Introducción

5/17/2018 Introducci n - slidepdf.com

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“Instrumentación y Automatización”

Profesor : Ing . Paul Gálvez Fernández



Instrumentación Instrumentos: Dispositivos para medir o controlar variables de

proceso de una planta. El instrumento que convierte la variable de proceso en una

“señal”, se denomina sensor.

La información al operador puede ser: Local (en terreno)-> Instrumento Indicador Remota (en Sala de Control) -> Instrumento Transmisor

I ndicador TransmisorSensor



Señales

Existen cuatro señales fundamentales en instrumentación: Analógica : El valor varía en todo el rango, por ej. 4-20 mA,

0-10 Vcc

Digital u On/Off: La señal adopta el valor máximo o el

mínimo, pero no intermedios, por ej. 0-24 Vcc, 0-220 VAC,1-5 Vcc.

Serial o Bus: La señal es del tipo digital pero variable en el

tiempo RS-232, RS-485. Un microprocesador decodifica elmensaje transmitido por algún protocolo de comunicaciones(Modbus, Profibus, Fieldbus, Data Highway)

Neumática: Señal de presión de aire de instrumentos.

Formato usual 3-15 psig, para señales análogas.



Evolución de las señales

Mecánica - Hidraúlica (<1900) Neumática (1930) - 3-15 psig

Eléctrónica (1965): 10 - 50 mA, 0-10 V, 4-20mA.

Comunicaciones (1988): Hart, Modbus, DH+.

Buses de Campo (1998) : Fieldbus, Profibus, ASI.



Temperatura-Indicadores Unidades Ingeniería : [°C];

[°F]. Indicadores: Termómetro Bimetálico: Dos

metales se unen y por el

principio de dilatación linealdeflectan en uno y otrosentido.

)1( T L L i f ∆∗+∗= α



Temperatura-Sensores-

Termocuplas Termocupla: Se unen dos alambres de metales

distintos que producen un Voltaje (mV)proporcional a la Temperatura en el punto deunión. Tipos K, J, E.

Se usa cable compensado para unir latermocupla al sistema de medición, para evitarerrores por unión de metales distintos.



Temperatura-Sensores-RTD

RTD: Un metal aumenta su resistencia eléctrica alaumentar la Temperatura. Tipos PT100 (100 Ohm a0°C).

Como se mide la resistencia del sensor, laresistencia de los cables de conexión influyen en lamedida. Se utilizan tres cables para compensar esteerror.

)1(0 T R Rt ∗+∗= α

[ ] C R°Ω= 0@1000

1100385,0 −°− •Ω•Ω= C α



Presión - Unidades

Unidades de Ingeniería:psi, kg/cm2, bar. Presión Absoluta (a)

Presión Manométrica(g) Presión Atmosférica

Ejemplo:

1 kg/cm2a = 14,7 psia

1 kg/cm2g = 14,7 psig



Presión - Indicadores Manómetro: La presión actúa sobre un

tubo de bourdon que acciona unmecanismo de indicación.



Presión - Accesorios

Syphon : Aislatérmicamente.

Sello Diafragma: Aisla del contactocon el fluido.

Snubber: Amortigualas pulsaciones



Presión - Sensores

Sensor tipo D/PCell: Es una celdaque mide la

diferencia decapacidad de uncondensadorrelleno de unlíquido que espresionado en susdos capas.



Presión - Transmisores Transmisor de Presión

Diferencial: Utiliza un sensortipo d/p cell con dos tomas(alta y baja presión).

Transmisor de PresiónManómétrica: Utiliza un sensortipo d/p cell con una toma a laatmósfera y la otra en elproceso.

Estos transmisores incluyenuna unidad electrónica conmicroprocesador que entrega laseñal normalizada 4-20 mA.



Caudal – Unidades

Volumétricas: Son unidades variablesrespecto de la presión y temperaturadel fluido. Por ej.: m3/h ; lt/s ; lt/min.

Másicas: Son unidades invariables antecambios de presión y temperatura del

fluído. Por ej. : ton/h ; kg/h ; gr/min.



Caudal - Indicadores

Rotámetro: Es un tubo un Tubo con un pesoen forma cónica que por gravedad indica enuna escala el caudal en contracorriente que

pasa.



