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Instrumentacion Inductrial
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Captulo I. Introduccin a los Proyectos de Instrumentacin Industriales
1
Profesor: Ivn Rivero Flores. UTFSM.
2S. 2014
I.1 Proyectos Industriales
Qu son los Proyectos Industriales?
Los proyectos industriales, son inversiones en capital, para el desarrollo e implementacin de procesos producKvos, capaces de crear productos que saKsfacen una demanda del mercado.
Un proceso producKvo o planta industrial, es un conjunto de operaciones que transforman la materia prima en un producto nal.
3
Ejemplo: Faena Minera
Materia prima: Mineral con un pequeo % de cobre, oro y otros minerales.
Proceso Produc0vo: Planta Concentradora Producto nal: Concentrado de Cobre.
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Planta Concentradora
Mineral (1% Cu)
Concentrado Cobre
(30% Cu)
Ejemplo: Operaciones de Faena Minera
Flow Sheet Faena Minera
Un Proyecto de Ingeniera, es un conjunto de documentos, especicaciones, memorias de clculo y planos que establecen como debe ser construida una obra de ingeniera, proceso producKvo o planta industrial.
Qu es un Proyecto de Ingeniera?
IDEA
INGENIERIA CONCEPTUAL
CONSTRUCCION
INGENIERIA BASICA
INGENIERIA DETALLES
PUESTA EN MARCHA
Fases Zpicas de Proyectos
Otros Conceptos: PrefacKbilidad; FacKbilidad
El objeKvo de esta ingeniera es denir el proceso y tener una primera esKmacin del costo del proyecto ( CAPEX) Es Realizado por Expertos. Dene las caractersKcas de los equipos principales. Dene el Layout (Ubicacin de Equipos) Evala Econmicamente +/-30% Si el proyecto es rentable, se conKnua con una Ingeniera Bsica.
Ingeniera Conceptual
El objeKvo de la Ingeniera Bsica es disear el proceso producKvo o planta industrial, es decir modelan, simulan y calculan que equipos son necesarios para procesar la materia prima y lograr los productos especicados. Normalmente se uKliza un Sogware de Simulacin de Procesos (ej. HYSYS). En esta etapa se preparan los documentos bsicos el PFD, P&ID y las especicaciones de equipos principales. Evala Econmicamente +/-20% Si el proyecto es rentable, se conKnua con la Ingeniera de Detalles.
Ingeniera Bsica
El Objetivo Principal de la Ingeniera de Detalles es desarrollar los Planos y Especificaciones necesarios para que el Proyecto pueda ser construido por otras personas.
Abreviaciones tpicas de Proyectos de Ingeniera: E : Engineering EP: E + Procurement EPC : EP + Construction EPCM : EPC + Management
Ingeniera de Detalles
Jefe de Proyecto
Control Documentos
Planificacin
Ingeniera
Control Calidad
Control de Costos
Ing. Especialistas
Organigrama Ingeniera (EPC)
Adquisiciones
Compras
Contratos
Construccin
Ing. Construccin
Ing. Prev. Riesgos
Ingenieros de Instrumentacin y
Control
EsKmacin de Costos Ingeniera
TABLA CALCULO HH & COSTOS PROYECTOS
Especialidad InstrumentacinEntregable Formato Cantidad JD IA IB PA PB JP CC CD PLP&ID A1 3 3 20 20 3 1 1 1Lista de Instrumentos A4 1 2 30 1 1 1 1Data Sheet A4 10 2 15 1 1 1 1Diagramas de Lazo A3 20 2 3 10 2 10 1 1 1 1Diagramas Lgicos A3 10 2 3 10 3 15 1 1 1 1Arquitectura Sist. Control A1 1 5 10 15 5 20 1 1 1 1Plano conexionado A1 5 1 2 5 15 20 1 1 1 1Plano Canalizacin A1 5 1 2 5 15 20 1 1 1 1
Subtotal HH 1912 106 360 365 285 570 61 55 55 55Costo UF 1.6 1.3 1 0.9 0.6 2.5 1.4 1.1 1.3Subtotal Costo UF 169.6 468 365 256.5 342 152.5 77 61 71.5
HH DIRECTAS HH INDIRECTAS
Costo Instrumentacin 1963Otros Costos Adm. Logisticos 10% 196Contingencias 5% 98Sub Total Costo 2257Utilidad 10% Precio Venta 251
Precio venta UF 2508
Siglas: JD: Jefe Disciplina IA, IB: Ingenieros A, B PA, PB: ProyecKstas A, B JP: Jefe Proyecto CC: Control Calidad CD: Control Documentos PL: Planicacin
Preguntas de repaso
1.- EsKme las HH y el costo de venta, para realizar un proyecto de electricacin solar de 3 kW, que le solicit un cliente para su casa.
