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“Instrumentación y Automatización”
Profesor : Ing . Paul Gálvez Fernández
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Instrumentación Instrumentos: Dispositivos para medir o controlar variables de
proceso de una planta. El instrumento que convierte la variable de proceso en una
“señal”, se denomina sensor.
La información al operador puede ser: Local (en terreno)-> Instrumento Indicador Remota (en Sala de Control) -> Instrumento Transmisor
I ndicador TransmisorSensor
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Señales
Existen cuatro señales fundamentales en instrumentación: Analógica : El valor varía en todo el rango, por ej. 4-20 mA,
0-10 Vcc
Digital u On/Off: La señal adopta el valor máximo o el
mínimo, pero no intermedios, por ej. 0-24 Vcc, 0-220 VAC,1-5 Vcc.
Serial o Bus: La señal es del tipo digital pero variable en el
tiempo RS-232, RS-485. Un microprocesador decodifica elmensaje transmitido por algún protocolo de comunicaciones(Modbus, Profibus, Fieldbus, Data Highway)
Neumática: Señal de presión de aire de instrumentos.
Formato usual 3-15 psig, para señales análogas.
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Evolución de las señales
Mecánica - Hidraúlica (<1900) Neumática (1930) - 3-15 psig
Eléctrónica (1965): 10 - 50 mA, 0-10 V, 4-20mA.
Comunicaciones (1988): Hart, Modbus, DH+.
Buses de Campo (1998) : Fieldbus, Profibus, ASI.
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Temperatura-Indicadores Unidades Ingeniería : [°C];
[°F]. Indicadores: Termómetro Bimetálico: Dos
metales se unen y por el
principio de dilatación linealdeflectan en uno y otrosentido.
)1( T L L i f ∆∗+∗= α
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Temperatura-Sensores-
Termocuplas Termocupla: Se unen dos alambres de metales
distintos que producen un Voltaje (mV)proporcional a la Temperatura en el punto deunión. Tipos K, J, E.
Se usa cable compensado para unir latermocupla al sistema de medición, para evitarerrores por unión de metales distintos.
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Temperatura-Sensores-RTD
RTD: Un metal aumenta su resistencia eléctrica alaumentar la Temperatura. Tipos PT100 (100 Ohm a0°C).
Como se mide la resistencia del sensor, laresistencia de los cables de conexión influyen en lamedida. Se utilizan tres cables para compensar esteerror.
)1(0 T R Rt ∗+∗= α
[ ] C R°Ω= 0@1000
1100385,0 −°− •Ω•Ω= C α
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Presión - Unidades
Unidades de Ingeniería:psi, kg/cm2, bar. Presión Absoluta (a)
Presión Manométrica(g) Presión Atmosférica
Ejemplo:
1 kg/cm2a = 14,7 psia
1 kg/cm2g = 14,7 psig
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Presión - Indicadores Manómetro: La presión actúa sobre un
tubo de bourdon que acciona unmecanismo de indicación.
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Presión - Accesorios
Syphon : Aislatérmicamente.
Sello Diafragma: Aisla del contactocon el fluido.
Snubber: Amortigualas pulsaciones
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Presión - Sensores
Sensor tipo D/PCell: Es una celdaque mide la
diferencia decapacidad de uncondensadorrelleno de unlíquido que espresionado en susdos capas.
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Presión - Transmisores Transmisor de Presión
Diferencial: Utiliza un sensortipo d/p cell con dos tomas(alta y baja presión).
Transmisor de PresiónManómétrica: Utiliza un sensortipo d/p cell con una toma a laatmósfera y la otra en elproceso.
Estos transmisores incluyenuna unidad electrónica conmicroprocesador que entrega laseñal normalizada 4-20 mA.
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Caudal – Unidades
Volumétricas: Son unidades variablesrespecto de la presión y temperaturadel fluido. Por ej.: m3/h ; lt/s ; lt/min.
Másicas: Son unidades invariables antecambios de presión y temperatura del
fluído. Por ej. : ton/h ; kg/h ; gr/min.
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Caudal - Indicadores
Rotámetro: Es un tubo un Tubo con un pesoen forma cónica que por gravedad indica enuna escala el caudal en contracorriente que
pasa.
