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Instrumentación Industrial

Por: Antonio Creus.
Tipo de material: materialTypeLabelLibroEditor: Mexico Alfaomega 2010Edición: 8 Edición.Descripción: 776 p.ISBN: 978-607-707-042-9.Materia(s): Exactitud Precisión Sensibilidad . Zona muerta RepetibilidadClasificación CDD: 530.7
Contenidos:
Introducción ...................................................................................................................11.2 Deniciones en control ................................................................................................3 1.2.1 Campo de medida ....................................................................................................................41.2.2 Alcance .......................................................................................................................................41.2.3 Error ...........................................................................................................................................51.2.4 Incertidumbre de la medida ....................................................................................................61.2.5 Exactitud ..................................................................................................................................141.2.6 Precisión ..................................................................................................................................161.2.7 Zona muerta ............................................................................................................................161.2.8 Sensibilidad ..............................................................................................................................161.2.9 Repetibilidad ............................................................................................................................161.2.10 Histéresis ................................................................................................................................171.2.11 Otros términos .....................................................................................................................181.2.12 Ejemplos generales de características de instrumentos ..................................................20 1.3 Clases de instrumentos ...............................................................................................21 1.3.1 En función del instrumento ..................................................................................................221.3.2 En función de la variable de proceso ..................................................................................261.3.3 Código de identicación de los instrumentos ....................................................................26 2. Transmisores ................................................................................... 63 2.1 Generalidades ..............................................................................................................632.2 Transmisores neumáticos ...........................................................................................642.3 Transmisores electrónicos ..........................................................................................652.4 Transmisores digitales .................................................................................................66 2.4.1 Transmisor inteligente capacitivo .........................................................................................672.4.2 Transmisor inteligente piezoresistivo ..................................................................................672.4.3 Ventajas e inconvenientes ......................................................................................................68 2.5 Transmisión de señales por radio ..............................................................................712.6 Comunicaciones ..........................................................................................................72 2.6.1 Protocolos serie ......................................................................................................................722.6.2 Protocolos híbridos ................................................................................................................742.6.3 Protocolos abiertos ................................................................................................................76 2.7 Tabla comparativa de transmisores ...........................................................................88 3. Medidas de presión ......................................................................91 3.1 Unidades y clases de presión ......................................................................................913.2 Elementos mecánicos .................................................................................................92 .... www.FreeLibros.me ix 9.10.10 Instrumentos auxiliares ...................................................................................................561 9.11 Seguridad intrínseca y funcional ...........................................................................563 9.11.1 Introducción ........................................................................................................................5639.11.2 Nivel de energía de seguridad y mecanismos de la ignición ........................................5649.11.3 Clasicaciones de áreas peligrosas ...................................................................................5679.11.4 Normas ...............................................................................................................................5689.11.5 Barreras Zener ...................................................................................................................5699.11.6 Barreras galvánicas ............................................................................................................5719.11.7 Factores de seguridad .......................................................................................................5719.11.8 Seguridad funcional de los instrumentos ........................................................................572 9.12 Control por ordenador .........................................................................................576 9.12.1 Generalidades ......................................................................................................................5769.12.2 Control DDC .....................................................................................................................5799.12.3 Control supervisor (SPC) ..................................................................................................5819.12.4 Control distribuido (DCS) ................................................................................................583 9.13 Sistemas de control avanzado ...............................................................................590 9.13.1 Generalidades ......................................................................................................................5909.13.2 Correctores ..........................................................................................................................5959.13.3 Control robusto ..................................................................................................................5979.13.4 Control linealizador global ...............................................................................................5989.13.5 Control estadístico del proceso (SPC).............................................................................5999.13.6 Control multivariable ........................................................................................................6029.13.7 Control óptimo ...................................................................................................................6039.13.8 Control adaptativo ..............................................................................................................6069.13.9 Control predictivo ..............................................................................................................6109.13.10 Sistemas expertos ............................................................................................................6139.13.11 Control por redes neuronales .........................................................................................6159.13.12 Control por lógica difusa ................................................................................................619 9.14 Control integrado ...................................................................................................623 9.14.1 Generalidades ......................................................................................................................6239.14.2 Sistema de control básico, control distribuido y control avanzado ............................6259.14.3 Gestión de alarmas .............................................................................................................6279.14.4 Sistema de gestión de laboratorio ....................................................................................6289.14.5 Sistema de gestión de la producción ...............................................................................6299.14.6 Red de comunicaciones .....................................................................................................6299.14.7 Sistema de gestión de seguridad de la planta .................................................................6339.14.8 Sistema de gestión de la calidad (ISO 9000:2000) .........................................................6349.14.9 Estándar OPC de intercambio de datos de proceso .....................................................6369.14.10 Gestión de calibraciones .................................................................................................638 10. Calibración de los instrumentos ..................................................643 10.1 Generalidades ..........................................................................................................64310.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de calibración ..............64410.3 Calibración de instrumentos de presión, caudal y nivel ...................................647 www.FreeLibros.me x 10.3.1 Presión .................................................................................................................................64710.3.2 Caudal ...................................................................................................................................65010.3.3 Nivel .....................................................................................................................................652 10.4 Calibración de instrumentos de temperatura .....................................................653 10.4.1 Pirómetros de radiación ....................................................................................................65610.4.2 Transmisores de temperatura inteligentes ......................................................................65610.4.3 Calibradores universales de temperatura ........................................................................657 10.5 Calibración de válvulas de control .......................................................................65710.6 Calibración de instrumentos digitales ..................................................................660 10.6.1 Controlador universal o multifunción .............................................................................66010.6.2 Resto de instrumentos de la planta ..................................................................................661 10.7 Mantenimiento de instrumentos ..........................................................................66210.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicada a la instrumentación .............666 10.8.1 ISO 9001 ..............................................................................................................................667 11. Aplicaciones en la industria. Esquemas típicos de control .........671 11.1 Generalidades ..........................................................................................................67111.2 Calderas de vapor ...................................................................................................671 11.2.1 Generalidades ......................................................................................................................67111.2.2 Control de combustión......................................................................................................67211.2.3 Control de nivel ..................................................................................................................67511.2.4 Seguridad de llama .............................................................................................................677 11.3 Secaderos y evaporadores ....................................................................................67811.4 Horno túnel ............................................................................................................68011.5 Columnas de destilación .......................................................................................68111.6 Intercambiadores de calor ....................................................................................68311.7 Control del reactor en una central nuclear ........................................................685 Apéndice A. Análisis dinámico de los instrumentos .........................689 A.1 Generalidades ..........................................................................................................689 A.2 Funciones elementales de excitación ....................................................................695 A.2.1 Escalón unidad u(t) ............................................................................................................695 A.2.2 Impulso unidad ....................................................................................................................695 A.2.3 Respuesta impulsional .........................................................................................................695 A.2.4 Respuesta indicial ................................................................................................................696 A.2.5 Respuesta ante una entrada en rampa ..............................................................................696 A.2.6 Respuesta ante una entrada senoidal ................................................................................698 A.3 Análisis dinámico de los transmisores .................................................................702 A.3.1 Elementos fundamentales ..................................................................................................702 A.3.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode y función de transferencia de un transmisor .........................................................................................702 A.4 Análisis dinámico de los controladores ...............................................................705 A.4.1 Introducción ........................................................................................................................705 www.FreeLibros.me xi A.4.2 Acción proporcional ..........................................................................................................706 A.4.3 Acción proporcional + integral .........................................................................................711 A.4.4 Acción proporcional + derivada .......................................................................................713 A.4.5 Acción proporcional + integral + derivada .....................................................................715 A.4.6 Control PID en el diagrama de Nyquist ..........................................................................718 A.4.7 Ensayo de controladores ...................................................................................................719 A.5 Iniciación a la optimización de procesos ............................................................722 A.5.1 Generalidades ......................................................................................................................722 A.5.2 Análisis experimental del proceso ....................................................................................722 