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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL EN INSTALACIONES PETROLERAS

Jesús Enrique Otero Ramos

INTRODUCCIÓN

Cuando yo trabajaba en la industria petrolera los controles de la totalidad de las estaciones de flujo eran neumáticos y muchos de los paneles de control de las plantas motocompresoras eran neumáticos, y para ese momento hasta los controles de la refinería de Puerto la Cruz eran neumáticos. Hoy día la industria petrolera para optimizar sus procesos, maximizar sus protecciones, y llevar registros de las variables operacionales de las instalaciones, va en la vía de que todos los equipos utilizados para automatizar, proteger y controlar, sean parte integral de la red corporativa, y por ello la visión de tener los instrumentos y equipos para atender las variables operacionales en sus instalaciones usando PLC interconectados a la redes de control y corporativa. No han cambiado las instalaciones petroleras, han cambiado las tecnologías para su automatización, protección y control. Con este libro pretendo cubrir las necesidades de información que yo tenia en 1987 cuando llegue como ingeniero a la Sección de Instrumentación de la Gerencia de Mantenimiento del Distrito Anaco (CORPOVEN Ex filial PDVSA) y sin conocer una válvula de control. Tengo amigos con quienes trabaje en Anaco (Estado Anzoátegui) que me enseñaron casi todo lo que sabían y desde aquí mi gratitud para con ellos y a través de este libro pretendo proporcionar la información que las nuevas tecnologías ofrecen para instrumentar y cerrar los diferentes lazos de control desde la visión de los controladores y sus arreglos de control desde los PLC. Al renunciar a la industria petrolera en 1993 para retornar al mismo trabajo que tenia como Profesor Universitario y al mismo lugar a donde antes trabajaba, he tenido el tiempo y los estudios para organizar las ideas de ambas actividades laborales, como para atreverme a escribir este libro que busca ayudar a ese profesional técnico (que al igual que yo en 1987) ingresa como: ingeniero, TSU, supervisor, en las industrias y que posiblemente necesite información, de sus instrumentos, sus controles, las topologías de los arreglos de control, de la entonación de sus lazos y que probablemente no encuentre con facilidad la información, ni tenga el entrenamiento que le permita aprender de los mismos para atender responsabilidades de instrumentación y control. Con el primer capitulo se entrega la información para interpretar los planos Procesos-Instrumentos de las instalaciones petroleras y sus clasificaciones de áreas, en el segundo capitulo se ofrece la información de los diferentes transductores que son utilizados por los transmisores para enviar sus señales eléctricas hasta los controladores. Con los capítulos 3, 4, 5, 6 y 7 se proporciona la información clásica de las válvulas de control y de los diferentes instrumentos para indicar y transmitir las variables operacionales de: presión, nivel, temperatura y caudal, así como, las definiciones de los lazos de control. Con los capítulos 8, 9, 10, 11 y 12 se entra en análisis mas profundos como para considerar: las respuestas transitorias de los procesos industriales vista sus señales de entradas desde los controladores que conforman el lazo de control, las diferentes topologías de control: simple, cascada, feedforward, cascada+feedforward, override, inferencial, rango partido, las entonaciones PID de los lazos de control, transmisores inteligentes y las redes del control.

PREÁMBULO y TESTIMONIO La atención de este libro considera solamente las variables operacionales: presión, nivel, temperatura y caudal, ejemplarizando su uso en instalaciones petroleras. Pocas variables operacionales en pocas instalaciones industriales. Con tan pocas herramientas, como comparar esto para pretender entender por ejemplo, cuando a cualquiera de nosotros se le acerca algo de repente a la cara y en forma instantánea, ve, siente, huele, escucha, y por ello responde esquivando el objeto, cerrando los ojos, y pensando en lo que ocurrió. ¿Cuántas variables?, ¿Cuántos Lazos de control?, ¿En que topologías de control se regulan todos los elementos finales de control? ¿Cómo es ese arreglo de respuestas de un simple acto del reflejo humano? Parece que es un arreglo de control que considera muchas variables y muy complicado para regular inmediatamente y simultáneamente los músculos que movieron el cuerpo, movieron el cuello, cerraron los ojos y además nos puso a pensar. Desde el punto de vista de la instrumentación y control, por lo menos para mi es imposible de entender. Quien no tendrá ninguna duda para conocer con el lujo del detalle su funcionamiento es su diseñador y constructor. Padre Celestial, Omnipotente y Omnipresente, que este libro me sirva para testimoniar mi fe en ti, Tú que diseñaste y construíste el universo, para la luz, vida eterna, la salud, la verdad, la prosperidad, todo lo bueno y grande que sea a la imagen y semejanza de tus valores, y para Ti, Hermano Mayor Cristo, que nos extiendes tus brazos a todos nosotros tus hermanos, para guiarnos como la luz y el camino hacia Nuestro Padre Celestial.

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL EN INSTALACIONES PETROLERAS índice. CAPITULO 1: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos 1. Importancia de la Instrumentación Industrial

2

2. Funciones de los Instrumentos

4

3. Simbología de las Normas ISA

5

4. Planos procesos-Instrumentos

16

5. Clasificación de Áreas

25

6. Definiciones

29

CAPITULO 2: Transmisores y Transductores 1. Transmisores y Transductores 2. Transductores Eléctricos

2 12

2.1

Transductores Potenciometricos

13

2.2

Transductores Capacitivos

16

2.3

Transductores Inductivos

19

2.4

Transductores de Resistencia Variable

22

2.5

Transductores Piezoeléctricos

25

2.6

Termocuplas

26

CAPITULO 3: Válvulas de Control 1.

Válvulas de Control de Regulación en la Jaula

2

2.

El Actuador o Servomotor Neumático

6

3.

E! Cuerpo

7

4.

Apertura Rápida, Lenta y Lineal

9

5.

Acción Directa e Inversa de la válvula de Control

11

6.

Mayor desplazamiento con la misma señal de control

13

7.

Diferentes Tipos de Válvulas

15

8.

Parámetro de Selección de las Válvulas de Control

24

9.

Dimensionamiento de la Válvula

26

10. Cavitación y Ruido en las válvulas

29

CAPITULO 4: Presión 1. Presión

2

2. Indicadores de Presión

5

3. Transmisores de Presión

8

4. Calibración de Transmisores

15

5. Interruptores por Presión

17

6. Válvulas de Seguridad

19

7. Reguladores

22

8. Medición de Presión en Instalaciones Petroleras

25

9. Lazos de Control

29

CAPITULO 5: Nivel 1. Instrumentos de Medición Directa

3

1.1. Medidor de Sonda

3

1.2. Medidor de Gancho

4

1.3. Medidor de Cinta Graduada

4

1.4. Medidor de Visores de Cristal

4

2. Instrumentos que utilizan la Presión Hidrostática

5

3. Medición de Nivel usando Diferencias de Presión

10

4. Mecanismo de Desplazamiento y Flotadores

16

4.1. Instrumentos de Flotador

16

4.2. Medidor de Nivel Tipo de Desplazamiento

20

5. Instrumentos que Aprovechan Característica del Liquido

23

5.1. Transmisores Capacitivos

23

5.2. Transmisores Ultrasónico

..25

I

5.3. Transmisores Rayos Gamma

28

6. Interruptores de Nivel

28

6.1.

Interruptores Conductivos

29

6.2.

Interruptor con Flotadores

29

6.3.

Interruptores de Diafragma

31

6.4.

Interruptor Ultrasónico

32

6.5.

Interruptor Óptico

33

7. Instrumentación de Nivel en Instalaciones Petroleras

35

8. Lazos de Control de Nivel

40

CAPITULO 6: Temperatura 1. Variación de Fase

2

1.1.

termómetro de Vidrio

2

1.2.

Termómetro de Bulbo y Capilar

2

1.3.

Termómetro Bimetalito

3

2. Variación de Resistencia del Conductor

4

2.1.

Resistencia Térmica PT-100

4

2.2.

Conexión y Calibración del Transmisor

8

3. Generación f.e.m. en la unión de dos Metales

11

4. Transmisores de Temperatura

17

5. Intensidad de Radiación Emitida por un Cuerpo

20

6. Temperatura en Instalaciones Petroleras

20

7. Lazos de Control

24

CAPITULO 7: Caudal 1. Caudal

3

2. Medidores Volumétricos

4

2.1. Instrumentos que aprovechan la Presión Diferencial

4

2.2. Corrección para Fluidos Compresibles

9

i

2.3. Elementos Primarios para Sensar la Presión Diferencial

12

2.4. Transmisores de Flujo

16

3. Instrumentos de Desplazamiento Positivo

18

3.1. Medidor Birrotor

18

3.2. Medidor Oval

21

4. Instrumentos que Aprovechan la Velocidad

22

4.1. Medidor de Turbina

22

4.2. Medidor Ultrasónico

24

5. Instrumentos que usan el Par Giroscópico

26

6. Computadores de Flujo

28

7. El Caudal en Instalaciones Petroleras

30

CAPITULO 8: Análisis de Respuesta Transitoria 1. Lazo de Control

2

1.1.

Breve Reseña Histórica

2

1.2.

Esquemas de Control

3

1.3.

Lazo de Control Abierto

6

1.4.

Lazo de Control Cerrado

8

1.4.1.

Lazo Sistema de Control Cerrado TODO-NADA

1.4.2.

Sistemas de Control a Lazo Cerrado

9 10

2. El Controlador y Transmisor en los Lazos de Control

14

3. Análisis a la Respuesta del Régimen Transitorio

18

3.1. Identificación del Escalón, Rampa e Impulso

19

3.2. Sistemas de Primer Orden

23

3.3. Sistemas de Segundo Orden

27

3.3.1. Lazo de Control en Sistema de 2do Orden

30

3.3.2. Respuesta al Escalón Unitario

32

3.3.3. Especificaciones de Respuesta Transitoria

34

3.3.4. Respuesta al Impulso Unitario 3.3.5. Control PID en Sistema de 2do Orden

35 37

CAPITULO 9: Topologías de Control 1. Consideraciones del Hardware y Software de los PLC

2

2. Lazos de Control Simples

6

3. Lazos de Control en Cascada

11

4. Lazos de Control en Feedforward

16

5. Lazos de Control Feedforwar-Cascada

19

6. Lazos de Control Selectivo

25

7. Lazos de Control Override

27

8. Lazos de Control de Rango Partido

30

9. Control Inferencia!

36

CAPITULO 10: Entonación de Lazos de Control 1. Lazos de Control

2

1.1. Lazo de Control de Presión

2

1.2. Lazo de Control de Nivel

5

1.3. Lazo de Control de Caudal y Temperatura

7

2. Análisis de las Acciones de Control PID

9

2.1.

Acción de Control Proporcional

10

2.2.

Acción Proporcional-Integrativa

15

2.3.

Acción Proporcional-Derivativa

18

3. Entonación de los Lazos de Control

21

3.1.

Calculo de la Ganancia (Kp)

23

3.2.

Calculo del Ajuste Integrativo (Ti)

24

3.3.

Calculo del Ajuste Derivativo

25

4. Consideraciones de Entonación para Topologías de Control

27

E

CAPITULO 11: Transmisores Inteligente 1. Transmisores Analógicos

2

2. Transmisores Inteligentes

11

3. Hardware de los Transmisores Inteligentes

16

4. Software de los Transmisores Inteligentes

28

5. Protocolo Modbus

37

CAPITULO 12: Redes de Control 1. Redes de Control

2

1.1. Nivel de Campo y Procesos

4

1.2 Nivel de Control y PLC

8

1.3. Nivel de Gestión y Redes

15

2. Modelo OSI

17

3. Modelo TCP/IP

28

3.1. Arquitectura TCP/IP

31

3.2 Capa Transporte (TCP)

32

3.3. Capa Red (IP)

35

4. Hardware de los PLC...

,..28

D

I

LECTURA DE PLANOS PROCESOS-INSTRUMENTOS. 1. Importancia de la Instrumentación Industrial..........2 2. Fu nciones de los Instrumentos..............................4 3. Simbología de las Normas ISA..............................5 4. Planos Procesos-Instrumentos

16

5. Clasificación de Áreas

25

6. Definiciones..

29

Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras

Jesús Enrique Otero Ramos

1. IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Los procesos industriales tienen como función la de transformar, semielaborar, elaborar, las materias primas que sirven de entrada al proceso y convertirlos en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso. Para ello requiere de un conjunto de equipos, maquinas, controles que en su integración permiten la modificación de las materias de entrada al proceso en productos de salida del proceso. Para realizar las transformaciones de los productos de entrada es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales eléctricas que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional sensada, instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, así como otros instrumentos que trabajaran como equipos o dispositivos de seguridad. Hoy día es inimaginable una industria sin instrumentos. Como un ejemplo de esta realidad, se muestra en la siguiente figura el esquemático pictórico una industria de elaboración de papel, donde se presenta la integración del conjunto de maquinas y equipos que se utilizan para la transformación de las materias primas que entran al proceso, con las del papel como producto acabado, que salen del mismo.

En estos procesos industriales se hace necesario a lo largo de las diferentes etapas que conforman las líneas de producción, elaboración, o modificación de los productos, de un conjunto de instrumentos para realizar las diferentes

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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mediciones y controles de las variables operacionales del proceso tales como (Temperatura, Nivel, Presión, Caudal, PH, Densidad, Humedad, Velocidad, etc.) las cuales serán las variables operacionales representativas de cada una de las etapas que conforman la industria y a las cuales será necesario controlar y así buscar la garantía que los productos de cada etapa y por ende los productos finales del proceso industrial se correspondan con las especificaciones que se esperan de ellos. Para esto es necesario tener un conjunto de instrumentos que permitan medir y controlar, en cada uno de los equipos que integran la industria, las variables operacionales determinantes de cada etapa del mismo. Estos instrumentos estarán clasificados según:

1. La variable operacional a la que pertenecen: s

Temperatura.

s Nivel. s Caudal. ^ Presión.

s Etc.

2. La función que cumple el instrumento. s Indicar. s Transmitir. s Controlar. s

Registrar.

3. El tipo de instrumento. 0 Mecánicos. 0 Eléctricos. 0

Electromecánicos.

0

Electrónicos.

0 Neumáticos. 0

Hidráulicos.

La aplicación de la Instrumentación Industrial es fundamental en los controles de los procesos industriales, los cuales son cada vez más sofisticados para garantizar que las acciones que se realizan para transformar la materia prima y los demás insumos de la industria se corresponden con los requerimientos recientes de seguridad en la operación de los equipos, un control más estricto de calidad de los productos, de mayores eficiencias energéticas y la preservación del medio ambiente. Para ello se hace necesario que el conjunto de instrumentos utilizados estén acordes a las tecnologías actuales. Las funciones propias de los instrumentos: indicar, transmitir, controlar, registrar,

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debe aplicársele a cada variable operacional relevante en cada una de las diferentes etapas que conforman la industria. Estas aplicaciones de las diferentes funciones de los instrumentos se ejemplariza en la siguiente figura, donde se observan como son necesarios los mismos para tener, transmisores, control, registro y los elementos finales de control, para la atención de los lazos de control de las diferentes variables operacionales del proceso industrial y los indicadores que estarán conjuntamente con los equipos para permitir que los operadores visualicen la magnitud de las variables.

(1)

Pasta de pino

INDICADORES

-Temperatura - Presión

^

^

Papel

^

Productos Químicos

i

PROCESOS INDUSTRIALES (tmpresa de Papel)

1 >— "1

w

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

•TKimammwfxmtXfmmimmaiiiKiii» ai

{

Papel de Bolsas

Papel de r cajas

fc.! H

f 1 (4)

| < - Flujo.

válvulas de control Contactores Válvulas solenoides Alarmas

(2) - Caudal

TRAPJSMISORES

- 4 - 20 mA - on - off - Comunicación serial

CONTROLADO)F,ES odia uc UJM tr Oí

- Nivel

I - Temperatura

. (3)

\ ^ - Velocidad

/•

^ ^

^

- 4 - 20 n lA - on - off - Electro magnético - Fibra óp tica - Comunic ación serial

2. FUNCIONES DE LOS INSTRUMENTOS: 1. Indicadores: Están instalados directamente en el proceso industrial y permiten que los operadores visualicen la magnitud de la variable operacional directamente donde están las maquinas y equipos. 2. Transmisores: están conectados en el proceso industrial y envían una señal eléctrica, electromagnética, comunicación serial, etc, que será proporcional a la magnitud de la variable operacional. 3. Controladores Electrónicos: Estarán instalados preferiblemente fuera del área del proceso y se encargan de comparar la magnitud de la variable, controlada enviada por el transmisor con el valor deseado de la variable

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operacional, el controlador aplicara los correctivos a partir de esta diferencia y enviara las señales de control hacia los convertidores que regularan los elementos finales de control. 4. Elementos finales de control: están instalados en el proceso y son quienes se encargan de modificar el comportamiento de las variables operacionales con sus accionamientos. Para visualizar los equipos e instrumentos que están en las industrias para atender: la transmisión de la magnitud de las variables, el control y elementos finales de control se muestra a continuación un esquemático pictórico con los transmisores, los Controladores Lógicos Programables (PLC) y una válvula de control que conforman los equipos que ejecutaran los lazos de control de las variables operacionales del proceso industrial.

3. SIMBOLOGIA de las Normas ISA. Los equipos e instrumentos que integran los procesos industriales podrán estar representados por una simbología que les permite a los expertos a través de los esquemáticos de Procesos, Tuberías e Instrumentos (DTI o P&I) conocer: la integración de los equipos, sus controles, sus protecciones, sus indicadores, el tipo de instrumento, su ubicación, etc. La simbología ISA, es posiblemente la más comúnmente utilizada y será la simbología que se utilizara a lo largo de este texto. Con la finalidad de ir desarrollando en forma secuencial las ¡deas que permitan comprender cada una de las funciones que cumplen los instrumentos y la simbología establecida para representarlos, se toma como

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ejemplo un tanque de almacenamiento de líquidos al cual se le irán incorporando en forma progresiva los diferentes instrumentos (se indican inicialmente en forma pictórica y posteriormente con la simbología de las normas ISA) para atender los requerimientos de medición y control que se tendrán en el mismo. En el tanque de almacenamiento se necesitan los indicadores de presión, nivel y temperatura, así como el transmisor, controlador, convertidor I/P y válvula de control para establecer un lazo de control de nivel. En la siguiente figura se muestran en forma pictórica los indicadores de nivel, presión y temperatura los cuales le permitirán al operador conocer la magnitud de estas variables operacionales, al observar directamente sobre estos instrumentos el valor de la medida indicada. Manómetro. Indicador de presión. Visor. Indicador de nivel.

Termómetro: Indicador de temperatura.

Operador.

Para controlar el nivel en el tanque, se le deben instalar los instrumentos y controles para ejecutar este lazo de control Se debe instalar un transmisor de nivel el cual enviara una señal eléctrica directamente proporcional a la magnitud del nivel en el tanque hasta el controlador, es necesario tener un controlador que reciba la señal del transmisor y la compare con el valor deseado y así calcular la señal de error de la variable controlada, este controlador aplicara las acciones de control Proporcionales-Integrativa-Derivativa (PID) a la señal de error y generara una señal eléctrica de salida hacia el proceso industrial el cual alimentara al convertidor Corriente-Presión (I/P). La salida neumática del convertidor I/P regulara la apertura de la válvula de control y con ello se regulara la salida del fluido del tanque y con ello el control de nivel del mismo. En la siguiente figura se muestra en forma pictórica el transmisor de nivel, el PLC que hará las funciones de controlador, el convertidor corriente-presión I/P y la válvula de control, los cuales conformaran el lazo de control de nivel. Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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Manómetro: Indicador de presión. Termómetro: Indicador de temperatura.

