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Instrumentacin Para
Control de Procesos
FUNDAUDO
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FUNDAUDO
Centro de adiestramiento profesional
Puerto La Cruz.
Instrumentacin Para Control de ProcesosInstrumentacin Para Control de Procesos
Ing. Danilo A. Navarro GarcaNoviembre de 2001.
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Contenido
1. Introduccin.Pag.
Pag.2. Instrumentacin Bsica.
Pag.Pag.Pag.
3. Seleccin y Caractersticas de los sensores.Pag.Pag.Pag.Pag.Pag.
4. Transmisin de Seales.Pag.Pag.Pag.Pag.Pag.Pag.Pag.Pag.
5. Diagramas de Tubera e Instrumentacin P&ID.Pag.
Pag.Pag.
6. Glosario de instrumentacin.Pag.Pag.Pag.Pag.
7. Medicin de presin.Pag.Pag.Pag.
8. Medicin de Flujo.Pag.
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Cap. 1: INTRODUCCIN 11
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INSTRUMENTACINPARA CONTROL DE
PROCESOS
Diseo:Danilo A. Navarro.Noviembre, 2001
Introduccin
os sensores para la medicin de los estados de procesos y las
vlvulas que afectan los mismos son esenciales para el control
automtico de los procesos. Ya que para el control de procesos se
requiere de una adecuada instrumentacin, los ingenieros y profesionales del
rea deben conocer al menos los principios comunes de los instrumentos amencionar en esta seccin. Aqu se cubren los principios bsicos y el
funcionamiento estndar de los instrumentos disponibles comercialmente. De
aqu que se aborde la seleccin y dimensionamiento de los mismos y no as
su diseo.
Quizs el mejor consejo para los interesados en la instrumentacin es
que los instrumentos siempre estn descalibrados. Esta afirmacin no esta
dirigida a socavar la confianza de sensores y vlvulas en las distintasaplicaciones, sino que es un llamado de atencin para aquellas personas que
tienden a aceptar los instrumentos como perfectamente calibrados sin
evaluar los probables errores asociados con su uso. Dependiendo del
instrumento, de las condiciones de operacin de los procesos y de la
aplicacin misma, los errores en los instrumentos pueden ser tan pequeos
que seran insignificantes, o podran ser tan grandes que degradaran
seriamente la operacin del sistema de control. De aqu que el instrumentista
deba investigar a fondo la aplicacin para seleccionar o disear el
instrumento apropiado.
En este trabajo se asume que los instrumentos estarn bien mantenidos
y que funcionan adecuadamente, por lo que los errores estimados en la
medicin sern los menores esperados. En la prctica se pueden esperar
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Cap. 1: INTRODUCCIN 22
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INSTRUMENTACINPARA CONTROL DE
PROCESOS
Diseo:Danilo A. Navarro.Noviembre, 2001
errores ms grandes debido al corrimiento en la calibracin y en el
funcionamiento de los instrumentos. Cuando el efecto del severo mal
funcionamiento de los instrumentos puede ser extremamente daino, se
pueden usar instrumentos redundantes en el sistema de control a fin de
proveer de medios para el chequeo de los instrumentos principales.
El control automtico requiere de la transmisin de seales entre los
distintos elementos del lazo de control: Sensor, controlador y vlvula. Hasta
mediados del siglo veinte la transmisin de seales se lograba
esencialmente mediante enlaces mecnicos, Presin hidrulica (lquidos), o
presin neumtica (Aire). Desde la comercializacin de la electrnica de
estado slido, a finales de la dcada de los cincuenta, La transmisin de
seales ha sido implementada a travs de una seal electrnica. Esta seal
analgica ha sido estandarizada a un rango de 4-20 milliamp (mA), lo que
representa del 0 al 100 % de la variable a ser transmitida. Aunque en la
actualidad persiste el dominio de la seal electrnica, la transmisin
mediante una seal digital esta siendo cada vez ms comercializada por lo
que la misma representa el mtodo que comnmente dominar en el futuro.
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 66
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INSTRUMENTACINPARA CONTROL DE
PROCESOS
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Instrumentacin Bsica
2.1 Instrumentos.
ara controlar una variable de proceso, debe haber informacin de la
variable en s. Esta informacin se obtiene a partir de la medicin de
la variable. Un sistema de instrumentacin es aquel que esta
formado por un conjunto de partes interconectadas que incluyen uno o ms
elementos de medicin. Elementos de medicin tales como sensores o
elementos primarios son los encargados de medir la variable a controlar.
Figura 1. Elementos principales de un lazo de control.
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PROCESO
CONTROLADOR TRANSMISOR
SENSOR
TRANSDUCTOR
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROL
INDICADOR
REGISTRADOR
ALARMAS
RUIDO
PROCESO
CONTROLADOR TRANSMISOR
SENSOR
TRANSDUCTOR
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROL
INDICADOR
REGISTRADOR
ALARMAS
RUIDO
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 77
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INSTRUMENTACINPARA CONTROL DE
PROCESOS
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Esta figura ilustra el papel del elemento primario y del transmisor en el
contexto de los sistemas de instrumentacin. El sistema comienza en el
proceso que se muestra. El sensor produce una respuesta que representa el
valor de la variable de proceso. Un transductor, dentro del transmisor,
convierte esta respuesta a una seal estndar en instrumentacin
(Usualmente 3-15 Libras por pulgada cuadrada (psi) o 4-20 mili Amperios).
El transmisor amplifica esta seal estndar y la enva al controlador o a otros
instrumentos.
Los elementos de medicin desempean su funcin de medicin desde la
deteccin inicial hasta la indicacin final de la variable. Tres elementos son
importantes en los sistemas de medicin: El sensor, el transductor y el
transmisor.
Sensor: Elemento primario de sensado
Transductor: Cambia una seal de instrumentacin a otra seal de
instrumentacin.
Transmisor: Contiene el transductor y produce una seal de
instrumentacin amplificada y estandarizada.
Sensor: El sensor es el elemento primario de medicin y esta muy
prximo al proceso. El sensor mide la variable controlado en el proceso y
la enva en forma no estandarizada hacia el transmisor.
Transmisor: El transmisor contiene el transductor el cual convierte la
seal proveniente del sensor a una forma estndar y amplificada. Las
seales estndar ms comunes son 4-20 miliAmps o 3-15 psi. Si se estn
usando seales digitales, el transmisor convierte estas seales a un
formato digital. Si se trata de un Dispositivo inteligente , el transmisor
puede convertir las seal no estndar a ambos formatos, analgico y
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 88
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digital, antes de enviarla. Los transmisores inteligente tambin tienen la
posibilidad de superponer una seal digital sobre una analgica.
Transductor. Los transductores convierten una seal de
instrumentacin a otra, usualmente una neumtica a una electrnica(presin a corriente, abreviado como "P/I"), o una seal electrnica a una
seal neumtica (I/P). Tcnicamente, Los sensores y transmisores son
transductores ya que su funcin bsica es la de cambiar una seal por
otra. Sin embargo para evitar confusiones, el termino Transductor esta
reservado para los convertidores I/P y P/I.
2.2 Tipos de instrumentos.
Los instrumentos se pueden clasificar segn la funcin que realizan y segn
la variable de proceso que evaluarn, por lo tanto:
a) Segn la funcin, los instrumentos se agrupan en:
Instrumentos ciegos: Estos son aquellos que no tienen indicacin visible de
la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma,
tales como presostatos y termostatos (interruptores de presin y temperaturarespectivamente) que poseen una escala exterior con un ndice de seleccin
de la variable, ya que slo ajustan el punto de disparo del interruptor o
conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son tambin
instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presin, nivel y temperatura
sin indicacin.
Instrumentos indicadores: Estos disponen de un ndice y de una escala
graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Segn la amplitud de
la escala se dividen en indicadores concntricos y excntricos. Existen
tambin indicadores digitales que muestran la variable en forma numrica
con dgitos.
