CLASE 1- Instrumentación Industrial

Ing. Esp. John Jairo Piñeros C.

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

Sesión 1: Fundamentos y transmisores

• Introducción

• Instrumentos en un sistema de control

• Elementos de un sistema de control

• Transmisores y Controladores

• Diagramas de Instrumentación

Sesión 2: Temperatura

• Principio funcionamiento termocuplas.

• Linealización – Compensación de Cero.

• Tipos de termocuplas - Identificación

• Practica I: Control de temperatura con

termocupla y PT100

Sesión 3: Presión

• Concepto Generales sobre presión

• Tipos de medidores de presión:

Mecánicos, electrónicos,

electromecánicos…

• Practica II: Configuración transmisor

Presión

Sesión 4: Nivel

• Principios Básicos

• Medidores de nivel: tipos

• Selección y Aplicaciones

• Practica III: Configuración transmisor

nivel.

Sesión 5: Caudal

• Fundamentos básicos

• Tipos de medidores de caudal

• Selección y aplicaciones

• Examen Final



Sesión 1: Fundamentos y transmisores

• Taller 1 10 %

Sesión 2: Temperatura

• Taller 2 10%

• Practica 1 10%

Sesión 3: Presión

• Taller 3 10%

• Practica 2 10%

Sesión 4: Nivel

• Taller 4 10%

• Practica 3 10%

Sesión 5: Caudal

• Examen Final 30%

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

100%

INSTRUMENTACIÓN

INDUSTRIAL1. Introducción

2. Instrumentos en un sistema de control

3. Elementos de un sistema de control

4. Transmisores y Controladores

5. Diagramas de Instrumentación

Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros

¿Que es la Instrumentación Industrial?

Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados

para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación,

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

proceso productivo.

1. Introducción


1. Introducción

¿Cuáles son las funciones de un profesional que se

desempeñe en área de instrumentación y/o Automatización?

• Seleccionar instrumentos

• Especificar instrumentos

• Generar planos de instrumentación

• Diagramas de Tuberías e Instrumentación (P&ID).

• Diagramas de lazos de control.

• Diagramas de instalación (mecánicos y eléctricos).

• Supervisar la instalación, arranque y puesta en marcha de sistemas

de instrumentación.

• Mantenimiento de instrumentos.


Introducción

Instrumentación Industrial Ing. John Jairo

Piñeros

Uso de la realimentación para generar la señal de control.

El controlador debe generar una señal de control de manera que

el sistema se comporte adecuadamente.

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

• MEDIDA: Proceso empírico y objetivo de asignación de números a las cualidades de los objetos o

acontecimientos del mundo físico real.

• SENSOR: Transforma una señal mecánica en una eléctrica

• DETECTOR ERROR: Efectúa la comparación entre la variable de referencia y la variable a controlar.

• CONTROLADOR: Realiza una acción determinada en función del detector de error.

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

proceso en función de la respuesta del controlador. Representado por electroválvulas, motores,

lámparas, relés, etc.

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

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

Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros

PROCESO: Ambiente, entorno o sistema cuya evolución 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

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.

Unidades del Sistema InternacionalUnidades del SI

Unidades Derivadas del SI


Unidades del Sistema Internacional

Unidades Derivadas con nombres especiales - SI


Conversiones FrecuentesUnidades de presión y sus factores de conversión

Pascal bar atm Torr

1 Pa (N/m²)= 1 10-5 0,987×10-5 0,0075

1 bar (10N/cm²)

=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/Torr

Ejercicio No. 1


• Cual es el volumen del tanque

rectangular? (H=3m; L=2m;

prof=1m)

• Cual es el volumen de un tanque

cilíndrico que tiene una altura de

7m y un diámetro de 5m

• Cual es el Caudal de entrada si la

tubería 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 presión 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

acción de corrección de acuerdo con la desviación o error

existente.

TIPOS DE CONTROL

ON – OFF

CONTROL ANALÓGICO

CONTROL DIGITAL

Tipos de Control Ing. John Jairo Piñeros

Sistema de control

Control ON-OFF

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

2. Es comúnmente utilizado en la industria

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

La entrada no cambia tan

rápidamente pero El precio que

pagamos es una oscilación (o ciclo

lımite) en la temperatura de salida.


Control Análogo - PID


Control Digital - PWM

Los parámetros fundamentales del PWM son el periodo (T)

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

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


INSTRUMENTACION






Automatización Industrial Ing. John Jairo Piñeros

Elementos de un sistema de control

Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros

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 según su

elongación.

