sensores e instrumentos electrÓnicos para uso industrial ing. roberto bacacorzo cuba jefe de...

SENSORES E INSTRUMENTOS

ELECTRÓNICOS PARA USO INDUSTRIAL

Ing. Roberto Bacacorzo CubaJefe de Ingeniería y ProyectosINDUSTRIAL CONTROLS S.A.C.

INTRODUCCIÓN

La Medición y Control de Procesos (también llamada Instrumentación Industrial o Automatización Industrial) es una rama de la Ingeniería que involucra varias especialidades:

- Electrónica- Electricidad- Química- Metalurgia

- Petroquímica

- Industrias Alimentarias

- Neumática

- Hidráulica

- Mecánica

- Informática

- Telecomunicaciones

- Otras

En la Actualidad, la Electrónica y la Informática están presentes en casi todas las aplicaciones de Medición y Control de Procesos.

Sin embargo, todavía es grande el número de aplicaciones netamente mecánicas, dados los bajos costos de algunos sensores mecánicos de amplia aplicación, como por ejemplo, los manómetros, los termómetros bimetálicos, etc.

Lazo de Control

Un lazo de control es aquel sistema de control que involucra al menos un instrumento que permite realizar funciones de:

- Medición- Indicación- Control- Transmisión- Otros

En la Medición y Control existen 2 tipos de lazos de control:

- Abierto (el sistema no se controla sólo)

- Cerrado (el sistema se autocontrola)

• Aún hoy, la mayoría de aplicaciones industriales involucran a lazos de control abiertos, para efectos de sólo medición (por ejemplo: manómetros para medir presión).

• Para hablar de automatización, debemos implementar lazos de control cerrados (que se controlen automáticamente) Ejemplo: El control de la presión, incluyendo sensor, Controlador y VCA.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL CERRADO.

ELEMENTO FINAL DE

CONTROL (EFC)

RTU

ALARMAS

REGISTRADOR

INDICADOR

CONTROLADOR PROCESO

SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO

TRANSMISOR O ELEMENTO

SECUNDARIO

PC(SCADA)

VARIABLEMEDIDA

VARIABLEMANIPULADA

SALIDA DECONTROL

VARIABLE CONTROLADA

-+

DETECTOR DEERROR O

COMPARADOR

CABLE,TELÉFONOo RF

DISTURBIOS

SET POINT O VALOR DEREFERENCIA

EJEMPLO DE DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL ABIERTO

.

RTU

ALARMAS

REGISTRADOR

INDICADOR PROCESO

SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO

TRANSMISOR O ELEMENTO

SECUNDARIO

PC(SCADA)

VARIABLEMEDIDA

CABLE,TELÉFONOo RF

DISTURBIOS

Bloques de un lazo de control

• SENSOR: Es quizás el elemento más importante. Capta (sensa) la variable de proceso para tener una idea de la magnitud de la misma.

• TRANSMISOR: Es el instrumento o parte del instrumento que recibe la señal del sensor y la acondiciona para que se envíe a distancia, mediante una señal estandarizada

• SET POINT (Valor de referencia): Es el valor en el cual deseamos que nuestra variable de proceso se mantenga (por ejemplo, 80 °C). Este bloque se encuentra físicamente dentro del equipo controlador.

• COMPARADOR (o detector de error): Compara la señal que viene del campo (proveniente del sensor o transmisor) con el Set Point. Este bloque también se encuentra dentro del equipo controlador.

• CONTROLADOR: Es el “cerebro”, es quien controla automáticamente el proceso. La mayoría de controladores se configuran, pero también hay controladores que se programan. Emite una salida llamada “salida de control”.

• ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Es quien manipula directamente el proceso, en función de la señal proveniente del controlador.

AUTOMATIZACIÓN

Hay 2 tipos de automatización:

- De Proceso: procesos continuos o discontinuos de producción (petroquímica, metalurgia, cemento, etc.): Regulación

- De Planta: manufactura (estampado, prensado, etc.) y máquinas herramientas (tornos, soldadoras, etc.): Mando

Cada tipo tiene sus propios sensores e instrumentación asociada, la cual a veces usa instrumentos comunes, pero por lo general, cada tipo tiene sus propios instrumentos y estrategia de automatización:

- La Automatización de planta está más ligada a eventos discontinuos

- La Automatización de procesos está asociada a procesos continuos.

VARIABLES A MEDIR Y CONTROLAR

DE PROCESOS CONTINUOS

- Presión- Temperatura- Nivel- Flujo (volumétrico y másico)- Peso- Variables analíticas (pH, conductividad,

ORP, turbidez, etc.)- Otras

DE PLANTA

• Velocidad

• Longitud

• Presencia / Ausencia

• Cuenta

• Tiempo

DE SEGURIDAD

• Gases

• Vibración

• Humo

• Fuego

• Presencia de intrusos

• Fallas eléctricas

SENSORES Y TRANSMISORES

PRESIÓN: la presión es la fuerza ejercida sobre un área (P = F / A). Es una que se usa en casi todas las actividades productivas.

Se mide con elementos mecánicos (manómetros) o electrónico-mecánicos (transmisores electrónicos analógicos o inteligentes).

