instrumentación y control de procesos

PROCESOS Y EQUIPOS

INDUSTRIALES 2

Sesión 8

INSTRUMENTACIÓN Y CONTOL DE PROCESOS

Ingeniería Civil Industrial

Prof. Gonzalo García G.

2dor Semestre 2015

CONTENIDOS

Instrumentación y control de procesos industriales

Conceptos básicos

Proceso de medida

Clasificación de los instrumentos.

Transmisión de las medidas.

Diagramas de proceso (P&ID)

Sensores y actuadores.

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE

PROCESOS

INSTRUMENTOS

INSTRUMENTACIÓN

VARIABLES FÍSICAS Y SIMBOLOGÍA ISA

CONTROL DE PROCESOS DIAGRAMAS

P&ID

GENERALIDADES Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los

diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y

abarcan muchos tipos de productos tales como: derivados del petróleo,

alimentos, industria cerámica, centrales generadoras de energía,

siderurgia, tratamientos térmicos, industria papelera, industria textil, etc.

En estos procesos es necesario, registrar, controlar y mantener

constantes algunas magnitudes y variables como: presión, temperatura,

caudal, nivel, pH, conductividad, velocidad, humedad, punto de rocío,

etc.

Los INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL permiten el

mantenimiento y regulación de estas variables para una operación

industrial adecuada.

INSTRUMENTO, Según:

La sociedad de instrumentos de américa o “Instrument Society of America”, ISA

Un dispositivo directa o indirectamente usado para medir y/o controlar

una variable. El termino incluye, elementos primarios, elementos

finales de control, dispositivos de computo y dispositivos eléctricos.

Un dispositivo para medir el valor de un atributo observable; el

dispositivo puede meramente indicar el valor observado o puede

también registrarlo o controlarlo.

Medidores, Registradores, Controladores

CONCEPTOS BÁSICOS

CONCEPTOS BÁSICOS

Un conjunto de instrumentos

integrados con el propósito

de observar, medir o

controlar una variable de

proceso o magnitud física

INSTRUMENTACIÓN

Simbología ISA y SAMA.

De la misma forma que en otros campos de la ciencia y la ingeniería,

los instrumentos de medición también han generado la necesidad de

crear organizaciones que agrupen a los especialistas del campo.

Actualmente existen diversas organizaciones en el campo de la

Ingeniería de las cuales destacan en la instrumentación las siguientes:

Un conjunto de instrumentos integrados ISA

(Instrument Society of America)

variable de proceso o magnitud

física

SAMA (Scientific

Apparatus

Manufacturing

Association

Clases de instrumentos FUNCIÓN DEL INSTRUMENTO

CIEGOS Sin indicación viva

de la variable

Alarmas, interruptores

de presión y

temperatura

Transmisores de caudal,

nivel, presión y

temperatura sin indicación

TRANSDUCTORES

CONVERTIDORES

CONTROLADORES

Reciben una señal de entrada y la convierten

modificada o no en una señal de salida

PP/P - PP/I

Reciben una señal de entrada neumática o electrónica,

modificada la envía como señal de salida estándar

P/I - I/P Comparan la variable controlada

con un S.P , Acción correctiva

Clases de instrumentos

VARIABLE DEL PROCESO

Caudal, Flujo, Nivel, Presión,

Temperatura, Composición, Razón

de alimentación, Humedad, tamaño,

pH, etc.

Cuadro Resumen Clasificación de instrumentos

Las líneas se usan para indicar como están montados los instrumentos

como se indica en el ejemplo.

En el interior del símbolo existe una información alfanumérica que permite

identificar al instrumento, la primera es la identificación funcional (prefijo de

la placa) la segunda identifica el numero de lazo (numero de placa).

A continuación se presentan dos tablas, la primera con las asignaciones y

significados de los símbolos, y en la segunda los códigos utilizados para el prefijo

de la placa.

Simbología ISA y SAMA

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

MANÓMETRO DE BOURDÓN

CONVERTIDOR P/I

VARIADOR DE

FRECUENCIA

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Manómetro de Bourdón

Manómetro de Bourdon

Placa orificio

Placa orificio Placa orificio

Placa orificio

Venturi

Rotámetro

Termocupla

Infrarojo

Bimetálicos

De mercurio

Flotador

Transmisor de pH

INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS

INDUSTRIALES

¿Rango y alcance?

Tipos de controladores

PID

P: Proporcional

I: Integral

D: Derivativo


Proporcional

Manipula el elemento de control

de modo On/Off


Integral

Suma el error anterior y maneja

el elemento de control

proporcional al error


Derivativo

Maneja el elemento de control

proporcional a la velocidad de

cambio del error

PROCESO DE MEDIDA

Efectuar la configuración operacional y técnica

del uso de residuos para producir biogás y

energía eléctrica

Comparación de la variable con una unidad

estándar o patrón 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: Adecuación de la señal

Transmisor:

Conversión.