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 99
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Instrumentos registradores: Estos registran con trazo continuo o a puntos
la variable, y pueden ser circulares o de grfico rectangular o alargado segn
sea la forma del grfico. Los registradores de grfico circular suelen tener el
grfico de 1 revolucin en 24 horas mientras que en los de grfico
rectangular la velocidad normal del grfico es de unos 20 mm./hora.
Elementos primarios: Ellos estn en contacto con la variable y utilizan o
absorben energa del medio controlado para dar al sistema de medicin una
indicacin en respuesta a la variacin de la variable controlada. El efecto
producido por el elemento primario puede ser un cambio de presin, fuerza,
posicin, medida elctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de
temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variacin de presin del fluidoque los llena y en los de termopar se presenta una variacin de fuerza
electromotriz.
Transmisores: Estos captan la variable de proceso a travs del elemento
primario y la transmiten a distancia en forma de seal neumtica de margen
3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrnica de 4 a 20 mA de
corriente continua. La seal neumtica de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033
bar (0,21 - 1,05 Kg./cm2) por lo cual, tambin se emplea la seal enunidades mtricas 0,2 a 1 bar (0,2 a 1 Kg./cm2). Asimismo, se emplean
seales electrnicas de 1 a 5 VDC, de 10 a 50 mA c.c. y de O a 20 mA c.c.,
la seal normalizada es de 4-20 mA c.c. La seal digital utilizada en algunos
transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador. El elemento
primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo
constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un
transmisor de caudal con la placa orificio como elemento primario.
Transductores: Estos reciben una seal de entrada funcin de una o ms
cantidades fsicas y la convierten modificada o no a una seal de salida. Son
transductores, un rel, un elemento primario, un transmisor, un convertidor
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 1010
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PP/I (presin de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presin de
proceso a seal neumtica), etc.
Convertidores: Estos son aparatos que reciben una seal de entrada
neumtica (3-15 psi) o electrnica (4-20 mA c.c.) procedente de un
instrumento y despus de modificarla envan la resultante en forma de seal
de salida estndar. Ejemplo: un convertidor P/I (seal de entrada neumtica
a seal de salida electrnica, un convertidor I/P (seal de entrada elctrica a
seal de salida neumtica). Este ltimo trmino es general y no debe
aplicarse a un aparato que convierta una seal de instrumentos.
Receptores: Estos reciben las seales procedentes de los transmisores y lasindican o registran. Los receptores controladores envan otra seal de salida
normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en seal neumtica, o 4-20
mA c.c. en seal electrnica, que actan sobre el elemento final de control.
Controladores: Estos comparan la variable controlada (presin, nivel,
temperatura) con un valor deseado y ejercen una accin correctiva de
acuerdo con la desviacin. La variable controlada la pueden recibirdirectamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de
seal neumtica, electrnica o digital procedente de un transmisor.
Elemento final de control: Este recibe la seal del controlador y modifica el
caudal del fluido o agente de control. En el control neumtico, el elemento
suele ser una vlvula neumtica o un servomotor neumtico que efectan su
carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrnico la vlvula
o el servomotor anteriores son accionados a travs de un convertidor de
intensidad a presin (I/P) o seal digital a presin que convierte la seal
electrnica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumtica 3-15 psi. En el control
elctrico el elemento suele ser una vlvula motorizada que efecta su carrera
completa accionada por un servomotor elctrico. Las seales neumticas (3-
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 1111
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15 psi o 0,2-1 bar o 0,2-1 Kg./cm2) y electrnica (4-20 mA c.c.) permiten el
intercambio entre instrumentos de la planta. No ocurre as en los
instrumentos de seal de salida digital (transmisores, controladores) donde
las seales son propias de cada suministrador.
b) Segn la variable de proceso, los instrumentos se clasifican en:
Instrumentos de caudal, nivel, presin, temperatura, densidad y peso
especfico, humedad y punto de roco, viscosidad, posicin, velocidad, pH,
conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. Esta clasificacin
corresponde especficamente al tipo de las seales medidas siendoindependiente del sistema empleado en la conversin de la seal de
proceso. De este modo, un transmisor neumtico de temperatura del tipo de
bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida
se efecta convirtiendo las variaciones de presin del fluido que llena el
bulbo y el capilar; el aparato receptor de la seal neumtica del transmisor
anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumtico
lo podramos considerar instrumento de presin, caudal, nivel o cualquierotra variable, segn fuera la seal medida por el transmisor correspondiente;
un registrador potenciomtrico puede ser un instrumento de temperatura, de
conductividad o de velocidad, segn sean las seales medidas por los
elementos primarios de termopar, electrodos o dnamo. Asimismo, esta
clasificacin es independiente del nmero y tipo de transductores existentes
entre el elemento primario y el instrumento final. As ocurre en el caso de un
transmisor electrnico de nivel de 4 a 20 mA c.c., un receptor controlador con
salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad / presin (I/P) que
transforma la seal de 4-20 mA c.c. a neumtica de 3-15 psi y la vlvula
neumtica de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel.
En la designacin del instrumento se utiliza en el lenguaje comn las dos
clasificaciones expuestas anteriormente. Y de este modo, se consideran
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 1212
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instrumentos tales como transmisores ciegos de presin, controladores
registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores
controladores registradores de caudal, etc.
Figura 2. Diagrama de instrumentacin.
c) Funcionamiento analgico y digital
Es posible, adems, clasificar la forma en que pueden ejecutarse las
funciones bsicas enfocando la atencin a la naturaleza continua o discreta
de las seales que representa la informacin. Las seales que varan en
forma continua y que pueden tomar una infinidad de valores en cualquier
intervalo dado, se llaman seales analgicas; los dispositivos que producen
esas seales se llaman dispositivos analgicos. En contraste, las seales
que varan en pasos discretos y pueden as tomar solamente un nmero
finito de valores diferentes, se describen como seales digitales; los aparatos
que producen estas seales se llaman aparatos digitales. La mayora de los
aparatos de medida actuales son del tipo analgico. Est aumentando la
importancia de los instrumentos digitales, quiz principalmente debido al uso
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Cap. 2: INSTRUMENTACIN BSICA 1313
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creciente de las computadoras digitales, tanto en los sistemas de reduccin
de datos como en los automticos de control. Como la calculadora digital
trabaja solo con seales digitales, cualquier informacin que se le suministre
debe ser en la forma digital. La salida de la computadora tiene tambin forma
digital. As, cualquier comunicacin con la computadora en el extremo de la
entrada o de la salida debern darse en seales digitales. Como la mayor
parte de las medidas actuales y aparatos de control son de naturaleza
analgica, es necesario tener tanto convertidores analgicos a digitales (a la
entrada de la computadora) como convertidores digitales a analgicos (a la
salida de la computadora). Estos dispositivos sirven de "traductores" que
permiten al calculista comunicarse con el mundo exterior, que es en su
mayor parte de naturaleza analgica.
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 1414
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Seleccin y caractersticas desensores
ada variable controlada, as como muchas de las variables
adicionales utilizadas para monitoear el proceso, requieren ser
provistas de un sensor. En general, el nmero total de mediciones
es aproximadamente igual a tres veces el nmero de variables a controlar.
Cuando se selecciona el sensor, existen factores que se deben tomar en
cuenta. Antes que cualquiera de estos factores sea considerado, se debe
conocer el uso que tendr el sensor. Una vez que se establezca el uso, los
factores ha considerar son los siguientes:
Rango: Cual es el rango normal sobre el cual puede variar la variable
a medir? Existen valores extremos?
Tiempo de respuesta: La cantidad de tiempo requerida por el sensor
para responder en forma plena a un cambio en su entrada.
Exactitud: Cuanto se acerca el valor indicado por el instrumento al
verdadero valor de la variable actualmente medida?