Operador

Controlador Lógico Programable (PLC) Controlador

Como una conclusión de la figura anterior se puede observar, que en la medida que es necesario incorporar un nuevo instrumento se le fueron agregando en forma pictórica al tanque los indicadores de nivel, presión y temperatura para que el operador pueda mirar las magnitudes de las mismas. Para implementar el lazo de control de nivel en el tanque se le incorporaron el transmisor de nivel, el Controlador, el convertidor I/P y la válvula de control. De la misma manera si existe la necesidad de implementar otro lazo de control para otra variable, habrá que agregarle otro transmisor de la de otra variable operacional hasta el PLC, otro Controlador en el PLC, otro convertidor I/P y otra válvula de control. Con ello se estarán incorporando nuevos instrumentos con cada nueva necesidad, sin embargo:

No

se

deben

estar

pintando

cada

uno

de

los

instrumentos necesarios a ser conectados al tanque. Los esquemáticos pictóricos de los instrumentos no deben estar utilizándose en los planos procesos-instrumentos; para ello, en la industria se debe utilizar la simbología de instrumentos que están en las normas de instrumentos, los cuales son atendidos, por ejemplo, en las normas ISA. Bajo estas especificaciones de las normas ISA, se reemplazaran las figuras pictóricas de los instrumentos por los símbolos que están definidos en las Normas. En las Normas ISA se utilizara para identificar los instrumentos y los controles que

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-instrumentos

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están en los esquemáticos Proceso-Instrumentos un conjunto de círculos con letras y números que reemplazaran las figuras pictóricas. Estos círculos tendrán incorporados en la parte superior letras y en la parte inferior números, la primera letra estará para identificar la variable operacional a la que pertenece el instrumento, las siguientes letras estarán para identificar las funciones que cumple el instrumento y en la parte inferior para identificar el numero o el lazo a que pertenece el instrumento. En las siguientes figuras se muestra como ejemplo el uso de las letras y números que identifican los instrumentos y un ejemplo de cómo representar con esta simbología el esquemático pictórico anterior.

Ira letra: Representa la variable operacional a la cual trabaja el instrumento. P: Presión. T: Temperatura. L: Nivel. F: Caudal. 2da y 3ra letra: Representa la función que ejecuta el instrumento. I: Indicar. T: Transmitir. C: Controlar. Registrar. Numeración: Sirve para identificar el lazo de control a la cual esta asociado el instrumento, o su locación en la planta; de manera de diferenciar instrumentos iguales que cumplen igual función pero conectados y localizados en diferentes equipos.

F: Flujo

L: Nivel

I: Indicador

I: Indicador

T: Transmisor

C: Controlador

02: No Instrumento

05: No Lazo de Control

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

8

Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras

SIMBOLOGIA

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ISA.

La instrumentación industrial se ejecuta en dos grandes actos, medir y controlar. En el caso de medir, la normalización esta inmersa desde las unidades utilizadas hasta el método aplicado. Es imposible aislarse del mundo y utilizar unidades propias o métodos de medición exclusivos. Es necesario que las medidas sean reproducibles en cualquier sitio del planeta con el mínimo de error. Para ello existe la norma, para reglamentar, para equilibrar, para mecanizar y por supuesto para legislar. La normalización es el resultado de un proceso continuado de comunicación entre productores y consumidores. Es el producto de la industrialización y el intercambio comercial internacional. La normalización es parte integral de la instrumentación industrial. Es necesario conocer y manejar aspectos relativos a las normas para escoger un dispositivo o método de medición. La normalización se convierte entonces en una herramienta para el diseño, especificación, organización y dirección. La sociedad americana de instrumentación ^^/ constituyo un conjunto de nornas para ¡mplementar los símbolos e^raentificacion de los diferentes equipos que se utilizan en la instrumentación industrilal. Una vez entendida la importancia de la instrumentación asi como su integración con los procesos industriales en los cuales indica, transmite, registra y controla las variable operacionales del proceso; se hace necesario desarrollar las destrezas técnicas que permitan la lectrura de los planos procesos - instrumentos que representa en forma integral al proceso industrial y los instrumentos instalados en el. Por ello se hace necesario conocer la distribución de las diferentes letras utilizadas para identificar las diferentes variables operacionales, esta distribución permite identificar en los circuios que representa los símbolos de los instrumentos con la primera letra a que variable corresponde y con las letras posteriores las funciones de indicar, transmitir, controlar, que cumple el instrumento. A continuación se presenta esta distribución de las letras del alfabeto (Norteamericano) con las variables asociadas a cada letra. Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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LETRAS DE IDENTIFICACIÓN

Letras Sucecivas

lera Letra

A: Análisis B: Llama (quemador) C: Conductividad

I: Indicar

D: Densidad o Peso Especifico.

T: Transmitir

E: Tensión Eléctrica

C: Controlar

F: Caudal

S: Interruptor

G: Calibre H: Manual I: Corriente Eléctrica

Y: Convertidor I/P V: Válvula

3: Potencia K: Tiempo

H: Calibrado en Alto

L: Nivel

L: Calibrado en Bajo

M: Humedad N: Libre (Usar X aplicación) O: Libre (Usar X aplicación) P: Presión Q: Cantidad R: Radiactividad S: Velocidad o Frecuencia T: Temperatura U: Multivariable V: Viscosidad W: Peso o Fuerza X: Sin Clasificar Y: Libre (Usar X aplicación) Z: Posición Una vez identificadas las variables operacionales asociadas con las letras del abecedario ingles con los criterios que define la simbologia de las Normas ISA, se muestran a continuación varios ejemplos con las variables operacionales Presión, nivel, Caudal y Temperatura, para ir definiendo los criterios previos que servirán para interpretar los planos procesos-instrumentos que representan las instalaciones industriales. Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-instrumentos

10

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Nivel

LT-01

Transmisor de Nivel de Flotador.

LT-01

Transmisor de Nivel de Presión Diferencial. LSH-01

LT-01

Transmisor de Nivel de Capacidad.

Interruptor de Nivel Alto de Solidos.

LT-01

Indicador de Nivel.

Interruptor de Nivel Bajo de

LT-01

Transmisor de Nivel de Flotador.

LT-01

Transmisor de Nivel de Presión Diferencial LSH-01

LT-01

Transmisor de Nivel de Caoacidad.

Interruptor de Nivel Alto de Solidos.

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

11

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—

Indicador de Nivel,

LT-01

InterruDtor Nivel Balo de Liauidos.

Presión

PSH-01

PSL-01

Interruptor Presión calibrado en bajo

Interruptor de Presión calibrado en alto..

Reaulador de Presión.

Válvula de Seauridad oor Presión

—

PT-OI

Manómetro Indicador de Presión.

Transmisor de Presión,

Disco de Ruotura oara Presión.

Disco de Ruotura oara Vacio.

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

12

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Caudal

Transmisor con Placa de Orificio.

Transmisor de Flujo con Placa de Orificio con mecanismo de cambio rápido. (Caja de Orificio)

Transmisor de Flujo con Tubo Venturi o Tobera como sensor.

Transmisor de Flujo por Turbina como elemento sensor.

Indicador de Caudal por Rotametro.

Totalizador de Caudal de Desplazamiento Positivo

Temperatura

Indicador de Temperatura.

Indicador de Temperatura con vaina

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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TT-01

Termocupla conectado con vaina al proceso y enviando la señal al Transmisor

Indicador de Temperatura de Termocupla o PT-100..

En los procesos industriales las señales usadas por los equipos e instrumentos que la conforman podran ser eléctricas, neumáticas, hidráulicas, mecánicas, electromagnéticas. Bajo estos requrimientos se hace necesario mostrar la simbologia usada para cada tipo de señal, a modo de ejemplo se utilizara las señales que salen de un transmisor.

Señal Eléctrica

PT-01

-Ho-o

Señal Neumática

— O — O — Señal de Software

•VV tt

Señal Electromagnética

Señal Hidráulica

Para vizualizar como podran ser los indicadores, transmisores y controladores que se representan en estos símbolos se muestran a continuación algunos de ellos en fotografías. Primeramente los indicadores que están en las instalaciones para permitir únicamente que los operadores puedan vizualizar la magnitud de la variable operacional, posteriormente se muestran un conjunto de transmisores electrónicos los cuales tendrán la función de mandar una señal eléctrica directamente proporcional a la magnitud de la variable operacional Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

14

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hasta los controladores, la función de los controladores electrónicos sera recibir las señales eléctricas que envían los transmisores para calcular la señal de error que sera la diferencia del valor deseado de la variable controlada (set point) y el valor real de la variable que envía el transmisor para posteriormente aplicar las acciones de contro Proporcional, Integrativa y Derivativa a esta señal de error para luego convertirla en una señal eléctrica que ira hacia el proceso industrial para regular las válvulas de control. Se muestran las fotografías para tener una visión de las conformaciones y estructuras de los indicadores, transmisores, controladores y válvulas de control y los mismos no sirven para representarlos en los planos procesosinstrumentos. Indicadores

Transmisores

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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Controladores

Válvulas de Control y Convertidores I/P

4. PLANOS PROCESOS-INSTRUMENTOS Los planos Proceso-Instrumentos (P&I) permiten representar en un solo esquemático la integración de todos los equipos que conforman al proceso industrial con los símbolos específicos que representan a cada equipo, conjuntamente con con los símbolos de cada uno de los instrumentos y equipos asociados en la instrumentación, automatización y protección del proceso industrial. Los equipos de instrumentos que estaran conectados en los

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diferentes equipos de la industria estaran funcionando como indicadores, transmisores y controladores para atender las diferentes variables operacionales representativas del proceso industrial. Con la finalidad de ir avanzando progresivamente en la interpretación de los planos procesosinstrumentos se muestran a continuación una librería de símbolos de los equipos más comunes en instalaciones petroleras.

SÍMBOLOS

FUNCIONAMIENTO

Válvula Manual

Equipo instalado en la misma línea de las tuberías y se le puede regular la apertura manualmente. Podrá estar totalmente abierta, totalmente cerrada o en un valor predeterminado por el operador.

Válvula de Control

Equipo instalado en las tuberías, al que se le puede regular la apertura del área del cuerpo a través de una señal neumática de control. Las variaciones de la señal neumática de control regulan la apertura y con ello se regula el paso del flujo a través del cuerpo de la válvula.

Válvula Check

Equipo instalado en las tuberías, y que permite el paso del fluido en un solo sentido, evitando con ello el retorno del fluido hacia la fuente de alimentación.

-NMotobomba

Equipo conformado por la integración de un motor eléctrico que genera el movimiento para mover una bomba, la cual succiona el líquido a baja presión para descargar el mismo a una mayor presión.

Motocompresor

Equipo conformado por la integración de un motor (eléctrico o mecánico) que genera el movimiento para mover un compresor, el cual succiona el gas a baja presión para descargar el mismo a una mayor presión.

líf Intercambiador de Calor

Equipo estático que permite el contacto térmico de dos fluidos que nunca se mezclara en su interior, de modo que el fluido A pierda calor que el fluido B lo ganara.

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Separador Liquido-gas

Atfc

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Equipo estático que recibe a los hidrocarburos y que permite la separación entre los componentes que se mantendrán en fase liquida y los componentes que estarán en fase gaseosa dentro del separador. Tiene una válvula de control para retirar los componentes en fase gaseosa y una válvula para retirar los componentes en fase liquida.

Separador Trifásico

Equipo estático que recibe a los componentes de los hidrocarburos que pasaron previamente por un condensador y permite que dentro de el se separen los componentes que están en fase gaseosa, los componentes que están en fase liquida y el agua.

Horno Vertical

Equipo estático utilizado para calentar el petróleo, para ello se dispone de tuberías internas dentro del horno para que el crudo pase y se caliente, así como, un conjunto de quemadores por donde se forma y controla la llama que genera el calor. En los hornos se dispone una línea de combustible para la llama piloto, así como, una línea de combustible donde se regula el gas que definirá la temperatura a través de una válvula de control.

Torre de Destilación,

Equipo estático que recibe como alimentación un flujo de hidrocarburos en fase liquida y que permite separar los productos pesados por el fondo y los livianos por el tope. Tiene en su interior un conjunto de bandejas a temperaturas especificas con componentes en fase liquida y cámaras de gas entre las bandejas lo que permite que los diferentes componentes se queden en cada etapa de las bandejas en la fase liquida o gaseosa que le corresponda.

A

Enfriador.

Equipo estático que permite que en su interior circulen componentes de los hidrocarburos para ser enfriados por corrientes de aire, o de aire y agua, que chocan por sus ductos.

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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Una vez identificados a travez de sus símbolos varios de los equipos que se utilizan en las diferentes instalaciones petroleras queda considerar la integración en los planos Procesos-Intrumentos (P&I) o (DTI) de los equipos que conforman la instalación petrolera conjuntamente con los instrumentos que se utilizan para la medición y el control de las variables operacionales asociadas a cada equipo. El plano Proceso-Instrumentos integra los equipos que conforman las instalaciones conjuntamente con los instrumentos de sus variables operacionales lo que permite proporcional a los expertos que trabajan en las instalaciones la mayor información de las mismas. Los planos Procesos-Instrumentos proporcionan a los expertos la información de la integración de los equipos que conforman las instalaciones petroleras conjuntamente con los instrumentos asociados a sus variables operacionales.

La instrumentación industrial se ejecuta en dos grandes actos, medir y controlar. En el caso de medir, la normalización esta inmersa desde las unidades utilizadas hasta el método aplicado. Es imposible aislarse del mundo y utilizar unidades propias o métodos de medición exclusivos, por ello la simbología usada a través de las Normas ISA permitirá interpretar o realizar

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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los planos Procesos-Instrumentos utilizando símbolos que serán del uso común de todas las empresas petroleras. Los planos Procesos-Instrumentos que integran los equipos de las instalaciones petroleras con los instrumentos para las medidas y controles de sus variables operacionales serán reproducibles en cualquier sitio del planeta con el mínimo de error. Para ello existe la norma, para reglamentar, para equilibrar, para mecanizar y por supuesto para legislar. La normalización es parte integral de la instrumentación industrial. Es necesario conocer y manejar aspectos relativos a las normas para escoger un dispositivo o método de medición. La normalización se convierte entonces en una herramienta para el diseño, especificación, organización y dirección. Una vez identificadas la simbología que contemplan las normas ISA, queda revisar varios planos P&I que tienen la finalidad de servir de ejemplos para observar el uso de la norma reseñada. Instrumentación de Separador Liquido-Gas 4 -SO mA

- 4 - 2 0 mA Lazo de control de presión

-Seleccionar el set-point ( SP (s)). - Entonax el lazo PID: - KP (Ganancia) -Ti (Ajuste integradvo) -Td (ajuste derivativo)

Liquida 4-30

mA

4 -so mA

Lazo de control de nivel

Lazo de Control de Nivel de Fondo de Torre

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Lazo de Control de Presión de Tope de Torre.

Lazo de Control en Cascada Temperatura-Caudal de alimentación de Torre de Destilación

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Lazo de Control en Cascada Temperatura-Caudal en intercambiador de Calor

FV: Flujo de Vapor

Maestro

FC: Flujo a calentarse

Lazo de Control en Cascada Temperatura-Caudal Reflujo de Tope

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Lazos de Control de una Caldera. Vapor

Maestro

Agua Caliente

Aire

Esclavo

Regulador de Mezcla Combustible-Aire

(Cascada+ Feedforward) Calentamiento Fondo + alimentación de torre

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Control Override Nivel-Caudal en Torre de Destilación.

MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COMPRESORES Con Termocuplas y Transmisores de Temperatura.

Panel de Control

Modulo Electrónico del PLC

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Con Indicadores Bimetálicos e Interruptores-Bimetálicos.

Panel de Control

Modulo Electrónico de Tarjetas ON-OFF

5. CLASIFICACIONES DE ÁREAS

Fuego = Aire + Combustible + Ignición Aire: El que existe en la atmósfera terrestre. Combustible: Vapor o materiales inflamables en las instalaciones industriales. Ignición: La chispa eléctrica o punto caliente que puedan originar los instrumentos o equipos eléctricos dentro de las instalaciones. Una explosión puede ocurrir cuando se tiene energía en forma de calor o electricidad añadiéndose a estas una fuga de vapor o materiales inflamables. Para minimizar la ocurrencia del fuego en las instalaciones industriales se utilizan métodos que previenen que las fuentes de ignición o las fugas de vapor o materiales inflamables puedan encontrarse, estos métodos podrán ser: • • • •

Cajas y envoltorios a pruebas de explosión. Cajas con presurización y purgas. Encapsulamiento con resina o epoxy. Inmersión en óleo.

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Desde 1946 surge la tecnología de "Barreras de Seguridad Intrínsecas" que es un método de limitación de la energía eléctrica para los instrumentos localizados en áreas clasificadas. La clasificación de áreas explosivas se desarrolla a partir de las clasificaciones basadas en: el Código Eléctrico Nacional, NFPA 70, artículos 500 al 504 de los Estados Unidos de Norteamérica y la C22.1, Parte I del Código Eléctrico Canadiense, en ambos países las áreas peligrosas son clasificadas en 3 clases, dependiendo del tipo de sustancias que puedan estar presentes en las instalaciones industriales: • • •

Clase I: Clase II: Clase III:

Presencia de sustancias como gases y vapores inflamables. Presencia de sustancias como líquidos, fibra o sólidos. Presencia de sustancias como talco.

Cada clasificación es dividida de acuerdo al nivel de riesgo que pueda estar presente en cada instalación: •

•

División 1: El peligro puede estar presente durante condiciones de funcionamiento normal, durante reparaciones o mantenimiento, o donde una falla pueda causar una falla" simultanea de equipos eléctricos. División 2: Existe presencia de materiales combustibles, o en un área adyacente a una localidad de División 1.

La División 1 se divide en cuatro (04) grupos, dependiendo del tipo de gases o vapores inflamables presentes. • • • •

Grupo A: Acetileno. Grupo B: Hidrogeno, combustible o gases de procesos con mas de 30% de hidrogeno en volumen, o vapores de gases de: butano, oxido de etileno, oxido de propileno. Grupo C: Éter, etileno o gases o vapores de risco equivalente. Grupo D: Acetona, amoniaco, benceno, butano, etanol, metano, gas natural, nafta, propano o gases o vapores de risco equivalente.

En Clase II las ubicaciones peligrosas son divididas en 3 grupos: • • •

Grupo E: Atmósfera conteniendo piezas metálicas, incluyendo aluminio, magnesio u otra pieza o partícula en suspensión combustible. Grupo F: Atmósfera conteniendo materiales del carbono. Grupo G: Atmósfera conteniendo materiales combustibles no incluidos en e¡ Grupo E o Grupo F incluyendo madera y químicos.

