Instrumentacion Industrial

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

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OBJETIVO

Conocerá las normas y simbología ISA, códigos y normas de estandarización mundial.

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SIMBOLOGÍA ISAISA nació oficialmente como Instrument Society of America (Sociedad de Instrumentos de América) el 28 de abril de 1945, en Pittsburg, Pennsylvania, EEUU.

En el otoño del 2000, el consejo de delegados de la sociedad de ISA, aprobó legalmente el cambio de nombre ISA-The instrumentation, Systems and automation Society (ISA – Sociedad de instrumentación, Sistemas y automatización)

Fig. 1 Logo inicial ISA

Fig. 2 Logo actual ISA

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OBJETO DE ESTUDIO DE LA NORMA ISA

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CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN SISTEMAS DE CONTROL:

La Ingeniería de Control surge por la necesidad del hombre de mejorar

su estándar de vida y de que algunas tareas sean realizadas en forma automática, es decir no requieren intervención directa

del hombre.Para entrar al estudio de los Sistemas de Control, se deben definir los

siguientes términos:

Proceso Sistema

Control

Planta

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Conjunto de fases consecutivas en un fenómeno natural, en un área o en una

actividad, que tiene cambios de estado de acuerdo a condiciones dadas.

Ejemplo: Procesos eléctricos, mecánicos, manufactura, alimentos, energía,

hidrocarburos, transporte, comunicaciones, entre otros.

CONCEPTO DE PROCESO:

Fabrica de Manufactura

CONCEPTO DE PLANTA: Conjunto de equipos o elementos de maquinas que actúan juntos con el

propósito de realizar una operación en particular. Ejemplo: Plantas eléctricas,

de Gas, Químicas, Hidroeléctricas, energía nuclear, de fabricación, entre

otros.

Planta de Hidrocarburos

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CONCEPTO DE SISTEMA: Conjunto de elementos y reglas que organizados e interrelacionados

entre si,contribuyen a generar un resultado. Poseen características propias que los definen, que pueden ser constantes (parámetros del sistema) y cambiantes en el tiempo (variables del sistema) las cuales permiten determinar su comportamiento.

SISTEMAEntrada Salida

Elementos y Reglas

Parámetros del SistemaVariables del Sistema

CONCEPTO DE CONTROL: Es una estrategia que verifica lo que ocurre (realidad) con respecto a lo que debería ocurrir (objetivo) y de no existir concordancia se toman acciones para corregir la diferencia.

CONTROLObjetivo

AcciónRealidad

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CONCEPTO DE SISTEMA DE CONTROL:

Son sistemas que permiten que los procesos se ejecuten bajo ciertas condiciones corrigiendo desviaciones, a través de parámetros establecidos como referencia y aplicando diversos métodos y acciones de regulación para garantizar las condiciones deseadas.

Mide el Nivel

TanqueAbre Válvula

Salida de Fluido

Regula el Nivel

Acelerador

VelocidadReal

VelocidadDeseada

Medidor

VehículoConductor Acción

Control de Nivel en un TanqueControl de Velocidad en un Vehículo

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METODOLOGIA APLICADA AL ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL:

Proceso(Realidad)

ModelosMatemáticos

Análisis

Controladores

Estrategias

(Simulación)

Valido?

Implementación

SI

NO

Especificaciones

Unidad 1

Unidad 2

Unidad 3

Unidad 4

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ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Proceso: es el objeto o elemento a regular, es decir donde se darán los cambios.

Variables:Variable Controlada: variable a mantener dentro de ciertas condiciones.Variable Manipulada: variable modificada intencionalmente para influir en la variable controlada.Valor Deseado: valor de referencia al cual se quiere llevar la variable controlada. Variable de Perturbación: variable que produce desviación entre la variable controlada y el valor deseado.

Instrumentos:Medidor: elemento a través del cual se visualiza el comportamiento de las variables.Controlador: dispositivo que permite evaluar las condiciones para emitir las acciones de control.Actuador: dispositivo que ejecuta la acción de control directa sobre el proceso.

EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL:

Tanque de Agua

Flotador

Proceso: Tanque

Sistema de Control de NIVEL

Variable controlada: Nivel Tanque

Variable manipulada: Flujo entrada

Valor deseado: Altura del tanque

Variable de perturbación: Filtración Medidor: Flotador

Actuador: Flotador

Controlador: Flotador

Proceso: Tanque

Variable controlada: Nivel Tanque

Variable manipulada: Flujo salida

Valor deseado: Altura del tanque

Variable de perturbación: Filtración

Medidor: Observador (persona) Actuador: Válvula Manual

Controlador: Operador (persona)

Tanque de Agua

Válvula

V-1

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ESQUEMAS DE CONTROL

Los proceso de control están envueltos de variables que se desean mantener en un valor deseado. Dichas variables entran y salen del mismo proceso por ejemplo: caudales, temperaturas, niveles, composiciones, etc. Para cada una de estas variables se establecerá un valor deseado llamado punto de ajuste o punto de referencia.

