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5/20/2018 CLASE 1- Instrumentacin Industrial

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INSTRUMENTACIN

INDUSTRIAL1. Introduccin2. Instrumentos en un sistema de control

3. Elementos de un sistema de control

4. Transmisores y Controladores

5. Diagramas de Instrumentacin

Automatizacin Industrial Ing. John Jairo Pieros


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Contenido CursoUnidad #1: Principios generales de

medicin y metrologa.

Unidad #2: Medicin de la variable

Temperatura.


Presin.


Nivel.


Caudal



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UN TEMA HORAS

1 Principios generales de medicin y metrologa. 5

2 Diagramas de instrumentacin y tuberas 1 52 Diagramas de instrumentacin y tuberas 2 5

3 Variable Temperatura. 1 53 Variable Temperatura. 2 54 Variable Presin. 1 54 Variable Presin. 2 55 Variable Nivel. 1 5

5 Variable Nivel. 2 56 Variable Caudal 1 56 Variable Caudal 2 5

7manejo calibrador de procesos pruebas en planta y

equipos

5

Contenido Curso



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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 unproceso productivo.

1. Introduccin



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1. Introduccin

Cules son las funciones de un profesional que sedesempee 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.



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Introduccin

Introduccin 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.


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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 acontecimientosdel 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 funcinde 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 elelemento final a partir de la seal (baja en energa) procedente del controlador.

Conceptos bsicos Ing. John Jairo Pieros


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PROCESO: Ambiente, entorno o sistema cuya evolucin o estado hade ser controlado.

una variable a controlar - proceso uni-variable

varias variables a controlar - proceso multivariable (planta)

Proceso de Medida


Medida

Proceso

Sensor

DetectorError

Controlador

ElementoFinal decontrol

Actuador


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Proceso de Medida

Comparacin de la variable con una unidad estndar o patrn de medida. Puede serdirecta o indirecta (variable intermedia)



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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.


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Unidades del Sistema InternacionalUnidades del SI

Unidades Derivadas del SI



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Unidades del Sistema InternacionalUnidades Derivadas con nombres especiales - SI



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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

http://es.wikipedia.org/wiki/Pascal_(unidad_de_presi%C3%B3n)http://es.wikipedia.org/wiki/Bar_(unidad_de_presi%C3%B3n)http://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_(unidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Torrhttp://es.wikipedia.org/wiki/Torrhttp://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_(unidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Bar_(unidad_de_presi%C3%B3n)http://es.wikipedia.org/wiki/Pascal_(unidad_de_presi%C3%B3n)


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Ejercicio No. 1


Cual es el volumen del tanquerectangular? (H=3m; L=2m;prof=1m)

Cual es el Caudal de entrada si la

tubera es de 1/2plg, la vel 2m/s yel tanque se demora en llenar10min.

Si presin es igual al la densidadpor la gravedad por la altura,

cual seria la altura H de un tanqueabierto con un agua que tiene unapresin de 10bar?

Densidad Agua = 1 gr/cm3 = 1000Kg/m3

1bar=100.000 Pa = 100.000 N/m2

1N=Kg*m/s2 Gravedad g=10m/s2


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INSTRUMENTACION

INDUSTRIAL1. Introduccin2. Instrumentos en un sistema de control





I t t i t d t l I J h J i Pi


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Normalmente un sistema de control opera formando unlazo o bucle (ABIERTO O CERRADO) en el que se mide elvalor de una variable, se compara con un punto deconsigna o valor deseado (set point, SP) y se toma una

accin de correccin de acuerdo con la desviacin o errorexistente.

TIPOS DE CONTROL

ON OFF

CONTROL ANALGICO

CONTROL DIGITAL

Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Pieros

Sistema de control



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Control ON-OFF1. 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 ciclolmite) en la temperatura de salida.




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Control Anlogo - PID




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Control Anlogo - PID




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Control Digital - PWM

Los parmetros fundamentales del PWM son el periodo (T)y el ciclo de trabajo (D). El ciclo de trabajo indica el tiempoque la funcin vale uno respecto al tiempo total (el periodo)


Automatizacin Industrial Ing John Jairo Pieros


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INSTRUMENTACIONINDUSTRIAL1. Introduccin

2. Instrumentos en un sistema de control





Elementos de un sistema de control Ing John Jairo Pieros


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Elementos de un sistema de control

Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Pieros



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Transmisores

Actuadores Registrador

Controladores




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Elementos de un sistema de controlSENSOR: Un elemento primario es aquel que responde cuantitativamente auna medida, por ejemplo, un resorte responde a una fuerza segn suelongacin.