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Caudal – Sensores-Placa
Orificio Es una placa metálica con un orificio, que restringe el paso de
caudal, generando una diferencial de presión, cuya raiz cuadrada esproporcional al caudal.
Se basa en el principio de Bernoulli
Se cálculan para un Beta = 0,3 – 0,7 y DP = 100” H2O
1111 ,,, hvP ρ 2222 ,,, hvP D
d
( )( )4
21
2
221
2
4
β ρ π
−
−==
PPd v AQv PK Qv ∆= *
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Caudal – Sensores-Placa Orificio-
Transmisor de Presión Diferencial
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Caudal – Transmisor-Coriolis Es un transmisor del Tipo Másico. Se basa en el principio de Coriolis Es un instrumento de alta precisión con un error cercano al
0,2%.
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Caudal – Transmisor-
Magnético
Es un Transmisor Volumétrico parafluidos conductivos.
Se basa en la ley defaraday.
KBlv E =
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Caudal – Transmisor-Turbina
Mide el caudal porvelocidad delfluido, obtenida a
partir de impulsoseléctricos omagnéticos de un
rotorcompensado.
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Caudal – Transmisor-
Desplazamiento Positivo
Miden el caudal por integración ocontando volúmenes fijos.
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Nivel - Indicadores El indicador más
utilizado es el nivel devidrio
Consiste en un sistema
de vidrios entre loscuales se visualiza porvaso comunicante el
nivel de un estanque. Existen del tipo armado,
reflex y transparente.
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Nivel - Unidades
Se utilizan medidas de longitud: m, cm,mm.
También se utilizan medidasporcentuales, con respecto al rangototal del transmisor.
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Nivel - Sensores
Los sensores denivel son de variostipos:
Presión de columnade líquido
Ultrasónicos
Radar Capacitivos
Nucleares
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Nivel - Transmisores Son aquellas unidades electrónicas acopladas a los sensores ya
mencionados. El más utilizado es el Transmisor de Presión Diferencial, que mide la
columna hidrostática de líquido.
Al trabajar en “ H2O se
cumple:
hSGP H ∗= 1
lSGP L ∗= 2
lSGhSGP ∗−=∆ 2*1
h
l
LT
SG1
SG2
H
L
Pr
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Válvulas de Control Es el elemento final de
control, de mayor uso. Utilizan aire comprimido
variable como energía
mecánica. Se dimensionan para
que operen en un rangoentre el 15%-85% del
recorrido.
válvuladeeCoeficient Cv
SG
PC Q v
:
∆=
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Válvulas de Control - TiposGLOBO
Aplicación General
Asiento Simple, Doble o
Equilibrado.
ANGULO
Aplicación erosión, excesiva
presión diferencial, flashing osólidos en suspensión.
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Válvulas de Control - TiposTRES VIAS
Aplicación mezclas o
desvío de caudal.
JAULA
Aplicación balanceada, en
altas diferenciales de presión y
válvulas de gran tamaño.
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Válvulas de Control - TiposEXCENTRICA
- ROTATIVA
Aplicación grandes
caudales y alta capacidad
diferencial de presión.
MARIPOSA
Bajo costo, gran caudal,
aplicaciones en baja presión.
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Válvulas de Control- Curva
Característica
á
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Válvulas de Control-Tipos de
Jaula
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Válvulas de Seguridad Son válvulas que protegen
estanques, equipos, líneas einstalaciones ante daños porsobrepresiones.
Abren ante una presión mayor
a la ajustada (setting). Se calculan de acuerdo a API
526 o ASME I, VIII, paracasos fuego o bloqueo.
El cálculo arroja un áreamínima requerida que escomparada con los modeloscomerciales identificados por
una letra (C, D, E, F, etc)
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Analizadores Son equipos especializados dedicados a medir
variables o concentraciones específicas de uncompuesto químico.
Los más utilizados son los cromatógrafos donde seproduce una separación de los componentes que son
analizados por un detector de ionización oconductividad.
Poseen una unidad computacional que realiza loscálculos y entrega los resultados en línea (ppm)
Son equipos paquete que se construyen a pedidopara la aplicación específica que se requiere (porejemplo caseta de analizadores)
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Control de ProcesosEl objetivo básico del control de proceso (automatización)es mantener el valor de una variable en algún valordeseado independiente de influencias externas, al proceso.
