Instrumentación y Control de Procesos

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Sesin 8 de instrumentacin y control de procesos industriales de la universidad de Talca.

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  • PROCESOS Y EQUIPOS

    INDUSTRIALES 2

    Sesin 8

    INSTRUMENTACIN Y CONTOL DE PROCESOS

    Ingeniera Civil Industrial

    Prof. Gonzalo Garca G.

    2dor Semestre 2015

  • CONTENIDOS

    Instrumentacin y control de procesos industriales

    Conceptos bsicos

    Proceso de medida

    Clasificacin de los instrumentos.

    Transmisin de las medidas.

    Diagramas de proceso (P&ID)

    Sensores y actuadores.

  • INSTRUMENTACIN Y CONTROL DE

    PROCESOS

    INSTRUMENTOS

    INSTRUMENTACIN

    VARIABLES FSICAS Y SIMBOLOGA ISA

    CONTROL DE PROCESOS DIAGRAMAS

    P&ID

  • GENERALIDADES Los procesos industriales exigen el control de la fabricacin de los

    diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y

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

    alimentos, industria cermica, centrales generadoras de energa,

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

    En estos procesos es necesario, registrar, controlar y mantener

    constantes algunas magnitudes y variables como: presin, temperatura,

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

    etc.

    Los INSTRUMENTOS DE MEDICIN Y CONTROL permiten el

    mantenimiento y regulacin de estas variables para una operacin

    industrial adecuada.

  • INSTRUMENTO, Segn:

    La sociedad de instrumentos de amrica 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 elctricos.

    Un dispositivo para medir el valor de un atributo observable; el dispositivo puede meramente indicar el valor observado o puede

    tambin registrarlo o controlarlo.

    Medidores, Registradores, Controladores

    CONCEPTOS BSICOS

  • CONCEPTOS BSICOS

    Un conjunto de instrumentos

    integrados con el propsito

    de observar, medir o

    controlar una variable de

    proceso o magnitud fsica

    INSTRUMENTACIN

  • Simbologa ISA y SAMA.

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

    los instrumentos de medicin tambin han generado la necesidad de

    crear organizaciones que agrupen a los especialistas del campo.

    Actualmente existen diversas organizaciones en el campo de la

    Ingeniera de las cuales destacan en la instrumentacin las siguientes:

    Un conjunto de instrumentos integrados ISA

    (Instrument Society of America)

    variable de proceso o magnitud

    fsica

    SAMA (Scientific

    Apparatus

    Manufacturing

    Association

  • Clases de instrumentos FUNCIN DEL INSTRUMENTO

    CIEGOS Sin indicacin viva

    de la variable

    Alarmas, interruptores

    de presin y

    temperatura

    Transmisores de caudal,

    nivel, presin y

    temperatura sin indicacin

    TRANSDUCTORES

    CONVERTIDORES

    CONTROLADORES

    Reciben una seal de entrada y la convierten

    modificada o no en una seal de salida

    PP/P - PP/I

    Reciben una seal de entrada neumtica o electrnica,

    modificada la enva como seal de salida estndar

    P/I - I/P Comparan la variable controlada

    con un S.P , Accin correctiva

  • Clases de instrumentos

    VARIABLE DEL PROCESO

    Caudal, Flujo, Nivel, Presin,

    Temperatura, Composicin, Razn

    de alimentacin, Humedad, tamao,

    pH, etc.

  • Cuadro Resumen Clasificacin de instrumentos

  • Las lneas se usan para indicar como estn montados los instrumentos

    como se indica en el ejemplo.

    En el interior del smbolo existe una informacin alfanumrica que permite

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

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

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

    significados de los smbolos, y en la segunda los cdigos utilizados para el prefijo

    de la placa.

    Simbologa ISA y SAMA

  • INSTRUMENTOS DE MEDICIN

    MANMETRO DE BOURDN

    CONVERTIDOR P/I

    VARIADOR DE

    FRECUENCIA

  • INSTRUMENTOS DE MEDICIN

    Manmetro de Bourdn

  • Manmetro de Bourdon

  • Placa orificio

  • Placa orificio Placa orificio

  • Placa orificio

  • Placa orificio

  • Venturi

  • Venturi

  • Rotmetro

  • Termocupla

  • Termocupla

  • Infrarojo

  • Bimetlicos

  • De mercurio

  • Flotador

  • Transmisor de pH

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    Rango y alcance?