TRANSMISOR: Son instrumentos que captan la variable medida a travs deun sensor, y la convierten en una seal estndar para su transmisin, la cual

es slo funcin de la variable medida.

MEDIDAS ESTANDAR




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El protocolo HART es uno de los primeros protocolos implementados y permitela comunicacin bi-direccional con instrumentos inteligentes superponiendo laseal digital en la analgica sin afectarla, transmitiendo simultneamente por elmismo alambrado.

HART




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HART (Highway Addressable Remote Transducer)



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

Delta Temp. Termocupla VoltajePresin Tubo Bourdon Desplazamiento

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

Radar Ondas Distancia

Elementos de un sistema de control

Sensores Pasivos y Activos




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Conexin Transmisores ElctricosElementos de un sistema de control Ing. John Jairo Pieros



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Ejemplo Conexin Medicin Transmisores Elctricos


TRANSMISOR

Ejemplo Conexin Transmisores a PLC

Automatizacin Industrial Ing John Jairo Pieros


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4. Caractersticas estticas y dinmicas de los

instrumentos



Controladores y Transmisores Ing John Jairo Pieros


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Controladores y Transmisores Ing. John Jairo Pieros

Transmisores

Actuadores Registrador

Controladores



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CARACTERSTICASESTTICAS Y DINMICASDE LOS INSTRUMENTOS1. 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

Caractersticas de instrumentos Ing. John Jairo Pieros


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Rango (range): Conjunto de valores de la variable que puede ser medidopor 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 = 50C

Error de medida: Diferencia entre la medida producida por el instrumento yla medida ideal. (Calibracin). Puede ser esttico o dinmico.

Vm: Valor medido

Vr: Valor real

Exactitud (accuracy):La inexactitud de un instrumento es una fuente deerror en la medicin, aunque generalmente no es la nica. Muchosfabricantes de instrumentos incluyen en el valor de exactitud, los errores porhistresis, banda muerta, repetibilidad y linealidad de un instrumento




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EJERCICIO: 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.

Ca ac e s cas de s u e os g Jo Ja o e os

Solucin.

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

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

El valor real debe estar comprendido entoncesentre (300 -1) y (300 +1) C, es decir,

299 C < Vr < 301 C.



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Precisin o repetibilidad (repeatabi l i ty): Capacidad del instrumentopara medir valores idnticos para los mismos valores de la variablefsica y condiciones de medida (% Alcance).

g



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Zona (banda) muerta: Rango de variacin de lavariable medida que no produce cambioapreciable en la salida del mismo.

Repetibilidad: Capacidad del instrumento paramedir valores idnticos para los mismos valoresde la variable fsica y condiciones de medida

g

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 dela variable fsica que produce un cambioapreciable en la medida

Histresis: Valor mximo de la diferenciaentre las medidas en sentido creciente ydecreciente de la variable

Linealidad: Error mximo que se cometeal aproximar la funcin por una lnea recta.



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g

Ejercicio No. 2: lectura parmetros

Leer los parmetros de los siguientes instrumentos yllenar la ficha tcnica suministrada por el instructor:



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g



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g

Diagramas de Instrumentacin Ing. John Jairo Pieros


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

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

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

(4) Hoja de flujo de procesos (process flow sheet): muestra los balances demateria 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 seproporciona 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.

g g



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Diagrama de bloques



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Diagrama esquemtico



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Diagrama en isomtricas



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Hoja de flujo de procesos



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P&ID



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Isomtricos

Diagramas de Instrumentacin P&ID Ing. John Jairo Pieros


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Diagramas de Instrumentacin y tuberasP&ID

Normativa 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 incluir informacin codificada para designar el rea de la planta



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Designacin de instrumentos.

