Instrumentación Inteligente

La asignatura Instrumentación Inteligente es de carácter

práctica perteneciente al área de especialidad de la carrera

de Automatización y Control Industrial. Su propósito, es

entregar a los alumnos los conocimientos teóricos y

prácticos requeridos para la configuración y puesta en

marcha de instrumentos industriales con características de

procesamiento inteligente de la información, además

permite desarrollar las destrezas en lo referido al uso de la

tecnologías de la información TIC, la seguridad industrial

y el trabajo en equipo.

Instrumentación inteligente

La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de

producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a

un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado

consta de dos partes principales:

• Parte de Mando.

• Parte Operativa.

UNIDAD I: Acceso a Datos en un Instrumento Inteligente

La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como motores, cilindros, compresores ..y los captadores como fotodiodos, finales de carrera.

La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada) . En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.

Proceso, Instrumentos y Control en Lazo

Cerrado

Evolución de los Instrumentos

Industriales

Evolución de los Instrumentos Industriales

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan

en señales analógicas neumáticas, electrónicas de 4-20 mA c.c y digitales, siendo estas

ultimas capaces de manejar grandes volúmenes de datos y guardarlos en unidades

históricas, las que están aumentando día a día sus aplicaciones.

Evolución de las funciones integradas en un equipo de

medición industrial.

1940 1950 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Neumática: 3-15 psi

Analógica: 4-20 mA

: Hart:Analógica más digital

Digital: Fieldbus

Transferencia de información en los sistemas

de automatización

Áreas de aplicación en la industria moderna

Centro de Control

Almacén Empaque

Mantenimiento

Recepción

Proceso Batch

Proveedores Manufactura Clientes

Ordenes de Fabricación

Entregar de forma rápida y

oportuna

Minimizar Tiempos de Ciclo

Maximizar la Eficiencia

Beneficios directos de la Automatización

¿Dónde es posible aplicar la instrumentación inteligente?

Monitoreo de Procesos

Administración de Activos

Automatización

Acceso Remoto

Detección de tomas

Monitoreo estadístico de procesos

Mantenimiento predictivo

Perfiles de Reactores

Perfiles de Columnas

Eficiencia de Intercambiadores de calor

Eficiencia de Calderas

Partida/Parada de Motor

On/Off Bombas

Válvulas On/Off

PID Simples

Estanques

Pozos

Zonas de Carga

Plantas de Efluentes

Avances en el procesamiento de la información

- Sólo una Magnitud.

Diagnóstico del Transductor

Entrada analógica

Caracterización de señales

Selectores de entrada de señal

P I D

Control

PID

Integradores

Ƒ=[(a+b)± z÷y]

Bloques Aritméticos

Capacidad de Procesamiento de la instrumentación inteligente

Bloques de función de un instrumento inteligente Los bloques de funciones se encuentran en un dispositivo a Nivel de usuario (Capa usuario) - Dedicada basada en bloques que representan las diferentes funciones de aplicación. Los bloques son: • Bloque de recursos o RB (Resource Block): características del dispositivo, fabricante, modelo y número de serie. • Bloque de Transductor o TB (Transducer Block): tipo de sensor, fecha de calibración, estado del sensor, etc • Bloques de Función o FB (Function Block): con las estrategias de control del sistema (entrada analógica, control PID, alarmas, ratio, selector de control, etc.) y gestión de alarmas, históricos y parámetros, a acceder a nivel de las estaciones de operación.

Evolución y Escalabilidad de los Sistemas

Sistema Independiente Sistemas pequeños, locales, que

posteriormente pueden

combinarse en sistemas a nivel de

toda la planta.

Distribuido Sistemas para áreas de gran

tamaño

Integración de la planta o con

una sola arquitectura

QUA LI TY

Allen-Bradley PanelView

Sistema local pequeño Sistemas distribuidos de gran tamaño

Sistema Centralizado Sistemas medianos, locales, que

posteriormente pueden

combinarse en sistemas a nivel

de toda la empresa.

