Sistemas de Automatizacion

ESTADO DEL ARTE DE LOS

SISTEMAS DE

AUTOMATIZACIN

Introduccin

Roberto Bacacorzo Cuba

INTRODUCCIN

La Medicin y Control de Procesos (tambin llamada Instrumentacin Industrial o Automatizacin Industrial) es una rama de la Ingeniera que involucra varias especialidades: - Electrnica - Electricidad - Qumica - Metalurgia

- Petroqumica

- Industrias Alimentarias

- Neumtica

- Hidrulica

- Mecnica

- Informtica

- Telecomunicaciones

- Otras

En la Actualidad, la Electrnica y la Informtica estn presentes en casi todas las aplicaciones de Medicin y Control de Procesos.

Sin embargo, todava es grande el nmero de aplicaciones netamente mecnicas, dados los bajos costos de algunos sensores mecnicos de amplia aplicacin, como por ejemplo, los manmetros, los termmetros bimetlicos, etc.

Mando: Involucra un nmero finito de estados (prendido apagado, abierto cerrado, giro derecho giro izquierdo, etc.)

Regulacin: Se tiene un nmero infinito de estados, comprendidos entre 2 posiciones extremas (abierto cerrado)

MANDO

Botonera Simbologa

Arranque

Parada

Selector Simbologa

Servicio Normal

2 POSICIONES 3 POSICIONES

Servicio Normal, Servicio

Pesado, y Hermtico

2 POSICIONES 3 POSICIONES

HAN

D

HAN

D

AUT

O

AUT

O

OFF

REGULACIN

MANDO: Automatizacin de Planta (Factory Automation)

REGULACIN: Automatizacin y Control de Procesos

(Process Automation)

La medicin y control pueden ser:

- Manual

- Mecnico

- Neumtico

- Elctrico

- Electrnico Analgico

- Electrnico digital

AUTOMATIZACIN

Lazo de Control

En la Medicin y Control existen 2 tipos de lazos de control:

- Abierto (el sistema no se controla slo)

- Cerrado (el sistema se autocontrola)

An hoy, la mayora de aplicaciones industriales involucran a lazos de control abiertos, para efectos de slo medicin (por ejemplo: manmetros para medir presin).

Para hablar de automatizacin, debemos implementar lazos de control cerrados (que se controlen automticamente) Ejemplo: El control de la presin, incluyendo sensor, Controlador y VCA.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL

.

ELEMENTO

FINAL DE

CONTROL (EFC)

RTU

ALARMAS

REGISTRADOR

INDICADOR

CONTROLADOR

PROCESO

SENSOR O

ELEMENTO

PRIMARIO

TRANSMISOR O

ELEMENTO

SECUNDARIO

PC

(SCADA)

VARIABLE

MEDIDA

VARIABLE

MANIPULADA

SALIDA DE

CONTROL

VARIABLE

CONTROLADA

-

+

DETECTOR DE

ERROR O

COMPARADOR

CABLE,

TELFONO

o RF

DISTURBIOS

SET POINT

O VALOR DE

REFERENCIA

EJEMPLO DE DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL ABIERTO

.

RTU

ALARMAS

REGISTRADOR

INDICADOR

PROCESO

SENSOR O

ELEMENTO

PRIMARIO

TRANSMISOR O

ELEMENTO

SECUNDARIO

PC

(SCADA)

VARIABLE

MEDIDA

CABLE,

TELFONO

o RF

DISTURBIOS

SENSOR

Detecta o sensa los cambios en el valor de la variable de proceso.

TRANSMISOR

Convierte una seal de una magnitud en otra seal estandarizada para llevar el valor de la seal medida a distancia.

CONTROLADOR

Instrumento que compara la seal de entrada con una referencia y emite una salida de control. Es el cerebro del sistema de control

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Dispositivo que recibe una seal del controlador y efecta una accin que acta directamente sobre el proceso, modificndolo.

SCADA Supervisin a distancia

DEFINICIONES DE INSTRUMENTACIN

La terminologa en instrumentacin y control se ha estandarizado, de acuerdo a las recomendaciones de la sama (scientific apparatus makers association) y ansi/isa-51.1-1979 (r193)

Rango o campo de medida (range)

conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los lmites superior e inferior (valores mximo y mnimo) de la capacidad de medida o transmisin de un instrumento. Se expresa indicando los 2 valores extremos. Ej: 20 - 100 GPM, - 35 a 120 C, 0 a 3 m

VALOR MNIMO (ZERO)

Es el valor mnimo de medicin de un instrumento.

Ej: 20 GPM, - 35 C, 0 m.

ALCANCE (SPAN)

Es la diferencia aritmtica entre los valores superior e inferior de medida del instrumento.

Ej: 60 GPM, 155 C, 3 m

RANGEABILIDAD (TURNDOWN o RANGEABILITY)

Es el cociente entre el valor mximo entre el valor mnimo de un instrumento. Sirve para determinar si el instrumento va a poder ser usado para amplias variaciones de la variable medida. Ej: 80/20 = 4

EXACTITUD

Es la cualidad de un instrumento de medida por la cual este tiende a dar lecturas prximas al valor verdadero (valor terico) de la magnitud medida.

