INSTRUMENTACION 1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS 1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS 1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc)
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS ¿Que es la Instrumentación? Es el conjunto de ciencias y tecnologías mediante las cuales se miden cantidades físicas ó químicas con el objeto de obtener información para su archivo, evaluación ó actuación sobre los Sistemas de Control Automático.
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS ¿Qué es la Medición? Comparar una cantidad con su respectiva unidad con el fin de averiguar cuantas veces la segunda está contenida en la primera. Entre las variables mas medidas en los Procesos tenemos: Presión, Nivel, Temperatura, Flujo, Densidad, variables de análisis químico, etc. !
Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, de la industria cerámica, de las centrales generadores de energía, de la siderurgia, de los tratamientos térmicos, de la industria papelera, de la industria textil, etc.
El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.
En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.
Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable.
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS Sensor: Elemento primario que se encarga de captar la magnitud Física o Química directamente del proceso. !
Transductor: Un elemento o dispositivo el cual recibe información en una forma de energía y la convierte en una información de la misma forma de energía o en otra forma de energía. Ejemplo: Termopar ( convierte temperatura en voltaje) Cristal piezoeléctrico (presión en voltaje) Tubo Bourdón (presión en movimiento) !
Transmisor: Un transductor el cual responde a una variable medida por un elemento sensor y convierte esta a una señal de transmisión estándar la que es función solo de la variable medida. ! ! !
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS Rango: La región entre los límites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibida o transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores. Ejemplo: Un transmisor de temperatura es calibrado para un rango de 20 C a 100 C Valores máximo y mínimo del rango: Los valores mas altos y más bajos que son ajustados para las medidas. Valor mínimo (LRV), Valor máximo (URV). Estos son ajustados para cumplir los requerimientos de forma tal que el instrumento sea óptimo con respecto a la exactitud, sensitividad y lectura. Rango máximo y mínimo límite: Las cantidades mas altas y más bajas que pueden ser ajustadas para medir. Span: Diferencia algebraica entre los valores máximos y mínimos del rango. ! !
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS Tipos de error: Error de Cero: El error es del mismo tamaño a través del rango. Error de Span:Error el cual crece o decrece continuamente. Error de angularidad: Error el cual crece en magnitud desde el LRV hasta el medio de la escala y decrece del medio de la escala hasta el URV. Error de banda muerta: El rango a través del cuál una señal de entrada puede variar, en dirección inversa, sin inicial un cambio observable en la señal de salida. Error de histéresis: Propiedad de un elemento de medida para leer un diferente valor como cambia la variable en dirección opuesta. Causado por una ausencia de elasticidad en el elemento de medida.
Resolución: El menor intervalo entre dos valores discretos adyacentes que pueden ser distinguidos uno del otro. !
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS Convertidores de presión a fuerza En instrumentación existe un grupo de dispositivos a los cuales se les aplica presión de aire o líquido, y el dispositivo (convertidor presión a fuerza) desarrolla una fuerza la cual puede ser usada para realizar trabajo. ! ¿Qué es el Control Automático? Acción, que sin la ayuda de la mano del Hombre, trata de mantener el valor de una variable del proceso (PV) lo más cercana posible a un valor prefijado o punto de ajuste (SETPOINT). ! Proceso: Es un conjunto de equipos, reactores, tuberías, tanques, columnas, etc en los cuales ocurren cambios químicos o físicos que conllevan a la preparación del producto.Ejemplos de procesos: Cambios en presión, temperatura, etc. C ! Variable medida: La condición, propiedad o cantidad la cual es medida. A menudo llamada “ variable de procesos”.
1.1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS Variable manipulada: La propiedad o condición de un proceso que es ajustada para mantener un valor constante de la variable controlada. Ejemplo: El flujo de salida de un recipiente puede ser manipulada para mantener el nivel. ! Variable controlada: La variable del proceso que está siendo controlada. Ejemplo: La variable manipulada puede ser el flujo de vapor en un intercambiador de calor pero la variable que está siendo controlada es la temperatura del fluido que está siendo calentado !
