Universidad Nacional Experimental del Táchira Departamento de Ingeniería Electrónica Núcleo de Instrumentación y Control

Transcripción

1 Universidad Nacional Experimental del Táchira Departamento de Ingeniería Electrónica Núcleo de Instrumentación y Control Simbología e Identificación de Instrumentos (Normas ISA) Septiembre, 2007 Realizado por: Prof. Armando J. Briceño A. 1

2 Laboratorio de Instrumentación y Control Practica sobre Simbología e Identificación de Instrumentos Utilizando la Normativa de la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA). Objetivos. 1. Clasificar los Instrumentos según: 1.1 La función que desempeñan. 1.2 La variable del proceso que manipulan. 2. Identificar los instrumentos y describir su función según las normas de la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA). 3. Indicar la importancia del Diagrama de Tubería e Instrumentación D.T.I (P&I.D). 4. Describir la importancia de los Diagramas de Lazos de Control Procedimiento 1.-Lea con detenimiento la parte teórica de la práctica. 2.-Identifique los instrumentos en el D.T.I suministrado por el profesor, según su función y según las variables del proceso, aplicando las normas ISA. 3.-Identifique los lazos de control en el D.T.I. 4.-Realizar tres diagramas de lazos de control del punto 3, según formato ISA. 5.-Realizar una descripción total del proceso. 2

3 Parte Teórica Clasificación de Instrumentos. La gran diversidad de instrumentos de medición y de control en los procesos industriales hace necesario, para el profesional en el área, de una clasificación adecuada que le permita la identificación exacta de cada instrumento. Varias sociedades internacionales han dirigido sus esfuerzos en poder normalizar la forma en que se debe identificar los instrumentos. Una de la más importante es la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA), cuyo objetivo es establecer un sistema de normas (Códigos y Símbolos) de aplicación a los instrumentos para las industrias químicas, petroquímica, refinación, siderurgica, alimento, cemento, etc. En general, se considera dos clasificaciones básicas. La primera, relacionada con la función que desempeña el instrumento y la segunda, relacionada con la variable del proceso que el instrumento manipula. Clasificación del Instrumento según la Función que Desempeña. Según la función que desempeña el instrumento, podemos clasificarlos en: 1.-Instrumentos ciegos: Son aquellos que no poseen indicación visible de la variable tratada (ver figura 1), entre los cuales tenemos: 1.1 Instrumentos de alarmas: Presostatos y Termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente). 1.2 Transmisores sin indicación: Todos aquellos transmisores que no poseen indicación visible de la variable tratada, entre los cuales podemos citar los transmisores de caudal, presión, nivel, temperatura, etc. 3

4 Figura 1.- Instrumentos Ciegos 2.-Instrumentos indicadores: Estos instrumentos poseen una escala graduada en donde se indica el valor de la variable por medio de una aguja indicadora. También existen indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos. Entre los instrumentos indicadores tenemos: indicadores de presión o manómetros, indicadores de temperatura y de nivel, controladores y cualquier transmisor con indicación visible de la variable (ver figura 2). Figura 2.- Instrumentos Indicadores 3.-Instrumentos registradores: Estos instrumentos registran las variables a través de gráficos, estos gráficos pueden tener forma circular, rectangular o también pueden ser digitales (ver figura 3). 4

5 Figura 3.- Instrumentos Registradores Entre estos instrumentos podemos citar registradores de presión, nivel, flujo, temperatura, etc. 4.-Instrumentos primarios: Estos instrumentos primarios son llamados también elementos primarios (sensores), su característica principal es que están en contacto directo con las variables del proceso (ver figura 4), los mismos generan una caída de tensión o un movimiento mecánico proporcional a la variable del proceso que están sensando. Figura 4.- Instrumentos Primarios 5.-Instrumentos transmisores: Los transmisores captan la caída de tensión o el movimiento mecánico generado en los instrumentos primarios y lo llevan a niveles manejables, para luego ser transmitidos a cierta distancia en forma de señal 5