Filtrado y potencia.

Transmisión de la señal.


INDUSTRIALES

DEFINICIONES BÁSICAS

Rango: Conjunto de valores de la variable que puede ser medido

por un instrumento. Límite superior e inferior. Ej: 50 ºC-150 ºC

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

Ej: 1000 ºC

Error de medida: Diferencia entre la medida producida por el

instrumento y la medida ideal. (Calibración). Puede ser estático o

dinámico.

Precisión de referencia o tolerancia: límite máximo del error de

medida (condiciones nominales):

Absoluta

Porcentaje de alcance

Porcentaje límite superior de rango

Porcentaje valor medido


INDUSTRIALES

Zona (banda) muerta: Rango de variación de la variable

medida que no produce cambio apreciable en la salida del

mismo. Relacionado con la fricción estática. (% Alcance).

Repetibilidad: Capacidad del instrumento para medir valores

idénticos para los mismos valores de la variable física y

condiciones de medida (% Alcance).

Sensibilidad: Relación que existe entre el incremento en la

señal de salida del intrumento y el de la variable física

(pendiente).


INDUSTRIALES

DEFINICIONES BÁSICAS

Sesgo: Error constante que afecta a la medida en todo su rango de

funcionamiento. Se puede corregir por calibración.

Tiempo de medida: Tiempo que tarda el dispositivo en calcular la

medida. Puede introducir retardos.

Fiabilidad: Tiempo medio entre fallos

Vida útil: Duración aproximada del dispositivo de medida

Condiciones de servicio: Condiciones externas (temperatura,

presión, humedad, …) en las que el instrumento de medida funciona

adecuadamente.


INDUSTRIALES

Resolución: Incremento más pequeño

de la variable física que produce un

cambio apreciable en la medida (salida

del instrumento) (absoluta ó %

alcance).

Histéresis: Valor máximo de la

diferencia entre las medidas en sentido

creciente y decreciente de la variable

(% alcance) .

Linealidad: Error máximo que se

comete al aproximar la función por una

línea recta.


INDUSTRIALES

Medida

Señ

al

¿Histéresis?


INDUSTRIALES

Medida

Dif

eren

cia

de

la s

eñal

Histéresis=~5


INDUSTRIALES

Señ

al

Medida

Campo de medida (RANGO)

Alcance (SPAN)

Error

Incertidumbre de la medida

Exactitud

Precisión

Zona muerta

Sensibilidad

Repetibilidad

Repetibilidad

Histéresis

CLASIFICACIÓN DE LOS

INSTRUMENTOS

ACTIVOS

PASIVOS

Toman la energía del

proceso

Fuente de energía

externa

TIPO DE

MEDIDA

ANÁLOGOS Medida de la variable

continua

DIGITALES Nº finito de valores

ENERGÍA PRESENTACIÓN

LOCAL DE LA

INFORMACIÓN

CIEGOS

INDICADORES

REGISTRADORES

FUNCIÓN

ELEMENTOS PRIMARIOS

TRANSMISORES

CONVERTIDORES

CONTROLADORES

ACTUADORES (ELEMENTOS FINALES)

TRANSMISIÓN DE LAS MEDIDAS

Medio físico:

Neumático (magnitud: presión)

Eléctrico (magnitudes: tensión o intensidad)

Radio (magnitud: ondas hercianas)

Fibra óptica (magnitud: haces de luz)

Codificación:

Analógica/digital

Amplitud

Modulación de amplitud o frecuencia

Anchura de pulso

TRANSMISIÓN NEUMÁTICA

MAGNITUD FÍSICA PRESIÓN DE AIRE

Rango: 0,2 a 1(kg/cm2)

3-15 (psig)

VENTAJAS

Transmisión segura en ambientes peligrosos Insensible a la contaminación electromagnética. Inicialmente menor coste que eléctricas Actuadores neumáticos

DESVENTAJAS

Compresibilidad del aire Transmisión lenta Reducido a distancias cortas para limitar el retraso Sensibilidad a las condiciones del aire Humedad Suciedad (polvo, aceite): Filtros Requiere compresor

TRANSMISIÓN HIDRAULICA

Magnitud física: presión de aceite Características:

Incompresible: mayor rapidez Inflamable y sucio

Magnitud física:

Tensión: 1 – 5 V, 0 – 10 V, 0-24 V

Caídas de tensión en cables falsean la medida

Intensidad: 4 – 20 mA

No se afecta por los cables

Ventajas:

Alta velocidad de transmisión

Bajo coste

Electrónica

Desventajas

Sensibilidad a la contaminación electromagnética

Cables apantallados

TRANSMISIÓN ELÉCTRICA

CONTROL DE PROCESOS

INDUSTRIALES Y

DIAGRAMAS DE PROCESOS P&ID


PID

P: Proporcional

I: Integral

D: Derivativo


Proporcional

Manipula el elemento de control

de modo On/Off


Integral

Suma el error anterior y maneja

el elemento de control

proporcional al error


Derivativo

Maneja el elemento de control

proporcional a la velocidad de

cambio del error

Los sistemas de control de procesos se representan en diagramas

de tuberías e instrumentos (P&ID) utilizando símbolos

normalizados.