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS Los instrumentos de medición y control tanto analógico y digitales se clasifican básicamente de acuerdo con la funcionalidad del instrumento en el proceso (¿Qué hace?) y por el tipo de variable de medición (¿Qué mide?), o sea:
a) En función del instrumento en el proceso. b) Medición de la variable del proceso Tomando en cuenta la función que desempeñan los instrumentos en un determinado proceso, los mismos pueden subdividirse de la siguiente forma:
1) Instrumentos ciegos.
2) Instrumentos indicadores.
3) Instrumentos registradores.
4) Elementos primarios o captores. 5) Transmisores.
6) Transductores.
7) Convertidores.
8) Receptores.
9) Controladores. 10) Elementos finales de control o actuadores.
! ! ! !
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS 1) Instrumentos ciegos.- Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable medida. Ejemplos de estos instrumentos son los transmisores de caudal, de presión, de nivel, de temperatura, Instrumentos de control ON-OFF como son los termostatos, los presostatos, termopares, etc. Como se aprecia en las siguientes figuras:
! ! ! ! !
Solo cumplen con su trabajo sin la necesidad de expresar los cambios graduales de la señal. 2) Instrumentos indicadores.- Estos instrumentos disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable medida y se conocen como indicadores analógicos. También se tienen indicadores digitales que muestran el valor de la variable en forma numérica con dígitos. Ejemplos de estos instrumentos son los manómetros, indicadores analógicos y digitales de temperatura, presión, caudal, multímetros analógicos y digitales, etc.
! ! ! !
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS 3) Instrumentos registradores.- Los registradores registran con trazo continuo o a puntos la variable de medida. Las hojas de registro pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado de papel continuo, según la forma del gráfico.
Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de una revolución en 24 horas.
! ! ! ! ! !
Los registradores de gráfico rectangular tienen una velocidad normal de gráfico de 20 mm/hora. Y pueden ser analógicos o digitales. En los registradores digitales actuales la velocidad del papel continuo es variable y programable.
Los registradores digitales utilizan microcontroladores en su diseño, lo cual los hace programables, utilizan grafos especiales para el registro de las variables y los de última generación vienen con puertos seriales RS-232 y RS 485. En los sistemas más sofisticados se tiene un registro de la variable vía computadores personales, formando sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) o HMI (Human Machine Interface).
! !
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS 4) Elementos primarios, sensores o captadores.- Son aquellos que están en contacto directo con la variable. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica. Son también conocidos como sensores = captadores = elementos primarios. Por ejemplo en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena con la temperatura.
En los termopares el efecto es la variación de fuerza electromotriz con la temperatura.
En un sistema de control, absorben energía del medio controlado para proporcionar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada.
! ! ! ! ! !
5) Transmisores.- Captan la variable del proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de:
- Señal neumática en el rango de 3 a 15 psi o su equivalente de 0,2 a 1 Kg/cm2
- Señal eléctrica o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua y de 0 a 10V de voltaje continuo, también se emplean otras señales eléctricas de de 0 a 20 mA y de -10 V. a 10 V. de c.c.
! !
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS !
El elemento primario puede o no formar parte del transmisor, como se aprecia en las siguientes figuras:
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Ejemplo: Transmisor de temperatura de bulbo y capilar para aplicación en los termostatos o instrumentos de temperatura. Los trasmisores de última generación al margen de generar la señal de 4 a 20mA, se pueden conectar a un bus de campo en base al protocolo RS-485.
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS !
6) Transductores.- Son instrumentos que permiten que la energía fluya desde uno o más sistemas de transmisión a otro o varios de los restantes sistemas de transmisión. 7) Convertidores.- Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática o eléctrica procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar (normalizada). Ejemplos son los convertidores P/I e I/P que convierten la señal de entrada neumática P en señal de salida eléctrica I y viceversa.
