tendencias en instrumentacion

5/12/2018 Tendencias en Instrumentacion - slidepdf.com

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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 instrumentacióndependen del ámbito en que se aplican



Instrumentación y control

• Instrumentación: Mide e informa del

proceso al control

• Control: Analiza, compara con losobjetivos asignados y toma decisiones

• Elemento final de control: Recibe lasordenes del Control y las ejecuta




Ámbito de aplicación de la conferencia

Plantas de procesoProcesos continuos

Procesos por lotes (Batch)

Tipos de industria:

Refino, Petroquímica, Química, Farmacéutica,Alimentación, Energía, Papel, Cemento, Siderurgia




• Componentes del lazo típico:

• Instrumento medidor-transmisor(instaladoen 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-transmisores

Su 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 delsensor 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 casosque pueden verse potenciados por eltratamiento de la señal (Ejemplo radar)

• Se va avanzando en nuevos sensoresanalíticos



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 lasmedidas que interesan. Las nuevastécnicas de uso de microprocesador

asociado al transmisor superan estaslimitaciones



Transmisores

• La tecnología está ligada al tipo de

soporte de la señal

Es esencial que la señal sea normalizadapara permitir la interoperabilidad entreequipos 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 parafunciones e información auxiliares

• El protocolo de comunicación digital másdifundido es el HARTActualmente se usa masivamente.



Transmisores “inteligentes”

• Son los dotados de microprocesador y suelen incorporarlas funciones del protocolo HART

(actualmente se estima que existen en el mundo unos 25millones 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

Multicable Cables individuales

Prensaestopas



Prestaciones funcionales



¿Necesitamos tanta precisión?



Velocidad de respuesta



Aspecto exterior

Vi t d i



Vista en despiece



Comunicación con Control

• En paneles locales todavía se usan

controladores dedicados por lazo quemanejan directamente las señalesanalógicas

• En SCD se requiere digitalizar las señales,procesarlas digitalmente aplicando losalgoritmos de control y el valor resultantepasarlo a analógico para su envío a laválvula de control



Comunicación digital

• Comunicación entre todos los elementos

del lazo totalmente digital• Se han desarrollado múltiples protocolosde comunicación con diferentes

características, velocidades detransmisión, propiedades funcionales ytopologías de redes

• Pueden transmitir señales binarias ycontinuas



Buses de campo

• Las redes de comunicación (buses)

actualmente consolidados para el controlde proceso son:

• Profibus (DP y PA)• Fieldbus Foundation• Las señales digitales usan como soporte

físico cables de cobre tipo coaxial o cablesde fibra óptica)

2



31

5

4

1. Elem ento c entral.2. Tubo ho lga do.

3. Fibras óp ticas.

4. Comp uesto hidrófugo.

5. Envoltura del a lma .

3

2

3

1

4

5

6

1. Núc leo del c ab le (ver estruc tura Fig .1).

2. Fleje de a luminio.3. Cubierta inte rna (1).

4. Cubierta inte rna (2).5. Armadura.

6. Cubierta exterior.



Standares Regulatorios:ANSI/ISA 50.02

IEC 61158CENELEC EN50170:1996/A1

HSE (High-speed Ethernet) 100 Mbit/sec

H1 31.25 Kbit/sec



Transmisión digital

• Ventajas

• Los transmisores pueden ser multivariables yenviar y recibir más información• Se disminuye el cableado

• Muy eficaz con señales binarias facilitando ladescentralización

• La distancia de transmisión es mayor• Los elementos de campos pueden alojar losalgoritmos de control descargando al SCD.




• Ventajas (Continuación)

• Las señales no requieren conversoresanalógico/digitales y viceversadisminuyendo el equipamiento de salas decontrol

• Amplia la posibilidad de uso de

información para mantenimiento ysistemas de gestión de la producción




Desventajas

• Envío y recepción de la información demodo secuencial (no en tiempo real). Enalgunos casos puede significar

limitaciones• Poco intuitiva. Se pierde visibilidad de lo

que ocurre cuando hay problemas• Complejidad y limitaciones de lastopologías de los buses




Desventajas (Continuación)

• Diferencias apreciables entre tecnologías lo queafecta a la interoperabilidad entre diferentesfabricantes

• Coexistencia de múltiples niveles de redesaumentando la complejidad de las aplicaciones

• Tendencia a sobre explotar las posibilidades endetrimento de las funciones básicas



