Captulo I. Introduccin a los Proyectos de Instrumentacin Industriales

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Profesor: Ivn Rivero Flores. UTFSM.

2S. 2014

I.1 Proyectos Industriales

Qu son los Proyectos Industriales?

Los proyectos industriales, son inversiones en capital, para el desarrollo e implementacin de procesos producKvos, capaces de crear productos que saKsfacen una demanda del mercado.

Un proceso producKvo o planta industrial, es un conjunto de operaciones que transforman la materia prima en un producto nal.

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Ejemplo: Faena Minera

Materia prima: Mineral con un pequeo % de cobre, oro y otros minerales.

Proceso Produc0vo: Planta Concentradora Producto nal: Concentrado de Cobre.

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Planta Concentradora

Mineral (1% Cu)

Concentrado Cobre

(30% Cu)

Ejemplo: Operaciones de Faena Minera

Flow Sheet Faena Minera

Un Proyecto de Ingeniera, es un conjunto de documentos, especicaciones, memorias de clculo y planos que establecen como debe ser construida una obra de ingeniera, proceso producKvo o planta industrial.

Qu es un Proyecto de Ingeniera?

IDEA

INGENIERIA CONCEPTUAL

CONSTRUCCION

INGENIERIA BASICA

INGENIERIA DETALLES

PUESTA EN MARCHA

Fases Zpicas de Proyectos

Otros Conceptos: PrefacKbilidad; FacKbilidad

El objeKvo de esta ingeniera es denir el proceso y tener una primera esKmacin del costo del proyecto ( CAPEX) Es Realizado por Expertos. Dene las caractersKcas de los equipos principales. Dene el Layout (Ubicacin de Equipos) Evala Econmicamente +/-30% Si el proyecto es rentable, se conKnua con una Ingeniera Bsica.

Ingeniera Conceptual

El objeKvo de la Ingeniera Bsica es disear el proceso producKvo o planta industrial, es decir modelan, simulan y calculan que equipos son necesarios para procesar la materia prima y lograr los productos especicados. Normalmente se uKliza un Sogware de Simulacin de Procesos (ej. HYSYS). En esta etapa se preparan los documentos bsicos el PFD, P&ID y las especicaciones de equipos principales. Evala Econmicamente +/-20% Si el proyecto es rentable, se conKnua con la Ingeniera de Detalles.

Ingeniera Bsica

El Objetivo Principal de la Ingeniera de Detalles es desarrollar los Planos y Especificaciones necesarios para que el Proyecto pueda ser construido por otras personas.

Abreviaciones tpicas de Proyectos de Ingeniera: E : Engineering EP: E + Procurement EPC : EP + Construction EPCM : EPC + Management

Ingeniera de Detalles

Jefe de Proyecto

Control Documentos

Planificacin

Ingeniera

Control Calidad

Control de Costos

Ing. Especialistas

Organigrama Ingeniera (EPC)

Adquisiciones

Compras

Contratos

Construccin

Ing. Construccin

Ing. Prev. Riesgos

Ingenieros de Instrumentacin y

Control

EsKmacin de Costos Ingeniera

TABLA CALCULO HH & COSTOS PROYECTOS

Especialidad InstrumentacinEntregable Formato Cantidad JD IA IB PA PB JP CC CD PLP&ID A1 3 3 20 20 3 1 1 1Lista de Instrumentos A4 1 2 30 1 1 1 1Data Sheet A4 10 2 15 1 1 1 1Diagramas de Lazo A3 20 2 3 10 2 10 1 1 1 1Diagramas Lgicos A3 10 2 3 10 3 15 1 1 1 1Arquitectura Sist. Control A1 1 5 10 15 5 20 1 1 1 1Plano conexionado A1 5 1 2 5 15 20 1 1 1 1Plano Canalizacin A1 5 1 2 5 15 20 1 1 1 1

Subtotal HH 1912 106 360 365 285 570 61 55 55 55Costo UF 1.6 1.3 1 0.9 0.6 2.5 1.4 1.1 1.3Subtotal Costo UF 169.6 468 365 256.5 342 152.5 77 61 71.5