  • Tipos de controladores

    PID

    P: Proporcional

    I: Integral

    D: Derivativo

  • Tipos de controladores

    Proporcional

    Manipula el elemento de control

    de modo On/Off

  • Tipos de controladores

    Integral

    Suma el error anterior y maneja

    el elemento de control

    proporcional al error

  • Tipos de controladores

    Derivativo

    Maneja el elemento de control

    proporcional a la velocidad de

    cambio del error

  • PROCESO DE MEDIDA

    Efectuar la configuracin operacional y tcnica

    del uso de residuos para producir biogs y

    energa elctrica

    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.

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    DEFINICIONES BSICAS

    Rango: Conjunto de valores de la variable que puede ser medido por un instrumento. Lmite superior e inferior. Ej: 50 C-150 C

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

    Ej: 1000 C

    Error de medida: Diferencia entre la medida producida por el

    instrumento y la medida ideal. (Calibracin). Puede ser esttico o

    dinmico.

    Precisin de referencia o tolerancia: lmite mximo del error de

    medida (condiciones nominales):

    Absoluta

    Porcentaje de alcance

    Porcentaje lmite superior de rango

    Porcentaje valor medido

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

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

    medida que no produce cambio apreciable en la salida del

    mismo. Relacionado con la friccin esttica. (% Alcance).

    Repetibilidad: Capacidad del instrumento para medir valores

    idnticos para los mismos valores de la variable fsica y

    condiciones de medida (% Alcance).

    Sensibilidad: Relacin que existe entre el incremento en la seal de salida del intrumento y el de la variable fsica

    (pendiente).

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    DEFINICIONES BSICAS

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

    funcionamiento. Se puede corregir por calibracin.

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

    medida. Puede introducir retardos.

    Fiabilidad: Tiempo medio entre fallos

    Vida til: Duracin aproximada del dispositivo de medida

    Condiciones de servicio: Condiciones externas (temperatura,

    presin, humedad, ) en las que el instrumento de medida funciona adecuadamente.

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    Resolucin: Incremento ms pequeo

    de la variable fsica que produce un

    cambio apreciable en la medida (salida

    del instrumento) (absoluta %

    alcance).

    Histresis: Valor mximo de la

    diferencia entre las medidas en sentido

    creciente y decreciente de la variable

    (% alcance) .

    Linealidad: Error mximo que se

    comete al aproximar la funcin por una

    lnea recta.

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    Medida

    Se

    al

    Histresis?

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    Medida

    Dif

    eren

    cia

    de

    la s

    eal

    Histresis=~5

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    Medida

    Dif

    eren

    cia

    de

    la s

    eal

    Histresis=~5

  • INSTRUMENTACIN DE PROCESOS

    INDUSTRIALES

    Se

    al

    Medida

  • Campo de medida (RANGO)

    Alcance (SPAN)

    Error

  • Incertidumbre de la medida

    Exactitud

    Precisin

  • Zona muerta

    Sensibilidad

  • Repetibilidad

  • Repetibilidad

    Histresis

  • CLASIFICACIN DE LOS

    INSTRUMENTOS

    ACTIVOS

    PASIVOS

    Toman la energa del

    proceso

    Fuente de energa

    externa

    TIPO DE

    MEDIDA

    ANLOGOS Medida de la variable

    continua

    DIGITALES N finito de valores

    ENERGA PRESENTACIN

    LOCAL DE LA

    INFORMACIN

    CIEGOS

    INDICADORES

    REGISTRADORES

    FUNCIN

    ELEMENTOS PRIMARIOS

    TRANSMISORES

    CONVERTIDORES

    CONTROLADORES

    ACTUADORES (ELEMENTOS FINALES)

  • TRANSMISIN DE LAS MEDIDAS

    Medio fsico:

    Neumtico (magnitud: presin) Elctrico (magnitudes: tensin o intensidad) Radio (magnitud: ondas hercianas) Fibra ptica (magnitud: haces de luz)

    Codificacin:

    Analgica/digital Amplitud Modulacin de amplitud o frecuencia Anchura de pulso

  • TRANSMISIN NEUMTICA

    MAGNITUD FSICA PRESIN DE AIRE

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

    3-15 (psig)

