Instrumentación y control industrial: una introducción a los principios básicos

01 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN (Junio 2019).

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Anonim

Instrumentación y control industrial: una introducción a los principios básicos


En la primera parte de esta serie de instrumentación y control (I & C), repasaremos la terminología fundamental y los conceptos utilizados al trabajar con plantas industriales.

Este es el primero de una serie de artículos técnicos sobre instrumentación y control. En esta serie, discutiremos los conceptos y principios básicos que rigen el funcionamiento de las plantas industriales. Se abordarán los conceptos asociados con las mediciones de flujo, nivel, temperatura y presión, instrumentación electrónica y neumática, circuitos de control, control PID y otros.

Alcance del artículo

Una vez, alguien le preguntó a un colega cuál era su ocupación. Respondió sin vacilar: "Soy un ingeniero de instrumentación y control". "¿Y qué es eso?", Preguntó su interlocutor. "… Oh. Oh … estoy en problemas", pensó el ingeniero.

Explicar lo que hace un ingeniero mecánico, eléctrico, químico o eléctrico es relativamente fácil, pero es otra historia para describir concisamente el trabajo realizado por un ingeniero que se especializa en instrumentación y control.

La instrumentación y el control son campos interdisciplinarios. Requieren conocimiento de química, mecánica, electricidad y magnetismo, electrónica, microcontroladores y microprocesadores, lenguajes de software, control de procesos y aún más, como los principios de neumática e hidráulica y comunicaciones.

Esto es lo que hace que la instrumentación y el control sean tan interesantes e instructivos.

En este artículo y en el siguiente, daré una descripción completa de los principios básicos de instrumentación y control (I & C) utilizados para el funcionamiento y funcionamiento de plantas industriales, como las relacionadas con petróleo y gas, pulpa y papel, azúcar, farmacéutica productos, alimentos y productos químicos.

Primero, necesitaremos cubrir cómo medir, y para medir necesitamos un instrumento de medición.

¿Qué es un instrumento de medición?

Un instrumento de medición es un dispositivo capaz de detectar cambios, físicos o de otro tipo, en un proceso particular. Luego convierte estos cambios físicos en algún tipo de información comprensible para el usuario.

Considere el ejemplo de la Figura 1.

Figura 1: Un ejemplo de un instrumento de medida

Cuando el interruptor está cerrado, la resistencia genera calor y aumenta la temperatura del líquido en el tanque. Este aumento es detectado por el instrumento de medición y se muestra en la escala de ese instrumento.

Podemos obtener la información sobre los cambios físicos en un proceso usando indicación directa o un grabador.

Indicación

Esta es la forma más simple de medición; nos permite conocer el estado actual de la variable.

Figura 2: Monitoreo de una variable por indicación

Grabadora

Un dispositivo que puede almacenar datos nos permite observar el estado actual de la variable y cómo se comportó en el pasado. Una grabadora nos proporciona el historial de la variable.

Figura 3: una pantalla que muestra cómo las mediciones han cambiado con el tiempo

Elementos de un instrumento de medida

Los instrumentos de medición consisten principalmente de las siguientes partes:

  • Sensor : este elemento es un dispositivo que experimenta cambios en sus propiedades físicas como resultado de cambios en el proceso que está midiendo.
  • Amplificador / Acondicionador : Los cambios detectados por el sensor pueden ser muy pequeños, por lo que deben amplificarse y acondicionarse de manera que se puedan mostrar correctamente.
  • Pantalla : los datos medidos deben presentarse de una manera comprensible. Esto puede hacerse usando un instrumento graduado o una pantalla electrónica. En ocasiones, la pantalla también actúa como un grabador para transmitir el historial o las tendencias de la medición.

Figura 4: Elementos de un instrumento de medición

Usualmente, la información de medición generada por un instrumento debe enviarse a un centro de control (o sala de control) que está físicamente distante del instrumento. En general, esta información debe cumplir con las especificaciones establecidas.

Figura 5: la información de medición se envía desde el instrumento a la sala de control

Cuando un instrumento tiene la capacidad de enviar información, lo llamamos transmisor (XMTR).

Clasificación de instrumentos

Hay diferentes clasificaciones para instrumentos de medición. Podemos clasificarlos, por ejemplo, como instrumentos en el campo o instrumentos de panel. El instrumento en el campo se instala cerca del proceso o punto de medición. Debe ser físicamente robusto si va a estar expuesto a condiciones ambientales adversas. Los instrumentos del panel están en una sala de ambiente controlado (a menudo un espacio limpio con aire acondicionado y humedad controlada).

Otra clasificación es instrumentos neumáticos vs. instrumentos eléctricos / electrónicos.

Instrumentos neumáticos

Como su nombre indica, estos son dispositivos que funcionan con aire.

Una de las ventajas de estos instrumentos es que no consumen electricidad, por lo que pueden usarse en áreas donde sería peligroso o inconveniente usar energía eléctrica. Funcionan con una sola variable, son instrumentos imprecisos, se ven afectados por las vibraciones y los cambios de temperatura, y tienen altos requisitos de mantenimiento. La señal de salida de los transmisores está entre 3 y 15 psi, y la distancia máxima de transmisión es de aproximadamente 200 metros.

Figura 6: Diagrama básico de un instrumento neumático

Instrumentos eléctricos / electrónicos

Los instrumentos electrónicos se pueden dividir en tres categorías generales: analógica, analógica inteligente y digital.