HH DIRECTAS HH INDIRECTAS

Costo Instrumentacin 1963Otros Costos Adm. Logisticos 10% 196Contingencias 5% 98Sub Total Costo 2257Utilidad 10% Precio Venta 251

Precio venta UF 2508

Siglas: JD: Jefe Disciplina IA, IB: Ingenieros A, B PA, PB: ProyecKstas A, B JP: Jefe Proyecto CC: Control Calidad CD: Control Documentos PL: Planicacin

Preguntas de repaso

1.- EsKme las HH y el costo de venta, para realizar un proyecto de electricacin solar de 3 kW, que le solicit un cliente para su casa.

I.2 Control AutomKco

Control AutomKco

Los sistemas de control autom2co son el conjunto de disposiKvos, que manKenen las variables de un proceso industrial, constantes en un valor deseado o prejado. Se dice automKco porqu no existe intervencin humana y las decisiones son tomadas por autmatas (o mquinas). Ejemplos:

Control de velocidad crucero de automvil. Piloto automKco de avin. Control automKco de temperatura de ducha.

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Control Manual vs AutomKco

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Control Manual. -El Operador acciona la vlvula segn la lectura de un termmetro. -CaractersKcas:

Inestable Inseguro Lento

Control AutomKco. El Controlador (autmata) acciona la vlvula segn la lectura de un sensor. -CaractersKcas:

Estable Seguro Rpido

Problema de Control? Es mantener procesos controlados.

Mantener variables estables (constantes). Obtener productos de una calidad mnima Mantener la seguridad de las instalaciones y las personas Obtener el mximo rendimiento y eciencia de la planta. Disminuir los costos de operacin y de materias primas en el proceso producKvo.

Elementos Principales de un Sistema de Control

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Para controlar una variable de un sistema, o variable medida, lo primero es contar con un equipo conable, que pueda medir esa variable y transformarla en una seal. Este equipo se denomina Instrumento. Esta seal es enviada a un equipo, que pueda analizar los cambios acontecidos y tomar una decisin o ejecutar un algoritmo, para determinar como modicar una variable manipulada del sistema, que por las propiedades rsicas sabemos a priori, que afectar la variable medida. Este equipo se denomina Controlador. El controlador toma una decisin, modicando la variable manipulada, el equipo que esta accin se denomina Actuador. Bsicamente son estos tres elementos: Instrumento, Controlador y Actuador, los que intervienen en un sistema de control automKco simple.

Ejemplo: Control AutomKco de Nivel

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Controlador ObjeKvo : error = 0

Actuador

Variable: Nivel

Sistema de Control Realimentado o de

Lazo Cerrado

La teora de control automKco se basa en la modelacin matemKca del proceso y en buscar algoritmos controladores que mantengan el sistema modelado estable ante perturbaciones o cambios de setpoint.

xkydtdyf

dtydm +=2

kfsmssXsY++

= 2)()(

L [ ] TRANSFORMADA

LAPLACE

Teora Control AutomKco

Ejemplo: Ec. Diferencia de un sistema masa-resorte

)()()(sXsYsG =

Funcin de Transferencia

)(sC )(sY)(sR

)(sG

)(sH

+

-

)()()()(1

)()()( sRsHsGsC

SGsCsY+

=

Controlador Planta

Instrumento

Modelo Sistema Control AutomKco en Bloques en s

Sistema de Control Realimentado o de Lazo Cerrado

)()( sEKsM P=

)(sC)(sE )(sM

)()( teKtm p=L [ ]

Controlador P: Proporcional

Kp : Constante Proporcional

e(t)

t

1

m(t)

t

Kp

m(t)

EJEMPLO 1: Escaln

e(t)

t

1

m(t)

t

Kp

1

1

EJEMPLO 2: Rampa

Ejemplos con Controlador P

( ) )(1)( sEsTKsM dP +=

)(sC)(sE )(sM

+=dttdeTteKtm dp)()()(

L [ ]

