Instituto Tecnológico de Veracruz INGENIERÍA BIOQUÍMICA
Dr. Vicente Miguel Díaz de León Santiago Instrumentación y Control
NORMA ISA S5.1
Contenido
Introducción Normalización Industrial NORMAS ISA (Instrument Society of America) Símbolos e Identificación de Instrumentos NORMAS ANSI / ISA S 5.1- 1984 (R1992): Símbolos e Identificación de Instrumentos Propósitos Visión General Generalidades Aplicaciones Industriales Aplicaciones en Procesos Aplicaciones a Clases de Instrumentación y para Funciones de Instrumentos Alcances en la Identificación Funcional Alcances en la Identificación de Lazos (Loop) Definiciones Clasificación de los Instrumentos Identificación Funcional de Instrumentos Símbolos a Emplear en los Planos y Dibujos de Representación de Instrumentos Símbolos Generales de Funciones o de Instrumentos Símbolos Generales de Funciones o de Instrumentos Símbolos de Cuerpos de Válvulas de Control y de Persianas Símbolos de Actuadores Símbolos de Autorreguladores, Válvulas y otros Dispostivos Símbolos de Acción del Actuador en caso de Fallo en la Alimentación (Mostrando Típicamente para una Válvula de Control de Diagrama) Símbolos de Elementos Primarios Colores Procesos en Panel Ejemplo- Combinaciones Complejas
Introducción
En todo proceso industrial es importante el manejo del mismo lenguaje con el fin de lograr la misma interpretación sobre el funcionamiento del mismo. Anteriormente cada empresa definía la forma de escribir o representar sus procesos y ha sido en la época actual que se ha generado un consenso que permita una única interpretación. Lo cual genero la estandarización de la norma. Esto se ha logrado mediante la normalización la cual es el proceso, método o sistema definido exhaustivamente para aplicar, instalar o describir un proceso o sistema especifico. La normalización se convierte entonces en una herramienta para el diseño, especificación, organización y dirección.
Normalización Industrial La normalización regula desde las unidades utilizadas hasta el método aplicado para instalar el instrumento. La normalización es el proceso, método o sistema definido exhaustivamente para aplicar, instalar o describir un proceso o sistema especifico. Para llegar al proceso de la normalización o a su producto, debe haber un consenso entre las empresas, instituciones o personas involucradas con el fenómeno a describir. El producto de este proceso es la norma. La normalización es parte integral de la instrumentación industrial. Es necesario conocer y manejar aspectos relativos a las normas para escoger un dispositivo o método de medición. La normalización se convierte entonces en una herramienta para el diseño, especificación, organización y dirección.
Las normas pueden provenir de asociaciones de empresas, de instituciones o de países. En el caso de asociaciones de empresas se tienen: API: Instituto Estadounidense del Petróleo. ASME: Sociedad Norteamericana de Ingenieros de Manufactura. ASTM: Sociedad Norteamericana de Pruebas de Materiales. IEEE: Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. FF: Fundación para Buses de Campo. ISA: Sociedad Americana de Instrumentación En el caso de normas de países o nacionales se pueden citar: ANSI: Instituto Estadounidense de Normas. FCC: Comisión Federal de Comunicaciones. CONATEL: Comisión Nacional de Telecomunicaciones. COVENIN: Comisión Venezolana de Normalización. DIN: Normas industriales Alemanas.
Cuando las normas trascienden las fronteras de los países o empresas se denominan “internacionales”, tales como: CEN: Organismo Europeo de Normalización. ISO: Normas internacionales (igualdad). Asociación libre por cualquier país. A parte de las normas también se definen los sellos de calidad, el cual es un tipo de certificación que garantiza que el producto o sistema fue verificado y validado por la institución otorgante, garantizándose la información que el producto informa.
Algunos de estos sellos son: CE: Para la comunidad Económica Europea. SA: Para los productos canadienses. NORVEN. Para productos venezolanos. UL. Para productos estadounidenses.
NORMAS ISA (Instrument Society of America) A continuación se exponen un tabulador de normas ISA de mayor uso:
Las normas mas generales y de mayor aplicación son:
La ISA-S5.1 sobre simbología e identificación de la instrumentación industrial.