PRECISIN (ACCURACY)

Es la tolerancia de medida o de transmisin del instrumento (intervalo en el cual es aceptable que se site el valor medido). Define los lmites de los errores obtenidos cuando el instrumento trabaja bajo condiciones normales durante un perodo de tiempo determinado. La precisin se expresa de las siguientes maneras:

% del Alcance: Por ejemplo, para un valor medido de 300 psi, una precisin de 1% y span de 500, el valor real estar comprendido entre 295 y 305 psi.

Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: precisin de 2 scfm

% del valor medido: 0.5% de 800 C = 4 C

% del valor mximo (% de URL)

% de la longitud de la escala

REPETIBILIDAD (REPETIBILITY)

Es la capacidad de reproducir la seal de salida o indicacin del instrumento al medir repetidamente valores idnticos de la variable en las mismas condiciones de operacin y en el mismo sentido de variacin, recorriendo todo el campo.

Se considera su valor mximo (repetibilidad mxima) y se expresa en % del Alcance. La repetibilidad no incluye la histresis.

La repetibilidad est dada por

(Xi - X)2

N

HISTRESIS (HYSTERESIS)

Es la diferencia mxima observada en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor, cuando la variable recorre toda la escala en los 2 sentidos (ascendente y descendente).

Se expresa en % del alcance.

Por ejemplo, indicador de 0 a 100, para el valor de 40, el indicador marca 39.9 al subir desde 0 y 40.1 al bajar desde 100. La histresis es:

40.1 39.9

x 100 = 0.2 %

100 - 0

Incidentes ocurridos en

sistemas

Especificaciones

44%

Cambios despus del arranque 20%

Diseo e Implementacin

15%

Operacin y Mantenimiento

15%

Instalacin y Arranque 6%

ERROR

Es la diferencia algebraica entre el valor medido (ledo o transmitido) y el valor real (terico) de la variable medida.

Si el proceso est en rgimen estable, existe el error esttico.

En condiciones de continuo cambio (dinmicas) el error vara considerablemente debido a que los instrumentos tienen caractersticas comunes a los sistemas fsicos: absorben energa del proceso y esta transferencia requiere de cierto tiempo para ser transmitida. Esto origina retardos en la lectura del aparato. Bajo condiciones cambiantes, se produce el error dinmico, que es la diferencia entre el valor instantneo de la variable y el indicado por el instrumento). El valor de este error depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, de las caractersticas del elemento primario, de los materiales de proteccin, etc.

El error medio del instrumento es la media aritmtica de los errores en cada punto de medicin determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida.

Cuando en una medicin intervienen varios instrumentos (unos a continuacin de otros), el valor final de la medicin estar constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos.

Si el lmite del error relativo de cada instrumento es a, b, c, d, etc., el mximo error posible en la medicin ser la suma de los valores anteriores:

Mximo error posible = (a + b + c + d + .......)

Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error mximo en todas las circunstancias de la medida, se toma como error total de una medicin a la expresin:

a2 + b2 + c2 + d2 + ........

Ejemplo: Medicin de presin con un sello de diafragma, un transmisor electrnico de 4 20 mA, un elemento receptor y un integrador electrnicos, tenemos los siguientes errores:

Error del diafragma (del sello) : 2%

Error del transmisor electrnico 4 20 mA : 0,1%

Error del receptor electrnico : 0,2%

Error del integrador electrnico : 0,5%

Error total de la medicin = 22 + 0,12 + 0,22 + 0,52 = 2,07%

BANDA MUERTA (DEAD BAND)

Es la franja de valores de la variable que no hace variar la indicacin o la seal de salida del instrumento (no produce respuesta). Est dada en % del alcance.

Ejemplo: 0.1% de 500 gpm (span) = 0.5 gpm

SENSIBILIDAD (SENSITIVITY)

Es la razn entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona despus de haber alcanzado el estado de reposo.

Ejemplo: Transmisor Neumtico de presin diferencial (DP), de 0 280 WC, la DP pasa de 140 a 150 WC y la seal de salida de 8.9 a 9.35 psig, la sensibilidad es:

(9.35 8.9) /(15 3)

= 1 psi / WC

(150 140)/280

ESTNDARES

(NORMATIVIDAD)

Los instrumentos de control deben ser fabricados, probados e instalados de acuerdo a estndares internacionalmente aceptados.

Algunos de ellos son:

- Cdigo Nacional de Electricidad (Utilizacin).

- Cdigo Elctrico de EUA (NFPA 70 / NEC).

Qu son los estndares?

Contrariamente a lo que se cree, no son recetas que dicen cmo hacer los trabajos.

Antiguamente, la tendencia era indicar paso a paso cada procedimiento.

Actualmente, son recomendaciones para ciertos temas especficos.

En estas recomendaciones se incluyen criterios que han sido usados en aplicaciones reales y que han dado buenos resultados.

Tambin los estndares desarrollan frmulas para poder realizar clculos necesarios para trabajos o pruebas especficas.

En algunos casos, s indican especficamente los pasos a seguir para la realizacin de pruebas.

Por qu usar estndares y otros criterios?

Porque los estndares han sido redactados por comisiones formadas por profesionales con mucha experiencia en los temas abordados.