6 neumática de 3 15 psi o en forma de una señal electrónica de 4 20 ma (ver figura 5.a, 5.b, 5.c). También existen transmisores digitales que envían una señal digital a través de un bus de campo. En algunos casos el elemento primario puede o no ser parte integral del transmisor, en la mayoría de los casos estos dos instrumentos están integrados. Figura 5.a.- Detalles de Instalación de Instrumentos Transmisores 6

7 Figura 5.b.- Instrumentos Transmisores en Campo Figura 5.c.- Tipos de Instrumentos Transmisores 6.-Instrumentos convertidores: Son instrumentos que convierten una señal de entrada en una señal de salida de diferente naturaleza (ver figura 6). Como ejemplo, un instrumento P/I convierte una señal neumática de entrada P, en una señal eléctrica de salida I, y un instrumento I/P convierte una señal eléctrica de entrada I, en una señal neumática de salida P. 7

8 Figura 6.- Tipos de Instrumentos Convertidores 7.-Instrumentos controladores: Estos instrumentos reciben la señal proveniente de los transmisores, la comparan con un valor de referencia y ejercen una acción correctiva de acuerdo con dicha comparación. Esta acción correctiva esta representada por una señal electrónica a la salida del controlador de 4-20ma o una señal neumática de 3-15 psi o una señal digital (ver figura 7.a, 7.b). Esta misma señal va dirigida hacia el elemento final de control. Figura 7.a.- Instrumentos Controladores 8

9 Figura 7.b.- Tipo de Instrumentos Controladores 8.-Instrumentos finales de control: Estos instrumentos reciben la señal del controlador para realizar los cambios en el proceso y mantener a la variable controlada en el valor deseado (ver figura 8a, 8b). Entre los elementos finales de control podemos citar las válvulas de control, los servomotores, resistencias térmicas, etc. Figura 8.a.-Instrumentos Finales de Control 9

10 Figura 8.b.- Instrumentos Finales de Control Clasificación del Instrumento según la Variable del Proceso que Manipula. De acuerdo a la variable del proceso que manipula el instrumento, estos se dividen en instrumentos de caudal o flujo, de nivel, de presión, de temperatura, de densidad, de humedad, de viscosidad, de posición, de frecuencia, de fuerza, etc. Identificación de Instrumentos según ISA. ISA en la identificación o designación de instrumentos siempre utiliza las dos clasificaciones expuestas anteriormente. Entonces existen transmisores ciegos de presión, controladores registradores de temperatura, controladores ciegos de caudal, controladores indicadores de nivel, etc. En la figura 9 y 10, podemos observar la descripción de diferentes instrumentos, así como también sus posibles ubicaciones. En la ubicación de instrumentos se considera el 10

11 campo y el panel (sala de control). El campo se refiere a instrumentos que se encuentran físicamente ubicados en la planta o en el proceso propiamente dicho. El panel (sala de control) se refiere a instrumentos ubicados en la sala del operador, la misma puede estar ubicada algunos metros de distancia de la planta o del proceso. Figura 9.- Descripción y ubicación de instrumentos 11

12 Figura 10.- Ubicación de instrumentos Generalidades de la norma ISA- S5.1 A continuación se describe los aspectos más importantes, que debe conocer el estudiante para poder identificar los diferentes instrumentos existentes en la industria según normativa ISA-S5.1. Cada instrumento debe identificarse con un sistema de letras y números que lo clasifiquen de acuerdo a la función que desempeña y de acuerdo con la variable del proceso que manipula. Una identificación que sirve como ejemplo es la siguiente: Podemos observar en el ejemplo, que el instrumento esta identificado con letras, números y un círculo, analicemos cada una de las partes: La primera letra es la P de presión, la cual es la clasificación según la variable del proceso que manipula el instrumento. Si la primera letra hubiese sido T, 12

