tarea - sistemas de control neumático

DIPLOMADO EN INSTRUMENTACION Y CONTROL EN PLANTAS DE PROCESOS

MODULO 6: CONTROL DE PROCESOS Y REDES

TAREA: SISTEMAS DE CONTROL NEUMÁTICO

1. INTRODUCCION

La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria

para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se

comprime, mantiene esta compresión y devolverá la energía acumulada cuando se le permita expandirse, según

la los gases ideales.

Los sistemas de control neumático son sistemas que utilizan el aire u otro gas como medio para la transmisión

de señales y/o potencia. Dentro del campo de la neumática la tecnología se ocupa, sobre todo, de la aplicación

del aire comprimido en la automatización industrial (ensamblado, empaquetado, etc.)

Los sistemas de control neumático se usan mucho en la automatización de máquinas y en el campo de los

controladores automáticos. Los circuitos neumáticos que convierten la energía del aire comprimido en energía

mecánica tienen un amplio campo de aplicación (martillos y herramientas neumáticas, dedos de robots, etc.) por

la velocidad de reacción de los actuadores y por no necesitar un circuito de retorno del aire.

A continuación se muestra un esquema con los componentes básicos de un sistema de control neumático:

2. OBJETIVO

El objetivo de esta tarea es el de realizar un resumen de un sistema de control neumático – HIPPS.



3. SISTEMAS DE CONTROL NEUMATICO HIPPS

Una consideración de seguridad importante en la industria de procesos es la prevención de la pérdida de

contención debido a la embarcación o sobrepresión tubería situaciones. La pérdida de la contención puede tener

efectos catastróficos para la salud humana la vida y el medio ambiente y también tienen un impacto económico

negativo, debido a la pérdida de producción y costes de mantenimiento. Los diseños convencionales de válvulas

de alivio o seguridad de presión se utilizan como principal medio de presión protección en la mayoría de

aplicaciones.

Sin embargo, con el aumento de caudal potenciales en la infraestructura existente, aplicaciones en las que la

presión dispositivos de alivio son las limitaciones ambientales poco prácticas y mayores, el uso de HIPPS (High

Integrity Pressure Protection System / Sistemas de Protección de Presión Alta Integridad) es ampliamente ser

aceptado como el sistema de protección definitiva. El sistema HIPPS es una instrumentado de forma

independiente del sistema confiable que está diseñado con una mayor la integridad del sistema, según las normas

ANSI / ISA e IEC establecidos, que suspensión de proceso y sistemas de parada de emergencia.

Seguridad

Debido a que el sistema HIPPS es un tipo de SIS (Sistema instrumentado de seguridad), los requisitos de cada

aplicación específica, los sistemas HIPPS deben ser investigados a fondo. Las normas del SIS se desempeñaron

basados con los niveles de integridad de seguridad (SIL) que la medición de los resultados primarios. Los SIL

representa la reducción del riesgo es necesario, como se reconoce en un usuario de análisis de la reducción de

riesgos. Cada nivel SIL se corresponde con una tolerable probabilidad de fallo por demanda (PFD) a todos los

dispositivos del sistema HIPPS sensor a través del programa de solución lógica y elementos finales.

Las normas internacionales IEC 61508, IEC 61511, IEC 61131 y las normas de EE.UU norma ANSI / ISA S84.01-

1996 tienen la intención de abordar el marco para el diseño y la aplicación de SIS en la industria de procesos , a

través de la definición de la evaluación , diseño , validación y documentación SIS’s .

NIVEL DE INTEGRIDAD DE

SEGURIDAD (SIL)

MODO DE BAJA DEMANDA (Probabilidad media de

incumplimiento seguridad diseñado función de la demanda )

MODO DE ALTA DEMANDA (Probabilidad

de una falla peligrosa por hora )

4 > 10-5 a < 10-4 > 10-9 a < 10-8

3 > 10-4 a < 10-3 > 10-8 a < 10-7

2 > 10-3 a < 10-2 > 10-7 a < 10-6

1 > 10-2 a < 10-1 > 10-6 a < 10-5

Disponibilidad

En la mayoría de los casos, no es aceptable que el sistema HIPPS falle y detenga la operación debido a un solo

fallo de la planta. La Tolerancia a fallos del sistema de seguridad es una de las características más importantes

para mantener la seguridad y disponibilidad del proceso.

Flexibilidad



HIPPS es un sistema de alta calidad con tecnología flexible y servicios apropiados para reducir los costos

generales del ciclo de vida.

Instalación

La justificación del sistema HIPPS en la industria de procesos se facilita normalmente por un análisis realizado

por cada planta. Hay muchos factores que deben tenerse en cuenta para establecer el marco adecuado para una

exitosa instalación.

Componentes de un Sistema HIPPS

Iniciadores / Sensores de proceso

Los iniciadores son los elementos de medición de las variables de proceso (PV) a detectar un evento. Los

iniciadores son típicamente presión electromecánico interruptores o transmisores de presión electrónicos.

