TEMA 2 DE INSTRUMENTACION 3

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TEMA 2 DE INSTRUMENTACION 3

  1. 1. Prof. Luis Zurita
  2. 2. IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL  Un proceso industrial transforma, semielabora, elabora las materias primas que sirven de entrada al proceso y lo convierte en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso.  Para tal fin se necesita un conjunto de equipos, máquinas, controles, que interactúan armónicamente.  Los instrumentos se encargan de indicar las magnitudes de las variables operacionales y/o transmitir esta información hasta los controladores (sala de control o scada).  A su vez existen elementos finales de control, que se encargarán de regular y controlar las variables operacionales que se están midiendo y del proceso industrial en estudio.
  3. 3. PROCESOINDUSTRIAL
  4. 4. ¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?VARIABLES:1. Temperatura.2. Nivel.3. Presión.4. Caudal o flujo.5. Humedad.6. Velocidad.7. PH8. Densidad.9. Vibración.10. Entre Otras.
  5. 5. ¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?EQUIPOS: Motores. Compresores. Torres de destilación. Tanques de almacenamiento. Torres de enfriamiento. Motobombas. Intercambiadores de calor. Calderas. Tanques de mezclado. Separadores líquidos – gas , separadores trifásicos, válvulas, entre otros.
  6. 6. ¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?INSTRUMENTOS:Dispositivos que toman una variable física de un proceso y pueden:1. Indicar su valor o magnitud.2. Transmitir su información a otro instrumento o a una sala de control.3. Controlar el proceso.4. Registrar información sobre el desarrollo del proceso.
  7. 7. ¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?INSTRUMENTOS TRANSDUCTORES Y TRANSMISORES Los transductores cumplen la función de acondicionar una señal proveniente de un proceso para indicar su valor y/o magnitud. Los transmisores realizan la misma función de los transductores, además de poder enviar la información de la variable medida mediante señales eléctricas, neumáticas, electromagnéticas, software entre otras, hacia los instrumentos controladores.
  8. 8. ¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?INSTRUMENTOS CONTROLADORES Se encuentran en lugares alejados del área del proceso y su función es comparar la magnitud de la variable que se desea controlar enviada por el transmisor con el valor que se desea de la variable (Set point). El controlador se encarga de aplicar las correcciones para mantener la señal en el valor deseado.
  9. 9. ¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Están instalados en el proceso y se encargan de modificar el comportamiento y magnitud de las variables que se desean controlar. Ejemplo las válvulas , solenoides, alarmas entre otrosELEMENTOS DE SEGURIDAD Se encargan de prevenir cualquier anormalidad en un proceso a fin de preservar la vida de los operadores y del medio ambiente.
  10. 10. MATERIA PROCESO PRODUCTOPRIMA INDUSTRIAL FINAL
  11. 11. ¿Cómo se representa un procesoindustrial? Se representa mediante un Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI) o un DPI (Diagrama de proceso e Instrumentos) o P&ID (Piping and Instrumentation Diagram). Es la base de cualquier diseño de procesos, se muestran recipientes, bombas y otros componentes de un proceso.
  12. 12. DESTILACIÓNEVAPORADOR
  13. 13. NORMAS ISA
  14. 14. NORMAS ISA
  15. 15. NORMAS ISALíneas de Instrumentación Conexión a proceso, o enlace mecánico o alimentación de instrumentos. Señal neumática Señal eléctrica Señal eléctrica (alternativo) Tubo capilar Señal sonora o electromagnética guiada (incluye calor, radio, nuclear, luz) Señal sonora o electromagnética no guiada Conexión de software o datos Conexión mecánica Señal hidráulica
  16. 16. NORMAS ISALíneas de Instrumentación PT PT-01 Señal eléctrica 01 PT PT-01 Señal Neumática 01 TIC FIC Señal de Software 01 01 PT PT-01 Señal Electromagnética 01 PT PT-01 Señal Hidráulica 01
  17. 17. NORMAS ISADesignación de instrumentos por círculos Montado localmente (En contacto con la variable) Detrás del panel (no accesible) En tablero o panel En tablero auxiliar Instrumentos para dos variables medidas o instrumentos de una variable con más de una función.
  18. 18. EJEMPLOS 1ra Letra: Representa la variable operacional con la que trabaja el instrumento. P= Presión T= Temperatura L=Nivel F= CaudalTI 2da Letra: Representa la función que ejecuta el01 instrumento. I= Indicar T= Transmitir C= Controlar R= Registrar Numeración: Identifica el lazo de control a la cual está asociado el instrumento o su ubicación en la planta. Permite diferenciar instrumentos iguales que cumplen la misma función pero conectados y localizados en distintos equipos.