En la Clase III como ubicaciones peligrosas son clasificadas, aquellas que son causadas por la presencia de ignición fácil de fibra o sólidos en suspensión. Tanto la fibra como los sólidos en suspensión pueden ser expuestas a cantidades suficientes de energía para producir una explosión.

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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• •

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Clase III,

División 1: Son aquellos locales de fácil ignición en fibra u otros materiales que producen combustibles sólidos en suspensión cuando son manipulados. Clase III, División 2: Son aquellos locales de fácil ignición en fibra cuando son almacenados o manipulados.

Los países europeos también han realizado clasificaciones de áreas peligrosas, por ello en la siguiente tabla se muestra las diferencias entre las clasificaciones norteamericanas y las europeas para áreas de explosión. Explosiones Continuas Norte América lEC/Europa

Explosiones Intermedias

División 2

División 1 Zona 0

Condición Anormal de Explosión

Zona 1

Zona 2

La Zona 2 (lEC/Europa) y la División 2 (Norte América) son equivalentes, mientras que la División 1 corresponde a las Zonas O y 1. Un instrumento designado para trabajar en Zona 1 no necesariamente puede ser diferenciado usando la División 1. La principal diferencia entre la clasificación Norte Americana y la Europea es que no hay tendencia de equivalencia para Zona O Europea y el sistema Norte Americano. Las nuevas normas ISA son adoptadas para solventar esta situación. La Zona O Europea es una clasificación para un área mas peligrosa, un instrumento designado para Zona O debe ser incapaz de generar o acumular energía suficiente para dar ignición a algún agente inflamable. En Europa, los equipos son certificados sobre la base del diseño y las características de construcción, mientras que el sistema Norteamericano, los equipos son clasificados en base a la zona de posible instalación. En la practica, los dos sistemas son equivalentes si la diferencia entre ambos es menor que la mostrada en la siguiente tabla. Clasificación de los equipos

Energía de Ignición

Categorías Explosivas

Europa

Norteamérica

Metano

Grupo I

No clasificado

Acetileno

Grupo II, C

Clase I, grupo A

> 20 ujoules

Hidrogeno

Grupo II, C

Clase I, grupo B

>20 ujoules

Etileno

Grupo II, B

Clase I, grupo C

>60 ujoules

Propano

Grupo II, A

Clase I, grupo D

> 180 ujoules

Piezas metal Piezas carbón

">'...- • • ' ; • • : ' • • • :

Clase II, grupo E En preparo

Clase II, grupo F

Piezas grao

Clase II, grupo G

Fibras

Clase III

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Ignición Fácil

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Seguridad Intrínseca Seguridad Intrínseca (SI) es un método que sigue atmósferas inflamables encontradas en un área con posibilidades de explosión, viniendo de un contacto con equipos eléctricos externos causantes de la misma. Esta seguridad es acompañada por límites de valores de tensión y corriente eléctrica que puedan ocasionar fallas, arcos eléctricos o puntos calientes, como resultado de condiciones normales de operación. Las características de ignición de los materiales inflamables son caracterizados por varios parámetros no relacionados: mínima cantidad de energía de ignición necesaria para causar una explosión y una mínima temperatura de una superficie que tenga el mismo efecto de causar una explosión. La norma ANSI/ISA-S50.02-1992 establece la energía menor de 3 vatios que puedan consumir los instrumentos después de la Barrera de Seguridad Intrínseca en las áreas peligrosas. Como la energía disponible para los instrumentos es limitada a 3 vatios, será necesario alimentar los mismos a través de varias fuentes de tensión con barreras. CONDICIONES INTRINSICAMENTE SEGURAS « 3 W

Fuego = Combustible + Aire + Fuente de Ignición Potencia = Voltaje x Corriente Potencia Instrumento = (24 VDC)x(20 mA) = 0,58 W Potencia Instrumento = 0,58 W « 3 W 3 Vatios NO GENERARA: • •

Un punto caliente que propicie el fuego. Un arco eléctrico que propicie el fuego

Las Barreras Zener deben limitar la corriente que circula por los instrumentos, así como la tensión de alimentación, como se muestra en la siguiente figura.

Barrera Zener 1UU

t 24VDC

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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6. DEFINICIONES 1. FUENTES DE ERRORES

1.1.

Errores de Equipos: • • • • •

1.2.

Calibración. Linealidad. Histéresis. Derivas. Cambios de Sensibilidad.

Errores de Interferencias: • • • • •

1.3.

Ruido. Transitorios de Conmutación. Radio Interferencias. Perturbaciones de Alimentación. Zumbido de 60 Hz en etapas de Baja señal. Errores de Instalación:

• • • • •

Alcance. Vibraciones. Temperatura. Falsas uniones. Aspectos Meteorológicos.

2. Campo de Medida (Rango) Es el conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del instrumento. Ejemplo:

. _. . _ . . _

60 r —

i imite Superior = 60 C° L

>

55

— 50 45

E ~

40 35 30 25 i

~

^ 5 =

Rango V

- 5 C° hasta 60 C°

20 \ 15 j 10 \

5 i

— ~

E

o1

i

-5 I

E

Limite Inferior = J

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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3. Alcance Es la diferencia algebraica entre el límite superior y el límite inferior del instrumento. Ejemplo: Alcance Termómetro = 60 C° - (- 5 C°) = 65 C° 4. Error Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida por un instrumento patrón. Ejemplo, lectura de temperatura entre un termómetro común y un termómetro patrón.

Error

Termómetro común • •

Termómetro Patrón

Si la variable operacional que mide el instrumento esta en condiciones de régimen permanente la diferencia de medidas se llama Error Estático. Si la variable operacional que mide el instrumento esta se comporta en forma dinámica y estos cambios requiere cierto tiempo para ser leído o transmitido por el instrumento se tendrá Error Dinámico.

5. Precisión Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Los fabricantes de equipos de instrumentos conocen la precisión de lo que construyen y por ello dan valores porcentuales de error de lectura que pueden tener los mismos. Ejemplo: Termómetro con precisión de 5% Lectura del Termómetro = 24 C° +- 5%

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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La precisión puede variar en cada punto del rango del instrumento, sin embargo, los fabricantes usualmente la especifican para todo el rango. 6. Zona Muerta Es el campo de valores de la variable operacional donde no hace variar la indicación o la transmisión del instrumento, es decir, ante cambios de la magnitud de la variable operacional el instrumento no produce respuestas. Viene dado en tanto % del alcance de la medida. 7. Sensibilidad. Es el incremento de la lectura del instrumento respecto al incremento de la variable operacional que la ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. 8. Repetibilidad Es la capacidad de reproducir las posiciones del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable operacional, en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de la variación. 9. Histéresis Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados o transmitidos por el instrumento para el mismo valor de la variable operacional, cuando el instrumento recorre toda la escala en sentido ascendente y descendente posteriormente.

Capitulo I: Lectura de Planos Procesos-Instrumentos

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TRANSMISORES Y TRANSDUCTORES

1. Transmisores y Transductores. 2. Transductores Eléctricos.. 2.1

Transductores Potenciometricos

13

2.2

Transductores Capacitivos

16

2.3

Transductores Inductivos

19

2.4

Transductores de Resistencia Variable

22

2.5

Transductores Piezoeléctricos

25

2.6

Termocuplas

26

3. Conclusiones

Capitulo II: Transmisores y Transductores

.27

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1. TRANSMISORES Y TRANSDUCTORES. En los procesos industriales para realizar las transformaciones de los productos de entrada o materias primas y convertirlos en productos acabados o semiacabados como salidas del mismo proceso, es necesario así como la integración del conjunto de equipos y maquinas, los instrumentos que se encargaran de indicar la magnitud de las variables operacionales, los instrumentos que se encargaran de transmitir hasta los controladores las señales que serán proporcionales a la magnitud de la variable operacional sensada, los equipos de control, los instrumentos que serán los elementos finales de control en el proceso, así como otros instrumentos que trabajaran como equipos o dispositivos de segundad. Para visualizar los equipos e instrumentos que utilizan tecnología de punta para atender: la transmisión de la magnitud de las variables operacionales, el control de las mismas y los elementos finales de control se muestra a continuación un esquemático pictórico con los transmisores, el Controlador Lógico Programable (PLC) y las válvula de control que ejecutaran los lazos de control de las variables operacionales del proceso industrial.

En este conjunto de equipos son los transmisores los instrumentos que captan la variable del proceso, la acondicionan y escalan sobre una señal de salida de rango o protocolo normalizado y la envían a distancia hasta otro instrumento receptor que cumple con la función de indicar, registrar y/o controlar. Estos instrumentos deben poseer básicamente una relación de proporcionalidad entre la variable del proceso y la señal emitida. Los transmisores de instrumentación se justifican por el hecho de permitir la centralización en un tablero, armario, panel de control o computador las diversas variables del proceso, para ejercer una medición y control a distancia. Además de evitar que el personal de operaciones y mantenimiento se expongan a riesgos debido a las condiciones propias de algunos procesos, tales como altas temperaturas, altas presiones, fluidos tóxicos o corrosivos, etc. Capitulo II: Transmisores y Transductores

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Para implementar los lazos de control de las variables operacionales asociadas a los procesos industriales, son los transmisores los instrumentos que estando instalados dentro dei proceso industrial tienen conexión directa con la variable operacional medida y tendrán la función de enviar una señal hasta el equipo controlador o registrador, es decir, los transmisores son los instrumentos que tienen la función de enviar una señal proporcional de la magnitud de la variable operacional hasta donde se encuentre el controlador o registrador. Dependiendo del tipo de tecnología que se use para implementar los lazos de control estos transmisores podrán enviar señales: eléctricas, neumáticas, electromagnéticas, ópticas, la idea fundamental es que los transmisores transmiten una señal proporcional a la variable operacional a la que esta conectado. En la figura siguiente se ¡lustra esta aplicación tomando como ejemplo un transmisor de presión conectado en un separador liquido-gas. Distancia

Transmisor de Presión

Controlador Registrador Se envía una señal: • Eléctrica. • Neumática. • Electromagnética. • Hidráulica. • Óptica.

Cuando los transmisores son neumáticos envían una señal de 3 a 15 PSI hasta el controlador y la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador es de muy pocos metros (10 metros por ejemplo). Cuando son transmisores electrónicos que envían una corriente eléctrica entre 4 a 20 miliamperios la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador puede ser hasta de varios cientos de metros (Hasta 500 metros por ejemplo). Cuando son transmisores que envían señales eléctricas moduladas en protocolo hard la distancia comprendida entre el transmisor y el controlador puede alcanzar hasta 1600 metros sin repetidores y hasta varios kilómetros utilizando repetidores. Cuando los transmisores envían su señal en forma digital utilizando fibra óptica como medio de transmisión de la señal la distancia entre el transmisor y el controlador puede alcanzar varios kilómetros. En este libro se dispone de un capitulo de transmisores inteligentes que utilizan protocolos hard, así como, se dispone de un capitulo para las redes de control que explica hasta las conexiones por fibra óptica y hasta un capitulo para los controladores neumáticos, por lo tanto, se dejaran las inquietudes de los transmisores con protocolo hard para el capitulo de transmisores inteligentes, las conexiones por fibra óptica para el capitulo de redes de control y los transmisores neumáticos para el capitulo de controladores neumáticos, por ello, para efectos del libro en este capitulo solamente se explicara el transmisor electrónico con señales de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios. Capitulo II: Transmisores y Transductores

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En los transmisores electrónicos con señal eléctrica de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios la magnitud de la corriente será proporcional a la magnitud de la variable operacional sensada. Estos transmisores requieren como alimentación eléctrica (12 o 24 VDC) de una fuente que estará ubicada en campo. La salida de corriente que sale del transmisor es la misma que llegara hasta el controlador (Indistintamente que el controlador se encuentre a 20 metros o 500 metros) donde cerrara el circuito eléctrico al circular la corriente que sale del transmisor por una resistencia de carga que estará conectada como parte del hardware de la tarjeta del PLC, (Por eso se utiliza la corriente y no tensión eléctrica). Utilizando un transmisor de presión como ejemplo conectado en un separador liquido-gas, se muestra en las siguientes figuras: el envió de la señal eléctrica desde el transmisor hasta el controlador y el modo de conexionado eléctrico que muestran los fabricantes para estos instrumentos. Transmisor de Presión

Controlador

4 a 20 mA

tt

Distancia hasta 500 metros VL =(4 a 20)mA.RL

Presión del Separador

Como podrá observarse del ejemplo, la variable operacional presión del separador interactúa directamente en el transmisor quien recibe la señal de presión desde el separador a través de líneas de tubos de acero. Del Capitulo II: Transmisores y Transductores

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transmisor sale una corriente entre 4 a 20 mA hasta el controlador donde cierra el circuito eléctrico a través de una resistencia de carga RL que esta en el controlador, lo que permite que en el controlador se tenga una tensión eléctrica VL (VL=(4 a 20)mA.RL) que alimentara a los circuitos electrónicos del controlador y que será directamente proporcional a la magnitud de la variable operacional al cual esta conectado el transmisor. Estas consideraciones de cómo se conecta el transmisor de presión, como se alimenta eléctricamente, de cómo es la salida de corriente del mismo en 4 a 20 mA y cuya magnitud es directamente proporcional a la magnitud de la presión dentro del separador, en forma análoga, actuaran todos los transmisores electrónicos que estarán instalados en el proceso industrial para medir otras variables operacionales como el nivel, caudal y temperatura, por ejemplo. Todos los transmisores electrónicos tendrán salidas de 4 a 20 miliamperios proporcionales a las magnitudes de las variables operacionales a las que están interconectados, y la diferencia fundamental entre los diferentes transmisores estarán que al ser las variables operacionales diferentes tendrán formas de construcción diferentes de modo de poder adaptar su instalación a la variable que corresponda, esto implica tener diferentes transductores para cada transmisor según el tipo de variable al que esta conectado y seguramente cada transductor tendrán respuestas características especificas de su elemento eléctrico según la variable operacional a que corresponda. Con la finalidad de ir visualizando las conexiones de diferentes transmisores para diferentes variables operacionales se muestran en las siguientes figuras ejemplos de aplicaciones en: Nivel, Caudal y Temperatura. Transmisor de Nivel 4 a 20 mA

4 a 20 mA

Transmisor de Caudal

Capitulo II: Transmisores y Transductores

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4 a 20 mA

Transmisor de Temperatura

Como se podrá observar de la figura anterior las diferentes variables operacionales (Nivel, Caudal y Temperatura) requerirán diferentes modos de ser construidos los transmisores para poder adaptarlas a las características de la variable a ser medida. Se podrá observar como se conecta el transmisor de nivel en un tanque cerrado a través de vasos comunicantes y que permite que el mismo nivel que esta dentro del tanque sea el mismo nivel que esta dentro del transmisor interactuando con el transductor, de modo que cada cambio de nivel dentro del tanque será el mismo cambio de nivel en el transductor y con ello los cambios del elemento eléctrico que contiene el transductor del transmisor de nivel. Posteriormente se observa el transmisor de caudal que utiliza como elemento sensor una turbina. Este transmisor se instala directamente en la línea donde se requiere medir el y por ello el mismo caudal que circula por la tubería es el mismo caudal que circula por el transmisor, y donde el transductor de turbina que esta en la línea generara una señal eléctrica proporcional a la magnitud del caudal que pasa por la tubería. Finalmente en el transmisor de temperatura se tendrá como transductores termocuplas o PT-100 que estarán instalados en el punto de medición y que a través de cables de extensión se llevara la señal eléctrica del transductor hasta donde este instalado el modulo electrónico, sin embargo, la variable eléctrica asociada a los transductores de temperatura también generaran cambios de su valor proporcionales a los cambios de la temperatura. Con las consideraciones que deben dejar los cuatro ejemplos que se hacen con los transmisores de presión, nivel, caudal y temperatura se podrá definir que indistintamente cual sea la variable operacional a la cual corresponda el transmisor, todos los transmisores tendrán una señal eléctrica de salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios y cuya magnitud será proporcional a la magnitud de la variable operacional a la que corresponde. A esto se podrá agregar que diferentes fabricantes de transmisores electrónicos construirán diferentes modelos y estilos de fabricar los transmisores, pero, las consideraciones de la señal de salida del transmisor entre 4 a 20 mA proporcional a la magnitud de la variable operacional que sensa siempre será la misma. Los fabricantes de transmisores tendrán sus propios criterios para el Capitulo II: Transmisores y Transductores

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diseño y construcción de los mismos, sin embargo, todos los transmisores estarán conformados por un circuito electrónico y el transductor que lo alimenta. Como se pudo observar de los cuatro ejemplos anteriores, el transductor esta conectado con la variable operacional y aprovecha los cambios de la magnitud de la variable operacional para generar cambios de la variable eléctrica que representa. El circuito electrónico que se alimenta del transductor se actualiza cada vez que se generan los cambios de la variable operacional dado que estos cambios generan las modificaciones de la magnitud de la variable eléctrica asociada al transductor y es por ello que los transmisores van adaptando la salida de corriente a los cambios de la variable operacional que se mide en el proceso industrial. Con la finalidad de ir asumiendo un dominio adecuado de la conformación de los transmisores se presenta a modo de ejemplo en la siguiente figura el despiece del transmisor de presión que esta conectado en el separador. En la figura se puede observar todo el despiece del transmisor, con las diferentes partes y piezas mecánicas que lo conforman, así como, los circuitos electrónicos y en la parte inferior de la figura el transductor.

CONJUNTO TÍPICO DE TRANSMISOR DE PRESIÓN — - **

**

CUERPO 0€ LA PARTE ELECTRÓNICA PLACAS DE CiftCUITO

r

BRIDA -* OE PROCESO MODULO ~ SENSOR

TAPA

_,-.>,(% &

: %-

Para todos los transmisores electrónicos, indistintamente la variable operacional que atienda, indistintamente el fabricante que lo construya e indistintamente el modelo, todos, estarán conformados por un transductor que Capitulo II: Transmisores y Transductores

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genera cambios de su variable eléctrica cada vez que cambia de magnitud la variable operacional al cual esta conectado y por un circuito electrónico que convierte los cambios de la variable eléctrica del transductor en cambios de su salida de corriente. De la gráfica anterior en la parte inferior de la misma se observa el Modulo Sensor 6-CELL el cual es el transductor de este transmisor de presión, este sensor esta conectado eléctricamente con las tarjetas o placas del circuito electrónico del transmisor, las cuales también se observan en la gráfica anterior. Estos circuitos electrónicos o placas del circuito presentan diagramas de bloques sugeridos por los fabricantes para la interpretación del funcionamiento de los mismos y en la siguiente figura se muestra de un catalogo de transmisores la información que este fabricante proporciona a los usuarios de cómo esta constituido el circuito electrónico del transmisor.

Diagrama Eléctríco en Bloques

Al observar el esquemático anterior y hacer consideraciones desde el punto de vista de los circuitos electrónicos que conformaran al transmisor se podrá afirmar que es muy pobre la información que proporcionan los fabricantes de los transmisores sobre los circuitos electrónicos que integran los transmisores. Con la finalidad de tener una mejor visión de la función que cumplen los diferentes circuitos electrónicos del transmisor se puede ahondar un poco más en esta información. ESQUEMA FUNCIONAL DEL TRANSMISOR ELECTRÓNICO. En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques del esquema funcional de un transmisor electrónico el cual es alimentado desde el proceso industrial por la variable operacional y tiene como salida la señal de corriente que alimentara la tarjeta electrónica de entradas analógicas del PLC en la Sala de Control. El transmisor esta instalado en el mismo lugar del proceso y básicamente se compone de cinco partes: el elemento transductor y cuatro circuitos electrónicos que buscan desde,acondicionar la señal del transductor hasta generar la salida de corriente que sale del transmisor. Este arreglo se puede reseñar a continuación.

