diplomado en instrumentación, automatización y control de

Diplomado en Instrumentación, Automatización y Control de

Procesos

Instrumentación industrial

IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Los procesos industriales tienen como función la de transformar, elaborar, las materias primas que sirven de entrada al proceso y convertirlos en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso. Para ello requiere de un conjunto de equipos, maquinas, controles que en su integración permiten la modificación de las materias de entrada al proceso en productos de salida del proceso.

Para realizar las transformaciones de los productos de entrada es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales eléctricas que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional censada, instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, así como otros instrumentos que trabajaran como equipos o dispositivos de seguridad.


Instrumentación industrialHoy día es inimaginable una industria sin instrumentos. Como un ejemplo de esta realidad, se muestra en la siguiente figura el esquemático pictórico una industria de elaboración de papel, donde se presenta la integración del conjunto de maquinas y equipos que se utilizan para la transformación de las materias primas que entran al proceso, con las del papel como producto acabado, que salen del mismo.


FUNCIONES DE LOS INSTRUMENTOS:

1. Indicadores: Están instalados directamente en el proceso industrial y permiten que los operadores visualicen la magnitud de la variable operacional directamente donde están las maquinas y equipos.

2. Transmisores: están conectados en el proceso industrial y envían una señal eléctrica, electromagnética, comunicación serial, etc, que será proporcional a la magnitud de la variable operacional.

3. Controladores Electrónicos: Estarán instalados preferiblemente fuera del área del proceso y se encargan de comparar la magnitud de la variable, controlada enviada por el transmisor con el valor deseado de la variable operacional, el controlador aplicara los correctivos a partir de esta diferencia y enviara las señales de control hacia los convertidores que regularan los elementos finales de control.


4. Elementos finales de control: están instalados en el proceso y son quienes se encargan de modificar el comportamiento de las variables operacionales con sus accionamientos.


SIMBOLOGIA de las Normas ISA

Los equipos e instrumentos que integran los procesos industriales podrán estar representados por una simbología que les permite a los expertos a través de los esquemáticos de Procesos, Tuberías e Instrumentos (DTI o P&I) conocer: la integración de los equipos, sus controles, sus protecciones, sus indicadores, el tipo de instrumento, su ubicación, etc.


Se debe instalar un transmisor de nivel el cual enviara una señal eléctrica directamente proporcionala la magnitud del nivel en el tanque hasta el controlador, es necesario tener un controlador quereciba la señal del transmisor y la compare con el valor deseado y así calcular la señal de error de lavariable controlada, este controlador aplicara las acciones de control Proporcionales-Integrativa-Derivativa (PID) a la señal de error y generara una señal eléctrica de salida hacia el proceso industrialel cual alimentara al convertidor Corriente-Presión (I/P).

La salida neumática del convertidor I/P regulara la apertura de la válvula de control y con ello seregulara la salida del fluido del tanque y con ello el control de nivel del mismo. En la siguiente figurase muestra en forma pictórica el transmisor de nivel, el PLC que hará las funciones de controlador, elconvertidor corriente-presión I/P y la válvula de control, los cuales conformaran el lazo de control denivel.


APLICACIÓN EN LA INDUSTRIALa norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de poder, aire acondicionado, refinandometales, y otros numerosos procesos industriales.

Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy especializados, diferentes alos instrumentos de procesos industriales convencionales.

Se espera que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse muchas de las necesidades de camposespeciales.

APLICACIÓN A CLASES DE INTRUMENTACIÓN Y FUNCIÓNES DE INTRUMENTOS

El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las clases demedida del proceso e instrumentación de control.

Ellos no sólo son aplicables a la descripción discreta de instrumentos y sus funciones, pero también para describirlas funciones análogas de sistemas que son "despliegue compartido," "control compartido", "control distribuido"y "control por computadora".


TRANSMISORES Y TRANSDUCTORES.

En los procesos industriales para realizar las transformaciones de los productos de entrada o materias primas y convertirlos en productos acabados como salidas del mismo proceso, es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas.

Los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, los instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional sensada, los equipos de control, los instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, así como otros instrumentos que trabajaran como equipos o dispositivos de segundad.