La ISA-S5.3 sobre símbolos de sistemas de microprocesadores con control compartido.
La ISA-S5.4 sobre los diagramas de lazos.
La ISA-S.20 sobre normas para especificar los instrumentos industriales.
NORMAS ANSI / ISA S 5.1- 1984 (R1992) Reafirmada el 13 de Julio de 1992 American National Standard
Símbolos e Identificación de Instrumentos
Propósito
El propósito de esta norma es establecer un medio uniforme de designación de los instrumentos y/o de los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. Con este fin, el sistema de designación incluye los símbolos y presenta un código de identificación.
Visión General Generalidades
En todo proceso trabajan diferentes usuarios o especialistas. La estandarización debe reconocer esta realidad y además ser consistente con los objetivos del estándar, por lo tanto debe entregar métodos para una simbología alternativa.
La simbología de los equipos de los procesos, no es el motivo de esta, norma, por lo tanto al incluirse se hará, en razón de ilustrar aplicaciones de símbolos de instrumentación.
Aplicaciones Industriales
La estandarización de la instrumentación es importante para diversas industrias como: • Industria química • Industria Petrolera • Generación Eléctrica • Aire Acondicionado • Refinadoras de Metales • Y otros procesos industriales.
Existen otros campos con instrumentos muy especializados y diferentes a la industria convencional como: • Astronomía • Navegación • Medicina
Aplicaciones en Procesos
El estándar es recomendable emplearlo cada vez que se requiera cualquier referencia para un instrumento o para una función de control de un sistema con los propósitos de identificación y simbolización. • Esquemas diseño • Ejemplos para enseñanza • Fichas técnicas, literatura y discusiones • Diagramas en sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, diagramas de lazos en procesos • Descripciones funcionales • Diagramas de flujo en: procesos, sistemas, elementos mecánicos, tuberías de procesos e instrumentación • Dibujos de construcción • Especificaciones, ordenes de compra, manifiestos y otros listados • Identificación (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de control • Instrucciones de manutención, operación, instalación, dibujos e informes
El estándar pretende dar la suficiente información, que habilite a cualquiera para revisar documento de representación, de medición y control de procesos. Para que entienda el significado y el control del proceso.
Aplicaciones a Clases de Instrumentación y para Funciones de Instrumentos
La simbología y las identificaciones entregadas en este estándar son aplicables a toda clase de mediciones en instrumentación para control de procesos. Estas se pueden emplear no solo para describir instrumentos discretos y sus funciones si no que también funciones de sistemas análogos, donde aparecen términos como “display compartido”, “control compartido”, “control distribuido”, “control computarizado”.
Alcances en la Identificación Funcional
La estandarización entrega la clave de funciones, para la identificación y simbología de un instrumento.
Los detalles técnicos adicionales para instrumentos se describen mejor en una hoja de especificaciones (Data Sheet) u otro documento dado para tales efectos.
Alcances en la Identificación de Lazos (Loop)
El estándar cubre la identificación de todo instrumento o las funciones asociadas con los lazos de control.
El usuario esta libre de aplicar identificación adicional ya sea por: Número de serie, Número de Unidad, Número de Área, Número de Planta u otros medios.
Definiciones Medición: Extracción de información de las variables o parámetros que actúan en los procesos o sistemas. Rango o Campo de Medida: Espectro de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior o inferior de la capacidad de medida o de transmisión de instrumento. Esta representado por dos valores extremos. Alcance: Diferencia algebraica entre los valores extremos del rango. El alcance se expresa con un solo número, dado en unidades del proceso. El alcance también es conocido con los términos Gama o Amplitud, y con el término Span del idioma inglés. Error: Diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Error medio: Medida aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Error total de una medición: Raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos. Error estático: Aquel que debe considerarse cuando el instrumento es usado para medir una condición que no varía con el tiempo, o sea, en condiciones de régimen permanente. Error dinámico: Diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento. Su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario, de los medios de protección, etc.
Deriva: Variación en la señal de salida del instrumento producida por una variable ajena al proceso medido. Típicamente es atribuida a condiciones ambientales.
