clase 1- instrumentación industrial

Ing. Esp. John Jairo Pieros C.

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

Sesin 1: Fundamentos y transmisores

Introduccin Instrumentos en un sistema de control Elementos de un sistema de control Transmisores y Controladores Diagramas de Instrumentacin Practica I: Control Procesos

Sesin 2: Temperatura

Principio funcionamiento termocuplas. Linealizacin Compensacin de Cero. Tipos de termocuplas - Identificacin Practica II: Control de temperatura con

termocupla y PT100

Sesin 3: Presin

Concepto Generales sobre presin Tipos de medidores de presin:

Mecnicos, electrnicos,

electromecnicos Practica III: Configuracin transmisor

Presin

Sesin 4: Nivel

Principios Bsicos Medidores de nivel: tipos Seleccin y Aplicaciones Practica IV: Configuracin transmisor

nivel ultrasnico.

Sesin 5: Caudal

Fundamentos bsicos Tipos de medidores de caudal Seleccin y aplicaciones Practica V: Calibracin y configuracin

transmisor de caudal.



PORCENTAJES

Taller 1 20 % Taller 2 20% Taller 3 20% Taller 4 20% Examen Final 20%

-------------------

100%

INSTRUMENTACIN

INDUSTRIAL1. Introduccin

2. Instrumentos en un sistema de control

3. Elementos de un sistema de control

4. Transmisores y Controladores

5. Diagramas de Instrumentacin

Instrumentacin Industrial Ing. John Jairo Pieros

Que es la Instrumentacin Industrial?

Es el conocimiento de la correcta aplicacin de los equipos encaminados

para apoyar al usuario en la medicin, regulacin, observacin,

transformacin, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un

proceso productivo.

1. Introduccin


1. Introduccin

Cules son las funciones de un profesional que se

desempee en rea de instrumentacin y/o Automatizacin?

Seleccionar instrumentos

Especificar instrumentos

Generar planos de instrumentacin

Diagramas de Tuberas e Instrumentacin (P&ID).

Diagramas de lazos de control.

Diagramas de instalacin (mecnicos y elctricos).

Supervisar la instalacin, arranque y puesta en marcha de sistemas

de instrumentacin.

Mantenimiento de instrumentos.


Introduccin

Instrumentacin Industrial Ing. John Jairo

Pieros

Uso de la realimentacin para generar la seal de control.

El controlador debe generar una seal de control de manera que

el sistema se comporte adecuadamente.

Componentes PROCESO: Ambiente, entorno o sistema cuya evolucin o estado ha de ser controlado.

MEDIDA: Proceso emprico y objetivo de asignacin de nmeros a las cualidades de los objetos o

acontecimientos del mundo fsico real.

SENSOR: Transforma una seal mecnica en una elctrica

DETECTOR ERROR: Efecta la comparacin entre la variable de referencia y la variable a controlar.

CONTROLADOR: Realiza una accin determinada en funcin del detector de error.

ELEMENTO FINAL CONTROL: Ejecuta una accin determinada sobre la variable controlada o

proceso en funcin de la respuesta del controlador. Representado por electrovlvulas, motores,

lmparas, rels, etc.

ACTUADOR: Elemento intermedio entre el controlador y el elemento final. Proporciona la energa que

necesita el elemento final a partir de la seal (baja en energa) procedente del controlador.

Conceptos bsicos Ing. John Jairo Pieros

PROCESO: Ambiente, entorno o sistema cuya evolucin o estado ha

de ser controlado.

una variable a controlar - proceso uni-variable

varias variables a controlar - proceso multivariable (planta)

Proceso de Medida


Medida

Proceso

Sensor

Detector

Error

Controlador

Elemento

Final de

control

Actuador

Proceso de Medida

Comparacin de la variable con una unidad estndar o patrn de medida. Puede ser

directa o indirecta (variable intermedia)


Proceso de Medida


Elemento primario (sensor): En contacto con el proceso

Captador: Medida del sensor

Transductor: Adecuacin de la seal

Transmisor:

Conversin.

Filtrado y potencia.

Transmisin de la seal.

