UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERIA EN ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES PROGRAMA DE INGENIERIA EN AUTOMATICA INDUSTRIAL

PLANTA DE SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS

RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA Versión 1.3

Revisado y corregido por Mg. Juan Fernando Florez M.

LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

CONTENIDO 1. INTRODUCCION

3

2. OBJETIVOS

4

3. PREREQUISITOS

4

4. MATERIAL NECESARIO

4

5. FUNDAMENTACION TEORICA

5

5.1 ELEMENTOS DEL PANEL DE CONTROL 5.1.1 RELÉ 5.1.2 CONTACTOR 5.1.3 RELE TERMICO

5 5 6 6

5.2 ELEMENTOS DEL CIRCUITO HIDRAULICO 5.2.1 VALVULAS MANUALES 5.2.2 ELECTROVÁLVULAS 5.2.3 MOTOBOMBA

6 6 7 7

5.3

DESCRIPCION DE LA PLANTA SED EN CAMPO

8

5.4

DESCRIPCION DEL PANEL DE CONTROL

12

5.5

ETIQUETADO DE PLANTA, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS

13

6. PROCEDIMIENTO

17

6.1 RECONOCIMIENTO EN CAMPO DE LA PLANTA SED

17

6.2 RECONOCIMIENTO DE LA INSTRUMENTACION DE LA PLANTA SED

18

6.3 RECONOCIMIENTO DE LA DOCUMENTACION DE LA PLANTA SED a) Diagramas de flujo de proceso (PFD) b) Diagramas de tuberia e instrumentación (P&ID) c) Típicos de cableado d) Diagramas de lógica cableada

19

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27 28

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

1. INTRODUCCION La planta de Sistemas a Eventos Discretos (SED) es un sistema compuesto por una motobomba, un circuito hidráulico, electroválvulas, agitadores, detectores de nivel y varios tanques de almacenamiento conectados a un panel de control. La planta SED está diseñada para emular un proceso de elaboración de bebidas carbonatadas, pero también es posible implementar otros procesos afines según sea necesario. El propósito de la planta es permitir la implementación de sistemas a eventos discretos. En el computador de la planta están instaladas herramientas software que permiten el modelado y análisis utilizando diversos formalismos. La generación del código ladder para el PLC se puede realizar a mano o de forma automática con algunas herramientas suministradas (PetriLLD). En el panel de control se han implementado dos escenarios de automatización para la planta SED: uno basado en PLC y otro basado en una red de bus de campo. De esta forma la planta tiene comunicación directa con un PLC Micrologix 1500 serie C de Allen-Bradley, o a la red Device-Net, según se determine por medio de una llave selectora ubicada en el panel. La comunicación a la red Device-Net se realiza por medio del Nodo NAGA de la Universidad del Cauca. La comunicación vía Ethernet es también posible. Esta primera práctica de reconocimiento de la planta pretende familiarizar a los estudiantes con el propósito de la planta, los equipos e instrumentos que la componen y, particularmente con la documentación ISA de la misma.

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

2. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Hacer un reconocimiento de la planta SED, de cada uno de sus componentes y de la documentación

OBJETIVOS ESPECIFICOS • • • • •

Hacer un reconocimiento físico de los componentes de la planta: Actuadores, sensores, cableado, PLC, etc. Explorar y asimilar el contenido de la documentación de la planta de SED. Revisar la concordancia entre el etiquetado implementado en la planta SED y lo mencionado en la documentación. Analizar las conexiones entre la planta y el panel de control con ayuda de los diagramas y tablas. Aprender a levantar y leer DFP, P&ID, diagramas de lazo, diagramas de mando y de potencia presentes en la automatización de la planta de nivel.

3. PREREQUISITOS • •

Normas ISA S5.1, S5.4, y similares Saber leer DFP y P&ID

4. MATERIAL NECESARIO La planta de Sistemas a Eventos Discretos Un multimetro La herramienta AutoCad Electrical

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

5. FUNDAMENTACION TEORICA La planta de Sistemas a Eventos Discretos está dividida en dos partes: la planta como tal ubicada en campo, la cual consta de tanques, detectores de nivel, un circuito hidráulico, válvulas manuales, electroválvulas, agitadores y una motobomba, y el panel de control donde se han cableado dos escenarios de automatización: basado en PLC y basado en una red de bus de campo. En el panel se ubican relés electromecánicos encargados de la conmutación de la instrumentación en campo entre los dos escenarios según se determine por una llave selectora, un contactor con su relé térmico para el circuito de mando y potencia de la motobomba, un PLC micrologix 1500 y un nodo DeviceNet NAGA de la Universidad del Cauca. A continuación se describirán algunos dispositivos que hacen parte del panel de control y algunos otros del circuito hidráulico de la planta SED.

5.1 ELEMENTOS DEL PANEL DE CONTROL

5.1.1 RELÉ Un relé es un elemento conductor que tiene por objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente entre sus contactos, tan pronto se energice su bobina. La bobina normalmente se energiza con un voltaje DC. Tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento es denominado “todo o nada”. La figura 1a muestra los partes internas de un relé.

a) Partes de un Relé Figura 1. Relé electromecánico

b) Símbolo eléctrico

El símbolo eléctrico de un relé se muestra en la figura 1b. El rectángulo con la línea diagonal representa la bobina del electroimán, y las dos líneas que tiene arriba y abajo son los cables que lo alimentan. El interruptor representa los contactos del relé. Ambos elementos están unidos por una línea discontinua que indica que el electroimán cierra el interruptor al ser activado.

