Tendencias Instrumentación

Tendencias Instrumentación
Impacto en la Ingeniería
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
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
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
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
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
Variables de proceso básicas
•
•
•
•
Temperatura
Presión
Caudal
Nivel
(T)
(P)
(F)
(L)
Variables de proceso específicas
• Analíticas (pH, O2, Composición, etc.)
• Propiedades físicas: Viscosidad,
Densidad, Peso, Conductividad,
Opacidad, etc.)
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
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
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
Señales normalizadas
• Analógicas (Transmisión continua de la
información en tiempo real):
• Neumática: 0.2 – 1.0 bar
• Eléctrica : 4 – 20 mA 24 v cc
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
Señales neumáticas
•
•
•
•
•
Limitaciones:
Se degrada con largas distancias
Solo transmite un valor
Incompatible con SCD
Prácticamente limitada a lazos locales
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
Señales analógicas 4 – 20 mA
• Limitaciones:
• Se degrada con muy largas distancias
• Solo transmite un valor (el de la variable
de proceso)
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.
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
Bloques funcionales transmisor
SALA DE CONTROL
CAMPO
Caja de conexiones
Sistema de
control
Multicable
Instrumento
Cables individuales
Prensaestopas
Regletero
de bornas
Prestaciones funcionales
¿Necesitamos tanta precisión?
Velocidad de respuesta
Aspecto exterior
Vista en despiece
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
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
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)
2
1
3
1. Elemento central.
2. Tubo holgado.
3. Fibras ópticas.
4. Compuesto hidrófugo.
5. Envoltura del alma.
5
4
1
2
3
3
4
5
6
1. Núcleo del cable (ver estructura Fig.1).
2. Fleje de aluminio.
3. Cubierta interna (1).
4. Cubierta interna (2).
5. Armadura.
6. Cubierta exterior.
HSE (High-speed Ethernet) 100 Mbit/sec
H1 31.25 Kbit/sec
Standares Regulatorios:
ANSI/ISA 50.02
IEC 61158
CENELEC EN50170:1996/A1
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.
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
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
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
Posicionadores inteligentes
• Los posicionadores inteligentes hacen de
todo.
• En ocasiones incluso “posicionan”
• Y no olvidemos los variadores de
velocidad
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
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
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)
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)
Ejemplos de equipos
• Transmisor de temperatura wireless
Ejemplos de equipos
• Transmisor de
presión wireless
• Actualmente los
transmisores pueden
estar dotados de
protocolo HART
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Ingeniería de Instrumentación
Definición de instrumentos de campo y
válvulas de control:
Uso de los formatos de Hojas de Datos
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
Ingeniería de Instrumentación
Un proyecto medio exige miles de horas
de ingeniería de instrumentación (de
10.000 a 50.000)