Definiciones:
Proceso I ndust r ial: Es un conjunto deoperaciones que transforman una materia prima enun producto final. Una planta industrial puede incluiruno o más procesos, continuos o discontinuos.
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Control de ProcesosCont rol de Procesos: Se refiere a las acciones
tomadas para asegurar el cumplimiento de lasespecificaciones y estándares de calidad del productofinal.
Sistema: Es una combinación de componentes queactúan conjuntamente y cumplen un objetivodeterminado.
Variables: Son aquellas cantidades que afectanlas entradas y salidas del proceso. Las más comunesson: Temperatura, Presión, Caudal y Nivel.
Si t d C t l
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Sistema de Control
Diagrama en Bloques
PROCESO
CONTROLADOR TRANSMISOR
SENSOR Elemento
Final Control
VariableManipulada
Variable
Medida
Variable
ControladaSET POINT
Otras Variables No
Controladas
Perturbaciones
Si t d C t l
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Sistema de Control -
DefinicionesSensor: Instrumento que convierte la variable de
proceso en una señal.
Controlador: Dispositivo que ejecuta un algoritmo decálculo para mantener una variable de proceso estable.
Transmisor: Instrumento que convierte la señal delsensor en un valor normalizado (Ej.4-20mA).
Set point (SP) : Valor deseado en la variablecontrolada de un proceso.
Error: Diferencia algebraica entre el setpoint y lavariable controlada.Element o f inal de Cont rol: Elemento que actuadirectamente sobre la variable manipulada.
Sistema de Cont ol
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Sistema de Control -
Definiciones
Variable Medida: La cantidas física, propieda ocondición que está siendo medida.
Variable Cont rolada (PV “ Process Value” ) : Lavariable que el sistema de control mantendrá en susetpoint.
Variable Manipulada (OP “ Out put Process” ) :Es aquella variable sobre la cual actua el controlador.
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Controlador Básico
ACCIONCONTROLADOR
SET POINT
(SP)
VARIABLE
CONTROLADA
(PV)
VARIABLEMANIPULADA
(OP)
+
-
e m
La acción del controlador puede ser en su forma más elemental: On/off
Las Acciones más comunes son: Proporcional (P), Derivativo (D), Integral (I).
Acciones de Control Complejas: Fuzzy, Feedforward, otras.
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Acciones de Control (t)
⎩⎨
⎧ ≥
= 0)(
0)(
)( 2
1
<t esi M
t esi M
t m
)()( t eK t m p=
dt
t deT K t eK t m d p p
)()()( +=
∫+=
t
i
p
p dt t eT
K
t eK t m 0 )()()(
On/Off
Proporcional
P+D
P+I
∫++=
t
i
p
d p p
dt t eT
K
dt
t deT K t eK t m
0
)()(
)()(P+I+D
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Acciones de Control (s)
pK s E
s M =
)(
)(
( )sT K s E
s M d p += 1
)(
)(
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +=
sT K
s E
s M
i
p
11
)(
)(
Proporcional
P+D
P+I
P+I+D ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++=
sT sT K
s E
s M
i
d p
11
)(
)(
Gráfico comportamiento
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Gráfico comportamiento
Acción Control
P+I
e(t)
t
1
m(t)
t
Kp
m(t)
t
Kp
2Kp
Ti
e(t)
t
1
m(t)
t
Kp
m(t)
t
Td
1
1
Kp
1
P P
P+D
Caso 1: Escalón Caso 2: Ram pa
e(t)
1
m(t)
Kp
1
1
Caso 3: Rampa
y PI D
t
t
P
D
P
P
PID
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Ajuste de Parámetros Método Curva de Reacción de Ziegler- Nichols.
1.- En estado operación normal y lazo abierto, generar un pequeñoescalón (10-20% rango). Registrar la curva respuesta (curva reacción) 2.- Identificar las constantes típicas de la curva. 3.- Calcular los parámetros de ajustes de acuerdo a tabla 1.
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Controladores Stand Alone
Sistemas de Control-
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Sistemas de Control-
Introducción Se refiere al dispositivo, equipo o sistema capaz de
controlar una o varias variables de proceso. Los sistemas de control además son la interfaz de la
planta con el ser humano, para transmitir el estado
de la unidad. Los Operadores supervisan el sistema de control y
toman acción ante alarmas.
