un impulsor de diámetro 12 1/16 plg. y velocidad derotación 3560 rpm.
El sistema de bombeo, casi siempre funciona con 5 bombas, y muy raramente con 4.
Cada bomba está accionada por una unidad motriz de velocidad "variable. Las "unidades
motrices para estos casos dan una velocidad de rotación de 1015 rpm, y entre los ejes de
cada unidad motriz y bomba se acopla un engranaje incrementador de velocidad
cuyo factor es 3.64, es decir las 1015 rpm se incrementan 3.64 veces.
58
La velocidad a la que funcionan las bombas es entonces 1015* 3.64 rpm = 3694.6 rprn;
por consiguiente hay que corregir la curva original para la nueva velocidad., para lo cual
al igual que antes se utilizan las siguientes leyes de añnidad:
Cambiando el diámetro y la velocidad.
N
Donde Q¡, HIS dhpi, son los valores de la tabla 1, DI = 13 plg. D2 = 12 1/16 plg, NI =
3560 rpm. N2 = 3694.6. Las curvas características para las nuevas condiciones se dan en
la figura 3. 3.
750700-650 -fino j
t: 550 -í*1 ^nn -^ 450 -o 400 -
350 -300 -250 -"?nn
-= — -,•• —^--^
^ -- ^' ^^
^
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Caudal, gpm
Fig. 3.3a Curvas cabeza - caudal por etapa de laa bombas centrífugas que existen en la estación LagoAgrio para un impulsor de diámetro 12 1/15 plg. y velocidad de rotación de 3694.6 rpm.
Potencia de entrada600
500-
400-bhp
300
200-
100
0-500 1000 150O 2000
Caudal, gpm2500 3000 3500
Fig. 3.3b Potencia de entrada por etapa de las bombas centrífugas que existen en la estación Lago
Agrio para un impulsor de diámetro 12 1/16 plg. y velocidad de rotación de 3694.6 rpm.
59
La eficiencia para estas nuevas condiciones de funcionamiento de las bombas, sigue
siendo 81 %3 esto se puede apreciar sobreponiendo la nueva curva carga- capacidad, en
las curvas características dadas por el fabricante, y considerando además que para
variaciones pequeñas de velocidad la eficiencia prácticamente permanece constante.
Los valores calculados que definen las curvas de la figura 3.3 son:
Cauda!, en gpm
0
240.741749
481 .483497
722,225246
962.966994
1203.70874
1444.45049
1685.19224
1925.93399
2166.67574
2407.41749
2648.15923
2888.90098
3129.64273
3370.38448
Cabeza, en pies
684.351409
688.060631
693.624463
695.479074
695.479074
693.624463
686.20602
676.932966
665.8053
647.259192
621.29464
593.475477
560.092481
523.000264
480.344214
Potencia de entrada, BHP
169.66326
196.452195
214.311486
250.030067
285.748648
308.072761
339.326519
375.0451
401.834036
428.622972
464.341553
482.200843
508.989779
526.84907
544.70836
Máxima eficiencia
Tabla 3.3. Valores que definen las curvas características por etapa, para una bombacentrífuga, impulsor de diámetro 12 1/16 plg. y velocidad de rotación3694.6 rpm.
Déla tabla 3.3 y del gráfico 3.3, los nuevos valores nominales son:
máxima eficiencia TJ =81%,
capacidad nominal QN = 2407.41749 gpm
cabeza nominal H^ = 621.29464 pies
velocidad nominal NN = 3694.6 ipm
potencia nominal BHP^ 464.3415 bhp.
3.1.1.- Corrección de las curvas características para que funcionen con petróleo.
Una vez que se han obtenido las curvas corregidas, procede ajustarles para el caso de
petróleo y no de agua.
Los datos promedio del crudo bombeado por la estación Lago Agrio en el mes de julio
de 1996 son:
API = 25.8 tomado a 60 °F
Sp. Gr = 0.8996 a 60 °F
La viscosidad cinemática en función de la temperatura se presenta en la tabla 3.4:
Temperatura en °F
80
100
120
Viscosidad cinemática en centistokes (cst).
41.5
27.8
18.7
Tabla 3.4 Viscosidad cinemática en función de la temperatura delpetróleo bombeado.
La temperatura promedio de bombeo se realiza a 92 °F.
Estos datos fueron proporcionados por el laboratorio de química de la estación, y en ellos
se observa que ninguno está a la temperatura de interés., por tanto todos deben ser
referidos a 92 °F.
Para cambiar los datos iniciales de viscosidad a la temperatura de bombeo, se utiliza la
figura 3.4 ( viscosity vs. temperature chart), para lo que se toma un valor de viscosidad
inicial a su respectiva temperatura, en este caso, 18. 7 cts a 120 °F, y este punto se ubica
en la carta y se traza una linea siguiendo la tendencia de las líneas inclinadas. Después
se coloca el nuevo punto de temperatura 92 °F y se traza una linea horizontal, y por
Vi I fimo la intersección de las dos lineas da el nuevo valor de viscosidad. En la carta se
puede encontrar la viscosidad en centistokes o en SSU ( viscosity saybolt universal
seconds).
El'nuevo valor de viscosidad a 92 °F es 36.2 cst (166 ssu).
De los datos de viscosidad dados por el laboratorio de química y por el encontrado a 92
°F, se deduce que cuando aumenta la temperatura, el líquido se vuelve menos viscoso y
por tanto ofrece menos resistencia al ser bombeado.
La figura 3.5 (specific gravity vs. temperature for oil) se utiliza para encontrar la
gravedad especifica a la temperatura de bombeo. Para este caso se coloca el punto inicial
Sg. Gr ~ 0.8996 a 60 °F en la carta, luego se sigue la tendencia de las líneas inclinadas
hasta chocar con el nuevo valor de temperatura ( 92 °F)., y de esta intersección se traza
una linea vertical perpendicular al eje de gravedad especifica, y se lee el nuevo valor:
Sg. Gr- 0.8875
De los valores encontrados y del gráfico 3.5, se llega a concluir que para variaciones
pequeñas de temperatura., el valor específico cambia muy poco, por tanto no se comete
mucho error al suponer que es constante.
Utilizando la figura 2.34 ( viscosíty correcíion chart), que por facilidad se presenta
nuevamente, se realiza la corrección por etapa de las bombas centrifugas para que
funcionen con líquidos viscosos, debiendo indicarse además que esta curva sirve sólo
para caudales por etapa menores a 10000 gpm.
Para el caso de la estación, los datos que se utilizan en esta carta son los obtenidos
después de haber realizado la corrección respectiva tanto para el nuevo impulsor como
para la nueva velocidad.
La manera de utilizar la carta es la siguiente:
TEn la carta primeramente se ubica el caudal nominal QN (2407.4 gpm), y se proyecta
verticalmente hasta la intersección con la linea de cabeza nominal HK (261.29 pies), de
este punto se proyecta horizontaimente a la viscosidad que tiene el petróleo (166 ssu) y
por último se proyecta una linea verticalmente hack arriba a las curvas de factores de
corrección.
De la misma figura., los factores de corrección son:
CQ=100°/o
CE = 93 %
CH = 98.42% al.2Qw
CH=99.42%a Q ,
CH=100% aO.SQtfy 0.6
Donde:
CQ = factor de corrección para el caudal.
CE = factor de corrección de eficiencia.
CH = factor de corrección para la cabeza.
Los -valores sin corregir a 0.6; 0.8; 1.2 del caudal nominal son:
Qo = OQw = O gpm, Ho = 684,351409 pies
Qi=0.6QN = 1444.45 gpm, HI = 686.20602 pies
Q2 = 0.8QN = 1925.93 gpm, H2 = 665.8053 pies.
Q3 = 1.2QN= 2888.9 gpm, H3 = 560.0924 pies.
Utilizando los factores de corrección, los nuevos valores de cabeza, caudal, eficiencia y
potencia se obtienen de la siguiente manera:
El caudal viscoso Qv = Q x CQ, donde Q representa 0; 0.6; 0.8; 1; 1.2 veces el caudal
nominal, en este caso CQ es el 100 % por tanto el Qv — Q.