  19. 19. EJEMPLOS T= Temperatura I = IndicadorTIT T= Transmisor 01 01= Nro. de Instrumento L= Nivel LIC I = Indicador 22 C= Controlador 22= Nro. de Lazo de control
  20. 20. EJEMPLOS PDT Transmisor de Presión Diferencial 01 en lazo de control nro. 1 FRC Controlador Registrador de Caudal 12 en lazo de control nro. 12 PIC Controlador Indicador de Presión 22 en lazo de control nro. 22 DT Transmisor de Densidad nro. 1 01 TIC Controlador Indicador de Temperatura 22
  21. 21. EJEMPLOS Los controladores van metidos en un PIC cuadrado para indicar que este va a una 22 sala do control o SCADA. Esto van accesible normalmente al operador – indicador - controlador- registrador
  22. 22. NORMAS ISADesignación de instrumentos de controlDigital y/o Distribuida PLC 01 Controlador Lógico Programable (PLC) PLC Sistema de Control Distribuido 22 (DCS) (Algunos autores lo consideran como un PLC) Salas de control: En estos espacios, se encuentran ubicados los controladores electrónicos (PLC y/o DCS). Generalmente se encuentran alejados del proceso industrial.
  23. 23. NORMAS ISASímbolos de válvulas Válvula Manual Válvula de Control Válvula de Alivio o Seguridad Válvula falla abierta Válvula falla cerrada Válvula aire para cerrar Válvula aire para abrir
  24. 24. SIMBOLOS ESPECIALESVALVULAS DE CONTROL
  25. 25. SIMBOLOS ESPECIALESVALVULAS DE CONTROL
  26. 26. EQUIPOS INDUSTRIALES A continuación se mencionan algunos de losprincipales equipos industriales que se encuentranpresente en la mayoría de los procesos industriales: Motobomba: Equipo conformado por la integración de un motor eléctrico que genera el movimiento para mover una bomba, succionando un líquido a baja presión para descargarlo a una presión mayor. MotoCompresor: Equipo (integrado con motor eléctrico o mecánico) que permite el movimiento de un compresor, permitiendo succionar gas a baja presión para descargarlo a una presión mayor.
  27. 27. EQUIPOS INDUSTRIALES Intercambiador de calor: Equipo que permite el contacto térmico de dos fluidos que no se mezclan en su interior, permitiendo que el fluido A pierda calor que el fluido B ganará. Separador Líquido-gas: Equipo que recibe los hidrocarburos y permite la separación entre los componentes que se mantendrán en fase líquida y los que estarán en fase gaseosa.. El separador liquido gas esta conformado por dos válvulas de control y una de seguridad
  28. 28. Intercambiador de calor
  29. 29. Separador bifásico vertical
  30. 30. Separador bifásico horizontal
  31. 31. EQUIPOS INDUSTRIALES Separador Trifásico: Equipo que recibe un producto y permite que en su interior se separen los componentes que estarán en fase gaseosa, líquida y de agua. Ejemplo: Hidrocarburo que ha pasado por un condensador. Horno Vertical: Equipo que permite calentar un producto. Dispone de tuberías internas, quemadores en donde se forma y controla la llama que genera el calor. Dispone de una línea de combustible para la llama piloto, así como de una línea de combustible donde se regula el gas que establece la temperatura de trabajo a través de una válvula de control.
  32. 32. EQUIPOS INDUSTRIALES Torre de Destilación: Recibe un producto en fase líquida y permite separar los productos pesados por el fondo y los livianos por la parte superior. Tiene en su interior un conjunto de bandejas a temperaturas específicas con componentes en fase líquida y cámaras de gas entre las bandejas permitiendo que los diferentes componentes se queden en cada etapa de las bandejas en la fase líquida o gaseosa que le corresponda. Ejemplo. Torre de destilación de petróleo.
  33. 33. TORRE DE DESTILACIÓN
  34. 34. EQUIPOS INDUSTRIALES Enfriador: Equipo que permite que en su interior circule un producto que puede ser enfriado por corrientes de aire, o de aire y agua que chocan por sus ductos. Tanques de Almacenamiento: Permiten contener materiales sólidos, líquidos y gaseosos, para ser procesados o despachados.