Capítulo II: Transmisores y Transductores

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Proceso Industrial En los procesos industriales se hace necesario a lo largo de las diferentes etapas que conforman las líneas de producción, elaboración, o modificación de los productos, de un conjunto de instrumentos para realizar las diferentes mediciones de las variables operacionales del proceso tales como (Temperatura, Caudal, Nivel, Presión) las cuales serán las variables operacionales representativas de cada una de las etapas que conforman la industria y a las cuales será necesario medir para posteriormente controlar. Cada variable operacional que deba ser medida requerirá un transmisor, los cuales estarán instalados muy próximos al equipo que genera la variable representativa a ser medida. Proceso Industrial

SALA DE CONTROL

Variable Operacional

> Presión. »Nivel. • Caudal. • Temperatura. 4 a 20 mA

1. Circuito de Alimentación

TRANSMISOR

2. Circuito de Linealización

3. Circuito de Voltaje/Corriente

4. Circuito de Realimentación

Transductor Esta contenido en el transmisor y tiene la función de convertir los cambios de las variables operacionales del proceso industrial en cambios de variable eléctrica. Esta variable eléctrica podrá ser resistencia variable, capacitancia variable, inductancia variable, tensión variable, etc y donde los cambios de la variable eléctrica son generados por los cambios de la variable operacional, y donde los cambios de la variable eléctrica del transductor es proporcional a los Capitulo II: Transmisores y Transductores

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cambios de la magnitud de la variable medida. El elemento eléctrico contenido en el transductor sirve como elemento activo del circuito electrónico 1 del transmisor. Circuito Electrónico 1 Este es un circuito que convierte los cambios del transductor (Resistencia Variable, Capacitancia Variable, Inductancia Variable, etc) en una tensión eléctrica. La salida del circuito electrónico 1 es una tensión eléctrica representativa de la magnitud de la variable y pasa a ser la consigna del detector de error que alimenta. Circuito Electrónico 2 Se alimenta con el valor de tensión que resulta de la diferencia de la salida del circuito electrónico 1 y La Realimentación de la salida del circuito. Este circuito define la magnitud de la salida del transmisor comparando la salida del transmisor con un nuevo valor de la señal que provenga del circuito 1. En esta unidad se linealiza la señal de salida dado que la señal eléctrica que generan los transductores no son lineales y por ello se hace necesario que la salida comprendida entre 4 a 20 miliamperios tenga una correspondencia lineal con los cambios de la magnitud de la variable. Circuito Electrónico 3 Es un circuito de convertir la señal de tensión que sale del circuito de Idealización en la señal de corriente de 4 a 20 miliamperios que saldrá del transmisor. Circuito Electrónico 4 Es el circuito que se alimenta de la salida linealizada de la magnitud de la variable medida y la compara con el valor instantáneo de la variable que proporciona el circuito 1. En un curso de electrónica analógica se encontraran y desarrollaran los criterios técnicos para entender los montajes básicos de todos los circuitos electrónicos señalados, y basados en Amplificadores Operacionales y que servirán para la construcción de los transmisores electrónicos. No es de la atención de este texto esos análisis. Para concluir en las consideraciones de la visualización de los transmisores electrónicos y sin tener ninguna duda, se podrá decir que los transmisores son la integración de un transductor eléctrico que proporciona una salida a través de los puntos de conexión A y B de su variable eléctrica (Resistencia variable, capacitancia variable, inductancia variable, frecuencia variable, f.e.m. variable) con los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes aprovechan los cambios de la variable eléctrica del transductor para generar la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la variable medida, tal como se muestra en la siguiente figura.

Capitulo II: Transmisores y Transductores

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Variable Operacional

• • • •

Presión. Nivel. Caudal. Temperatura.

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012 o 24 VDC

Circuitos Electrónicos

4 a 20 mA

TRANSMISOR

Diferentes fabricantes construirán transmisores para las diferentes variables operacionales, sin embargo, todos se construirán bajo la condición que el transmisor es la integración de un transductor que alimenta unos circuitos electrónicos, donde la gran diferencia mas que en los circuitos electrónicos que se diseñaran para las diferentes aplicaciones, estará en el diseño de los transductores que tendrán que adaptarse a cada una de las diferentes necesidades de medir las diferentes variables operacionales en diferentes modos de conexión en las instalaciones industriales. Para concluir esta información y reforzar las últimas consideraciones se muestran un conjunto de transmisores para diferentes aplicaciones donde puede observarse el desarrollo de diferentes transductores que permitirán medir las diferentes variables operacionales. Se busca que en el detalle de la observación le permita ai lector promover la familiaridad con este tipo de instrumentos.

Capitulo II: Transmisores y Transductores

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2. TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS Los transductores eléctricos son los elementos que tienen contacto directo con la variable operacional que se mide y su función es convertir los cambios de la magnitud de la variable medida en cambios de la señal eléctrica. Estos cambios de la señal eléctrica de los transductores son los que aprovechan los circuitos electrónicos que integran al transmisor para modificar la magnitud de su señal de salida. Los transductores eléctricos podrán ser de: Resistencia variable, Inductancia variable, capacitancia variable, tensión variable y esto se representa en la siguiente figura: Capitulo II: Transmisores y Transductores

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• Ohmios. Variable Operacional: • • • •

Presión. Nivel. Caudal. Temperatura

• Milivoltios. • Capacitancia. Inductancia. • Frecuencia.

TRANSDUCTORES BÁSICOS TRANSDUCTORES DE ELEMENTO DE ACCIONAMIENTO INTERMEDIO

• • •

Potenciometricos. Capacitivos. Inductivos.

2.1. TRANSDUCTORES POTENCIOMETRICOS

Se utilizan frecuentemente en circuitos de división de tensión, donde la resistencia variable (R.f(x)) que tendrá una tensión variable (Vs) será el producto del movimiento de una variable que haga mover el cursor -


Circuitos Electrónicos

Ajusté de Cero

20 mA

4mA 450

500

550

600

Presión PSI

Capitulo IV: Presión

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Usualmente los fabricantes de transmisores de presión tal como el ultimo transmisor que se toma como ejemplo informan que el rango de trabajo del transmisor es desde 2 pulgadas HgA hasta 1000 PSI. De 2 pulgadas de HgA hasta 1000 PSI es el rango de trabajo del transductor para proporcionar cambios de su señal eléctrica proporcionalmente con los cambios de la presión a los circuitos electrónicos del transmisor, sin embargo, en la practica el rango de trabajo de un transmisor debe ser ajustada a una escala mas pequeña según los requerimientos especifico de cada equipo que es necesario medir la presión, por ejemplo entre 20 y 80 PSI la presión de aceite de lubricación de un motor, entre 450 y 550 PSI el rango de trabajo del primer separador de una estación de flujo, entre 100 y 140 PSI el rango de trabajo del segundo separador y entre 40 y 60 PSI el ultimo separador. Es por ello que la calibración de los transmisores permite utilizar el mismo transmisor para diferentes rangos de trabajo en una misma instalación petrolera. Por ultimo es necesario entender que diferentes fabricantes harán uso de la tecnología y las posibilidades que esta ofrece para permitir diferentes formas de realizar las calibraciones, a modo de ejemplo se tendrán transmisores indicadores electrónicos que utilizaran para el ajuste de cero y el span uri menú de indicaciones digitales que vienen incorporado al transmisor y utilizaran pulsadores y no potenciómetros de precisión, así como la observación de la propia pantalla indicadora para visualizar la magnitud de la presión de entrada, por otra parte se tendrán transmisores inteligentes (Ver capitulo de transmisores inteligentes) que serán calibrados a distancia y sin necesidad de simular la variable operacional y a través de un protocolo de comunicación entre el transmisor y el controlador para calibrar el transmisor en el rango de trabajo requerido. Lo importante de la calibración del transmisor mas que en el modo como este se haya hecho, es que el procedimiento de la calibración permite definir en el transmisor el rango de trabajo del mismo que determina cual es la señal eléctrica que sale del transmisor para la menor presión de proceso y cual es la señal eléctrica que sale del transmisor para la mayor presión. 5. INTERRUPTORES DE PRESIÓN

Los interruptores de presión son instrumentos que proporcionan un cambio en la señal eléctrica ON-OFF (todo-Nada) en el momento que se alcance la presión para el cual fue calibrado. Están conformado por un interruptor eléctrico que tendrá contactos normalmente abiertos y contactos normalmente cerrados sin la presencia de la presión, y se calibraran para una presión determinada de modo que cuando se alcance esa presión el interruptor cambiara de contactos, en estos instrumentos actúa directamente la presión y al sobrepasar la presión a la cual fue calibrado realiza los cambios de contacto de modo que el contacto que estaba ON pasa a OFF y el contacto que estaba OFF pasa a ON. Usualmente son instrumentos que tienen como elemento primario un Tubo Bourdon o un Diafragma los cuales están acoplados a un interruptor eléctrico Capítulo IV: Presión

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que es accionado por el movimiento del tubo Bourdon o del diafragma, lo que permite que el movimiento que sufre el Tubo Bourdon o el Diafragma en la medida que se modifica la presión al que esta sometido se aproveche para cerrar o abrir el interruptor eléctrico y con ello los cambios de sus contactos. Esta acción se ejemplariza en la siguiente figura.

J

Presión k A V

/ —Tubo Bourdon o Diafragma

«H* Mecanismo Calibración

-/%*_

ifiiiií A I

7*

!^

NA

común

NC

Como se puede observar de la figura la presión actúa directamente sobre el Tubo Bourdon o el Diafragma y del que se aprovecha su deformación proporcional a la magnitud de la presión para cambiar los contactos deí interruptor. El Tubo Bourdon o el Diafragma están unidos a un mecanismo de calibración el cual permitirá modificar las posiciones de los interruptores eléctricos y con ello será necesario modificar la magnitud de la presión para cambiar los contactos en los mismos. La modificación de la distancia del Tubo Bourdon o el Diafragma del microinterruptor eléctrico por el medio del mecanismo de posición permitirá proporcionar un mecanismo de calibración para que sea la presión la que defina los cambios de contacto. Usualmente estos interruptores eléctricos de presión son usados para señales de alarmas en la succión y descargas de compresores, así como, en las protecciones de baja presión de aceite de lubricación en los motores y compresores. En las siguientes figuras se podran observar dos interruptores de presión, uno que trabaja con elemento primario de medición el mecanismo del diafragma utilizada para ser calibradas y proporcionar señales ON-OFF para bajas presiones y el otro interruptor de presión que trabaja como elemento primario de medición el tubo Bourdon para trabajar en señales ON-OFF para ser calibradas en altas presiones. En el esquemático del interruptor de presión que utiliza el Tubo Bourdon como elemento sensor de la presión se puede observar la conexión por donde ia presión alimenta al Tubo Bourdon, el cual funciona bajo el principio de que se deforma proporcionalmente a la magnitud de la presión del fluido contenido dentro del mismo. Es por ello que en la medida que la presión deforma al Tubo Bourdon se aprovecha el desplazamiento del extremo libre del tubo para activar el micro-interruptor. Se calibrara el interruptor modificando la posición del micro-interruptor de manera que sea el desplazamiento del extremo libre del Tubo Bourdon quien cambie el contacto del mismo. Capitulo IV: Presión

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DIAFRAGMA DIAPHRAGM MOOELS: Pressure and vacuum switches (vacuum to 150 p.s.i.). A weld-sealed metaí díaphragm direct acting on a snap-action switch.

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TUBO BOURDON BOURDON TUBE MODELS: Pressure switches (50 to 18,000 P.S.Í.). A weld-sealed bourdon tube direct acting on a snap-action switch. Salida de Contactos

Interruptor Eléctrico

Tornillo de Calibración

El tornillo de calibración tiene la función de modificar la distancia del microinterruptor con el extremo libre del Tubo Bourdon y con ello definir la presión que se requiere para deformar al tubo Bourdon de modo que pueda alcanzar el desplazamiento necesario para cambiar los contactos del micro-interruptor. La manera de calibrar los interruptores de presión sera modificando el enroscado del tornillo que sujeta el micro-interruptor. Al enroscar totalmente el tornillo de calibración prácticamente será necesaria muy poca presión para que el Tubo Bourdon cambie los contactos del micro- interruptor eléctrico, sin embargo, al desenroscar el tornillo de calibración se consigue acercar mas el micro-interruptor del extremo libre del Tubo Bourdon y con ello será necesario incrementar la presión para estirar mas el Tubo Bourdon de manera que este pueda retirarse lo suficiente del micro-interruptor eléctrico para cambiar los contactos. Mientras mas se desenrosque el tornillo de calibración será necesaria mayor presión para alargar mas al Tubo Bourdon para retirar Su extremo libre del micro-interruptor y así poder cambiar los contactos del micro-interruptor. Con la modificación del enroscamiento del tornillo de calibración se modifica la presión necesaria para alargar el Tubo Bourdon para realizar los cambios de contactos del micro-interruptor el cual proporcionara el juego de contactos eléctricos ON-OFF necesarios para servir de alarma al panel electrónico que se alimenta de esta señal.

Capitulo IV: Presión

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Existen otros interruptores de presión como los que se muestran a continuación, que además de indicar la magnitud de la presión, también se utilizan para proporcionar salidas por contactos ON-OFF para dos salidas con valores de presión que se seleccionan manualmente.

NCl Comúnl NA1 NC2 Común2 NA2

Se puede observar que el manómetro dispone de dos agujas selectoras adicionales a la aguja de indicación, estas agujas selectoras permiten ajustarías manualmente para seleccionar hasta dos presiones diferentes que se correspondan con las necesidades de las alarmas y donde el recorrido de la aguja indicadora hará contactos con las agujas de selección en las presiones ya preestablecidas manualmente, lo que permite tomar estos cambio de contacto eléctrico como señales de alarmas por baja presión y por alta presión para alimentar un equipo de protección. Este interruptor de presión con valores preestablecidos manualmente funciona siempre y cuando los operadores de la instalación no modifiquen sus ajustes por motivos hasta ajenos a la integridad de los equipos. 6. VÁLVULAS DE SEGURIDAD Las Válvulas de Seguridad son equipos mecánicos que tienen como función la de liberar a la atmósfera los excesos de presión contenidos en el equipo donde esta conectado cada vez que la presión del recipiente supera la presión de calibración de la válvula de seguridad, y así evita los daños mayores que se producirían por sobrepresiones dentro de los equipos. Se estima la calibración de la válvula de seguridad entre un 10% al 15% por encima del valor nominal de la presión de trabajo del equipo que protege, es decir, se tienen equipos como separadores, calderas, torres de destilación y tanques cerrados, que trabajan a una presión nominal determinada y donde la válvula de seguridad se comportara como un equipo pasivo siempre que la presión dentro de los equipos no superen el valor de calibración de la válvula de seguridad, sin embargo, en el momento que la presión dentro del equipo que protege alcance Capitulo IV: Presión

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el valor de calibración de la válvula de seguridad esta se abrirá, liberando a la atmósfera los gases contenidos dentro del recipiente. La válvula de seguridad volverá a su condición de cierre en el momento que el valor de la presión dentro del equipo que protege retorne al valor de la presión nominal de trabajo. La instalación de las válvulas de seguridad en: separadores, calderas, torres de destilación y tanques cerrados, se muestra en la siguiente figura. Agua Caliente

J^

Gases de Escape

Vapor de Agua

Liquido

Calibrado por Sobrepresión

Calibrado por Vacio

El funcionamiento básico de una válvula de seguridad es la de un equipo mecánico que utiliza la compresión que ejerce un resorte sobre el tapón de la válvula para mantenerla cerrada. Contraria a la fuerza del resorte esta la fuerza que ejerce la presión dentro del recipiente sobre el área del tapón de la válvula de seguridad. En condiciones normales de trabajo la fuerza que ejerce el resorte sobre el tapón será mayor que la fuerza que ejerce la presión dentro del equipo sobre el área del mismo tapón, sin embargo, en el momento que la presión dentro del recipiente supere la presión de calibración de la válvula de Capitulo IV: Presión

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seguridad, esta presión ejercerá una fuerza sobre el tapón superior a la fuerza que ejerce la compresión del resorte y con ello empujara el tapón hacia arriba, permitiendo liberar los gases del recipiente hacia la atmósfera. Con la liberación de los gases dentro del equipo a la atmósfera este se despresurizara eliminando el riesgo de destrucción por sobrepresión. En la siguiente figura se muestra el despiece de una válvula de seguridad conjuntamente con el diagrama de equilibrio de fuerzas que permiten demostrar la dinámica del movimiento de la válvula.

Tornillo de Calibración FR: Fuerza Resorte FR = K.X

K: Constante de Elongación. X = Elongación

FP: Fuerza Presión FP = P.A P: Presión dentro del recipiente. A = Área del Tapón. La calibración de la válvula de seguridad se hace al variar la posición del tornillo de calibración que comprime al resorte y con ello modifica la elongación del resorte (X) y así la fuerza del resorte (FR=K.X) que ejerce sobre el tapón y así define la fuerza que deberá superar la presión (FP=P.A) para poder empujar el tapón hacia arriba y así permitir liberar los gases dentro del recipiente a la Capitulo IV: Presión

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atmósfera. Bajo este mecanismo la válvula de seguridad se abrirá cada vez que la fuerza de la presión dentro del equipo supere la fuerza de calibración del resorte y la válvula de seguridad se cerrara cada vez que la fuerza del resorte supere la fuerza de la presión dentro del recipiente que se protege. A continuación se muestra una válvula de seguridad que funcionara en forma análoga a la mostrada anteriormente con la diferencia que una vez que la válvula de seguridad se dispare se repondrá manualmente a través del mecanismo unido a la parte superior de la válvula y que esta instalado próximo al mecanismo de calibración de la válvula de seguridad.