SAN JOSÉ, CALIFORNIA
GENERALENGINPERING
SHEET NO. 9.3O
N O V . 15,1962
V I S C O S I T Y VS. TEMPERATURE C H A R T
KINEMATIC VISCOSITY CENTISTOKES
O oQ or-J
i n 1 1 niiljiii|iiii mm
V I S C O S I T Y SAYBOLT U N I V E R S A L SECÓNOS
FILE NO. TD A- I05- I
3.4 Caxta de corrección de la viscosidad en íxinción de In temperatura.
3.5 Carta de corrección de la gravedad específica en función de la temperatura. 7QQ-49
SAN JOSÉ, C A L I F O R N I A
GENERALENGINEERING
SHEET NO. 8.20
NOV. 15 ,1962
S P E C i F I C G R A V 1 T Y VS. T E M P E R A T U R E FOR 0!L
o
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LÜLÜcroLUQ
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SPECIFIC GRAVITY
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700-56 M A Y 30. 1980
HITESNEW 1SSUE
SAN JOSÉ, CALIFORNIA
GENERAL^-S ' - ' N ' - 1 \( \ -
ENG i N BERING
MAY 30,1980
VISCOSITY CORRECTION CHARTCAPACITIES UP TO 10,000 GPM (REFERENCE HYDRAULIC INSTITUTE)
100
RR
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CU
RV
4 6 8 10 15 20
CAPACITY IN 100 GPM
40 60 80 100
FILE NO. TDA - 695 2.34 Carta de corrección de viscosidad
66
La cabeza -viscosa Hv = H x CH> los valores corregidos son:
= HQ = 684.351409 pies, ya que en el corte de flujo ( Q = 0) las cabezas son
20. TORE HAGOLUD and KARL JOMAN ASTROM, "Industrial Adaptive
Controller Based on Frequency Response Techniques" , Automática, vol. 27, No. 4,
pp. 599-609, 1991
21. KARL JOHAN ASTROM, "Adaptive Feedback Control", Proceeding of the IEEE,
•vol. 75, No. 2, February 1987.
22. ASPEC, "Petróleo y Sociedad", Quito Abril 1995.
148
23. SÍNTESIS No 24, "Avanzan Negociaciones", Órgano informativo del Sistema
Petroecuador, Agosto 1996.
24. PACHECO PEDRO, "Bombas Ventiladores y Compresores", Santiago de Cnba
1987.
ANEXO A.
DATOS DEL CONTROLADOR.
| InstructionMí
018-349Cctocsr iges
761 SERIESSINGLE STATtON MICRO PLUS CONTROLLER
Operating Reference Guíde
EARGRAPHIDENTIFIER .DOT
3 OVGRRANGEINDICATORS **
SET POINT
MEASUREMENTBARGRAPH
f ¡ CHso
¡ C C ¿ f iS GPr,
3 UNOERRANGE-INDICATORS
_*J (W/PJ [fl/L] JA/MJ
~T1 rsEÜ ÍTÁG! ÍACXI
CONTROLLER-FAULT
INOICATOR
STATUS-INDICATORS
This operating guide summarizes Informationrequired to opérate the SINGLE STATIOH MICROPLUS Controller. For complete information,referió Instruction MI 018-846.
*in formal Qpcratlpn. the upper llne elthershows a nlne character ÁiCII LéxL strlng(often used for loop ,1dent1f1cat1on) or anenglneerlntj scaled variable wlth a unltslabe!. TMs 1s Independent of the selectedvariable dlsplay on the lower Une of thedlsplay.
The lower Une shows elther the Valué of¿n? ff thé bA^jríphs On th* crVphlcso ispI*y sact ion) or tha I d ^ n t i f t c » k Kv
Table 1. Detalls of Graphics Dlsplay
ofan alarm signa! (1f «n alarm condlttonexlsts). Further detalls «re glven 1n thesectíon on Operatlon 1n Normal tode.
In th«l/i
th« upper Une.
, - i i ca.iiuoiy.Further detalls are glven' 1n the sectlonon Operatlon ln READ and SET Modes.
All the terms 1n the READ «cid SET modedlsplays are contalned 1n a glossary 1nAppendlx A.
Graphics DisplayTha graph'.cs dlsplay conslsts of three bar-graphs (each wlth a bflrSrapñ Identuier dot andovcrrange and underrange ind'lcclcrsí . nn alarm1nd1cator, three status IndUators.'and a Jcontroller fault Indlcator. See Table 1 and IFigure 2. i i
IHnICATORBARGRAPHS
BARGRAPHIDENTIFIERDOT
OVERRANGEAHDUNDEURANGEINDICATORS
ALARH
STATUSIKDICATORS
CONTROLLERFAULT
DES.CKIPTIOHIndícate, from l«ft to rlght,the set polnt, measuren»ent .and output. Always visibleexcept durlng controller con-figura tlon. caUbratlon, ortPSt.
Indlcates that bargraph whosenumcríc valué 1s shovm on thelower Une of the alphanurrcrlcdlsplay. See Tables 3, 4. and
Illumlnated wtien appUcablebargraph 1s less than 0% orgreater than 100%. Flasheswtien less than -2X or greaterthan 1021.fcVarns the operator of an alarmcóñ^HIan.Desígnate the state of theW/P/R/L. and A/H funcUons.R and L are both lllurnlnated>. eo aeconrfjir/ fjceplate Isdlsplayed (steady 1n cascade,flashlng 1n cascado bypnss).W flashes wlien serial ccxmion-Icatlon 1s InLcrrupted,Flashes 1f the controllerm*1 funct loní .
•BARGRAPHIDENTIFIERDOT
3 OVERRANGEINDICATORS v
SETPOINT.
MEASUREMENTBARGRAPH.
OUTPUTBARGRAPH^
3 UNDERRANGE-.INDICATORS
X
\C I O G 2 R
KeypadThe keypad conslsts of elghl keys. Three aref xed-functlon status keys. and the remalnlngMve keys are multl-functlon conmunlcatIonkeys. See T*ble 2 and Figure 3.
- ' RLAM
s*
r*~l ÍW/P] [ñ/U]
CONTROLLER• FAULT
INDICATOR
STATUS•INDICATORS
ALARM"INDICATOR
Figure 2. Graphics Display
Suggesied Configuraron Procedure, Confinued
If che controller is in servlce; you can make on-linc changes. Remember to checkall paramecer valúes, You don't wanta surprise caused byan oíd configuración val-ué. The default valúes should be acceptable, buc only you can determine that.
IFyou have a spare concroller, you could configure ic wich the new configuraciónand replace the controller in sewice wich the spare. Don't Forgec che copy Feacure.
FunctionalDiagram of 760Controller
Figure 1 shows an overa!! Functional diagram oF che 760 Controller. This diagramv/ill help you visualize how all the Functions relate to one anocher. In the decailedconfíguration parameter d^críptions, relevant sections of chis diagram will beused. The diagrams are used to help you understand the functíon being describedand may not necessarily contain the detall to rcprcscnt che actual algorichmicfunccion used ín the controller
FIGURE 1-1 Punctioñal Diagram ot 760 Controller, Part A
OINI Forrm
OIN2
OIN3
O!N4
Fílter Func'tion
Form Filter Function
1NB1AS GAIN OUTBIAS
B
INBIAS GAIN OUTBIAS
Form Filter Function
INBIAS GAIN OUTBIAS
Form Filter Function
INBIAS GAIN OUTBIAS
c
A
L
C
U
L
A
T
ii
O
N
S
Format • • ( v i
I *Lf(A5B,C) BJA£
f(B,CtD) Remote
3et PoinRatio Si
MEAS
ToIPart B
ToPartB
Introducción ¡-3
Suggested Confígurafion Procedure, Coníinued
FIGURE 1-1 Functional Diagram ot- 76O Controller, Part B
FromPart A
/-''•I Introduction
Suggested Configuration Procedure, Confinued
FIGURE 1-1 Functíonal Diagram of 760 Controller/ Parí C
FromPart B
NON-LIN(CHAR)
• ¡NT
•o EXT #
OUTBIAS GA1N INBIAS
o OUT1
oOUTSUMIN2, 3, 4
INTERNALFEEDBACKPATH
TRK
The stgnalsourcefirtbese fiínctions canbeffúrn IN2, JN3
/n/roc/uc/íon \~5
SECTIO N 3 760 Configuration Parameters
L-
TYPE MODES
Type Modes defines thc controller ulgorichm as eitlier P, I, PI, PD, PID, or EX-ACT. Tlie controller algorltlim yon select is dependant upon che characteriscics oftlie process yo u are trying LO control, l'or example, Pl is used for ílow, PID fortemperature, und EXACT ¡s nscd whcrc thc loop gain changes, ie. pH. EXACT íscovered in de:ail in another section of this manual. The cuning valúes are assignedin the ALLTUNE procedure.
