Prof. Luis Zurita

IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Un proceso industrial transforma, semielabora,elabora las materias primas que sirven de entrada alproceso y lo convierte en productos acabados osemiacabados 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 lasmagnitudes de las variables operacionales y/otransmitir esta información hasta los controladores(sala de control o scada).

A su vez existen elementos finales de control, que seencargarán de regular y controlar las variablesoperacionales que se están midiendo y del procesoindustrial en estudio.

PROCESOINDUSTRIAL

¿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.

¿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.

¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?

INSTRUMENTOS:

Dispositivos que toman una variable física de un procesoy pueden:

1. Indicar su valor o magnitud.

2. Transmitir su información a otro instrumento o a unasala de control.

3. Controlar el proceso.

4. Registrar información sobre el desarrollo del proceso.

¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?INSTRUMENTOS TRANSDUCTORES Y TRANSMISORES

Los transductores cumplen la función deacondicionar una señal proveniente de un procesopara indicar su valor y/o magnitud.

Los transmisores realizan la misma función delos transductores, además de poder enviar lainformación de la variable medida medianteseñales eléctricas, neumáticas, electromagnéticas,software entre otras, hacia los instrumentoscontroladores.

¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?INSTRUMENTOS CONTROLADORES

Se encuentran en lugares alejados del área delproceso y su función es comparar la magnitud de lavariable que se desea controlar enviada por eltransmisor con el valor que se desea de la variable(Set point).

El controlador se encarga de aplicar lascorrecciones para mantener la señal en el valordeseado.

¿QUÉ HAY EN LA NUBE ANTERIOR?ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Están instalados en el proceso y se encargan demodificar el comportamiento y magnitud de lasvariables que se desean controlar. Ejemplo lasválvulas , solenoides, alarmas entre otros

ELEMENTOS DE SEGURIDADSe encargan de prevenir cualquier

anormalidad en un proceso a fin de preservar lavida de los operadores y del medio ambiente.

PROCESOINDUSTRIAL

MATERIAPRIMA

PRODUCTOFINAL

¿Cómo se representa un procesoindustrial? Se representa mediante un Diagrama de Tuberías e

Instrumentación (DTI) o un DPI (Diagrama deproceso e Instrumentos) o P&ID (Piping andInstrumentation Diagram).

Es la base de cualquier diseño de procesos, semuestran recipientes, bombas y otroscomponentes de un proceso.

EVAPORADOR

DESTILACIÓN

NORMAS ISA

NORMAS ISA

Líneas de InstrumentaciónNORMAS ISA

Conexión a proceso, o enlace mecánico oalimentación 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

Líneas de InstrumentaciónNORMAS ISA

PT

01PT-01 Señal eléctrica

PT

01PT-01 Señal Neumática

FIC

01

Señal de Software

PT

01Señal Electromagnética

PT

01PT-01 Señal Hidráulica

PT-01

TIC

01

Designación de instrumentos por círculosNORMAS ISA

Montado localmente (En contactocon la variable)

Detrás del panel (no accesible)

En tablero o panel

En tablero auxiliar

Instrumentos para dos variablesmedidas o instrumentos de unavariable con más de una función.

EJEMPLOS

T I

01

1ra Letra: Representa la variable operacional con la que

trabaja el instrumento.P= PresiónT= TemperaturaL=NivelF= Caudal

2da Letra: Representa la función que ejecuta el

instrumento.I= IndicarT= TransmitirC= ControlarR= Registrar

Numeración: Identifica el lazo de control a la cual estáasociado el instrumento o su ubicación en la planta.Permite diferenciar instrumentos iguales que cumplen lamisma función pero conectados y localizados en distintosequipos.