Se representan: Instrumentación, tuberías, bombas, motores y otros

elementos auxiliares.

Los instrumentos del lazo de control se representan por un

círculo con las letras de designación del instrumento así como el

número identificativo del lazo de control al que pertenecen (Norma

ISA-S5.1):

DIAGRAMAS DE PROCESO (P&ID)

EJEMPLOS DE SIMBOLOGÍA DE INSTRUMENTOS

DIAGRAMAS DE PROCESO (P&ID)

CONTROL EN CASCADA

CONTROL DE TEMPERATURA DE UN HORNO SECADOR

A

CONTROL EN CASCADA

1º Control Directo

Figura A

CONTROL EN CASCADA

Calderas de vapor

Secadores

Evaporadores

Hornos

Columnas de destilación

Intercambiador de calor

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA DE

PROCESOS

CALDERAS DE VAPOR

La regulación de la combustión se basa en mantener

constante la presión de vapor en la caldera. Las

variaciones corresponderán a la diferencia entre el calor

tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.

El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de

control de combustible. La señal procedente del caudal de

aire es modificada por un relé de relación para ajustar la

relación entre el aire y el combustible y pasa a un

controlador que la compara con la señal de caudal de

combustible. Si la proporción no es exacta, se emite una

señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula

de mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado

hasta que la relación aire-combustible es correcta.

CALDERAS DE VAPOR

CAUDAL FUEL-OIL CAUDAL AIRE EN

SERIE

El controlador de presión ajusta el punto de consigna del

controlador de caudal de fuel-oil y esta variable actúa a

través del relé de relación fuel oil-aire, como punto de

consigna del controlador de aire. Como las variaciones

de caudal de fuel oil influyen lentamente en la señal de

presión de vapor, el controlador maestro se ajusta para

una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta

disposición si varía la presión del vapor, el caudal de fuel

oil cambia antes que el del aire de combustión.

CAUDAL FUEL-OIL CAUDAL AIRE EN

SERIE

Figura 1

SECADOR CONTINUO DE EVAPORACIÓN

RÁPIDA

2

SECADOR CONTINUO DE EVAPORACIÓN

RÁPIDA

Figura 2

SECADOR ROTATORIO

3

Figura 3

EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

4

EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

Figura 4

EVAPORADOR DE TRIPLE EFECTO

5

EVAPORADOR DE TRIPLE EFECTO

Figura 5

La variables que regulan el funcionamiento de una columna de

destilación son: la presión en el tope de la columna, el caudal, la

composición y la temperatura de la alimentación, el calor entregado,

retirado, caudales de destilado y producto de fondo.

La presión en la columna se regula mediante UN CONTROLADOR

DE PRESIÓN EN CASCADA CON UN CONTROLADOR DE

CAUDAL DE LOS GASES INCONDENSABLES que escapan del

condensador.

El caudal de alimentación se regula con un CONTROLADOR DE

CAUDAL QUE MANTIENE UN CAUDAL CONSTANTE.

COMPOSICIÓN CROMATOGRAFO actúa sobre la

columna cuando se presentan cambios en la composición.

Control de la temperatura intercambiador de calor con

vapor. La TEMPERATURA SE REGULA EN CASCADA CON EL

CAUDAL DE VAPOR.

COLUMNAS DE DESTILACIÓN


Figura 6


Temperatura de

alimentación Se regula en cascada

con el caudal de

vapor

Intercambiador de calor con vapor

Calor agregado a

la columna

Intercambiador de

calor en el fondo de

la columna o en un

plato intermedio

Un controlador de

caudal de vapor ajusta

el calor entregado por

el re hervidor


Calor retirado de

la columna

Condensador de

gases en el tope de

la columna

Un controlador de

caudal de agua de

refrigeración ajusta

este calor

Caudal de

destilado

Un controlador de nivel del

condensador EN CASCADA con un

controlador de caudal en la

extracción

Caudal de producto

de fondo

Controlado indirectamente por el

controlador de nivel en la base de la

columna

INTRECAMBIADORES DE CALOR

(a)