Recogen experiencias de profesionales de varias las disciplinas relacionas con cada tema.

Adoptan cambios en base a

recomendaciones de profesionales

externos (etapa de consultas y

revisiones).

Asimilan experiencias valiosas obtenidas

como resultado de investigacin de

accidentes, fallas y otros problemas.

Aumentan la seguridad.

Promueven la intercambiabilidad de

instrumentos y sistemas (sistemas

abiertos).

Los instrumentos de control deben ser fabricados, probados e instalados de acuerdo a estndares internacionalmente aceptados.

Algunos de ellos son:

- Cdigo Nacional de Electricidad Utilizacin (1 de Julio de 2006)

- Cdigo Elctrico de EUA (NFPA 70 / NEC 2002)

Instituciones Normativas

Indecopi (Per)

Ministerio de Energa y Minas (Per)

Ministerio de Trabajo y Promocin del Empleo

ISA (The International Society of Automation)

IEC (Comisin Electrotcnica Internacional)

EN (Normas Europeas)

IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)

ANSI (American Naional Standards Institute)

API (The American Petroleum Institute)

ASME (American Society of Mechanical Engineers)

ASTM (American Society for Testing and Materials).

ISO (International Standarization Organization)

OIML (International Organization of Legal Metrology)

Otras (NACE, AGA, CSA, etc.)

El Cdigo Nacional de

Electricidad Utilizacin

(2006)

Fue aprobado mediante RM N 037-

2006-MEM/DM (17 de Enero de 2006)

Entr en vigencia el 1 de Julio de 2006.

Reemplaza a

Cdigo Nacional de Electricidad Tomo V

(Utilizacin) del 2 de Junio de 1982, y

Cdigo Nacional de Electricidad Tomo I

(Prescripciones Generales) Captulo 3:

Requisitos mnimos de seguridad contra

accidentes elctricos, de 19 Mayo de

1978

Es un complemento del Cdigo

Nacional de Electricidad Suministro,

que entr en vigencia el 1 de Julio de

2002.

La RM que aprueba el nuevo Cdigo

Nacional de Electricidad Utilizacin

establece que deber ser revisado en

un perodo no mayor de 4 aos.

Fue prepublicado en la web del MEM y

recibi el aporte y sugerencias de

diversos profesionales.

Objetivos del Cdigo

El Cdigo Nacional de Electricidad - Utilizacin, tiene como objetivo establecer las reglas preventivas para salvaguardar las condiciones de seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal, y de la propiedad, frente a los peligros derivados del uso de la electricidad; as como la preservacin del ambiente y la proteccin del Patrimonio Cultural de la Nacin.

El Cdigo tambin contempla las

medidas de prevencin contra

choques elctricos e incendios, as

como las medidas apropiadas para

la instalacin, operacin y

mantenimiento de instalaciones

elctricas.

El Cdigo no est destinado a ser

un compendio de proyectos, ni un

manual de instrucciones.

Cumpliendo con las reglas del

Cdigo, utilizando materiales y

equipos elctricos aprobados o

certificados y efectuando la

instalacin, operacin y

mantenimiento apropiados, con

personal calificado y autorizado, se

lograr una instalacin

esencialmente segura.

En toda nueva instalacin debe

preverse, tanto el crecimiento de la

demanda como la posibilidad de

efectuar cambios futuros en las

instalaciones en condiciones seguras

de trabajo.

Generalidades (resumen)

El personal a cargo de la ejecucin de las instalaciones elctricas, debe ser calificado y acreditado. El responsable de la supervisin, fiscalizacin, construccin, operacin o mantenimiento, debe verificar la calidad de la mano de obra.

Los materiales y productos utilizados en las instalaciones elctricas, deben cumplir con las Normas Tcnicas Peruanas, salvo que stas no los contemple, en cuyo caso deben cumplir con las normas internacionales de la Comisin Electrotcnica Internacional (IEC) u otras que sean reconocidas y respondan a exigencias internacionales.

Est estructurado en:

- Secciones (44 en total)

- Reglas (010-100), subreglas (nmeros) y

acpites

- Tablas

- Diagramas

- Anexos (incluye notas para las reglas y

reglas para instalaciones especiales)

Estructura del CNE Utilizacin

1. El Cdigo es de cumplimiento obligatorio

por toda persona natural o jurdica,

nacional o extranjera, que realiza trabajos

o actividades en general, que estn

relacionadas con las instalaciones

elctricas de sistemas de utilizacin,

definitivas, de emergencia, as como las de

carcter temporal.

Alcances y obligatoriedades de

uso

2. El Cdigo es de cumplimiento obligatorio en todos los proyectos y ejecucin de nuevas instalaciones elctricas, modificaciones, renovaciones y ampliaciones, que se efecten a partir de su entrada en vigencia.

.

3. El Cdigo es de cumplimiento obligatorio en la industria en general, sin distinguir el nivel de potencia de las instalaciones elctricas; complementndose con las Normas emitidas por el Ministerio de Energa y Minas, con las Normas Tcnicas Peruanas y con las Normas emitidas por otras Autoridades competentes en asuntos complementarios a este tema.

.

