Principios de Instrumentación - Conceptos Básicos

James Robles
Departamento de Instrumentación
Huertas College
Principios de Instrumentación
Conceptos Básicos de Instrumentación

James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
En esta presentación:
Definición de Instrumentación
¿Que es una variable física?
¿Que es un instrumento de indicación, medición y transmisión?
¿Que es un recorder?
¿Que es un sistema de control?
¿Que es un elemento final de control?
Definición de Proceso Industrial
Parámetros Operacionales de Instrumentación
Rango de Proceso
Variable de Proceso
Rango de Instrumentación
Señal de Instrumentación
¿Cómo funciona un transmisor?

Instrumentación:
Disciplina que se encarga de la medición, indicación, transmisión, registro y control de variables físicas dentro de un proceso industrial; cumpliendo con los parámetros operacionales del proceso y con las regulaciones vigentes.

Variable Física:
Una variable física es una manifestación palpable de condiciones naturales de la materia. Ejemplos de estas variables son: presión, nivel, flujo y temperatura.

Medición de Variables Físicas: Acción por la cual se le asigna un valor numérico (cuantificar) y una unidad de ingeniería a una variable física relacionada con la naturaleza de esa variable. Esta acción se logra a través de instrumentos que tienen una indicación visual numérico y una unidad de ingeniería. Ejemplo 1: La presión en la tubería es de 100 psi.
Variable Física
Unidad de Ingeniería
Valor Numérico

Medición de Variables Físicas:
Ejemplo 2: El nivel del tanque es de 12 Ft.
Ejemplo 3: El flujo de gas es de 175 SCFM.
Variable Física
Valor Numérico
Variable Física
Valor Numérico

Medición de Variables Físicas:
Ejemplo 4: La temperatura es de 100 °F.
Ejemplo 5: La conductividad de la solución es de 25 μS.
Variable Física
Valor Numérico
Variable Física
Valor Numérico

Indicador de Variables Físicas: Dispositivo capaz de convertir una variable física a una señal visible, mayormente numérica acompañada de su unidad de ingeniería para ser observada. Ejemplos de Indicadores de variables físicas son: Manómetros (Pressure Gauge), Termómetros, Rotámetros, Mirillas de Cristal, etc.

Indicador de Variables Físicas:
Pressure Gauge (Manómetro)
Termómetro
Mirilla de Nivel
Rotámetro
(Metro de Flujo)

Transmisor de Variables Físicas: Dispositivo capaz de convertir una variable física a una señal electrónica, neumática o digital de instrumentación para ser utilizada por un equipo o sistema medición, registro o control. También conocido como transductor.

Transmisor de Variables Físicas:
La señal más utilizada es la señal electrónica de 4–20 mA.
La señal neumática de 3–15 psi.
Las señales digitales (Foundation Fieldbus, MODBUS y Profibus) utilizan en su mayor parte una señal digital compuesta de una palabra de 16 bits llamado (word). Esta palabra puede ir desde 0 hasta 65,536 (216)

Transmisor de Presión
Entrada de Proceso
Señal de Instrumentación
4 – 20 mA
Rosemount 3051 Differential Pressure Transmitter
Indicador Local

Transmisor de Nivel Ultrasónico
Sensor de Proceso
4 – 20 mA
Endress-Hauser Micropilot M FMR240
Indicador Local

Transmisor de Flujo Electromagnético
Sensor de Proceso
4 – 20 mA
Yokogawa AFX Flowmeter
Indicador Local

Transmisor de Temperatura
Sensor de Proceso
4 – 20 mA
ABB TTF300
Indicador Local

Registrador de Variables Físicas (Recorder): Dispositivo capaz de convertir una señal de instrumentación a una data para almacenarse permanentemente con respecto a un momento en el tiempo definido. También puede ser una aplicación (conocido como colección de data histórico) dentro de un sistema de control para lograr el mismo propósito.

Registrador de Variables Físicas (Recorder):
Yokogawa 10000 Recorder
Papel de Grafico
Plumillas
Leyenda
Señal de Instrumentación 4 – 20 mA
Lectura Local

Registrador de Variables Físicas (Recorder):
Delta V Data Historian Screen

Controlador: Dispositivo que se dedica a controlar una variable física. El controlador recibe una señal correspondiente a la variable física (input) de un transmisor y la compara con el valor deseado por el operador. El controlador contiene algoritmos y estrategias encaminadas a mantener la variable física en el valor deseado. Para lograr esto, genera una señal de corrección de la variable (output).

Controlador Discreto: Controlador que se utiliza para mantener una variable física en un valor deseado. El controlador discreto puede manejar un solo lazo de control (un input y un output) y no cuenta con conexiones para enviar las señales a otros equipos, ni capacidad para mantener un registro de las señales. Estas capacidades se logran conectando manualmente las señales a registradores u otros equipos.

Sistema de Control Distribuído (DCS): Sistema de control capaz de manejar múltiples lazos de control. Contiene un procesador centralizado, tarjetas de inputs, tarjetas de outputs y recorders integrados. Un DCS es capaz de distribuir sus datos a diferentes áreas como estaciones de operación, estaciones de ingeniería y estaciones de mantenimiento.