Para visualizar los equipos e instrumentos que utilizan tecnología de punta para atender: la transmisión de la magnitud de las variables operacionales, el control de las mismas y los elementos finales de control se muestra a continuación un esquemático pictórico con los transmisores, el Controlador Lógico Programable (PLC) y las válvula de control que ejecutaran los lazos de control de las variables operacionales del proceso industrial.


Cuando los transmisores son neumáticos envían una señal de 3 a 15 PSI hasta el controlador y la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador es de muy pocos metros (10 metros por ejemplo).

Cuando son transmisores electrónicos que envían una corriente eléctrica entre 4 a 20 miliamperios la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador puede ser hasta de varios cientos de metros (Hasta 500 metros por ejemplo).

Cuando son transmisores que envían señales eléctricas moduladas en protocolo hard la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador puede alcanzar hasta 1600 metros sin repetidores y hasta varios kilómetros utilizando repetidores.

Cuando los transmisores envían su señal en forma digital utilizando fibra óptica como medio de transmisión de la señal la distancia entre el transmisor y el controlador puede alcanzar varios kilómetros.


Esquema de un transmisor


Válvulas de control automático


Fundamentos del sistema de medida.

» SENSOR:

Dispositivo que está en contacto con la variable que se mide. A partir de la energía del medio proporciona una indicación o señal de salida que es función de la magnitud que se pretende medir

» TRANSDUCTOR, CONVERTIDOR, TRANSMISOR:

Modifica la naturaleza de la señal que proporciona el sensor para hacerla más fácilmente medible- Convierte la señal del sensor en una señal estándar que se transmite al sistema de control. Al ser estándar es compatible con cualquier instrumento de control con independencia de su marca comercial.


Medición de caudal.

Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son de presión diferencial, área variable,

velocidad, tensión inducida, desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema

térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.

Existen numerosos tipos de medidores y transmisores:

Elementos deprimógenos

Transmisores de presión

Másicos (Coriolis)

Desprendimiento de vórtices (Vortex)

Ultrasónicos

Electromagnéticos

Otros

Instrumentación industrialMedición de caudal.

Elementos deprimógenos

Deprimógeno

Se denomina así al elemento primario cuya instalación produce una diferencia de presiones(pérdida

de carga), que se vincula con el caudal que circula, en una relación determinable. Los elementos

deprimógenos más usados son:

- Placa orificio.

- Tuvo Venturi.

- Boquilla / Codo.

- Tubo Pitot / Annubar.

- Cuña.


Caudalímetro

Es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido para la

medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el

fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.

Tipos de Caudalímetros

(a) Mecánico de molino.

(b) Electrónicos de molino.


Rotámetros

Son medidores de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. El Rotámetro

consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente

cónico, con el extremo angosto hacia abajo.


Vortex

Está basado en el principio de generación de vórtices. Un cuerpo que atraviese un fluido generará vórtices flujo abajo.

Estos vórtices se forman alternándose de un lado al otro causando diferencias de presión, esta son censadas por un cristal piezoeléctrico.

La velocidad de flujo es proporcional a la frecuencia de formación de los vórtices. Son equipos de bajo mantenimiento y buena precisión.

Instrumentación industrialMedición de caudal.Ultrasónicos

Son alimentados eléctricamente, y es posible encontrar dos tipos según su principio de medición: de efecto Doppler y de tiempo de tránsito; este último consiste en medir la diferencia entre el tiempo que le toma a dos señales atravesar una misma distancia, pero en sentido contrario utilizando como medio un fluido.


Medición de Presión.

Presión: fuerza ejercida por unidad de área.

P= F/A

Sistema SI:

F= fuerza (Newton N).A= Superfie (m2)

Pa= N/m2.


Tipos de presión:

•Presión absoluta: Presión medida respecto al vacío absoluto.

•Presión manométrica: Presión medida respecto a la presión atmosférica.

•Presión diferencial: Diferencia de dos presiones determinadas cualesquiera.

•Presión hidrostática: Presión creada por una altura de líquido por sobre un punto de referencia.

•Vacío: Presión medida por debajo de la presión atmosférica.