  35. 35. IMPORTANCIA DEL CONTROL DE NIVEL Y PRESIÓN En un proceso industrial en donde se encuentra presente la variable Nivel, se hace necesario controlarla, definiendo su magnitud para obtener los cortes de productos que se necesitan en cada instalación, mantener la calidad de los mismo, así como mantenerla controlada dentro de rangos de trabajo. Esto evita daños en los equipos que no están diseñados para recibir componentes en fase líquida como los compresores, ni al medio ambiente ni a los operadores de planta en caso de producirse derrames.
  36. 36. IMPORTANCIA DEL CONTROL DE NIVEL Y PRESIÓN En un proceso industrial en donde se encuentra presente la variable Presión, se hace necesario controlarla, definiendo su magnitud, obteniendo los cortes de productos requeridos, evitar daños a los equipos al establecer rangos de trabajo. Un equipo que no opera con rangos establecidos de presión sufrirá daños irreversibles y puede poner en riesgo a los operadores de planta y al resto del personal técnico.
  37. 37. Elementos mínimos para establecer un lazo de control La instrumentación industrial de manera general abarca dos grandes momentos:1) Medir2) Controlar Para establecer un lazo de control se necesitan al menos los siguientes componentes:1) El indicador.2) El transmisor.3) La sala de control (El controlador)4) El elemento final (El convertidor I/P y La válvula de control).
  38. 38. Introducción a los tipos de lazos de control1) Lazos de control simples Son lazos de control que atienden una sola variable operacional.2) Lazos de control en cascada En los lazos de control en cascada se combinan dos variables operacionales, una variable maestro y una variable esclava para controlar un elemento final de control. El lazo de control en cascada requiere de dos controladores (uno por cada variable operacional) que se interconectan por software y donde la salida del controlador maestro define el set point del controlador esclavo. Mientras que la salida del controlador esclavo regulará el elemento final de control en el proceso industrial.
  39. 39. Introducción a los tipos de lazos de control3) Lazo de control Feedforward (Alimentación hacia adelante) Se consideran las perturbaciones medibles de una variable externa que no se encuentran en el lazo de control de la variable controlada. Este lazo mide permanentemente a la variable externa que genera las perturbaciones en el lazo de control y se considera su valor para que en conjunto con la salida del lazo de control definen la regulación de la apertura de la válvula de control y de esta manera minimiza el tiempo de respuesta corrigiendo las perturbaciones.
  40. 40. Introducción a los tipos de lazos de control4) Control Cascada – Feedforward Tiene un lazo de control en cascada con las variables maestra y esclava asociadas en conjunto con la acción de la medición de una variable externa que perturba al proceso controlado.5) Control Override (Anulador) Se combinan dos lazos de control de dos variables operacionales totalmente independientes, mientras se mantengan en sus rangos de trabajo. En un control override una variable operacional 1 trabaja atendiendo su lazo de control independiente de la otra variable operacional 2, siempre que no alcance el valor de seguridad preestablecido por la variable operacional 2.
  41. 41. Introducción a los tipos de lazos de control5) Control Override (Anulador) Continuación… La variable operacional 1 al alcanzar el valor de seguridad de la variable operacional 2, le cede el control del proceso. Paso siguiente la variable operacional 2 trabajará hasta alcanzar su set point o restablezca el valor de la variable 2 entre sus limites de control. A partir de esta condición la variable operacional 1 retome el control atendiendo su valor preestablecido.
  42. 42. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjemplo 1.Dado el siguiente diagrama de proceso. Realice el DTIrespectivo para establecer un lazo de control de Nivel.
  43. 43. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS• Una vez realizado el DTI:1) Establezca las variables dependientes e independientes.2) Explique la función de cada uno de los elementos que sehan colocado en él.3) Tipos de señales. 4) Incluir un indicador por cada variable LI 01
  44. 44. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjemplo 2.Dado el siguiente diagrama. Automatice de la manera mássencilla y económica posible:
  45. 45. Esta es una forma de hacerlo. Si es un tanque cerradopresurizado, se puede poner un presostato o interruptorde presión.
  46. 46. ¿Y por qué no de esta manera?R= Costo de un controlador que puede serreemplazado con un económico interruptorde nivel mediante flotación. Como investigación adicional: ¿Que parámetros intervienen al momento de seleccionar una motobomba?
  47. 47. Intercambiador de calor. Ejercicio 1:  Dado el siguiente DTI, explique la función de cada elemento. Tipo de sensor de flujo y que variable puede controlar la válvula que está sin conexión. Justifique.
  48. 48. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjemplo 3.Dado el siguiente separador Líquido – Gas. Realice el DTIrespectivo para establecer: A) Un lazo de control de Nivel B)Un lazo de control de Presión.