13 entonces la variable seria la temperatura. Las letras RIC son llamadas letras sucesivas, las cuales identifican al instrumento de acuerdo a la función que desempeña. En este caso R significa registro, I significa indicación y C significa control. Por tanto, nuestro instrumento según la variable del proceso y según la función que desempeña lo podemos clasificar como un controlador indicador y registrador de presión. El número 201 se divide en dos partes: la primera parte, el número 2, indica el área o zona de la planta donde se encuentra ubicado el instrumento. Para nuestro caso el área de la planta por lo menos esta dividida en dos zonas, nuestro instrumento se encuentra ubicado en la zona 2. La segunda parte, el numero 01 representa el número asignado al instrumento, es decir, que nuestro instrumento es el 01 de la zona 2. En resumen, identificamos al instrumento PRIC 201 como un registrador, indicador y controlador de presión, con el número 01, ubicado en la zona 2. El circulo alrededor de las letras y los números se llama comúnmente globo, este sirve para indicar en dónde está localizado el instrumento, es decir, sí es local o está en panel (sala de control). A continuación presentamos la figura 11, en donde se da un ejemplo de un controlador de flujo, numero 17, de la zona 1, ubicado localmente, en sala de control y detrás del panel. Cabe resaltar que el significado que se le da a la frase detrás del panel es no acceso al operador, es decir, el operador no tendrá acceso a este instrumento ubicado en sala de control. 13

14 Figura 11.- Símbolos de globos, letras y números La tabla 1, es un resumen de las normativas ISA para la identificación y clasificación de instrumentos, esta tabla es ampliamente utilizada en la industria para la elaboración de los diagramas de instrumentación y tubería. En la misma, se observa en la primera columna (1ª Letra), la primera letra que identifica la variable del proceso que manipula el instrumento, y en la segunda columna (Letras sucesivas), se presenta las funciones que desempeñan los instrumentos. 14

15 Tabla 1.- Letras de identificación (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 osciloscopio. 15

16 (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 1, 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, medio o 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. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula, y la forma de trabajo la colocan en la categoría de 16

17 válvula de seguridad, válvula de alivio, o válvula de seguridad de alivio. (8) La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporcionan una visión directa no calibrada del proceso. (9) La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso. No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta. (10) Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L. Por ejemplo, una luz piloto que indica un período de tiempo terminado se designará KL. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única L. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL, suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L. 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. 17

18 (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 está en la posición completamente cerrada. Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación. AS: Alimentación de aire ES: Alimentación eléctrica GS: Alimentación de gas HS: Alimentación hidráulica NS: Alimentación de nitrógeno SS: Alimentación de vapor WS: Alimentación de agua A continuación se muestran los símbolos de las diferentes señales utilizadas en el control de procesos: * Línea o tubería principal del proceso. ** El símbolo se aplica también a cualquier señal que emplee gas como medio de transmisión. Si se emplea un gas distinto del aire debe identificarse con una nota al lado del símbolo o bien de otro modo. *** Los fenómenos electromagnéticos incluyen calor, ondas de radio, radiación nuclear y luz. 18

19 Simbología El otro aspecto importante para la identificación de instrumento son los símbolos utilizados, estos símbolos están clasificados en: Símbolos generales Símbolos para válvulas de control Símbolos para actuadores Símbolos para sistemas de regulación y de alivio Símbolos varios Símbolos para elementos primarios Símbolos para sistemas varios A continuación se presentan la mayoría de símbolos utilizados y establecidos por la normativa ISA. 19

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27 Simbolos para la Visualizacion del Control Distribuido El control distribuido aparece en los años setenta,. dirigido a solucionar problemas de control de fabricas con un gran nuemero de lazos de control basandose en el gran desarrollo de los microprocesadores. En este sentido, al aparecer el sistema de control distribuido las salas de control presentaron un cambio significativo ya que los espacios ocupados por los equipos del control clasico fueron sustituidos por uno o varios monitores (TRC), en los cuales, el operador a traves del teclado, debia examinar las variables del proceso, las caracteristicas de control, las alarmas, etc, sin perturbar el control de la planta y con la opcion de cambiar cualquier caracteristica de control de las variables del proceso (ver figuras 12 y 13.a,13.b, 13.c). El primer sistema de controlador distribuido para la industria aparecio en noviembre de 1975 y fue fabricado con la Honeywell llamado TDC Figura 12.-Sala de control con la instrumentación clásica 27