Resolvedor Lógico

El sistema electrónico programable recibe las señales del iniciadores, realiza las lógicas requeridas (de votación,

diagnósticos y parcial rutina de prueba de carrera) y acciona los elementos finales.

Elementos finales

Las completas válvulas / actuadores / solenoides asambleas se actúe a aislar la presión sobre detectada por los

iniciadores. Los elementos finales se diseñan típicamente para cerrar en 2 segundos.

Iniciadores

Medición de variables de proceso

La presión es la variable de proceso comúnmente medido en el sistema HIPPS. Tradicionalmente, esta variable

se controla mediante interruptores discretos como el sensor de entrada al sistema de seguridad. Aunque estos

dispositivos son simples y confiable, la evolución de la electrónica ha hecho que sea más conveniente y preferible

el uso de transmisores analógicos. Los Transmisores analógicos pueden ser supervisados de forma continua y



la capacidad de funcionamiento de los transmisores es fácilmente observada, reduciendo así el potencial de los

eventos relacionados con el fallo en el iniciador.

La mayoría de las aplicaciones del sistema HIPPS requieren 2 o 3 transmisores (1 de cada 2 o 2 de 3 de votación

lógica) como dispositivos de campo. El uso de insumos redundantes permite los diseñadores de sistemas

incorporar el diagnóstico en el sistema HIPPS, que reduce significativamente la probabilidad de fallar en la

demanda de entrada de campo. Otras opciones como conexiones de procesos independientes y la diversidad en

la presión medición, cuando sea práctico, también se recomiendan.

Colector de Enclavamiento

Una opción posible es el uso de un Colector de Enclavamiento con el fin de evitar errores operativos. El principio

del Colector de Enclavamiento es permitir el cierre de las válvulas de aislamiento y la apertura de la válvula de

ventilación en la secuencia predeterminada de seguridad. Esto permitirá una calibración segura y en línea; y la

prevención de los apagones no deseados debido a posibles operaciones defectuosas.

El Resolvedor Lógico

El hardware del Resolvedor Lógico tiene que estar diseñado y certificado conforme con los requisitos de SIL3 o

rendimiento SIL4, según lo dispuesto en la norma IEC 61508, ANSI / ISA S84.01-1996, IEC 61508 y IEC 61511.

Se requiere que la seguridad lógica sea independiente del control de proceso básico y de nivel inferior sistemas

de protección.

Los resolvedores lógicos pueden ser relays, estados sólidos, o sistemas electrónicos programables. El resolvedor

lógico es típicamente un sistema electrónico programable, dotado de un alto nivel de autodiagnóstico,

disponibilidad y tolerancia a fallos, SIL 3 certificado con simplex o arquitectura redundante (TMR o 2oo4 / QMR)

en el cumplimiento de la norma IEC 61131-3.

Configuración de los Elementos Finales

Los elementos finales son las unidades físicas que están llamados a aislar la exposición. Los elementos finales

son típicamente o bien 1) relays en el circuito de control del motor para el cierre de las válvulas del motor operado,

compresores o bombas, o 2) válvulas de falla de seguridad abiertas y cerradas mediante solenoides. Los

elementos finales del sistema HIPPS normalmente se componen de una configuración de válvula / actuador /

solenoide, según lo prescrito por el SIL requerido, en la configuración deseada de falla de seguridad.

Protección de un solo Pozo

La producción de un solo pozo puede ser mejorada a través de la instalación de una bomba eléctrica sumergible.

Las mejoras en la producción generan nuevos peligros; la posibilidad de sobre presión en las tuberías durante el

bloqueo de la bomba eléctrica sumergible. El peligro está presente en cualquier momento en que exista un

bloqueo en el flujo aguas abajo del cambio de especificación de la tubería, como el cierre de la válvula de acople

(Figura 1). El bloqueo de la bomba eléctrica sumergible ocasiona un incremento rápido en la presión de descarga.

El sistema de control neumático HIPPS mide la presión aguas abajo del cambio de especificación de la tubería.

Cuando dos de los tres transmisores de presión indican una condición de sobre presión, las salidas del equipo



lógico inician un cierre de las válvulas de bloqueo localizadas antes del cambio de especificación de la tubería.

Esta acción previene la condición de sobre presión y la posible ruptura de la tubería.

El propósito del sistema HIPPS es prevenir que la alta presión se propague hacia las líneas de una especificación

MAWP más baja, aislando la fuente que genera la presión. Mientras el cierre de las válvulas de bloqueo logra

este propósito, se genera la parada de la bomba eléctrica sumergible a través de evento de cascada. Mientras

que la tubería aguas arriba está correctamente especificada y presenta poca posibilidad de pérdida de contención

o derrames, bloquear la descarga de la bomba puede dañar la bomba eléctrica sumergible, lo cual es un activo

importante y muy costoso de reemplazar. La descarga de la bomba puede llegar a ser bloqueada por varios

errores y fallas, tales como el cierre de la válvula de acople, la acción del HIPS derivada de una demanda del

proceso, o la falla de cierre inesperado de algunas de las válvulas de bloqueo. La protección de la bomba esta

fuera del alcance de este artículo, pero debería tomarse en consideración la parada automática de la bomba

sumergible, ya que el tiempo de seguridad del proceso es de segundos, invalidando la respuesta del operador en

presencia de una alarma.