Modes that are unused are autoniatically dísconnected. Por example; if yon selecta P-only controller, Integral and Dcrivacive are not functional.
M O D E S
E X A C T ?
The MODES valué can be specifíed as:
PPD
I
PID -
Pl
EXACT
Proponionnl Only
Proporcional + Denvative
Intcgrul Only
Proportional Integral -i- Derivarivc
Proporcional + Integral
EXACT Tuning
7ÓO Configuration Paramattsrs 1-13
SECTION 2 I/O Information
Now tliac you ha ve ihe configurauon paramcccrs writtcn down on your configura-ción sheec, acccss che paramcicrs in ihe controller and insert che valúes.
If che controller is in servicc; you can makc on-linc changos.
Remember 10 check all parameter valúes. Yo u don'c want a surprise causcd by anoíd configuración valué. The deíaulc valúes shoulcl be acceptable, buc only you candetermine chai.
If you havc a sparc controller, you could configure ¡c with the new configuraciónand replace the controller in scrvice with the spare. Don'c forgct the copy featurc.
Tables o[ Liscs the major functions available in the controller, with a briefController descripción, and the page wherc the detailed parameter descrip-Funclions rQr the feamrc
Tbis ullows you to configure cbe tbrecCALC blocks, Dynamíc Compansatur anddie rwo Cl IAR bloclcs.
CALC Blocks-The inputs may be direct¡(ipiles to tbe controller, conditioncd andscalad inputs, consumes, or tbe ourput ofuiunhcr CALC block.
DYNAMÍC COMPENSATOR-Com-posad ofa DEADTIMEund LEADLAGfunction each wítb íts own FOLLÓ \
IMPULSE-If citbar POSITIVE or NEGA-Tl VE Impulse mudes are configurad, ouly apositiva or negativa sliift in tbe inpuc valuéis detectad and iba corresponding outpurpulse is posirive or ncgative returning ro tbelilAS valué ar tbe lag time rate, .
BIPOLAR-This is configurad when bothl'OSlTlVEand NEGATIVE impulsamodos are desircd.
Cl IAR 1 and Cl IAR 2-Characterr¿:u¡onconsisis of cwo curves of 10 and 15 seg-menrs.
CONPIG CASCADE-Defines ifcascadc
concrol will be implemcnted and an
optíonal logicsource to accivate it.
The logic sourcc is used to switch che loopfrom cascade 10 cascade bypass.
CONFIG NEW PASS-Tbe controller isshíppcd wich a PASSCODE of tbrccblanks. You can changa ibis PASSCODE toconsist oí numbers, alfa-cbaracters andsymbols.
Spcciíics onc of twcnry-four possible logicalinputs 10 switch tl ic cont ro l lcrs AUTO/MANUALmoclc.
Defines \vhicli charactcrizcr, ¡f any, will beusccl to clmrnctcrÍ7.c thc error. The controllererror may be cliaractcrizcd ovcr a seríes ofpoints using che CHAR funct ion.
Uscd to sclcct thc controller action as eitherINC/DEC or INC/INC.
Defines thc controller .ilgorithm as cithcr P,1, PI, PD, PID, or EXACT. A Blas and Bal-ance Liscd fbr P-Only is availablc.
Thc ou tpu t from thc controller a lgori thmcan be formattcd as LINEAR, SQUARED_,SQuarc ROOT, or CRARactcrizcd.
Ou tpu t can be moclificd by summing ornu i l t ip ly ing thc ou tpu t valué with a constantor variable signa!.
Output tracking, ifrcquírcd, isactívated by alogical valúe. Tbc o u t p u t o f thc controllercnn be spccificd to trnck a valué.
Scts thc HIGH and LO\ valúes tliat thccontroller output can no t cxceed ín thcMANUAL or AUTO modc.
Thc LIMITS can be sct froni in tc rna l nnclcxtcrnal valúes. Eacli LIMIT can be acti valedfrom onc of twcnty-four possible logícalíiipuis.
Spccifics to output valué of thc controllerwhcn powcred up.
Spccihcs thc Batch funct ion as cithcr ON orOPP.
Defines thcsmircc u f a n cxtcrnal ín tegra!(rcsct) if rccjuired. If "OUT P" is spcclfiecl,thc in tcrna l conncction for integral is sct.
Thcse Secundar)' Conrrnllcr Puncüons are idemicnl 10 thc 1'rÍinary ControllerIñinctions. l:or thcsc paramctcrs, dic rcfcrcncc pagcshown Is for thc Primar/Controller.
Table 4, "Signal Dístrübution List," contains thc analog valúes that can be usccl asa source signa! for niany 761/743C functions.
TADLE 4. Signal Distribution List
Source
I N I , IN2
IN3, IN4
Pl , F2
A, B,
C,D
U & F
G , H , I , J
Descríption
Analog Input 1 through Input 4
Frcqucncy Inputs
Analog Inpu t for IN I ticondi t ion ing
rougli IN4 aftcr
Conditioncd I n p u t 1: 1 ancl I n p u t F2
Constant Valúe
11-10 I/O /nformo/íon
Table 5. Gafe Input List
TABLE 4. Sjgnal Distribution List, Coniínued
Source
MEAS P
LOCSP I1
REMSI1 P
SBTPTP
OUTP
MEASS
SETPTS
OUTS
OUT2
CALC 1
CAI.C2
CALC 3
Description
Prima ry Measuremeni
Primary Local Set Pumr
Prinr.iry Remóte Set Poínt
Primary Set Puiíu
Primary Controller Ou tpu t
Scconclary Mcasurcmcnt
Seco ndary Ser Point
SccDiulary Controller Outpuc
Ourpur 2
O u t p u t oFCalcuIucion 1 chrough 3
In Table 5, "Cace Inpuc Lisc," che paramccer ñames cha: con rain a logical valué arelisced along wich che condition char the paramecer will contain aTRUE condición(logic valué of one). TKe swicchable funccions wherc chese valúes are used urc uc~scribed with che appropriace 76l/7^3C configuración paramecers and are lisced inTable 6.
TABLE 5. Gate Input List
Ñame
CI1.CI2
ALRM 1
AJLRM2
ALRM 3
ALRM A
A/M P
A/MS
R/LP
W/P
Source Description
Contuct Inpuc 1 ¿ÍC Input 2
Staie ofAlurm I rlirotigli AJarm 4
State of Automatic or Manual Primary
Controller
State of Automatic or Manu:ü Seconci-
ary Controller
State ofRcmaic or LocaJ Primary
Controller
State of Workstation or Panel
Truc State
Con tace
•Closccl
In Alurm
Automatic
Remóte
Workstarion
//O Information //—I 7
Table 6. Switchable Functions
TABLE 5. Gate Input List, Conlmued
Ñame
EXACT
o - yON
OFF
NONE
Source Descríplron
Statcof EXACT
Ourput.s- frotn CATES o iiinmgii yPixed Statc Input
Fixcd State Input
Swltch is noc configurcd
True State
EXACTIvnnhlcd
Truc
Always
Ncvcr
Not Applícablc
Table 6 defines che switchable funccions thac can be manipulatcd from thc func-Hsted in Tablc 5- Gate Inpuc List. These switchable funccions are dcscribedcíons
with che appropfiate 761/743C configuration paramcters.
TABLE 6. Switchable Funclions
11-12 I/O Information
Contact Otitput 1
Contact Ou tpuc 2
Primary Auto/Manual
Seconclary Auto/Manual
Primary Rümotc/Locnl Sct Polnt
\Vorlcs tati on/í 'nnc!
Exact State ON/OFF
Primary MeasurcmcntTracking
Primary Sct Poiiu Local Traclcíng
Primarj' O u t p u t Traclcíng
LLAG FOLLOW
DTIM FOLLOW
Exrcrnal Acknnwlctlgc of Alarms
Cascade ON/HYPASS
Primar)' Ou tpu t I lígh Li imt
Primary O u t p u t Lo\ Límit
Seconclary Ou tpu t High Limit
Sccoiulary Outpu i Lnw Límit
_—*«jíl
Table 7. Character List
Tiiblc 7 \\SLS thc characters avaihlblc 10 configure the Passcode, Tag Numbers, En-
ginccr ing Uniís.
