instrumentacion en el sector industrial

SESION 1. CONCEPTOS BSICOS DE INSTRUMENTACIN Y CONTROL

Prcticas curso 2013-2014

Ingeniero

Qumico

Universidad de Granada

Control e Instrumentacin de Procesos Qumicos

Juan Jos Garca Mesa

Instrumentacin en el sector industrial

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AGENDA

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Generalidades.

Tipo de instrumentacin.

Conexionado mecnico.

Conexionado elctrico.

Criterios para la seleccin de un instrumento.

Fabricantes de instrumentacin industrial.

Mantenimiento de la instrumentacin. Calibracin.

Arquitectura de un sistema de control industrial: PLC, ET-200, SCADA. Ejemplo de un lazo de control.

Normativa ISA

Conclusiones.


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GENERALIDADES.

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Instrumentacin. Definicin:

Ciencia dedicada a la medicin y control de variables.

Conjunto de elementos para este fin.

Campo multidisciplinar:

Ingeniera de procesos.

Ingeniera informtica.

Ingeniera electrnica.

Componentes:

Instrumentos de medida (Indicadores/Transmisores)

Sistema de control (programacin).

Actuadores

Multitud de materiales de fabricacin y tecnologas de medida.

Elemento de

medida

sensor

Indicador y

Transmisor


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INSTRUMENTACIN.

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Sondas de temperatura.

Sondas de presin.

Sondas de nivel.

Clulas de carga y bsculas.

Caudalmetros.

Detectores de flujo.

Conductivmetros.

Otros (pH, humedad, etc)


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INSTRUMENTACIN.

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Sondas de temperatura.

Sondas de presin.

Sondas de nivel.

Clulas de carga y bsculas.

Caudalmetros


Conductivmetros

Otros (pH, humedad, etc)


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SONDAS DE TEMPERATURA

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Alto grado de utilizacin.

Medicin de la temperatura de un proceso para su control.

Ejemplos de aplicaciones:

Control de tratamientos trmicos. pasteurizacin, UHT, esterilizacin, refrigeracin.

Control de reacciones qumicas.

Control de procesos biolgicos: Fermentaciones.

Control de almacenamiento (Fro / Calor).

Control de condiciones ambientales.

Multitud de tecnologa:

Termopares.

Termoresistencias.


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SONDAS DE PRESIN

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Medicin de presin de un proceso para su control.

Medicin

Absoluta

Diferencial

Ejemplos de aplicaciones de control:

Bombeos/prdidas de carga.

Reacciones qumicas.

Almacenamiento de productos a presin/vaco.

Medida indirecta de nivel de tanques.

Flujo por presin diferencial.

Condiciones ambientales. Presin diferencial.


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SONDAS DE NIVEL

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Control de niveles de reactores, tanques y silos.

Tecnologas:

Capacitivos

Vibratorios

Ultrasnicos

labes rotativos

Radar


Niveles mximo y mnimo de tanques y recipientes.

Control de derrames en cubetos de contencin

Capacitivo

Vibratorio


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CLULAS DE CARGA/BSCULAS

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Medicin de peso de reactivos/ingredientes de un proceso.

Medicin

Clulas de carga y caja sumadora (Tanques)

Bsculas/Balanzas

Sacos

Contenedores/bidones

Camiones

Controladoras de pesos


Recepcin M.P./ Expedicin producto fabricado.

Dosificacin de ingredientes/reactivos.

Control del llenado de tanques y silos.

Control de peso de producto envasado.

Feedback y rechazo de muestras.


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CAUDALMETROS

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Medicin de caudal de corrientes de procesos. (Lquidos, gases, slidos).

Gran variedad de tecnologas:

Electromgneticos. Msicos (Efecto coriolis). Ultrasnicos. Vortex. Desplazamiento positivo. Diferencial de temperatura (termistores).

Se pueden hacer correcciones por T y P.


Dosificacin de ingredientes/reactivos. Llenado de tanque/silos. Velocidad de procesos. Control de consumos de servicios auxiliares.


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CAUDALMETROS

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Seleccin depende de tecnologa y aplicacin


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OTROS

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Informan si hay paso de fluido.

Seguridad en sistemas de refrigeracin y calentamiento

Conductivmetros:

Informa sobre la conductividad del fluido.