Mecánicos:

Elementos primarios de medida: barómetro, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado.

• Primarios elásticos: tubo de bourdon en espiral, tubo de bourdon el helicoidal, tubo de bourdon de diafragma y el fuelle.

Electromecánicos:Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerza, resistivos, magnéticos, capacitivos, extensiometricos, piezoeléctricos.

Electrónicos:Medidor de Mcleod, térmicos, ionización.



Tubo bourdon

tubo de sección elíptica con un extremo cerrado. Al aplicarse presión, este tiende a enderezarse. Utilizado para las mediciones de altas presiones. Los tipos de tubo bourdon son espiral, helicoidal, diafragma y fuelle.


Medición de Temperatura.

.



Tipos de termocuplas en el mercado:



Guía Selección Termocuplas:

Temperatura a medir:•De -200 hasta + 450ºC: termoresistencia Pt100 según EN 60.751.•De -20 hasta + 700ºC: termopar Fe-CuNi“J” según EN 60.584-1.•De 0 hasta +1100ºC: termopar NiCr-Ni “K”según EN 60.584-1.

Atmósfera del medio ambiente:•Sin particularidades.•Atmósfera explosiva.Seguridad intrínseca “i”: EExiaIIC T6.Seguridad aumentada “e”: EExe II T6.Cubierta antideflagrante“d”: EExd IIC T6.

Estanqueidad:•Para la medida en un líquido o en un gas bajo presión, montaje de un termopozo o una vaina soldada que permita extraer el elemento sensible sin necesidad de interrumpir el proceso.



Fijación:•Por medio de racord atornillado o con brida (recomendado si la presión es elevada o la temperatura superior a 200ºC)

Tiempo de repuesta:Está vinculado a la masa del termopozo y al ajuste del elemento sensor dentro del mismo. Se preferirá un termopozocon la punta reducida y equipado de un sensor ajustado o a una vaina sin protector.

Clase de precisión:TermoresistenciaPt100: clase A según EN 60.751Termopar Fe-CuNi“J”: clase 2 según EN 60.584-2Termopar NiCr-Ni “K”: clase 1 según EN 60.584-2

Inmersión:12 veces el diámetro exterior del termopozo a fin de evitar la pérdida de calor a través de las piezas metálicas.

Termopozos-Vainas -Protectores:Material standard: AISI 316L


Medición de Nivel.

Medición de nivelEl nivel es una de las variables de proceso más utilizada para el gobierno de las plantas industriales, pero muy

especialmente en el control de almacenamiento tanto de materias primas como de productos acabados. En general, en las medidas de nivel para el control de procesos no se requiere una gran precisión, salvo en los casos de dosificación por llenado de depósitos, mientras que en el caso de medida de almacenamiento la precisión es fundamental.

• Instrumentos de medida directa.• Instrumentos basados en la presión hidrostática• Instrumentos basados por métodos electromecánicos.• Instrumentos basados en medición de carga.• Detección de nivel por método de horquillas vibrantes.• Detección de niveles por conductividad.• Medición de nivel por capacidad.• Medición y detección de nivel por ultrasonidos.• Medición y detección de nivel por microondas.• Detección y medición radiométrica de niveles


Medición de Nivel.


Medición de Nivel.

Método de la mirilla de nivel.Se puede obtener una indicación visual del nivel en líquidos razonablemente limpios si parte del líquido si

parte del tanque o contenedor esta fabricado con algún material transparente . Si la mirilla de nivel se monta en una tubería de derivación con llaves de paso en cada extremo se logra aislarla del estanque principal, lo cual permite su retiro para mantención.


Medición de Nivel.

Método de barra calibrada.Este es un método manual muy simple igualmente aplicable a líquidos y a sólidos granulados. En silos muy

altos se emplean flejes de acero con un contrapeso en su extremo. La aplicación mas familiar de una barra calibrada es la varilla empleada para comprobar el nivel del aceite de un motor de automóvil.


Medición de Nivel.