Las perturbaciones son también entradas al proceso pero sobre las que no se pueden actuar y tienden a llevar a las variables controladas fuera de sus condiciones deseadas. Será entonces necesario contar con algún sistema de control para ajustar las variables manipuladas a manera de mantener las variables controladas en su valor deseado a pesar de las perturbaciones.

También puede ser necesario modificar los valores deseados requiriéndose entonces modificar las variables manipuladas para llevar las variables controladas a sus nuevos valores.

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Proceso Industrial (LA CLASICA)

• Conjunto de etapas o fases las cuales permiten transformar materias primas en productos y subproductos, con el uso de suministros y la adición o secuestro de energía, mediante reacciones o cambios físicos, con el objetivo de agregar valor a una materia

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Materias Primas

• Elementos de origen natural o artificial, que, introducidos en un proceso, mediante transferencia de energía, de materia o de movimiento, son transformados en productos o subproductos.

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Suministros

• Elementos necesarios para poder transformar la MP en Productos y subproductos.

•Aguas de refrigeración

•Vapor de baja, media, alta

•Etc.

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Energía

Necesaria para hacer andar un Proceso:

•Energía eléctrica (bombas, sistemas de control)

•Energía química (combustible, calor de reacción)

•Energía humana (operación y control)

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Operaciones unitarias

Generalmente, un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

1. Entrada de Materias primas

2. Operaciones físicas de acondicionamiento

3. Reacciones químicas

4. Operaciones físicas de separación

5. Productos

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SISTEMAS DE CONTROL

Existen 5 tipos:Control realimentado manual:

El operador observa (censa) el valor real de la variable controlada.

Lo compara con el valor deseado.

Toma una decisión (controla).

Modifica (actúa) el valor de la variable manipulada.

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2) Lazo realimentado automáticamente

Dispositivo de medición (SENSOR).

El valor es entonces transmitido

(TRANSMISOR)

Al equipo de control (CONTROLADOR)

Las valores de corrección son enviados a los

elementos finales de control (ACTUADOR-ELEMENTO FINAL)

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3) Control de lazo abierto (prealimentado, en avance, en adelanto)

El operador debe conocer cuando y como ajustar la variable manipulada para compensar los efectos de las perturbaciones en forma exacta.

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4. Control prealimentado automático

Deben existir sensores para medir las perturbaciones entrando al proceso. Basado en los valores medidos de las perturbaciones, el valor deseado de la variable controlada y de la información del proceso incorporada a él, el control prealimentado calcula el valor requerido de la variable manipulada para eliminar el efecto de las perturbaciones.

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5. Control realimentado

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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN APLICADOS AL CONTROL :

Variables: se relacionan con la naturaleza del proceso a controlar. Son tan diversas como los procesos. Ejemplo: Presión, Flujo, Nivel,

Temperatura, Corriente, Voltaje, Densidad, Peso, Posición, Frecuencia, etc.

Instrumentos: dispositivos que miden, indican, controlan, almacenan información, manipulan mecanismos y modifican estados.

Influyen en las variables y los estados del proceso.La Instrument Sociaty American (ISA) establece la

nomenclatura y simbología de los instrumentos utilizados en la ingeniería de control. Permite identificar y representar los sistemas de

control a través de los diagramas de instrumentación.

El formato para la identificación del instrumento según la ISA es el siguiente:

XXYY – ZZ – NNXXYY: Identificación del Instrumento. Este código esta formado por

dos subcodigos. El primero (XX) se refiere a la variable y el segundo a la función del instrumento.

ZZ: Identificación del Lazo o Área en el cual se encuentra ubicado el instrumento.

NN: Identificación del número del instrumento en una misma función. (Opcional)

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A continuación de da una lista de algunos de los documentos relacionados con el sistema de instrumentación de una planta industrial:

•Diagrama de flujo de proceso•Diagrama de tuberías e instrumentos•Diagramas de lazo •Planos y especificaciones del tablero de control

Entre las normas internacionales empleadas en la preparación de estos documentos, se encuentran las siguientes de la ISA:

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LETRAS DE IDENTIFICACIÓN

En los diagramas, cada instrumento estará representado por una etiqueta o identificación y por un símbolo. La etiqueta es un conjunto de letras y números que indican cuál es la variable medida o controlada y cuales son las funciones del instrumento . La simbología empleada en el diagrama permite ubicar el instrumento, determinar el tipo de señales empleadas y otras características de los mismos.

En general, la etiqueta de identificación está compuesta de dos partes:

1. Identificación Funcional

2. Identificación de Lazo

Ejemplo:

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LETRAS DE IDENTIFICACIÓN

La siguiente tabla muestra el significado de las letras dependiendo su posición dentro de la etiqueta del instrumento:

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Regresando al ejemplo:

T IC 10 A1ra letra Letras

sucesorasNo. de lazo Sufijo

TEMPERATURA

INDICADOR

CARÁTULA

No. DE LAZO

SUFIJO

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Símbolos habituales para la instrumentación:

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4.3 SIMBOLOGÍA DE SEÑALIZACIÓN

Los tamaños de las etiquetas y los símbolos óptimos pueden variar dependiendo en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el número de caracteres seleccionados apropiadamente acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama.