28 Figura 13.a.- Sala del sistema de control distribuido Figura 13.b.- Sala del sistema de control distribuido 28

29 Figura 13.c.- Sala del sistema de control distribuido Simbología Norma ISA S5.3 La norma ISA S5.3 presenta la simbología de instrumentos relacionados con sistema basados en microprocesadores (sistema de control distribuido), sistemas que disponen de computadores personales y sistema basados en controladores lógicos programables (PLC). 29

30 Símbolos del Computador Se utilizan cuando los sistemas incluyen componentes identificados como computadores, diferentes de un procesador integral que excita las varias funciones de un sistema de control distribuido. El componente computador puede ser integrado en el sistema, vía la red de datos, o puede ser un computador aislado. Símbolos de Control Lógico Programable (PLC) y/o Secuencial 30

31 Descripción e importancia del Diagrama de Instrumentación y Tubería (D.T.I). El diagrama de instrumentación y tubería representa una sección detallada de la planta o del proceso en estudio, en el cual se incorporan detalles de ingeniería mecánica, como: diámetros de líneas de tuberías, reducciones, tomas del procesos, aislamiento térmico, etc; y también se incorporan todos los instrumentos involucrados con el control, indicación, y registro de las diferentes variables del proceso en esa sección. La forma sajona de llamarlos es P&ID, la cual tiene dos interpretaciones, ambas validas. La primera Piping and Instruments Diagram. La segunda es Process and Instrumentation Diagram. Es necesario aclarar que este diagrama no necesariamente tendrá alguna relación con la distribución física de equipos de planta. Sin embargo, será una buena práctica el que ambos documentos guarden cierta analogía. Los espacios físicos no serán representados a escala en el DTI, así como las distancias entre los 31

32 instrumentos de campo y los instrumentos en paneles locales o en sala de control. El diagrama de flujo completo esta formado por varios DTI, por lo tanto cada uno de ellos deberán mostrar las líneas de referencia de interconexión entre DTI`s. Los DTI son generados en conjunto con las disciplinas de química, mecánica e instrumentación, debido a que este documento será la base para el diseño de los detalles que siga a esta fase para todas las disciplinas. El DTI será también la esencia fundamental de la filosofía del control de proceso en estudio. Por ello ninguna fase posterior deberá ejecutarse antes de tener estos documentos claramente desarrollados y aprobados por las partes interesadas. En la figura 14, observamos un DTI de una torre de fraccionamiento, utilizando instrumentación clásica y en la figura 15, observamos otro DTI, en donde se utiliza instrumentación clásica e instrumentación basada en microprocesadores. 32

33 Figura 14.- Diagrama de Instrumentación y Control (DTI) de una torre de fraccionamiento Figura 15.- Diagrama de Instrumentación y Control (DTI) de un sistema de combustión 33

34 Descripción e importancia de los lazos de control Los lazos de control representan los circuitos o lazos cerrados formados generalmente por un elemento sensor, un transmisor, un controlador y un elemento final de control, es decir, un sistema de control realimentado. Sin embargo, existen otras técnicas adicionales de control que se tratan como lazos cerrados a pesar de que no son controles realimentados propiamente dichos. En la figura 10 se puede observar un lazo de control típico de temperatura, el mismo presenta un lazo cerrado compuesto por un elemento sensor de temperatura, un transmisor de temperatura, el controlador, un convertidor y una válvula como elemento final de control. Diagramas de lazos Los diagramas de lazos de control representan los diagramas de conexiones entre los instrumentos existentes en el DTI. La norma ISA establece el formato en que deben de representarse los diagramas de lazos de control. Estos formatos son de mucha utilidad en el área de mantenimiento ya que los mismos son utilizados para corregir las posibles fallas de comunicación entre instrumentos. Las figuras 16, 17 y 18 presentan diferentes tipos de lazos de control según normativa ISA. 34

35 Figura 16.- Diagrama de Lazo Neumático Figura 17.- Diagrama de Lazo para Señales Eléctricas 35

36 Figura 18.- Diagrama de Lazo de un Control de Nivel 36