Precision: Cuan consistente es el sensor midiendo el mismo valor bajo
las mismas condiciones de operacin sobre un perodo de tiempo?
Sensitividad: Cuan pequeo es el cambio en la variable para que el
sensor pueda medirla?
Banda muerta: Cuanto cambio se requiere en el proceso antes de que
el sensor responda a dicho cambio?
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 1515
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Costos: Cuales son los costos involucrados No slo el costo de
adquisicin del equipo, sino tambin los costos de instalacin /
operacin?
Problemas de instalacin: Existen problemas de instalacin especial.Por ejemplo, Fluidos corrosivos, mezclas explosivas, limitaciones de
tamao y forma, transmisin remota, etc.?
3.1 Rango.
Rango es la regin sobre la cual la variable a medir puede variar tanto en
condiciones normales como en situaciones extremas. Por ejemplo, si un
proceso tiene una presin que normalmente esta entre 200 y 300 psi, un
sensor que mida entre 100 y 400 libras ser deseable; Esto permite que las
condiciones extremas sean medidas como si fueran normales. Un rango
amplio le da tiempo al operador para responder cuando las condiciones de
medicin se salen de lo normal. Idealmente, un proceso debe estar la
mayora del tiempo entre el 40 y el 60, o entre el 30 y el 70 por ciento del
rango, bajo condiciones normales de operacin.
El rango debe estar ajustado de tal manera que: 1) Incluya los valores tpicos
segn la experiencia de la operacin normal del proceso, 2) Incluya los picos
de ruido esperados, y 3) que provea de buena exactitud. En muchos
sensores, un gran rango reduce la exactitud y la reproducibilidad. De aqu
que siempre se requiera el balance entre el rango y la precisin. Como en
muchos casos no se puede obtener los tres objetivos en un solo sensor, hay
que implementar el uso de dos sensores para as obtener el rango requerido
a la par de la exactitud y la reproducibilidad deseada.
3.2 Tiempo de respuesta.El tiempo de respuesta es la cantidad de tiempo requerido por un sensor
para responder completamente a un cambio en la entrada. Este factor hay
que considerarlo sobre todo cuando la instrumentacin esta localizada en el
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 1616
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lazo de realimentacin, ya que una dinmica de lazo lenta conduce al
empobrecimiento del desempeo del sistema. El tiempo de respuesta de un
lazo de control es la combinacin de la respuesta de todas las partes,
incluyendo al sensor. Un objetivo importante en el diseo de los sistemas de
control es lograr la correspondencia correcta entre el tiempo de respuesta del
sistema de control y su instrumentacin asociada, y el tiempo de evolucin
de la dinmica del proceso. En general, un sistema con una respuesta ms
rpida ser mas costoso.
Fig. 2 Respuesta dinmica de un sensor de flujo tpico.
La figura anterior muestra el principio clave del tiempo de respuesta del
sensor. Ah se ilustra que en una cantidad de tiempo fija, conocida como la
"Constante de Tiempo", aqu mostrada como 3 segundos, el sensor registra
el 63.2% del cambio total. En la prxima constante de tiempo, el sensor
registra el 63.2% de la diferencia remanente, y as sucesivamente hasta que
registra su valor final. En cada constante de tiempo, el sensor registra el
mismo porcentaje de la diferencia remanente.
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 1717
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El funcionamiento dinmico(esto es, como responde la salida de medicin
con el tiempo a los cambios en el valor que se mide) apenas ha empezado a
recibir la atencin que merece. Por ejemplo, en la prctica industrial, el
elemento primario del termmetro casi siempre se encuentra montado en un
termopozo para protegerlo en contra del fluido de proceso y para permitir su
remocin, comprobacin y reemplazo del elemento sin interrumpir la
operacin del proceso. El termopozo, trabajando en las mejores condiciones,
introduce una prdida considerable de tiempo en cuanto, a la respuesta de la
medicin. Cuando la medicin se utiliza para el control, este retraso puede
llegar a resultar en efectos de mayor importancia.
Fig. 3 intercambiador de calor.
La figura 3 ilustra la ubicacin de los elementos primarios de medicin detemperatura de un fluido que sale de un intercambiador de calor, la cual se
mide por medio de un termmetro de resistencia colocado en un termopozo y
mediante un segundo termmetro de resistencia de alta velocidad localizado
directamente en el vapor de agua. En este caso la temperatura del fluido que
fluye hacia fuera del intercambiador de calor es la variable que se mide. Por
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 1818
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lo general se emplean dos sistemas de medicin (redundancia) separados,
uno de ellos un termmetro convencional montado en un casquillo estndar
sumergido en la lnea; el otro es un termmetro de resistencia de alta
velocidad de tipo especial sumergido directamente en la corriente para
disponer de una respuesta rpida a la temperatura de la corriente.
Fig. 4 Controlador ajustado con el termmetro de baja velocidad
La figura 4 muestra los resultados de emplear un termmetro confinado en
un casquillo (representa baja velocidad de respuesta), la figura (b) muestra el
efecto del controlador sobre el vstago de la vlvula. Se pueden observarcurvas continuas con cambios notables justo donde se inician cambios en la
temperatura. El retardo debido al casquillo produce unos cambios suaves en
el controlador.
La figura 5 muestra los resultados del control con una respuesta rpida al
emplear un termmetro de resistencia ubicado directamente en la corriente
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 1919
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del vapor de agua, la figura (b) muestra movimientos continuos del vstago
de la vlvula.
En trminos generales el retraso en la medicin es particularmente peligroso,
pues la inestabilidad que se presenta con el cambio de la variable medida no
se corrige con la prontitud necesaria y cuando se emplean estrategias mas
rpidas los movimientos de la vlvula resultan excesivos. En caso de ser
posible eliminar los retrasos, se puede lograr un control ms satisfactorio con
ajustes menos crticos y amplitudes dinmicas ms extensas. Sin embargo,
cuando existe la presencia del retraso en la medicin, ya sea inherente o
resultante de la aplicacin prctica (tal como los pozos o casquillos para
termmetros), casi siempre es imposible dar tolerancias para tomar en
cuenta esto sin que se presenten efectos de importancia en la operacin delproceso. Es importante reconocer y tomar en consideracin tanto las
caractersticas dinmicas como las estticas de la medicin en caso de que
se deseen obtener resultados ptimos.
Fig.5 Controlador ajustado con el termmetro de alta velocidad.
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 2020
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3.3 Exactitud Vs. Precisin.
Fig. 6 Precisin Vs Exactitud.
Estas figuran contrastan el termino "precision", con el trmino "Exactitud". El
valor verdadero de la variable (70) se muestra en ambas figuras como una
lnea slida. Los valores medidos se muestran como puntos. La exactitud es
una medida de cuan cerca del valor real esta la lectura indicada por el
sensor. Ah se ve que el valor medido esta disperso por encima y por debajo
del valor real. La exactitud es siempre dada en trminos de la inexactitud o
error tal como +/- 2 % o +1 %, -3 %. La precisin es una medida de la
consistencia de un sensor en la medida del mismo valor de la variable bajo
las mismas condiciones de operacin sobre un periodo de tiempo. La figura
muestra valores medidos con precisin, todos a la misma distancia del valor
real. Precisin es sinnimo de repitibilidad y puede ser especificado como un
rango o excursin de valores, o como un porcentaje.
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 2121
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3.3.1 Exactitud.
Siendo en principio uno de los principales factores a considerar, no siempre
se requerir una exactitud muy alta. Ya que los sensores de muy alta
exactitud son ms costosos, el instrumentista debe velar por que se logre la
exactitud requerida a un costo razonable.