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La etiqueta o rótulo del instrumento, se encerrará dentro de un círculo de aproximadamente 1 cm de diámetro, el cual indica la localización del instrumento, ya sea que este esté en instalado:

• Directamente en el campo:

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• En un tablero de control accesible

• En la parte interior (trasera)

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Líneas de interconexión (señales)

Las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada de un símbolo en cualquier ángulo.

Flechas direccionales podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite aclarar la dirección de flujo para información .

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TIPOS DE SEÑALES

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Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora.

Los controladores lógicos programables se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado

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Los símbolos indican la posición en que están montados los instrumentos. los símbolos con o sin líneas nos indican esta información. A continuación se muestra una tabla de cómo los círculos indican la posición de los instrumentos.

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Las líneas punteadas indican que el instrumento está montado en la parte posterior del panel el cual no es accesible al operador.

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CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN CONTROL :

Función:Controlador: ejecuta algoritmos de control

Transmisor: mide y transmite variables en forma de señales

Válvulas: ejecutan acciones sobre los procesosElementos finales: ejecutan acciones. Relés,

bombas. Convertidores I/P: convierten señales de presión a

corrienteSensores: detectan una condición del proceso

Energía:Electrónico: funciona con corriente, voltaje.

Neumático: funciona con presión de aireHidráulico: funciona con presión de aceite

Señal:Analógica: funciones continuas. Rango de

valores.(Presión, temperatura, tiempo, etc.)

Digital: funciones binarias. Dos estados (ON/FF)

SIMBOLOGIA PARA DIAGRAMA DE INSTRUMENTOS :

CONEXIÓN AL PROCESO

O ENLACE MECANICO

CONEXIÓN SEÑAL

NEUMATICA

(PRESIÓN AIRE)

-

CONEXIÓN SEÑAL

HIDRAULICA

(PRESIÓN ACEITE)

CONEXIÓN SEÑAL

ELECTRICA

(ELECTRONICO)

CONEXIÓN SEÑAL ELECTROMAGNETICA

( INALAMBRICO)

XXYY

ZZ-NN

SIMBOLO

INSTRUMENTO

(TRANSMISOR, CONTROLADOR, ETC)

V-1V-2

V-3

V-4

E-1

Válvula Manual

Válvula ControlNeumática

Válvula ControlMotorizada

Válvula Solenoide Bomba Eléctrica

s

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EJEMPLO 1

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EJEMPLO 2

Representaciones gráficas de procesos

Entregan información con distintos niveles de detalle (bajo, medio, alto) dependiendo del requerimiento de información. Existen:

•Descripción de un Proceso

•Diagrama de Bloques

•Diagrama de Flujo de Procesos

•Diagrama de cañerías e instrumentos

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Diagrama de Proceso

Muestran en forma esquemática el proceso, sus sistemas de control y la relación que hay entre un equipo y otro. Indican las T, P, y Q a la capacidad de diseño garantizada. Además las dimensiones relativas aproximadas de los equipos. También se agregan datos que sirvan a la operación, tales como X de productos , datos básicos generales como T de agua de refrigeración, T de aire, etc.

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Diagrama de Proceso

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Plano de planta (Plot plan)

Con las dimensiones de los equipos determinados anteriormente y con las dimensiones aproximadas de los equipos que se compran (y de los cuales todavía no hay planos) se dibuja el plano de planta. Se establecen los niveles físicos (pisos) y elevaciones de ésta.

Los equipos se ubican considerando:

Una buena separación entre equipos que permita a la vez una fácil operación, mantención y líneas cortas

Distancia adecuada desde la sala de control (manual)

Secuencia del proceso y procedimientos de operación

P&ID (Piping and instruments Diagram)

Son documentos de comunicación entre los gruppos de trabajo que están interviniendo. Es el documento más importante de un proyecto porque en él está todo lo que comprende al proceso. Son una vista de una dimensión de la planta. Los distintos grupos que intervienen usan el P&ID para su trabajo. Siempre se va actualizando.

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Los P&ID son planos basados en el PFD (process flow diagram) que muestran todos los aspectos físicos de la planta y de los equipos. El P&ID debe tener indicadas todas las líneas de interconexión, líneas de puesta en marcha, válvulas, drenajes, instrumentos, loop o lazos de control, sistemas de protecciones, puntos de muestreo, conecciones al sistema de aguas aceitosas, etc.

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Tiene por objeto:

1. Tener claridad para revisar los procedimientos de puesta en marcha, vaporizaciones, gasificaciones, puntos de bloqueo, paletas, lavados, etc.

2. Establecer todas las líneas para su dimensionamiento

3. Revisar por otros grupos si están cubiertas sus necesidades (mantención, laboratorio)

4. Especificaciones mecánicas

5. Establecer condiciones de operación de diseño.

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