7. REGULADORES DE PRESIÓN Los reguladores de presión son aparatos de control de flujo diseñados para mantener una presión constante aguas debajo de los mismos. Este debe ser capaz de mantener la presión constante, sin afectarse por las variaciones de presión a la entrada del regulador, ni por cambios de requerimientos de flujo en las condiciones operativas del proceso para el cual trabaja. La "carcaza" y los mecanismos internos que componen un regulador trabajan para que este controle o limite las variaciones de presión a un valor previamente establecido. Capitulo IV: Presión

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Un regulador de presión es básicamente una válvula de recorrido ajustable a través de modificar la compresión de un resorte y que esta conectada mecánicamente a un diafragma. El diafragma se equilibra entre la fuerza del resorte más la presión de salida o presión de entrega, contra una fuerza aplicada del lado contrario por la presión de alimentación. La fuerza aplicada del lado del diafragma puede ser suministrada por un resorte, un peso o presión aportada por otro instrumento denominado piloto. Para comprender el funcionamiento de los reguladores, en la siguiente figura se muestra un diagrama esquemático del regulador auto-operado. Se puede observar la presión de alimentación que hace entrada al cuerpo de la válvula y empuja al tapón hacia arriba, del lado contrario se observa la cabeza del tapón que esta unido al actuador de la válvula a través de un mecanismo que une al diafragma de la válvula con el mecanismo del resorte que empuja la cabeza del tapón con una fuerza contraria a la presión de alimentación del regulador, así como la presión regulada que también ejerce una fuerza sobre el área de la cabeza del tapón contraria a la presión de alimentación del regulador.

d* Erf radMi cíe Saitóa

Los reguladores de presión auto-operados funcionan bajo el principio de equilibrio de fuerzas. Esencialmente, las fuerzas aplicadas en la zona de alta presión (PE), aguas arriba, se equilibran o balancean con las fuerzas de las Presión Regulada (PR), mas la fuerza que ejerza el resorte (FR ) sobre el diafragma. Este equilibrio de fuerzas es causado por la distribución de la energía (presión) en áreas desiguales, de acuerdo a la siguiente ecuación:

Fuerza Presión Entrada= (Fuerza Resorte) + (Fuerza Presión Regulada)

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Capitulo IV: Presión

'>

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En la siguiente figura se muestra el despiece de un regulador de presión conjuntamente con el diagrama de equilibrios de fuerza, y donde a través de la observación conjunta de ambos esquemáticos se podrá definir que la fuerza que ejerce la presión de alimentación sobre el área reducida del tapón permite empujarlo permitiendo el paso del gas hacia la salida regulada, y se equilibra con la fuerza calibrada del resorte mas la fuerza que ejerce la presión regulada de salida sobre el área grande de la cabeza del tapón. En la medida que se calibre la elongación del resorte se define la presión de salida del regulador.

FR: Fuerza de Calibración Resorte FR = K.X

K: Constante de Elongación. X = Elongación FPR: Fuerza Presión Regulada. FPR = PR.A2

PR: Presión Regulada. A2 = Área Cabeza Tapón.

FP: Fuerza Presión de Entrada. FP = P.A!

P: Presión de Alimentación. AI = Área del Tapón.

También se muestran otros reguladores desde los que se utilizan para regular el aire de instrumentos en los controladores y posicionadotes neumáticos y que están conectados usualmente en el actuador de la válvula de control, hasta los reguladores que se utilizan para el suministro de combustible en los motores desde las líneas de gas de las plantas compresoras

Capitulo IV: Presión

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8. MEDICIÓN DE PRESIÓN EN INSTALACIONES PETROLERAS Una vez que se entiende las diferencias entre presión absoluta y presión relativa, que es presión atmosférica, que es presión de vacio, presión diferencial, queda profundizar en las diferentes aplicaciones de la variable operacional presión considerando no solo su medida, también considerando su comportamiento dinámico y como esa consideración permitirá aportar incluso criterios para entonar los lazos de control de presión, en fin es aceptar la presión como una variable que atenderá desde una indicación local a través de un manómetro hasta un lazo de control junto con todos los demás instrumentos que posibilitan la existencia de ese lazo. Al atender la presión como variable operacional en las instalaciones petroleras se harán ejemplos de la utilización de esta variable en diferentes aplicaciones para indicar, transmitir, proteger y regular en estaciones de flujo, plantas compresoras y refinerías, tales como: la presión que se mide en la succión y descarga de los compresores, la presión de aceite que se mide para proteger los motores y turbinas al garantizar su adecuada lubricación, la presión a que

Capitulo IV: Presión

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se calibra una válvula de seguridad, la presión de salida de un regulador y los lazos de control de presión que están en varios equipos de las instalaciones. MEDICIÓN DE PRESIÓN EN COMPRESORES Con Indicadores e Interruptores de Presión. Panel Señales ON-OFF

Botella de Succión

Compresor

Botella de Descarga

Modulo Electrónico de Protección

Indicador de Presión de Succión

Interruptor de Presión, Calibrado a Baja Presión Succión

Indicador de Presión de Aceite del Compresor

Interruptor de Presión, Calibrado a Baja Presión de Aceite Compresor

Indicador de Presión de Descarga

Interruptor de Presión, Calibrado a Alta Presión Descarga

Capitulo IV: Presión

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Con Indicadores-Transmisores de Presión. Panel de Control con PLC

Tarjeta de Entradas 4-20 mA

Indicador-Transmisor de Presión de Succión.

Indicador-Transmisor de Presión de Aceite del Compresor

Indicador-Transmisor de Presión de Descarga

En las aplicaciones anteriores se mide y se indica la presión en arreglos de compresión de gas, donde puede observarse que las tomas se hacen en las botellas de succión y descarga para el gas y en el compresor para el aceite, y se llevan en lineas de tubo hasta el panel de control que debe estar en la nave de la planta compresora lo que posibilita que la poca distancia permita llevar la señal de presión directamente hasta los paneles de control. Sera necesario que antes de alimentar los instrumentos se tengan válvulas de paso que permitirán cerrarse y con ello posibilitar retirar o calibrar algún instrumento sin la necesidad que estos cambios estén supeditados al paro de las instalaciones. En el primer ejemplo se tiene un panel de control que se alimenta con las señales ON-OFF y por ello dentro del panel se tendrán arreglos de manómetros e interruptores de presión para indicar la presión y proporcionar la señal de alarma a los valores que se calibraron y que alimentan al modulo electrónico discreto, sin embargo en el segundo ejemplo se utilizan indicadores transmisores analógicos que permiten vizualizar la magnitud de la presión en la pantalla digital y convertir la señal de presión en una señal eléctrica y que alimenta la tarjeta electrónica del PLC. Capitulo IV: Presión

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Regulador de Presión (PCV-01) de Combustible a Maquinas "3

1.4. Medidor de Visores de^ 2. Instrumentos que utilizan la Presión Hidrostática

5

3. Medición de Nivel usando Diferencias de Presión

10

4. Mecanismo de Desplazamiento y Flotadores

16

4.1.

Instrumentos de Flotador

16

4.2.

Medidor de Nivel Tipo de Desplazamiento

20

5. Instrumentos que Aprovechan las Características del Liquido...23 5.1. Transmisores Capacitivos

23

5.2. Transmisores Ultrasónicos

25

5.3. Transmisores Rayos Gamma

28

6. Interruptores de Nivel

28

6.1. Interruptores Conductivos

29

6.2.

Interruptor con Flotadores

29

6.3.

Interruptores de Diafragma

31

6.4.

Interruptor Ultrasónico

32

6.5. I nte rru pto r Óptico

33

7. Instrumentación de Nivel en Instalaciones Petroleras

35 .

8. Lazos de Control de Nivel

40

Capítulo V: Nivel

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Capitulo V: Nivel

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La medición de nivel es muy importante en la industria desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso al mantener constante esta variable en aquellas equipos que así lo requieren, así como desde la consideración del balance de las materias primas que entran al proceso, en comparación con los productos finales que salen del mismo. Para la indicación y medición de nivel en la industria estos instrumentos pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y en medidores de nivel de sólidos los cuales son dos mediciones bien diferenciadas y por lo cual se estudian separadamente. MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS Los medidores de nivel de líquidos trabajan: 1. Midiendo directamente la altura del líquido. 2. Aprovechando la presión hidrostática del liquido sobre un nivel de referencia. 3. Aprovechando las diferencias de presiones entre dos puntos de interés en envases cerrados. 4. Mecanismo de desplazamiento y flotadores. 5. Aprovechando las características eléctricas del líquido. 1. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA 1.1. Medidor de Sonda El Medidor de Sonda consiste en una vara con una regla graduada la cual se introduce hasta el fondo del depósito que contiene el líquido. Esta sonda o vara tendrá la longitud adecuada para introducirla y sacarla del envase que contiene al liquido y a través de la parte mojada de la sonda leer el nivel del liquido en el envase, es decir, La lectura del nivel se realiza directamente de la observación de la longitud de la vara mojada por el liquido que contiene el envase o recipiente donde se introdujo la vara. Esta aplicación se utiliza para medir nivel de líquidos como gasolina o agua y que no se queden pegadas de la sonda. En la siguiente figura se muestra esta aplicación.

Capitulo V: Nivel

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1.2. Medidor de Gancho El Medidor de Gancho consiste en una regla graduada en forma inversa al medidor de sonda, es decir el mayor valor de la regla graduada esta en la punta del gancho al contrario de la regla graduada de la sonda donde la punta de la regla graduada tenía nivel cero. Este medidor de gancho se utiliza para medir el nivel de productos pastosos y pegajosos como petróleo, aceite y donde no se quiere que estos productos dejen sucio la regla graduada. El procedimiento de lectura consiste en introducir el medidor de gancho y se levanta para verificar si el gancho se ensucio con el liquido, este procedimiento se repite hasta que el gancho haga contacto con el liquido y a través de la regla graduada se lee directamente el nivel el nivel del liquido en el envase. En la siguiente figura se ilustra esta aplicación.

1.3. Medidor de Cinta Graduada El Medidor de Cinta Graduada consiste en una cinta métrica que tiene incorporado una pieza de plomo en la punta que permite hacer bajar el extremo libre de la cinta métrica hasta la parte del tanque donde haga contacto con el líquido. Se emplea para medir nivel en tanque de crudo donde el operador debe subir el tanque para luego dejar bajar la plomada hasta que haga contacto con el crudo, y así medir directamente en la cinta métrica toda la distancia recorrida por la plomada. Al conocer la altura del tanque y restarle el recorrido de la cinta métrica se conocerá el nivel de crudo dentro del tanque. 1.4. Indicador de Visores de Cristal El Indicador de Visor de Cristal consiste en un tubos o ventanas de vidrio instalados en soportes metálicos y que están unidos al tanque que contiene al liquido que indican por conexiones de vasos comunicantes a través de válvulas, usualmente dos válvulas para la conexión de vasos comunicante con el tanque. Para indicación de nivel de líquidos sometidos a alta presión, los cristales del indicador de nivel están protegidos por una armadura metálica y la estructura metálica y los vidrios utilizados deben estar construidos de tal

Capitulo V: Nivel

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manera que no se rompan al soportar las altas presiones a las que estarán sometidas. Se muestran a continuación el indicador de cinta y el visor.

2. INSTRUMENTOS QUE UTILIZAN LA PRESIÓN HIDROSTATICA. Una de las formas de medir el nivel en tanques abiertos consiste en utilizar la presión hidrostática que ejerce el líquido sobre un área de referencia ubicada en el fondo del tanque y donde se instala el transmisor. En la medida que cambia el nivel cambia el volumen del líquido y con ello la presión hidrostática sobre el área de referencia donde esta instalado el transmisor. Este sistema de medición de nivel de líquidos aprovecha los cambios de volumen que originan los cambios del nivel, los cambios de volumen originan cambios de masa, los cambios de masa originan los cambios del peso que ejerce el líquido sobre el área de referencia donde esta colocado el transmisor. La presión = peso/área, por ello los cambios de peso generan cambios de la presión hidrostática sobre el área de referencia. Todas estas interrelaciones de variables así como un diagrama de ubicación del transmisor y la visualización de un transmisor de nivel conectado por bridas se muestran a continuación. Capitulo V: Nivel

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Prepon = Pe^6/Area Área = D.r2 r = radio del tanque

r

LIT-01

Volumen = Área.altura Volumen = 1J.r2.h h = altura o nivel del liquido. Masa = Volumen.Densidad Densidad = Masa/Volumen = Área.a}tíira.Densidad. = M^sa. Gravedad Presión Hidrostática = Peso Fluido/(Área del Tanque) Presión = (Área).(altura de fluido).Densidad.Gravedad/(Área)

Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad

(A)

Al observar al Transmisor-Indicador de Nivel (LIT-01) que es conectado por bridas, lo que permite es considerar como la presión del fluido contenido en el tanque interactúa directamente con el transductor del transmisor, y donde la medición del nivel se podrá hacer desde la referencia de nivel cero donde esta instalado el transmisor hasta la parte mas alta del tanque. Este transmisor será adecuado para medición de nivel de crudo. Al analizar el desarrollo de las ecuaciones que se presentaron anteriormente se podrá concluir que en la medida que varié el nivel del fluido variara su volumen y con ello su peso generando cambios de la presión hidrostática en el área de referencia donde esta instalado el transmisor, quien aprovechara los cambios de la presión hidrostática para transmitir la magnitud del nivel asociado a ello. Dado que la altura es el único parámetro que cambia, será la altura del fluido la que definirá la presión hidrostática y con ello la magnitud de la medición de nivel. Capitulo V: Nivel

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puede determinar que en condiciones normales de operación serán los cambios de la altura del fluido los que generaran cambios de la presión y con ello la magnitud de la señal eléctrica que envía el transmisor, dado que la gravedad es constante y la densidad debe ser constante si es el mismo fluido. La consideración anterior de tener la densidad constante si es el mismo fluido debe tenerse siempre presente cuando se calibre el transmisor de nivel. Al medir nivel para diferentes fluidos se tendrá una densidad especifica para cada fluido y por ello se deberá adecuar la señal del transmisor considerando la densidad de cada fluido, de manera que al ajustar la calibración para diferentes transmisores de nivel instalados en tanques que contienen diferentes fluidos, se considerara la densidad especifica de cada uno de ellos, para calibrar cada transmisor considerando la densidad de cada fluido. En la siguiente figura se muestra como ejemplo un tanque abierto que utiliza el transmisor (LIT-01) que aprovecha la presión hidrostática para medir el nivel, que tiene como rango de medida el nivel mínimo hmin en la referencia del área donde esta instalado el transmisor y hmax el extremo superior del tanque.

T

RANGO DE CALIBRACIÓN TRANSMISOR

hmin

^P

Salida del Transmisor

^

20 mA

100% Nivel

4 mA

0% Nivel

5

10

15

20

25

30

35

40

Altura del Tanque Abierto

De la gráfica se podrá observar que el rango de medida del transmisor esta comprendido entre los 2 pies hasta los 40 pies. Conociendo la ecuación que Capitulo V: Nivel

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define la: Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad y conociendo la densidad del fluido que contiene el tanque abierto, se podrá calibrar el transmisor de nivel entre el rango de medida de 2 a 40 pies para los valores del 0% del nivel al 100% del nivel que se corresponda con las necesidades o requerimientos operacionales. A manera de ejemplo para esta aplicación los operadores han requerido que el transmisor trabaje entre los 10 hasta los 30 pies. Para ello se calibrara el transmisor en su ajuste de cero para tener como salida del mismo de 4 mA para 10 pies (0%) y ajuste de span de 20 mA para 30 pies (100%), de modo que la señal de salida del transmisor será una señal eléctrica comprendida entre 4 hasta 20 miliafnperios y donde su magnitud será directamente proporcional al nivel del tanque comprendida en su calibración de 10 hasta 30 pies. A continuación se muestra el esquemático del conexionado eléctrico del transmisor y su salida comprendida entre 4 a 20 mA hasta la sala de control, y su forma de^ser conectado por bridas en campo. iDEL 1151LLT PHALINE INGE MOUNTED U1D LEVEL

M,

)0 psid >tem "•:?>«: •

I*

4 a 20 mA

Distancia hasta 500 metros

Conexionado = CiOSfttf !«

je*" c-y !M-

VL =(4 a 20)mA.RL

Capitulo V: Nivel

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El transmisor de nivel (LIT-01) podrá ser construido para trabajar en los siguientes rangos: para ser calibrado entre un rango de O hasta 25 pulgadas de agua para tanques pequeños y para ser calibrado en un rango entre O hasta 100 PSI para tanques grandes y será instalados por bridas para tuberías de 3 y 4 pulgadas de diámetro. Para determinar la altura del tanque para calibrar los transmisores se analizaran las siguientes ecuaciones: Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad Altura del Fluido = (Presión Hidrostatica)/Graveda.Densidad

Conociendo la densidad del fluido que contiene el tanque, la gravedad, así como el rango de trabajo que podrá trabajar el transmisor se podrá determinar la altura medida o los valores de presión para calibrar el transmisor. Serán los fabricantes de los transmisores quienes conociendo: el rango de trabajo del transmisor, el tipo de fluido en el tanque, la temperatura a la cual estará sometido el transmisor, las pulsaciones de presión, las vibraciones* mecánicas, quienes definirán cual será el transductor que utilizaran en la construcción del transmisor y serán los fabricantes quienes definirán cual es el circuito electrónico que le corresponde. Al considerar el uso del transmisor y el rango de trabajo al cual estará sometido en las instalaciones petroleras, se tendrá la atención al uso del transmisor en la instalación y a la calibración del instrumento, apartando de lado las consideraciones del fabricante para diseñar y posteriormente construir el mismo. Bajo estos criterios la atención ahora debe estar en considerar cómo se ajustan los potenciómetros de Ajuste de Cero y de Ajuste de Span (que se muestran en la siguiente gráfica) para que la señal de salida de 4 a 20 miliamperios del transmisor se corresponden al 0% del nivel y al 100% del nivel que requiere el proceso.

TRANSMISOR

12024VDC AiustedeSpan PRESIÓN HIDROSTATICA Circuitos Electrónicos

Ajuste de Cero

Capitulo V: Nivel

4 a 20 mA

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El transmisor de nivel es la integración del transductor eléctrico y los circuitos electrónicos y donde la señal eléctrica de salida del transductor se conectara al circuito electrónico quien aprovechara los cambios de la señal eléctrica proporcionales a los cambios del nivel para generar los cambios de la corriente de salida del transmisor y donde parte de la función del circuito electrónico es conseguir que la salida de 4 a 20 miliamperios sea lineal en relación a los cambios de la magnitud de la presión hidrostática del fluido en el tanque. Otra consideración de interés esta en la atención a la alimentación eléctrica del transmisor que podrá ser 12 o 24 voltios de tensión eléctrica continua y la salida de corriente comprendida entre 4 a 20 miliamperios. La Potencia eléctrica que es igual a la magnitud de la tensión eléctrica multiplicada por la magnitud de la corriente, se calculara para los valores máximos de tensión y corriente y será P=(24 VDC)x(20 mA)=0,58 Vatios, el cual es un valor de potencia mucho menor que los 3 Vatios que considera las condiciones intrínsicamente seguras necesarias en las instalaciones petroleras para garantizar que los instrumentos de campo nunca serán un punto caliente, ni un arco eléctrico que pueda originar la fuente de ignición para producir fuego dentro de las instalaciones. Los instrumentos además de cumplir con sus funciones deben ser las referencias de seguridad de las instalaciones. CONDICIONES INTRÍNSICAMENTE SEGURAS « 3 W

Fuego = Combustible + Aire + Fuente de Ignición Potencia = Voltaje x Corriente Potencia Instrumento = (24 VDC)x(24 mA) = 0,58 W Potencia Instrumento = 0,58 W « 3 W 3 Vatios NO GENERARA:

•

Un punto caliente que propicie el fuego.

•

Un arco eléctrico que propicie el fuego

3. MEDICIÓN DE NIVEL USANDO DIFERENCIAS DE PRESIÓN. Los instrumentos que trabajan bajo el principio de aprovechar la diferencia de presión son usados comúnmente para medir el nivel en tanques o en recipientes cerrados con líquidos sometidos a presiones variantes. En la medición de nivel de tanques cerrados debe considerarse la presión del gas en la parte superior del tanque o recipiente y el efecto de la presión del líquido contenido en la parte inferior del mismo. Una aplicación de la medición de nivel en recipientes cerrados, así como el transmisor se muestra a continuación. Capitulo V: Nivel

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-..