Controlador PD: Proporcional Deriva2vo

Td = Constante DerivaKva

EJEMPLO 1: Rampa

e(t)

t

1

1

m(t)

t

Td Kp

1

P

Ejemplo: Controlador PD

)(11)( sEsT

KsMi

P

+=

)(sC)(sE )(sM

+=

t

ip dtteT

teKtm0

)(1)()(

L [ ]

Controlador PI : Proporcional Integral

Ti : Constante Integral

EJEMPLO 1: Escaln

e(t)

t

1

m(t)

t

Kp

2Kp

Ti

P

Ejemplo Controlador PI

)(11)( sEsT

sTKsMi

dP

++=

)(sC)(sE )(sM

++=

t

idp dtteTdt

tdeTteKtm0

)(1)()()(

L [ ]

Controlador PID: Proporcional Integral y DerivaKvo

EJEMPLO 1: Rampa

e(t)

1

m(t)

Kp

1

1 t

t

P D

Ejemplo: Controlador PID

Respuesta a Escaln Lazo Abierto

Ejemplo: Sistema Mecnico

Controlador P Controlador PD

Controlador PI Controlador PID

Resultados con DisKntos Controladores

Representacin del Control en Ingeniera de Proyectos

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LTTT

LCTT

LVTT 150

150

150

Diagrama P&ID de acuerdo a Norma ISA 5.1

Representacin en Diagrama en Bloques Industrial

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PROCESO

CONTROLADOR TRANSMISOR

SENSOR Elemento Final Control

Variable Manipulada

Variable

Controlada SET POINT

Otras Variables No Controladas

Perturbaciones

Variable

Medida

PV OP

SP

Variable Medida: La canKdad rsica, propiedad o condicin que est siendo medida.

Variable Controlada (PV): La variable que el sistema de control mantendr en su setpoint.

Variable Manipulada: Es aquella variable sobre la cual acta el controlador

Set point (SP): Valor deseado en la variable controlada de un proceso.

Error: Diferencia algebraica entre el setpoint y la variable controlada.

Deniciones

Sensor: Es un disposiKvo que convierte la variable de proceso en una seal.

Transmisor: Es el disposiKvo que convierte la seal del sensor en un valor normalizado (Ej.4-20mA).

Controlador: DisposiKvo que ejecuta un algoritmo de clculo para mantener una variable de proceso estable.

Elemento nal de Control: Elemento que acta directamente sobre la variable manipulada.

Deniciones

Instrumentos

Preguntas V y F de repaso

a. La variable medida es la seal entregada por el sensor. b. La variable manipulada es la seal que acta sobre una vlvula

de control. c. La variable controlada es la seal de entrada al controlador. d. Sensor y transmisor son lo mismo. e. El Set Point es el valor constante que se desea mantener la

variable medida. f. El P&ID es un Kpo de controlador

I.3 Tipos de Instrumentos

Tipos de Instrumentos

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Tipo Funcin

Ciego: No Kene indicacin visible de la variable.

Indicador: Indica el valor de la variable.

Registrador: Registra la variable.

Sensor: Capta la variable de proceso

Transmisor: Transmite la variable en una seal normalizada.

ConverKdor: Convierte una seal de un Kpo a otro Kpo.

Controlador: Ejecuta algoritmo control.

Actuador: Modica una variable del proceso.

Tipos de Instrumentos

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Registradores Controladores

Ciegos Transmisores Indicadores

Actuadores

Sensores

I.4 Unidades de Ingeniera

Unidades de Ingeniera Variable MKS Unidad Inglesa Unidad Conversin

Longitud metro m foot g 1 g = 0.3048 m

Masa Kilogramo Kg pound lb 1 lb = 0.4536 kg

Tiempo segundo s second s

Temperatura Kelvin K Rankine R 1 R = 5/9 K 1 K = 273,15 + C 1 C = (F-32)*5/9

Presin Pascal Pa pound per in^2

psi 1 psi = 6895 Pa

Potencia Wa~ W Horsepower Hp 1 Hp = 746 W

Mtodo de Conversin de Unidades

Ejemplo 1: ConverKr 100 HP a W: 1 Hp = 746 W => 100 Hp = 100 * 746 W = 74600 W = 74.6 kW

Ejemplo 2: ConverKr 30 psi a Pa: 1 psi = 6895 Pa => 30 psi = 30*6895 Pa = 206850 Pa = 206,85 kPa

Ejemplo 3: La formula de ujo en una tubera es Q = A*v, Q en m3/s. Si el rea es 1.5 m2 y la velocidad es 2 m/s, cual es caudal en lt/min.