Niveles jerárquicos en una red industrial

… conexión directa y control en tiempo real

de dispositivos a controladores

… conectar la HMI a

controladores y dispositivos

… proveer enclavamientos

en tiempo real controlador-a-controlador

…conectar sistemas de negocios

al sistema de control

… ganar acceso remoto

sobre la red corporativa en Internet

… distribuir o incrementar la cantidad

de I/O para control en tiempo real

…proveer mensajería

entre controladores

… programar, configurar, y

monitorear el sistema

Controlador

Central

Adquisición de datos y alarmas

a nivel de Controlador

Red de Comunicación

Sistema de entradas y salidas

Distribuidas

Bus de Campo

Descentralización de Funciones y Tareas

Módulos y funciones

integradas

Funciones de Control

Asignadas al Instrumento

de campo

Proceso

Requerimientos de Integración

• Configuración de Históricos

• Comparación de configuraciones

• Auditoria de la instrumentación

• Monitor de alarmas

• Rutinas de calibración

Administración de Instrumentos de

campo

Sistema sin capacidades I/O

Digitales

Ethernet

Protocolos Estándar

Bus de Campo Industrial

Datos de Proceso

y Status

Mantenimiento: Antes de su aparición, la calibración y el cambio del margen de medida

debían realizarse normalmente en el taller de instrumentación, lo que

equivalía a disponer de aparatos de repuestos para continuar trabajando

con el proceso, siendo inevitable la marcha a ciegas durante el tiempo requerido para el cambio mecánico del instrumento. Por ejemplo, la

calibración de un instrumento de nivel típico requiere el vaciado del

estanque, el desmontaje del aparato y su calibración en el taller de

instrumentos. Además, si se precisa que el proceso continúe en

funcionamiento, es necesario montar una brida ciega en la brida del

transmisor de nivel para poder llenar el estanque y continuar las operaciones de fabricación.

• La información recibida desde el campo permite generar rutinas de control preventivo.

• Es posible mantener una base de conocimiento.

• Aumenta la disponibilidad de los equipos.

• Disminuye los tiempos muertos por ruptura de equipos.

Administración del Mantenimiento Evento:

Instrumento PT-10-3A indica medición

fuera de rango

Recomendaciones:

Las líneas de impulsión pueden contener

presión. Despresurizar antes de

desconectar.

Procedimiento:

Remover partículas desde la línea de

medición.Verificar Sensibilidad y Damping

configurado en el transmisor. Recordar que

debe ser igual o superior a 3 veces el

retardo característico del proceso.

Base de Datos

Calibración directa y digital, manual y automática de los

instrumentos de una planta.

Calibración directa

Calibración manual

Calibración digital manual

Calibración digital automática

Optimización de la respuesta de

los lazos de control.

Ventajas asociadas :

• Aumento en la calidad de

los productos terminados.

• Optimización en el consumo

de materias primas.

• Reducción de la variabilidad

de los procesos.

• Disminución de fallas y

desgaste en equipos

sometidos a variaciones

extremas.

Sistemas Wireless en aplicaciones no críticas

Software de Administración de la

instrumentación de Campo

Capacidades de Comunicación con otros

sistemas de Control y Adquisición de

datos.

Plataformas de supervisión y control conectadas en línea con el proceso

Transmisor de campo con capacidades de

autodiagnóstico y transmisión constante

de los datos de la variable bajo medición.

Conectividad remota a los

Sistemas de Automatización

• Permite Integrar instalaciones remotas a la Arquitectura de Automatización y Control.

• Optimiza la Administración de Activos en las instalaciones remotas.

• Ahorro de costos por disminución de viaje.

• Reduce exposición a riesgos al personal de mantención.

Estructura desarrollada para el estudio de los sistemas integrados

de automatización incorporando instrumentación inteligente

TRANSMISORES DIGITALES

Cuando apareció la señal digital aplicable a los transmisores, mejoró notablemente la exactitud

conseguida en la medida. La señal de proceso es muestreada a una frecuencia mayor que el

doble del de la señal (teorema de muestreo de Nyquist-Shannon) y de este modo, la señal

digital obtenida consiste en una serie de impulsos en forma de bits.

Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código

binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal

a través de un conductor. Si la señal digital que maneja

el microprocesador del transmisor es de 8 bits entonces puede enviar 8 señales binarias (0 y 1)

simultáneamente. Como el mayor número binario de 8

cifras es: 11111111= 1x20+1x21+1x22+1x23+……..+1x27 = 255 ; se

sigue que la exactitud obtenida con el transmisor

debida exclusivamente a la señal digital es de : (1/255)

x 100 = +/- 0,4%

Ejemplo: Si la señal es de 16 bits entonces puede manejar 16 señales binarias. ¿Cuál es el mayor

número binario de 16 cifras?¿cuál es su exactitud?

Comunicador portátil: Para visualizar la señal de salida, los

datos de configuración, el margen de funcionamiento y otros

parámetros, y cambiar los ajustes del campo de medida se utiliza

un comunicador portátil, que se conecta en cualquier punto de la

línea de transmisión, permite comprobar desde el propio

transmisor o bien desde el controlador, o desde cualquier punto de

la línea de conexión, el estado y calibración del transmisor, así no

es necesario el desmontaje del instrumento para su calibración en

laboratorios.

Computador o notebook personal (PC) (en

siemens llamado PG). El transmisor o varios transmisores, pueden conectarse, a través de una

conexión RS-232, a un computador que con el

software adecuado es capaz de configurar

transmisores inteligentes. (field care de E+H)

Otras ventajas. Si el transmisor

inteligente, en lugar de incorporar dos

hilos de señal analógica (4-20mA),

incorpora comunicaciones Profibus y

Foundation Fieldbus, emplea sólo un hilo

de transmisión de las señales digitales y el

costo de mantenimiento es más reducido.

Veamos un ejemplo con un equipo inteligente HART.

Este es un equipo con salida analógica de 4-20mA con tecnología integrada digital

para conexión a protocolo HART de Endress Hauser.

En este ejemplo la misma aplicación para entrar a los parámetros del

equipo pero desde una conexión con software para PC de lectura HART.

En algunos casos también está la posibilidad de tener un indicador local de

campo para visualizar algunas funciones, parámetros y variables.

Algunos de los fabricantes que suministran instrumentos digitales

que cumplen el estándar (Fieldbus, Profibus o hart) son:

• ABB, Dresser Valve Division

• Endress + Hauser, Fieldbus Inc.

• Fisher Controls Interna onal, Inc,

• Fisher-Rosemount Systems

• Foxboro (and Foxboro-Eckardt),

• Honeywell

• Micro Motion Inc.,

• Rosemount Inc.,

• Yokogawa Electric Corporation,

• SAMSON AG

• NaTional Instruments

• Yamatake Corporation.

Fabricantes de Instrumentos Inteligentes

Y entre los mismos se encuentran:

• Medidor de caudal másico

• Transmisor de presión.

• Transmisor de conductividad

• Transmisor de pH, ORP, etc.

• Transmisor de temperatura.

• Medidor de caudal electromagnético.

• Posicionador de válvula de control.

• Transmisor de presión diferencial. Transmisor de nivel por radar.

• Medidor de caudal ultrasónico.

• Transmisor de presión absoluta.

• Analizador de oxígeno.

• Cromatógrafo.

Ejercicios: De acuerdo a los instrumentos mostrados en la figura, mencione el protocolo de comunicación que dispone cada instrumento y describa la función que cumple cada uno de estos.

Marca: Fisher Modelo:DVC6200p Marca : FOXBORO

Modelo: CFT50

Marca:Endress+Hauser Modelo: Micropilot FMR51

Marca:Rosemount Modelo: 3051.

Marca: Yokogawa Modelo: YTA320

Marca: Siemens Modelo: SITRANS F M MAG 5000