EJEMPLOS

T I T

01

T= TemperaturaI = IndicadorT= Transmisor

01= Nro. de Instrumento

L= NivelI = IndicadorC= Controlador

22= Nro. de Lazo de control

LIC

22

EJEMPLOS

PDT

01Transmisor de Presión Diferencialen lazo de control nro. 1

FRC

12

Controlador Registrador de Caudalen lazo de control nro. 12

PIC

22

Controlador Indicador de Presiónen lazo de control nro. 22

DT

01Transmisor de Densidad nro. 1

TIC

22

Controlador Indicador de Temperatura

PIC

22

Los controladores van metidos en uncuadrado para indicar que este va a unasala do control o SCADA.Esto van accesible normalmente aloperador – indicador - controlador-registrador

EJEMPLOS

PLC

22

01

PLC

Designación de instrumentos de controlDigital y/o Distribuida

NORMAS ISA

Controlador Lógico Programable(PLC)

Sistema de Control Distribuido(DCS) (Algunos autores loconsideran como un PLC)

Salas de control: En estos espacios, se encuentranubicados los controladores electrónicos (PLC y/o DCS).Generalmente se encuentran alejados del procesoindustrial.

Símbolos de válvulasNORMAS ISA

Válvula Manual

Válvula de Control

Válvula de Alivio o Seguridad

Válvula falla abierta

Válvula aire para cerrar

Válvula falla cerrada

Válvula aire para abrir

SIMBOLOS ESPECIALESVALVULAS DE CONTROL

SIMBOLOS ESPECIALESVALVULAS DE CONTROL

A continuación se mencionan algunos de losprincipales equipos industriales que se encuentranpresente en la mayoría de los procesos industriales:

EQUIPOS INDUSTRIALES

Motobomba: Equipo conformado por laintegración de un motor eléctrico quegenera el movimiento para mover unabomba, succionando un líquido a bajapresión para descargarlo a una presiónmayor.

MotoCompresor: Equipo (integradocon motor eléctrico o mecánico) quepermite el movimiento de un compresor,permitiendo succionar gas a baja presiónpara descargarlo a una presión mayor.

EQUIPOS INDUSTRIALES

Intercambiador de calor: Equipo quepermite el contacto térmico de dosfluidos que no se mezclan en su interior,permitiendo que el fluido A pierda calorque el fluido B ganará.

Separador Líquido-gas: Equipo querecibe los hidrocarburos y permite laseparación entre los componentes que semantendrán en fase líquida y los queestarán en fase gaseosa.. El separadorliquido gas esta conformado por dosválvulas de control y una de seguridad

Intercambiador de calor

Separador bifásico vertical

Separador bifásico horizontal

EQUIPOS INDUSTRIALES

Separador Trifásico: Equipo que recibeun producto y permite que en su interiorse separen los componentes que estaránen fase gaseosa, líquida y de agua.Ejemplo: Hidrocarburo que ha pasadopor un condensador.

Horno Vertical: Equipo que permitecalentar un producto. Dispone detuberías internas, quemadores en dondese forma y controla la llama que genera elcalor. Dispone de una línea decombustible para la llama piloto, asícomo de una línea de combustible dondese regula el gas que establece latemperatura de trabajo a través de unaválvula de control.

EQUIPOS INDUSTRIALES

Torre de Destilación: Recibe unproducto en fase líquida y permiteseparar los productos pesados por elfondo y los livianos por la parte superior.Tiene en su interior un conjunto debandejas a temperaturas específicas concomponentes en fase líquida y cámarasde gas entre las bandejas permitiendoque los diferentes componentes sequeden en cada etapa de las bandejas enla fase líquida o gaseosa que lecorresponda. Ejemplo. Torre dedestilación de petróleo.

TORRE DE DESTILACIÓN

EQUIPOS INDUSTRIALES

Enfriador: Equipo que permite que ensu interior circule un producto quepuede ser enfriado por corrientes de aire,o de aire y agua que chocan por susductos.

Tanques de Almacenamiento:Permiten contener materiales sólidos,líquidos y gaseosos, para ser procesadoso despachados.

IMPORTANCIA DEL CONTROL DE NIVEL Y PRESIÓN

En un proceso industrial en donde se encuentrapresente la variable Nivel, se hace necesariocontrolarla, definiendo su magnitud para obtener loscortes de productos que se necesitan en cadainstalación, mantener la calidad de los mismo, asícomo mantenerla controlada dentro de rangos detrabajo.