Caudal – Sensores-Placa

Orificio Es una placa metálica con un orificio, que restringe el paso de

caudal, generando una diferencial de presión, cuya raiz cuadrada esproporcional al caudal.

Se basa en el principio de Bernoulli

Se cálculan para un Beta = 0,3 – 0,7 y DP = 100” H2O

1111 ,,, hvP ρ 2222 ,,, hvP D

d

( )( )4

21

2

221

2

4

β ρ π

−

−==

PPd v AQv PK Qv ∆= *



Caudal – Sensores-Placa Orificio-

Transmisor de Presión Diferencial



Caudal – Transmisor-Coriolis Es un transmisor del Tipo Másico. Se basa en el principio de Coriolis Es un instrumento de alta precisión con un error cercano al

0,2%.



Caudal – Transmisor-

Magnético

Es un Transmisor Volumétrico parafluidos conductivos.

Se basa en la ley defaraday.

KBlv E =



Caudal – Transmisor-Turbina

Mide el caudal porvelocidad delfluido, obtenida a

partir de impulsoseléctricos omagnéticos de un

rotorcompensado.



Caudal – Transmisor-

Desplazamiento Positivo

Miden el caudal por integración ocontando volúmenes fijos.



Nivel - Indicadores El indicador más

utilizado es el nivel devidrio

Consiste en un sistema

de vidrios entre loscuales se visualiza porvaso comunicante el

nivel de un estanque. Existen del tipo armado,

reflex y transparente.



Nivel - Unidades

Se utilizan medidas de longitud: m, cm,mm.

También se utilizan medidasporcentuales, con respecto al rangototal del transmisor.



Nivel - Sensores

Los sensores denivel son de variostipos:

Presión de columnade líquido

Ultrasónicos

Radar Capacitivos

Nucleares



Nivel - Transmisores Son aquellas unidades electrónicas acopladas a los sensores ya

mencionados. El más utilizado es el Transmisor de Presión Diferencial, que mide la

columna hidrostática de líquido.

Al trabajar en “ H2O se

cumple:

hSGP H ∗= 1

lSGP L ∗= 2

lSGhSGP ∗−=∆ 2*1

h

l

LT

SG1

SG2

H

L

Pr



Válvulas de Control Es el elemento final de

control, de mayor uso. Utilizan aire comprimido

variable como energía

mecánica. Se dimensionan para

que operen en un rangoentre el 15%-85% del

recorrido.

válvuladeeCoeficient Cv

SG

PC Q v

:

∆=



Válvulas de Control - TiposGLOBO

Aplicación General

Asiento Simple, Doble o

Equilibrado.

ANGULO

Aplicación erosión, excesiva

presión diferencial, flashing osólidos en suspensión.



Válvulas de Control - TiposTRES VIAS

Aplicación mezclas o

desvío de caudal.

JAULA

Aplicación balanceada, en

altas diferenciales de presión y

válvulas de gran tamaño.



Válvulas de Control - TiposEXCENTRICA

- ROTATIVA

Aplicación grandes

caudales y alta capacidad

diferencial de presión.

MARIPOSA

Bajo costo, gran caudal,

aplicaciones en baja presión.



Válvulas de Control- Curva

Característica

á



Válvulas de Control-Tipos de

Jaula



Válvulas de Seguridad Son válvulas que protegen

estanques, equipos, líneas einstalaciones ante daños porsobrepresiones.

Abren ante una presión mayor

a la ajustada (setting). Se calculan de acuerdo a API

526 o ASME I, VIII, paracasos fuego o bloqueo.

El cálculo arroja un áreamínima requerida que escomparada con los modeloscomerciales identificados por

una letra (C, D, E, F, etc)



Analizadores Son equipos especializados dedicados a medir

variables o concentraciones específicas de uncompuesto químico.

Los más utilizados son los cromatógrafos donde seproduce una separación de los componentes que son

analizados por un detector de ionización oconductividad.

Poseen una unidad computacional que realiza loscálculos y entrega los resultados en línea (ppm)

Son equipos paquete que se construyen a pedidopara la aplicación específica que se requiere (porejemplo caseta de analizadores)



Control de ProcesosEl objetivo básico del control de proceso (automatización)es mantener el valor de una variable en algún valordeseado independiente de influencias externas, al proceso.