  49. 49. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSA) Se establece el lazo de control de presión. ¿Qué tipo de sensor de presión se puede colocar si la presión que se alcanza en algunos casos es de 200 PSI? ¿PV?
  50. 50. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSB) Se establece el lazo de control de nivel. ¿Qué tipo de sensor de nivel se puede colocar si el rango de medición es de 100 cm?
  51. 51. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS1) Investigue e instrumente en el presente DTI una válvula de seguridad. ¿Que función ejecutará?2) Explique la función de cada instrumento que se ha ubicado en el DTI. Indique los dos errores presentes en él. Justifique. Explique el significado de:
  52. 52. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjemplo 4.Dado el siguiente diagrama de proceso de un horno. Realiceel DTI respectivo para establecer un lazo de control de flujodel combustible. Alimentación Material Material Calentado
  53. 53. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS1) ¿Qué elemento se muestra para medir el flujo? Indique 3 formas alternativas.2) Explique la función de cada instrumento que se ha ubicado en el DTI. ¿En base a que otra variable se puede controlar el flujo? Alimentación Material Material Calentado
  54. 54. Ejercicio 2. Dado el siguiente proceso de un horno. Realice el DTI. Coloque los símbolos adecuados de las líneas de señalización y control. Los instrumentos son:1) Válvula reguladora de flujo para control de temperatura.2) Convertidor I/P3) Indicador y controlador de temperatura perteneciente a un DCS y con salida de 4 a 20 mA.4) Transmisor de temperatura con salida de 4 a 20 mA.5) Interruptor eléctrico de alta temperatura.6) Alarma de alta temperatura perteneciente a un DCS.7) Lógica de control (PLC).
  55. 55. Separador trifásico horizontal
  56. 56. Separador trifásico vertical
  57. 57. Control de Nivel de agua en Separador Trifásico  Supongamos que se está recibiendo un producto proveniente de una torre de destilación, en la parte superior se encuentra un producto en forma gaseosa que una vez enfriado y condensado da como resultado agua y gasolina.  En el separador trifásico se retirará el producto principal, (gasolina) y el agua.  Para tal propósito se implementará un control de nivel en la interfase gasolina – agua, para que esta última pueda ser retirada.
  58. 58. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjercicio 3.Realice el DTI para un separador trifásico para establecer unlazo de control simple de gas, agua y aceite/petróleo
  59. 59. Control y protección por nivel en depurador de gas. Entre las etapas de compresión de gas en una planta compresora se hace necesario enfriar el gas caliente que sale de la descarga de una etapa de compresión antes de pasar a la succión de gas de la siguiente etapa de compresión. El proceso del enfriamiento del gas puede generar la condensación de algunos productos que son necesarios retirarlos antes de la siguiente etapa de condensación y evitar daños en un compresor de gas. Se hace necesario crear un lazo de control de nivel para retirar los líquidos condensados. Introduzca un interruptor por alto nivel.
  60. 60. Ejercicio 4.Dado el siguiente proceso, establezca un lazo de control denivel y una alarma por alto nivel Enfriador Botella de succión Compresor Botella de descarga
  61. 61. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjercicio 5. Realice el DTI necesario para establecer uncontrol override Nivel – Caudal en los siguientes procesos(Introduzca un interruptor de nivel para controlar la válvulade ingreso de material a la torre de destilación)
  62. 62. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjercicio 6. Realice el DTI necesario para establecer uncontrol override Nivel – Caudal en los siguientes procesos(Introduzca un interruptor de nivel para controlar la válvulade ingreso de material a la torre de destilación)
  63. 63. Control de una caldera ¿Qué es una caldera? Una caldera es una máquina o aparato que está diseñado para generar vapor saturado. Son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.
  64. 64. Control de una calderaEntre sus aplicaciones en la industria tenemos: Esterilización: es común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos, también en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para la elaboración de alimentos en ollas y recipientes. Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas y nucleares. Ejemplo las plantas nucleares usan calderas para generar electricidad.
  65. 65. PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOSEjercicio 7. Realice el DTI que considere necesario paramantener una presión adecuada del vapor en la salida de lacaldera. Vapor Agua Caliente Aire Humos Gas HOGAR
  66. 66. INVESTIGAR PARA PRÓXIMO ENCUENTRO: Teorema de Bernoulli (Fluidos Compresibles e incompresibles) (Medidores de presión diferencial o reductores de flujo, como la placa orificio) Número de Reynolds Principio de Arquímedes (Rotámetros)

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