    VENTAJAS

    Transmisin segura en ambientes peligrosos Insensible a la contaminacin electromagntica. Inicialmente menor coste que elctricas Actuadores neumticos

    DESVENTAJAS

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

  • TRANSMISIN HIDRAULICA

    Magnitud fsica: presin de aceite Caractersticas:

    Incompresible: mayor rapidez Inflamable y sucio

  • Magnitud fsica: Tensin: 1 5 V, 0 10 V, 0-24 V Cadas de tensin en cables falsean la medida

    Intensidad: 4 20 mA No se afecta por los cables

    Ventajas: Alta velocidad de transmisin

    Bajo coste

    Electrnica

    Desventajas

    Sensibilidad a la contaminacin electromagntica

    Cables apantallados

    TRANSMISIN ELCTRICA

  • CONTROL DE PROCESOS

    INDUSTRIALES Y

    DIAGRAMAS DE PROCESOS P&ID

  • Tipos de controladores

    PID

    P: Proporcional

    I: Integral

    D: Derivativo

  • Tipos de controladores

    Proporcional

    Manipula el elemento de control

    de modo On/Off

  • Tipos de controladores

    Integral

    Suma el error anterior y maneja

    el elemento de control

    proporcional al error

  • Tipos de controladores

    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 tuberas e instrumentos (P&ID) utilizando smbolos

    normalizados.

    Se representan: Instrumentacin, tuberas, bombas, motores y otros

    elementos auxiliares.

    Los instrumentos del lazo de control se representan por un

    crculo con las letras de designacin del instrumento as como el

    nmero identificativo del lazo de control al que pertenecen (Norma

    ISA-S5.1):

    DIAGRAMAS DE PROCESO (P&ID)

  • EJEMPLOS DE SIMBOLOGA DE INSTRUMENTOS

  • DIAGRAMAS DE PROCESO (P&ID)

  • DIAGRAMAS DE PROCESO (P&ID)

  • CONTROL EN CASCADA

    CONTROL DE TEMPERATURA DE UN HORNO SECADOR

    A

  • CONTROL EN CASCADA

    1 Control Directo

    Figura A

  • CONTROL EN CASCADA

  • CONTROL EN CASCADA

  • Calderas de vapor

    Secadores

    Evaporadores

    Hornos

    Columnas de destilacin

    Intercambiador de calor

    APLICACIONES EN LA INDUSTRIA DE

    PROCESOS

  • CALDERAS DE VAPOR

  • CALDERAS DE VAPOR

  • La regulacin de la combustin se basa en mantener constante la presin de vapor en la caldera. Las

    variaciones correspondern a la diferencia entre el calor

    tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.

    El controlador de la presin de vapor ajusta la vlvula de

    control de combustible. La seal procedente del caudal de

    aire es modificada por un rel de relacin para ajustar la

    relacin entre el aire y el combustible y pasa a un

    controlador que la compara con la seal de caudal de

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

    seal al servomotor de mando del ventilador o a la vlvula

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

    hasta que la relacin aire-combustible es correcta.

    CALDERAS DE VAPOR

  • CAUDAL FUEL-OIL CAUDAL AIRE EN

    SERIE

    El controlador de presin ajusta el punto de consigna del

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

    travs del rel de relacin fuel oil-aire, como punto de

    consigna del controlador de aire. Como las variaciones

    de caudal de fuel oil influyen lentamente en la seal de

    presin de vapor, el controlador maestro se ajusta para

    una respuesta rpida ante cambios en la presin. En esta

    disposicin si vara la presin del vapor, el caudal de fuel

    oil cambia antes que el del aire de combustin.

  • CAUDAL FUEL-OIL CAUDAL AIRE EN

    SERIE

    Figura 1

  • SECADOR CONTINUO DE EVAPORACIN

    RPIDA

    2

  • SECADOR CONTINUO DE EVAPORACIN

    RPIDA

    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 destilacin son: la presin en el tope de la columna, el caudal, la

    composicin y la temperatura de la alimentacin, el calor entregado,

    retirado, caudales de destilado y producto de fondo.