Figura 1 - Instalación en pozos sencillos



Finalmente, la sobre presión, o la perdida de la integridad mecánica, o un impacto externo podría causar una fuga

significativa o una ruptura en la línea de flujo. Una baja presión puede ser detectada por los mismos transmisores

utilizados para detectar la sobre presión. Consecuentemente, la estrategia global de reducción de riesgo es:

Prevenir la ruptura en la línea de flujo:

1. Parada de la bomba sumergible en presencia de sobre presión para detener el suministro de presión

y

2. Cierre de las válvulas de bloqueo en presencia de sobre presión para aislar el suministro de presión.

Prevenir daños a la bomba:



1. Parada de la bomba en presencia de bloqueo de la descarga. (No es parte del alcance de este

artículo).

Mitigar la rotura de la tubería:

1. Parada de la bomba y cierre de las válvulas de bloqueo en presencia de baja presión con la finalidad

de detener el flujo del material debido a la pérdida de integridad de la tubería (Ej., fuga, rotura, etc.).

La probabilidad de falla en demanda (PFD) es calculada por un análisis de árbol de falla usando el tiempo

promedio de falla peligrosa (MTTFD), la arquitectura de votación, el intervalo de prueba, y el tiempo promedio de

reparación. El MTTFD del equipo es de la siguiente manera: transmisor de presión (150 años), amplificador de

disparo (715 años), válvula solenoide (60 años), válvula de bloqueo (60 años).

Fallas detectadas en el transmisor conllevan que el transmisor falle hacia el estado seguro, causando una

votación de disparo en el canal. El proceso se mantiene en línea, debido a que se requieren una votación de dos

para que el sistema se dispare. La votación de disparo del canal genera una alarma en la pantalla del operador,

de manera tal, que el mantenimiento del canal fallado es realizado de manera oportuna. El operador responde a

la alarma de acuerdo con los procedimientos escritos. La causa común es asumida en un 2% para los

transmisores de presión y los amplificadores de disparo, mientras 0.2 % fue asumido para la válvulas solenoides

y válvulas de bloqueo. Con un intervalo de prueba anual y un tiempo promedio de reparación (MTTR) de 72 horas,

el PFD es 4.472E-04, el cual satisface SIL 3.

Protección de Pozos múltiples

Muchos campos contienen múltiples pozos, los cuales deben ser analizados como parte de una red. El análisis y

diseño llegan a ser más complejos, cuando múltiples pozos están implicados en el análisis. En la figura de abajo

(Figura 2), hay cuatro bombas que pueden crear una sobre presión en la línea de flujo en presencia de un cierre

de la válvula de acople.

Figura 2 - Cuatro pozos conectados en red y protegidos por HIPPS individuales



En cuanto más pozos son conectados a la red, el riesgo hacia la tubería de flujo se vuelve cada vez más alto. En

consecuencia, es más difícil alcanzar la reducción de riesgo requerida para la protección de la tubería de flujo. El

PFD de la red puede aproximarse a 4 x 4.472E-04 = 1.789E-03, si los cuatros HIPPS son implementados como

sistemas independientes y separados. Si el HIPPS es implementado en un equipo lógico, el equipo lógico se

convierte en el único punto de falla peligrosa o falla inesperada para la red.

Incluso aun con un equipo lógicos (non-PE) separado, el PFD de la red no cumple con SIL 3. A medida que la

red crece en tamaño, el funcionamiento declina mucho más.

Un diseño alternativo del proceso mueve el cambio de especificación de la tubería hacia el cabezal principal como

se muestra abajo. Esto incrementa la cantidad de tubería que debe estar especificada para soportar la presión

máxima de descarga de la bomba. La reducción de riesgo para la protección de la tubería es lograda usando un

solo HIPS en el cabezal principal. Es importante reconocer que un solo un HIPS puede ahora ocasionar el bloqueo

de la descarga de varias bombas. El PFD para la red de bombas es 4.472E-04.

Figura 3 - Cuatro pozos conectados y protegidos por un solo HIPS



Conclusiones

Una estrategia efectiva de reducción de riesgo solo puede ser desarrollada basada en el entendimiento del riesgo

general presentado por la causa iniciadora. Un pozo independiente puede ser protegido usando un HIPPS

dedicado, usando transmisores de presión en votación, amplificadores de disparo en votación, y válvulas de

bloqueo en votación. Con pruebas anuales, el PFD cubre los requerimientos de SIL 3. Entre más pozos son

conectados, el riesgo de la tubería se acumula y el diseño de HIPS se vuelve más complicado. Si la línea de

cabezal individual de pozo tiene que ser protegida, podría volverse imposible cubrir los requerimientos de alta

integridad. Cuando el cambio de especificación de la tubería es movido a una tubería principal, los cabezales de

pozos conectados pueden ser protegidos con un solo HIPS, haciendo posible cubrir los requerimientos de

reducción de riesgos.

tarea - sistemas de control neumático

Documents