En preparacin de diluciones, medida indirecta de concentracin.

pH

Medicin de pH para controlar adicin de cidos y bases.

Humedad

Control de condiciones ambientales. Ambientes especiales.

Concentracin de gases (O2, txicos, inflamables, explosivos)


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CONEXIONADO MECNICO

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Factores para seleccin:

Lugar de instalacin: Sala, tubera, tanque y material donde se instala.

Producto en contacto con sensor: Alimentario, corrosivo

Estndar de la fbrica.

Tipos de conexiones.

Soldadas. (Seguras, dificultad para mantenimiento del equipo).

Bridada (Productos qumicos y servicios auxiliares).

Wafer (Montaje entre bridas)

Clamp. (Conexin higinica apta para productos alimentarios).

Roscada:

GAS (No higinica, usar para productos qumicos y servicios auxiliares).

NPT (Nudo DIN)


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CONEXIONADO MECNICO

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Soldadas. (Seguras, dificultad para mantenimiento del equipo).

Bridada (productos qumicos y servicios auxiliares).

Wafer (Montaje entre bridas)


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CONEXIONADO MECNICO

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Clamp. (Conexin higinica apta para productos alimentarios).

Roscada:

GAS (No higinica, usar para productos qumicos y servicios auxiliares).

NPT (Nudo DIN)


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CONEXIONADO MECNICO

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Consultar especificacin de fabricante. Por ej. Caudalmetros Vortex Endress&Hausser:

En medicin de lquidos evitar instalar en puntos con acumulacin de aire.

Orientacin puede depender de T de producto a medir.


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CONEXIONADO MECNICO

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Consultar especificacin de fabricante. Por ej. Caudalmetros Vortex Endress&Hausser:

Tramos rectos previo y posterior al equipo para correcta medida.


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CONEXIONADO MECNICO

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Consultar especificacin de fabricante. Por ej. Caudalmetros Electromagnticos Siemens:


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CONEXIONADO ELCTRICO

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Alimentacin:

220 V 24 V

Seales de comunicacin:

Digitales (Paquete discreto):

Sensores de nivel, detectores de flujo.

Pulsos acumulados. Medicin de flujo. Equipo emite un pulso .

Analgica (4-20mA):

Instrumentos que transmiten valores en un rango.

4mA se asigna al valor inferior del rango de medida.

20mA se asigna al valor superior del rango de medida.

Otros protocolos de comunicacin:

Profibus DP y Profibus PA. (Estndar Alemn junto con ABB, Siemens y otras empresas).

HART.

MODBUS RTU.

DeviceNet.

Foundation Fieldbus.


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CONEXIONADO ELCTRICO

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Canalizacin de cables

Rejiband

Tubo de acero.

Cajas de conexin

Materiales, acero inoxidable, galvanizado o plstico (PVC)

Aspectos a considerar:

No mezclar cables de fuerza y datos en la misma canalizacin (interferencias).

Usar cables apantallados para minimizar problemas de ruidos e interferencias, la malla acta como jaula de Faraday.

Usar prensaestopas en conexiones de tubos de acero y cajas de conexin


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SELECCIN DE UN ELEMENTO

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Rango de proceso.

Exactitud.

Precisin.

Sensibilidad.

Ambiente de trabajo:

Proteccin IP (humedad, polvo ambiental) y proteccin IK.

Ambiente explosivo (Normativa ATEX).

Atmsfera corrosiva.

Temperatura.

Fluido a medir.

Alimentario, Corrosivo, Slido/Lquido/Gas, Temperatura/Presin.

Relacin calidad/precio.


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Proteccin IP (humedad, polvo ambiental).

Envolvente: Elemento que proporciona la proteccin del material contra influencias externas

2 Tipos de proteccin:

IP: Proteccin frente a la penetracin a travs de la envolvente de slidos y lquidos. Se cataloga con 2 dgitos y una cifra opcional, son las cifras caractersticas

IP: X Y Z

Proteccin IK: Proteccin frente a impactos exteriores, se clasifica de 0 a 10

Ambiente explosivo (Normativa ATEX).

Atmsfera corrosiva.

Temperatura.


Grado de proteccin frente a

slidos (De 0 a 6)


lquidos (De 0 a 9)

Accesibilidad a zonas

sensibles (De A a D)


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Proteccin IP (humedad, polvo ambiental).