LIT-02

dP = Pl - P2

Donde: P2: Presión del Gas. Pl: Presión hidrostática del liquido + Presión del Gas. En los tanque cerrados que contienen liquido y gas la dinámica del proceso con los cambios de nivel dentro del envase, así como el ingreso y salida de productos hacen el efecto equivalente de estar comprimiendo y descomprimiendo el gas contenido en el, generando cambios en la presión del gas. Los transmisores de nivel para recipientes cerrados que trabajan bajo el principio de medir la diferencia de presión dP = Pl - P2, entre la presión del gas (P2) que esta en la parte superior del envase y la presión en la toma inferior del envase (Pl) que es la sumatoria de la presión hidrostática del fluido mas la presión del gas, buscan eliminar el efecto de la presión variable del gas sobre el liquido y quedar solamente con la presión hidrostática producida por el nivel del liquido contenido en el recipiente cerrado, tal como se muestra:

P2= Presión del Gas Pl= Presión Hidrostática + Presión del Gas dP=Pl-P2= Presión Hidrostática + Presión del Gas - Presión del Gas dP = Presión Hidrostática del Liquido Presión Hidrostatica = (altara del Fluido).Gravedad.Densidad Capítulo V: Nivel

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A manera de ejemplo para un tanque o recipiente cerrado que no contenga liquido y por ello este vació, el contenido del mismo será únicamente de gas y por ello P1 = P2= Presión del Gas, y por lo tanto la medición del nivel será dP=Pl-P2=0. Para los tanques y recipientes cerrados que contienen liquido las mediciones del nivel contenido en el, bajo la medición de presión diferencial dP=Pl-P2 concluye en una ecuación equivalente a la presión hidrostática del líquido de los tanques abiertos donde: H id rosta tica = (catira del Fluido). Gravedad. Densidad

P2

P2

Pl

Pl

LIT-02

dP = P1-P2= O

LIT-02

dP = P1-P2= Presión Hidrostática Liquido

Al quedar la medición de nivel para tanques cerrados bajo el método de presión diferencial en la misma expresión de la presión hidrostática para tanques abiertos con la ecuación que define la presión hidrostática del fluido contenido en el tanque, Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad, se puede determinar que en condiciones normales de operación serán los cambios de la altura del fluido los que generaran cambios de la presión hidrostática. La expresión dP=Pl-P2 permite eliminar los efectos que podían generar los cambios de presiones que puede sufrir el gas y por ello la magnitud de la señal eléctrica que envía el transmisor estará determinada únicamente por el nivel del liquido contenido en el tanque cerrado, dado que la gravedad es constante y la densidad debe ser constante si es el mismo fluido. La consideración anterior de tener la densidad constante si es el mismo fluido debe tenerse siempre presente cuando se calibre el transmisor de nivel. Al medir nivel para diferentes fluidos se tendrá una densidad especifica para cada fluido y por ello se deberá adecuar la señal del transmisor considerando la densidad de cada fluido, de manera que al ajustar la calibración para diferentes transmisores de nivel instalados en tanques cerrados que contienen Capitulo V: Nivel

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diferentes fluidos, se considerara la densidad especifica de cada uno de ellos, para calibrar cada transmisor considerando la densidad de cada fluido. El transmisor indicador de nivel (LIT-02) podrá ser construido para trabajar en presiones diferenciales de 10 hasta 1000 PISO, en los rangos de presiones mas elevadas para aplicaciones tales como la medición de nivel en torres elevadas o en separadores de alta presión. El transmisor indicador de nivel (LIT-02) al igual que el transmisor de tanques abiertos que mide el nivel a partir de la presión hidrostática del fluido contenido en el mismo, podrá ser calibrado a partir del valor que resulta de su presión diferencial y que es equivalente a la presión hidrostática del fluido entre el rango de nivel que determina su conexión superior hmax para conectar la alimentación de presión P2 y hmin para conectar la alimentación de presión Pl y podrá enviar su señal eléctrica comprendida entre 4 a 20 miliamperios entre los valores del 0% del nivel al 100% del nivel que requieran los operadores del proceso. Para determinar la altura del tanque para calibrar los transmisores se analizaran las ecuaciones: Presión = (altura del Fluido).Gravedad.Densidad Altura del Fluido = (Presión Hidrostática)/Graveda.Densidad

Conociendo la densidad del fluido que contiene el tanque, la gravedad, así como el rango de trabajo del transmisor se podrá determinar la altura medida o los valores de presión para calibrar el mismo tal como se muestra a continuación donde se requiere calibrar al transmisor entre 25 a 70".

Salida del Transmisor 20 mA

100% Nivel

4 mA •min •10

2o

30

40

50

60

70

HLIT-OI 'max

En las siguientes figuras se muestran los planos de dimensiones y los soportes de montajes y montajes típicos que sugieren los fabricantes para la instalación del transmisor-indicador de nivel (PIT-02) que se muestra en el separador. Capitulo V: Nivel

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'••

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Pianos de Dimensiones •-

J « D£ LUÍ *»A* A ftCTmA* LA TAPA

fcOTUtO

SOPORTES OPCIONALES OÍ MONTAJE INDICADOS EN CONFISÜRACiQN£S DE MONTAJE TÍFICAS

•«-3.'4* MAX tABif «TO| ~~*~.

SOPORTE 0€ MONTAJE Y SOPCfTTE OPCIONAL DE MUlT«>te DE 3 VAtVUtAS. COOÍGO O£ PCOIOO MB

SOPORTE 0E MONTAJE PLANO CÓDIGO DE PCOIOO fB

SOPOItTC DE MONTAJE EN PANEL CÓDIGO 0€ PEDiOO PO

Capitulo V: Nivel

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Con la finalidad de ir asumiendo un dominio adecuado de la conformación de los transmisores, en la siguiente figura se presenta el despiece del transmisor de presión diferencial. Se podrá observar todos los componentes que conforman al transmisor, con las diferentes partes y piezas mecánicas, así como, los circuitos electrónicos y en la parte inferior de la figura el transductor capacitivo. Todos los transmisores electrónicos, indistintamente la variable operacional que atienda, indistintamente el fabricante que lo construya e indistintamente el modelo, todos, estarán conformados por un transductor que genera cambios de su variable eléctrica cada vez que cambia de magnitud la variable operacional al cual esta conectado y por un circuito electrónico que convierte los cambios de la variable eléctrica del transductor en cambios de su salida de corriente. De igual modo el rango de trabajo de todos los transmisores estará determinado por el transductor y no por los circuitos electrónicos del transmisor. En la siguiente gráfica se podrá observar en la parte inferior de la misma al transductor (Modulo Sensor 6-CELL) de este transmisor de presión diferencial, este sensor esta conectado eléctricamente con las tarjetas o placas del circuito electrónico del transmisor los cuales convertirán los cambios de la señal eléctrica del transductor en salida de corriente de 4 a 20 miliamperios proporcionales a la magnitud del nivel deP tanque o recipiente cerrado. Las placas del circuito se observan en la gráfica.

CÜE8PO DE tA PARTE ELECTRÓNICA

TAPA

BRIDA DE PROCESO

Los fabricantes de estos transmisores presentan los diagramas de bloques de los circuitos electrónicos o placas del circuito para la interpretación del funcionamiento de los mismos por parte de los técnicos electrónicos que Capitulo V: Nivel

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busquen reparar los mismos, sin embargo la información que presentan los fabricantes es muy pobre y posiblemente lo presenten como una razón de elegancia técnica y así resguardar sus diseños.

Diagrama Eléctrico en Bloques

Al observar el esquemático anterior y hacer consideraciones desde el punto de vista de los circuitos electrónicos que conformaran al transmisor se podrá afirmar que es muy pobre la información que proporcionan los fabricantes de los transmisores sobre los circuitos electrónicos que integran los transmisores. Los detalles de los circuitos electrónicos que conforman los transmisores se escapan de la atención de este libro y quedara para un curso de electrónica. De las consideraciones de la visualización de los transmisores electrónicos y sin tener ninguna duda, se podrá decir que los transmisores de presión diferencial son la integración de un transductor eléctrico (Capacitivo) que proporciona una salida de su variable eléctrica para alimentar a los circuitos electrónicos que integran el transmisor, quienes aprovechan los cambios de la variable eléctrica del transductor para generar la salida de 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la presión diferencial.

4. MECANISMOS DE FLOTADORES Y DESPLAZAMIENTO. 4.1. Instrumentos de Flotador. Los instrumentos de flotador, consisten en usar un flotador que estará ubicado dentro del tanque sobre en la superficie del nivel que se mide. Al estar flotando sobre el líquido contenido en el tanque en la medida que el nivel suba o baje dentro del tanque e! flotador subirá o bajara conjuntamente con la superficie del líquido contenido en el envase. Una de las aplicaciones de este tipo de medición de nivel es tener un flotador unido a un extremo de un cable que se desliza a través de un juego de poleas y donde el otro extremo del cable tendrá una contrapesa que funciona como índice de una regla graduada que se encuentra externamente al tanque que se le mide el nivel. Este mecanismo de flotador y contrapeso unidos por un cable y donde el contrapeso sirve de indicación del nivel en la regla graduada externamente al tanque, permite que Capitulo V: Nivel

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en la medida que el nivel tenga variaciones el flotador se desplazara conjuntamente quien estará señalando en la regla graduada el cambio del nivel contenido en el tanque. En la siguiente figura se muestra este sistema de medición de nivel donde puede observarse la escala de la regla graduada de mayor valor en la parte mas baja de la regla, dado que en la medida que baja el nivel el indicador ira subiendo marcando en la regla graduada la disminución del nivel dentro del tanque.

Bajo este mecanismo de medición de nivel, también se tienen flotadores acoplados magnéticamente los cuales se deslizan a lo largo de un tubo situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo esta una pieza magnética que sigue al imán del flotador en su desplazamiento en la medida que el flotador esta sobre la superficie del liquido contenido dentro del tanque. La pieza magnética que esta dentro del tubo mediante poleas y contrapesos mueve la aguja del mecanismo de medición del indicador de nivel que esta en la superficie del tanque o envase. Esta aplicación se muestra a continuación. Indicador de Nivel

Flotador con imán permanente Con el uso de imanes permanentes ubicados dentro de los flotadores que están en la superficie del liquido contenido dentro del tanque, diferentes fabricantes Capitulo V: Nivel

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han desarrollado varios transmisores de nivel, uno de ellos es el que utiliza al imán permanente que esta en el flotador para cerrar el circuito magnético a través del tubo que sirve de soporte y guía para desplazarse. Dentro del tubo esta un contacto eléctrico de laminas herméticamente cerrado y accionado por el imán permanente del flotador. Cuando el flotador se eleva el campo magnético del imán permanente cierra el contacto y cuando el flotador baja el imán permanente abre el contacto, tal como se muestra a continuación. Resistencia de Precisión Imán Permanente \v \\ I

Flotador Flujo Magnético del Imán Contacto cerrado herméticamente

Tubo del Flotador

Al desplazarse el flotador a lo largo del tubo, el imán permanente que esta en su interior cierra su circuito magnético aprovechando y uniendo las láminas metálicas que están dentro del tubo y con ello cerrando los contactos eléctricos entre los dos puntos que están en las dos laminas. Bajo este principio funcionan diferentes interruptores de nivel, los cuales utilizan el desplazamiento del flotador producido por los cambios de nivel dentro del tanque para cerrar y abrir el o los contactos eléctricos que están en el tubo. Los contactos eléctricos se usaran como señales de alarmas ON-OFF, (posteriormente se mostraran algunos interruptores de nivel que funcionan bajo este principio), sin embargo, se tienen transmisores de nivel que disponen de un transductor de resistencia variable con el nivel, desarrollados por una matriz de contactos a lo largo del tubo que sirve de guía del flotador. Los contactos eléctricos que están colocados a lo largo del tubo tienen unidos en serie unas resistencias de precisión, lo que permite que en el recorrido del flotador a lo largo del tubo, el imán permanente que contiene en su interior cierra su circuito magnético aprovechando y uniendo las laminas metálicas que están dentro del tubo y así abrir y cerrar los contactos eléctricos y con ello abrir y cerrar el circuito de la resistencia eléctrica que se corresponda con ese nivel, permitiendo proporcionar a los circuitos electrónicos del transmisor una resistencia eléctrica directamente proporcional al nivel del fluido contenido en el tanque. En las siguientes figuras se muestra el transmisor de nivel y el esquemático de conexión del mismo. Capitulo V: Nivel

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"max

Rango de Calibración Transmisor de Nivel Flotador

v

hmin

El transmisor-indicador de nivel (LIT-03) tiene al flotador como el único componente móvil del instrumento y es aplicable a una gran variedad de mediciones de nivel funcionando independientemente de las propiedades eléctricas del fluido, la temperatura y la presión dentro del tanque o recipiente, formación de espuma o la presencia de vapores y dependiendo del debido peso del flotador se puede usar hasta para medir el nivel de interfase de dos líquidos con gravedad especifica diferentes. Tal como se muestra: LIT-03

T Rango de Calibración Transmisor de Nivel

T Longitud del Tubo Guiador. Será determinado por la longitud del tanque o recipiente

Flotador Interfase de líquidos A y B B

Capitulo V: Nivel

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El transmisor-indicador de nivel (LIT-03) utiliza un transductor resistivo conformado por un tubo guiador que contiene los contactos eléctricos y las resistencias de precisión en serie con los contactos y un flotador con imán permanente que acciona los contactos eléctricos dentro del tubo. Todo el transductor resistivo funciona como un potenciómetro de tres tomas cuya resistencia estará determinada por el lugar donde este el flotador en el tubo guiador. Las tarjetas electrónicas del transmisor aprovecharan los cambios del transductor para enviar una señal eléctrica de 4 a 20 miliamperios directamente proporcional al nivel del líquido dentro del tanque o recipiente. La precisión del transmisor será determinada por la distancia entre los contactos eléctricos dentro del tubo guiador y donde esta distancia entre contactos estará comprendida entre 10 mm (0.4") a 20 mm (0.8") dependiendo de la longitud del tanque o recipiente. En su recorrido el imán permanente cierra dos contactos a la vez lo que permite a través de la interpolación tener una precisión 1/2 de la distancia entre dos contactos. Entre las especificaciones de estos transmisores de nivel están: Longitud entre 6.5 pies hasta 20 pies, Gama de temperatura de trabajo desde -4 hasta 250 °F, y máxima presión de trabajo de hasta 290 PSIG.

4.2. Instrumentos de Desplazamiento y Empuje. Los instrumentos de medición por desplazamiento consisten en equipos que tienen un flotador sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión que esta unido a las paredes del tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra la varilla de torsión que se mueve por el movimiento que transmite el flotador por efectos del empuje que efectúa el liquido sobre el mismo. Cada vez que ocurren los cambios de nivel se generan los movimientos de torsión sobre el brazo al adaptarse a los cambios del flotador en la medida que se producen los desplazamientos del mismo por los cambios de nivel que se están presentando dentro del recipiente cerrado. Este movimiento de giro de la varilla se transmite al instrumento exterior al tanque quien indicara y/o transmitirá el nivel. Este mecanismo de medición de nivel se muestra en la siguiente figura.

ÍT i Capitulo V: Nivel

t Empuje Líquido

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Las variaciones del nivel del liquido ejercen variaciones del giro de torsión de la varilla que transporta el movimiento hasta el instrumento, los cambios de nivel producen cambios del empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida del flotador y del peso especifico del liquido, es por ello que al bajar el nivel del liquido será menor la parte del flotador que quede sumergido en el liquido y por ello disminuye la fuerza de empuje del flotador hacia arriba. Estas medidas de nivel con flotadores y mecanismos de empujes proporcionales al nivel del líquido y al peso especifico del fluido, pueden utilizarse para medir nivel de interfase entre dos líquidos de distintas densidades como el agua y el petróleo, por ejemplo. En estos casos los flotadores son de pequeño diámetro y gran longitud y estarán totalmente sumergido entre los dos líquidos y tendrán un peso que garantice estar totalmente sumergido en el liquido menos denso, y donde el empuje del flotador lo componen los dos fluidos. El mas denso en la parte inferior y el menos denso en la parte superior del envase o recipiente cerrado, el flotador conformara una línea de separación de interfase entre los dos fluidos. El lugar donde este la línea de interfase entre los dos fluidos dependerá el par de torsión, o el empuje que envía el flotador y que dependerá de la línea de interfase en la medida que el nivel del fluido mas denso cambie. El empuje del flotador se transmite hasta el instrumento externo al tanque quien indicara o transmitirá el valor del nivel de ¡nterfase. Esta aplicación se muestra a continuación.

Gas

Petróleo

Agua

El empuje del flotador depende del nivel relativo donde este ubicado la línea de interfase de los dos líquidos y la magnitud de la medida que estará determinada por la diferencia de los dos pesos específicos de cada líquido. Peso especifico = (masa especifica).gravedad Masa Especifica = volumen.(Densidad Especifica) Capitulo V: Nivel

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Empuje = (Fuerza del Agua) - (Fuerza del Petróleo) Empuje = (Presión Hidrostática Agua).Área-(Presión Hidrostática Aceite).Área Empuje = (Área Flotador).(Presión Agua - Presión Petróleo) Bajo este principio de funcionamiento trabajan los transmisores indicadores de nivel como el LIT-04 para ser instalados en tanques o recipientes cerrados y para fluidos como aceite o petróleo. En la medida que cambia el nivel varia el desplazamiento del flotador y con ello modifica su empuje sobre el eje de torsión que lleva el movimiento hasta el transmisor electrónico tal como se muestra en la siguiente figura.

"max

Rango de Calibración

..i.

Salida del Transmisor

20 mA

100% Nivel

4 mA •min 10

2o

30

40

60

60

70

80

Altura

•max

En la figura se muestra como ejemplo un separador que utiliza el transmisor (LIT-04) que aprovecha el desplazamiento del flotador sumergido en el petróleo para crear el giro de torsión proporcionar al nivel del liquido en el separador, y que tendrá como rango de medida la distancia comprendida entre Capitulo V: Nivel

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el nivel mínimo hmjn en la referencia del menor desplazamiento del flotador y el nivel máximo hmax en el extremo superior del vaso comunicante. De la gráfica anterior se podrá observar que el rango de medida del transmisor esta comprendido entre los extremos del desplazamiento del flotador comprendidos entre hmjn y hmax entre pulgadas hasta las 80 pulgadas por ejemplo. Se podrá calibrar el transmisor de nivel entre el rango de medida de 5 hasta 80 pulgadas para los valores del 0% del nivel al 100% del nivel que se corresponda con las necesidades o requerimientos operacionales. A manera de ejemplo para esta aplicación los operadores han requerido que el transmisor trabaje entre 25 hasta los 70 pulgadas. Para ello se calibrara el transmisor en su ajuste de cero para tener como salida del mismo de 4 mA para 25 pulgadas como el (0%) y ajuste de span de 20 mA para 70 pulgadas para el (100%), de modo que la señal de salida del transmisor será una señal eléctrica comprendida entre 4 hasta 20 miliamperios y donde su magnitud será directamente proporcional al nivel del tanque comprendida en su calibración de 25 hasta 70 pulgadas.