4. El Cdigo comprende las

instalaciones y equipos elctricos

en edificios, estructuras, predios y

en general toda edificacin

destinada a vivienda, comercio,

industria, recreacin o servicios,

que operan o puedan operar en el

rango de baja tensin hasta 1 000

V, y en alta tensin desde ms de

1 000 V hasta 36 000 V.

5. Para casos de instalaciones elctricas en edificios, estructuras y predios de la naturaleza de los indicados en el Subprrafo anterior, con tensiones superiores a 36 000 V, el Cdigo debe ser complementado con el Cdigo Nacional de Electricidad - Suministro (CNE-Suministro).

6. Dentro de los alcances del Cdigo estn incluidas las estructuras prefabricadas, desmontables o no, y las instalaciones para suministro en tierra a embarcaciones acuticas autopropulsadas.

7. Las reglas del Cdigo se

complementan con las Normas de la

Direccin General de Electricidad del

Ministerio de Energa y Minas (Normas

DGE), con las Normas Tcnicas

Peruanas y con las emitidas por otras

Autoridades competentes en asuntos

complementarios a este tema, y cuyo

cumplimiento sea necesario para

lograr lo indicado en la Regla 010-000.

8. Se excluyen del Cdigo:

(a) Aeronaves.

(b) Ferrocarriles elctricos.

(c) Embarcaciones acuticas.

(d) Vehculos en general.

9. Las instalaciones existentes, incluyendo reemplazos por mantenimiento, que cumplen con los Cdigos previos, no necesitan ser modificadas, excepto cuando sea exigido por la Autoridad competente, por razones de seguridad, con el adecuado sustento tcnico, y bajo responsabilidad del obligado.

10. La Direccin General de Electricidad

del Ministerio de Energa y Minas

podr autorizar de manera expresa,

previa y con carcter particular, el

uso experimental de formas de

construccin o mtodos de instalacin

no previstos en el Cdigo. El

autorizado presentar informes a la

Direccin General de Electricidad en

las condiciones que se sealen en la

autorizacin, con el fin evaluar su

desarrollo y resultados.

11. Con respecto a aspectos no incluidos en el Cdigo, el diseo, la construccin, operacin y el mantenimiento de las instalaciones elctricas deben ser efectuados de conformidad con mtodos aprobados y reconocidos, apropiados a las condiciones locales. Estos aspectos deben ser informados con la debida anticipacin a los responsables de la aprobacin, supervisin, construccin o mantenimiento de las instalaciones y de los equipos.

Autoridad: El Ministerio de Energa y

Minas, a travs de la Direccin

General de

Electricidad, es la autoridad

normativa con competencia

nacional en

todo lo concerniente al Cdigo.

Instalaciones en Lugares Clase I, Divisin 2

J110-150 Equipos para Instrumentacin de Procesos, Comunicaciones y Control Remoto, Clase I, Divisin 2

Los equipos para instrumentacin de procesos, control remoto, y de comunicaciones deben estar aprobados para el lugar, con excepcin de los transformadores, solenoides, y otros alambrados que no incorporan contactos deslizantes o de accionamiento por resorte o dispositivos de calentamiento por resistencia.

Instalaciones en reas

Peligrosas

Refineras de Petrleo, Plantas de gases,

Operaciones de Hidrocarburos

Qu es un rea peligrosa?

Se define como rea peligrosa a todo lugar en cuya atmsfera hay o puede haber presencia

de elementos combustibles

(gases, vapores, lquidos o slidos)

Condiciones para Ignicin

CLASES Y GRUPOS

CLASE I: Grupos A, B, C y D

CLASE II: Grupos E, F, y G

CLASE III

CLASE I Son aquellos lugares en donde pueden estar

presentes gases explosivos o vapores producidos por lquidos, que mezclados con

el aire pueden arder o explotar

Grupo A: Acetileno

Grupo B: Acrolena (inhibido) Butadieno (1)

xido de etileno, Hidrgeno, Gases manufac-turados con ms de 30% de hidrogeno (por volumen), Oxido de propileno

Grupo C: Acetaldehido, Alcohol alilo,

n-butiraldehido, Monxido de carbono, Aldehido, Ciclopropano, ter dietlico, Dietilamina, Epiclorihidina, Etileno, Etilenimina, Hidrgeno sulfhdrico, Morfolina, 2-Nitropropano, tetrahidrofurano

hidracina dimetilica asimtrica (hidracina 1-dimetlica)

Grupo D: cido actico (glacial), Acetona,

Nitrilo acrlico, Amoniaco, Benceno, Butano,

Acetato, Etano, Etanol (alcohol etlico), Acetato etlico, Acrilato etlico, Gasolina, Heptanos, Hexanos, Metano (gas natural), Metanol (alcohol metlico), Octanos, Pentanos, Propano, Estireno, tolueno, Acetato de vinilo, Cloruro de vinilo, Xilenos, etc.

CLASE II

Son aquellos lugares en donde hay presencia de polvo combustible

Grupo E: Atmsferas con polvos metlicos, incluyendo aluminio, magnesio y sus aleaciones comerciales, y otros metales cuyas partculas presentan caractersticas igualmente peligrosas.