Esto evita daños en los equipos que no estándiseñados para recibir componentes en fase líquidacomo los compresores, ni al medio ambiente ni a losoperadores de planta en caso de producirse derrames.

IMPORTANCIA DEL CONTROL DE NIVEL Y PRESIÓN

En un proceso industrial en donde se encuentrapresente la variable Presión, se hace necesariocontrolarla, definiendo su magnitud, obteniendo loscortes de productos requeridos, evitar daños a losequipos al establecer rangos de trabajo.

Un equipo que no opera con rangos establecidos depresión sufrirá daños irreversibles y puede poner enriesgo a los operadores de planta y al resto del personaltécnico.

La instrumentación industrial de manera generalabarca dos grandes momentos:

1) Medir

2) Controlar

Para establecer un lazo de control se necesitan almenos 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 decontrol).

Elementos mínimos para establecer un lazo de control

Introducción a los tipos de lazos de control

1) Lazos de control simples

Son lazos de control que atienden una sola variableoperacional.

2) Lazos de control en cascada

En los lazos de control en cascada se combinan dosvariables operacionales, una variable maestro y unavariable esclava para controlar un elemento final decontrol. El lazo de control en cascada requiere de doscontroladores (uno por cada variable operacional)que se interconectan por software y donde la salidadel controlador maestro define el set point delcontrolador esclavo. Mientras que la salida delcontrolador esclavo regulará el elemento final decontrol en el proceso industrial.

3) Lazo de control Feedforward (Alimentaciónhacia adelante)

Se consideran las perturbaciones medibles de unavariable externa que no se encuentran en el lazo decontrol de la variable controlada. Este lazo midepermanentemente a la variable externa que generalas perturbaciones en el lazo de control y seconsidera su valor para que en conjunto con la salidadel lazo de control definen la regulación de laapertura de la válvula de control y de esta maneraminimiza el tiempo de respuesta corrigiendo lasperturbaciones.

Introducción a los tipos de lazos de control

4) Control Cascada – Feedforward

Tiene un lazo de control en cascada con las variablesmaestra y esclava asociadas en conjunto con la acción dela medición de una variable externa que perturba alproceso controlado.

5) Control Override (Anulador)

Se combinan dos lazos de control de dos variablesoperacionales totalmente independientes, mientras semantengan en sus rangos de trabajo.

En un control override una variable operacional 1 trabajaatendiendo su lazo de control independiente de la otravariable operacional 2, siempre que no alcance el valor deseguridad preestablecido por la variable operacional 2.

Introducción a los tipos de lazos de control

5) Control Override (Anulador) Continuación…

La variable operacional 1 al alcanzar el valor deseguridad de la variable operacional 2, le cede elcontrol del proceso. Paso siguiente la variableoperacional 2 trabajará hasta alcanzar su set point orestablezca el valor de la variable 2 entre sus limitesde control. A partir de esta condición la variableoperacional 1 retome el control atendiendo su valorpreestablecido.

Introducción a los tipos de lazos de control

Ejemplo 1.Dado el siguiente diagrama de proceso. Realice el DTIrespectivo para establecer un lazo de control de Nivel.

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.

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

4) Incluir unindicador porcada variable

LI01

Ejemplo 2.Dado el siguiente diagrama. Automatice de la manera mássencilla y económica posible:

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

Esta es una forma de hacerlo. Si es un tanque cerradopresurizado, se puede poner un presostato o interruptorde presión.

¿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 almomento de seleccionar unamotobomba?

Intercambiador de calor. Ejercicio 1:

Dado el siguiente DTI, explique la función de cadaelemento. Tipo de sensor de flujo y que variable puedecontrolar la válvula que está sin conexión. Justifique.

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.

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

A) Se establece el lazo de control de presión.¿Qué tipo de sensor de presión se puede colocar si lapresión que se alcanza en algunos casos es de 200 PSI?

¿PV?

