CURSOTECNOLOGA Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL
PROFESORLEONARDO NIKOLAI VINCES RAMOS
SECCININA2
TEMAINSTRUMENTACIN INDUSTRIAL
ALUMNOS
DAVID ANGULO (u912473)LUIS MIGUEL CHEEL TRUJILLO (u913284)JHONNY
FRANK CONTRERAS RIOS(u912269)DIEGO FERNANDO CUROTTO PALOMINO
(u910045)GUSTAVO SNCHEZ ALBINACORTA (u912159)
2012-02
Contenido
Introduccin4Marco terico5Descripcin general del proceso del alto
horno10Descripcin detallada del lazo de control asignado, variables
medidas, manipuladas y controladas13Seleccin de instrumentos
(sensores, controladores y actuadores) adecuados para el
funcionamiento del lazo de control, tipos de seales, modelos de
equipos16Diagrama general de tuberas e instrumentos (P&ID)
detallado segn norma ISA
S5.1..23Conclusiones..24Recomendaciones25Fuentes de consulta26
Tablas y Grficos
Proceso de alto
horno.............................................................................................11Partes
del caldero12Tipos de termocuplas16Diagrama de tuberas e
instrumentos23
INTRODUCCIN
Las empresas necesitan homogenizar los medios por los cuales se
comunica a nivel tcnico. En este sentido, utiliza ciertas
herramientas que les permite optimizar el procesamiento de
informacin. Asimismo, es lgico que exista una necesidad de
homogenizar diagramas y smbolos, entre otros; ya que si no
existieran normas que regulan las simbologas de los diagramas todas
las empresas utilizaran diferentes smbolos y el entendimiento de
planos resultara prcticamente imposible.
En este sentido, existen instituciones que se encargan de
estandarizar las simbologas. Por ejemplo, las normas ISA
(Instrument Symbols and Identification), la cual trata de
uniformizar la simbologa de las normas de dibujo existentes con el
propsito de instituir un nico cdigo a nivel internacional.
En la presente tarea acadmica se trabajar en relacin a los Altos
hornos, los cuales son utilizados en la industria Siderrgica. Se
realizar una breve descripcin del proceso, y se describirn los
lazos y la instrumentacin involucrada.
MARCO TERICO
Principales aplicaciones
Es recomendable emplear las simbologas sealadas en la norma
cuando se requiera cualquier referencia para un instrumento o para
una funcin de control de un sistema con los propsitos de
identificacin y simbolizacin.
Esquemas diseo Ejemplos para enseanza Fichas tcnicas, literatura
y discusiones Diagramas en sistemas de instrumentacin, diagramas
lgicos, diagramas de lazos en procesos Descripciones funcionales
Diagramas de flujo en: Procesos, Sistemas, Elementos mecnicos,
tuberas de procesos e instrumentacin Dibujos de Construccin
Especificaciones, rdenes de compra, manifiestos y otros listados
Identificacin (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de
control Instrucciones de mantencin, Operacin, Instalacin, Dibujos e
informes
Adems, el estndar debe brindar incluir la informacin suficiente
con el propsito de que cualquiera pueda revisar el documento de
representacin, de medicin y control de procesos (para quien tenga
un conocimiento razonable acerca de procesos). Para que entienda el
significado y el control del proceso. En este sentido, no es
necesario ser especialista en instrumentacin para comprender el
documento.
Identificacin funcional
La identificacin funcional de un instrumento o su equivalente
funcional consiste de, que incluye una primera letra (designando la
medicin o variable inicial) y una o ms letras sucesivas (designan
las funciones ejecutadas). Adems, la identificacin funcional de un
instrumento esta de acuerdo a la funcin y de no acuerdo a su
construccin.
Por otro lado, cuando un instrumento se ubica entre lazos, la
primera letra de la identificacin funcional se selecciona acorde
con la medicin o variable inicial y no de acuerdo a la variable
manipulada. Asimismo, las letras sucesivas designan la lectura de
una o ms funciones. Un dispositivo de funciones mltiples se puede
simbolizar en un diagrama por tantos crculos como variables medidas
tenga, salidas y/o funciones.
