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Tendencias Instrumentación
Impacto en la Ingeniería
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Instrumentación y Control
• Todo lo que se fabrica o se gestiona requiere control
• No puede existir el control sin la instrumentación asociada
• El tipo de control y su instrumentación dependen del ámbito en que se aplican
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Instrumentación y control
• Instrumentación: Mide e informa del proceso al control
• Control: Analiza, compara con los objetivos asignados y toma decisiones
• Elemento final de control: Recibe las ordenes del Control y las ejecuta
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Instrumentación y control
Ámbito de aplicación de la conferenciaPlantas de proceso
Procesos continuosProcesos por lotes (Batch)
Tipos de industria: Refino, Petroquímica, Química, Farmacéutica, Alimentación, Energía, Papel, Cemento, Siderurgia
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Instrumentación y control
• Componentes del lazo típico:• Instrumento medidor-transmisor(instalado
en el proceso)• Módulo o elemento de control (instalado
en sala de control o panel)• Elemento final de control (instalado en
proceso)• Soporte físico y procedimiento para envío
de la información entre estos elementos
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Evolución y tendencias
• Instrumentos medidores-transmisoresSu tecnología depende de la variable a medirConstan siempre de:• Elemento sensible o sensor: Reacciona ante los
cambios de la variable y proporciona una señal (normalmente eléctrica)
• Elemento transmisor: Acondiciona la señal del sensor y la convierte en señal estándar
• Ambos suelen constituir una sola unidad física
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Variables de proceso básicas
• Temperatura (T)• Presión (P)• Caudal (F)• Nivel (L)
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Variables de proceso específicas
• Analíticas (pH, O2, Composición, etc.)• Propiedades físicas: Viscosidad,
Densidad, Peso, Conductividad, Opacidad, etc.)
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Tecnología de sensores
• Cada tipo de sensor es específico de la variable medida
• Los principios de medida han evolucionado poco, salvo en los casos que pueden verse potenciados por el tratamiento de la señal (Ejemplo radar)
• Se va avanzando en nuevos sensores analíticos
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Sensores
• La mayor variedad de técnicas de medida está en los casos de caudal y nivel
• Se miden caudales volumétricos y alturas de nivel a pesar de que no son esas las medidas que interesan. Las nuevas técnicas de uso de microprocesador asociado al transmisor superan estas limitaciones
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Transmisores
• La tecnología está ligada al tipo de soporte de la señal
Es esencial que la señal sea normalizada para permitir la interoperabilidad entre equipos y fabricantes diferentes
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Señales normalizadas
• Analógicas (Transmisión continua de la información en tiempo real):
• Neumática: 0.2 – 1.0 bar• Eléctrica : 4 – 20 mA 24 v cc
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Señales neumáticas
• Cualidades:• No peligrosa en áreas clasificadas• Simple, intuitiva• Compatibilidad total entre equipos• Compatibilidad con los actuadores de la
mayoría de la válvulas de control
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Señales neumáticas
• Limitaciones:• Se degrada con largas distancias• Solo transmite un valor• Incompatible con SCD• Prácticamente limitada a lazos locales
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Señales analógicas 4 – 20 mA
• Cualidades:• Simple, intuitiva• Compatibilidad prácticamente total entre
equipos y con sistemas SCD y PLC• Amplio desarrollo en todos los fabricantes• Pueden usar el concepto de S.I.• Apta para largas distancias
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Señales analógicas 4 – 20 mA
• Limitaciones:• Se degrada con muy largas distancias• Solo transmite un valor (el de la variable
de proceso)
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Señales de transmisión híbridas
• Es la señal analógica 4-20 mA a la que se superpone una señal digital para funciones e información auxiliares
• El protocolo de comunicación digital más difundido es el HARTActualmente se usa masivamente.
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Transmisores “inteligentes”• Son los dotados de microprocesador y suelen incorporar
las funciones del protocolo HART(actualmente se estima que existen en el mundo unos 25 millones de dispositivos con protocolo HART)
• Proporcionan:• Mayor precisión (caracterización del sensor,
correcciones por presión y temperatura, etc.)• Menor costo de mantenimiento• Se pueden ajustar los rangos y la configuración a
distancia• Autodiagnosis• Actualmente su uso es masivo
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Bloques funcionales transmisor
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de bornas Regletero
SALA DE CONTROL Sistema de
control InstrumentoCaja de conexiones
CAMPO
MulticableCables individuales
Prensaestopas
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Prestaciones funcionales
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¿Necesitamos tanta precisión?
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Velocidad de respuesta
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Aspecto exterior
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Vista en despiece
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Comunicación con Control
• En paneles locales todavía se usan controladores dedicados por lazo que manejan directamente las señales analógicas
• En SCD se requiere digitalizar las señales, procesarlas digitalmente aplicando los algoritmos de control y el valor resultante pasarlo a analógico para su envío a la válvula de control
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Comunicación digital
• Comunicación entre todos los elementos del lazo totalmente digital
• Se han desarrollado múltiples protocolos de comunicación con diferentes características, velocidades de transmisión, propiedades funcionales y topologías de redes
• Pueden transmitir señales binarias y continuas
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Buses de campo
• Las redes de comunicación (buses) actualmente consolidados para el control de proceso son:
• Profibus (DP y PA)• Fieldbus Foundation• Las señales digitales usan como soporte
físico cables de cobre tipo coaxial o cables de fibra óptica)
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2
31
54
1. Elemento central.2. Tubo holgado.3. Fibras ópticas.4. Compuesto hidrófugo.5. Envoltura del alma.
3
2
3
1
4
5
6
1. Núcleo del cable (ver estructura Fig.1).2. Fleje de aluminio. 3. Cubierta interna (1).4. Cubierta interna (2).5. Armadura.6. Cubierta exterior.