TABLE 7. Character Lisf
Clinnictcr
Ü rlmnigh 9
. (dccirnul)
(blank)
A tlircnigli Z
(undcrlinc)
, (en mina)
'(aposrruplic)
(rest)
(dcgrcc)
Í/O /nformafíon 11-13
3 761 /743C ConfigurationParameters
Input Signal Conditioning and Processing
The 761/743C Control ler can rcccivc íour analog, and rwo frequcncy inpucs.Each of ihe analog and frequcncy ¡nputs can be passed chrough a BuctenvorthF1LTER, formactcdas L I N E A R , SQUARED, SQuare ROOT, or CHARaccerized. The in-put valúes can be modificd by cwo bias valúes and a gain multiplier.
Analog inputs J N 1 , 1 N 2 , I N 3 , a n d I N 4 bccomc A, B, C, and D aí'ter signal condi-t ion ing and scaling. Likewise frcquency inputs Fl and F2 b eco me E and R SeeF R E O I /P to configure clie frequcncy ¡nputs for Frequcncy or Pulsed input applí-cation.
Figure 1 below shows the Inpuc Signal Condi t ioning and Processing, with signalflow from the analog inputs ÍMl through 1 N 4 and frequcncy inputs Fl and F2.The orclcr of these functions ís revcrscd duríng configuración, íc. O U T B I A S , G A I N ,I N D I A S , FORMAT, and F 1 L T E R .
7ÓÍ/743C Confíguraf/on Parante/orí //— I 5
Input Signal Conditioning and Processing
v FIGURE ll-l Input Signal Condilioning and Processing
,BUTTEnWORTHIH1 > " FILTEH
A FILT
i (ANALOG INPUT 1]
; IN1 FILT
BUTTERWORTH
IN2 * FILTER
BFILT
(ANALOG INPUT 2)
IN2 FILT
BUTTERWORTH1N3 * FILTER
CFILT
(ANALQGINPUT3)
IN3 FILT
BUTTERWORTH
IN -1 ^ FILTEñ
D FILT
(ANALOG INPUT 4)
IM1 FILT
(FREO INPUT1) FREQUENCY ,\ r ncv jmru i i j • • Q BUTTERWORTH
NEW VALUÉ ^^O ^ > FILTER
^-r-x O" E FILT.+ ^f \
* >k; PULSE UP/OOWN
. , , ü BUTTERWORFH(FREOINPUTZ) ^\t F2 " 'ríÜER'"
-n F FH T•^f
F2 FILT
UNSQRsun
CHAR1CIIARZ
LINSQRsao
CIIAR1CHARZ
LINSORsao
CIIAR1
UNsanSOD
CHAR1CHARZ
LINsonSOD
CIIAR1CHARZ
LINSQRSOD
CIIAR1CHARZ
IN
'-
31AS OUT
GAIN
' Y ^
INPUT SCALING
BIAS
'
lüi
i
+
IAS OUT
GAIN1 +
INPUT SCALING
BIAS
D
ING
+•>,c+'^
INC
1
+ VJ
IAS OUT
GAIN1 +_
INPUT SCALING
IAS OUT
GAIN
r-v J- ¿
~í) *Yy+ VINPUT SCALING
BIAS
'sJBIAS
')
III 11
'
+ V
uní
+ \
1AS QUT
GAIN
INPUT SCALING
IAS OUT
GAINi +T.
INPUT SCALING
BIAS
f
BIAS
'i
o
p
//-lo 76I/743C Configuration Paramafor*
Inpüt Signal Conditioning and Processing
I N P U TA
1 M P U T
The first display allóws you to select the i n p u c to assign che signal conclicioningand processing valúes for thac i n p u t .
The I N P U T valué can be specified as:
« A, B C, or D Condítioned analog valúes
* E and F Condicioned Frequcncy inpucs
O U T B I A S
0 . 0
O U T B I A S
An oucpuc bias !s applied aftcr the GA I N. funccion for the selected input .
- The O U T B I A S valué can be changed from -99.9 to.+ 100.
• "With a defaulc valué of 0.0, the Bias will have no effect on the signal.
G A I N '
1 . 000 7
G A I N
A gain is applied aftcr in inpuc bias (INBIAS) for the selecced input .
• The GA1 N has a range of-9.999 co +9.999.
• \Vich a deíauk valué of 1.0, the gain wil l have no effect on the signal.
I N B I A S
0 . 0
FORMAT
L I N E A R 7
I N B I A S '
An inpuc bias is applied bcfore che GAIN for the selecced input.
• The 1 N B I AS valué can be changed frorn —99-9 to +100.
• With a default valué of 0.0, the Bias will have no effect on che signal.
FORMAT
XÓJ/743C Confíguration Paramotcrs 11—17'
w
Input Signal Conditioning and Processing
The FORMAT is che type of signal condicioning that can be applied to che selectedínpuc.
• Thc F Q R M A T valúe can be specificd as:
LINEAR, SO ROOT, SQUARED, CHAR 1 or CHAR 2
• The threc standard condi t ioning algorichms are:
LINEAR, SO ROOT (Square Root) and SOUARED.
• The rwo custom characCerizacíons are:
CHAR 1 and CHAR 2.
LINEAR
Provides linear signai condicioning, ie. thc signal is dírectly proporcional to che Ín~puc signal.
• Thc l incnrscalc ( L J N ) is norm;illy used f b r a l l non-tcmpcracurc displayvalúes, but can also be used fbr tcmpcraCurc.
• "Wlch a clcfault valué of L l M E A R , thc F O R M A T wi l l Iiave no cffecc on chesignal.
SQUARE ROOT
In Squarc Root Condicioning, che transmittcr output is dircctly proportional coche square rooC of thc measuremctiC signal. Fhís produces an outpuc tliac is linearwith che flo\v.
The SQROOT condicioning can be used for any valué that rcquires square ronr cx-tracción, such as diffcrentÍa.1 pressure readíng from an orífice differential pressuretransmicter.
SOUARED
The S Q U A R E D conditloning can be used whenevcr che input needs to be squnrcd,such as steam pressure or air damper posición inclication.
11-18 761/743C Configuration Paramotcrt
LLCULATIONS
FunctionolOve rv ¡ew
TJie Calculación parame ce rs allowyou to configure:
• Tliree C A L C blocks (CALC 1 , ?. , 3) or equations, whose ou tpuc can bedcrivcd from a calculación invo lv ing direcc inpucs to che concroller, con-dícioned and scaled inputs, constams, or che outpuc ofanochcr C A L Cblock.
• A Dynamic Compensator, if used, bccomcs pare o f C A L C 3. Ic providesDeadcime, Lcadlag, Impulse and Bias functions.
The charactcrizers C H A R 1 and C M A R 2 a l lowsignal characterization through con-scruccion of a segmentad characCeriscic curve. Tliis can be used whcre no ochercype of linear condi t iouing is available. Typical applicacions rnay be fiumes, wcirs,and small tempcracure spans and pH.
CHAR 1 consists of 10 segmcnts and CHAR 2 consiscs of 1 5 scgmcnts.
The dcscr'iption o f t h c calculator function is lengihy. I r is dividcd into clircc pares,Calculación Blocks; Dynamic Compensacor; and Charactcrixer 13loci«. TJic pa-ramctcr dcscriptions, scar l ing with thc C A L C Block, are prcscntcd i i i thc ordcr youwould scc chem dur ing conf igurac ión .
Calculalíon Blocks
Each CALC block solves logic and selector funclions and simple algébrale equa-cions. Operators and opcrands can be specified in a format similar to chac used bypockcc calculators.
The ínpucs may be direcc inpucs co thc controller, condicioncd and scalcd inpucs,constants, or che output of another CALC block. Thc ou tpuc of a C A L C block can
be derived from a calculación involving a numbcr of inputs.
Each equation may have as many as n i n e charactcrs. The charactcrs consist of 22
letters chat represent variables in che controller, bracket and symbol characters
used as operators and numbcr charactcrs rcprescnting the outputs o f the gates, SeeTablc 12 below.