Ruido: Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseada que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Puede expresarse en unidades de la señal de salida o en tanto por ciento del alcance. Incertidumbre: Dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. Exactitud: Cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. Precisión: Cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas.
Histéresis: Diferencia máxima en los valores de salida del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y descendente. Viene expresada en tanto por ciento del alcance.
Zona Muerta: Campo de valores de la variable que no hacen variar la señal de salida del instrumento. Se expresa en tanto por ciento de la amplitud. Tiempo Muerto: Tipo de retardo donde el instrumento comienza a responder solamente cuando la variable ha cambiado en una magnitud lo suficientemente grande para vencer la inercia. El tiempo muerto depende de la velocidad con que la variable medida cambie y de la zona muerta del instrumento. Sensibilidad: Razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Viene dada en tanto por ciento de la amplitud. Repetibilidad: Capacidad de reproducción de las precisiones del indicador del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo toda el campo. La repetibilidad es sinónimo de precisión. A mayor repetibilidad menor dispersión de los valores de salida para un valor de la señal de la entrada del proceso y, por lo tanto mayor precisión. Se considera en general su valor máximo y se expresa en tanto por ciento del alcance.
Velocidad de Respuesta: Rapidez con la cual el instrumento responde a cambios en la cantidad medida. Retardo de Medición : Tardanza de respuesta del instrumento a cambios en la variable medida.
Elevación de cero: Cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Supresión de cero: Cantidad con que el valor inferior del campo supera al valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en porcentaje del alcance.
Campo de medida con elevación de cero: Campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Campo de medida con supresión de cero: Campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo
Resolución: Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con el que el instrumento puede discriminar valores aproximadamente iguales de una cantidad.
Resolución infinita: Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento. Fiabilidad: Medida de la probabilidad de que un instrumento continué comportándose dentro de los límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas. Trazabilidad: Propiedad de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas. Linealidad: La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. Temperatura de servicio: Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de límites de error especificados.
Vida útil de servicio: Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas. Respuesta frecuencial: Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/variable medida para una medida de variación senoidal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Accesible (Accesible).- Término que se aplica a un dispositivo o una función, la cual puede usarse o verse por un operador, con el propósito de efectuar acciones del control. Por ejemplo: Cambiar el Set Point, Transferencia Manual Automático, Acciones de ON OFF. Set point.- Punto de referencia para una variable de entrada que establece el valor deseado de la variable a controlar. Se puede establecer en forma manual, automáticamente o programada. Su valor se expresa en la misma unidad que la variable controlada. Asignar (Assignable).-Término aplicado a la indicación que permite dirigir o canalizar una señal a un dispositivo u otro elemento sin la necesidad de unir o cambiar alambrado.
Scan.- Para “monitorear” en una forma predeterminada el estado cada una de las variables de un proceso en forma periódica, puede estar asociado con otras funciones como alarma y memoria.
Panel.- Estructura que tiene un grupo de instrumentos montados en ella, que encierra interfases para el operador del proceso y es seleccionada con una designación única. El panel puede consistir en una o más secciones, cubículos, consolas o escritorios, sinónimo de tablero (board). Panel de Montaje (Panel – mounted).- Termino aplicado a un instrumento que está instalado en un panel o consola y son accesibles al operador en forma normal. Una función que normalmente es accesible a un operador en un sistema de visualización compartida, es el equivalente de un dispositivo montado en un panel discreto. Panel Local (Local panel).- Un panel local no es un panel principal. Los paneles locales se ubican en las cercanías de los subsistemas o sub áreas de la planta. El término “panel de instrumentación local” no debe confundirse como “instrumento local”. Placa (Board) es un sinónimo de panel. Detrás del panel (Behind the panel).- Un término aplicado a una localización que esta dentro de una área que contiene (1) el panel de instrumento(2) conexiones y montaje asociado, o (3) que esta encerrada dentro del panel o tablero. Los dispositivos “detrás del panel” se refiere a que en condición normal no es accesible por el operador.
