Materia N°1
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Instrumentación Inteligente
La asignatura Instrumentación Inteligente es de carácter
práctica perteneciente al área de especialidad de la carrera
de Automatización y Control Industrial. Su propósito, es
entregar a los alumnos los conocimientos teóricos y
prácticos requeridos para la configuración y puesta en
marcha de instrumentos industriales con características de
procesamiento inteligente de la información, además
permite desarrollar las destrezas en lo referido al uso de la
tecnologías de la información TIC, la seguridad industrial
y el trabajo en equipo.
Instrumentación inteligente
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a
un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado
consta de dos partes principales:
• Parte de Mando.
• Parte Operativa.
UNIDAD I: Acceso a Datos en un Instrumento Inteligente
La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como motores, cilindros, compresores ..y los captadores como fotodiodos, finales de carrera.
La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada) . En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
Proceso, Instrumentos y Control en Lazo
Cerrado
Evolución de los Instrumentos
Industriales
Evolución de los Instrumentos Industriales
Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan
en señales analógicas neumáticas, electrónicas de 4-20 mA c.c y digitales, siendo estas
ultimas capaces de manejar grandes volúmenes de datos y guardarlos en unidades
históricas, las que están aumentando día a día sus aplicaciones.
Evolución de las funciones integradas en un equipo de
medición industrial.
1940 1950 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Neumática: 3-15 psi
Analógica: 4-20 mA
: Hart:Analógica más digital
Digital: Fieldbus
Transferencia de información en los sistemas
de automatización
Áreas de aplicación en la industria moderna
Centro de Control
Almacén Empaque
Mantenimiento
Recepción
Proceso Batch
Proveedores Manufactura Clientes
Ordenes de Fabricación
Entregar de forma rápida y
oportuna
Minimizar Tiempos de Ciclo
Maximizar la Eficiencia
Beneficios directos de la Automatización
¿Dónde es posible aplicar la instrumentación inteligente?
Monitoreo de Procesos
Administración de Activos
Automatización
Acceso Remoto
Detección de tomas
Monitoreo estadístico de procesos
Mantenimiento predictivo
Perfiles de Reactores
Perfiles de Columnas
Eficiencia de Intercambiadores de calor
Eficiencia de Calderas
Partida/Parada de Motor
On/Off Bombas
Válvulas On/Off
PID Simples
Estanques
Pozos
Zonas de Carga
Plantas de Efluentes
Avances en el procesamiento de la información
- Sólo una Magnitud.
Diagnóstico del Transductor
Entrada analógica
Caracterización de señales
Selectores de entrada de señal
P I D
Control
PID
Integradores
Ƒ=[(a+b)± z÷y]
Bloques Aritméticos
Capacidad de Procesamiento de la instrumentación inteligente
Bloques de función de un instrumento inteligente Los bloques de funciones se encuentran en un dispositivo a Nivel de usuario (Capa usuario) - Dedicada basada en bloques que representan las diferentes funciones de aplicación. Los bloques son: • Bloque de recursos o RB (Resource Block): características del dispositivo, fabricante, modelo y número de serie. • Bloque de Transductor o TB (Transducer Block): tipo de sensor, fecha de calibración, estado del sensor, etc • Bloques de Función o FB (Function Block): con las estrategias de control del sistema (entrada analógica, control PID, alarmas, ratio, selector de control, etc.) y gestión de alarmas, históricos y parámetros, a acceder a nivel de las estaciones de operación.
Evolución y Escalabilidad de los Sistemas
Sistema Independiente Sistemas pequeños, locales, que
posteriormente pueden
combinarse en sistemas a nivel de
toda la planta.
Distribuido Sistemas para áreas de gran
tamaño
Integración de la planta o con
una sola arquitectura
QUA LI TY
Allen-Bradley PanelView
Sistema local pequeño Sistemas distribuidos de gran tamaño
Sistema Centralizado Sistemas medianos, locales, que
posteriormente pueden
combinarse en sistemas a nivel
de toda la empresa.