11-36 76 J/743C Confígura/íon Paramctcrs
CALCULATIONS
TABLE 12. Lists of Characters Used in the Equations
Character
A
H
C
D
E
rG
1!
I
J
L
M
N
O
P
QnsT
X
Y
Z
(
V)•l
+
Descríption
Analuy Input A
Anulüg Inpui 11
Analog Inpur C
Analog Inpui O
iTCtjLicnc}' Input E
I'rcqutiicy Inpuc F
Conscaiu G
Consrant II
Constsinc ]
Constan t j
Priniary Locul Sct IViitic
Primary Measurcment
Sccondary Mcasu remen c
Primar)' Outpuc
Sccoiulary Üurput
Output 2
Prímary Remóte Ser Poinr
Primary Sec Point
Seco n da ry Sct I^oinc
Üurput of'Calculatíon CALC 1
Üurput ofCalculiuion CALC 2
üutpur ofCíilcitlariun CALC 3
Opcn Brackct
S(]uarc Roor
Cióse Uraclcct
Multiply
Divide
Suhrract
Add
Category
Variables
Brackcts
Opcrators
76Í/743C Configuraron Paramctcrs \\-37
CALCULATIONS
TABLE 12. Lísts of Characters Used in the Equatíons, Contínued
CViaracter
>
<
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
¿>p;icc
Dexcrtpfion
Grcntcr thnn (high sclcct)
Lcss tlinn (lowsclcci)
Output of Gntc U
Output ofGatc 1
Outpur ofGatc 2
Outpuc ofGatc 3
Outpur ofGatc A
Output of Gntc 5
Output of Gntc 6
Output ofGatc 7
Output of Gntu 8
Output of Gíttc 9
Terminotes the Etiuntion
Category
Sclcctors
Switchcs
(Gates)
ConFiguralion ParametersJ
C A L C
C A L C 1 7
C A L C 1
A
CALC
Tliis paramcter is used to sclccc wliich calculation block yo u wish to configure.Wheh che selección is madc, its parame te rs become available.
• The CALC valué can be specified as:
CALC 1, CALC 2, CALC 3, DYMC. CHAR 1, or CHAR 2
CALC 1 , CALC 2 , CALC 3
The selecced CALC block (equation) is displayed on che top line. The procedure tocnter or modify the equation displayed on tlic sccond line is idéntica! for all threeCALC blocks.
The default valué A will display if the block has not becn previously configured.Use the up and down arrow kcy to selcct the characters for the equation. When
¡1-38 76Í/743C Confígurah'on Paramafors
CALCULATIONS
che desired charactcr is dísplayed, press the ACK kcy for ít to be encercd. The cursorwill move to ihc ncxc charactcr position. Use the same procedure to enter all checharacters. The C A L C va lué can ha ve up to n i n e characcers.
Colculotion Exomples
Signa! S e l e c t o r Exanipl e
Low Se lec t
The lowest of three measuremcnt inpucs are used for control. Assume all signa]condic ioning has bcen coníígured and C A L C 1 wi l l be uscd to perform the calcula-ción.
The con di clon cd inpu t s for I N I , I N 2 , ancl I N3 is A, B, and C.A, B, and C are uscd as the i n p ü t valúes to the C A L C block. The <, (less then) sym-bol is uscd to sclcct ihc lowest sigrv.il.
.The cquatíon wil l be: A < B < C
The mcasurcmcnc to the primary controller M E A S P wi l l be configured to specify¡es source as C A L C ] , the ot i tput oí the C A L C block.
High Se lec t
The examplc from Low Signal Selector is uscd. The >, (grcater thcn) symbol isused to select the largesc signal.
The equacion wi l l be: A > B > C
Signa l S e l e c t o r w I L h L i ni i ts m "
Limics can be acldcd to a signal selector. The ouiput valué of the C A L C block canbe clamped to prevent the C A L C block ou tpu t from going below a specified valuéfor a low select and abovc a specified valué in a higli selcct.
7r61/7'43C Configuraron Paramefers 11—39
CALCULATIONS
e clamping valué is assígned usíng onc of tlie constants (G , H , I or J). For aKigli selecc clamping, che constant G could be sct at 75%
Tlic cquntion will be: A > B > C < G
Por a low selcct clamping, tlic constant H could be sct at 20%.
The equation will be: A < B < C > I I
S w i t c h l n g Measurements w l t h o Logic V a l u é
One oFtwo measurcmcnt inputs are uscd for control ticpcnding Lipón a logic val-ué. Assume all signal conditioning lias bcen configurcd and CALC 1 will be uscdto pcrform che calculación. Assume I Mi and I N 2 have been signal conclmoncd.The conditioned inputs íor 1 N I , and I N2 are A and B, The logic valué is a ficld in-put wircd into Cl 1.
Contact inputs cannot be clircctly referenced ín a CALC block without Rrst passingthrough a GATE. GATE O is configurcd as D 1 RECT. This iricans that a con tace cío-sure írom che field contact causes the gatc to genérate a valué of 1.
The cquaüon will be: A 0 B
Whcn GATE O is O thc ou tpu t o f C A L C 1 is che valué ofB.Whcn Ga te O is 1 theoutpuc of CALC Js thc valué of A.
Dynamic Compensaíor
The result of CALC 3 is passed through ihe dynamic compcnsator prior to signaldis tribu tion. Thc dynamic compensa tor is composcd of a Ü E A D T IME and L E A D L A G
. funccion each wich its own F O L L O W switch. The amount oflcacl is controlled bythe G A I N . See Figure 12 below.
The D E A D T 1 M E precedes the Leadlag and is thc i n p u c of the L E A D L A G funccion.The amount oflcacl ís controlled by thc G A I N and the lag by the cirne(T).
íf-40 7Ó//743C Confígurorion Paramotcrs
CALCULATIONS
FIGURE 11-12 Dynamic Compensaron
C A L C á- •* DYNCOFFCALC 3 t j i. 1
\T
\, rvX NQNEOFF .T "- •I (FALSE) 1 i >'
1/-J DEADTIME pf~<v;i '.y^i ' — — — ' iT>
RUÉ)
J>
"o--
^rrniiPV NQHE
* SWITCH ('RUE' unuC°~OEFINED BY NONECONFIGURATION OFF (FAl
DEADTIME LEADLAG (IMPlFOLLOW SWITCH FOLLOW SWITC
IMPULSE -,
LEADLAG J
SE)
JLSE)H
Dead t ime Only
The deadtime funct ion providcs a dclay ber\veen a change to the input of thedeadtimc funct ion and tes ou rpu t . The dclay time is spccified by the deadtimeT I M E paramctcr.
FIGURE 11-13 Deadtime Only Response
Input
Slep
Qutpul
Response
Deadllnie
Lag On ly
The G A I N and deudtime T I M E is sec co 0 .0 . Assuming a step inpuc, the cime theoutpuc wilJ reach the valué of the input will be 5 times the lagtime T I M E valué.
7"61/743C Confíguration Parame/orí //-4
IALCULATIONS
FIGURE 11-14 Lag Only Response
Input
Slop
O u l p u l
Rosponse
5 x Lagllms —
Lead and Lag Response
The dcadtime T I M E is sct to O . 0. Assuming a stcp input , thc time thc output wi l lreach the valué of thc input wi l l be 5 times thc lagtimc T I M E valué. Thc responsc isshown forvarious G A 1 N valúes.
Note that tlie Icad (initial output responsc) is thc GA í N valué times thc inputcliange. The lag responsc follows thc Icad.
76I/743C Confíguna/ion Paramefars
CALCULATIONS
FIGURE 11-15 Lead Lag Responso
Input
Slep
Outpul
RasponsB
Inpul
Step
Outpul
Response
.5A
Lag
GAIN =
5x Lagtime
- • { GAIN=1Lagtlma
.0= Any
Impulse Funct ions
If the optional I M P U L S E modc is configurad, che G A I N is applied as in the non-I M P U L S E mode, but the sceady scate scctlcs out to a zero level (plus B I A S ) ratherthan the new input (CALC3) valué. I fei ther P O S I T I V E or N E G A T I V E I M P U L S Emodes are configured, only a positive or negacive shífc in the input valué will bedetected. The corrcsponding output pulse will be positive or negative respectively(again recUniing to che bias baselinc at the leadlag T I M E race). See Figure 16.