! ! ! ! ! ! ! ! 8) Receptores.- Estos instrumentos reciben las señales procedentes de los transmisores y los indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada con los valores ya indicados 3 a 15 psi en señal neumática, o de 4 a 20mA c.c. en señal eléctrica que actúan sobre el elemento final de control. 9) Controladores.- Comparan la variable controlada que puede ser presión, temperatura, caudal y nivel con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación o error de control.
! ! ! ! !
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS !
La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática o eléctrica procedente de un transmisor.
! ! ! ! ! La aplicación de un controlador en un sistema de control, se aprecia en la siguiente figura:
! ! ! ! ! ! ! 10) Elemento final de control o actuador.- Reciben la señal del controlador y modifica el valor de la variable controlada o agente de control. En el control neumático, el actuador suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúa una carrera completa de 3 a 15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa una carrera completa accionada por un servomotor eléctrico el cual es controlada por la señal eléctrica de 4 a 20 mA de c.c. o de 0 a 10V. de c.c.
1.2 CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS EN FUNCIÓN DE LA VARIABLE DE PROCESO.- De acuerdo con la medición de la variable del proceso, los instrumentos se clasifican en: - Instrumentos de temperatura. - Instrumentos de Presión. - Instrumentos de Caudal. - Instrumentos de nivel. - Instrumentos de densidad y peso específico. - Instrumentos de humedad y punto de rocío. - Instrumentos de viscosidad. - Instrumentos de posición y velocidad. - Instrumentos de PH. - Instrumentos de conductividad. - Instrumentos de frecuencia. - Instrumentos de fuerza. - Instrumentos de turbidez, etc. Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas, independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. En la designación e identificación de los instrumentos se utiliza las dos clasificaciones expuestas anteriormente. Por ejemplo, se identifican como: - Transmisores ciegos de presión.
- Controladores registradores de temperatura.
- Receptores indicadores de nivel.
- Receptores controladores registradores de caudal. - Conversor de medida de temperatura.
- Indicadores de temperatura.
! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) Para designar y representar los instrumentos de medición, indicación, registro, control, automatización y SCADA, en la mayoría de las industrias del país predomina la norma ISA ( ISA = Instrument Society of America) Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos para la designación, identificación, montaje e instalación de diferentes tipos de instrumentos analógicos, digitales y de control numéricos. Las normas tienen por objeto establecer códigos y símbolos, para designar e identificar los instrumentos en todo tipo de industrias, como ser: - Fundición.
- Petroquímicas y químicas.
- Aire acondicionado - Manufactura, etc.
NORMAS ISA-S5.1 sobre Instrumentación de Medición y Control, de ANSI/ISA de 1984 anterior ANSI Y32.2. NORMAS ISA -S5.2 sobre Símbolos de Operaciones binarias de procesos (Binary Logic Diagrams for Process Operation de 1978) NORMAS ISA -S5.3 Símbolos de sistemas de Microprocesadores con control compartido (Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer - Systems 1982)
! RESUMEN DE LA NORMA ISA-S5.1.- Para instrumentación de medición y control. Generalidades A) Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras que lo clasifique funcionalmente. Una identificación representativa es la siguiente:
! ! ! ! ! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) ! B) El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene: a) Disponer las letras en subgrupos, por ejemplo, un transmisor registrador de relación de caudales con un interruptor de alarma de relación de caudales puede identificarse con dos círculos uno con FFRT-3 y el otro FFS-3.
b) En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicación). c) Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto deben identificarse con una secuencia única de números. Esta puede empezar con el número 1 o cualquier otro número convencional, tal como 301 o 1201 que puede incorporar información codificada tal como área de planta. d) Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, TE-25- 3, etc. Estos sufijos pueden añadirse obedeciendo a las siguientes reglas: 1.- Deben emplearse letras mayúsculas: A, B, C, etc.
2.- En un instrumento tal como un registrador de temperatura multipunto que imprime números para identificación de los puntos, los elementos primarios pueden numerarse TE-25- 1, TE-25-2, TE-25-3, etc.
3.- Las subdivisiones interiores de un bucle puede designarse por sufijos formados por letras y números.