Grupo F: Atmsferas con polvos de negro humo, polvos de carbn o que contengan ms del 8% del total de material voltil, o atmsferas que contiene estos polvos sensibilizados por otros materiales de manera que presenten un peligro de explosin (otros polvos de carbn: coque, coal, carbn negro, etc.)

Grupo G: Atmsferas con harina, almidn, polvos de cereales, granos, madera, plsticos y qumicos.

CLASE III

Son los lugares en los cuales se manipulan, fabrican o emplean fibras fcilmente inflamables o materiales que produzcan pelusas fcilmente inflamables.

Las fibras y pelusas fcilmente inflamables comprendern el rayn, algodn (incluyendo las fibras de residuo y el desecho del algodn), camo, sisal, ixtie, yute, estopa, fibra de cacao, balas de algodn de desecho, miraguano, musgo negro de Florida, virutas de relleno y otros materiales de naturaleza similar.

ZONAS

Zona 0: Es aquel lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, siempre hay presencia de atmsferas explosivas o inflamables.

Zona 1: Lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, ocasionalmente hay presencia de atmsferas explosivas o inflamables.

Zona 2: Es aquel lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, no hay atmsferas explosivas o inflamables. Estas atmsferas pueden presentarse por fugas, expansin de las atmsferas de los lugares adyacentes clasificados como Divisin 1 o por fallas en la ventilacin forzada.

Divisin 1 = Zona 0 y Zona 1

Divisin 2 = Zona 2

Ejemplos

Se presentan algunos ejemplos de

clasificacin de reas peligrosas (Clase I,

Divisiones 1 y 2), de acuerdo al estndar

NFPA 497: Recommended Practice for

the Classification of Flammable Liquids,

Gases, or Vapors and of Hazard

(Classified) Locations for Electrical

Installations in Chemical Process Areas.

Clase I: Divisiones

Divisin 1: Es aquel lugar en

donde bajo condiciones normales de operacin, hay presencia de atmsferas explosivas o inflamables, o

pueden existir con frecuencia concentra-ciones de atmsferas explosivas o inflamables por operaciones de mantenimiento o reparacin o por fugas, o

Debido a fallas en el equipo o el proceso, se presentan atmsferas explosivas o inflamables, convirtiendo a los instrumentos y equipos con alimentacin elctrica en una fuente de ignicin.

Divisin 2: Es aquel lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, no hay atmsferas explosivas o inflamables, ya que los lquidos, vapores o gases estn normalmente confinados dentro de contenedores o sistemas cerrados . Estas atmsferas pueden presentarse por ruptura accidental de los contenedores, en caso de funcionamiento anormal del equipamiento, expansin de las atmsferas de los lugares adyacentes clasificados como Divisin 1 o por fallas en la ventilacin forzada.

Clase I: Temperaturas

Cada grupo de gases o vapores tiene una temperatura de ignicin, la cual est especificada en la siguiente tabla. Esta temperatura nunca debe ser alcanzada en proceso o almacenamiento.

MXIMA TEMPERATURA IDENTIFICACIN

C (EUA)

450 T1 300 T2

280 T2A

260 T2B

230 T2C

215 T2D

200 T3

180 T3A

165 T3B

160 T3C

135 T4

120 T4A

100 T5

85 T6

Certificaciones Area Peligrosa

Aprobacin

El Cdigo Nacional de Electricidad - Utilizacin y NFPA 70 especifican las clases de reas de riesgo y los cuidados a tener en cuenta para las instalaciones elctricas y electrnicas en esas reas.

ISA, NFPA e IEC tienen abundante normatividad para especificar las protecciones necesarias en esas reas.

IEC: 60079-XX: formas de proteccin de instrumentos y circuitos en reas clasificadas.

NFPA: 70 y estndares asociados (58: GLP, 497: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 1; 499: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 2, etc.)

ISA: Hay varios estndares, como el ISA-12.02.01-1999 (IEC 60079-11 Mod): Seguridad Intrnseca.

TCNICAS

DE PROTECCIN

El Cdigo Nacional de Electricidad - Utilizacin y NFPA 70 especifican las clases de reas de riesgo y los cuidados a tener en cuenta para las instalaciones elctricas y electrnicas en esas reas.

ISA, NFPA e IEC tienen abundante normatividad para especificar las protecciones necesarias en esas reas.

IEC: 60079-XX: formas de proteccin de instrumentos y circuitos en reas clasificadas.

NFPA: 70 y estndares asociados (58: GLP, 497: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 1; 499: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 2, etc.)

ISA: Hay varios estndares, como el ISA-12.02.01-1999 (IEC 60079-11 Mod): Seguridad Intrnseca.

Flameproof d (Zona 1): tipo de proteccin de equipos elctricos, en la cual la caja ser capaz de contener una explosin interna debido a que una mezcla explosiva que ha ingresado al interior de la caja ha entrado en contacto con una fuente de ignicin interna. La explosin no se propagar.

Purged and Pressurized (Zona 1 o Zona 2): El peligro de ignicin se puede reducir o eliminar por una adecuada ventilacin positiva presurizadade una fuente de aire limpio, contando con el sistema con un mecanismo de purga (automtico o manual peridico).

Intrinsic Safety (Zona 0 o Zona 1): Designado como ia para Zona 0 e ib para Zona 1, el circuito o sistema con seguridad intrnseca no permite la formacin de arcos que puedan producir una ignicin. La instalacin debe estar acompaada de barrera Zener o Galvnica.