5. TRANSMISORES QUE APROVECHAN LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS, FÍSICAS DEL FLUIDO. 5.1. Transmisores Capacitivos. Los medidores Capacitivos son instrumentos que aprovechan el envase que contiene el liquido así como las propiedades dieléctricas del liquido para conformar el equivalente a un condensador variable, donde las paredes del envase es una placa el electrodo unido al transmisor actúa como la otra placa del condensador y las variaciones del nivel actúa como un dieléctrico variable. Se utiliza para medir el nivel en fluidos que son malos conductores eléctricos. C: Carga eléctrica del condensador.

.A

Gp.A 1 d E

Ce: Capacitancia en microfaradios. A: Área de las placas del condensador. Su cálculo depende de la forma que tenga el condensador y si es cuadrado, redondo, cilindrico. E: Tensión eléctrica entre las placas del condensador. d: Distancia entre las placas del condensador Gv: Densidad de carga eléctrica. Depende del tipo de dieléctrico usado. En esta aplicación será un dieléctrico mixto aire-fluido y donde en la medida que varié el nivel del tanque o recipiente variara el porcentaje del componente dieléctrico aire y dieléctrico fluido permitiendo conformar un condensador de capacitancia variable proporcionalmente al nivel. Capitulo V: Nivel

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Placa B

Nivel

Nivel

i

Aire

Jr

TYPICAL MOOEL 444 TEMPERATURE TfiANSMITTEB ASSEMBLY ELECTRONíCS HOU5ÍNC

l/lodel 444 Temperature Transmiíter Specificaíions Capitulo VII: Temperatura

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5. INTENSIDAD DE RADIACIÓN EMITIDA POR CUERPO. La pirometria de radiación esta conformada por un lente que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varias Termocuplas de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación de un cuerpo caliente esta enfocada incidiendo directamente en las uniones de las Termocuplas. El paquete de Termocuplas es de volúmenes reducido, lo que las hace sensibles a las pequeñas variaciones de energía radiante y además son resistentes a las vibraciones o choques mecánicos. Objeto Caliente

Lente

La termopila esta conformada por varias Termocuplas conectadas en serie que permiten sumar el aporte de tensión que genera cada Termocupla. La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperatura entre la unión caliente donde se concentra la radiación que proporciona el lente y la unión fría que esta en el circuito electrónico del medidor. Este equipo electrónico al igual que todos los transmisores electrónicos tiene un circuito para hacer la corrección por temperatura ambiente, de manera que la tensión resultante de la termopila sea solamente de la resultante de la generada por la radiación del lente. Para evitar errores en la medición de la temperatura se hace necesario mantener al lente que concentra la radiación limpio, de manera que garantice que todas las ondas que emite el cuerpo caliente sean concentradas por el lente hasta la termopila.

6. TEMPERATURA EN INSTALACIONES PETROLERAS. Una vez que se entiende las diferencias entre las PT-100 y las Termocuplas como transductores primarios para medir la temperatura los cuales son los mas utilizados en las instalaciones petroleras queda profundizar en las diferentes aplicaciones de la variable operacional temperatura considerando no solo su medida, también considerando su comportamiento dinámico y como esa consideración permitirá aportar incluso criterios para entonar los lazos de control de presión, en fin es aceptar la temperatura como una variable que Capitulo VII: Temperatura

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atenderá desde una indicación local a través de un termómetro bimetálico hasta un lazo de control junto con todos los demás instrumentos que posibilitan la existencia de un lazo simple de control, o la variable temperatura como variable maestra en lazos en cascada. Al considerar la temperatura como variable operacional en las instalaciones petroleras se harán ejemplos de la utilización de esta variable en diferentes aplicaciones para indicar, transmitir, proteger y regular en plantas compresoras, refinerías, tales como: la temperatura que se indica y se mide en la succión y descarga de los compresores, la temperatura de aceite que se mide para garantizar la viscosidad del aceite y así proteger los motores y turbinas al garantizar su adecuada lubricación, la temperatura maestra que se utiliza en los lazos de control en cascada para el control de hornos o reflujo de tope en las refinerías. MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COMPRESORES Con Termocuplas y Transmisores de Temperatura. Panel de Control

Modulo Electrónico del PLC

Indicador de Temoeratura de Succión

Termocupla sensora de Temperatura de Succión.

Transmisor Indicador de Temoeratura de Succión.

Capitulo VII: Temperatura

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Termocupla sensora de Temperatura Lubricación de Aceite.

Transmisor Indicador de Temperatura de Aceite de Lubricación.

Indicador de Temperatura de Descaraa

Termocupla sensora de Temperatura de Descarga.

Transmisor Indicador de Temoeratura de Descaraa.

MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COMPRESORES

Con Indicadores Bimetálicos e Interruptores-Bimetálicos. Panel de Control

Modulo Electrónico de Tarjetas ON-OFF

Indicador de Temoeratura de Succión

Interruptor calibrado para Alta Temperatura de Succión.

Capitulo VII: Temperatura

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Interruptor calibrado para Alta Temperatura de Aceite.

Indicador de Temperatura de Descarga.

Interruptor calibrado para Alta Temperatura de Descarga.

En las aplicaciones anteriores se mide y se indica la temperatura en arreglos de compresión de gas, donde puede observarse que las conexiones se hacen en las botellas de succión y descarga para la medición e indicación de la temperatura del gas y en el compresor para la medición de la temperatura de aceite de lubricación, y se llevan a través de cables de Termocuplas hasta el panel de control cuando alimenta al transmisor de temperatura y con cables comunes hasta el modulo electrónico para los interruptores de temperatura. *

Temperatura variable Maestra en Control en Cascada. Una de las aplicaciones más interesantes de la temperatura como variable maestra en los lazos de control en cascada es para definir la temperatura de trabajo en el tope de la torre de destilación inyectando un flujo frió del producto final de tope (REFLUJO). A través del reflujo se define la temperatura del tope de la torre y con ello se establece la condición de trabajo de la sección de rectificación de la torre. Esta temperatura de tope que se consigue regulando la inyección del caudal del producto final de tope, será la referencia de la menor temperatura de la torre de destilación. La integración del tope de la torre conjuntamente con los equipos asociados esta conformado por un condensador, un separador trifásico, una motobomba para retirar el producto final de tope, así como enviar el reflujo y los arreglos de instrumentación y control que permiten implementar los controles de: de temperatura de tope (reflujo), producto final de tope, nivel de productos pesados y presión. En este conjunto de instrumentos y controles para implementar el reflujo se hace necesario tener un lazo de control en cascada Temperatura (Variable Maestra) y el Caudal (Variable Esclava) que permita definir la temperatura de trabajo del tope de la torre, para ello de la descarga de la motobomba se tiene una toma que pasara por una válvula de control que regulara el flujo hacia el tope de la torre de tal manera que ingrese el producto final de tope frió para definir la temperatura de tope. La regulación de mayor o menor caudal de reflujo se hará en la medida que se busque corregir la temperatura de tope, por ello para disminuir la temperatura en el tope se incrementa el caudal de reflujo y por el contrario para aumentar la temperatura en el tope se disminuye el caudal de reflujo. Este arreglo en Capitulo VII: Temperatura

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cascada Temperatura-Caudal permitirán que la temperatura defina el set point del caudal y con ello la posición de la válvula de control. La variable operacional más crítica (Temperatura) es el maestro, dado que en el tope de la Torre de Destilación las variaciones de temperatura harán cambios de la condición de trabajo Temperatura-Caudal de la bandeja y con ello modificaría la cantidad de componentes que estarán en fase gaseosa o fase liquida en esa bandeja. Es por ello que la cantidad de producto final de tope que regula el lazo de control esclavo (Caudal) debe estar supeditado a mantener estable la temperatura de trabajo en la bandeja que es la referencia para el control. Se ajustara el caudal (Variable Esclava) del producto final de tope que se inyecta como reflujo a los requerimientos de mantener la temperatura (variable Maestra) estable en la bandeja de la torre a su valor deseado como referencia. En la siguiente figura se muestran las conexiones vista desde del PLC del lazo de control en cascada Temperatura (Maestro) y Caudal (Esclavo), donde observan como los transmisores de temperatura y caudal (TT-01 y FT-01) transmiten sus señales eléctricas hasta el PLC. Es dentro del software del PLC donde existe la corrección desde el controlador maestro (Temperatura TIC-01) hasta el controlador esclavo (Caudal FIC-01). Del lazo de control esclavo (que trabaja con un set point corregido) sale la señal eléctrica que alimentara al convertidor Corriente-Presión (FY-01) el cual tendrá como salida la señal neumática comprendida entre 3-15 PSI y que posicionara la válvula de control para regular el producto final de tope que alimenta la bandeja.

Capitulo VII: Temperatura

24

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En la atención del Tope de la Torre de Destilación para mantener estable la temperatura en la bandeja, el controlador Maestro TIC-01 (Temperatura) tendrá un valor deseado (set point) TD(s), también recibe la realimentación de temperatura RT(s) a través del transmisor de temperatura TT-01 y con ello genera la señal de error e(s) de la temperatura y ejecutara la acción de control PID a la señal de error de la temperatura. La señal de salida del controlador maestro CM(s) se sumara con el valor deseado y sin perturbaciones del caudal (set point) seleccionado de la variable esclava (EN EL SOFTWARE DEL PLC).

Control de Temperatura de Flujo de Alimentación de Torre. En la siguiente figura se muestran como ejemplo otro arreglo de control en cascada que usualmente se utilizan para definir la temperatura de alimentación del fluido de alimentación a la torre de destilación.

Capitulo VII: Temperatura

25

CAUDAL 1. Caudal .... 2. Medidores Volumétricos

.............................4

2.1.

Instrumentos que aprovechan la Presión Diferencial...........4

2.2.

Corrección para Fluidos Compresibles...............................8 .

2.3.

'

"

•

' '

"

Elementos Primarios^para SensarHa^Présíón^Bt

:

-; '

; '

•

.í

2.3.1.

Placa de Orificio

12

2.3.2.

Tobera

13

2.3.3.

Tubo Venturi

15

2.4.

Transmisores de Flujo

3. Instrumentos de Desplazamiento Positivo

15 18

3.1.

Medidor Birrotor

18

3.2.

Medidor Oval

20

4. Instrumentos que Aprovechan la Velocidad

22

4.1.

Medidor de Turbina

22

4.2.

Medidor Ultrasónico

24

5. Instrumentos que usan el Par Giroscópico

26

6. Computadores de Flujo

28

7. El Caudal en Instalaciones Petroleras

29

Capítulo VII: Caudal

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Capitulo VII: Caudal

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1. CAUDAL Una de las variables operacionales más comunes en los procesos industriales para ser medido y controlado es el caudal. Es el caudal la variable que relaciona el volumen en relación al tiempo y puede expresarse en diferentes unidades tal como se muestra a continuación:

Caudal = Volumen / Tiempo Ci = Litros / minuto

(1)

C2 = Litros / segundo C3 = galones / minuto C4 = Barriles / Hora Podrán existir otras unidades para medir el caudal, que relacionen el volumen con unidades de tiempo y que podrá ser representativa de alguna instalación industrial. Para medir el caudal existen varios métodos según si es un caudal volumétrico o un caudal masico. Para medir estos caudales se desarrollaron varios transductores que permitirán tener contacto directo con el caudal para proporcional una señal útil representativa del caudal y que puede ser medida. Entre los métodos los métodos y variables que se aprovechan para medir el caudal están: la presión diferencial, la velocidad, área variable, desplazamiento positivo, par giroscopio, entre los cuales se podrá reseñar: • Placa Orificio. • Tobera. Presión Diferencial


PB

\1

B

! PA: Presión en A. | VA: Velocidad de Fluido en A. ! aA: Área en A.

1 PB: Presión en B. | VB: Velocidad de Fluido en B. i aB: Área en B.

Si PA, PB, VA, VB, son las presiones absolutas y las velocidades antes y después del elemento transductor y aA, aB, son las áreas correspondientes en A y en B, reemplazando estos valores en el Teorema de Bernoulli se tiene:

VA 2g

PB Wo

2g

(3)

Wo

Donde: Wo: Peso Especifico del Fluido, g: Gravedad. Como se tiene que: aA.VA = aB.VB => VA=(aB.VB)/aA (4) aA: Área de A, es el área de la tubería. aB: Área de B, es equivalente al orificio del elemento que origina la caída de presión dentro de la tubería por donde circula el fluido.

Reemplazando la ecuación (4) en (3) y desarrollando los términos resulta:

(aBVBlaAY

Wo

Capitulo VII: Caudal

2g

PB Wo

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Agrupando Términos equivalentes resulta: PA Wo

PB = VB2 Wo ~ 2g

(aB)2.(VB)2 (aA)22g

_L.(W-M) = (^.0_(2«12) Wo

(aA)

2g

(aA)2' Despejando VB de la última expresión resulta:

Wo

VB =

-.(PA - PB)

(aA)

Definiendo m=aB/aA como un factor de acercamiento del diámetro del orificio (aB) con relación al área de la tubería (aA) y redefiniendo la expresión para determinar el área del orificio que será: aB = may y reemplazando esta ultima expresión en la ecuación (5) resulta:

VB =

1

t2g.(PA -PB)

•J\-m2\

Wo

Teniendo que Caudal = Área.Velocidad = aB.VB = aA.VA, se tiene que:

Caudal

= (m.aA).

- PB)

1 Vi- m2

Wo

Teniendo que: aA: Área de la Tubería por donde circula el fluido. aA = 7r.D2/4 D: Diámetro de la tubería por donde circula el fluido. Reemplazando la ecuación para determinar aA en la ecuación (6), resulta: Capítulo VII: Caudal

(6)

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Caudal

™ ^ Vl-m2 4

x

F

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— UPA - PB ) S

' V

(7)

Wo

Donde la ecuación (7) se podrá resumir que: La aplicación de la ecuación (7) para el cálculo del caudal esta limitada a fluidos ideales que no se expanden, ni comprimen. En la practica en las instalaciones industriales para tener una medición de caudal mas próxima a la realidad se deben considerar varios factores de corrección para tomar en cuenta tales como: el reparto desigual de las velocidades del fluido que ocurre dentro de la tubería, la contracción de la vena del fluido, las rugosidades dentro de la tubería, las fases liquida o gaseosa del fluido. Los factores antes reseñados se engloban en dos parámetros CJ como coeficiente de descarga, donde C es el coeficiente de caudal y J es el coeficiente global de corrección que considera la viscosidad del fluido, rugosidad de la tubería, otros factores. Los factores C y J son determinados experimentalmente. Finalmente al considerar los factores de corrección C y J resulta una ecuación para el cálculo de caudal volumétrico (Qv) a partir de la caída de presión que genera un cuerpo dentro de la tubería de la siguiente manera.

Qv: Caudal Volumétrico.

& = CJ

«

"'

mmm

.

v ^

,,

^

C: Coeficiente de Caudal. J: Factor Global de Corrección = JiJz-Js Ji: Factor de Corrección de la Viscosidad. J2: Factor de Corrección de Rugosidad, Repartición de Velocidad. J3: Factor de Corrección de la Arista de: Placa Orificio, Tobera.

En las siguientes figuras se muestran los transductores primarios más comunes (Placa Orificio, Tobera, Tubo Venturi) para generar el diferencial de presión AP = PA-PB, proporcionales al caudal volumétrico que circula por una tubería.

Capitulo VII: Caudal

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,; , >

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.

i

•

^N^j

i

Jesús Enrique Otero Ramos

pataVo d

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P.UV.

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12

;

D

v s

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777777

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+2^ + ^

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

,

32

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_ ^

2 *

^

_! s Aplicando las tablas de transformadas inversas a la última expresión de S(s) resulta S(t) la cual se muestra-a continuación:

o/y\

i

^ \l ) — 1

¿>

—EfiVnt

í

L/Ubf r Ct¿ 1 . rnQÍíW^-i-

£

.

0 /P M

J/f//Íf

- o&fl rr (Al *> '

/

Obtenida la ecuación para S(t) para cuando ^ < 1 para^ 2 -1, conjuntamente para los valores de S(t) para cuando ^=1 y ¿>1, se podrá graficar los valores de S(t) en el tiempo y así observar respuestas Subamortiguadas, Amortiguamiento Critico y Sobreamortiguada a partir de los valores que asuma ^. Estas familias de curvas se muestran en la siguiente figura: Respuesta Transitoria

Sít) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1.0 0,8 0,6

0,4 0,2

Wnt Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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La observación de las curvas de S(t) para diferentes valores de Relación de Amortiguamiento permite definir las siguientes consideraciones: • Los Sistemas de Segundo Orden que tengan la misma Relación de Amortiguamiento ^, tendrán el mismo sobre impulso y el mismo diagrama oscilatorio, indistintamente la Frecuencia Natural Wn que tengan. • Los sistemas subamartiguados con Relación de Amortiguamiento O < £ < 0,8, tienen respuestas mas rápidas que los de Amortiguamiento Critico y los Sobreamortiguados. • Un sistema sobreamortiguado siempre es lento en responder ante cualquier entrada.

3.3.3 Especificaciones de Respuesta Transitoria • • •

Los sistemas que pueden acumular energía no pueden responder instantáneamente y por ello presentan respuestas transitorias siempre que se les somete a cambios de entrada o ha perturbaciones. Frecuentemente, las características de funcionamiento de un sistema de control son especificadas en términos de la Respuesta Transitoria ante una entrada Escalón. Las Respuestas Transitorias de un sistema de control real frecuentemente presentan oscilaciones amortiguadas antes de alcanzar un Estado Estacionario.

Ante estas consideraciones, resulta adecuado al observar la respuesta transitoria de un Sistema de Segundo Orden subamortiguado para definir los diferentes intervalos de tiempo y los sobre impulsos de la variable, tal como se muestra en la siguiente figura.

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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Donde: td: Tiempo de Retardo. tr: Tiempo de Crecimiento. tp: Tiempo de Pico. ts: Tiempo de Establecimiento. Mp: Sobre Impulso Máximo. Las especificaciones en el dominio del tiempo antes identificadas, son importantes dado que dan las referencias en el tiempo que tiene un Sistema de Segundo Orden para actuar los sistemas de control y como estos deben enfrentar estas respuestas naturales del sistema para corregirlos a través de la entonación en los lazos de control. Es deseable que la respuesta transitoria de un Sistema de Segundo Orden sea suficientemente rápida y este suficientemente amortiguada. Para que el Sistema de Segundo Orden pueda tener una Respuesta Transitoria deseable, es necesario tener una Relación de Amortiguamiento entre 0,4 < £ < 0,8. Valores pequeños de la Relación de Amortiguamiento ^ < 0,4, dan respuestas con excesivo sobre impulso en la respuesta transitoria y los Sistemas de Segundo Orden con un valor grande de la Relación de Amortiguamiento £ > 0,8, el sistema responde muy lento. 3.3.4 Repuestas al Impulso Unitario C(t)

C(t) -

t

C(s) - £(C(t)) Tipmnn

S(s) = Gl(s).C(s) C(s)

2

Wn

5(5) = -

Wn'

Wn2

-.1

Wn'

Donde se tienen las mismas consideraciones para Wd = WnJ^ 2 -1 : Frecuencia Natural Amortiguada. Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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Varias Consideraciones

•

Polos Complejos,

• •

Sistema Subamortíguado. Respuesta Transitoria Oscilatoria

Amortiguamiento Critico

Amortiguamiento Sobreamortiguado

Las consideraciones que generaron los diferentes valores de ^ < 1 para^ 2 -1, £=1, y ¿>1, para un Sistema de Segundo Orden generaron las siguientes respuestas: • • •

Respuesta Transitoria Oscilatoria para ^ < 1 para^2 -1 . Respuesta Transitoria con Amortiguamiento Critico para ^=1. Respuesta Transitoria Sobreamortiguado para ¿>1.