La presión se mide en Bar, psi, etc.

Manómetros

Transmisores Inteligentes

PTG Series Gage Pressure Transmitter

• High Performance micro-processor based design

• BILINGUAL - DE and HART Protocols

• Compact and Lightweight! World’s Smallest!

• Temperature Compensated Output

• +/- 0.2% FS Accuracy

• Wide measurement range: 0 - 7000psi

• Local Zero Adjustment – Standard

• High Performance - Competitive Price

• Digital DE Integration with Honeywell TDC 3000

Competitive Size Comparison!

TEMPERATURA: Es la variable industrial más importante. A nivel productivo, se mide en °C o °F.

Los sensores de temperatura son muy diversos, desde los elementos mecánicos (termómetros bimetálicos), de dilatación (termómetro de vidrio y otros), hasta los eléctricos (RTDs, termocuplas, termistores, IC) o de no contacto (infrarrojos).

Transmisores inteligentes de Temperatura

ATT Series Temperature Transmitter

• Universal sensor input

• Same housing package as the PTG

• Available in DE or HART Protocol

• Data hold function provides minimum and maximum PV value

• Self-diagnostics

• High Performance - Competitive Price

• +/- 0.2 % Accuracy

NIVEL: Es una variable que se usa mucho en procesos en donde intervienen tanques, reactores, pozos, etc.

Se mide en Metros o pulgadas.

Hay diversos tipos de tecnologías (más de 20), como la boya, electrodos, vibración (medición y control discontinuo) o presión, ultrasonido, capacitancia, radar, etc. (medición continua).

Sensor de Nivel Magnético con Sensor de Nivel Magnético con flotador flotador

AplicacionesAplicaciones

• Storage tanks • Process tanks

– Low velocity agitation will not effect performance

SENSOR DISCONTINUOSENSOR DISCONTINUO

RECOMMENDED MOUNTING LOCATIONS:

Version High level Low level

Standard Side mount S ide- or bottom mount

Pipe extended Top mount S ide- or bottom mount

Cable extended Top mount Top mount

(not recommened forhigh density medium)

Vibration rod 9/12

FLUJO: Es la cantidad de fluido que atraviesa una determinada sección (área) transversal.

El flujo puede ser instantáneo (lpm) o totalizado (m3). También puede ser volumétrico (gpm) o másico (T/h).

Entre los sensores más usados están: los de turbina, desplazamiento positivo, rotámetro, presión diferencial, electromagnético y ultrasónico.

Sensor / Transmisor Electromagnético

Key Features:

• Backlit LCD Operator Panel• Infrared Keyboard Allows Configuration in

Hazardous Areas without Electrical Exposure • Field Replaceable Electrodes• Patented Liner Design – 304SS Punch Plate, Dove

Tail, & all welded SST Housing• Mirror Finished Liner – abrasion resistance• Broad product offerings – HENRI, Multi-Variable, 2-

Wire, Open-Channel, and Ceramic• Smart Diagnostics – Easy to use

Sensor : Componentes

Case: Carcaza Weld Neck flange: Bridas para

conexión al proceso Juntion Box: Caja de conexiones

Flow splitter Manifold: Conexión

para bifurcacion del fluido Flow Tubes: Tubos conductores

del fluido Pickoff Coil and Magnet: Bobinas

detectoras Drive coil: Bobina impulsora RTD: Sensor de temperatura

PESO: Es una variable muy usada, especialmente para despacho de materiales.

Se mide en kg., Toneladas o gramos.

Se utilizan sensores mecánicos o electrónico-mecánicos (celdas de carga).

VARIABLES ANALÍTICAS

Se miden en procesos en donde se requiere tener una gran precisión en el manejo de la acidez, turbidez, etc. de un fluido.

También se encuentran en aplicaciones de protección del Medio Ambiente (en actividades productivas). Por ejemplo, en el control de los desechos vertidos al desagüe.

Las más importantes son:

- pH

- ORP

- Conductividad

- Turbidez

- Oxígeno disuelto

- Cloro

Hay diferentes formas de medición, pero las más usuales son usando sensores llamados electrodos, que utilizan corrientes eléctricas (usualmente de mV) para obtener el valor de la variable medida en función de alguna característica eléctrica de estas variables.

VELOCIDAD: Se usa mucho en automatización de plantas. Se mide en rpm.

Los sensores más usados son:

- Inductivos

- Encoders

- Opticos

LONGITUD: Se usan en plantas que fabrican telas, cables, alambrón, etc. También en construcción, proyectos, etc.

La medición se realiza de manera similar a la velocidad (se basa en el número de revolucione por minuto, multiplicado por el radio del eje de giro).

Se miden con los mismos sensores de velocidad, pero usando un instrumento que permita escalar las unidades de longitud.

PRESENCIA / AUSENCIA: Se usa para determinar la presencia de un objeto o una marca y podr realizar alguna acción asociada.

Por ejemplo, para determinar el número de botellas a llenar en una caja, o para determinar la presencia de una tela a ser estampada.

También para detectar las tacas para realizar el corte de bolsas, etc.