Protection n (Zona 2): Subdividida en nA, nC y nR, se aplica a equipos elctricos que bajo condiciones normales de operacin, no son capaces de producir ignicin. Esta tcnica se usa cuando se est seguro que una falla en el sistema no producir ignicin.

Oil Inmersion o (Zona 1): Los equipos elctricos (o parte de ellos) estn sumergidos en un lquido protector, impidiendo que cualquier atmsfera explosiva entre en contacto con los equipos.

Increased Safety e (Zona 1): Tipo de proteccin aplicada a equipos elctricos que no producen arcos o chispas bajo condiciones normales o anormales de operacin y en donde se toman medidas adicionales para incrementar la seguridad de la instalacin para garantizar que no se sobrepase la temperatura de ignicin o la formacin de arcos o chispas.

Encapsulation m (Zona 1): las partes que pueden producir una ignicin estn encapsuladas, de manera que ninguna atmsfera explosiva pueda ingresar y estar en contacto con las partes que pueden producir ignicin.

Powder Filling q (Zona 1): Las partes capaces de producir ignicin estn completamente recubiertas de un material (cuarzo o vidrio) que impide el contacto con la atmsfera explosiva.

Panel Anti-Deflagrante

Ideal para usar en zonas peligrosas

Es de aluminio o hierro forjado

Seguridad Intrnseca

Limita la energa que llega al instrumento de campo (sensor / transmisor u otro). Puede requerir puesta a tierra (Barrera Zener o repetidor con puesta a tierra). Los repetidores flotantes (sin puesta a tierra) son los ms caros, pero ms seguros (llamados aisladores galvnicos).

Applications

Flamgard Plus

Flamgard Plus

FLAMEPROOF o

EXPLOSION PROOF

Tcnica de proteccin muy usada en Estados Unidos y en el Per.

Uso intensivo de hardware adecuado: tuberas conduit (IMC o pesada), cajas de paso, sellos, conduit flexible, etc.

La carcaza y toda la instalacin debe poder contener una explosin que se produzca ante la presencia de gas, vapor o polvo explosivo en su interior y un fuente de ignicin.

Para que la carcaza pueda contener la explosin tiene que tener un espesor mnimo.

Toda la instalacin tiene que ser a prueba de explosin.

Es cara por el uso de material de aluminio u otros metales.

Sin embargo, es muy popular entre la gente de montaje y otros.

Cajas de paso Explosion proof

INTRINSICALLY SAFE

(IS)

Circuito con

energa limitada !

No tiene energa

suficiente para

causar una

explosin !

Mnima Corrente de Ignicin

Inflamabilidad

Ex-i

IIA, IIB, IIC

L R

C V

R L Circuito

Intrnsecamente

Seguro

Circuito

Intrnsicamente

Seguro

Seguridad Intrnseca: Se refiere a un

Circuito Intrnsicamente Seguro y no

solamente a un dispositivo de campo !

L, C, R, U, I

Ex-i

Circuito Intrnsicamente Seguro: 3

Componentes

Dispositivo

Intrnsicamente

Seguro o

Dispositivo

Simple

Dispositivo

Elctrico

Asociado

Cable de

Conexin

1

2

3 Convierte una seal no

intrnsicamente seguro

a una seal


Un circuito


puede operar en una

atmsfera explosiva

Dispositivo simple:

U < 1,5V

I < 0.1 A

o P < 25mW

Debern ser conocidos

los valores C, L e R

Puentes Resistivos

Termocupla

LEDs

RTDs

Dispositivos Simples

Dispositivo Elctrico Asociado

Debe haber por lo menos

un circuito IS destinado a

rea clasificada

En el dispositivo asociado todos sus circuitos

son IS

EX-i EX-n

No

Ex

Dispositivo Elctrico Asociado:

Pueden ser simplemente aisladores de seal o

convertidores de seal

2 tipos: a) dispositivo con otro tipo de proteccin contra

explosin (EN 50 014) b) dispositivo no suficientemente protegido y

no debe ser utilizado em atmsfera explosiva

a b

-

+

-

Resistor Fusible

Diodo

Zener Corriente

Lado

Intrnsicamente

Seguro

Lado No

Intrnsicamente

Seguro

Dispositivo Elctrico Asociado:

Circuito Bsico

Resistor para limitar la corrente de corto-circuito

Diodo Zener para limitar la tensin del circuito sin carga

Fusible para proteger al diodo zener contra sobrecarga

Dispositivo Intrnsicamente Seguro:

Control de Nivel, Vaco, Presin, Temperatura

Sensores Inductivos, Fotoelctricos, Ultra-Snicos

HMI, Remotas, Dispositivos Profibus PA, FF

Categoras de equipamientos I.S.

conforme a probabilidades de falha de

seus componentes

ia: 1 o 2 fallas sin haber ignicin

Aplicable a Zonas 0, 1 y 2

ib: 1 falla sin haber ignicin

Aplicable a Zonas 1 y 2

Verificacin de

un circuito I.S.