I.2 Control AutomKco
Control AutomKco
Los sistemas de control autom2co son el conjunto de disposiKvos, que manKenen las variables de un proceso industrial, constantes en un valor deseado o prejado. Se dice automKco porqu no existe intervencin humana y las decisiones son tomadas por autmatas (o mquinas). Ejemplos:
Control de velocidad crucero de automvil. Piloto automKco de avin. Control automKco de temperatura de ducha.
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Control Manual vs AutomKco
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Control Manual. -El Operador acciona la vlvula segn la lectura de un termmetro. -CaractersKcas:
Inestable Inseguro Lento
Control AutomKco. El Controlador (autmata) acciona la vlvula segn la lectura de un sensor. -CaractersKcas:
Estable Seguro Rpido
Problema de Control? Es mantener procesos controlados.
Mantener variables estables (constantes). Obtener productos de una calidad mnima Mantener la seguridad de las instalaciones y las personas Obtener el mximo rendimiento y eciencia de la planta. Disminuir los costos de operacin y de materias primas en el proceso producKvo.
Elementos Principales de un Sistema de Control
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Para controlar una variable de un sistema, o variable medida, lo primero es contar con un equipo conable, que pueda medir esa variable y transformarla en una seal. Este equipo se denomina Instrumento. Esta seal es enviada a un equipo, que pueda analizar los cambios acontecidos y tomar una decisin o ejecutar un algoritmo, para determinar como modicar una variable manipulada del sistema, que por las propiedades rsicas sabemos a priori, que afectar la variable medida. Este equipo se denomina Controlador. El controlador toma una decisin, modicando la variable manipulada, el equipo que esta accin se denomina Actuador. Bsicamente son estos tres elementos: Instrumento, Controlador y Actuador, los que intervienen en un sistema de control automKco simple.
Ejemplo: Control AutomKco de Nivel
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Controlador ObjeKvo : error = 0
Actuador
Variable: Nivel
Sistema de Control Realimentado o de
Lazo Cerrado
La teora de control automKco se basa en la modelacin matemKca del proceso y en buscar algoritmos controladores que mantengan el sistema modelado estable ante perturbaciones o cambios de setpoint.