A.5.3 Estabilidad ...........................................................................................................................724 A.5.4 Criterios de ajuste en el diagrama de Bode ......................................................................725 A.5.5 Criterios de ajuste en el diagrama de Nyquist .................................................................729 A.5.6 Ábaco de Nichols y curva de desviación ........................................................................736 Apéndice B. Evolución de la instrumentación ..................................741 B.1 Inicios - Instrumentos locales y neumáticos ........................................................741B.2 Instrumentos electrónicos - Convencionales y de alta densidad ......................742B.3 Computadores ..........................................................................................................744B.4 Control distribuido ...................................................................................................746B.5 Control avanzado y transmisores inteligentes ......................................................748B.6 Ergonomía .................................................................................................................748B.7 Comunicaciones .......................................................................................................749B.8 Futuro ........................................................................................................................750 Glosario ..............................................................................................755Bibliografía ........................................................................................767 www.FreeLibros.me
Resumen: La primera edición de este libro apareció en el año 1979, la segunda en 1981, la tercera en 1985, la cuarta en 1989, la quinta en 1993, la sexta en 1997 y la sépma en 2005. Durante estos años, las novedades incorporadas en la industria fueron el perfeccionamiento del control distribuido, aparecido inicialmente en 1975, la aparición del transmisor inteligen-te digital en 1986, la aplicación masiva del microprocesador, en todos los campos de la industria, con las espectaculares mejoras en los instrumentos de medición y control que de una precisión en la variable medida clásica del ± 0,5% han pasado al ±0,1%, el perfec-cionamiento del control avanzado, del control por redes neuronales, del control por lógica difusa y el avance de las comunicaciones hacia protocolos abiertos.En la sépma edición se revisaron las deniciones de control y el resumen de las nor-mas ISA e ISO de idencación de instrumentos en el capítulo 1, las comunicaciones en el capítulo 2 y, en el capítulo 9, se agruparon el control por computador con el control avanzado incluyendo su análisis dinámico y se añadió el control integrado con todos sus componentes de gesón de alarmas y de seguridad de la planta. Se incluyó un resumen de la norma de calidad ISO 9000 del año 2000 y se actualizó el capítulo 10 de calibración de los instrumentos, trasladando al apéndice la evolución de la instrumentación y añadiendo hojas representavas de especicaciones de instrumentos.En esta edición actual se han revisado todos los capítulos, en parcular el primero en la parte de incerdumbre y exactud de la medida, el segundo en la parte de comunicacio-nes, el sexto en pirómetros y en las tablas de termopares y el capítulo 8 en el dimensio-namiento de las válvulas de control. Se ha conservado el texto de las ediciones anteriores, ampliándolo con los nuevos instrumentos y técnicas aparecidas en el mercado y se ha reducido el estudio de la instrumentación neumáca y electrónica, en favor de la digital. Se han conservado las explicaciones básicas de los instrumentos electrónicos y el punto de vista de considerar el instrumento dotado de microprocesador con sus algoritmos de control como una “caja negra” que se comporta igual que un instrumento convencional neumáco o electrónico pero, lógicamente, proporcionando unas mejores prestaciones. En lo posible se han incluido fotos de instrumentos reales junto con los esquemas para que el lector pueda idencarlos en plantaNota de existencias: 9
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Introducción ...................................................................................................................11.2 Deniciones en control ................................................................................................3
1.2.1 Campo de medida ....................................................................................................................41.2.2 Alcance .......................................................................................................................................41.2.3 Error ...........................................................................................................................................51.2.4 Incertidumbre de la medida ....................................................................................................61.2.5 Exactitud ..................................................................................................................................141.2.6 Precisión ..................................................................................................................................161.2.7 Zona muerta ............................................................................................................................161.2.8 Sensibilidad ..............................................................................................................................161.2.9 Repetibilidad ............................................................................................................................161.2.10 Histéresis ................................................................................................................................171.2.11 Otros términos .....................................................................................................................181.2.12 Ejemplos generales de características de instrumentos ..................................................20
1.3 Clases de instrumentos ...............................................................................................21
1.3.1 En función del instrumento ..................................................................................................221.3.2 En función de la variable de proceso ..................................................................................261.3.3 Código de identicación de los instrumentos ....................................................................26
2. Transmisores ................................................................................... 63
2.1 Generalidades ..............................................................................................................632.2 Transmisores neumáticos ...........................................................................................642.3 Transmisores electrónicos ..........................................................................................652.4 Transmisores digitales .................................................................................................66
2.4.1 Transmisor inteligente capacitivo .........................................................................................672.4.2 Transmisor inteligente piezoresistivo ..................................................................................672.4.3 Ventajas e inconvenientes ......................................................................................................68
2.5 Transmisión de señales por radio ..............................................................................712.6 Comunicaciones ..........................................................................................................72
2.6.1 Protocolos serie ......................................................................................................................722.6.2 Protocolos híbridos ................................................................................................................742.6.3 Protocolos abiertos ................................................................................................................76