Definiciones:

Proceso I ndust r ial: Es un conjunto deoperaciones que transforman una materia prima enun producto final. Una planta industrial puede incluiruno o más procesos, continuos o discontinuos.



Control de ProcesosCont rol de Procesos: Se refiere a las acciones

tomadas para asegurar el cumplimiento de lasespecificaciones y estándares de calidad del productofinal.

Sistema: Es una combinación de componentes queactúan conjuntamente y cumplen un objetivodeterminado.

Variables: Son aquellas cantidades que afectanlas entradas y salidas del proceso. Las más comunesson: Temperatura, Presión, Caudal y Nivel.

Si t d C t l



Sistema de Control

Diagrama en Bloques

PROCESO

CONTROLADOR TRANSMISOR

SENSOR Elemento

Final Control

VariableManipulada

Variable

Medida

Variable

ControladaSET POINT

Otras Variables No

Controladas

Perturbaciones

Si t d C t l



Sistema de Control -

DefinicionesSensor: Instrumento que convierte la variable de

proceso en una señal.

Controlador: Dispositivo que ejecuta un algoritmo decálculo para mantener una variable de proceso estable.

Transmisor: Instrumento que convierte la señal delsensor en un valor normalizado (Ej.4-20mA).

Set point (SP) : Valor deseado en la variablecontrolada de un proceso.

Error: Diferencia algebraica entre el setpoint y lavariable controlada.Element o f inal de Cont rol: Elemento que actuadirectamente sobre la variable manipulada.

Sistema de Cont ol



Sistema de Control -

Definiciones

Variable Medida: La cantidas física, propieda ocondición que está siendo medida.

Variable Cont rolada (PV “ Process Value” ) : Lavariable que el sistema de control mantendrá en susetpoint.

Variable Manipulada (OP “ Out put Process” ) :Es aquella variable sobre la cual actua el controlador.



Controlador Básico

ACCIONCONTROLADOR

SET POINT

(SP)

VARIABLE

CONTROLADA

(PV)

VARIABLEMANIPULADA

(OP)

+

-

e m

La acción del controlador puede ser en su forma más elemental: On/off

Las Acciones más comunes son: Proporcional (P), Derivativo (D), Integral (I).

Acciones de Control Complejas: Fuzzy, Feedforward, otras.



Acciones de Control (t)

⎩⎨

⎧ ≥

= 0)(

0)(

)( 2

1

<t esi M

t esi M

t m

)()( t eK t m p=

dt

t deT K t eK t m d p p

)()()( +=

∫+=

t

i

p

p dt t eT

K

t eK t m 0 )()()(

On/Off

Proporcional

P+D

P+I

∫++=

t

i

p

d p p

dt t eT

K

dt

t deT K t eK t m

0

)()(

)()(P+I+D



Acciones de Control (s)

pK s E

s M =

)(

)(

( )sT K s E

s M d p += 1

)(

)(

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

sT K

s E

s M

i

p

11

)(

)(

Proporcional

P+D

P+I

P+I+D ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++=

sT sT K

s E

s M

i

d p

11

)(

)(

Gráfico comportamiento



Gráfico comportamiento

Acción Control

P+I

e(t)

t

1

m(t)

t

Kp

m(t)

t

Kp

2Kp

Ti

e(t)

t

1

m(t)

t

Kp

m(t)

t

Td

1

1

Kp

1

P P

P+D

Caso 1: Escalón Caso 2: Ram pa

e(t)

1

m(t)

Kp

1

1

Caso 3: Rampa

y PI D

t

t

P

D

P

P

PID



Ajuste de Parámetros Método Curva de Reacción de Ziegler- Nichols.

1.- En estado operación normal y lazo abierto, generar un pequeñoescalón (10-20% rango). Registrar la curva respuesta (curva reacción) 2.- Identificar las constantes típicas de la curva. 3.- Calcular los parámetros de ajustes de acuerdo a tabla 1.



Controladores Stand Alone

Sistemas de Control-




Introducción Se refiere al dispositivo, equipo o sistema capaz de

controlar una o varias variables de proceso. Los sistemas de control además son la interfaz de la

planta con el ser humano, para transmitir el estado

de la unidad. Los Operadores supervisan el sistema de control y

toman acción ante alarmas.