El nmero total de letras dentro de un grupo no debe exceder de
4. El nmero mnimo dentro de un grupo se puede determinar por:
Arreglo de letras funcionales dentro de sub grupos: Esta prctica
se explica en punto para los instrumentos que realizan ms de una
medida de variables o entradas pudindose usar en otros
instrumentos. Se omite la I (indica) si un instrumento grafica e
indica la misma variable medida. Todas las letras de identificacin
funcional van sobre el componente
Identificacin de lazos
La identificacin en los lazos consiste de: una primera letra y
luego un nmero. Cada instrumento dentro del lazo tiene asignado el
nmero correspondiente al lazo, este es nico, y en el caso de
numeracin paralela es la misma letra. Un instrumento comn a varios
lazos llevara la identificacin del lazo predominante. La numeracin
de los lazos puede ser paralela o en serie. La numeracin paralela
se inicia con una secuencia numrica. La numeracin en serie se
inicia con una secuencia simple de nmeros para un proyecto o para
grandes sectores de un proyecto manteniendo las primeras letras del
lazo.
Si un lazo tiene varios instrumentos con la misma identificacin
de funcional, se puede agregar un sufijo al nmero del lazo.
Un instrumento que realiza dos o ms funciones puede designarse
por todas sus funciones.
Los accesorios de instrumentos como medidores de purga, sellos
de depsitos, no se muestran en forma explicita en los diagramas,
aunque podran necesitar una designacin con determinados propsitos.
El dar una designacin no implica que el accesorio deba aparecer en
el diagrama. Los accesorios se identifican con nmeros que estn
asociados al instrumento aun ms se podran agregar palabras para
clarificar.
Smbolos
Estas normas ilustran smbolos con el propsito de identificar la
instrumentacin en los diagramas y planos. Se entregan mtodos para
aplicar estos smbolos y sus identificaciones.
Los smbolos que indican varios instrumentos o funciones aparecen
en sus aplicaciones y formas tpicas. De todas maneras, no implica
que esta aplicacin o designacin de los instrumentos o funciones
sean una forma nica. No debe deducirse que la forma de
representacin que se entrega constituya un mtodo recomendado en las
ilustraciones de mediciones o control Se entregan distintas
alternativas sin que exista algo establecido relativo a lo
smbolos.
En otras palabras el crculo representa al propio instrumento.
Por otro lado, un smbolo distintivo que esta relacionado con partes
de lazo no es necesario individualizarlo con una etiqueta en el
diagrama. Adems, cuando hay un elemento primario conectado a otro
instrumento en un diagrama, representar al elemento primario en el
diagrama es opcional.
Los tamaos ptimos de los crculos de etiquetado y los smbolos
miscelneos dependen del diagrama final. Los tamaos de otros smbolos
se pueden seleccionar apropiadamente con relacin a los smbolos que
acompaan en otros diagramas del equipo.
Los diagramas requieren de legibilidad y los smbolos pueden
tener cualquier orientacin. Las lneas de las seales se pueden
dibujar en los diagramas entrando o saliendo en una forma apropiada
a un smbolo y en un ngulo cualquiera.
Se pueden agregar Flechas de direcciones a las lneas de seales
cuando aclaran la direccin del flujo de informacin El uso de tales
flechas facilita la comprensin del sistema.
Por otro lado, las lneas de alimentacin no se indican a menos
que sea esencial en la comprensin de la operacin del instrumento o
del lazo.
La lnea de seal es suficiente para representar la conexin entre
dos instrumentos en los diagramas de flujo aun cuando la conexin
fsica tenga ms de una lnea.
La secuencia que muestran en sus conexiones los instrumentos o
las funciones en un lazo debe reflejar la funcin lgica o flujo de
informacin. De esta manera, un lazo electrnico usa seales anlogas
de tensin empleando para ello dos cables en paralelo, mientras que
un lazo que emplee una seal anloga de corriente emplea una conexin
en serie.
DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO DE ALTO HORNO
Los Altos hornos son elementos bsicos en Siderrgicas. Adems,
permite generar la materia prima necesaria (arrabio) para obtener
el acero. Est constituido por dos troncos de cono, la superior Cuba
y el inferior Etalage. En la parte superior, sobre la Cuba se
encuentra el tragante. En la parte inferior, bajo el Etalage, se
encuentran de crisol, en el cual se recogen el Hierro fundido y la
escoria. El tragante cuenta con un doble cierre para impedir que
escapen los gases. La parte ms ancha del horno se llama
vientre.