(b)

INTRECAMBIADORES DE CALOR

Diagramas PID Se lo conoce como : • Process and Instruments Diagram (PID) o Diagrama de

Cañerías e Instrumentos • Diagrama de Procesos Mecánicos • Diagrama de Flujo de Ingeniería

Es el documento principal de un proyecto A diferencia del PFD es un plano físico. Indica dimensiones, condiciones de diseño y diámetros de cañerías

Contiene información utilizada por todas las especialidades de la Ingeniería

• Equipos – Se requiere una imagen más pictórica que en el PFD

Diagramas PID

Diagramas PID

• Indicación de datos de diseño

Diagramas PID

Diagramas PID

Indicar elevaciones

respecto del piso y niveles de líquido en los recipientes para fijar los

SET POINT de controladores y puntos

de alarma o enclavamiento

• Cañerías

Diagramas PID

Deben estar TODAS las cañerías de la planta y TODAS las válvulas incluyendo purgas, venteos, drenajes, conexiones para vaciado de equipos, conexiones para lavado, barrido con vapor etc.

Todo lo que no se incluya en el PID no

va a estar en la planta

• Cañerías

• Codificación

Diagramas PID

Diagramas PID Cañerías

Los cambios de clase deben estar claramente marcados Indicar todas las reducciones

Indicar necesidad de líneas con pendiente

Indicar el sentido de flujo en cada cambio de dirección

Diagramas PID • Válvulas

• Cada tipo de válvula debe tener un símbolo

identificatorio (esclusa, esférica, globo, tapón, compuerta).

• A veces una misma clase de cañerías admite varios

modelos de un mismo tipo (ej: esférica de paso total o reducido, distinto material de junta o empaquetadura, válvulas para instrumentos soldadas o roscadas etc.).

• El modelo de válvula debe indicarse en el PID cuando es

necesario

Diagramas PID • Simbología de instrumentos

• Simbología de Instrumentos- Lazos de Control

Diagramas PID

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE UN SISTEMA DE COGENERACIÓN APROVECHANDO EL CALOR DE LOS GASES DE SALIDA DEL

HORNO DE CLINKER”

Diagramas PID

Bomba

Condensador

Intercambiador

de calor

Turbina

Gen

erad

or

F2

F2'

W

F3

F3'

F1

F1'

F4

F4'

TICFIC

TTFT

Válvula

Controlador

indicador de

flujo

Controlador e

indicador de

temperatura

Transmisor de

temperatura

Transmisor

de flujo

TIC

FIC

Diagramas PID

Diagramas PID

Lazo Control de Temperatura en el Proceso de Biodigestión anaerobia

Lazo de control de Temperatura

La temperatura óptima para promover la reacción anaeróbica de las

bacterias es de 30°C por lo tanto cuando el controlador detecta algún

error, emite una señal al regulador quien es el encargado de calcular

cuánta energía ese necesaria para aumentar la temperatura del

biodigestor hasta alcanzar su óptimo. Con esta información se realiza

una señal de acción que va al amplificador, para luego llegar al

calefactor, el cual manipula la variable y la traspasa al proceso que la

necesita, creando finalmente una variable controlada. Finalmente esta

variable es sometida a un sensor y luego a un transmisor que va

creando un nuevo registro que llega al comparador.

Diagramas PID

Lazo Control de Temperatura

Regulador Amplificador Calefactor Proceso

Sensor de

Temperatura

Transmisor de

Temperatura

Entrada de

Referencia Error

Comparador

Señal de

Acción

Señal de

AmplificadaVariable

Manipulada

Variable

Controlada

Diagramas PID

Lazo Control de Presión en el Proceso de Biodigestión anaerobia

Lazo de control de presión:

Este lazo de control consta de un transmisor de presión que es el

encargado de recibir la señal y dirigirla al comparador, quede

realiza su actividad con la señal de referencia, cuyo valor es de 1

bar. Luego comienza un proceso similar al lazo de control de

temperatura. Es importante destacar que la medición de la presión

dentro del biodigestor se genera en la superficie de éste, punto

más alejado del material orgánico.

Diagramas PID

Lazo Control de Presión

Regulador Amplificador E.F.C Proceso

Sensor de

Presión

Transmisor de

Presión

Entrada de

Referencia Error

Comparador

Señal de

Acción

Señal de

AmplificadaVariable

Manipulada

Diagramas PID

Homogeneizador

Agua

Bomba de agua

Óxido de Calcio

Biodigestor

MB-001

Caldera

Sistema de Seguridad

MB-001

003

PT


de Presión

002

1

001

FI

004

PHE


de Presión

004

TE Sistema de Seguridad

de Temperatura

instrumentación y control de procesos

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