tendencias instrumentación

Tendencias Instrumentación

Impacto en la Ingeniería

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

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

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

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

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

Variables de proceso básicas

• Temperatura (T)• Presión (P)• Caudal (F)• Nivel (L)

Variables de proceso específicas

• Analíticas (pH, O2, Composición, etc.)• Propiedades físicas: Viscosidad,

Densidad, Peso, Conductividad, Opacidad, etc.)

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

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

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

Señales normalizadas

• Analógicas (Transmisión continua de la información en tiempo real):

• Neumática: 0.2 – 1.0 bar• Eléctrica : 4 – 20 mA 24 v cc

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

Señales neumáticas

• Limitaciones:• Se degrada con largas distancias• Solo transmite un valor• Incompatible con SCD• Prácticamente limitada a lazos locales

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

Señales analógicas 4 – 20 mA

• Limitaciones:• Se degrada con muy largas distancias• Solo transmite un valor (el de la variable

de proceso)

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.

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

Bloques funcionales transmisor

de bornas Regletero

SALA DE CONTROL Sistema de

control InstrumentoCaja de conexiones

CAMPO

MulticableCables individuales

Prensaestopas

Prestaciones funcionales

¿Necesitamos tanta precisión?

Velocidad de respuesta

Aspecto exterior

Vista en despiece

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

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

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)

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.

Standares Regulatorios:ANSI/ISA 50.02 IEC 61158 CENELEC EN50170:1996/A1

HSE (High-speed Ethernet) 100 Mbit/sec

H1 31.25 Kbit/sec

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.

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

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

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

Posicionadores inteligentes

• Los posicionadores inteligentes hacen de todo.

• En ocasiones incluso “posicionan”• Y no olvidemos los variadores de

velocidad

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

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

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)

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)

Ejemplos de equipos

• Transmisor de temperatura wireless

Ejemplos de equipos

• Transmisor de presión wireless

• Actualmente los transmisores pueden estar dotados de protocolo HART

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

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

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

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

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

Ingeniería de Instrumentación

Segunda fase (Continuación)Elaborar toda la documentación necesaria

para:Instalar todos los equipos y conectarlosRealizar las pruebas funcionalesFacilitar el mantenimiento posterior

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

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

Ingeniería de Instrumentación

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

Ingeniería de Instrumentación

Definición de instrumentos de campo y válvulas de control:

Uso de los formatos de Hojas de Datos

Ingeniería de Instrumentación

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

Ingeniería de Instrumentación

Un proyecto medio exige miles de horas de ingeniería de instrumentación (de 10.000 a 50.000)