VERIFICACIN

2 TIPOS BSICOS DE CIRCUITO:

Circuito con un nico dispositivo

asociado (Zonas 0, 1 y 2)

Circuito com ms de un dispositivo

asociado (Zonas 1 y 2)

Mxima tensin de circuito abierto (Uo)

Mxima corriente de corto-circuito (Io)

Mxima potencia con carga (Po)

Indutancia y capacitancia mxima de carga (Lo,Co) a ser conectada

Mxima tensin (Ui)

Mxima corriente (Ii)

Mxima potencia (Pi)

Indutancia y capacitancia vistas desde los terminales de entrada (Li,Ci)

VERIFICACIN PARMETROS

DE IDENTIDAD

VERIFICACIN Circuito con un nico dispositivo

asociado

-

+ EEx-i

PARMETROS DE IDENTIDAD

Lc + Cc

Parmetros Elctricos

Dispositivo Cables Dispositivo

Asociado Intrnsicamente Seguro

Uo < Ui Io < Ii

Po < Pi

Lo > Lc + Li

Co > Cc + Ci

VERIFICACIN Circuito con un nico dispositivo

asociado

Ui = 29,7V

Ii = 103mA

Pi = 700mW

Ci+Cc = 0,09F

Li+Lc = 3,6mH

Uo= 25,2V

Io=93mA

Po= 587mW

Co=0,14F

Lo=4,18mH

VERIFICACIN Circuito con ms de un dispositivo

asociado (Aplicado en Zonas 1 y 2)

Dispositivo asociado con caractersticas

lineales de tensin y corriente:

EN 60079-14 Anexo A

U Uo

Ik I

Dispositivo asociado con caractersticas

NO lineares de tensin y corriente:

EN 60079-14 parte 12.2.5.2

U Uo UD

Io Ik I

Vamos a ver

PTB-report ThEx-10

VERIFICACIN Circuito con ms de un dispositivo

asociado lineal (Aplicado en Zonas 1 y 2)

-

+ EEx-i

-

+

Io1

Uo1

Io2

Uo2

Valores a ser considerados:

Uo = Mayor valor Uo individual

Io = Suma de las Io individuales

Conexin Paralela

Tipos de

Dispositivos

Asociados

Tipos de dispositivo asociado

BARRERAS ZENER

BARRERAS DE

AISLAMIENTO GALVNICO

BARRERAS DE


Contactos secos y sensores

Transmisores

Posicionadores

Transmisores Smart

Convertidores I/P

Termocuplas y RTDs

Strain gauges

Potencimetros

LEDs

Vlvulas Solenoides

Alarmas

Aisladores para:

Mayor MTBF debido a la complejidad electrnica

Mayor costo aparente comparado con la Barrera Zener

Por ser repetidores de seal, adicionan error al valor medido

BARRERAS DE


No necesitan conexin a tierra -> Reducin de

costos de implementacin y mantenimeinto

Permiten una conversin de seales: mV -> 420mA

420mA -> 010V Freq. -> 420mA

Otros

Permite la digitalizacin de las seales de campo y su conexin en redes de

comunicacin industrial tales como Modbus, Profibus, ControNet, Foundation Fieldbus, etc.

BARRERAS DE


Especificacin 1) Verifique cual tipo de Aislador o Conversor es el necesario. Ej.:

Entrada o Salida Digital ? Entrada o Salida Analgica ? Seal HART ? Conversor de Temperatura a Corriente ? Conversor de Frecuencia a Corriente ?

2) Verique la tensin disponble para la alimentacin de la barrera (en caso ella misma sea activa).

3) Confirme los parmetros de identidad de la barrera y del dispositivo intrnsicamente seguro de acuerdo con la classificacin de rea.

4) Analice la probabilidad de falla (ia / ib) de los dispositivos. Si el dispositivo intrnsicamente seguro sea EEx ia, la barrera debe ser del mismo tipo.

BARRERAS DE


SE

GU

RA

N

A I

NT

RN

SE

CA

Especificacin

TCNICAS DE CABLEADO E

INSTALACIN

Evitar la transferencia de niveles peligrosos de energa en un rea clasificada

El cableado I.S. debe estar separado del no I.S. por lo menos 50mm

El cableado I.S. y el no I.S. no debem estar dentro de la misma bandeja, canaleta o conduit, a no ser que:

Estn separados por una distancia>= 50 mm en bandeja aterrada

El cable I.S. tenga malla aterrada

Estn separados por pared metlica aterrada

Cableado I.S. debe estar separado del no-I.S. por barreras fsicas

La integridad del Circuito I.S. deber ser mantenida

evitando interferencias de campos magnticos, a travs de cables con malla o matenindolos a una distancia

adecuada

Los conductores I.S. Y los no I.S. no debern ser

utilizados con el mismo cable

El circuito I.S. deber estar protegido contra la intrusin

de energa de otras fuentes elctricas (EMC)

Utilizar solamente cable aislado (aislamiento > 500 V.a.c.)


INSTALACIN

Cables mltiples que contengan ms de un circuito I.S.:

- Mnima seccin de 0,2 mm

- 500 V aplicados entre todos los shields y todos los hilos del conductor

mltiple (aislamiento)

- 1000 V aplicados entre una mitad y la otra mitad de los hilos del conductor

mltiple (aislamiento)


INSTALACIN

Distancia de 50mm de separacin

debe ser respetada !