2.7 Tabla comparativa de transmisores ...........................................................................88
3. Medidas de presión ......................................................................91
3.1 Unidades y clases de presión ......................................................................................913.2 Elementos mecánicos .................................................................................................92
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9.10.10 Instrumentos auxiliares ...................................................................................................561
9.11 Seguridad intrínseca y funcional ...........................................................................563
9.11.1 Introducción ........................................................................................................................5639.11.2 Nivel de energía de seguridad y mecanismos de la ignición ........................................5649.11.3 Clasicaciones de áreas peligrosas ...................................................................................5679.11.4 Normas ...............................................................................................................................5689.11.5 Barreras Zener ...................................................................................................................5699.11.6 Barreras galvánicas ............................................................................................................5719.11.7 Factores de seguridad .......................................................................................................5719.11.8 Seguridad funcional de los instrumentos ........................................................................572
9.12 Control por ordenador .........................................................................................576
9.12.1 Generalidades ......................................................................................................................5769.12.2 Control DDC .....................................................................................................................5799.12.3 Control supervisor (SPC) ..................................................................................................5819.12.4 Control distribuido (DCS) ................................................................................................583
9.13 Sistemas de control avanzado ...............................................................................590
9.13.1 Generalidades ......................................................................................................................5909.13.2 Correctores ..........................................................................................................................5959.13.3 Control robusto ..................................................................................................................5979.13.4 Control linealizador global ...............................................................................................5989.13.5 Control estadístico del proceso (SPC).............................................................................5999.13.6 Control multivariable ........................................................................................................6029.13.7 Control óptimo ...................................................................................................................6039.13.8 Control adaptativo ..............................................................................................................6069.13.9 Control predictivo ..............................................................................................................6109.13.10 Sistemas expertos ............................................................................................................6139.13.11 Control por redes neuronales .........................................................................................6159.13.12 Control por lógica difusa ................................................................................................619
9.14 Control integrado ...................................................................................................623
9.14.1 Generalidades ......................................................................................................................6239.14.2 Sistema de control básico, control distribuido y control avanzado ............................6259.14.3 Gestión de alarmas .............................................................................................................6279.14.4 Sistema de gestión de laboratorio ....................................................................................6289.14.5 Sistema de gestión de la producción ...............................................................................6299.14.6 Red de comunicaciones .....................................................................................................6299.14.7 Sistema de gestión de seguridad de la planta .................................................................6339.14.8 Sistema de gestión de la calidad (ISO 9000:2000) .........................................................6349.14.9 Estándar OPC de intercambio de datos de proceso .....................................................6369.14.10 Gestión de calibraciones .................................................................................................638
10. Calibración de los instrumentos ..................................................643
10.1 Generalidades ..........................................................................................................64310.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de calibración ..............64410.3 Calibración de instrumentos de presión, caudal y nivel ...................................647
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10.3.1 Presión .................................................................................................................................64710.3.2 Caudal ...................................................................................................................................65010.3.3 Nivel .....................................................................................................................................652
10.4 Calibración de instrumentos de temperatura .....................................................653
10.4.1 Pirómetros de radiación ....................................................................................................65610.4.2 Transmisores de temperatura inteligentes ......................................................................65610.4.3 Calibradores universales de temperatura ........................................................................657
10.5 Calibración de válvulas de control .......................................................................65710.6 Calibración de instrumentos digitales ..................................................................660
10.6.1 Controlador universal o multifunción .............................................................................66010.6.2 Resto de instrumentos de la planta ..................................................................................661
10.7 Mantenimiento de instrumentos ..........................................................................66210.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicada a la instrumentación .............666
10.8.1 ISO 9001 ..............................................................................................................................667
11. Aplicaciones en la industria. Esquemas típicos de control .........671
11.1 Generalidades ..........................................................................................................67111.2 Calderas de vapor ...................................................................................................671