Cosa análoga:

  • Señal de salida: 4 - 20 mA
  • Distancia de transmisión: 1200 m (típico)
  • Se transmiten datos para una variable
  • Buena precisión
  • Facil mantenimiento

Figura 7: Diagrama básico de un instrumento electrónico (XMTR)

Smart Analog:

  • Caracterización del sensor como medida de temperatura, presión estática, etc.
  • Exactitud excelente
  • Autodiagnóstico (es decir, el sensor puede analizar problemas en su propia funcionalidad)
  • Una variable

Digital:

  • Varios instrumentos pueden usar un solo cable
  • Transmisión de múltiples valores para cada instrumento (variables de proceso, calibración, diagnóstico, rango)
  • Distancia: aproximadamente 1900 m sin repetidor
  • La capacidad de datos está influenciada por el modo de transmisión (cable, fibra óptica, inalámbrico)

Figura 8: transmisores digitales

Conceptos generales

Rango: la región entre los límites dentro de los cuales se mide una variable. Indica los valores mínimos y máximos que limitan la región. El rango se expresa con dos números, por ejemplo, 10 a 20 ° C, 10 a 150 V, 0 a 100%

Span : Calculado como el valor máximo del rango menos el valor mínimo del rango. El span se expresa con un solo número en unidades de proceso, por ejemplo, 120 ° C, 30 V, 150 litros por segundo.

Elevación : si el límite inferior del rango es un valor positivo, este límite inferior es la elevación. Ejemplo: Si el rango es de 50 ° C a 200 ° C, podemos decir que la elevación es de 50 ° C o el 33.3% del intervalo.

Depresión (también conocida como supresión) : si el límite inferior del rango es negativo, el valor absoluto de este límite inferior es la depresión. Ejemplo: Si el rango es de -10 ° C a 80 ° C, podemos decir que la depresión es de 10 ° C o el 11.1% del intervalo.

Sobrerrango : cuando un dispositivo está calibrado para operar dentro de un cierto rango pero puede estar sujeto a valores superiores o inferiores a ese rango, entonces se requiere un mecanismo de protección para evitar daños al instrumento o para evitar que el indicador exceda su límite superior o inferior. Cuando los valores medidos están por encima del valor máximo, tenemos un exceso de rango positivo. Cuando los valores medidos están por debajo del valor mínimo, tenemos un exceso de rango negativo.

Figura 9: ejemplos de rango, tramo, elevación y depresión

Error : la diferencia entre el valor medido y el valor real (o esperado, o deseado) de una variable física. El error puede ser positivo o negativo. Cuando el valor medido es mayor que el valor real, el error es positivo. Cuando el valor medido es menor que el valor real, el error es negativo.

Si se mide> real, error> 0

Si se mide <real, error <0

El error puede ser expresado

  • en unidades de ingeniería (p. ej., ° C, psi)
  • como un porcentaje del lapso (p. ej., +/- 3% del tramo)
  • como un porcentaje de la medición (por ejemplo, +/- 5% de la medición)

Valor de referencia : en un sentido general, esto se refiere al valor real, esperado o deseado de una variable. En el contexto de un sistema de control de retroalimentación, el valor medido se retroalimenta y se substrae del valor de referencia para generar la señal de error.

Precisión : un número que define los límites del error. Cuando decimos que un instrumento tiene una precisión del 0.1% del span, esto significa que en cualquier punto dentro del rango, las lecturas no difieren del valor real en más del 0.1% del span.

Un ejemplo

Para una mejor comprensión de los conceptos expresados ​​anteriormente, considere el siguiente ejemplo.

Tenemos un tanque de aceite donde estamos obligados a medir continuamente la temperatura. Las condiciones de operación para este proceso son las siguientes:

  • Temperatura mínima: -10 ° C
  • Temperatura máxima: 90 ° C
  • La precisión de la medición debe ser del 1% del span o mejor
  • La medición de temperatura debe mostrarse localmente y de forma remota

Figura 10: Nuestro sistema de ejemplo

Primero, debemos seleccionar un instrumento de medición que nos permita medir la temperatura del líquido en el tanque. Dado que la información debe estar disponible localmente y de forma remota, elegiremos un transmisor de temperatura.

Este transmisor debe tener las siguientes características:

  • Rango: -10 ° C a 90 ° C
  • Rango: 90 ° C - (-10 ° C) = 100 ° C
  • Depresión: 10 ° C o 10% del lapso
  • Precisión: 1% del span = 1% × 100 ° C = 1 ° C
    • Esta precisión del 1% garantiza que, en cada medición o lectura de temperatura, la variación o los errores no excedan +/- 1 ° C

En una nota adicional, debemos asegurar una relación adecuada entre el rango y la salida del transmisor estandarizado. Para calibrar el instrumento, debemos asociar el valor mínimo del rango (-10 ° C) con el valor mínimo de la salida (4 mA) y el valor máximo del rango (90 ° C) con el valor máximo de la salida (20 mA).

Conclusión

En este artículo, hemos discutido los dispositivos de medición y los conceptos fundamentales de medición en el contexto de los sistemas de instrumentación y control. También observamos un sistema de ejemplo simple que involucra un elemento de calentamiento y un instrumento que puede recopilar y transmitir datos de temperatura. En el próximo artículo, cubriremos las cuatro variables básicas utilizadas en aplicaciones industriales: flujo, nivel, temperatura y presión. Además, discutiremos varios sensores, como placas de orificios, termopares y RTD, y revisaremos los instrumentos y transmisores utilizados para medir estas cuatro variables físicas.