Binario (Binary).- Término aplicado a una señal o dispositivo que solamente tiene dos posiciones discretas o estados. Al usarse de manera simple como “señal binaria que es opuesta a señal análoga significa dos estados posibles ON – OFF o High - Low ejemplo aquel que no representa un estado continuo. Digital (Digital).- Término aplicado a una señal o dispositivo que usa dígitos binarios para representar valores continuos o estados discretos. Burbuja (Bubble).- Símbolo circular que tiene como propósito identificar un instrumento o una función y puede tener un número como etiqueta. Globo (balloon) es un sinónimo de burbuja. Dispositivo computacional (Computing divice).- Dispositivo o función que realiza uno o más cálculos u operaciones lógicas o ambas, enviando como resultado una o más señales de salida. Algunas veces se le llama relé computacional. Configurable (Configurable).- Termino aplicable a un dispositivo o sistema cuyas características funcionales pueden seleccionarse o arreglarse a través de un programa u otros métodos. Este concepto excluye el “realambrado” como medio de alterar una configuración.
Válvula de Control (Control valve).- Dispositivo que comúnmente es actuada manualmente en acciones ON OFF o semi actuada, que permite manipular el flujo en uno o más procesos de fluidos. Convertidor (Converter).- Dispositivo que recibe señal de información desde un instrumento de una forma y envía una señal hacia una salida bajo otra forma. Un instrumento que cambia salida del sensor a una señal estándar no es propiamente un convertidor sino un transmisor. Un convertidor algunas veces se puede referir a un transductor, sin embargo, este término es completamente general y su empleo especifico en conversión de señales no se recomienda. Sistema de Control Distribuido (Distribuided control system).- Sistema que opera funcionalmente integrado consistiendo en subsistemas que pueden operar física y remotamente separados unos de otros. Elemento Final de Control (Final control element).- Dispositivo que directamente controla el valor de la variable manipulada de un lazo de control a menudo resulta ser una válvula de control. Identificación (Identification).- La secuencia de dígitos o letras o ambos empleado para designar un instrumento o un lazo.
Instrumento (Instrument).- Dispositivo usado directa o indirectamente para medir y/o controlar una variable. El término incluye elementos primarios, elementos finales de control, dispositivos computacionales, y dispositivos eléctricos tales como anunciadores, interruptores y pulsadores. El término no se aplica a partes (por ejemplo un fuelle receptor o resistencias) que son componentes internas de un instrumento. Instrumentación (Instrumentation).- Colección de instrumentos o su aplicación para el propósito de observar , medir , controlar o combinaciones de estas. Lazo o Loop.- Combinación de dos o más instrumentos o arreglo de funciones de control también el paso de señales de uno a otro con el propósito de medir y/o controlar una variable de un proceso.
Función (Function).- El propósito de una acción efectuada por un dispositivo. Proceso (Process).- Cualquier operación o secuencia de operaciones que involucra un cambio de energía, estado, composición, dimensión u otras propiedades que pueden definirse respecto a una referencia. Variable de Proceso (Process variable).- Cualquier variable perteneciente a un proceso.
Monitor.- Termino general para un instrumentos o sistemas de instrumentos que miden o detectan el estado o magnitud de una o más variables con el propósito de obtener una información útil. El término monitor es muy ambiguo se asocia generalmente con analizadores, indicadores o alarmas. En algunos casos se usa como verbo “monitorear”. Luz Piloto (Light pilot).- Luz que indica cuales son las condiciones normales de un sistema o dispositivo. Por ejemplo, la luz de alarma que indica condición anormal. Se le conoce también como luz monitor (Light monitor). Alarma (Alarm).- Un dispositivo o función que señala la existencia de una condición anormal por medio de un cambio discreto audible o visual o ambos cuyo objetivo es atraer la atención. Sensor.- Parte de un lazo o un instrumento que primero sensa el valor de la variable de un proceso y que asume el valor correspondiente predeterminado para el estado de la salida. El sensor puede estar separado o integrado a cualquier elemento funcional del lazo. Se le conoce también como detector o elemento primario. Local (Local).- La ubicación de un instrumento que no esta en un panel o consola y no esta montado en una sala de control. Los instrumentos locales están comúnmente en la vecindad de un elemento primario o de un elemento final de control. La palabra “campo” (field) se usa comúnmente como sinónimo de local.