76 1/743C Confígurof/on Parametars II—43
CALCULATIONS
FIGURE 11-16 Impulse Response
I n p u l
SlBp
BipolarImpulseResponse
PoslllveImpulsaResponso
NegallveImpulseResponsH
G'A
Lag
GAIN = 1.5
. 0% + BIAS
-0%+BIAS
- 0% + BIAS
Deadtime with Leadlag Response
FIGURE 11-17 Deadtime \vilh Leadlag Response
Input
Stop
Oulpul
Ráspense
-4 Deadllme >•
^~-V^^^
^ — Lead
-^ 5 x Lagllme *•
Lag
A\ A GA
y
//—44 7ó 1/743C Confígurafíon Paramofer*
Ta
ble
6
.
T U N E H 0 D E S P R T H A R Y
T P
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L R
T Y
H I T S
PROMPT/PARAMFTFR
SEGU
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LLTU
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PF IF DF"
EXACT
STATE
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1PK
2PK3
TPK1
TPK2
TPK3
ERR
.KB WHAX
DHP
OVR
CLH
DFa
- -LIH
BUHP
STATUS
_r
EHT
. .
STUN
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- -
STATE
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UHE
BIAS
BALA
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ALLTUNE SETLIKP
- HI
GH--
LOW
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LTUN
E OUTLIMP
HIGH
LOW
PARAHETER
tTHTTS
1 an
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OGX
0.01 and
200 min/repeat
0 an
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n
OH,
OFF
message
(ON, DFF)
1 and
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and
200
mln
0 and
100 mí n
-102
a.nd + 102X
-102
íi
nd + 102X
-102
;ind +
102X
<»JHAX
WHAX
>WHA
X-1
02 and + 102X
0.5
z.nd 30X
0.5
and
2DO
min
0.1
;md
1C
and
11.25 and
100
í and
4'£,
and
8DX
-•50 and
-t-SOX
- _ -
ruesííage
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DK.
DFF
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-99.9
and +100X
0.0?
and
?00
min
-2 and -M02X
-2 and +102X
-2 and
+'í02X
-2 and
-(-102X
FACTORY
COHFTRURATIOH
200
2.0
0.0
•
OFF
OFF
Frooi Hodes PF
From Hodes
IF
From
Mod
es DF
2.0
5.00
0.30
0.50
10. DO
1.00
80.0
8.0
IKIT
OFF
OFF
OFF
50.0
2,0
102.0
-2.0
102.0
-2.0
USER
COHFin"QATTnN
(No Entry)
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Valúes are
DetenMned
By Process''
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Entry)
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BALANCE
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HIGH
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ALLTUNE
OUTLIMS
HIGH
LOW
PAF-'AHETER
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-99.9
and
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-99.9
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-99.9
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ZX-99.9
and +102S
-99.9
and
-M02X
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8000X
0.01 and
200
min/
repc
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and +100X
0 and 200
m1n
-2 and +102X
-2 and
-1-1
D2X
-2 and +102X
-2 a
nd +
1D2X
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50.0
50.0
50.0
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USER
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LEVEL2
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MUDES
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-99.9 and
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and
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0 and
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-99.9
and
+1D2
X-99.9
and
+102
X0
and
100X
YES.
NO
YES, NO
YES
, NO
YES,
NO
YES. NO
FACTORY
CONF
IGUR
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102.0
-2.0
2.0
102.0
-2.0
2.0
102.0
-10.0
2,0
102. fl
-2.0
2-0
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SHOWOP
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ge) the parameters
1n OPTUNE
with
out
PASSCODE a
ccess.
Ref
er t
o MI 018-846
for
an e
xpla
natl
on o
f OPTUNE.
M760 Structure DiagramSheet 1A
NOTE:Presstwice aflerpoweroulaqe.
NOIfc aKlCLRAIJQM Cf "SHOW
See Sheet IB
wu. se SHOW lo tve cptfuicflN 'CPlUtC. WHCH IS HOTPASSCCDCPROHC1HD. ^^
FííoitcncNlíC
OííCIKW G
OC WAY ONU
See Sheefr 1 C
M760 Structure DiagramSheet 1 B
See Sheet 1 A
yes/noyes/noyes/noyes/no
yes/noyes/noyes/noyes/no
J
M760 Structure DiagramSheet 1C
CONT'D ONPACE 2.
LOGIC:H/H, H/L, L/L or tASSIGN:COI, C02 or NO
See Sheet 1Acnts,cnls.
M76O Structure DiagramSheet 2A
CONT'O FROMPAGE 1.
SEE PAGE 3
0-99300, 1200, 2400 or 4800min.
SEE PAGE
SEE PAGE 3
Sheet 2B
M760 Structure DiagramSheet 2B
See Sheet 2A
SEE PACE 3
LHLLO or
SEE PAGE 3
IN3 or IN4 OIRECT or NOT = dl or CÍ2OR, XOR.
ÑOR, NAND, = OI/CI2ANO or NO
NV760 Structure DiagramSheet 3A
100-
90-
80-
60'
50-
30-
20-
10-
BLK
PTSN
12
3A
56
78910
111?
1314
15]617
.1819
20
0- -
Xn %
1-16
Yn %
—
—.
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
SIGNAL A SIGNAL B
HI-5V4-20mA10-50mA
-3UI BIA5-- CAÍN -- IN BIAS -•fUNCTI
•CESDr
_JÜ__- SQR"WI
\Í 1 AR 1YES
• NO
• IÑT"-~n~~F2~
7.%%
—
biK |0 or
ÍT= Imin.
I-5V4-20mAIO-50mA
UNSORsor
CHAR
Yü_NO
"W~fl
-
-
OEZIOor11= Imin.
M760 Sfructure DiagramSheet 3B
4
100 -1
on -
80-
70
/ín
•
... . •
BLK 1
PTS - - 1-16
N12
3A
b
6
7
8
9
10
111213
14
15
16
17
18
1920
Xn %
•
Yn %
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
S Í G N A L O SIGNAL D
-5V MT4-20mAlQ-50mA
I-5V4-20mA10-50mA
IN BIASU N . 1SORS(2l_
"ÜH/S"_M_
NOIN4FlF2
-
-JBLK 10 or
IT= Imin.
CAO r6128SK3B
TÍ
SECTION 1 ntroduction to EXACT Tuning
¿
Overview "fliis sección oí L!IC manual "ÜXACT Tuning" appl'ics to.the 760, 761, and che743C MICRO Controllers ancl \s desígned as an extensión to che CompucerBasedTrainingíCBT), Topic M, ExaccTunc. It contains información spccífic copcrforniing Pretunc and implcmcnting EXACT. Some of che información presentedKerc is idencical to che CBT, but is formactcd co províde che neccssar)' informaciónforyou co implemcnt E X A C T in your concroller.
Wewíll:
Describe what yon need to know before you impiemenc EXACT.
Define thc uscr adJLiscable paramcters and ho\ to sec tlieir valúes.
Gívc you che scep-by-step procedure on how to perform Precune.
Define tlie three melhods to implement E X A C T .
When Not toUse EXACT
Befóte Implementing EXACT
Thcrc are proccsses chat cxhíbi t ccrtaín charactenstics, malting te unaccepcable forapplying EXACT. Tliese proccsses are rhose chac exhibit kirgc liyscercsis, u processnot capacity dríven, and processes t l ia t get external disturbances ihai tlic control-ler cannoc compénsate íor.
Introduction to EXACT Tuníng III-1
Before Implemenfing EXACT
Loop TuningExperience
How EXACTWorks
Determine theControllerResponse
ThreeImplementafíonMethods
To understand how EXACT works and co determine the dcsircd tun íng responsc rc-
quired foryour loop, you shotiid have liad prcvious loop tuning cxperience.
The proccss charactcristics o f g n i n , deud time and capacky, and thc cffccts of pro-
portional , integral , and derivativo nct ion in a loop is thc kcy to undcrs tanding howE X A C T works and thc í unc l ion of E X A C T paramctcrs and mcssagcs.
A funccional dcscription of EXACT is provided in TOPIC M of thc 760/761 Com-
puter Dased Trainíng Packagc.
A descripción of E X A C T opcration is also includcd in Poxboro documentación Tí
039-200, ExaccTuning With 760 Series Controller*, and MI 018-843 760, 761
Series Single-Station Micro Controllcrs.