Sistema de Control Distribuído (DCS):
Foxboro T2550 DCS

Sistema de Control:
A-B Micrologix 1200 PLC

Elemento Final de Control: Dispositivo o equipo capaz de modificar la variable física hacia el valor deseado. Esto lo hace recibiendo la señal de corrección del controlador. Ejemplos son: Válvulas de Control, Variadores de Velocidad de Motores o Dampers de Posición.

Elemento Final de Control:
Fisher GX
Control Valve

Variable Frequency Drive (VFD)
And 3 Pumps

Damper Control Drive

Proceso Industrial:
Un proceso industrial es la conversión de materia prima a productos, bienes o servicios para la utilización de la sociedad.
Industrias que utilizan estos procesos son:
Industrias Químicas
Industrias de Petróleo y Gases
Industrias de Alimentos y Bebidas
Industrias Farmacéuticas

Lazo de Control:
Arreglo de dispositivos (instrumentos) conectados para lograr el control de una variable física. Consiste de un transmisor para llevar la variable al sistema, un controlador o sistema de control para computar y generar una señal de control y un elemento final de control para modificar físicamente a la variable.

Lazo de Control (Controlador Discreto):
LT
Elemento Final de Control
Transmisor de Nivel
LCV
Señal de Input
Señal de Output
Controlador
Discreto
A
M
M SP O
100% 50% 0%



Lazo de Control (Controlador Discreto):
LT
Elemento Final de Control
Transmisor de Nivel Neumático
LCV
Señal de Input (3-15 psi)
Señal de Output (3-15 psi)
Controlador
Neumático
A
M
M SP O
100% 50% 0%

Lazo de Control (DCS):
O
U
T
I
N
Sistema de Control Distribuido (DCS)
LT
Estación de
Operador
Estación de
Ingeniería
Elemento Final
de Control
Transmisor de Nivel
LCV
Señal de Input
Señal de Output

Parámetros de Medida de Proceso:
Rango de Proceso
Variable de Proceso
Rango de Instrumentación
Señal de Instrumentación
Señal de Control

Rango de Proceso:
El rango de proceso son los valores numéricos desde el mínimo hasta el máximo acompañado de su unidad de ingeniería que representan el mínimo hasta el máximo de la variable física permitida en un proceso.
Ejemplo: La presión del proceso varía desde 0 hasta 200 psi. El Rango de Proceso es 0 – 200 psi.

Variable de Proceso:
La variable de proceso es el valor numérico acompañado de su unidad de ingeniería que representan la variable física del proceso.
Ejemplo: La presión es de 100 psi. La variable de Proceso es 100 psi.

Rango de Instrumentación:
El rango de instrumentación es un valor numérico de 4 a 20 mA que representa desde el mínimo hasta el máximo del rango de proceso.
Ejemplo: El rango de proceso es de 0 a 200 psi. El rango de instrumentación es de 4 mA (0 psi) hasta 20 mA (200 psi).

Señal de Instrumentación:
La señal de instrumentación es el valor numérico desde 4 mA a 20 mA que representa la variable de proceso.
Ejemplo: El rango de proceso es de 0 a 200 psi. El rango de instrumentación es de 4 mA a 20 mA. La variable de proceso es de 100 psi. Por lo tanto, la señal de instrumentación es de 12 mA.

Señal de Control:
La señal de control es el valor numérico desde 4 mA a 20 mA que alimenta el elemento final de control.
Ejemplo: La señal de control hacia la válvula de control es de 12 mA, por lo tanto la válvula de control está en un 50 % de su recorrido.

Una Señal de Instrumentación es el valor actual del nivel electrónico o neumático utilizado para representar la variable de proceso de una forma estándar.
Ejemplo:
Rango de Proceso = 0 – 200 psi
Rango de Instrumentación = 4 – 20 mA
24 Vdc
-
+
Rango de Proceso = 0 – 200 psi
PT-1
Señal Transmitida por cablería
Transmisor
Receptor
Remoto
4 – 20 mA
+
-
4.00 mA
+
-

La razón por la cual la señal de Instrumentación no comienza en cero es para poder distinguir entre un cero real y una avería en la cablería o tubería utilizada
Si se avería la cablería, la corriente o la presión bajará a cero mA o a cero psi y el técnico podrá diagnosticar el fallo
24 Vdc
-
+
0 mA
Proceso
PT-1
Cable Averiado
Transmisor
Receptor
Remoto
+
-
0.00 mA
+
-

Lazos de Transmisores Electrónicos:
Transmisor de Presión en Serie con Power Supply de 24 Vdc y Miliamperímetro:
Para extraer una señal a un transmisor, se necesita conectarlo en serie con un Power Supply de 24 Vdc y a su vez en serie con el receptor o equipo preparado para aceptar una señal de 4 – 20 mA
Este voltaje produce una señal de instrumentación proporcional a la variable de proceso en relación con el rango de proceso
OFF
ON
24 Vdc Power Supply
-
+

•Presión
•Nivel
•Flujo
•Temperatura
Variable Física
•PT
•LT
•FT
•TT
Transmisor
•0 – 200 psi
•0 – 30 Ft
•0 – 500 gpm
•50 – 550° F
Rango de Proceso
•4 – 20 mA
•3 – 15 psi
•Protocolo Digital

Señal de Instrumentación: Existen varios tipos de señal de instrumentación:
Electrónico Análogo: 4 – 20 mA
Neumático: 3 – 15 psi
Digital: HART, Foundation Fieldbus, MODBUS, Profibus, etc.

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