I.5 Deniciones

RANGO Conjunto de valores de la variable medida que estn comprendidos entre los lmites superior e inferior de la seal de salida del instrumento. Ejemplo: Transmisor de Presin.

LRV: 0 kg/cm2g --> 4 mA URV: 10 kg/cm2g --> 20 mA Rango del instrumento: 0 a 10 kg/cm2g

LRV: Lower range value URV: Upper range value

SPAN Es la diferencia algebraica entre los valores calibrados superior

e inferior del rango. Ejemplo: Rango : -20 a 100 C

URV = 100 LRV = - 20 Span = URV LRV = 120 C.

OTRAS DEFINICIONES

Concepto Denicin

Error Valor Ledo Valor Verdadero

ExacKtud Grado de error respecto valor ideal

Precisin Cualidad de dar la misma medicin repeKdas veces

Histresis Diferencia mxima, para el mismo valor de medida, ascendente y descendente.

Preguntas de repaso

Preguntas de repaso

1.- Si el Span de un instrumento transmisor de nivel por presin hidrost2ca es 12 mca, entonces: Cul de las siguientes armaciones es verdadera?:

a) EL URV es 12 mca b) El LRV es -12 mca c) El rango del instrumento es -14 a -2 mca d) Ninguna de las anteriores. 2.- Si el error de un transmisor de presin es +/- 0.5% del span. Cual es el error de una

lectura de 20 psig en un instrumento calibrado de -10 a 90 psig?:. a) +/- 0.45 psig b) +/- 2.5% c) +/- 2.25% d) +/- 0.1 psig

I.6 Seales

Seales Instrumentacin

Seal Observacin

NeumKca Presin de aire 3 - 15 psig.

Anlogica Corriente 4 20 mA

Discreta On/O Voltaje dos estados: 0 / 110 VAC; 0 /24 VDC; 0 /125 VDC

Comunicaciones Bus de comunicaciones protocolo digital. Fieldbus, Probus, Hart.

Wireless Comunicacin sin alambres va radiofrecuencia.

Seal NeumKca

3-15 psi

Presin [psi]

Posicin Vlvula

Paso de Fluido

3 0% Cerrada 7 9 15 100% Abierta

Seal Analgica

4-20 mA

Presin [psi] Seal Voltaje

0 4 mA 25 50 75 100 20 mA

Seal Discreta On/O

0 ;24 VDC

Nivel [%] Seal Voltaje [V] 0 "0" 0 50 75 100 "1" 24

Preguntas de repaso

1.- La salida de un transmisor 4-20 mA de dos hilos, es de 10 mA, si este transmisor se conecta a un PLC con entrada anloga que posee una resistencia de 250 Ohm, entonces: Cual ser el voltaje en el canal de entrada, para dicha corriente?.

a) 2.5 V b) 10 mA c) 1.5 V d) 3 V

Problema de Tarea

Dado un estanque de 15 mt de altura y 50 mt de dimetro, calcular: a.Rango y Span de un instrumento transmisor de presin hidrostKca para medir el nivel del estanque. La toma se encuentra ubicada a pie de estanque. b.Si la salida es 4-20 mA. Cual es el nivel del estanque si abriendo el lazo mide 6.85 mA?. c.Si la exacKtud del instrumento es 0.5% del span. Cual es el error en la lectura del nivel del punto anterior?. d.Si el estanque almacena gasolina 93 octanos( $ 900 / litro). Cual es el valor monetario del error de medicin?.

Problema de Tarea

Problema de Tarea

Problema de Tarea

Problema de Tarea

Problema de Tarea

Problema de Tarea