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

un sensor, y la convierten en una señal estándar para su transmisión, la cual

es sólo función de la variable medida.

MEDIDAS ESTANDAR


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

la comunicación bi-direccional con instrumentos inteligentes superponiendo la

señal digital en la analógica sin afectarla, transmitiendo simultáneamente por el

mismo alambrado.

HART



HART (Highway Addressable Remote Transducer)

• Pasivos: No agregan energía como parte del proceso de medición.

Delta Temp. » Termocupla » Voltaje

Presión » Tubo Bourdon »Desplazamiento

• Activos: Agregan energía al ambiente de la medición como parte del

proceso de medición.

Radar » Ondas » Distancia

Elementos de un sistema de control

Sensores Pasivos y Activos


Conexión Transmisores Eléctricos


Ejemplo Conexión Medición Transmisores Eléctricos


TRANSMISOR

Ejemplo Conexión Transmisores a PLC

Conexión HARTElementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros

El lazo de señal debe tener una

carga entre 250 y 1100 ohmios para

las comunicaciones.

INSTRUMENTACION




4. Características estáticas y dinámicas de los

instrumentos


Automatización Industrial Ing. John Jairo Piñeros

CARACTERÍSTICAS

ESTÁTICAS DE LOS

INSTRUMENTOS

1. Rango

2. Alcance

3. Error

4. Precisión

5. Zona muerta

6. Repetibilidad


7. Sensibilidad

8. Repetición

9. Histéresis

10. Linealidad

11. Sesgo

12. Condiciones de servicio

Algunas definiciones de instrumentación


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

por un instrumento. Límite superior e inferior.

Range = 50ºC a 150ºC

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

Span (Sp = RS - RI)

Sp = 100ºC – 50 ºC = 100 ºC

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

la medida ideal. (Calibración). Puede ser estático o dinámico.

Vm: Valor medido

Vr: Valor real

Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros

EJERCICIO 1: Considere un instrumento que tiene las siguientescaracterísticas:

Rango: 200 ºC a 400 ºC

Exactitud: ± 0,5% del Span.

Vm: 300 ºC

Calcular entre qué valores puede estar comprendido el valor real.


Solución.

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

Exactitud = ± 0,5% de 200 °C = ± 1ºC

El valor real debe estar comprendido entonces

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

299 ºC < Vr < 301 ºC.

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

la medición, aunque generalmente no es la única. Muchos fabricantes de

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

muerta, repetibilidad y linealidad de un instrumento

Basada en la desviación promedio

FORMAS DE ESTIMAR LA EXACTITUD.


Basada en el valor más alejado

error mayor obtenido durante el proceso de

calibración del instrumento, ya sea que este

halla sido recorriendo la escala en sentido

ascendente o descendente

se calcula la desviación promedio de todas las

mediciones tomadas para una misma entrada, y

se expresa como la exactitud

Tolerancia (tolerance) La tolerancia es un término íntimamente relacionado

con la exactitud y define el máximo error esperado en

cierto valor

• Precisión o repetibilidad (repeatability): Capacidad del instrumento

para medir valores idénticos para los mismos valores de la variable

física y condiciones de medida (% Alcance).



FORMAS DE ESTIMAR LA PRECISIÓN

Basada en los valores más alejados entre sí

Se toma la máxima diferencia obtenida entre dos lecturas para la misma entrada y

en el mismo sentido de variación

Basada en la desviación estándar.

Se calcula la desviación estándar de las lecturas con respecto a la lectura

promedio, recorriendo la escala en sentido ascendente y en sentido descendente.

De los dos valores de desviación estándar obtenidos, se toma el peor (el mayor)

Zona (banda) muerta: Rango de variación de la

variable medida que no produce cambio

apreciable en la salida del mismo.

Repetibilidad: Capacidad del instrumento para

medir valores idénticos para los mismos valores

de la variable física y condiciones de medida


Sensibilidad: Relación que existe entre el incremento en la señal de salida

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

Resolución: Incremento más pequeño de

la variable física que produce un cambio

apreciable en la medida

Histéresis: Valor máximo de la diferencia

entre las medidas en sentido creciente y

decreciente de la variable

Linealidad: Error máximo que se comete

al aproximar la función por una línea recta.