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Standares Regulatorios:ANSI/ISA 50.02 IEC 61158 CENELEC EN50170:1996/A1
HSE (High-speed Ethernet) 100 Mbit/sec
H1 31.25 Kbit/sec
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Transmisión digital
• Ventajas• Los transmisores pueden ser multivariables y
enviar y recibir más información• Se disminuye el cableado• Muy eficaz con señales binarias facilitando la
descentralización• La distancia de transmisión es mayor• Los elementos de campos pueden alojar los
algoritmos de control descargando al SCD.
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Transmisión digital
• Ventajas (Continuación)• Las señales no requieren conversores
analógico/digitales y viceversa disminuyendo el equipamiento de salas de control
• Amplia la posibilidad de uso de información para mantenimiento y sistemas de gestión de la producción
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Transmisión digital
Desventajas• Envío y recepción de la información de
modo secuencial (no en tiempo real). En algunos casos puede significar limitaciones
• Poco intuitiva. Se pierde visibilidad de lo que ocurre cuando hay problemas
• Complejidad y limitaciones de las topologías de los buses
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Transmisión digital
Desventajas (Continuación)• Diferencias apreciables entre tecnologías lo que
afecta a la interoperabilidad entre diferentes fabricantes
• Coexistencia de múltiples niveles de redes aumentando la complejidad de las aplicaciones
• Tendencia a sobre explotar las posibilidades en detrimento de las funciones básicas
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Posicionadores inteligentes
• Los posicionadores inteligentes hacen de todo.
• En ocasiones incluso “posicionan”• Y no olvidemos los variadores de
velocidad
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Tendencias
• Convergencia de tecnologías de las redes hacia estándares universales
• Aumento progresivo de velocidad de transmisión, fiabilidad y prestaciones
• Aprovechamiento del progreso tecnológico de la microinformática
• Uso actual: Amplio uso en señales binarias. Limitado en señales de lazos de control, pero en uso creciente
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Transmisión “wireless”
Ventajas• Evita totalmente el cableado simplificando
las instalaciones y su mantenimiento• Posibilidad de uso en lugares remotos o
peligrosos• Posibilidad de instalar y usar
inmediatamente
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Transmisión “wireless”
Desventajas• Requiere baterías (No obstante se logran
duraciones de hasta 4 años)• Posibilidad de interferencias radioeléctricas• Saturación de frecuencias• Pérdida absoluta del sentido físico de la
transmisión• Falta de estandarización suficiente (en pleno
desarrollo a través del Comité ISA SP 100)
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Transmisión “wireless”
• Uso limitado actualmente pero en plena expansión
• No se usa en aplicaciones críticas ni en lazos de control rápidos
• Se maximiza la duración de la batería programando el envío cíclico de la información (válido por ejemplo para temperatura)
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Ejemplos de equipos
• Transmisor de temperatura wireless
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Ejemplos de equipos
• Transmisor de presión wireless
• Actualmente los transmisores pueden estar dotados de protocolo HART
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Sistemas de seguridad
• Procesan las señales de enclavamientos de seguridad
• Los equipos son PLCs redundantes de alta fiabildad
• Existe nueva normativa para el diseño conceptual y físico de los sistemas, todavía no exigibles por ley en España
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SIS
• Estos sistemas SIS (Sistemas Instrumentados de Seguridad) tienen las siguientes fases principales:
• - Análisis de riesgos (Ejemplo HAZOP)• Diseño conceptual• Determinación de nivel de integridad (SIL)• Diseño de detalle e implementación
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Criterios diseños SIS• Todas las señales se cablean físicamente (no se
admiten comunicaciones mediante buses digitales ni wirelees)
• Se suelen duplicar o triplicar los elementos iniciadores y elementos finales usando lógicas tipo 2 de 3 (se trata de evitar también paradas innecesarias por fallo de instrumentos)
• Los cálculos de verificación del SIL son complejos y deben estar apoyados en datos estadísticos reales con certificados de los fabricantes
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Ingeniería de Instrumentación
Primera fase
• Definir instrumentos, equipos auxiliares y sistemas de control para poder adquirirlos
• Esto significa definir con todos los detalles físicos y funcionales miles de equipos en una planta de proceso media
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Ingeniería de Instrumentación
Segunda faseElaborar toda la documentación necesaria
para:- Programar todos los equipos con
componentes informáticos- Estructurar (configurar) todos los equipos
configurables- Realizar las programaciones
correspondientes
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Ingeniería de Instrumentación
Segunda fase (Continuación)Elaborar toda la documentación necesaria
para:Instalar todos los equipos y conectarlosRealizar las pruebas funcionalesFacilitar el mantenimiento posterior
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Ingeniería de Instrumentación
Para optimizar estas actividades se usan masivamente:
- Procedimientos estandarizados- Especificaciones y normas- Apoyo de programas de Ingeniería
especializados- Bases de datos potentes
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Ingeniería de Instrumentación
En sistema avanzados están conectados los programas de las disciplinas relacionadas tales como Procesos (Diagramas P&I y Datos de Proceso) y de Diseño de tuberías
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El documento clave de trabajo es el Diagrama P&I de donde se extrae la información de los instrumentos, lazos de control, servicio, etc.
Con estos datos se inicia la lista de instrumentos
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Definición de instrumentos de campo y válvulas de control:
Uso de los formatos de Hojas de Datos
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Listas típicas:Indice o lista de InstrumentosLista de señalesListas de lazos de controlListas de cables y materialesNormalmente se suelen pasar las listas a
formatos Excel para facilitar el intercambio de información
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Un proyecto medio exige miles de horas de ingeniería de instrumentación (de 10.000 a 50.000)