Se detecta con Sensores:

• Inductivos (metales)

• Capacitivos (no metales)

• Fotoeléctricos

• Electromecánicos (límites de carrera)

TIEMPO: Se emplea mucho para medir el funcionamiento de una máquina, o para realizar el control de un proceo mediante el tiempo (en realidad, no es tan preciso).

El control por tiempo es muy sencillo de implementar.

Se usan los Temporizadores o los Horómetros.

GASES: Se usan para seguridad personal y de planta. Tienen por finalidad el determinar la presencia de gases en un ambiente determinado.

Permiten dar alarma para evitar desgracias personales o daños en planta.

También se les usa para determinar características de gases en un determinado proceso (por ejemplo, en la combustión).

Hay diferentes tipos de sensores:

- Catalíticos

- Electroquímicos

- Infrarrojos

- Semiconductores

- Conductividad Térmica

Detectores Portátiles

Custodian

Gasman II

Triple Plus

Safegard

Instrumentos para protección personal

Espejos Receptor

Rayo

Otros

• Fallas eléctricas

• Presencia de intrusos

• Humo

• Fuego

• Vibración (mantenimiento)

CONTROLADORES Y SISTEMAS DE CONTROL

Los Controladores tienen la función de controlar un proceso, en función de una o más instrucciones que han sido prefijadas.

Existen controladores muy simples (mecánicos o electrónicos analógicos) y otros muy complejos, que constituyen un sistema de control, incluyendo comunicación de datos, reportes, mando a distancia, etc.

Controladores Monolazo

- Son controladores que permiten la regulación de un lazo de control.

- Son de los más sencillos.

- Se configuran (no se programan).

- Configurar significa darle ciertos valores y seleccionar ciertas características de un menú establecido.

Controladores Multilazo

- Permiten el control de 2 o más lazos.- También se configuran, aunque hay otros

que se programan mediante bloques de funciones.

- Incorporan funciones adicionales, como funciones de cálculo (matemáticas), son RTUs., tienen comunicación de datos, falla segura, etc.

Controladores Lógicos Programables (PLCs)

• Son controladores que permiten programar el control de secuencias.

• Usualmente se usan para controlar variables discretas

• En menor cantidad, controlan variables continuas.

• Son lentos para controlar un lazo continuo

• Son de control centralizado

Sistemas de Control Distribuido (DCS)

• Se usan en plantas en donde se requiere controlar una gran cantidad de variables continuas.

• Reemplazan a varios controladores continuos.

• Son de control distribuido.

• También pueden controlar variables discretas.

System Architecture

Field

I/O Marshalling Cabinet

Rack Room

Operation Center

Company Office

FIELD INSTRUMENT

Distributed I/O Module

Distributed I/O Module

HUB

Company LAN

Redundant Communication BusMax. 1000m by Fiber Optic cable

Redundant Communication BusMax. 1000m by Fiber Optic cable

DOSSOpen Supervisory StationOperationsEngineering

DOSSOpen Supervisory StationOperationsEngineering

DOPC-IIContinuous ControlSequence ControlInterlock

DOPC-IIContinuous ControlSequence ControlInterlock

JBJBJB

HUB

Redundant I/O

Redundant EthernetRedundant Ethernet

Office PCOffice PC

DOSS_OH DOSS_OH DOSS DOSS_ENG

HUBHUB

JB

CONV

CONV

CONV

CONV

100MbpsRedundant Ethernet

100MbpsRedundant Ethernet

Rack Room

Fiber Optic Ethernet

Fiber Optic Ethernet

SCADA

• Sistema de supervisión y control a distancia.

• Usualmente, emplean RTUs para capturar las señales de campo y enviarlas a una PC remota.

• Se emplean mayormente para supervisión, registro y exportación de la data

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

• Los más usados son las Válvulas de Control Automático (VCA).

También se emplean:

• Variadores de velocidad de motores

• Semiconductores de potencia (diodos, Tiristores, etc.)

• Bombas dosificadoras

• Otros

Válvulas de Control y Accesorios

ESTÁNDARES

Los instrumentos de control deben ser fabricados, probados e instalados de acuerdo a estándares internacionalmente aceptados.

Algunos de ellos son:

- Código Eléctrico Nacional – Tomo V (Utilización)

- Código Eléctrico de EUA (NFPA 70)

Instituciones Normativas

• Indecopi (Perú)

• Ministerio de Energía y Minas (Perú)

• ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society)

• IEC (Comisión Electrotécnica Internacional)

• EN (Normas Europeas)

• IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)

• ASME (American Society of Mechanical Engineers)

• ASTM (American Society for Testing and Materials).

• ISO (International Standarization Organization)

• OIML (International Organization of Legal Metrology)

• Otras

CALIBRACIONES

• La calibración es la comprobación de que la medida del instrumento se encuentra dentro de un margen de error aceptable.

• Todos los instrumentos deberían ser calibrados periódicamente.

• Las empresas con ISO 9000, ISO 14000 y OSHAs 18000 están obligadas a calibrar sus instrumentos.

• También las que usan el sistema HACCP (Alimentos)