Calibración: La relación entre la variable física medida de entrada y la

señal variable de salida para un sensor específico

Para un instrumento de respuesta lineal la formula sería:

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

Para un instrumento de respuesta cuadrática la formula sería:

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

podría decir que:

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

• SAL: SALIDA

• MED: MEDIDA

• INF: INFERIOR



Ejercicio 2 Calibración:

Si tenemos un transmisor de presión 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 medición

de 17 psig a qué 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

Características dinámicas Instrumentos


Las características dinámicas de un instrumento se refieren al comportamiento

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


Ejercicio No. 3:

lectura y calculo de parámetros

RESOLVER EL EJERCICIO ENTREGADO POR EL

DOCENTE

INSTRUMENTACION







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

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

(3) Diagrama en isométricas: muestra la disposición espacial de los equipos a escala y en representación isométrica.

(4) Hoja de flujo de procesos (process flow sheet): muestra los balances de materia y energía. Las tuberías se denominan “corrientes” (“streams”).

(5) P&ID (piping and instrument diagram): Al diagrama anterior se le añade toda la parte de instrumentación. Ahora las líneas corresponden a tuberías y se proporciona toda la información sobre las mismas: diámetro, nombre, material, fluido que transportan, aislamiento/calentamiento.

(6) Isométricos: Son planos constructivos de una pequeña parte de la instalación. Sirven para indicar el trazado de las tuberías y, por tanto, construirlas físicamente. Ver este ejemplo.

Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros

Diagrama de bloques


Diagrama esquemático


Diagrama en isométricas


Hoja de flujo de procesos


P&ID


Isométricos


Diagramas de Instrumentación y tuberías

P&IDNormativa para la designación de instrumentos.

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

• La identificación del lazo al cual pertenece el instrumento se designaagregándole un número al sistema de letras.

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

• Ocasionalmente se le agrega un sufijo para completar la identificacióndel lazo.

• El número de identificación del instrumento (TAG) puede incluirinformación codificada para designar el área de la planta

Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros

Designación de instrumentos.

ANSI: American National Standard Institute.

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


Líneas de instrumentación


Designación Instrumentos y Válvulas


Ejemplo instrumentos

Ejemplo: Lazo de control de presión


Acciones de los elementos

Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros

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

señal desde el transmisor, su salida se incrementa.

La acción reversa significa que un incremento en las señales de medición

hace que la señal de salida disminuya.

Pasos para Implementar un Lazo de

Control

• Escoger la acción del Elemento final de control teniendo en cuenta las

condiciones de seguridad

• Determinar las acciones de los elementos del lazo de control con excepción

del controlador.

• Determinar la acción del controlador, teniendo en cuenta que el signo de

éste, se opone al producto de los signos de los demás elementos que

conforman el lazo de control.

• Implementar un control manual para el caso de mantenimiento y reparación.


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 acción del controlador, asumiendo

que el transmisor y el convertidor son de

acción directa.

Solución:

a) La Temperatura

b) El vapor

C) Inversa

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Ejemplo 2:


Se quiere controlar la temperatura de un

proceso con el siguiente esquema (Ingresa

Agua Fría).

Se pide determinar:

a) La variable controlada

b) El Agente de control

c) La acción del controlador, asumiendo

que el transmisor es de acción directa y el

convertidor es de acción inversa.

Solución:

a) La Temperatura

b) El agua fría

c) Directa

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Ejercicio 4:


Determinar la acción 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 tª y transmisor).

• TC-301 (controlador de tª).

• línea interna accesible al operario (sala de

control).

• el setpoint no aparece selección manual.

• PY-301 (convertidor de corriente a presión).

• Raíz cuadrada (ofrece una salida de presión

proporcional al caudal).

Elementos finales

• TV-301 (válvula de control de la entrada de vapor).

• FV-302 (válvula de salida de reactivo).

• FO-302 (lectura de caudal transduciendo a presión).

• TZ-301 (actuador neumático bucle de tª).

Otros símbolos

• Etiqueta de válvula de control de tª (TV-301).

Bucle de control

• Totalmente neumático.

• FT-302 (transmisor de presión a presión

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 acción de los controladores

3. Determinar las características de los Sensores

4. Entradas y salidas del PLC (Controlador)


Datos técnicos:

• Dimensiones Tanque abierto:

Volumen=6,28m3, Diámetro=1m

• Vel Fluido entrada= 2m/s

• Temperatura Fluido entrada:

ambiente

• Temperatura Deseada: 80,5°C

• Tubería proceso 1plg (ent y sal)

• Tipo fluido: liquido, producto

alimenticio, Sin vapor

• Presión salida Producto < 1bar

CLASE 1- Instrumentación Industrial

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