Muchos elementos son catalogados de acuerdo a su exactitud, no de
acuerdo a su precisin. Las especificaciones usualmente establecen que el
elemento es exacto en mas o menos cierto valor. As, con exactitud, se
conoce la desviacin, pero no el sentido de la desviacin. Por ejemplo, si un
reloj tiene una exactitud de diez minutos, esto significa que su exactitud es
de mas o menos diez minutos. El propietario de este reloj de este reloj tieneuna cita a las 2:30 p.m., pero debe llegar al sitio a las 2:20 con el fin de estar
a tiempo considerando la exactitud del reloj. El propietario no puede conocer
si el reloj muestra la hora diez minutos tarde o diez minutos ms temprano, o
algn tiempo entre los dos extremos.
3.3.2 Precisin.
Aunque una buena exactitud no sea requerida, la buena reproducibilidad
siempre es necesaria. La precisin est siempre dentro de un valor dado y
siempre tiene la misma direccin del error. De esta manera, una medida
precisa puede ser incorrecta, pero es consistente. Por ejemplo, otro reloj
tiene una precisin de mas cinco minutos. El propietario de este reloj sabe
que puede llegar a la cita de las 2:30 p.m. a las 2:35 (indicado en el reloj) y
aun estar a tiempo.
3.4 Sensitividad del Sensor.
La sensitividad del sensor es una medida de cuan pequea debe ser el
cambio en la variable medida para que esta cause un cambio en la indicacin
del instrumento. De esta forma, la sensitividad es la razn entre el
incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona,
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 2222
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despus de haberse alcanzado el estado de reposo. Viene dada en tanto por
ciento del alcance de la medida. Mientras mayor sea la sensitividad, mayor
ser la reaccin del sensor a estmulos en la entrada.
midiendoestasequecantidadlaenCambio
oinstrumentdelescalaladelecturalaenCambioadSensibibid =
3.5 Banda muerta y Tiempo muerto.
Banda muerta es la falta de respuesta del sensor. Ella describe cuanto
cambio del proceso se requiere antes que el sensor responda a dicho cambio
o antes que el sensor lo detecte. El trmino sensitividad frecuentemente hasido usado para denotar Banda Muerta, pero realmente los trminos no son
intercambiables o sinnimos entre s. La sensitividad se refiere a la reaccin
del sensor. El Tiempo muerto aplica al tiempo que toma el sensor para
reaccionar.
3.6 Seguridad.
La instrumentacin debe ofrecer seguridad, es decir que debe realizar su
funcin con una baja probabilidad de falla. Ajustar el instrumento a lascondiciones particulares del proceso y realizar un mantenimiento peridico
contribuye a la caracterstica de seguridad que puede ofrecer un instrumento.
3.7 Costos.
Adems de los factores antes mencionados, el costo tambin es un factor a
considerar. No solamente el costo de adquisicin inicial, sino que el costo de
mantenimiento del instrumento tambin debe considerarse, ya que a menudo
se gasta ms en mantenimiento del instrumento que en el costo de comprar
el mismo.
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Cap . 3: SELECCIN Y CARACTERSTICAS DE SENSORES 2323
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3.8 Problemas de Instalacin.
Los problemas de instalacin pueden incluir problemas en ambientes
especiales tales como humedad, vibracin, temperatura, polvo, etc. Los
problemas de instalacin se refieren a cualquier cosa que pueda causar unproblema sobre el elemento ya instalado, tales como, instalar el elemento en
una locacin difcil de alcanzar.
Los sensores ms comunes en el control de procesos son: de temperatura,
de flujo, de presin y de nivel. A menudo stos se conocen como sensores
directos ya que el principio de medida es mucho ms simple que el de un
analizador. Sin embargo, ningn sensor mide realmente la variable de
proceso en forma directa. Cada sensor mide el efecto de la variable de
proceso segn que esta afecte una posicin fsica, una fuerza, un voltaje u
otra variable fsica de ms fcil medicin.
Finalmente, la relacin entre la variable de proceso y la cantidad que
realmente se mide no es exacta. De aqu la importancia que el instrumentista
comprenda lo relacionado a la exactitud, rango, y lmites del proceso; para
as seleccionar el sensor ms apropiado segn la aplicacin.
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 2424
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Diseo:Danilo A. Navarro.Noviembre, 2001 Transmisin de seales
4.1 Seales.
ay dos tipos bsicos de seales, de tiempo continuo y de
tiempo discreto. En el caso de las seales de tiempo continuo la
variable independiente es continua y entonces estas seales
estn definidas para una sucesin continua de valores de la variable
independiente. Por otra parte, las seales de tiempo discreto estn slo
definidas en tiempos discretos y, en consecuencia para estas seales, la
variable independiente toma slo un conjunto de valores discretos. Una seal
de voz como una funcin del tiempo y la presin atmosfrica como una
funcin de la altitud son ejemplos de seales de tiempo continuo. El ndice
Dow Jones semanal del mercado de valores es un ejemplo de una seal detiempo discreto.
Fig. 7 Peso de un bebe. a) Seal analgica. b) Seal Discreta.
4
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 2525
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En la instrumentacin se deben resaltar las seales capturadas por sensores
que auxilian el control de determinado proceso. Por lo tanto las seales que
se adquieren, estn basadas en mediciones elctricas sin diferenciar si son
continuas o discretas, se consideran seales analgicas, as por ejemplo si
se trata de adquirir una temperatura a travs de un termopar se debe medir
una cada de voltaje o una corriente que fluye a travs de la junta bimetlica.
Si esta seal elctrica se trata de remitir a un sitio distante, el voltaje o el
amperaje medido es probable que no sea exactamente el valor, ya que el
conductor elctrico ofrece cierta resistencia que afectar el valor medido.
Para compensar esta diferencia se deben colocar en puntos intermedios
amplificadores o elementos que mantengan el valor de la seal, ya que estetipo de seal analgica es fcilmente afectada por medios externos que
inducen ruido. En la actualidad se impone la conversin de la seal analgica
en una seal digital a travs de convertidores anlogo/digital (A/D) que
deben estar ubicados en sitios muy prximos al sensor o elemento primario
de medicin, para luego transmitir la seal digital sin que sufra muchas
alteraciones. Como comentario, una seal digital puede ser la ausencia de
luz, sonido, corriente, cada de voltaje, etc.. Esta ausencia se puedeidentificar con un 0 y la presencia de cualquier valor ser la representacin
del 1, por lo tanto, no importa si el valor del voltaje o luz llega disminuido, su
presencia significa la unidad y su ausencia un cero.
4.2 Tipos de seales.
En muchas plantas existentes, las seales neumticasy las electrnicasson
las predominantes. Las seales de radio y las hidrulicas tambin sonusadas, aunque no son muy comunes debido a los inherentes problemas de
las interferencias de radio frecuencia y las fugas en los sistemas de lquidos.
Sin embargo comnmente se utilizan seales de radio cuando los sensores y
transmisores esto a grandes distancias (en tuberas por ejemplo) de los
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 2626
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centros de control. Las seales pticas tambin son usadas con sistemas de
fibra ptica o cuando existe lnea de vista directa.
4.2.1 Seal Elctrica.
Una seal elctrica es una seal analgica que puede tener caractersticasdiscretas o continuas. Usualmente se mide en Voltios (V), milivoltios (mV),
Amperios (A) o miliamperios (mA). En instrumentacin se emplea un rango
de transmisin entre 4 y 20 mA o 1 a 5 Votios DC. En este caso la seal
captada debe ser transformada haciendo que el valor menor de la escala de
valores a ser sensado coincida con 4 mA o 1 VDC, y el mayor con 20mA o 5
VDC.
4.2.2 Seal Neumtica.
Como su nombre lo indica una seal neumtica emplea aire como salida del
instrumento de medicin. La presin estndar est en el rango de 3 a 15
libras por pulgada cuadrada (psi).