EJEMPLOS DE INSTALACIN SEGURIDAD INTRNSECA

Canaleta

Ex-i

Aisladores

Galvnicos Canaleta No

Ex

PURGA Y

PRESURIZACIN

OBJETIVO -> EX-p

No permitir el

ingreso de

atmsfera explosiva

Mantener

presin positiva

Una baja presin atmosfrica externa (explosiva) no puede ingresar

Presin +

Presin -

Funcin de un Sistema de

Presurizacin

Retirar la atmsfera explosiva de

dentro del tablero y no permitir

que penetre nuevamente

rea clasificada dentro y fuera del

tablero

Un tablero no puede estar

energizado !

Inicio

PURGA / PRESURIZACIN

La atmsfera explosiva interna

(dentro) al tablero deber ser

purgada por lo menos 4 veces

del volumen del tablero

La presin deber ser mantenida

en al menos 0,1 WC (Clase I) y

0,5 WC (Clase II)

Purga


El tablero puede ser energizado

La presin interna se mantiene por la presurizacin

En caso la presin caiga debajo de 0,1 WC (Clase I) o 0,5 WC

(Clase II), el tablero deber ser

desenergizado

Final


Tipo Z Reduce la clasificacin del tablero

de Divisin 2 a rea no clasificada (segura)

Tipo Y Reduce la clasificacin del tablero

de Divisin 1 a Divisin 2

Tipo X Reduce la clasificacin del tablero

de Divisin 1 a rea no clasificada (segura)

TIPOS DE SISTEMAS

PRESURIZADOS

DE ACUERDO CON NFPA 496

TIPOS DE SISTEMAS

PRESURIZADOS

(NFPA 496)

Tablero

rea no

clasificada Divisin

2

Tipo Z

TIPOS DE SISTEMAS

PRESURIZADOS

(NFPA 496)

Tablero

Divisin 2 Divisin

1

Tipo Y

TIPOS DE SISTEMAS

PRESURIZADOS

(NFPA 496)

Tablero

rea no

clasificada

Divisin

1

Tipo X

Tipo X Tipo Z e Y

TIPOS DE SISTEMAS

PRESURIZADOS

CALIBRACIONES

Qu es calibracin?

Calibrar es la accin de verificar la precisin de un instrumento, realizando pruebas en varios niveles de cada escala y de cada parmetro o variable de medicin, tomando como referencia los valores proporcionados por un instrumento patrn.

Por ejemplo, un multmetro tiene

varias escalas. Una de ellas, es de

valores entre 0 y 1000 VDC.

Entonces, se verifica la precisin del

instrumento (para esa escala)

haciendo pruebas en los siguientes

valores: 0, 200, 400, 600, 800 y

1000 VDC.

De las misma forma, procederemos

con el resto de escalas en VDC y en

el resto de parmetros.

Las calibraciones se realizan directamente o por comparacin.

En el primer caso, un instrumento patrn genera una seal (indicada en un display local) y este valor se compara con el valor indicado en el instrumento de prueba.

En el segundo caso, se toma una fuente comn (no necesariamente patrn), la cual genera una seal que va tanto al instrumento patrn como al instrumento de prueba, comparndose los valores indicados.

Verificacin directa

GENERADOR

PATRN

MEDIDOR DE

PRUEBA

Comparacin

MEDIDOR PATRN

MEDIDOR

DE PRUEBA GENERADOR

Qu es Instrumento Patrn?

Instrumento Patrn es un equipo que

(entre otras) tiene las siguientes

caractersticas:

Gran precisin

Estabilidad ante cambios de

temperatura y alimentacin

Certificado de calibracin vigente

Por qu es importante

calibrar?

Nos permite verificar qu tan

precisas son las mediciones

realizadas con un instrumento.

Determinamos la magnitud del

error en cada nivel de la escala y la

forma de la desviacin (lineal,

angular, alineal) en toda la escala.

Un instrumento calibrado nos da la

confianza que las mediciones

efectuadas son correctas, teniendo

en cuenta el margen de error del

instrumento.

Un instrumento calibrado nos evita

problemas en proceso y en

seguridad personal y de planta.

Horno de calibracin

Calibracin de flujmetros

Detectores de Gases

Consideraciones Finales

Tener en cuenta cableado y otros

medios de comunicacin

EMC

Salidas: relays, SSR, SCR, analgicas

(voltaje o corriente), etc.

Comunicacin: Protocolos

Software

CONCLUSIONES

Al realizar un trabajo de ingeniera

y/o instalacin de instrumentos,

equipos o sistemas de medicin y

control, es recomendable tener en

cuenta lo especificado en:

Normas y estndares

Procedimientos

Recomendaciones del fabricante

Recomendaciones de entidades y

Asociaciones que realizan estudios

sobre temas especficos.

Recomendaciones de empresas que

realizan ensayos independientes.

Las buenas prcticas en Ingeniera

de Medicin y Control, usando

estndares, normas y criterios

aceptados, harn que:

- Las instalaciones sean ms seguras

- Se ahorre dinero y tiempo

- Puedan documentarse fcilmente

los trabajos realizados

Sistemas de Automatizacion

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