Tendencias Instrumentación. Impacto en la Ingeniería

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1 Tendencias Instrumentación Impacto en la Ingeniería

2 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 instrumentación dependen del ámbito en que se aplican

3 Instrumentación y control Instrumentación: Mide e informa del proceso al control Control: Analiza, compara con los objetivos asignados y toma decisiones Elemento final de control: Recibe las ordenes del Control y las ejecuta

4 Instrumentación y control Ámbito de aplicación de la conferencia Plantas de proceso Procesos continuos Procesos por lotes (Batch) Tipos de industria: Refino, Petroquímica, Química, Farmacéutica, Alimentación, Energía, Papel, Cemento, Siderurgia

5 Instrumentación y control Componentes del lazo típico: Instrumento medidor-transmisor(instalado en 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

6 Evolución y tendencias Instrumentos medidores-transmisores Su tecnología depende de la variable a medir Constan siempre de: Elemento sensible o sensor: Reacciona ante los cambios de la variable y proporciona una señal (normalmente eléctrica) Elemento transmisor: Acondiciona la señal del sensor y la convierte en señal estándar Ambos suelen constituir una sola unidad física

7 Variables de proceso básicas Temperatura (T) Presión (P) Caudal (F) Nivel (L)

8 Variables de proceso específicas Analíticas (ph, O2, Composición, etc.) Propiedades físicas: Viscosidad, Densidad, Peso, Conductividad, Opacidad, etc.)

9 Tecnología de sensores Cada tipo de sensor es específico de la variable medida Los principios de medida han evolucionado poco, salvo en los casos que pueden verse potenciados por el tratamiento de la señal (Ejemplo radar) Se va avanzando en nuevos sensores analíticos

10 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 las medidas que interesan. Las nuevas técnicas de uso de microprocesador asociado al transmisor superan estas limitaciones

11 Transmisores La tecnología está ligada al tipo de soporte de la señal Es esencial que la señal sea normalizada para permitir la interoperabilidad entre equipos y fabricantes diferentes

12 Señales normalizadas Analógicas (Transmisión continua de la información en tiempo real): Neumática: bar Eléctrica : 4 20 ma 24 v cc

13 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

14 Señales neumáticas Limitaciones: Se degrada con largas distancias Solo transmite un valor Incompatible con SCD Prácticamente limitada a lazos locales

15 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

16 Señales analógicas 4 20 ma Limitaciones: Se degrada con muy largas distancias Solo transmite un valor (el de la variable de proceso)

17 Señales de transmisión híbridas Es la señal analógica 4-20 ma a la que se superpone una señal digital para funciones e información auxiliares El protocolo de comunicación digital más difundido es el HART Actualmente se usa masivamente.

18 Transmisores inteligentes Son los dotados de microprocesador y suelen incorporar las funciones del protocolo HART (actualmente se estima que existen en el mundo unos 25 millones 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

19 Bloques funcionales transmisor

20 SALA DE CONTROL Sistema de control CAMPO Caja de conexiones Instrumento Multicable Cables individuales Prensaestopas Regletero de bornas

21 Prestaciones funcionales

22 Necesitamos tanta precisión?

23 Velocidad de respuesta

24 Aspecto exterior

25 Vista en despiece

26 Comunicación con Control En paneles locales todavía se usan controladores dedicados por lazo que manejan directamente las señales analógicas En SCD se requiere digitalizar las señales, procesarlas digitalmente aplicando los algoritmos de control y el valor resultante pasarlo a analógico para su envío a la válvula de control

27 Comunicación digital Comunicación entre todos los elementos del lazo totalmente digital Se han desarrollado múltiples protocolos de comunicación con diferentes características, velocidades de transmisión, propiedades funcionales y topologías de redes Pueden transmitir señales binarias y continuas

28 Buses de campo Las redes de comunicación (buses) actualmente consolidados para el control de proceso son: Profibus (DP y PA) Fieldbus Foundation Las señales digitales usan como soporte físico cables de cobre tipo coaxial o cables de fibra óptica)

29 Elemento central. 2. Tubo holgado. 3. Fibras ópticas. 4. Compuesto hidrófugo. 5. Envoltura del alma Núcleo del cable (ver estructura Fig.1). 2. Fleje de aluminio. 3. Cubierta interna (1). 4. Cubierta interna (2). 5. Armadura. 6. Cubierta exterior.

30 HSE (High-speed Ethernet) 100 Mbit/sec H Kbit/sec Standares Regulatorios: ANSI/ISA IEC CENELEC EN50170:1996/A1

31

32 Transmisión digital Ventajas Los transmisores pueden ser multivariables y enviar y recibir más información Se disminuye el cableado Muy eficaz con señales binarias facilitando la descentralización La distancia de transmisión es mayor Los elementos de campos pueden alojar los algoritmos de control descargando al SCD.