Unidades del Sistema InternacionalUnidades del SI

Unidades Derivadas del SI


Unidades del Sistema Internacional

Unidades Derivadas con nombres especiales - SI


Conversiones FrecuentesUnidades de presin y sus factores de conversin

Pascal bar atm Torr

1 Pa (N/m)= 1 10-5 0,98710-5 0,0075

1 bar (10N/cm)

=105 1 0,987 750

1 atm (760 Torr)

=101325 1,01325 1 760

1 Torr (mmHg) = 133,32 0,0013332 1,32x10-3 1


Ejercicio No. 1


Cual es el volumen del tanque rectangular? (H=3m; L=2m;

prof=1m)

Cual es el volumen de un tanque cilndrico que tiene una altura de

7m y un dimetro de 5m

Cual es el Caudal de entrada si la tubera es de 1/2plg y el tanque se

demora en llenar 10min.

cual es la altura H de un tanque abierto que contiene agua y tiene

una presin de 10bar? Densidad Agua = 1 gr/cm3 = 1000 Kg/m3

1bar=100.000 Pa = 100.000 N/m2

1N=Kg*m/s2

Gravedad g=9.8m/s2

INSTRUMENTACION


2. Tipos de control





Normalmente un sistema de control opera formando un

lazo o bucle (ABIERTO O CERRADO) en el que se mide el

valor de una variable, se compara con un punto de

consigna o valor deseado (set point, SP) y se toma una

accin de correccin de acuerdo con la desviacin o error

existente.

TIPOS DE CONTROL

ON OFF

CONTROL ANALGICO

CONTROL DIGITAL

Tipos de Control Ing. John Jairo Pieros

Sistema de control

Control ON-OFF

1. El control On-Off es la forma mas simple de controlar.

2. Es comnmente utilizado en la industria

3. Muestra muchos de los compromisos fundamentales inherentes a todas las soluciones de control.

La entrada no cambia tan

rpidamente pero El precio que

pagamos es una oscilacin (o ciclo

lmite) en la temperatura de salida.


Control Anlogo - PID


Control Digital - PWM

Los parmetros fundamentales del PWM son el periodo (T)

y el ciclo de trabajo (D). El ciclo de trabajo indica el tiempo

que la funcin vale uno respecto al tiempo total (el periodo)


INSTRUMENTACION






Automatizacin Industrial Ing. John Jairo Pieros

Elementos de un sistema de control

Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Pieros

Transmisores

Actuadores Registrador

Controladores


Elementos de un sistema de controlSENSOR: Un elemento primario es aquel que responde cuantitativamente a

una medida, por ejemplo, un resorte responde a una fuerza segn su

elongacin.

TRANSMISOR: Son instrumentos que captan la variable medida a travs de

un sensor, y la convierten en una seal estndar para su transmisin, la cual

es slo funcin de la variable medida.

MEDIDAS ESTANDAR


El protocolo HART es uno de los primeros protocolos implementados y permite

la comunicacin bi-direccional con instrumentos inteligentes superponiendo la

seal digital en la analgica sin afectarla, transmitiendo simultneamente por el

mismo alambrado.

HART



HART (Highway Addressable Remote Transducer)

Pasivos: No agregan energa como parte del proceso de medicin.

Delta Temp. Termocupla Voltaje

Presin Tubo Bourdon Desplazamiento

Activos: Agregan energa al ambiente de la medicin como parte del proceso de medicin.

Radar Ondas Distancia

Elementos de un sistema de control

Sensores Pasivos y Activos


Conexin Transmisores Elctricos


Ejemplo Conexin Medicin Transmisores Elctricos


TRANSMISOR

Ejemplo Conexin Transmisores a PLC

INSTRUMENTACION




4. Caractersticas estticas y dinmicas de los

instrumentos


Automatizacin Industrial Ing. John Jairo Pieros

CARACTERSTICAS

ESTTICAS DE LOS

INSTRUMENTOS

1. Rango

2. Alcance

3. Error

4. Precisin

5. Zona muerta

6. Repetibilidad


7. Sensibilidad

8. Repeticin

9. Histresis

10. Linealidad

11. Sesgo

12. Condiciones de servicio

Rango (range): Conjunto de valores de la variable que puede ser medido

por un instrumento. Lmite superior e inferior.

Range = 50C a 150C

Alcance (span): Diferencia entre los valores superior e inferior del rango.

Span (Sp = RS - RI)

Sp = 100C 50 C = 50 C

Error de medida: Diferencia entre la medida producida por el instrumento y

la medida ideal. (Calibracin). Puede ser esttico o dinmico.

Vm: Valor medido

Vr: Valor real

Caractersticas de instrumentos Ing. John Jairo Pieros

EJERCICIO 1: Considere un instrumento que tiene las siguientescaractersticas:

Rango: 200 C a 400 C

Exactitud: 0,5% del Span.