Switch de flotador.Es el switch de nivel más conocido y simple. Consiste en un cuerpo flotante (flotador) montado sobre un

brazo móvil y acoplado magnéticamente a un microinterruptor (externo al proceso). También hay versiones que consisten en un flotador redondo con un pequeño imán que sube a lo largo del tubo. En el tubo hay uno o varios relés de láminas. Los relés de láminas harán conmutar el relé a medida que el flotador (imán) pase.


Medición de Nivel.

Método de flotador/cuerda.Al igual que el caso anterior consiste en un flotador pero que en este caso se utiliza para la medición continua

de nivel. La forma más simple de un sistema de este tipo consiste en un flotador, un cable fino, dos agarres y un peso suspendido en la parte exterior del tanque abierto. En la parte exterior se coloca una escala graduada y la posición del peso a lo largo de la escala indica el nivel del contenido del tanque.


Medición de Nivel.

Método de supresión de la rotación.En este tipo de switch de nivel, un pequeño motor eléctrico sincrono hace girar una pequeña paleta

mediante un mecanismo de engranajes reductor.

PALETAS ROTATIVAS


LAZOS DE CONTROL

Una de las áreas de aplicación más importantes del control automático, es el control de los procesos industriales usualmente llamada Control de Procesos.

Los requerimientos recientes de seguridad en la operación de los equipos, un control más estricto de calidad de los productos, de mayores eficiencias energéticas y la preservación del medio ambiente, hacen necesario contar en las industrias con sistemas de supervisión y control de los procesos cada vez más sofisticados.

El sistema de instrumentación de un proceso industrial puede requerir sin embargo, desde instrumentos tan simples como un termómetro o indicador de presión local, hasta sistemas computadorizados distribuidos en la planta para la implantación de esquemas de controles modernos.

Instrumentación industrialESQUEMAS DE CONTROL

En el control de un proceso industrial están envueltas varias variables que entran y salen del mismo

proceso industrial, relacionadas entre si por el proceso mismo y por los lazos de control.

Las variables controladas son aquellas condiciones que se desean controlar o mantener en un valor

deseado a lo largo del tiempo y pueden ser caudales, temperaturas, niveles, u otras características

necesarias de controlar.

Para cada una de estas variables controladas se establecerá un valor deseado también llamado

punto de ajuste o set point.

Para cada variable controlada existe una cantidad o variable manipulada de entrada asociada a esta

y que llega al controlador a través de la realimentación que proporcionan los transmisores,

posteriormente en el controlador la variable manipulada se podrá modificar para lograr el objetivo de

control, de la salida del controlador para controlar la variable manipulada saldrá una señal eléctrica

que buscara posicionar el elemento final de control.


LAZOS DE CONTROL ABIERTO

En los sistemas de control a lazo abierto, la salida no tiene efectos sobre la acción de control. La salida ni se mide, ni sé realimenta para ser comparada con la acción de control de entrada, es decir no se compara la variable de salida del proceso con la entrada de referencia, por ello para cada acción de control de entrada corresponde una salida del proceso fijo.


En procesos: complejos, críticos, riesgosos, áreas de trabajos clasificadas, como la casi totalidad de las instalaciones operacionales petroleras los reflejos de un operador humano no pueden ni deben ser la garantía del funcionamiento y la protección de la operación y seguridad de los equipos, dado que no son eficaces, por los requisitos de la precisión del proceso, por la velocidad de las respuestas requeridas en cada uno de los controles, así como, condiciones donde es necesaria la interrelación de varias variables operacionales, por lo que se hace necesario el uso de equipos controladores que actúen sobre el elemento final de control que regula la variable controlada a partir de la comparación del valor deseado a la salida del proceso y su realimentación.


LAZO DE CONTROL CERRADO


LAZO DE CONTROL CERRADO

En un sistema de control a lazo cerrado la señal de la variable de salida S(s), tiene efectos directos sobre la acción de control.

Son sistemas realimentados donde el controlador además de recibir una señal del valor deseado o Set Point VD(s) que proporciona el operador, recibe a través de la realimentación la señal del valor de la salida S(s).

En el control el valor deseado se compara con el valor de la realimentación de la magnitud de la salida del proceso R(s). Con el valor deseado VD(s) y la realimentación R(s) el controlador genera la señal de error e(s) la cual es la diferencia entre el valor deseado y la realimentación:

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