You must decide which rcsponsc bese fus your appllcation. Thc controller re-
sponse to a proccss upsct can be catcgorized as one of four; critically undcr-
dampcd, underdampcd, ] / 4 amplkudc damping, or overdampcd.
By setting six uscr-adjustable parametcrs, E X A C T will mainta in thc dcsircd re-
sponsc throughout thc processcs opcrating r:\nge.
Ifyou use thc Pretunc function, ic will calcúlate initial tuning parametcr valúes
thac approximate Q.A.D.(Quarter Amplitucle Damping). Thesc valúes are auto-
matically transferrcd to E X A C T .
Thc re are thrce methods of implcmencing E X A C T and you must determine which
mechad fits your situación.
1. Use the P R E T U N E function Co determine and automatically set thc ini-
tial tuning parameCers for EXACT.
2. Use existing tuning parametcrs uulized in the loop before thc E X A C T
function is applied, as thc initial tuning parameters for EXACT
3. Estímate thc initial tuning parameters for EXACT based on your
knowleclge of the process dynainics of cleadtime, capacity, and gain.
"Whichever mcthod you use to implcmcnt E X A C T , you must understand thc func-
tion of all ten user-adjustablc paramctcrs. Atl ten parametcrs are clescribcd in de-
tall in thc following pages.
j
111-2 Intraduction to EXACT Tuning
2 Use r-Ad justa ble Parameters
Initial Valúes of Valúes o ( PF, I f , uncí DI are che P I D valúes thut thc controller uses if EXACT tuningP,l, & D (PF,IF & is cithcr noc configurcd or not turnee! on. They also are che starcing valúes for P, I,
Dn ancl D, whicli are then consLuiuly updaced by the s c l F t u n i n g algoriihm.
NOTE PF, I F ancl D I are uscr-udjuscable; P, ! ,D are ñor..
Ic rakcs approximately 5 upsccs for EXACT to optimize thc ttining parameters.
After EXAC'I tuning has been implenientecl and the loop is operat'mg read the E X -
ACT parameters valúes P, I, and D. Use thcsc valúes co manual!)' set new valúes of
PF, I F, and DF, When powcr is rcscorcd aftcr a power failurc, E X A C T will rcad che
r PF, I F and DF valúes as íes in ic ia l P, 1 and D valúes.
w Factory Setting P=200% 1=2 minutes D= O minutes
ii • Pretune Thcsc valúes are set by Precune.
: • • User Setting The best methocl is to use the precune function, buc
only if conclicions allow you co bump the proccss and if che process ís
not upset from a process or otitside condición for the duración of che
p re tune.
Usor-Ad¡ustat>la Parametcrs 111-3
* User-Adjustable Parameters
¡ If your 760 or 761 Series Controller is rcplacing an cxisting controller, use thc oídPID valúes as a start ing point.
If neí ther of the above conditions are possiblc, you can citlier use thc control lerd e f a u l t valúes as thc ¡nitial s tar t ing po in t or estímate thc vnlucs bnsecl on your cx-pcrience with similar proccsscs.
: i1 1No mattcr which mctliod you use, yon sliould undcr.sta.nd thc function of all thcuscr-adjustable partí me tcrs.
NOISE BAND Virtually cvcry proccss measuremcnt has thc potcntial of bcing "noisy" bccausc of(NB) the intrinsic nature of measuremcnt tcchnology (headmcter in a flow loop, etc.) or
measurcrnent location (ncxt to a positive displacemcnt pump, etc.). It is callcdnoisc becatise it contaíns no Informat ion uscful íor loop tuning. The self t un ingalgorithm must know thc magnitudc of this noisc(percent pcak-to-pcak) to prc-vent an attcmpt to cxtract t un ing Information whcn nonc is prcsent. Self t u n i n gbegins whencvcr die error cxcceds twicc thc noisc band. 1 he noise band ¡s alsoused by thc sclf-tuning algorithm to decide if an obscrvcd pea k may be noisc.Measuremcnt dcviatlons widiin twicc thc noisc band are controllcd by a thc cxist-ing P I D algorithm, EXACT is not activatcd.lí ihc noise band is sct too liigli, a truc measuremcnt clcviation will not be dctcct-cd soon cnough by E X A C T . This may cause an unnccessary upsct of thc mcasuredvariable.
Jf thc noisc band is sct too low, t rans ient noisc on thc mcasurcmcnt signal wi l l bedetcctcd and actcd upon by EXACT. Thc transient noise are falsc peales, that actcdupon by EXACT produce inaccuratc tuning valúes.
• Faclory Selting The d.cfault valué of the noisc band is 2% of spanwhich may Ije-sufficicnt'Tor many applications. Mín imum valúe is
. 0.5%. y
• Pretune Noisc Batid is onc of six paramcters sci by ihe Pretuncfunction.
• User Sefting Thc 2% default sctting may be stifücíent for most ap-plications. Slioulcl you suspcct thc proccss of being particularly noisy,observe the amplicudc of the noise on the measuremcnt using a rc-sponsíve strip recorder or oscilloscopc.
User-Adjustable Parameters
FIGURE 111-1 Noíse Band
ZNB
Máximum WaítTime (WMAX)
NOTE Other parameters, ( N L T E R , C l l A R , G A I N , SQ ROOT, etc.) wi th in tlie con-troller can nFfect che noísc valué. The F 1 LTER attenuates the noise but alsoadds capacity to che loop, in efFecr. slowing dov/n che loop response, Anyparametcr that eífccts tKe gain of the signal has the same effect on chenoisc.
The algoriihm requires un estímate oflhe time scale of che proccss. This parameterrepresenta the máximum time fhat the algorichm waits for the second peak (see
Figure 2).
This parameter setting along \v'uh che dumping and overshooc paramcccrs deter-mine the response ofthe controller; Critically Dampcd, Underdamped, 1/4 Am-
plitude Damping, or Overdampcd.
FIGURE 111-2 Máximum Walt Time (WMAX)
ceoceCE
TIME
/- User-Adjustabío Paramotvrs \\l~5
User-Adjustable Parameters
FIGURE 111-3 Períod of Oscillatíon (T}
ceacece
T/2 < WMAX < 8T
» Factory Setting 5 minutes
Pretune This valué is sct by PRETUNE.
• User Setting This valué must be corrcct. Te should be sct largcr thanhalf the máximum period of osculación T (refer to Figure 4) and smaJl-er than eight times che m í n i m u m period of osculación T, T/2 <: Wmax
< 8T The final valué of W M A X should be about 2 to 3 times M A I N I .
lf che process is operut ionnl , yon can examine thc process responso from a strip
chart rccorder to determine che approxirnate periodT Use the flg'urcs above as a
euide.
NOTE If W M A X is less tluuiT/2, iiistability may rcsult bccause rcsponsc may be in-terprcted as ovcrdampcd. I f - W M A X is largcr tlian 8T, loop vvill be sluggishand t;o corrcccivc acüon will be takcn.
DerivativeFactors (DFCT)
The dcrivative factor allows thc dcrivative iníluencc to be changed by mukip ly ingD by thís factor.
Setting D F C T to O.Ü t ransforma the control ler into a P I controller. Derivativo ac-tion is not hclpful in thc presence of largc process dead time or high mcasurcmencno ¡se.
Setting D F C T to 1.0 produces normal derivativc action. Forprocesscs requi r inglarge amount of dcrivative action(c.g., a doublc integral process), DFCT can be iri-creased to 4.0.
líl-6 UJer-Ac//U5^ab/a Paramefers
w*r~
User-Adjustable Parameters
Damping andOvershoot(DMP)(OVR)
Factory Setting DFCT \s sct co 1.
Prefune Tliis valué is sel by P R F T U N K .
User Setting The ínctory sct t ing oí 1 should be sufíicient For most
upplicat ions.
Sincc neklier dumping ñor overshoor can generally be sct independently, tliey areused as a combinación and rcprcscnt ihc maxinium allowablc valúes (sec Figure 5).These CAVO parameters csrablish the cxpectcd process responso for EXACT, ie. What,is goocl cuning. The controller uses che l imit chac is closesf to being exceeded.Gcncrally, the bese concrol is obtained usíng the damping liinic.