El alto horno se construye en aceros revestido interiormente de
ladrillos refractarios, los cuales deben resistir el calor y la
erosin producidos por el descenso de las cargas y por las
reacciones qumicas en su interior. La carga del material ingreso
por el tragante, en el cual la temperatura es de 150C. Adems, por
medio de toberas se inyecta el aire enriquecido con oxgeno. Esto
eleva la temperatura a unos 2000 C.
Cuando el aire enriquecido con oxgeno entra en contacto con el
Coque forma monxido de carbono, el cual asciende a travs de la
carga y quita oxgeno mineral. Esto se conoce como el fenmeno de
reduccin. El 50% del monxido de carbono se transforma en dixido de
carbono. El resto de monxido de carbono de recuperado como
combustible para otros usos. Por otro lado, las temperaturas
alcanzadas en el Etalage permiten la reduccin del xido de manganeso
y la eliminacin del azufre. Adems, permite fundir el mineral de
Hierro que genera el arrabio, el cual es un Hierro metlico con alto
contenido de carbono e impurezas.En la parte inferior del horno la
escoria se separa y en estado lquido fluye a travs de un canal. El
arrabio se extrae al romper un tapn de arcilla inferior llamado
piquera. El arrabio se almacena en vagones termos. Este proceso se
llama colada. Asimismo, el arrabio contiene entre el 91% y el 94%
de Hierro y pequeos porcentajes de carbono, manganeso, azufre,
fsforo y silicio. Finalmente, el arrabio es transportado a hornos
convertidores en los cuales se transformar en acero.
Proceso de alto hornoFuente: TECSUP (2000)
Las materias primas que ingresan a lo alto horno son las
siguientes:
Mineral de Hierro Carbn de coque Fundentes(caliza, xidos de
manganeso) Aire enriquecido con oxgeno Gas natural
Partes del calderoFuente: TECSUP (2000)
DESCRIPCIN DETALLADA DEL LAZO DE CONTROL ASIGNADO, VARIABLES
MEDIDAS, MANIPULADAS Y CONTROLADAS
Del diagrama mostrado, se define que es un lazo de tipo de
Control en Adelanto, pues es un lazo abierto y los sensores medirn
las perturbaciones en el sistema y con ello los controladores los
minimizarn de tal forma que no afecten al proceso. Esta medicin de
las perturbaciones se hace en paralelo con las de la actividad del
proceso. Asimismo, cuenta con un actuador el cual enciende la llama
que da los valores de temperatura en el proceso.Por otro lado, en
el lazo asignado la entrada es de gas, proveniente de la estufa N 1
el cual tiene un ciclo que se encuentra dentro del sistema,
brindado por una seal elctrica (lneas punteadas que encierren todo
el lazo).Dentro del sistema en evaluacin, las variables que son
tomadas en cuenta son la temperatura del gas que recorre todo el
lazo, tanto la principal como la de desperdicio, el nivel de
combustin y el nivel de la llama.Estos sensores estn unidos unos
con otros mediante un enlace interno del sistema en forma de
software y nicamente la entrada al sensor TSHH de temperatura de
cierre se recibe como una seal elctrica.Las valores que dan los
controladores son independientes uno del otro, y aunque estos
sensores estn unidos entre s, no se cierra de ninguna forma, lo
cual da otra razn para denominarlo como control en adelanto.