IP: X Y Z

En ambientes industriales recomendable Mnimo IP 55


slidos (De 0 a 6)


lquidos (De 0 a 9)

Accesibilidad a zonas

sensibles (De A a D)


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Proteccin IK: Proteccin frente a impactos exteriores, se clasifica de 0 a 10


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ATmsfera EXplosiva (Normativa ATEX).

Clasificacin de zonas de trabajo:

Presencia de gases o vapores inflamables (por ej. Almacenamiento o trasvase de disolventes).

Zona 0: Presencia permanente o durante largos perodos de tiempo.

Zona 1: Susceptible de formarse en condiciones normales de trabajo.

Zona 2 presencia poco probable y por cortes perodos.

Presencia de polvo combustible: (por ejemplo molinos de harina, plantas de fertilizante, etc)

Zona 20. Hay polvo combustible durante la operaciones normales de funcionamiento, puesto en marcha o limpieza en cantidad suficiente para producir atmsfera explosiva.

Zona 21: En condiciones de normales de trabajo es susceptible de formarse una nube o capa de polvo.

Zona 22: Presencia poco probable o por corto periodo de tiempo de nubes de polvo.


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ATmsfera EXplosiva (Normativa ATEX).

Clasificacin equipos ATEX:


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Atmsfera corrosiva.

Materiales plsticos

Materiales de acero inoxidable

Temperatura de ambiente de trabajo.

Fluido a medir.

Slido/Lquido/Gas,

Alimentario o corrosivo.

Temperatura y presin de trabajo.

Rangos de trabajo


Estndares aceptados en lugar de trabajo:

Tecnologa a emplear.

Marcas y modelos de equipos.


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FABRICANTES

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Siemens. http://www.siemens.com/entry/cc/en/

Endress+Hauser (E&H). http://www.es.endress.com/

ABB. http://www.abb.es/

WIKA. http://www.wika.es/Home_es_es.WIKA

VEGA: http://www.vega.com/es/21340.htm

Danfoss. http://www.danfoss.com/spain

Testo. www.testo.es

IFM. www.ifm.com

SMC. www.smc.com/


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MANTENIMIENTO

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IMPORTANCIA:

Son elementos que permiten el control de procesos. Impacto en:

Calidad de producto (No cumplir especificaciones).

Productividad de la planta (paradas).

Consumo de servicios auxiliares. (prdidas econmicas)

Pueden estar en ambientes agresivos (corrosivos, agua, golpes).

Planificacin de un sistema de mantenimiento preventivo.

CALIBRACIN:

Pedir certificado de calibracin a fabricante.

Chequeo peridico de correcta medicin.

Contrastar con patrones.

Varios puntos ascendentes y descendentes en el intervalo de proceso.

Realizar ajustes o sustitucin si es necesario.


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ARQUITECTURA DE SISTEMAS DE CONTROL

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INSTRUMENTACIN

TRANSMISORES (Integrados en instrumentacin)

CONTROLADORES

PLC (Control Lgico Programable).

Fuente de alimentacin.

CPU. Programa de control.

Tarjetas de comunicaciones.

I/O Digitales.

I/O Analgicas.

Acopladores DP/PA

Posibilidad de conectar en red.

ET200 (Gestin I/O perifricas de PLC).

ACTUADOR (ELEMENTO FINAL DE CONTROL.

Vlvulas (on-off, moduladoras).

Contactores/arrancadores para motores.

Variadores de frecuencia.


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INSTRUMENTACIN Y TRANSMISORES

Elemento de

medida

Indicador y

Transmisor

Montaje Sensor y transmisor separada Montaje Sensor y transmisor Compacto


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CONTROLADORES

PLC (Control Lgico Programable).

Fuente de alimentacin.

CPU. Programa de control.

Tarjetas de comunicaciones.

I/O Digitales.

I/O Analgicas.

Acopladores DP/PA

Tarjetas maestras AS-i (AS-Interface)

Posibilidad de conectar en red.

ET200 (Gestin I/O perifricas de PLC).

Diseo modular sobre carril DIN


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ACTUADOR (ELEMENTO FINAL DE CONTROL).

Vlvulas (on-off, moduladoras).

Contactores/arrancadores para motores.