33 Transmisión digital Ventajas (Continuación) Las señales no requieren conversores analógico/digitales y viceversa disminuyendo el equipamiento de salas de control Amplia la posibilidad de uso de información para mantenimiento y sistemas de gestión de la producción

34 Transmisión digital Desventajas Envío y recepción de la información de modo secuencial (no en tiempo real). En algunos casos puede significar limitaciones Poco intuitiva. Se pierde visibilidad de lo que ocurre cuando hay problemas Complejidad y limitaciones de las topologías de los buses

35 Transmisión digital Desventajas (Continuación) Diferencias apreciables entre tecnologías lo que afecta a la interoperabilidad entre diferentes fabricantes Coexistencia de múltiples niveles de redes aumentando la complejidad de las aplicaciones Tendencia a sobre explotar las posibilidades en detrimento de las funciones básicas

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37 Posicionadores inteligentes Los posicionadores inteligentes hacen de todo. En ocasiones incluso posicionan Y no olvidemos los variadores de velocidad

38 Tendencias Convergencia de tecnologías de las redes hacia estándares universales Aumento progresivo de velocidad de transmisión, fiabilidad y prestaciones Aprovechamiento del progreso tecnológico de la microinformática Uso actual: Amplio uso en señales binarias. Limitado en señales de lazos de control, pero en uso creciente

39 Transmisión wireless Ventajas Evita totalmente el cableado simplificando las instalaciones y su mantenimiento Posibilidad de uso en lugares remotos o peligrosos Posibilidad de instalar y usar inmediatamente

40 Transmisión wireless Desventajas Requiere baterías (No obstante se logran duraciones de hasta 4 años) Posibilidad de interferencias radioeléctricas Saturación de frecuencias Pérdida absoluta del sentido físico de la transmisión Falta de estandarización suficiente (en pleno desarrollo a través del Comité ISA SP 100)

41 Transmisión wireless Uso limitado actualmente pero en plena expansión No se usa en aplicaciones críticas ni en lazos de control rápidos Se maximiza la duración de la batería programando el envío cíclico de la información (válido por ejemplo para temperatura)

42 Ejemplos de equipos Transmisor de temperatura wireless

43 Ejemplos de equipos Transmisor de presión wireless Actualmente los transmisores pueden estar dotados de protocolo HART

44 Sistemas de seguridad Procesan las señales de enclavamientos de seguridad Los equipos son PLCs redundantes de alta fiabildad Existe nueva normativa para el diseño conceptual y físico de los sistemas, todavía no exigibles por ley en España

45 SIS Estos sistemas SIS (Sistemas Instrumentados de Seguridad) tienen las siguientes fases principales: - Análisis de riesgos (Ejemplo HAZOP) Diseño conceptual Determinación de nivel de integridad (SIL) Diseño de detalle e implementación

46 Criterios diseños SIS Todas las señales se cablean físicamente (no se admiten comunicaciones mediante buses digitales ni wirelees) Se suelen duplicar o triplicar los elementos iniciadores y elementos finales usando lógicas tipo 2 de 3 (se trata de evitar también paradas innecesarias por fallo de instrumentos) Los cálculos de verificación del SIL son complejos y deben estar apoyados en datos estadísticos reales con certificados de los fabricantes

47 Ingeniería de Instrumentación Primera fase Definir instrumentos, equipos auxiliares y sistemas de control para poder adquirirlos Esto significa definir con todos los detalles físicos y funcionales miles de equipos en una planta de proceso media

48 Ingeniería de Instrumentación Segunda fase Elaborar toda la documentación necesaria para: - Programar todos los equipos con componentes informáticos - Estructurar (configurar) todos los equipos configurables - Realizar las programaciones correspondientes

49 Ingeniería de Instrumentación Segunda fase (Continuación) Elaborar toda la documentación necesaria para: Instalar todos los equipos y conectarlos Realizar las pruebas funcionales Facilitar el mantenimiento posterior

50 Ingeniería de Instrumentación Para optimizar estas actividades se usan masivamente: - Procedimientos estandarizados - Especificaciones y normas - Apoyo de programas de Ingeniería especializados - Bases de datos potentes

51 Ingeniería de Instrumentación En sistema avanzados están conectados los programas de las disciplinas relacionadas tales como Procesos (Diagramas P&I y Datos de Proceso) y de Diseño de tuberías

52 Ingeniería de Instrumentación El documento clave de trabajo es el Diagrama P&I de donde se extrae la información de los instrumentos, lazos de control, servicio, etc. Con estos datos se inicia la lista de instrumentos

53 Ingeniería de Instrumentación Definición de instrumentos de campo y válvulas de control: Uso de los formatos de Hojas de Datos

54 Ingeniería de Instrumentación Listas típicas: Indice o lista de Instrumentos Lista de señales Listas de lazos de control Listas de cables y materiales Normalmente se suelen pasar las listas a formatos Excel para facilitar el intercambio de información

55 Ingeniería de Instrumentación Un proyecto medio exige miles de horas de ingeniería de instrumentación (de a )

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