Niveles jerárquicos en una red industrial
… conexión directa y control en tiempo real
de dispositivos a controladores
… conectar la HMI a
controladores y dispositivos
… proveer enclavamientos
en tiempo real controlador-a-controlador
…conectar sistemas de negocios
al sistema de control
… ganar acceso remoto
sobre la red corporativa en Internet
… distribuir o incrementar la cantidad
de I/O para control en tiempo real
…proveer mensajería
entre controladores
… programar, configurar, y
monitorear el sistema
Controlador
Central
Adquisición de datos y alarmas
a nivel de Controlador
Red de Comunicación
Sistema de entradas y salidas
Distribuidas
Bus de Campo
Descentralización de Funciones y Tareas
Módulos y funciones
integradas
Funciones de Control
Asignadas al Instrumento
de campo
Proceso
Requerimientos de Integración
• Configuración de Históricos
• Comparación de configuraciones
• Auditoria de la instrumentación
• Monitor de alarmas
• Rutinas de calibración
Administración de Instrumentos de
campo
Sistema sin capacidades I/O
Digitales
Ethernet
Protocolos Estándar
Bus de Campo Industrial
Datos de Proceso
y Status
Mantenimiento: Antes de su aparición, la calibración y el cambio del margen de medida
debían realizarse normalmente en el taller de instrumentación, lo que
equivalía a disponer de aparatos de repuestos para continuar trabajando
con el proceso, siendo inevitable la marcha a ciegas durante el tiempo requerido para el cambio mecánico del instrumento. Por ejemplo, la
calibración de un instrumento de nivel típico requiere el vaciado del
estanque, el desmontaje del aparato y su calibración en el taller de
instrumentos. Además, si se precisa que el proceso continúe en
funcionamiento, es necesario montar una brida ciega en la brida del
transmisor de nivel para poder llenar el estanque y continuar las operaciones de fabricación.
• La información recibida desde el campo permite generar rutinas de control preventivo.
• Es posible mantener una base de conocimiento.
• Aumenta la disponibilidad de los equipos.
• Disminuye los tiempos muertos por ruptura de equipos.
Administración del Mantenimiento Evento:
Instrumento PT-10-3A indica medición
fuera de rango
Recomendaciones:
Las líneas de impulsión pueden contener
presión. Despresurizar antes de
desconectar.
Procedimiento:
Remover partículas desde la línea de
medición.Verificar Sensibilidad y Damping
configurado en el transmisor. Recordar que
debe ser igual o superior a 3 veces el
retardo característico del proceso.
Base de Datos
Calibración directa y digital, manual y automática de los
instrumentos de una planta.
Calibración directa
Calibración manual
Calibración digital manual
Calibración digital automática
Optimización de la respuesta de
los lazos de control.
Ventajas asociadas :
• Aumento en la calidad de
los productos terminados.
• Optimización en el consumo
de materias primas.
• Reducción de la variabilidad
de los procesos.
• Disminución de fallas y
desgaste en equipos
sometidos a variaciones
extremas.
Sistemas Wireless en aplicaciones no críticas
Software de Administración de la
instrumentación de Campo
Capacidades de Comunicación con otros
sistemas de Control y Adquisición de
datos.
Plataformas de supervisión y control conectadas en línea con el proceso
Transmisor de campo con capacidades de
autodiagnóstico y transmisión constante
de los datos de la variable bajo medición.
Conectividad remota a los
Sistemas de Automatización
• Permite Integrar instalaciones remotas a la Arquitectura de Automatización y Control.
• Optimiza la Administración de Activos en las instalaciones remotas.
• Ahorro de costos por disminución de viaje.
• Reduce exposición a riesgos al personal de mantención.
Estructura desarrollada para el estudio de los sistemas integrados
de automatización incorporando instrumentación inteligente
TRANSMISORES DIGITALES
Cuando apareció la señal digital aplicable a los transmisores, mejoró notablemente la exactitud
conseguida en la medida. La señal de proceso es muestreada a una frecuencia mayor que el
doble del de la señal (teorema de muestreo de Nyquist-Shannon) y de este modo, la señal
digital obtenida consiste en una serie de impulsos en forma de bits.
Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código
binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal
a través de un conductor. Si la señal digital que maneja
el microprocesador del transmisor es de 8 bits entonces puede enviar 8 señales binarias (0 y 1)
simultáneamente. Como el mayor número binario de 8
cifras es: 11111111= 1x20+1x21+1x22+1x23+……..+1x27 = 255 ; se
sigue que la exactitud obtenida con el transmisor
debida exclusivamente a la señal digital es de : (1/255)
x 100 = +/- 0,4%
Ejemplo: Si la señal es de 16 bits entonces puede manejar 16 señales binarias. ¿Cuál es el mayor
número binario de 16 cifras?¿cuál es su exactitud?
Comunicador portátil: Para visualizar la señal de salida, los
datos de configuración, el margen de funcionamiento y otros
parámetros, y cambiar los ajustes del campo de medida se utiliza
un comunicador portátil, que se conecta en cualquier punto de la
línea de transmisión, permite comprobar desde el propio
transmisor o bien desde el controlador, o desde cualquier punto de
la línea de conexión, el estado y calibración del transmisor, así no
es necesario el desmontaje del instrumento para su calibración en
laboratorios.
Computador o notebook personal (PC) (en
siemens llamado PG). El transmisor o varios transmisores, pueden conectarse, a través de una
conexión RS-232, a un computador que con el
software adecuado es capaz de configurar
transmisores inteligentes. (field care de E+H)
Otras ventajas. Si el transmisor
inteligente, en lugar de incorporar dos
hilos de señal analógica (4-20mA),
incorpora comunicaciones Profibus y
Foundation Fieldbus, emplea sólo un hilo
de transmisión de las señales digitales y el
costo de mantenimiento es más reducido.
Veamos un ejemplo con un equipo inteligente HART.
Este es un equipo con salida analógica de 4-20mA con tecnología integrada digital
para conexión a protocolo HART de Endress Hauser.
En este ejemplo la misma aplicación para entrar a los parámetros del
equipo pero desde una conexión con software para PC de lectura HART.
En algunos casos también está la posibilidad de tener un indicador local de
campo para visualizar algunas funciones, parámetros y variables.
Algunos de los fabricantes que suministran instrumentos digitales
que cumplen el estándar (Fieldbus, Profibus o hart) son:
• ABB, Dresser Valve Division
• Endress + Hauser, Fieldbus Inc.
• Fisher Controls Interna onal, Inc,
• Fisher-Rosemount Systems
• Foxboro (and Foxboro-Eckardt),
• Honeywell
• Micro Motion Inc.,
• Rosemount Inc.,
• Yokogawa Electric Corporation,
• SAMSON AG
• NaTional Instruments
• Yamatake Corporation.
Fabricantes de Instrumentos Inteligentes
Y entre los mismos se encuentran:
• Medidor de caudal másico
• Transmisor de presión.
• Transmisor de conductividad
• Transmisor de pH, ORP, etc.
• Transmisor de temperatura.
• Medidor de caudal electromagnético.
• Posicionador de válvula de control.
• Transmisor de presión diferencial. Transmisor de nivel por radar.
• Medidor de caudal ultrasónico.
• Transmisor de presión absoluta.
• Analizador de oxígeno.
• Cromatógrafo.
Ejercicios: De acuerdo a los instrumentos mostrados en la figura, mencione el protocolo de comunicación que dispone cada instrumento y describa la función que cumple cada uno de estos.
Marca: Fisher Modelo:DVC6200p Marca : FOXBORO
Modelo: CFT50
Marca:Endress+Hauser Modelo: Micropilot FMR51
Marca:Rosemount Modelo: 3051.
Marca: Yokogawa Modelo: YTA320
Marca: Siemens Modelo: SITRANS F M MAG 5000