    La presin en la columna se regula mediante UN CONTROLADOR DE PRESIN EN CASCADA CON UN CONTROLADOR DE

    CAUDAL DE LOS GASES INCONDENSABLES que escapan del

    condensador.

    El caudal de alimentacin se regula con un CONTROLADOR DE CAUDAL QUE MANTIENE UN CAUDAL CONSTANTE.

    COMPOSICIN CROMATOGRAFO acta sobre la columna cuando se presentan cambios en la composicin.

    Control de la temperatura intercambiador de calor con vapor. La TEMPERATURA SE REGULA EN CASCADA CON EL

    CAUDAL DE VAPOR.

    COLUMNAS DE DESTILACIN

  • COLUMNAS DE DESTILACIN

    Figura 6

  • COLUMNAS DE DESTILACIN

    Temperatura de

    alimentacin 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

  • COLUMNAS DE DESTILACIN

    Calor retirado de

    la columna

    Condensador de

    gases en el tope de

    la columna

    Un controlador de

    caudal de agua de

    refrigeracin ajusta

    este calor

    Caudal de

    destilado

    Un controlador de nivel del

    condensador EN CASCADA con un

    controlador de caudal en la

    extraccin

    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

    Caeras e Instrumentos Diagrama de Procesos Mecnicos Diagrama de Flujo de Ingeniera

    Es el documento principal de un proyecto A diferencia del PFD es un plano fsico. Indica dimensiones, condiciones de diseo y dimetros de caeras

    Contiene informacin utilizada por todas las especialidades de la Ingeniera

  • Equipos Se requiere una imagen ms pictrica que en el PFD

    Diagramas PID

  • Diagramas PID

  • Indicacin de datos de diseo

    Diagramas PID

  • Diagramas PID

    Indicar elevaciones respecto del piso y

    niveles de lquido en los recipientes para fijar los

    SET POINT de controladores y puntos

    de alarma o enclavamiento

  • Caeras

    Diagramas PID

    Deben estar TODAS las caeras de la planta y TODAS las vlvulas 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

  • Caeras

    Codificacin

    Diagramas PID

  • Diagramas PID Caeras

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

    Indicar necesidad de lneas con pendiente

    Indicar el sentido de flujo en cada cambio de direccin

  • Diagramas PID Vlvulas

    Cada tipo de vlvula debe tener un smbolo

    identificatorio (esclusa, esfrica, globo, tapn, compuerta).

    A veces una misma clase de caeras admite varios

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

    El modelo de vlvula debe indicarse en el PID cuando es

    necesario

  • Diagramas PID Simbologa de instrumentos

  • Simbologa de Instrumentos- Lazos de Control

    Diagramas PID

  • Simbologa de Instrumentos- Lazos de Control

    Diagramas PID

  • GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA A TRAVS DE UN SISTEMA DE COGENERACIN 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

    Vlvula

    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 Biodigestin anaerobia

    Lazo de control de Temperatura

    La temperatura ptima para promover la reaccin anaerbica de las

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

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

    cunta energa ese necesaria para aumentar la temperatura del

    biodigestor hasta alcanzar su ptimo. Con esta informacin se realiza

    una seal de accin 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

    Seal de

    Accin

    Seal de

    AmplificadaVariable

    Manipulada

    Variable

    Controlada

  • Diagramas PID

    Lazo Control de Presin en el Proceso de Biodigestin anaerobia

    Lazo de control de presin:

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

    encargado de recibir la seal y dirigirla al comparador, quede

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

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

    temperatura. Es importante destacar que la medicin de la presin

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

    ms alejado del material orgnico.

  • Diagramas PID

    Lazo Control de Presin

    Regulador Amplificador E.F.C Proceso

    Sensor de

    Presin

    Transmisor de

    Presin

    Entrada de

    Referencia Error

    Comparador

    Seal de

    Accin

    Seal de

    AmplificadaVariable

    Manipulada

  • Diagramas PID

    Homogeneizador

    Agua

    Bomba de agua

    xido de Calcio

    Biodigestor

    MB-001

    Caldera

    Sistema de Seguridad

    MB-001

    003

    PT

    Sistema de Seguridad

    de Presin

    002

    1

    001

    FI

    004

    PHE

    Sistema de Seguridad

    de Presin

    004

    TE Sistema de Seguridadde Temperatura

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