Los Ingeniero de Sistemas configuran el sistema decontrol para que realice los algoritmos de controldefinidos por el Ingeniero de Instrumentos.
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EVOLUCION DE SIST. CONTROLMecánico (<1900)
Neumático (1930)Eléctrónico - Controladores Stand Alone(1965)
Computador - PDP (1970)
Distribuido - DCS (1975)
Monitoreo PC - Scada - HMI (1988)
Control en Campo - Fieldbus (1998)
Foundation
Sistemas de Control-
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Sistemas de Control-
Introducción Actualmente los sistemas de control se basan en
tecnología electrónica y de microprocesadores. Un sistema está compuesto principalmente de los
siguientes componentes:
Fuente de Poder: Entrega los voltajes y corrienterequerido en el sistema.
CPU o Procesador: Realiza los cálculos y algoritmosde control
Tarjetas de Input / Output (Procesadores de I/O):Son las que se conectan las señales desde las FTA yadaptan la señal y la comunican con la CPU.
Sistemas de Control-
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Sistemas de Control
Componentes Marshalling: Es un gabinete con regletas donde se
conectan y ordenan los multicables provenientes deterreno con las señales de instrumentos. Consolas: Son unidades con pantalla y teclado que
constituyen la interfaz humana. Redes: Son buses de comunicación digital, que
interconectan los distintos componentes del sistemay además se conectan a otras redes, por ejemploinformática.
Redundancia se refiere a duplicar un sistemaelectrónico, de tal forma que la falla de uno no afectela operación global. (Se habla de redundancia deFuentes, CPU, Tarjetas I/O, Comunicaciones)
Reseña Histórica Sistemas de
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Reseña Histórica Sistemas de
Control Distribuido HONEYWELL
TDC-2000 año 1975 – 1985: BasicController
TDC-3000 año 1986 – 1995 : PM, APM
TPS año 1995- 2002: HPM, WindowsNT
Experion PKS 2003: PC, Ethernet,Fieldbus
Arquitectura del Sistema Honeywell
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q yTPS (1999)
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Ejemplos de ImplementaciónHPM
GUS
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Conceptos Utilizados en TPS GUS: Global User Station
PHD: Process Historic database
APP: Application Process Platform
TPN : TPS Network Antigua LCN ( LocalControl Network).
UCN : Universal Control Network
HPM : High Performance Process Manager
NIM : Network Interface Module
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Funcionamiento Los instrumentos (4-20 mA) son conectados
al HPM (APM, PM). Los algoritmos de “control” residen en los
procesadores del HPM.
Aplicaciones Complejas residen en el APPnode. Las estaciones de trabajo (GUS) leen/escriben
data en tiempo real desde los HPM. Los históricos son almacenados en el PHD
(Oracle), utilizados para tendencias y registrode alarmas.
C i d
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Conexionado
FT
PT
AT
LT
24 V
250
4-20mA
J BoxFTA / Marshalling
IOP
CONTRO
LLER
HPM
NIM
UCN
GUS
LCN
CARDFILE
J. Box : Caja de Conexiones
FTA: Field terminal Assembly
IOP: Input/Output Processor
CardFile : “Rack”
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PIRAMIDE DE CONTROL:
No requeridoManual
MonitoreoControl Discreto
Control Regulatorio
Multivariable
Avanzado
HMIRELES - PLCControladores
DCS
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PIRAMIDE DE SEGURIDAD:
Diseño ProcesoProtección Mecánica
Sistema de Control
Sistema Seguridad
Brigada C.I.
Alarmas
PLC Seguridad
DCS
Sistema de Seguridad
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g
Triconex
Triple Modular Redundant
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p
(TMR)
Planos y Documentos de
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y
Ingeniería Toda Planta Industrial, independiente de su
tamaño debe mantener al día ladocumentación de sus instalaciones.
Esto es fundamental en el momento que sequiera implementar mejoras en la producción.
La documentación parte desde el momento
que se inició la Ingeniería y Construcción dela Planta.
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Planos y Documentos Típicos P&ID (Piping and Instrument Diagrams)
Diagramas de Lazos
Diagramas Lógicos
Diagrama de Conexionado
Planos de Canalización
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P&ID
Diagramas de Lazos /
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g
Conexionado
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Diagrama Lógico