Vm: 300 C

Calcular entre qu valores puede estar comprendido el valor real.


Solucin.

Span = RS - RI = 400 C - 200 C = 200 C.

Exactitud = 0,5% de 200 C = 1C

El valor real debe estar comprendido entonces

entre (300 -1) y (300 +1) C, es decir,

299 C < Vr < 301 C.

Exactitud (accuracy):La inexactitud de un instrumento es una fuente de error en

la medicin, aunque generalmente no es la nica. Muchos fabricantes de

instrumentos incluyen en el valor de exactitud, los errores por histresis, banda

muerta, repetibilidad y linealidad de un instrumento

Precisin o repetibilidad (repeatability): Capacidad del instrumento

para medir valores idnticos para los mismos valores de la variable

fsica y condiciones de medida (% Alcance).


Zona (banda) muerta: Rango de variacin de la

variable medida que no produce cambio

apreciable en la salida del mismo.

Repetibilidad: Capacidad del instrumento para

medir valores idnticos para los mismos valores

de la variable fsica y condiciones de medida


Sensibilidad: Relacin que existe entre el incremento en la seal de salida

del instrumento y el de la variable fsica (pendiente).

Resolucin: Incremento ms pequeo de

la variable fsica que produce un cambio

apreciable en la medida

Histresis: Valor mximo de la diferencia

entre las medidas en sentido creciente y

decreciente de la variable

Linealidad: Error mximo que se comete

al aproximar la funcin por una lnea recta.

Calibracin: La relacin entre la variable fsica medida de entrada y la

seal variable de salida para un sensor especfico

Para un instrumento de respuesta lineal la formula sera:

ValorSAL= ValorMED x (SpanSAL/SpanMED) +Valor RANGO INF SAL

Para un instrumento de respuesta cuadrtica la formula sera:

ValorSAL= %ValorMED x (SpanSAL / Span %MED) +Valor RANGO INF SAL

O teniendo en cuenta que el valor de Span %MED es un valor constante, se podra decir que:

ValorSAL= %ValorMED x (SpanSAL/ 10%) +Valor RANGO INF SAL

SAL: SALIDA MED: MEDIDA INF: INFERIOR



Ejercicio 2 Calibracin:

Si tenemos un transmisor de presin de un rango de 0 a 30 psig que tiene una

salida de 4 a 20 mA. Cuando este transmisor muestra en su display una medicin

de 17 psig a qu valor de mA corresponde en su salida.

ValorSAL= ValorMED x (SpanSAL/SpanMED) +Valor RANGO INF SAL

ValorSAL= 17 psig x (16 mA/30 psig) + 4 mA

ValorSAL= 9,067 mA + 4 mA

ValorSAL= 13,067 mA

Caractersticas dinmicas Instrumentos


Las caractersticas dinmicas de un instrumento se refieren al comportamiento

del mismo cuando la entrada o variable medida, est cambiando en el tiempo.


Ejercicio No. 3: lectura parmetros

Leer los parmetros de los siguientes instrumentos y

Encontrar la mayor cantidad de parmetros posible

NIVEL 1

NIVEL 2

PRESION 1

PRESION 2

TEMPERATURA

1. Rango

2. Alcance

3. Error

4. Precisin

5. Zona muerta

6. Repetibilidad

7. Sensibilidad

8. Repeticin

9. Histresis

10. Linealidad

11. Sesgo

12. Condiciones de

servicio

INSTRUMENTACION







Tipos de Diagramas Industriales (1) Diagrama de bloques: computo por cajas de texto unidas entre s que indican la secuencia del proceso..

(2) Diagrama esquemtico: igual que el anterior pero incluyendo algn dibujo que no sean cajas.

(3) Diagrama en isomtricas: muestra la disposicin espacial de los equipos a escala y en representacin isomtrica.

(4) Hoja de flujo de procesos (process flow sheet): muestra los balances de materia y energa. Las tuberas se denominan corrientes (streams).

(5) P&ID (piping and instrument diagram): Al diagrama anterior se le aade toda la parte de instrumentacin. Ahora las lneas corresponden a tuberas y se proporciona toda la informacin sobre las mismas: dimetro, nombre, material, fluido que transportan, aislamiento/calentamiento.