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

B) Se establece el lazo de control de nivel.¿Qué tipo de sensor de nivel se puede colocar si el rangode medición es de 100 cm?

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

1) Investigue e instrumente en el presente DTI una válvula deseguridad. ¿Que función ejecutará?

2) Explique la función de cada instrumento que se ha ubicado en elDTI. Indique los dos errores presentes en él. Justifique.

Explique elsignificado de:

Ejemplo 4.Dado el siguiente diagrama de proceso de un horno. Realiceel DTI respectivo para establecer un lazo de control de flujodel combustible.

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

AlimentaciónMaterial

MaterialCalentado

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

MaterialCalentado

AlimentaciónMaterial

1) ¿Qué elemento se muestra para medir el flujo? Indique 3 formasalternativas.

2) Explique la función de cada instrumento que se ha ubicado en elDTI. ¿En base a que otra variable se puede controlar el flujo?

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/P

3) Indicador y controlador de temperatura perteneciente a un DCS y con salidade 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).

Separador trifásico horizontal

Separador trifásico vertical

Control de Nivel de agua en Separador Trifásico

Supongamos que se está recibiendo un productoproveniente de una torre de destilación, en la partesuperior se encuentra un producto en forma gaseosaque una vez enfriado y condensado da como resultadoagua y gasolina.

En el separador trifásico se retirará el productoprincipal, (gasolina) y el agua.

Para tal propósito se implementará un control de nivelen la interfase gasolina – agua, para que esta últimapueda ser retirada.

Ejercicio 3.Realice el DTI para un separador trifásico para establecer unlazo de control simple de gas, agua y aceite/petróleo

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

Control y protección por nivel en depurador de gas.

Entre las etapas de compresión de gas en una plantacompresora se hace necesario enfriar el gas calienteque sale de la descarga de una etapa de compresiónantes de pasar a la succión de gas de la siguiente etapade compresión.

El proceso del enfriamiento del gas puede generar lacondensación de algunos productos que sonnecesarios retirarlos antes de la siguiente etapa decondensación y evitar daños en un compresor de gas.

Se hace necesario crear un lazo de control de nivel pararetirar los líquidos condensados. Introduzca uninterruptor por alto nivel.

Ejercicio 4.Dado el siguiente proceso, establezca un lazo de control denivel y una alarma por alto nivel

Botella desucción

Botella dedescarga

Compresor

Enfriador

Ejercicio 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)

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

Ejercicio 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)

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

Control de una caldera

¿Qué es una caldera? Una caldera es una máquina o aparato que está

diseñado para generar vapor saturado. Son recipientesa presión, por lo cual son construidas en parte conacero laminado a semejanza de muchos contenedoresde gas.

Éste vapor se genera a través de una transferencia decalor a presión constante, en la cual el fluido,originalmente en estado líquido, se calienta y cambiade estado.

Entre sus aplicaciones en la industria tenemos: Esterilización: es común encontrar calderas en los

hospitales, las cuales generan vapor para esterilizarlos instrumentos médicos, también en loscomedores con capacidad industrial se generavapor para esterilizar los cubiertos, así como parala elaboración de alimentos en ollas y recipientes.

Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industriapetrolera se calienta a los petróleos pesados paramejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.

Generar electricidad a través de un ciclo Rankine.Las calderas son parte fundamental de lascentrales termoeléctricas y nucleares. Ejemplo lasplantas nucleares usan calderas para generarelectricidad.

Control de una caldera

Humos

HOGAR

Vapor

Aire

Gas

AguaCaliente

Ejercicio 7. Realice el DTI que considere necesario paramantener una presión adecuada del vapor en la salida de lacaldera.

PROCESOS INDUSTRIALES. ESTUDIO DE CASOS

INVESTIGAR PARA PRÓXIMO ENCUENTRO:

Teorema de Bernoulli (Fluidos Compresibles eincompresibles) (Medidores de presión diferencial oreductores de flujo, como la placa orificio)

Número de Reynolds

Principio de Arquímedes (Rotámetros)