Algunas de sus principales ventajas y desventajas son:
Computacin compleja Conocimiento del proceso y de las
perturbaciones Limitaciones en el desvo del set point Control
especfico para cada aplicacin particularAnte esto podemos definir
las siguientes variables: Variables manipuladas: Entre las
variables manipuladas solo se puede encontrar de manera general la
temperatura de la Estufa Variables medidas: Dentro de las variables
medidas encontramos la temperatura del gas de desperdicio, nivel de
llama Variables controladas: Temperatura de combustin del gas
Asimismo, el lazo tiene 12 componentes: 4 controladores lgicos
programables de seguridad en el campo 3 controladores de combustin
del gas 1 controlador de salud 7 sensores de pantalla compartida
detrs del panel de control 1 sensor TSHH: Valor alto manual de
seguridad de temperatura de cierre, mayor a 1300 C 1 sensor TSH:
Valor alto de seguridad de temperatura de encendido, mayor a 1000 C
1 sensor USS con transmisor: Cambiador de seguridad multivariable
acoplado con un transmisor para realizar Control, Registro e
Indicar el valor de la temperatura del gas 1 sensor XS: Seguridad
del axis, el cual se une con la salida del sensor USS para dar la
seal al PLC de control de salud 1 sensor US con transmisor:
Multivariador de seguridad acoplado con un transmisor para el
Anlisis del axis del valor de la temperatura del gas 1 sensor US
sin transmisor: Multivariador de seguridad de la llama que no est
al descubierto 1 sensor TSHH: Valor alto manual de seguridad de la
temperatura de desperdicio del gas 2 actuadores que enciende la
llama dentro del lazo 1 contactor que sirve para iniciar o terminar
con el funcionamiento del mechero (este contactor se coloca en el
lazo suponiendo que el mechero funciona de forma automtica, en
lugar de ser de forma manual) 1 mechero el cual enciende la llama
que brinda el calor al lazo en mencin
Por otro lado, vemos que en el sistema, se toman medidas del
nivel de llama (llama no detectada) y la temperatura del
desperdicio del gas. Las cuales se pueden llegar a considerar como
perturbaciones, pues una llama no detectada puede generar daos en
el sistema y la temperatura del gas desperdiciado puede traer
consecuencias en los alrededores del mismo y es por tal razn que
debe ser medido y de alguna otra forma ser controlado.
SELECCIN DE INSTRUMENTOS (SENSORES, CONTROLADORES Y ACTUADORES)
ADECUADOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL LAZO DE CONTROL, TIPOS DE
SEALES Y MODELOS DE EQUIPOS
SensoresEn el caso de los 7 sensores de pantalla compartida
detrs del panel de control identificados en el lazo de control se
seleccionaron los siguientes:
Para el sensor USS con transmisor, sensor US con transmisor y
sensor XS: Lo idneo en este caso es la utilizacin de una termocupla
con la finalidad de que haya un adecuado monitoreo de los gases de
escape del caldero elctrico. El tipo de termocupla adecuado sera el
tipo K, puesto que tiene un rango de temperatura que cubre el
comienzo de encendimiento permitido (1000C) y el cierre (1300C). El
rango que cubre es el que se muestra en el siguiente cuadro:
Tipos de termocuplas
Fuente: Creus (2007)
Por otro lado, esta termocupla vendr incorporada con un
dispositivo de medida. El transmisor unido a este sensor tendr seal
analgica con el fin de verificar cambios bruscos de temperatura. El
modelo de esta termocupla sera el siguiente:
Este tipo de termocupla tiene la punta reforzada con acero
refractario, la cual tendr mayor resistencia a las altas
temperaturas y a la abrasin.
El indicador de temperatura para la termocupla tipo K sera el
siguiente:
Tiene la funcin de registro de mximas y mnimas lecturas, la cual
es una caracterstica ideal para su trabajo en el campo, que en
nuestro caso es la planta siderrgica. Tiene las siguientes
caractersticas tcnicas:
Alimentacin: Batera Alkalina de 9V Tiene precisin de 0.1% de la
lectura. Fcil lectura gracias a su pantalla LCD. Tiene indicacin de
batera baja.
Los aspectos a considerar para la implementacin de la termocupla
son los siguientes:
Es un sensor activo, es decir, no requiere de alimentacin
externa de energa para realizar la medicin. Tiene la desventaja de
ser lento a temperaturas menores. Respuesta lenta (> 1s).
Otra opcin, en caso no se deseen las termocuplas, seran los
Termmetros de Resistencia (RTD) y sera el siguiente:
Cabe resaltar que el transmisor unido a este sensor tiene seal
analgica y vendr incorporado con un dispositivo de medida.
Los aspectos a considerar para la implementacin del Termmetro de
Resistencia (RTD), en vez de la termocupla es el siguiente:
Tiene un control ms fino. Hay respuesta rpida. Mayor
resistencia. Bajo costo.
Pero a diferencia de la termocupla, el Termmetro de Resistencia
(RTD) es un sensor pasivo, es decir, requiere de una fuente de
energa externa para su alimentacin. Adems, el mundo de aplicacin
del Termmetro de Resistencia (RTD) son las de industrias de bebidas
y alimentos como se mencion en la respectiva clase, las termocuplas
son ms usadas.