4.2.3 Seal HART.
Las seales HART Highway Addressable Remote Transducer es un
protocolo de comunicacin que funciona con datos digitales que se
transmiten a lo largo de una seal analgica de 4 a 20 mA, sin interferir la
seal analgica. Adems, permite comunicacin bidireccional, posee la
modalidad digital que permite conectar hasta 15 instrumentos a un solo
cable; esta seal permite manejar hasta 256 variables en cada dispositivo de
campo.
4.3 Transmisin de Seales.
Se emplean los transmisores para captar la variable de proceso (a travs de
un sensor o elemento primario) y la transmiten a distancia a un instrumento
receptor indicador, registrador, controlador o una combinacin de estos. Los
transmisores ms comunes pueden ser neumticos o electrnicos;
dependiendo de ello el rango estndar de seal ser de 3 a 15 psi o de 4 a
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 2727
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20 mA respectivamente. El elemento primario o sensor puede ser o no parte
integral del transmisor.
4.4 Rangos estndar de seal.
El concepto de rangos de seal es sinnimo de ganancia de estado esttico.
4.4.1 Transmisor Electrnico de rango ajustado.
Fig. 8 Transmisor electrnico de rango ajustado.
En esta figura se muestra a la izquierda cuanto es el rango de la variable
medida, relacionada con el rango de la seal transmitida mostrado a la
derecha. La variable medida es la entrada y la seal transmitida es la salida.
El Rango de medida esta entre 100 y 500 F. As, el spande medida es 400
F. El rango del transmisor esta entre 4 y 20 miliAmps (mA), y el spandel
transmisor es igual a 16 mA. Al extremo de medicin inferior (100 F), la
salida del transmisor ser de 4 mA. Al 50 % de la medida(300 F), la salida
del transmisor ser de 12 mA.
Usando rangos de seal estndar, la corriente de salida en un proceso
puede ser fcilmente calculada usando la frmula de la ganancia esttica:
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 2828
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salidlaencambioelcausaqueentradalaenCambio
salidalaenCambioEstticoestadodeGanancia == K
La ganancia del transmisor es .04 (por ejemplo, 16 dividido entre 400). Una
vez conocida la ganancia, La temperatura puede ser calculada a partir de la
salida del transmisor. Por ejemplo, asmase que la salida del transmisor es 8
mA, y recurdese que 4 mA corresponde a 0 % del span, por lo tanto
(substrayendo 4 mA de 8 mA) la salida de transmisor cambia en 4 mA.
Dividiendo 4 mA entre la ganancia (.04) resulta una respuesta de 100 F. El
lmite bajo del rango es de 100 F. Sumando 100 y 100 resulta la
temperatura actual que sera 200 F.
4.4.2 Transmisor Neumtico de rango ajustado.
Fig. 9 Transmisor neumtico de rango ajustado.
La figura anterior muestra un ejemplo de un transmisor neumtico. Las
frmulas anteriores se pueden usar para calcular el rango ajustado del
transmisor neumtico. Usando la figura, el rango de entrada corresponde a
100-200 psi para una salida o rango de seal transmitida de 3-15 psi. El
spanes de 100 psi para la entrada y de 12 psi para la salida.
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 2929
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La ganancia de este transmisor es de 12. Para el mismo transmisor, una
lectura de 12.72 psi en el transmisor indica una presin de proceso de 181
psi.
4.5 Dinmica del sistema de transmisin.
La mayor diferencia entre el sistema de transmisin electrnico y el
neumtico es el tiempo requerido para la transmisin de la seal. En un
sistema electrnico no hay partes en movimiento, sino que slo cambia el
estado de la seal. Virtualmente, este cambio ocurre sin perdida de tiempo.
Por el contrario en las sistemas neumticos existen movimientos mecnicos
que toman lugar siempre que se vaya a producir un cambio en la seal de
proceso, producindose de esta manera prdida de tiempo.
Fig. 10 Transmisin en sistemas Electrnicos y en sistemas Neumticos.
Tambin, los sistemas neumticos requieren de mayor mantenimiento ya que
estn sujetos a movimientos de sus partes y a la vibracin, as como tambin
estn sujetos a problemas rotacionales o gravitacionales de montaje. Sin
embargo, los sistemas neumticos aun existen en muchas plantas ya que
ellos son ms seguros que los sistemas elctricos sobretodo en losambientes potencialmente explosivos.
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 3030
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Fig. 11 Retardo de transmisin de la seal neumtica.
La figura anterior muestra el tiempo que se pierde en los sistemas
neumticos. La figura representa un sistema que usa una tubera de 3/16 ID
como lnea de transmisin. Como se aprecia en la parte baja de la grfica, a
distancias cortas el efecto del tiempo es pequeo. Por debajo de 200 pies,
una seal puede cambiar de 15 psi hasta 3 psi (el span de un transmisor
neumtico) en 0.4 segundos o menos. Esta prdida de tiempo representa el
tiempo necesario para establecer la diferencia de volumen en la lnea (o para
remplazar o restaurar el volumen de aire). Un retraso de 0.4 segundos
parece no ser crtico, pero segn se incrementa la distancia de transmisin,
tambin se incrementa el retrazo. A 400 pies, el retrazo alcanza los 1.3
segundos aproximadamente. A 1000 pies, el retrazo es de 7 segundos lo que
para algunos procesos es un periodo critico de tiempo. Ntese que los
tiempos mencionados se refieren a los que toma la seal en viajar desde el
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 3131
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elemento sensor hasta el controlador. Si hay algn cambio al cual el
controlador deba responder inmediatamente, la cantidad de tiempo hasta que
la seal alcance el elemento final de control debe ser duplicada. Los
componentes neumticos preferiblemente son usados en aplicaciones que
requieran seguridad, simplicidad, y principalmente para las vlvulas
actuadores, siempre en aplicaciones donde la longitud de la lnea se
mantengan por debajo de los 100 pies. En caso contrario se deben usar
seales electrnicas.
4.6 Ganancia del sistema de transmisin.
La ganancia del transmisor, que es la relacin entre la seal de salida del
transmisory la seal de entrada al mismo, es constante independientemente
de sus salida. En otras palabras, la ganancia de un transmisor electrnico
permanecer constante aunque su salida sea el 0 % del span (4 mA) o el
100 % del mismo (20 mA), o cualquier otro punto entre ambos extremos.
Fig. 12 Ganancia de transmisin para un transmisor electrnico.
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 3232
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4.7 Transmisores Inteligentes.
Adems de los transmisores neumticos y los electrnicos, donde la salida
es una seal analgica de presin o de corriente, existe otro tipo de
transmisor cuya seal de salida puede ser tanto analgica como digital:
Transmisor inteligente.
Los Transmisores inteligentes convierten una seal analgica a una seal
digital (A/D), haciendo la comunicacin fcil y rpida, y teniendo siempre
capacidad para enviar tanto la seal analgica como la seal digital.
Tambin, su entrada puede ser configurada segn el tipo de sensor o
elemento primario. Por ejemplo, un transmisor inteligente de temperatura
aceptar seales en milivoltios provenientes de termocuplas, as como
tambin seales resistivas provenientes de Elementos resistivos
trmicos(RTDs), y termistores.
El transmisor esta construido dentro de una cpsula del tamao de una
pelota de softball. Comnmente, el controlador toma la seal de salida del
transmisor, la procesa de acuerdo a una ley de control, y la enva al elemento
final de control a travs del mismo transmisor.
Fig. 13 Componentes y funciones de un transmisor inteligente.
Otro componente asociado a los transmisores inteligente es la consola
porttil para explotacin y dialogo o hand-held. El Hand-held es una
interfase que permite entre otras cosas enviar instrucciones al transmisor
inteligente: Pruebas, configuracin, suministro o adquisicin de datos, etc. El
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 3333
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hand-held puede conectarse directamente al transmisor, o en paralelo en
cualquier lugar del lazo.