(6) Isomtricos: Son planos constructivos de una pequea parte de la instalacin. Sirven para indicar el trazado de las tuberas y, por tanto, construirlas fsicamente. Ver este ejemplo.

Diagramas de Instrumentacin Ing. John Jairo Pieros

Diagrama de bloques


Diagrama esquemtico


Diagrama en isomtricas


Hoja de flujo de procesos


P&ID


Isomtricos


Diagramas de Instrumentacin y tuberas

P&IDNormativa para la designacin de instrumentos.

Cada instrumento se debe identificar con un sistema de letras que loclasifique funcionalmente.

La identificacin del lazo al cual pertenece el instrumento se designaagregndole un nmero al sistema de letras.

Generalmente este nmero es el mismo para todos los instrumentos queforman parte del mismo lazo de control.

Ocasionalmente se le agrega un sufijo para completar la identificacindel lazo.

El nmero de identificacin del instrumento (TAG) puede incluirinformacin codificada para designar el rea de la planta

Diagramas de Instrumentacin P&ID Ing. John Jairo Pieros

Designacin de instrumentos.

ANSI: American National Standard Institute.

ISA: Instrumentation, Systems and Automation Society - Normas ISA S5.1 - S5.3


Lneas de instrumentacin


Designacin Instrumentos y Vlvulas


Ejemplo instrumentos

Ejemplo: Lazo de control de presin


Acciones de los elementos

Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Pieros

La accin directa significa que cuando el controlador ve un incremento de

seal desde el transmisor, su salida se incrementa.

La accin reversa significa que un incremento en las seales de medicin

hace que la seal de salida disminuya.

Pasos para Implementar un Lazo de

Control

Escoger la accin del Elemento final de control teniendo en cuenta las condiciones de seguridad

Determinar las acciones de los elementos del lazo de control con excepcin del controlador.

Determinar la accin del controlador, teniendo en cuenta que el signo de ste, se opone al producto de los signos de los dems elementos que

conforman el lazo de control.

Implementar un control manual para el caso de mantenimiento y reparacin.


Ejemplo 1:


Se quiere controlar la temperatura de un

proceso con el siguiente esquema (Ingresa

Vapor).

Se pide determinar:

a) La variable controlada

b) El Agente de control

c) La accin del controlador, asumiendo

que el transmisor y el convertidor son de

accin directa.

Solucin:

a) La Temperatura

b) El vapor

C) Inversa

Ejemplo 2:


Se quiere controlar la temperatura de un

proceso con el siguiente esquema (Ingresa

Agua Fra).

Se pide determinar:

a) La variable controlada

b) El Agente de control

c) La accin del controlador, asumiendo

que el transmisor es de accin directa y el

convertidor es de accin inversa.

Solucin:

a) La Temperatura

b) El agua fra

c) Directa

Ejercicio 4:


Determinar la accin del controlador

Controlador ACCION INVERSA:

Entrada aumenta Salida Disminuye

Controlador ACCION DIRECTA:

Entrada Nivel aumenta Salida Aumenta

Ejemplo P&ID Instrumentos TT-301 (sensor de t y transmisor). TC-301 (controlador de t).

lnea interna accesible al operario (sala de control).

el setpoint no aparece seleccin manual. PY-301 (convertidor de corriente a presin). Raz cuadrada (ofrece una salida de presin

proporcional al caudal).

Elementos finales

TV-301 (vlvula de control de la entrada de vapor). FV-302 (vlvula de salida de reactivo). FO-302 (lectura de caudal transduciendo a presin). TZ-301 (actuador neumtico bucle de t).

Otros smbolos

Etiqueta de vlvula de control de t (TV-301).

Bucle de control

Totalmente neumtico. FT-302 (transmisor de presin a presin

normalizada).

FC-302 (controlador de flujo, localizado en campo). FR-302 (indicador de flujo, accesible al operario)


Ejercicio 5

1. Realizar el diagrama P&ID

2. Determinar la accin de los controladores

3. Determinar las caractersticas de los Sensores

4. Entradas y salidas del PLC (Controlador)


Datos tcnicos:

Dimensiones Tanque abierto:Volumen=6,28m3, Dimetro=1m

Vel Fluido entrada= 2m/s Temperatura Fluido entrada:

ambiente

Temperatura Deseada: 80,5C Tubera proceso 1plg (ent y sal) Tipo fluido: liquido, producto

alimenticio, Sin vapor

Presin salida Producto < 1bar

clase 1- instrumentación industrial

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