Posicionadores inteligentes

• Los posicionadores inteligentes hacen de

todo.• En ocasiones incluso “posicionan”

• Y no olvidemos los variadores develocidad



Tendencias

• Convergencia de tecnologías de las redes

hacia estándares universales• Aumento progresivo de velocidad detransmisión, fiabilidad y prestaciones

• Aprovechamiento del progreso tecnológicode la microinformática

• Uso actual: Amplio uso en señalesbinarias. Limitado en señales de lazos decontrol, pero en uso creciente



Transmisión “wireless”

Ventajas• Evita totalmente el cableado simplificando

las instalaciones y su mantenimiento• Posibilidad de uso en lugares remotos opeligrosos

• Posibilidad de instalar y usarinmediatamente

T i ió i l




Desventajas

• Requiere baterías (No obstante se logranduraciones de hasta 4 años)• Posibilidad de interferencias radioeléctricas

• Saturación de frecuencias• Pérdida absoluta del sentido físico de la

transmisión• Falta de estandarización suficiente (en plenodesarrollo a través del Comité ISA SP 100)

T i ió “ i l ”




• Uso limitado actualmente pero en plena

expansión• No se usa en aplicaciones críticas ni enlazos de control rápidos

• Se maximiza la duración de la bateríaprogramando el envío cíclico de la

información (válido por ejemplo paratemperatura)

Ej l d i



Ejemplos de equipos

• Transmisor de temperatura wireless

Ej l d i

http://www.omega.com/ppt/pptsc_lg.asp?ref=UWTC-NB9&Nav=DASK01



Ejemplos de equipos

• Transmisor depresión wireless

• Actualmente lostransmisores pueden

estar dotados deprotocolo HART

Si t d id d



Sistemas de seguridad

• Procesan las señales de enclavamientos

de seguridad• Los equipos son PLCs redundantes dealta fiabildad

• Existe nueva normativa para el diseñoconceptual y físico de los sistemas,

todavía no exigibles por ley en España

SIS



SIS

• Estos sistemas SIS (Sistemas

Instrumentados de Seguridad) tienen lassiguientes fases principales:• - Análisis de riesgos (Ejemplo HAZOP)• Diseño conceptual• Determinación de nivel de integridad (SIL)• Diseño de detalle e implementación

Criterios diseños SIS



Criterios diseños SIS

• Todas las señales se cablean físicamente (no seadmiten comunicaciones mediante buses

digitales ni wirelees)• Se suelen duplicar o triplicar los elementos

iniciadores y elementos finales usando lógicastipo 2 de 3 (se trata de evitar también paradasinnecesarias por fallo de instrumentos)

• Los cálculos de verificación del SIL soncomplejos y deben estar apoyados en datosestadísticos reales con certificados de losfabricantes

Ingeniería de Instrumentación



g

Primera fase

• Definir instrumentos, equipos auxiliares y

sistemas de control para poder adquirirlos• Esto significa definir con todos los detallesfísicos y funcionales miles de equipos enuna planta de proceso media




g

Segunda fase

Elaborar toda la documentación necesariapara:- Programar todos los equipos con

componentes informáticos- Estructurar (configurar) todos los equipos

configurables- Realizar las programacionescorrespondientes




g

Segunda fase (Continuación)

Elaborar toda la documentación necesariapara:

Instalar todos los equipos y conectarlosRealizar las pruebas funcionales

Facilitar el mantenimiento posterior




g

Para optimizar estas actividades se usan

masivamente:- Procedimientos estandarizados

- Especificaciones y normas- Apoyo de programas de Ingenieríaespecializados

- Bases de datos potentes




En sistema avanzados están conectados

los programas de las disciplinasrelacionadas tales como Procesos(Diagramas P&I y Datos de Proceso) y de

Diseño de tuberías




El documento clave de trabajo es el

Diagrama P&I de donde se extrae lainformación de los instrumentos, lazos decontrol, servicio, etc.

Con estos datos se inicia la lista de

instrumentos




Definición de instrumentos de campo y

válvulas de control:

Uso de los formatos de Hojas de Datos




Listas típicas:

Indice o lista de InstrumentosLista de señales

Listas de lazos de controlListas de cables y materiales

Normalmente se suelen pasar las listas aformatos Excel para facilitar el intercambiode información




Un proyecto medio exige miles de horas

de ingeniería de instrumentación (de10.000 a 50.000)

tendencias en instrumentacion

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