Programa (Program).- Secuencia repetitiva de acciones que definen el estado de salidas relacionadas con los valores dado por las entradas. Controlador (Controller).- Un dispositivo que tiene una salida que varia para regular una variable controlada de una manera especifica. Un controlador puede tener instrumentos análogos o digitales o puede ser equivalente a un instrumento en un sistema de “control distribuido “. Controlador compartido (Shared controller).- Elemento que contiene algoritmos preprogramados que usualmente son accesibles, configurables y asignables, permitiendo que un solo dispositivo controle varias variables. Controlador Lógico Programable.- Dispositivo que posee múltiples entradas y salidas y que contiene un programa modificable.
Relé.- Dispositivo cuya función es pasar una información inmodificable a o en alguna forma modificada. Se usa a menudo como un medio “dispositivo computacional.” Se aplica específicamente en electricidad, neumática o hidráulica como interruptor que actúa bajo una señal, también es aplicable a funciones efectuadas por un relé.
Display de Pantalla.- Dispositivo de interfaz, para el operador. Comúnmente pantalla de video empleada para controlar información desde de las fuentes hacia el operador. Interruptor (Switch).- Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona o transfiere uno o más circuitos y no esta designado como un controlador ,como un relé o como una válvula de control. Como verbo el termino también es aplicable a las funciones efectuadas por los switch.
Punto de Prueba (Test Point).- Conexión al proceso con instrumentos no conectados permanentemente, es por extensión una conexión temporal o intermitente de un instrumento. Transductor (Transducer).- Termino general para un Dispositivo que recibe información de una o más formas de cantidades físicas, modificando esta información y/o su forma produciendo una señal de salida. Dependiendo de su aplicación en el proceso puede ser un elemento primario, transmisor, relé, convertidor u otro dispositivo. Transmisor (Transmitter).- Dispositivo que detecta la variable de un proceso por medio de un sensor y tiene una salida cuyo valor en el estado estable varia como una función predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede o no estar integrado al transmisor.
Clasificación de los Instrumentos La norma ISA-S5.1 clasifica los instrumentos según los siguientes parámetros:
Según su función:
Instrumentos ciegos: Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable; por ejemplo, instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos; transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.
Instrumentos indicadores: Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos.
Instrumentos registradores: Registran con trazo continuo o a puntos la variable y pueden ser circulares o de grafico rectangular o alargado, según sea la forma del gráfico.
Según la variable que mide
Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. Estos instrumentos se dividen en: instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de roció, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.
Identificación Funcional de Instrumentos
La identificación funcional de un instrumento o su equivalente funcional consiste de letras tomadas de la tabla, que incluye una primera letra (designando la medición o variable inicial) y una o más letras sucesivas (designan las funciones ejecutadas).
Símbolos a Emplear en los Planos y Dibujos de Representación de Instrumentos
Símbolos Generales de Funciones o de Instrumentos
Símbolos Generales de Funciones o de Instrumentos
Símbolos de Cuerpos de Válvulas de Control y de Persianas
Símbolos de Actuadores
Símbolos de Actuadores
Símbolos de Autorreguladores, Válvulas y otros Dispositivos
Símbolos de Autorreguladores, Válvulas y otros Dispositivos
Símbolos de Autorreguladores, Válvulas y otros Dispositivos
Símbolos de Acción del Actuador en caso de Fallo en la Alimentación (Mostrando Típicamente para una Válvula de Control de Diagrama)
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Símbolos de Elementos Primarios
Colores Procesos en Panel
EjemploCombinaciones Simples
Ejemplo- Combinaciones Complejas
Ejemplo del control de un reactor discontinuo complejo que relaciona el control y un controlador lógico programable (PLC). El objeto de este dibujo es facilitar la comprensión general de un esquema de control y definir e identificar los componentes conectados.
INSTRUMENTACION EN LA INDUSTRIA CERVECERA
Tanque de agua caliente
Sistema de control del fermentador
Referencias
http://cicunexpo-instrumentacion1.blogspot.com/ Creus, A. Instrumentación Industrial.. Alfa Omega Marcombo. 1997. ISA Standards Library for Measurement and Control. Version 99-01.