Variadores de frecuencia. VFD

1 Etapa se convierte corriente alterna en continua

2 Etapa se convierte la corriente continua en alterna segn condiciones requeridas

p

f120:RPM

RPM: Velocidad de motor

f: Frecuencia de corriente

p: N de polos del motor


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Vlvulas:

TODO-NADA (on-off):

No modulan, solo abre o cierran.

Simple Efecto: Actuador tiene un muelle, acta al aplicarse la fuerza neumtica. Al cesar el muelle retorna la vlvula a la posicin de reposo.

Normalmente abierta. En reposo deja pasar el fluido.

Normalmente cerrada. En reposo corta el flujo

Doble Efecto: Tiene una doble entrada de aire al actuador. Una vez actuada es necesario suministrar aire por la entrada contraria para retornarla a la posicin

inicial

Moduladoras o de control.

El actuador se ajusta a una posicin predeterminada segn marque el controlador del proceso

Clculo depende del valor Kvs

Simple

Efecto

Doble

Efecto

0p

p1000KvV


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Contactores:

Son elementos con capacidad de cortar corriente elctrica de una inst.

Se accionan a distancia mediante un circuito de mando:

Reposo: cuando no hay accin del circuito de mando.

Inestable: cuando hay accin del circuito.

Arrancadores electrnicos para motores:

Equipos electrnicos que controlan las 3 fases de alimentacin, regulando durante los arranques y las paradas del motor:

Tensin

Corriente

Permiten arrancar y parar progresivamente.

Protege los motores

Reduce picos de corriente y elimina picos de tensin

Se instala en motores de ms 10kW


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ALTERNATIVAS DE CONTROL DE CAUDAL. VARIADOR VS VLVULA DE CONTROL

Ejemplos de Control en un grupo de bombeo

Ventajas del uso del variador:

Reduccin de consumo elctrico.

Regular velocidades en arranque y paro de motor.

Menor desgaste de motor al funcionar a menor velocidad.

No se necesita vlvula de control.

Control sin variador Control con variador


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MARCAS PLC

SIEMENS

OMRON

ALLEN BRADLEY

ROCKWELL

TELEMECANIQUE

MARCAS VARIADORES

SIEMENS

OMRON

ABB

SCHNEIDER


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Visualizacin sinptica del proceso.

Comunicaciones con otros sistemas en red.

Gestin de histricos y alarmas.

Generacin de informes.

Control de acceso de usuarios.

Grficos de evolucin temporal de variables del proceso.

Comunicaciones con terminales remotas y/o PLCs.

Comunicaciones con otras aplicaciones software (bases de datos, hojas de clculo, ..).

Gestin de recetas.

SCADA: Control de Supervisin y Adquisicin de Datos.

Aplicacin Software en ordenadores de produccin.

Ejemplo pantalla SCADA


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ELEMENTOS DE CAMPO:

Instrumentacin.

Actuadores.

CONTROLADOR PROCESOS:

PLC.

ET200.

SCADA:

Supervisin operador.

Registro de datos.

Variacin de Set-Points.


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ELEMENTOS DE CAMPO:

Instrumentacin.

Actuadores

CONTROLADOR PROCESOS

PLC.

ET200.

SCADA

Supervisin operador.

Registro de datos.

CONTROL DE

OPERACIONES:

ERP: Enterprise Resource Planning

MES: Manufacturing Execution System


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NORMATIVA ANSI / ISA S 5.1- 1984

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Propsito

Normalizar la designacin de la instrumentacin y sistemas de control.


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Propsito

Incluye la estandarizacin en la representacin en planos de P&ID.


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Propsito

Incluye la estandarizacin en la representacin en planos de P&ID.


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Ejemplo


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CONCLUSIN

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GRAN VARIABILIDAD DE INSTRUMENTACIN.

CONOCER REQUISITOS DE PROCESO PARA SELECCIN DEL INSTRUMENTO CORRECTO.

APOYARSE EN LOS PROVEEDORES PARA ESCOGER INSTRUMENTOS DE FUNCIONALIDAD ADECUADA.

CONOCIMIENTO DE PROCESOS PARA UN CORRECTO DISEO DE LAZOS DE CONTROL.

LA AUTOMATIZACIN ES CLAVE EN EL XITO DEL FUNCIONAMIENTO DE UN PROCESO INDUSTRIAL.


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GRACIAS

instrumentacion en el sector industrial

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