Dentro de las ventajas ms importantes que otorga el uso de los
transmisores inteligentes se incluyen las facilidades de instalacin y
comunicacin, el autodiagnstico y la seguridad mejorada por uso de
tcnicas digitales. Los transmisores inteligentes son menos afectados por la
temperatura y la humedad que los homlogos analgicos, y aunque la
vibracin si los afecta, los efectos son menores que en los transmisores
anlogos. Los transmisores inteligente tambin proveen de exactitud
mejorada y debido a que pueden remplazar diferentes tipo de sistemas de
medicin, su uso reduce los costos de inventario.
4.8 Caractersticas de los Transmisores Inteligentes.
Fundamentalmente, los transmisores inteligentes son controlados por un
microprocesador, lo que les conferir las siguientes caractersticas
principales:
Multi Configuracin
Re-ajuste del Rango
Funcionamiento autnomo
Acondicionamiento de seales
Auto diagnstico
4.8.1 Configuracin.
Los transmisores inteligentes pueden ser configurados para ajustarse a las
demandas del proceso en el cual ellos son usados. Por ejemplo, Un nico
transmisor puede ser ajustado para leer casi cualquier rango o tipo de
termocupla, RTD, o termistor.
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Cap. 4: TRANSMISIN DE SEALES 3434
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4.8.2 Rango.
El rango bajo el cual funciona el transmisor inteligente puede ser cambiado
fcilmente desde una locacion remota, por ejemplo desde la sala de control,
usando un PC, el Hand-held, o a travs del controlador o PLC. De esta
manera, un operador podr cambiar de una RTD de 100 Ohm a una
termocupla tipo J, nicamente reprogramando el transmisor. El transmisor
por su parte responder inmediatamente y cambiar de medicin de
resistencia a medicin de milivoltios. Existe un amplio rango de entradas que
los transmisores inteligentes pueden aceptar. Por ejemplo, con referencia a
unidades de presin, el operador puede usar pulgadas de agua, pulgadas de
mercurio, psi, bars, milibars, pascal o kilopascal.
4.8.3 Autonoma.
Otra caracterstica sobresaliente de los transmisores inteligentes es su
habilidad para funcionar como un Instrumento autnomo. Funcionando de
esta manera, l enviara la seal de salida a un Sistema de control distribuido
(DCS)o a un PLC.
4.8.4 Acondicionamiento de seal.Los transmisores inteligentes tambin pueden realizar el acondicionamiento
de las seales, calculando el promedio de las mismas y eliminando cualquier
pico de "Ruido". Las seales pueden ser tambin retardadas (amortiguadas)
para que su respuesta no flucte. Esto ltimo es especialmente til cuando
los procesos cambian rpidamente.
4.8.5 Autodiagnstico.
Un transmisor inteligente puede auto diagnosticarse y reportar cualquier
problema en el proceso. Por ejemplo, puede reportar el mal funcionamiento
de una tarjeta circuital.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 3535
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Diagramas de tubera einstrumentacin DTI o P&ID
5.1 Lectura de P&ID.
l proyecto de sistemas de instrumentacin y de control de procesosrequiere del auxilio de diagramas del circuito de instrumentos
donde se indiquen claramente los tipos de instrumentos, seales
con las que se comunicarn, ubicacin relativa de los elementos que
conformarn el circuito, etc.. Los detalles de instrumentacin varan de a
cuerdo al grado de complejidad del diseo. Por ejemplo, los diseos y
conceptos simplificados, a menudo llamados Diagrama de Flujo de Proceso
(PFD), proveen menos detalles que el desarrollo completo de un Diagrama
de Tuberas e Instrumentacin DTI (Piping and Instrumentation Diagrams:
P&ID). Para entender los diagramas mencionados es necesario primero
entender el estndar de identificacin y simbologa para instrumentacin ISA
S5.1, el cual define como se construye cada smbolo, los cdigos de
identificacin alfa numricos, las abreviaciones, los bloques funcionales, las
lneas de suministro y conexin, etc.
La ISA S5.1 define cuatro elementos grficos: instrumentos discretos,
despliegue y control compartidos, funciones computacionales y controladores
lgicos programables. Estos elementos los agrupa en tres posibles
categoras segn su localizacin o montaje: Locacin principal, Locacin
auxiliar y montaje en campo.
5
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 3636
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Los instrumentos discretos o simples son representados mediante un
elemento grfico circular, los elementos de control y despliegue compartidos
mediante crculos inscritos dentro de un cuadrado, las funciones son
representadas mediante hexgonos y los computadores programables o PLC
mediante un rombo inscrito dentro de un cuadrado.
Adicionndoles una lnea horizontal sencilla que corte cualquiera de los
cuatro smbolos grficos, se indica que la funcin reside en la locacin
primaria, con una lnea horizontal doble se indica que est en la locacin
auxiliar, y si no posee ningn tipo de lnea significa que esta montado en el
campo. Adicionalmente, los instrumentos que estn montados dentro de un
panel o en algn sitio no accesible, se simbolizan con los mismos elementos
grficos pero la lnea horizontal se dibuja en trazos interrumpidos.
Fig. 14 Smbolos generales de instrumentos y funciones.
Las combinaciones de letras y nmeros que aparecen dentro de cada
smbolo grfico son reguladas o estn definidas tambin por el estndar S5.1
de la ISA. Generalmente la numeracin es asignada por el proyectista, por lo
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 3737
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que los esquemas de numeracin varan de compaa a compaa. Una
practica comn es vincular la numeracin al numero de lazo de control dentro
del proceso general, mientras que algo menos comn es adoptar un sistema
de numeracin aleatorio o caprichoso.
La primera letra define la variable inicial o medida tal como por ejemplo
Flujo(F), Temperatura(T), Presin(P), etc; y las siguientes letras definen
funciones pasivas de lectura, de registro o de salida tales como Indicador(I),
Registrador (R), Transmisor (T), etc.
Fig. 15 Diagrama P&ID tpico.
Con referencia al diagrama P&ID anterior, FT 101 representa un transmisor
de flujo montado en campo y conectado va seal elctrica (lnea punteada)
al controlador e indicador de flujo FIC 101 localizado en un dispositivo de
despliegue y control compartido. La extraccin de la raz cuadrada de la
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 3838
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seal de entrada forma parte de las funciones integradas en el FIC 101. La
salida del FIC 101 es una seal elctrica que va hacia el TY 101 que a su
vez esta localizado en un sitio inaccesible o dentro de panel o tablero de
control. La salida proveniente del TY 101 es una seal neumtica (lnea
marcada con equis x), lo que hace que el TY101 sea un convertidor I/P
(convertidor corriente a presin). El TT 101 y el TIC 101 son iguales al FT
101 y al FIC 101 excepto que los primeros son para medir, indicar y controlar
temperatura. La salida del TIC 101 esta conectada va un enlace de datos o
software interno (lneas con crculos) a la entrada de referencia o
setpoint(SP) del FIC 101 a fin de implementar una estrategia de control en
cascada.
A menudo los diagramas P&ID deben incluir una pgina donde se describan
los trminos, smbolos y sistemas de numeracin tpicas del proyecto. En el
ejemplo anterior, TIPICAL YIC debe aparecer en la pgina de definiciones y
simbologa tpica del proyecto. En este caso TIPICAL YIC indica una vlvula
ON/OFF que es controlada mediante una vlvula solenoide y que adems
posee interruptores de final de carrera para indicar que la misma esta abierta
(ZSH) o cerrada (ZSL). Todas las entradas y salidas estn cableadas a un
PLC que puede ser accedido por un operador (Rombo dentro de un
cuadrado con una lnea horizontal). La letra Y indica un evento, estado o
presencia. La letra I indica que se cuenta con indicacin, y la letra C
significa que en este elemento se ejecuta alguna accin de control.
El uso del estndar ISA S5.1 para la identificacin y representacin simblica
de los instrumentos, asegura consistencia, y una manera independiente de
representar la instrumentacin, el control y la automatizacin de los procesos
de tal forma que todos lo puedan entender.
