CLASE 1- Instrumentación Industrial
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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
Ing. Esp. John Jairo Piñeros C.
Ing. Esp. John Jairo Piñeros C.
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
Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros
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.
Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros
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
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
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)
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
Proceso de Medida
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
• 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
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
Unidades del Sistema Internacional
Unidades Derivadas con nombres especiales - SI
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
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
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
Ejercicio No. 1
Conceptos básicos Ing. John Jairo Piñeros
• 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
INDUSTRIAL1. Introducción
2. Tipos de control
3. Elementos de un sistema de control
4. Transmisores y Controladores
5. Diagramas de Instrumentación
Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros
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.
Tipos de Control Ing. John Jairo Piñeros
Control Análogo - PID
Tipos de Control Ing. John Jairo Piñeros
Control Análogo - PID
Tipos de Control Ing. John Jairo Piñeros
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)
Tipos de Control Ing. John Jairo Piñeros
INSTRUMENTACION
INDUSTRIAL1. Introducción
2. Instrumentos en un sistema de control
3. Elementos de un sistema de control
4. Transmisores y Controladores
5. Diagramas de Instrumentación
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 control Ing. John Jairo Piñeros
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
Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
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
Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
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
Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
Conexión Transmisores Eléctricos
Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
Ejemplo Conexión Medición Transmisores Eléctricos
Elementos de un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
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
INDUSTRIAL1. Introducción
2. Instrumentos en un sistema de control
3. Elementos de un sistema de control
4. Características estáticas y dinámicas de los
instrumentos
5. Diagramas de Instrumentación
Automatización Industrial Ing. John Jairo Piñeros
CARACTERÍSTICAS
ESTÁTICAS DE LOS
INSTRUMENTOS
1. Rango
2. Alcance
3. Error
4. Precisión
5. Zona muerta
6. Repetibilidad
Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros
7. Sensibilidad
8. Repetición
9. Histéresis
10. Linealidad
11. Sesgo
12. Condiciones de servicio
Algunas definiciones de instrumentación
Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros
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.
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
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.
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
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).
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
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
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
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
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
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
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
Las características dinámicas de un instrumento se refieren al comportamiento
del mismo cuando la entrada o variable medida, está cambiando en el tiempo.
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
Ejercicio No. 3:
lectura y calculo de parámetros
RESOLVER EL EJERCICIO ENTREGADO POR EL
DOCENTE
Características de instrumentos Ing. John Jairo Piñeros
INSTRUMENTACION
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
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
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
Diagrama esquemático
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
Diagrama en isométricas
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
Hoja de flujo de procesos
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
P&ID
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
Isométricos
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
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
Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros
Líneas de instrumentación
Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros
Designación Instrumentos y Válvulas
Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros
Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros
Ejemplo instrumentos
Ejemplo: Lazo de control de presión
Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros
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.
Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
Ejemplo 1:
Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
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
Ejemplo 2:
Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
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
Ejercicio 4:
Instrumentos en un sistema de control Ing. John Jairo Piñeros
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)
Diagramas de Instrumentación P&ID Ing. John Jairo Piñeros
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)
Diagramas de Instrumentación Ing. John Jairo Piñeros
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