4.- Un instrumento que realiza dos o más funciones puede designarse por todas sus funciones.
! ! ! ! ! ! ! ! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) LETRAS DE IDENTIFICACION.- La siguiente tabla muestra las letras de identificación: referente a esta tabla se tienen las siguientes reglas:
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) (1) Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el módulo de elasticidad y como sucesiva un telescopio. (2) La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilicen sólo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado figure en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 registrador de vibración.
(3) Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (integración) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura respectivamente. (4) La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla de letras de identificación, que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.
(5) El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primeras letras, es opcional. (6) El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo e intermedio y exploración, es preferible pero opcional.
(7) El término seguridad, debe aplicarse sólo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema, mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV.
! ! ! ! ! ! ! ! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) (1) Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el módulo de elasticidad y como sucesiva un telescopio.
! La actuación de la luz piloto puede ser acompañada por una señal audible.
(11) El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras, es opcional.
(12) Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.
(13) Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.
(14) Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre-apertura, se definen como sigue:
- Alto: indica que la válvula está, o se aproxima a la posición de apertura completa.
- Bajo: denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) SÍMBOLOS DE LOS INSTRUMENTOS. A continuación se dan los símbolos a emplear en los planos y dibujos de representación de instrumentos en los procesos industriales. ______________________ Conexión a proceso o enlace mecánico, o alimentación de instrumento
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
Señal neumática o señal sin definir en una línea de proceso.
Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación. AS Alimentación de aire (Air Supply) ES Alimentación eléctrica
GS Alimentación de gas
HS Alimentación hidráulica NS Alimentación de nitrógeno. SS Alimentación de vapor
WS Alimentación de agua.
! ! !
1.3 SIMBOLOGIA, NORMAS Y SISTEMA DE UNIDADES (SAMA, ISA etc) SÍMBOLOS GENERALES
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
RESUMEN NORMAS ISA-S5.2 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
RESUMEN NORMAS ISA-S5.2 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
RESUMEN NORMAS ISA-S5.3 Símbolos de sistemas microprocesador con control compartido (redes). El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, miniordenadores y sistemas a microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y otras características de interfase. Los símbolos representan la interfase con los equipos anteriores de la instrumentación de campo, de la instrumentación de la sala de control y de otros tipos de hardware.
El tamaño de los símbolos debe ser conforme a la norma ISA-S5.1, a la que complementa:
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
RESUMEN NORMAS ISA-S5.3 SÍMBOLOS DEL ORDENADOR Se utilizan cuando los sistemas incluyen componentes identificados como ordenadores, diferentes de un procesador integral que excita las varias funciones de un sistema de control distribuido. El componente ordenador puede ser integrado en el sistema, vía la red de datos o puede ser un ordenador aislado. 4.- Normalmente accesible al operador-indicador/controlador/registrador o punto de alarma. Utilizando usualmente para indicar la pantalla de video.
! ! ! ! 5.- Normalmente no accesible al operador.
! ! ! ! ! ! ! ! ! !
1.
Interfase entrada/salida.
2.
Cálculo / acondicionamiento de señal dentro de un computador.
3.
Puede usarse como controlador ciego o como módulo de cálculo de software.
RESUMEN NORMAS ISA-S5.3 SÍMBOLOS DE FUNCIONES INTERNAS DEL SISTEMA 9.- Cálculo / acondicionamiento de señal 1.
Para identificación de bloques consulte ISA-S5.1. Designaciones de funciones para relés.
2.
Para requerimientos de cálculo amplios, use la designación "C". Escriba aclaraciones en documentación suplementaria.
3.
Utilizado en combinación con válvulas de alivio según ISA-S5.1.
! ! ! ! ! SÍMBOLOS COMUNES 10.- Red del sistema.
! ! ! ! !
1.
Usado para indicar una red de software, o conexiones entre funciones suministradas en el sistema del fabricante.
2.
Alternativamente, la red puede ser mostrada implícitamente por símbolos contiguos.
3.
Puede utilizarse para indicar una red de comunicaciones a opción del usuario.