Adems del estndar ISA S5.1 para la identificacin y representacin
simblica de la instrumentacin, existen otros apartados del mismo estndar
que cubren otras reas de inters en lo que a los diagramas de
instrumentacin se refiere: ISA S5.2 que cubre los diagramas lgicos binarios
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 3939
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para el control de procesos, ISA S5.3 que se refiere a los smbolos grficos
para la representacin de la lgica, computadores e instrumento de control
distribuido y compartido, ISA S5.4 que trata sobre los diagrama de lazo de
instrumentacin, y la ISA S5.5 que cubre lo concerniente a los smbolos
grficos para la representacin de los procesos. Hay que sealar que estas
normas no son de uso obligatorio sino que constituyen una recomendacin a
seguir en la identificacin de los instrumentos en la industria.
5.2 Resumen S5.1 (Identificacin y simbologa de
instrumentos).
El propsito de este estndar es el de establecer un mecanismo uniforme
para designar los instrumentos y los sistemas de instrumentacin usado para
mediciones y control de procesos.
A) Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras que lo
clasifique funcionalmente. Una identificacin representativa es la
siguiente:
TRC 2A
Primera Letra Letras sucesivas Numero del BucleSufijo(no se usa
normalmente)
Identificacin Funcional Identificacin del bucle
B) El nmero de letras funcionales para un instrumento debe ser mnimo, no
excediendo de cuatro. Para ello conviene:
1) Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, un transmisor registrador
de relacin de caudales con un interruptor de alarma de relacin de caudales
puede identificarse con dos crculos uno con FFRT-3 y el otro FFS-3.
2) En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede
omitirse la letra I (indicacin).
3) Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto
deben identificarse con una secuencia nica de nmeros. sta puede
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4040
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empezar con el nmero 1 o cualquier otro nmero conveniente, tal como 301
o 1201 que puede incorporar informacin codificada tal como rea de planta.
4) Si un bucle dado tiene ms de un instrumento con la misma identificacin
funcional, es preferible aadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o
TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc. Estos sufijos pueden aadirse obedeciendo
a las siguientes reglas:
a) Deben emplearse letras maysculas. A, B, C, etc.
b) En un instrumento tal como un registrador de temperatura
multipunto que imprime nmeros para identificacin de los puntos, los
elementos primarios pueden numerarse TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3,
etctera.
c) Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse porsufijos formados por letras y nmeros.
d) Un instrumento que realiza dos o ms funciones puede designarse
por todas sus funciones. Por ejemplo, un registrador de caudal FR-2
con pluma de presin PR-4 se designa preferentemente FR-2/PR-4 o
bien UR-7; un registrador de presin de dos plumas como PR-7/8; y
una ventanilla de alarma para temperatura alta y baja como TAH/L-9.
e) Los accesorios para instrumentos tales como rotmetros de purga,filtros manorreductores y potes de sello que no estn representados
explcitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una
identificacin para otros usos deben tenerla de acuerdo con su funcin
y deben emplear el mismo nmero del bucle que el del instrumento
asociado. Alternativamente, los accesorios pueden emplear el mismo
nmero de identificacin que el de sus instrumentos asociados, pero
con palabras aclaratorias si ello es necesario. Por consiguiente, una
brida para una placa-orificio FE-7 debe designarse como FX-7 o bien
como FE-7 brida. Un rotmetro regulador de purga asociado con un
manmetro PI-8 debe identificarse como FICV-8, pero puede tambin
marcarse PI-8 purga. Una sonda empleada con un termmetro TI-9
ser TW-9, o bien, TI-9 sonda.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4141
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Tabla 1 Letras de identificacin.
1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse
repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras
pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva.
Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el mdulo de
elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4242
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2. La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no
indicadas que se utilicen slo una vez o un nmero limitado de veces. Se
recomienda que su significado figure en el exterior del crculo de
identificacin del instrumento. Ejemplo: XR-3 registrador de vibracin.
3. Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de modificacin D
(diferencial), F (relacin) o Q (integracin) o cualquier combinacin de las
mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida.
Por ejemplo, los instrumentos TDI y T miden dos variables distintas: la
temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.
4. La letra A para anlisis, abarca todos los anlisis no indicados en la tabla
5.1, que no estn cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo
de anlisis al lado del smbolo en el diagrama de proceso.5. El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinacin de
primeras letras, es opcional.
6. El empleo de los trminos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o
intermedio y exploracin, es preferible pero opcional.
7. El trmino seguridad, debe aplicarse slo a elementos primarios y a
elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia
(peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una vlvulaautorreguladora de presin que regula la presin de salida de un sistema,
mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta
misma vlvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa
PSV. La designacin PSV se aplica a todas las vlvulas proyectadas para
proteger contra condiciones de emergencia de presin sin tener en cuenta si
las caractersticas de la vlvula y la forma de trabajo la colocan en la
categora de vlvula de seguridad, vlvula de alivio, o vlvula de seguridad
de alivio.
8. La letra de funcin pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que
proporcionan una visin directa no calibrada del proceso.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4343
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9. La letra indicacin se refiere a la lectura de una medida real de proceso.
No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicacin
de sta.
10. Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por
una primera letra seguida de la letra sucesiva L. Por ejemplo, una luz piloto
que indica un perodo de tiempo terminado se designar KL. Sin embargo, si
se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto
puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra
nica L. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor elctrico puede
identificarse EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensin,
o bien XL, suponiendo que la luz es excitada por los contactos elctricos
auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L. La actuacin de laluz piloto puede ser acompaada por una seal audible.
11. El empleo de la letra U como multifuncin en lugar de una combinacin
de otras letras, es opcional.
12. Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y
se definirn en el exterior del smbolo del instrumento cuando sea
conveniente hacerlo as.
13. Los trminos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder avalores de la variable medida, no a los de la serial a menos que se indique
de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una seal
de un transmisor de nivel de accin inversa debe designarse LAH incluso
aunque la alarma sea actuada cuando la seal cae a un valor bajo.
14. Los trminos alto y bajo, cuando se aplican a vlvulas, o a otros
dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:
Alto: indica que la vlvula est, o se aproxima a la posicin de apertura
completa.
Bajo: denota que se acerca o est en la posicin completamente cerrada.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4444
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La figura 16 ilustra los smbolos a emplear en los planos y dibujos de
representacin de instrumentos en los procesos industriales.
Fig. 16 Simbologa para las lneas de conexin.
En la siguiente tabla se muestran las abreviaturas sugeridas para representar
el tipo de alimentacin (o bien de purga de fluidos)
AS Alimentacin de aire
ES Alimentacin Elctrica
GS Alimentacin de Gas
HS Alimentacin Hidralica
NS Alimentacin de Nitrgeno
SS Alimentacin de Vapor
WS Alimentacin de Agua
** El smbolo se aplica tambin a cualquier seal que emplee gas como
medio de transmisin. Si se emplea un gas distinto del aire debe Identificarse
con una nota al lado del smbolo o bien de otro modo.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4545
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*** Los fenmenos electromagnticos incluyen calor, ondas de radio,
radiacin nuclear y luz.
En las prximas pginas se mostrarn la representacin de los Smbolos
generales, smbolos para vlvulas de control, smbolos para actuadores,
autorreguladores y muchos otros. Estos smbolos es un resumen de la norma
ISA.
Fig. 17 Smbolo generales.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4646
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Fig. 18 Smbolos para vlvulas de control.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4747
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Fig. 19 Smbolos para actuadores.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4848
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Fig. 20 Autoreguladores.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 4949
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Fig. 21 Accin del actuador en caso de falla de aire o de potencia.
Fig. 22 Smbolos varios.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5050
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Fig. 23 Elementos Primarios.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5151
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Fig. 24 Elementos Primarios ( continuacin).
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5252
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Fig. 25 Elementos Primarios ( continuacin).