Para los 2 sensores TSHH y el sensor TSH: Lo idneo en este caso
es la utilizacin tanto de la termocupla o Termmetro de Resistencia
(RTD) mencionados anteriormente, solo que el transmisor unido a
este sensor tendr seal digital o discreta (Abierto/Cerrado).
Para el sensor US sin transmisor: Lo idneo en este caso es la
utilizacin de un detector de llama y analizador de temperatura
integrado que se muestra a continuacin:
Controladores Lgicos Programables
Es importante la implementacin del PLC, ya que de esta manera es
ms fcil el control y monitoreo total del proceso siderrgico. Con
ello podemos realizar las siguientes actividades:
Efectuar diagnsticos de fallas y alarmas por combustin de
seguridad permitida del gas, seguridad de temperatura de cierre y
encendido. Reducir los tiempos de parada del proceso generando
ahorro en costos. Hay flexibilidad en la configuracin y
programacin, en caso ocurran algunos cambios en el
proceso.Asimismo, si separamos el lazo como del resto del sistema,
podramos optar por 4 micro PLC modular, ya que estara centrado
especficamente en las mediciones que tienen en el lazo en estudio y
la cantidad de variables de entrada y salida son menores de 64;
adems, comprar un PLC grande e integral solo hara incrementar los
costos de forma innecesaria.
Actuadores
Los actuadores servirn para el encendido y apagado del mechero,
con lo cual se generar el encendido y, por ende, el aumento de
temperatura.
Primeramente, el contactor se utilizar para dar la seal para
encender o apagar el mechero.
Luego, el mechero, el cual es el actuador ms importante en el
lazo en estudio y sirve para encender la llama. Se debe recordar
que este mechero debe dar una llama con una temperatura mayor a
1000 C para el encendido y 1300 C para el cierre.
DIAGRAMA GENERAL DE TUBERAS E INSTRUMENTOS (P&ID) DETALLADO
SEGN NORMA ISA S5.1A continuacin se presenta en lazo en adelanto
detalla del presente informe:
Diagrama de tuberas e instrumentos
Fuente: Elaboracin propia
CONCLUSIONES
El proceso de Alto Horno est altamente automatizado. Adems,
permite obtener el arrabio, el cual es transportado a plantas
convertidoras que lo transforman en acero. La normalizacin de los
smbolos permite la interpretacin de los diagramas y documentos se
realice de manera eficiente. Adems, las normas estn sujetas a
cambios. Cuando la eleccin de varios sensores puede justificar el
funcionamiento del proceso sin problema, se opta por elegir el
sensor ms econmico ya que en el aspecto operativo ambos sensores
cumples con las especificaciones del sistema. Se debe tener cuidado
de elegir los actuadores adecuados. Estos permitirn que el proceso
se desarrolle adecuadamente y se ejecuten correctamente las rdenes
que el PLC emita. Las caractersticas que debe seguir el actuador
mencionado, deber estar en funcin de la carga de materiales que
ingrese al proceso, presin que puede resistir, temperatura mxima,
cantidad de gas que puede combustionar, etc.
RECOMENDACIONES
La simbologa de diagramas debe ser descrito de manera clara con
el propsito de que cualquier persona pueda entender si necesidad de
ser especialista en instrumentacin. El tener un correcto
conocimiento sobre el proceso de Alto Horno mejora el proyecto de
automatizacin indicando los sensores, y posteriormente los
actuadores adecuados, sin tener la necesidades de contar con altos
conocimientos operativos. Se ha definido un lazo de control para
una seccin de todo el proceso; por lo cual, si se toma a todo el
proceso se debe seleccionar otro tipo de PLC con una mayor
capacidad de medida para un correcto control del proceso.
FUENTES DE CONSULTA
CREUS SOL, Antonio (2007) Instrumentacin Industrial. Mxico D.F.:
Alfaomega; Barcelona: Marcombo.SOCIEDAD DE INSTRUMENTACIN, SISTEMAS
Y AUTOMATIZACIN (ISA) (2002) Norma ISA S5-1.8.4. Captulo 2:
P&IDs y Smbolos.TECSUP (2000) Automatizacin y Control de
Calderos Industriales. Lima.
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