11.2.1 Generalidades ......................................................................................................................67111.2.2 Control de combustión......................................................................................................67211.2.3 Control de nivel ..................................................................................................................67511.2.4 Seguridad de llama .............................................................................................................677
11.3 Secaderos y evaporadores ....................................................................................67811.4 Horno túnel ............................................................................................................68011.5 Columnas de destilación .......................................................................................68111.6 Intercambiadores de calor ....................................................................................68311.7 Control del reactor en una central nuclear ........................................................685
Apéndice A. Análisis dinámico de los instrumentos .........................689
A.1 Generalidades ..........................................................................................................689 A.2 Funciones elementales de excitación ....................................................................695
A.2.1 Escalón unidad u(t) ............................................................................................................695 A.2.2 Impulso unidad ....................................................................................................................695 A.2.3 Respuesta impulsional .........................................................................................................695 A.2.4 Respuesta indicial ................................................................................................................696 A.2.5 Respuesta ante una entrada en rampa ..............................................................................696 A.2.6 Respuesta ante una entrada senoidal ................................................................................698
A.3 Análisis dinámico de los transmisores .................................................................702
A.3.1 Elementos fundamentales ..................................................................................................702 A.3.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode y función de transferencia de un transmisor .........................................................................................702
A.4 Análisis dinámico de los controladores ...............................................................705
A.4.1 Introducción ........................................................................................................................705
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A.4.2 Acción proporcional ..........................................................................................................706 A.4.3 Acción proporcional + integral .........................................................................................711 A.4.4 Acción proporcional + derivada .......................................................................................713 A.4.5 Acción proporcional + integral + derivada .....................................................................715 A.4.6 Control PID en el diagrama de Nyquist ..........................................................................718 A.4.7 Ensayo de controladores ...................................................................................................719
A.5 Iniciación a la optimización de procesos ............................................................722
A.5.1 Generalidades ......................................................................................................................722 A.5.2 Análisis experimental del proceso ....................................................................................722 A.5.3 Estabilidad ...........................................................................................................................724 A.5.4 Criterios de ajuste en el diagrama de Bode ......................................................................725 A.5.5 Criterios de ajuste en el diagrama de Nyquist .................................................................729 A.5.6 Ábaco de Nichols y curva de desviación ........................................................................736
Apéndice B. Evolución de la instrumentación ..................................741
B.1 Inicios - Instrumentos locales y neumáticos ........................................................741B.2 Instrumentos electrónicos - Convencionales y de alta densidad ......................742B.3 Computadores ..........................................................................................................744B.4 Control distribuido ...................................................................................................746B.5 Control avanzado y transmisores inteligentes ......................................................748B.6 Ergonomía .................................................................................................................748B.7 Comunicaciones .......................................................................................................749B.8 Futuro ........................................................................................................................750
Glosario ..............................................................................................755Bibliografía ........................................................................................767
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La primera edición de este libro apareció en el año 1979, la segunda en 1981, la tercera en 1985, la cuarta en 1989, la quinta en 1993, la sexta en 1997 y la sépma en 2005. Durante estos años, las novedades incorporadas en la industria fueron el perfeccionamiento del control distribuido, aparecido inicialmente en 1975, la aparición del transmisor inteligen-te digital en 1986, la aplicación masiva del microprocesador, en todos los campos de la industria, con las espectaculares mejoras en los instrumentos de medición y control que de una precisión en la variable medida clásica del ± 0,5% han pasado al ±0,1%, el perfec-cionamiento del control avanzado, del control por redes neuronales, del control por lógica difusa y el avance de las comunicaciones hacia protocolos abiertos.En la sépma edición se revisaron las deniciones de control y el resumen de las nor-mas ISA e ISO de idencación de instrumentos en el capítulo 1, las comunicaciones en el capítulo 2 y, en el capítulo 9, se agruparon el control por computador con el control avanzado incluyendo su análisis dinámico y se añadió el control integrado con todos sus componentes de gesón de alarmas y de seguridad de la planta. Se incluyó un resumen de la norma de calidad ISO 9000 del año 2000 y se actualizó el capítulo 10 de calibración de los instrumentos, trasladando al apéndice la evolución de la instrumentación y añadiendo hojas representavas de especicaciones de instrumentos.En esta edición actual se han revisado todos los capítulos, en parcular el primero en la parte de incerdumbre y exactud de la medida, el segundo en la parte de comunicacio-nes, el sexto en pirómetros y en las tablas de termopares y el capítulo 8 en el dimensio-namiento de las válvulas de control. Se ha conservado el texto de las ediciones anteriores, ampliándolo con los nuevos instrumentos y técnicas aparecidas en el mercado y se ha reducido el estudio de la instrumentación neumáca y electrónica, en favor de la digital. Se han conservado las explicaciones básicas de los instrumentos electrónicos y el punto de vista de considerar el instrumento dotado de microprocesador con sus algoritmos de control como una “caja negra” que se comporta igual que un instrumento convencional neumáco o electrónico pero, lógicamente, proporcionando unas mejores prestaciones. En lo posible se han incluido fotos de instrumentos reales junto con los esquemas para que el lector pueda idencarlos en planta

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