Los Ingeniero de Sistemas configuran el sistema decontrol para que realice los algoritmos de controldefinidos por el Ingeniero de Instrumentos.



EVOLUCION DE SIST. CONTROLMecánico (<1900)

Neumático (1930)Eléctrónico - Controladores Stand Alone(1965)

Computador - PDP (1970)

Distribuido - DCS (1975)

Monitoreo PC - Scada - HMI (1988)

Control en Campo - Fieldbus (1998)

Foundation





Introducción Actualmente los sistemas de control se basan en

tecnología electrónica y de microprocesadores. Un sistema está compuesto principalmente de los

siguientes componentes:

Fuente de Poder: Entrega los voltajes y corrienterequerido en el sistema.

CPU o Procesador: Realiza los cálculos y algoritmosde control

Tarjetas de Input / Output (Procesadores de I/O):Son las que se conectan las señales desde las FTA yadaptan la señal y la comunican con la CPU.




Sistemas de Control

Componentes Marshalling: Es un gabinete con regletas donde se

conectan y ordenan los multicables provenientes deterreno con las señales de instrumentos. Consolas: Son unidades con pantalla y teclado que

constituyen la interfaz humana. Redes: Son buses de comunicación digital, que

interconectan los distintos componentes del sistemay además se conectan a otras redes, por ejemploinformática.

Redundancia se refiere a duplicar un sistemaelectrónico, de tal forma que la falla de uno no afectela operación global. (Se habla de redundancia deFuentes, CPU, Tarjetas I/O, Comunicaciones)

Reseña Histórica Sistemas de



Reseña Histórica Sistemas de

Control Distribuido HONEYWELL

TDC-2000 año 1975 – 1985: BasicController

TDC-3000 año 1986 – 1995 : PM, APM

TPS año 1995- 2002: HPM, WindowsNT

Experion PKS 2003: PC, Ethernet,Fieldbus

Arquitectura del Sistema Honeywell



q yTPS (1999)



Ejemplos de ImplementaciónHPM

GUS



Conceptos Utilizados en TPS GUS: Global User Station

PHD: Process Historic database

APP: Application Process Platform

TPN : TPS Network Antigua LCN ( LocalControl Network).

UCN : Universal Control Network

HPM : High Performance Process Manager

NIM : Network Interface Module



Funcionamiento Los instrumentos (4-20 mA) son conectados

al HPM (APM, PM). Los algoritmos de “control” residen en los

procesadores del HPM.

Aplicaciones Complejas residen en el APPnode. Las estaciones de trabajo (GUS) leen/escriben

data en tiempo real desde los HPM. Los históricos son almacenados en el PHD

(Oracle), utilizados para tendencias y registrode alarmas.

C i d



Conexionado

FT

PT

AT

LT

24 V

250

4-20mA

J BoxFTA / Marshalling

IOP

CONTRO

LLER

HPM

NIM

UCN

GUS

LCN

CARDFILE

J. Box : Caja de Conexiones

FTA: Field terminal Assembly

IOP: Input/Output Processor

CardFile : “Rack”



PIRAMIDE DE CONTROL:

No requeridoManual

MonitoreoControl Discreto

Control Regulatorio

Multivariable

Avanzado

HMIRELES - PLCControladores

DCS



PIRAMIDE DE SEGURIDAD:

Diseño ProcesoProtección Mecánica

Sistema de Control

Sistema Seguridad

Brigada C.I.

Alarmas

PLC Seguridad

DCS

Sistema de Seguridad



g

Triconex

Triple Modular Redundant



p

(TMR)

Planos y Documentos de



y

Ingeniería Toda Planta Industrial, independiente de su

tamaño debe mantener al día ladocumentación de sus instalaciones.

Esto es fundamental en el momento que sequiera implementar mejoras en la producción.

La documentación parte desde el momento

que se inició la Ingeniería y Construcción dela Planta.



Planos y Documentos Típicos P&ID (Piping and Instrument Diagrams)

Diagramas de Lazos

Diagramas Lógicos

Diagrama de Conexionado

Planos de Canalización



P&ID

Diagramas de Lazos /



g

Conexionado



Diagrama Lógico



Planos de Canalización

Documents

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