xkydtdyf
dtydm +=2
kfsmssXsY++
= 2)()(
L [ ] TRANSFORMADA
LAPLACE
Teora Control AutomKco
Ejemplo: Ec. Diferencia de un sistema masa-resorte
)()()(sXsYsG =
Funcin de Transferencia
)(sC )(sY)(sR
)(sG
)(sH
+
-
)()()()(1
)()()( sRsHsGsC
SGsCsY+
=
Controlador Planta
Instrumento
Modelo Sistema Control AutomKco en Bloques en s
Sistema de Control Realimentado o de Lazo Cerrado
)()( sEKsM P=
)(sC)(sE )(sM
)()( teKtm p=L [ ]
Controlador P: Proporcional
Kp : Constante Proporcional
e(t)
t
1
m(t)
t
Kp
m(t)
EJEMPLO 1: Escaln
e(t)
t
1
m(t)
t
Kp
1
1
EJEMPLO 2: Rampa
Ejemplos con Controlador P
( ) )(1)( sEsTKsM dP +=
)(sC)(sE )(sM
+=dttdeTteKtm dp)()()(
L [ ]
Controlador PD: Proporcional Deriva2vo
Td = Constante DerivaKva
EJEMPLO 1: Rampa
e(t)
t
1
1
m(t)
t
Td Kp
1
P
Ejemplo: Controlador PD
)(11)( sEsT
KsMi
P
+=
)(sC)(sE )(sM
+=
t
ip dtteT
teKtm0
)(1)()(
L [ ]
Controlador PI : Proporcional Integral
Ti : Constante Integral
EJEMPLO 1: Escaln
e(t)
t
1
m(t)
t
Kp
2Kp
Ti
P
Ejemplo Controlador PI
)(11)( sEsT
sTKsMi
dP
++=
)(sC)(sE )(sM
++=
t
idp dtteTdt
tdeTteKtm0
)(1)()()(
L [ ]
Controlador PID: Proporcional Integral y DerivaKvo
EJEMPLO 1: Rampa
e(t)
1
m(t)
Kp
1
1 t
t
P D
Ejemplo: Controlador PID
Respuesta a Escaln Lazo Abierto
Ejemplo: Sistema Mecnico
Controlador P Controlador PD
Controlador PI Controlador PID
Resultados con DisKntos Controladores
Representacin del Control en Ingeniera de Proyectos
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LTTT
LCTT
LVTT 150
150
150
Diagrama P&ID de acuerdo a Norma ISA 5.1
Representacin en Diagrama en Bloques Industrial
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PROCESO
CONTROLADOR TRANSMISOR
SENSOR Elemento Final Control
Variable Manipulada
Variable
Controlada SET POINT
Otras Variables No Controladas
Perturbaciones
Variable
Medida
PV OP
SP
Variable Medida: La canKdad rsica, propiedad o condicin que est siendo medida.
Variable Controlada (PV): La variable que el sistema de control mantendr en su setpoint.
Variable Manipulada: Es aquella variable sobre la cual acta el controlador
Set point (SP): Valor deseado en la variable controlada de un proceso.
Error: Diferencia algebraica entre el setpoint y la variable controlada.
Deniciones
Sensor: Es un disposiKvo que convierte la variable de proceso en una seal.
Transmisor: Es el disposiKvo que convierte la seal del sensor en un valor normalizado (Ej.4-20mA).
Controlador: DisposiKvo que ejecuta un algoritmo de clculo para mantener una variable de proceso estable.
Elemento nal de Control: Elemento que acta directamente sobre la variable manipulada.
Deniciones
Instrumentos
Preguntas V y F de repaso
a. La variable medida es la seal entregada por el sensor. b. La variable manipulada es la seal que acta sobre una vlvula
de control. c. La variable controlada es la seal de entrada al controlador. d. Sensor y transmisor son lo mismo. e. El Set Point es el valor constante que se desea mantener la
variable medida. f. El P&ID es un Kpo de controlador
I.3 Tipos de Instrumentos
Tipos de Instrumentos
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Tipo Funcin
Ciego: No Kene indicacin visible de la variable.
Indicador: Indica el valor de la variable.
Registrador: Registra la variable.
Sensor: Capta la variable de proceso
Transmisor: Transmite la variable en una seal normalizada.
ConverKdor: Convierte una seal de un Kpo a otro Kpo.
Controlador: Ejecuta algoritmo control.
Actuador: Modica una variable del proceso.
Tipos de Instrumentos
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Registradores Controladores
Ciegos Transmisores Indicadores
Actuadores
Sensores
I.4 Unidades de Ingeniera
Unidades de Ingeniera Variable MKS Unidad Inglesa Unidad Conversin
Longitud metro m foot g 1 g = 0.3048 m
Masa Kilogramo Kg pound lb 1 lb = 0.4536 kg
Tiempo segundo s second s
Temperatura Kelvin K Rankine R 1 R = 5/9 K 1 K = 273,15 + C 1 C = (F-32)*5/9
Presin Pascal Pa pound per in^2
psi 1 psi = 6895 Pa
Potencia Wa~ W Horsepower Hp 1 Hp = 746 W
Mtodo de Conversin de Unidades
Ejemplo 1: ConverKr 100 HP a W: 1 Hp = 746 W => 100 Hp = 100 * 746 W = 74600 W = 74.6 kW
Ejemplo 2: ConverKr 30 psi a Pa: 1 psi = 6895 Pa => 30 psi = 30*6895 Pa = 206850 Pa = 206,85 kPa
Ejemplo 3: La formula de ujo en una tubera es Q = A*v, Q en m3/s. Si el rea es 1.5 m2 y la velocidad es 2 m/s, cual es caudal en lt/min.