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5353
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Fig. 26 Elementos Primarios ( continuacin).
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Fig. 27 Elementos Primarios ( continuacin).
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5555
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Fig. 28 Elementos Primarios ( continuacin).
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5656
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Fig. 29 Elementos Primarios ( continuacin).
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5757
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Fig. 30 Sistemas varios.
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Fig. 31 Sistemas Varios ( continuacin).
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 5959
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5.3 Resumen S5.2. (Diagramas binarios lgicos para
procesos).
Esta norma lista los smbolos lgicos que representan operaciones de
proceso binarias realizadas por cualquier clase de hardware, sea elctrico,neumtico, hidrulico u otro.
La existencia de una seal lgica puede corresponder fsicamente a la
existencia o no de una seal de instrumentos, dependiendo del tipo particular
del sistema de hardware y de la filosofa del diseo del circuito. Por ejemplo,
el proyectista puede disear una alarma de alto caudal para que sea
accionada por un interruptor elctrico en el que los contactos abran, o bien
cierren, cuando el caudal es alto. Por lo tanto, la condicin de caudal alto
puede ser representada fsicamente por la
ausencia o por la presencia de una seal elctrica.
El flujo de informacin est representado por lneas que interconectan
estados lgicos. La direccin normal del flujo es de izquierda a derecha o de
arriba abajo. Para mayor claridad del diagrama, y siempre que sea necesario,
pueden aadirse flechas a las lneas de flujo.
Es posible que una condicin lgica especfica no sea comprendida cuando
trate a un aparato con dos estados alternativos especficos. Por ejemplo, siuna vlvula no est cerrada, puede ser debido a que la vlvula est
totalmente abierta, o bien a que la vlvula no est cerrada y est en una
posicin intermedia entre casi cerrada y totalmente abierta. La interpretacin
literal del diagrama indica que la segunda posibilidad es la correcta.
En las vlvulas todo-nada el diagrama debe especificar exactamente lo
proyectado. De este modo, si la vlvula debe estar abierta, as debe
establecerse; no debe indicarse que la vlvula est no cerrada.
En contraste, un dispositivo tal como una bomba accionada por un motor,
siempre est funcionando o parada salvo algunas situaciones especiales. El
sealar que una bomba no est en funcionamiento significa que est parada.
Las siguientes definiciones se aplican a los aparatos que tienen posiciones
abiertas, cerradas o intermedias:
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Posicin abierta: Posicin que est 100 % abierta.
Posicin no abierta: Posicin que es menor de 100 % abierta.
Posicin cerrada: Posicin que es O % abierta.
Posicin no cerrada: Una posicin que es mayor que O % abierta.
Posicin intermedia: Una posicin especificada que es mayor de O
% y menor de 100 % abierta.
Posicin no intermedia: Una posicin especificada que es superior o
inferior a la posicin intermedia especificada.
En un sistema lgico que tenga un estado de entrada derivado de modo
inferencial o indirecto, puede presentarse una condicin que conduzca a una
conclusin errnea. Por ejemplo, la suposicin de que existe caudal si unabomba est excitada, puede ser falsa porque una vlvula puede estar
cerrada, o porque el eje de la bomba est roto o por otra causa.
La prdida de alimentacin elctrica, neumtica u otra a memorias o a
otros elementos lgicos, puede afectar la operacin del proceso, por lo que la
fuente de alimentacin o su prdida debe entrarse como entrada lgica al
sistema o a los elementos lgicos individuales. En las memorias, la fuente de
alimentacin puede entrarse como una entrada lgica o en la forma indicadaen los diagramas. Tambin puede ser necesario mostrar el efecto de la
restauracin de la alimentacin.
Definiciones
Los smbolos con tres entradas A, B y C son tpicos de funciones lgicas con
cualquier nmero de dos o ms entradas. En las tablas de la verdad, 0 indica
la no existencia de la entrada lgica o de la seal de salida o el estado dado
en la cabecera de la columna, 1 indica que existe presencia de la seal o
estado de entrada lgica. D indica la existencia de la seal o estado de
salida lgica como resultado de las entradas lgicas apropiadas.
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Fig. 32 Tabla de smbolos lgicos.
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Fig. 33 Tabla de smbolos lgicos ( continuacin)
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Fig. 34 Tabla de smbolos lgicos ( continuacin)
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Fig. 35 Tabla de smbolos lgicos ( continuacin)
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5.4 Resumen S5.3 (Smbolos grficos para la representacin
de la lgica, computadores e instrumento de control
distribuido y compartido).
El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados porordenadores, controladores programables, mini ordenadores y sistemas a
microprocesador que disponen de control compartido, visualizacin
compartida y otras caractersticas de interfase. Los smbolos representan la
interfase con los equipos anteriores de la instrumentacin de campo, de la
instrumentacin de la sala de control y de otros tipos de hardware.
El tamao de los smbolos debe ser conforme a la norma ISA-S5.1, a la que
complementa.
Smbolos de visualizacin del control distribuido/compartido.
1. Accesible normalmente al operador-indicador/controlador/registrado o
punto de alarma.
(1) Visualizacin compartida.
(2) Visualizacin y control compartidos.
(3) Acceso limitado a la red de comunicaciones.
(4) Interfase del operador en la red de comunicaciones.
2. Dispositivo de interfase auxiliar del operador.
(1) Montado en panel; cartula analgica; no est montado
normalmente en la consola principal del operador.
(2) Controlador de reserva o estacin manual.
(3) El acceso puede estar limitado a la red de
comunicaciones.(4) Interfase del operador va la red de comunicaciones.
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3. No accesible normalmente al operador.
(1) Controlador ciego compartido.
(2) Visualizacin compartida instalada en campo.
(3) Clculo, acondicionamiento de seal en controlador
(4) Puede estar en la red de comunicaciones.
(5) Normalmente operacin ciega
(6) Puede ser alterado por la configuracin
Smbolos del ordenador.
A utilizar cuando los sistemas incluyen componentes identificados como
ordenadores, diferentes de un procesador integral que excita las varias
funciones de un sistema de control distribuido. El componente ordenador
puede ser integrado en el sistema, va la red de datos, o puede ser un
ordenador aislado.
4. Normalmente accesible al operador-indicador / controlador /
registrador o punto de alarma.
Utilizado usualmente para indicar la pantalla video.
5. Normalmente no accesible al operador.
(1) Interfase entrada/salida.
(2) Clculo / acondicionamiento de seal dentro de un
ordenador.
(3) Puede usarse como controlador ciego o como mdulo
de clculo de software.
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Smbolos de control lgico y secuencial .
6. Smbolo general. Para complejos no definidos interconectando control
lgico secuencial (ver ISA S5.1)
7. Control distribuido interconectando controladores lgicos con
funciones lgicas binarias o secuenciales.
(1) Paquete de controlador lgico programable o
controladores lgicos digitales integrales con el equipo de
control distribuido.
(2) No accesible normalmente al operador.
8. Control distribuido interconectando un controlador lgico con
funciones lgicas binarias o secuenciales.
(1) Paquete de controlador lgico programable ocontroladores
lgicos digitales integrales con el equipo de control
distribuido.
(2) Accesible normalmente al operador.
9. Clculo / acondicionamiento de seal.
(1) Para identificacin de bloques consulte ISA-S5.1 tabla 2
Designaciones de funciones para rels.
(2) Para requerimientos de clculos amplios, use la
designacin C. Aclare en documentacin suplementaria.
(3) Utilizado en combinacin con vlvulas de alivio segn
ISA-S5.1.
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Cap. 5: DIAGRAMAS DE TUBERA E INSTRUMENTACIN DTI o P&ID 6868
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Smbolos comunes.
10. Red del sistema.
(1) Usado para indicar una red de software, o conexion
entre funciones suministradas en el sistema del fabricante.
(2) Alternativamente, la red puede
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