FIGURE ltl-4 Set Polnt Change
CEacece
• TIME
FIGURE IH-5 Calcúlale DMP, and OVR valúes.
cece
LOAD CHANGE
PER10D (T)
TIME
OVEnSHOOT = -
Uscr-Adjvstablo Paramefer* \\l-7
User-Adjustable Parameters
Facfory Setting DMP and O V R are Factory sec to approxirnate QADandarenocadjustablebyPRETUNE. DMP is set to 0.3 and OVR to 0.5-
Pretune DMP and OVR is not set by Pretunc,
User Seffing Use Figure 6 as a guíele in sctt'mg thc DMP and OVR val-úes to obtain thc dcsircd responsc or calcúlate tlie valúes From mca-surcmcnt responsc oFcithcr thc sct point changc or load changc.
FIGURE 111-6 Effects of varíous Combinations of Dampíng and Overslioof
cece
DMP = 0.1
Change Limit(CLM)
You may want Co l imi t che máximum and mínimum EXACT-calculaCed valúes o f Pand I . Thc valué ofthis paramcter is a factor that PF and 1 F are both mulüpliedand divided by to sct: tlicse limits. If thc process goes into an abnormal state per¡-odically and yo u don'c want che P&I tuning valúes lo changc to Far From normal;set che CLM valué low.
For cxample, iF PF cquals 1 00 and CLM cquals 4, P calculatcd by E X A C T \vill belimited to valúes between 25 and 400%.
Factory Setting 10
Pretune CLM is not scc using Prctunc.
User Setting Normally che Factor)' sctling oF 10 is suFFicicnt. iFthe
proccss does not rcspond well to gross tuning chances; lowcr thc CLM
valué. iFa "Clamped" error mcssage appears in STUN; CLM ls noc lurge
enough.
í//"8 Parameters
User-Adjustdble Parameters
Output Cycling E X A C T moni tors the controller output when it oscillatcs at a híghcr frequency than
Limit (LIM) t|ia(: v/hich ihc loop can respond to. If the average pealc-to-peakarnplicude cxceeds
L I M for o ver three minutes, the controller \s detuned by increasing P and reducing
/ D. This fea tu re is useful for proccsses that have very l í te le dead time and rcquire u
h'igher control ler gain. The valué of L IM should be reduccd for this lype oPpro-
cess.
Factory Sefting The íactory scttíng of 80, should be changed to the
valué described below ¡n User Setting.
Prefune This valué ís not sct by Pretune.
User Setting It is recommcndcd to set LIM at approximatcly 4
times the noisc batid.
Usor-Adjustablv Parametcrs Ill-y
SECTION 3 Pretune
Purpose
Operatíon
If thc concrol charactcristics oí the process are noc Icnovvn, opcimum valúes for sbckey paramccers (PF, I F, DF, NB, W M A X , and DFCT) can be calculaced by the precunealgorichm. These valúes are then aiuomatically impleinenced as in ic ia l valúes forthe E X A C T self-tune funccion.
Precune is easy to pcrform, províded uhree condicions are mct.
1. You musí allow che controller to impose a small scep inco the operat-ing process.
2. Opérate the loop ac the normal operating poínt.
3. Prelune should ONLY be performed when che process is stable (Mea-suremcnc = Sctpoínc), and noc have any process or outside disturbanc-cs while Pretune is opernting.
If you cannoc comply w i tn these tlirce condiciona, you cannoc use Pretune. Useonc ofthe oilicr cwo methods LO implemenc EXACT; using exiscing tuning pa ra me-te rs or cscimating in ic ia l t un ing paramecers.
The mechanism ofthe pretune funccion is to introduce a small process upset dur-ing a stable process condition. The resultanc process reacción, Í.e. the measure-ment rcturnecl to the controller, (Í7igure 7 below) provides che data for che
Protuno III- 1 1
Initial Pretune Seftings
algorithm to calcúlate opt imum valúes o f t h c six paramcters. TKe process upset isprovidcd by a user adjustablc pararneter called BUHP.
FIGURE 111-7 Typical Response to Step Chango ¡n Qutput
PROCESS,r SENSITIV1TY
Tdl = EFFECTIVEDEADTIIY!E
After thc proccdure ís íinisKcd, tKcsc op t imum valúes are cntercd in to tnc control-
ler mcmoiy.
\Vlicn the sclf-tunc algoritlim ¡s initiatcd, the prctunc valúes ofPF, ] f-, and DF are
tlie in ic ia l valúes of P, I ( and D, causing a fastcr stabilization oF tKe mcasurcmcnt.
In i t ia l Pretune Settmgs
Initial Setup Befare Pretune can be executed, tKe controller must be setup as described Kere.
Configure tKe controller T Y P E as EXACT. Depcnding on the process requiremcnts,cKange tKe valué of any parameter to a more applicable valué. TKe E X A C T STATEparameter can be ON or OFF.
/ / / -12 Pretune
Performing Pretune
SpecifyingBUMP
Wíth the controller in Manual , br ing thc measurement near che sct point valué.
The precunc fu noción uses the MA I N B U M P parametcr co introduce a small sccp up-
sct to the process by changing the output oí the controller. The B U M P valué has a
range oí -50% to -t-50% and shoultl NOT be largc enough to drive che outpuc off
scale.
Por Example: Wich che measuremcnc sceacly and near the set poinc, if che outpuc ¡s
6% of scale, a BUMP of-8% is co large because ic would drivc the outpuc off
scalc.The B U M P valué should be either dccreasccl or a positive (4-) valué usecl. If the
B U M P valué ¡s to small to actívate the pretune algorithm the error message " P T U N =
S M A L L 1 " will appear. Inórense che sr¿e oí the B U M P parameter valué.
Ten StepProcedure
Performing Pretune
Once the iniüal controller setung.s are made, íollow che proceda re to períorm
Pretune and sec the six inicial tc in ing parametcrs.
STEP
1
2
3
A
5
6
DISPLAYED VALUÉ -
PTUN SI ATE
STATE OFF
SI ATE ON
PTUN READ
RCAD =IN AUTO .
ACflON
Usmg thc keypatl, move to che display [ EXACTP'IUN ?] and pressACK.
Press ACK
Use che up-arrow kcy to selcct ON Note: When Pre-
tune is completad» it v/ÍIl automacically ser itsclfOFF,
Press ACK
Press ACK. Controller ¡s ready to starc Prccunc.
Controller is ready to scarr Pretune. Press che A /M kcyThe controller incUcatcd ít is in AUTO. Note: cli,c con-trollers AUTO stacuc during prccunc opcratíon is noc atruc AUTO.." "
Protuno III-13
Performing Pretune
Pretune
Messages
STEP
6
7
8
9
10
DI5PLAYED VALUÉ
READ =SMALl 1
READ W A I T 2
READ PID 3
READ NB 4
PTUN FINISH
ACTION
Controller ín Pha.sc I ofthc P re tune. Tliís mcssage
appcars only 5f thc valué of MAIN BUMP is small
(<2.5%). lf ít ¡s to .small to actívate thc algorítlim, thc
mcssagc will pcrsísr fora pcríod longcr than twicc thc
proccss deadiimc.
Phasc 2. Waiting (or steady statc.
Pliasc 3. New valúes of P, í , and D are calculatcd.
Output is rcturnlng to inicial valué
Phasc 'í. Mcasuring thc nolsc band.
Prctunc function is íínishcd. Valúes ofthc s'ix kcy
EXACT paramrccrs havc bccn calculatcd and pur
into nicniory. Put dic controller in MAN, and rcturn
to normal operación (prcssTAG kcy).
The following tuble Jists tlie messages you could sec wlicn performing Prccune anddefines che meaniíig.
-«*•
When message is...
PTUN«OI:F
PTUN=IN AUTO?
PTUN=SMALL
PTUN=WAIT2
PTUN=PID 3i
PTUNsNB'i <
PTUN-1NCWRONG
PTUN=PINIS11
PTUNsNOlSli
Then...
Prctunc function has not liccn switchcd on.
Pretune is rently. Pvit controller in AUTO.
Prctunc in Phasc 1. Ifthis mcssage lasts more tlian twice thc pro-
ccss dcadtimc, thc valúe oFMAlN liUMP is too small. Incrcasc
ihcUUMP valúe.
Prctunc in Phasc 2 and waiting (or a stcacly statc.
Prelune in Phasc 3. Iníüal valúes of P, I , and D are calcularcd.