Aplicando la tabla de Transformada inversa de Laplace para obtener el valor de S(t) a partir de S(s) resulta:

_iwnt c.rr ni

Con todas las consideraciones anteriores, se grafican las curvas en el tiempo de S(t) como respuestas a la entrada de un Impulso Unitario a un Sistema de Segundo Orden, tal como se muestra en la siguiente figura: Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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S(t)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

-0,2 -0,4 -0,6 -0,8

De la figura anterior se puede apreciar una familia de curvas para S(t) teniendo como entrada un Impulso Unitario para un Sistema de Segundo Orden para diferentes valores de de la Relación de Amortiguamiento £. Para el amortiguamiento critico o sobreamortiguado donde ^ > 1, la salida S(t) es positiva y para los valores de O < ^< 1 la señal de S(t) es subamortiguada y toma valores positivos y negativos en su régimen transitorio.

3.3.5 Acciones de Control PID sobre el Sistema de Segundo Orden En las siguientes figuras se podrá observar las acciones básicas de control PID en los términos usuales a como deberían actuar los controladores: Proporcional, Proporcionai-Integrativo, Proporcional-Derivativo.

Salida del Proceso

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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PID

Set-point /C~y\ e(s) T\ IVl A/f {t) ( t\ — A íf L\

1 [n(t\/J+ 1 6\t )u 1 < T"d ^ V /

&ft\-L• C\J )H

L

V

Retroalimentación

dt

'

M(s) .. w ifc. A(s) - A(s)+M(s)

Transmisor desde el proceso

M(t) = Kp\e(t) + ±-\e(t)dt + Ta T.

t Integrativa Proporcional Derivativa

Acción de Control Proporcional

Cfs) ^H/

\j

^P

v 1Z

ir -bt \L/6 V I /•» ¿y

1 / ^ 1 /;/ 11 t1 r/?r~ \UL ró^ a-b

1 "2 1J

e

1A

e

14 •i rr Ib

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aí

^r~ ^)

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1

A

Wn vvn

1

7\

Wn2 ^2 ^

s2 +2gWns + Wn2 S

.,_

c~

,

w (s + a)2+w2 s +a (s + a)2 +w2 1 2 s (S + a)

cos(wí)

, senQynJii ^.qWnl

qWnt

^,\/

)

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i

,

»y \s i ci ¡(s \ o i

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1 /

—~(at — \ + e~at) a

16

1 "7

n £?

2

2

-cn(WnJ\ — t\^)

. JrUf

+W

2

Propiedades de la Transformada de Laplace

!-/(« i-5/(o)-/(o)

?[j/(0*]=

F(S)

+

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

=0

40

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7 /^l i 1 f ( t\/Jtrít 1 —

1

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(04 = °

1

(\lf(t}dtdt} = 0

S

s[e~a'f(t}]=F(s + a}

8 9

S [ f ( t - a } l ( t - -a)] = e

ax

F(s)

10

4*»].

11

n L/1

-jw*

*[/(-) a

= aF(as)

12

dF(s} ds

4.2. Respuesta Transitoria de un Sistema de Segundo Orden. Ante entrada al ESCALÓN jw

Plano s

jw

Y(t)

Plano s

1

-> p

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

41

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Plano s

jw'

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Y(t)

X

1

X 0


> -1

jw

Plano s V

/\

V

v

A

Capitulo VIII: Lazos de Control y Respuesta Transitoria

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4.3. FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA MOTOR DC

Bases Teóricas sobre el Motor DC. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas debido a la acción del campo magnético, y la armadura gira (véase Momento de una fuerza). La función del conmutador y la de las conexiones de las bobinas del campo de los motores es exactamente la misma que en los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática. La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

1 wim !

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* Borne?a de «madura Campo a 4
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l 03 Custotn Data Morior? í

TON Tinier On Delay Tañer Tin» Base Preset Accum

-U COM O - Untíted

-ADD A

—1

Tarjetas Entradas ON-OFF

«a

Tarjetas Entradas 4-20 mA

v=

1 I

Comunicación'Seria! Otros PLC (Ethernet)

De la gráfica anterior se pueden identificar: 1. Tarjetas de Entradas Discretas: entran señales por contactos y salen datos al Bus de Datos. 2. Tarjetas de Entradas Analógicas: entran señales en 4 a 20 mA y salen datos al Bus de Datos. 3. Tarjeta Maestra Transmisores: entran y salen señales seriales a la tarjeta proveniente de los transmisores inteligentes en campo en protocolos de comunicación de campo y entran y salen datos del Bus de Datos del arreglo del PLC 4. Tarjetas de Salidas ON-OFF: Entran Datos a las tarjetas y salen señales ON-OFF hasta el campo. Capitulo XII: Redes de Control

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5. Tarjetas Salidas Analógicas: Entran Datos y a las tarjetas y salen señales de 4 a 20 mA al campo. 6. Tarjeta de Comunicaciones: entran y salen señales seriales a las tarjetas de comunicaciones en protocolos ControlNet o Ethernet provenientes de los PLC o del servidor de la sala de control y entran y salen datos del Bus de Datos. Este conjunto de aplicaciones habrá que organizarías, para distribuir a través del BUS DE DIRECIONES el espacio en dirección de memorias que corresponderá para la aplicación de cada una de las tarjetas electrónicas antes identificadas, así como los programas que atienden las diferentes señales de entradas desde el proceso al PLC, las diferentes señales de salida desde el PLC hasta el proceso, los programas de conversión de señales, el software propio de los fabricantes del PLC y el software de usuario por donde el especialista en control programaran y automatizaran el proceso. Para la organización del PLC se considera un ejemplo sencillo como el de organizar una pequeña biblioteca.

Donde se podrían generar las siguientes preguntas: ¿Que tamaño tiene la biblioteca? ¿Que numero de estantes tiene? ¿Cuales libros corresponde a cada estante? ¿Que dimensiones tiene cada libro? ¿Cuantas paginas tiene cada libro? ¿Qué esta escrito en cada página? Capitulo XII: Redes de Control

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Con la analogía de estas consideraciones se busca organizar las aplicaciones del PLC, a partir de la distribución que se le da al BUS DE DIRECCIONES, como si este Bus fuera una biblioteca y todas las tarjetas electrónicas del PLC como los libros que se organizaran en la misma y teniendo presente que trabaja en matemática binaria. Para ejemplarizar estos conceptos se considera el microcontrolador 87C51 de la Intel, que tiene un Bus de Direcciones de 16 bit. BUS DE DIRECCIONES

16 bit = 2lb = 64 K byte = 8x8 K byte

16 bit = 3bit + 13 bit U0

3 2

213=8Kbyte

bit 4*

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

^ 0

0

0

0

0

1

VA^AAo^UU WA Los primeros 13 bit menos significativos del Bus de Dirección estarán para organizar 8K byte, es decir organizar las diferentes libros y paginas de cada estante. Los tres bit mas pesados son 215, 214 y 213 y se utilizaran para identificar hasta 8 aplicaciones. Para este ejemplo se puede resumir: 16 bit de direcciones = 8 estantes x 8 k paginas. Y que se ilustran a continuación: ESTANTES

dirección electrónica

1.

0000 1FFF

2.

2000 3FFF

Capitulo XII: Redes de Control

Función

Entradas ON-OFF

Entradas 4-20 mA

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3.

4.

4000 5FFF

6000 7FFF

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Transmisores Inteligentes

ROM y EEPROM (Programas)

•8000 9FFF

5.

6.

AOOO BFFF

cooo

Tarjeta Madre, RAM

Salidas ON-OFF y 4 a 20 mA

DFFF

7.

EOOO FFFF

Tarjetas Comunicaciones

Esta organización de la biblioteca, libros, números de páginas de los libros, podrá ser tomada como una analogía para considerar la organización de las tarjetas electrónicas que conforman a los PLC, las cuales se organizaran a partir de las direcciones electrónicas del Bus de Direcciones.

Capitulo XII: Redes de Control

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13 bit menos sianificativos # Tarjeta electrónica. Dirección Aplicación. 1. Entradas ON-OFF. 2. Entradas 4 a 20 mA. 3. Transmisores Inteligentes.

•1

4. ROM y EEPROM.

3 bit mas significativos

5. Tarjeta Madre. 6. Salidas ON-OFF y 4 a 20 mA. 7. Tarjetas de Comunicaciones.

Bajo estas consideraciones se podrá tener herramientas para aceptar que las diferentes tarjetas electrónicas y las aplicaciones que ejecutan, y que conforman los PLC podrán estar interconectadas a través de los Buses de: Datos, Dirección y Control tal como se muestra en la siguiente figura:

NOTA: Se aprovecha la explicación del PLC para recordar el trabajo que permitió el diseño y construcción (Hardware, Software, Estructuras Metálicas) de un PLC-Preprogramado 100% VENEZOLANO que diseñaron y construyeron los profesores: Argenis Rondón, Rodolfo Acosta, Yves Blot, Miguel Molina y el autor de este libro, y que funciono perfectamente conectado al motor K8 en la nave motocompresora "Anaco Mariposa" del Distrito Anaco- Estado Anzoátegui. Por motivos "XYZ" y después de casi dos (1994-1995) años de funcionamiento y sin fallas, los diseñadores solicitaron el retiro de los equipos.

• Bus de Datos. • Bus de Control. • Bus de Direcciones. '^-:;.:::;:;::::':^

Capitulo XII: Redes de Control

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(1)

(2) (3) (7) (3)

(4)

(5) Comúnmente las tarjetas electrónicas que conforman los PLC presentan dos modos de conexión, las conexiones propias del PLC que permite la integración de los circuitos del mismo a través de los buses de: Datos, Dirección y Control desde el Microcontrolador y las conexiones que permiten la recepción y el envío de señales desde el proceso industrial con el PLC que lo controla. Para visualizar estas conexiones se muestra en la siguiente figura lo que podría ser unas de las tarjetas del PLC, donde se puede diferenciar las conexiones propias del PLC a través de los buses de control, datos y dirección; así como las conexiones del PLC con el proceso; donde son tarjetas de entradas para recibir las señales que provienen del proceso hasta el PLC o son tarjetas de salidas para enviar las señales desde el PLC al proceso industrial. Ejemplo: Señales de entradas analógicas de 4-20 mA.

Bus de Datos. Bus de Control. Bus de Dirección.

Capitulo XII: Redes de Control

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Las Integraciones de todas las tarjetas que conformaran los PLC se podrán observar como un ejemplo en la siguiente figura donde se muestra el PLO Preprogramado y mencionado anteriormente. 100% Intrínsicamente Seguro y con pantallas para la visualización de los parámetros desde la Planta Industrial.

Capitulo XII: Redes de Control

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Tarjeta De Entradas ON-OFF. Los contactos eléctricos que proporcionan los instrumentos discretos que están en campo podrá abrirse o cerrarse y con ellos cambiar el estado lógico (altobajo) de la salida del opto-acoplador al que se conectan. Cuando el contacto de campo está abierto no circula corriente por el opto-acoplador y su salida es una señal lógica alta. Cuando se cierra el contacto del instrumento de campo, circulará corriente a través del opto acoplador y esto permitirá pasar al transmisor de corte a saturación, cambiando al estado lógico de la salida.

Alta Impetlanchi m^fjíiiiiiiMiiiiSíii^ f^ ^\^'WfM^mimM::íM:M^'

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Dirección

Capitulo XII: Redes de Control

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Se utiliza el Puerto Programable del integrado de la figura anterior con señales de solamente lectura; y se alimenta con los 8 bit de entrada del puerto con cada una de la salida de los arreglos del opto acoplador. Para ello cada puerto programable podrá recibir hasta 8 contactos de campo por puerto. Se controla el integrado para leer los puertos que dispone y por ello la salida del Puerto Programable será el dato que ingresara al Bus de Datos para identificar con su lectura cual contacto pudo cambiar de estado lógico en el campo.

Sale Dato

LEER

Tarjeta Principal Dato Dirección Control

Dato Dirección oi Temperatura ' . •mmmmmmmmmmmimmm

Control

Las tarjetas de entradas de señales de 4-20 mA recogen a todos los transmisores que están conectados en el proceso industrial y tiene como salida la información en datos y dirección y control que permitirán conectar la tarjeta en el arreglo de multibus que permite la interconexión de todas las tarjetas que conforman el PLC. En el PLC se podrán tener tantas tarjetas de entradas de 4-20 mA como transmisores excitan en el proceso industrial.

Capítulo XII: Redes de Control

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Tarjeta Principal

Vcc

Dírestíoi Control

Tarjetas de salida ON-OFF: Las tarjetas de salidas ON-OFF reciben desde el arreglo de multibus de: Datos, Dirección y Control, las señales de datos, direcciones y control para convertir estas señales digitales en los contactos programados que prenderán y apagaran los motores y válvulas solenoides en campo; es decir, la salida del contacto de un relé en el PLC y de este relé proporcione los contactos programados (Para activar y desactivar equipos en campo) según el programa que corre el PLC utilizando para las ecuaciones lógicas del paso del programa los contactos ON-OFF provenientes de campo. Se utilizan tantas tarjetas de salidas ON-OFF como motores, electro válvulas y alarmas se necesitan activar y desactivar en el proceso industrial.

Dato Dirección

Control

0

> Contactos 0 Proqramados.

Motor 1

0 0

Capitulo XII: Redes de Control

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Las Tarjetas de Salidas ON-OFF reciben un dato a través de la entrada del puerto programable y del cual sacara por el puerto seleccionado este valor. Cada uno de los estados lógicos de la salida del puerto programable se conectara con un arreglo de transmisor para trabajar en corte y saturación. Si la salida lógica es uno no circulara corriente por el diodo del Optoacoplador y el transistor estará en corte y con ello estará desenergizada la bobina manteniendo el contacto programado abierto. Cuando la salida lógica es cero se polariza en directo al diodo, circulando por ello una corriente por el diodo y con ello activando al transistor que pasa de corte a saturación, energizando la bobina y con ello cambiando el contacto programado. Tarjetas De Salidas De 4-20 mA Las tarjetas de salidas 4 a 20 mA reciben desde el arreglo de multibus de: Datos, Dirección y Control, las señales de datos, direcciones y control para convertir estas señales digitales en las señales de salidas de corriente de control de 4 a 20 mA que saldrán desde el PLC hasta el campo para alimentar los convertidores I/P que proporcionaran la señal neumática de 3 a 15 PSI que regulara la apertura de las válvulas de control. En los pasos del programa que automatiza las instalaciones industriales habrá las ecuaciones lógicas previas a la activación de los bloques PID y donde las salidas de los bloques PID será la señal eléctrica de control de 4 a 20 mA que regulara al elemento final de control en campo. La tarjeta de salida de 4 a 20 mA recibe un dato de salida desde el Bus de Datos el cual alimenta a un Convertidor Digital-Analógico CDA que proporcionara la salida analógica que alimentara al Demultiplexor Analógico. Este Multiplexor Analógico tendrá unas señales de dirección que determinara por cual de sus salidas saldrá la señal de entrada. Cada una de las señales de salida del Multiplexor analógico tendrá un arreglo de memoria analógica y cuya señal de salida alimentara un convertidor Tensión-Corriente el cual proporcionara la señal eléctrica de 4 a 20 mA que saldrá desde el PLC hasta los elementos finales de control que estarán en las instalaciones industriales. En la siguiente figura se muestra una presentación generalizada del hardware de esta aplicación. Capitulo XII: Redes de Control

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Demultiplexor Analógico

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Se utilizan tantas tarjetas de salidas 4 A 20 mA válvulas de control sean necesarias regular en las instalaciones industriales.

Dato f>ir ettiton Control. 1

4 - 29 mA 3-15PSI Í3-15PSI

TRANSMISORES INTELIGENTES (ver Capitulo 11)

Capitulo XII: Redes de Control

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No perderé la oportunidad de concluir este libro sin mostrar las imágenes de la integración de varios PLC-Preprogramados que durante los años 1993-1994 varios profesionales venezolanos entre los cuales me cuento diseñamos y construimos. CORPOVEN S.A. (Ex Filial de PDVSA) a calida de pruebas permitió su instalación en el motor K8 de la Planta Anaco Mariposa (1994-1995), del Complejo de Santa Rosa, Distrito Anaco, Anaco-Estado Anzoátegui. Funciono sin fallas, sin errores, instalado dentro de la nave motocompresora automatizando y protegiendo los motores. Después de casi cuatro años de trabajo e investigación, y sin cobrar un solo bolívar se decidió retirar los equipos al no "entender los requerimientos de la Gerencia de Automatización".

PROCESO: MOTOCOMPRESOR CONTROL: PANEL DE CONTROL CON PLC-Preprogramado

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Capitulo XII: Redes de Control

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ARREGLO DE CONTROL: 1. Equipo para Medir y Proteger por Temperatura. 2. Equipo Para Controlar la Secuencia de Arranque y Medir Presiones, Alto Nivel de Liquido en Depuradores e Interruptores Vibración. 3. Equipo para Medir y Controlar Velocidad Motor y Turbocompresores. 4. Equipos Interconectados entre si por comunicación serial Modbus. 5. Maestro Secuenciador Interconectado a Sala de Operadores a través de Comunicación serial Modbus. 6. TODO EL HARDWARE Y SOFTWARE 100% HECHO EN VENEZUELA.

PIROMETRO

Capitulo XII: Redes de Control

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VISUALIZACION DEL PANEL DE CONTROL PARA MOTOCOMPRESORES.

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Capitulo XII: Redes de Control

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DISEÑO MODULAR DEL PANEL DE CONTROL PARA MOTOCOMPRESORES.

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INSTALACIÓN DE LOS MÓDULOS ELECTRÓNICOS E INSTALACIÓN DE LOS TRANSMISORES EN EL PANEL DE CONTROL

Capitulo XII: Redes de Control

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CONEXIÓN DE LAS SEÑALES DE PRESIÓN DESDE LA UNIDAD MOTOCOMPRESORA HASTA EL PANEL DE CONTROL E INTERCONEXIÓN DE LA SALIDA ELÉCTRICA DE LOS TRANSMISORES HASTA LAS REGLETAS DE SEÑALES ELÉCTRICAS DEL EQUIPO DE PRESIÓN.

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SEÑALES ELÉCTRICAS PARA CONTROLAR LAS VÁLVULAS SOLENOIDES.

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INTERCONEXIÓN DE LAS REGLETAS QUE RECIBEN LAS SEÑALES ELÉCTRICAS DE CAMPO CON LOS MÓDULOS ELECTRÓNICOS QUE CONFORMAN AL PANEL DE CONTROL.

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