I.5 Deniciones
RANGO Conjunto de valores de la variable medida que estn comprendidos entre los lmites superior e inferior de la seal de salida del instrumento. Ejemplo: Transmisor de Presin.
LRV: 0 kg/cm2g --> 4 mA URV: 10 kg/cm2g --> 20 mA Rango del instrumento: 0 a 10 kg/cm2g
LRV: Lower range value URV: Upper range value
SPAN Es la diferencia algebraica entre los valores calibrados superior
e inferior del rango. Ejemplo: Rango : -20 a 100 C
URV = 100 LRV = - 20 Span = URV LRV = 120 C.
OTRAS DEFINICIONES
Concepto Denicin
Error Valor Ledo Valor Verdadero
ExacKtud Grado de error respecto valor ideal
Precisin Cualidad de dar la misma medicin repeKdas veces
Histresis Diferencia mxima, para el mismo valor de medida, ascendente y descendente.
Preguntas de repaso
Preguntas de repaso
1.- Si el Span de un instrumento transmisor de nivel por presin hidrost2ca es 12 mca, entonces: Cul de las siguientes armaciones es verdadera?:
a) EL URV es 12 mca b) El LRV es -12 mca c) El rango del instrumento es -14 a -2 mca d) Ninguna de las anteriores. 2.- Si el error de un transmisor de presin es +/- 0.5% del span. Cual es el error de una
lectura de 20 psig en un instrumento calibrado de -10 a 90 psig?:. a) +/- 0.45 psig b) +/- 2.5% c) +/- 2.25% d) +/- 0.1 psig
I.6 Seales
Seales Instrumentacin
Seal Observacin
NeumKca Presin de aire 3 - 15 psig.
Anlogica Corriente 4 20 mA
Discreta On/O Voltaje dos estados: 0 / 110 VAC; 0 /24 VDC; 0 /125 VDC
Comunicaciones Bus de comunicaciones protocolo digital. Fieldbus, Probus, Hart.
Wireless Comunicacin sin alambres va radiofrecuencia.
Seal NeumKca
3-15 psi
Presin [psi]
Posicin Vlvula
Paso de Fluido
3 0% Cerrada 7 9 15 100% Abierta
Seal Analgica
4-20 mA
Presin [psi] Seal Voltaje
0 4 mA 25 50 75 100 20 mA
Seal Discreta On/O
0 ;24 VDC
Nivel [%] Seal Voltaje [V] 0 "0" 0 50 75 100 "1" 24
Preguntas de repaso
1.- La salida de un transmisor 4-20 mA de dos hilos, es de 10 mA, si este transmisor se conecta a un PLC con entrada anloga que posee una resistencia de 250 Ohm, entonces: Cual ser el voltaje en el canal de entrada, para dicha corriente?.
a) 2.5 V b) 10 mA c) 1.5 V d) 3 V
Problema de Tarea
Dado un estanque de 15 mt de altura y 50 mt de dimetro, calcular: a.Rango y Span de un instrumento transmisor de presin hidrostKca para medir el nivel del estanque. La toma se encuentra ubicada a pie de estanque. b.Si la salida es 4-20 mA. Cual es el nivel del estanque si abriendo el lazo mide 6.85 mA?. c.Si la exacKtud del instrumento es 0.5% del span. Cual es el error en la lectura del nivel del punto anterior?. d.Si el estanque almacena gasolina 93 octanos( $ 900 / litro). Cual es el valor monetario del error de medicin?.
Problema de Tarea
Problema de Tarea
Problema de Tarea
Problema de Tarea
Problema de Tarea
Problema de Tarea