ANSI: American National Standard Institute.ISA: Instrumentation, Systems and Automation Society - Normas ISA S5.1 - S5.3



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Lneas de instrumentacin



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Designacin Instrumentos y Vlvulas



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Ejemplo instrumentos



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Ejemplo: Lazo de control de presin



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Acciones de los elementos

http://3.bp.blogspot.com/-UPjkut4xTLI/ThEKGgbtQ-I/AAAAAAAACus/JpRuRRoUNqs/s1600/Imagen11.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-UPjkut4xTLI/ThEKGgbtQ-I/AAAAAAAACus/JpRuRRoUNqs/s1600/Imagen11.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-SIGf7GCOCnw/ThEJfODXS2I/AAAAAAAACuk/croNNYuLuvk/s1600/Imagen10.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-SIGf7GCOCnw/ThEJfODXS2I/AAAAAAAACuk/croNNYuLuvk/s1600/Imagen10.png


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Pasos para Implementar un Lazo deControl

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

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

Determinar la accin del controlador, teniendo en cuenta que el signo deste, se opone al producto de los signos de los dems elementos queconforman el lazo de control.

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



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Ejemplo 1:Se quiere controlar la temperatura de unapiscina para nios con el siguienteesquema.

Se pide determinar:

a) La variable controlada

b) El Agente de control

c) La accin del controlador, asumiendoque el transmisor y el convertidor son deaccin directa.

Solucin:a) La Temperaturab) El vaporC) Inversa

http://3.bp.blogspot.com/-SIGf7GCOCnw/ThEJfODXS2I/AAAAAAAACuk/croNNYuLuvk/s1600/Imagen10.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-SIGf7GCOCnw/ThEJfODXS2I/AAAAAAAACuk/croNNYuLuvk/s1600/Imagen10.png


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Ejemplo 2:Se quiere controlar la temperatura de unapiscina de baos termales con el siguienteesquema.

Se pide determinar:

a) La variable controlada

b) El Agente de control

c) La accin del controlador, asumiendoque el transmisor es de accin directa y el

convertidor es de accin inversa.Solucin:a) La Temperaturab) El agua frac) Directa

http://3.bp.blogspot.com/-UPjkut4xTLI/ThEKGgbtQ-I/AAAAAAAACus/JpRuRRoUNqs/s1600/Imagen11.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-UPjkut4xTLI/ThEKGgbtQ-I/AAAAAAAACus/JpRuRRoUNqs/s1600/Imagen11.png


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

lnea interna accesible al operario (sala decontrol). 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)



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Actividad 11. Identificar los

instrumentos delos sistemas decontrol

2. Analizar el

funcionamiento delos siguientessistemas decontrol.

N t



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Ejercicio 11. Identificar los instrumentos del sistema de control

(llenar la hoja de Excel propuesta)2. Analizar el funcionamiento de siguiente sistema

de control.

Notas:1. Bloque matemticoFv: Flujo de vapor deseadoFe: Flujo de lquido de entrada

: Calor sacado del vapor condensadoC: Capacidad calorfica del lquidoL/L: Compensador dinmico



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Listado instrumentacin ExcelLISTADO DE INSTRUMENTACION

TAGNUMBER

ELEMENTO VARIABLE DESCRIPCION SERVICIO SEAL TIPO I/O SISTEMALOCALIZACIO

N

FT100 Transmisor FlujoTransmisor de flujo tipo

vortex

Flujo de entrada al tanque 01-D-

001ELE DCS F

LIC100 Controlador NivelControlador electronico de

nivel con indicador

Control e indicacion del nivel de

liquido en 01-D-001ELE AI/AO DCS CP

SEAL

ELE ELECTRICA

NEU NEUMATICA

MEC MECANICA

TIPO I/O TIPO I/O

AI ENTRADA ANALOGA DI ENTRADA DIGITAL

AO SALIDA ANALOGA DO SALIDA DIGITAL

SISTEMADCS DISPOSITIVO DE CONTROLDE SISTEMA

ESD DISPOSITIVO DE EMERGENCIA DEL SISTEMA

IND INDICADOR DEL SISTEMA

LOCALIZACION

F CAMPO

CP PANEL DE CONTROL

CP2 PANEL DE CONTROL AUXILIAR



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Ejercicio

1. Realizar el diagrama P&ID2. Determinar la accin de los controladores3 D t i l t ti d l S

Datos tcnicos: Dimensiones Tanque abierto:

Volumen=1,57m3, Dimetro=1m Vel Fluido entrada= 2m/s Temperatura Fluido entrada:

ambiente Temperatura Deseada: 80,5C Nivel Max: 25cm Tubera proceso 1plg (ent y sal) Tipo fluido: liquido, producto

alimenticio, Sin vapor Presin salida Producto < 1bar

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