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En el panel de control de la planta SED los relés electromecánicos se usan para conmutar las señales de los instrumentos en campo entre los dos escenarios de automatización. 5.1.2 CONTACTOR Al igual que el relé es un elemento conductor pero de potencia, que tiene por objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el circuito de mando de una máquina eléctrica, tan pronto se energice la bobina (en el caso de ser contactores instantáneos), con la posibilidad de ser accionado a distancia. La bobina de un contactor normalmente se energiza con un voltaje a 110 vac o 220 vac y sus terminales se identifican como A1 y A2. Viene con tres contactos (R, S y T) que se cierran o abren, según se energice la bobina, y que se emplean para aplicar potencia a cargas trifásicas. Dispone de un contacto adicional, identificado con los terminales 13 y 14, para el circuito de mando. En el panel de control de la planta SED, el circuito de potencia de la motobomba tiene como componentes un contactor y un relé térmico, el primero la energiza y el segundo la protege ante una eventual sobre carga de corriente. 5.1.3 RELE TERMICO Un relé térmico es un elemento de protección que se ubica en el circuito de potencia de una máquina eléctrica, para proteger de sobrecargas que puedan presentarse en el circuito. Su funcionamiento se basa en la deformación de ciertos elementos bimetales que bajo el efecto de la temperatura se accionan, haciendo que unos contactos auxiliares desactiven todo el circuito de potencia y energicen al mismo tiempo un elemento de señalización que indica que el relé térmico se ha disparado en el circuito de mando. Los bimetales comienzan a curvarse cuando la corriente sobrepasa el valor nominal para el cual han sido dimensionados, empujando una placa de fibra hasta que se produce el cambio de estado de los contactos auxiliares que lleva.

5.2

ELEMENTOS DEL CIRCUITO HIDRAULICO

5.2.1 VALVULAS MANUALES Una válvula consiste básicamente en un cuerpo principal dentro del cual van alojados el obturador y los asientos, elementos que definirán el paso de fluido permitido en cada momento. El obturador es un mecanismo móvil que varía su posición con respecto al asiento, siendo el caudal de paso directamente proporcional a la superficie libre existente entre un embolo y el asiento (lugar donde cae el embolo). Por su diseño, el embolo deberá acoplar perfectamente sobre el asiento para proporcionar un cierre hermético cuando la válvula esté cerrada. El movimiento del obturador estará comandado por un vástago al que es solidario, siendo este el elemento donde físicamente se actúa para controlar la posición del obturador. Su movimiento podrá ser lineal o rotativo dependiendo del diseño de la válvula.

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

En la regulación de los distintos procesos de una planta industrial, las válvulas manuales tienen un papel fundamental pues con ellas se pueden controlar los caudales de las distintas corrientes implicadas en el proceso, además de las condiciones internas de presión en depósitos y recipientes.

5.2.2 ELECTROVÁLVULAS Una electroválvula es un dispositivo diseñado para permitir o inhibir el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería, ver figura 2a. Una electroválvula tiene dos partes fundamentales que son el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para accionar la válvula. En algunas electroválvulas el solenoide actúa directamente sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para su movimiento. Las electroválvulas pueden ser cerradas en reposo o normalmente cerradas, lo cual quiere decir que cuando falla la alimentación eléctrica quedan cerradas o bien pueden ser del tipo abiertas en reposo o normalmente abiertas, es decir, quedan abiertas cuando no hay alimentación. En las electroválvulas normalmente cerradas la válvula se mantiene cerrada por la acción de un muelle y es el solenoide quien abre la válvula venciendo la fuerza que ejerce el muelle.

5.2.3 MOTOBOMBA Una motobomba es una bomba que tiene acoplada en su cuerpo estructural un motor eléctrico o de explosión, ver figura 2b. La bomba contiene la boca de succión, la caja de aspiración, la turbina de impulsión y la boca de descarga. El eje del motor es el mismo eje de la turbina de la bomba. Las motobombas son ideales para llenar cisternas, vaciar piscinas, regar abundantemente o realizar cualquier actividad para la que sea necesario mover una gran cantidad de agua de forma efectiva y eficiente. Las motobombas pueden ser de presión o de caudal.

a) Electroválvula b) Motobomba Figura 2. Elementos del circuito hidráulico de la planta SED A continuación se hace una descripción visual de las partes que conforman la planta SED y su panel de control.

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

5.3

DESCRIPCION DE LA PLANTA SED EN CAMPO

En campo se encuentran cinco (5) tanques de acrílico con su respectiva instrumentación: detectores de nivel de efecto hall y electroválvulas, un circuito de tuberías para transportar el líquido entre los tanques, la motobomba y otros elementos. Todo el conjunto está soportado por una estructura metálica en color azul, ver figuras 3a y 3b. En la figura 3a se puede observar que la planta SED se encuentra organizada en una estructura metálica de tres niveles. En el nivel superior se encuentra un tanque en acrílico dividido en dos, etiquetados como TK4 y TK5, el TK5 tiene un mayor volumen que el TK4. La tubería de entrada de cada uno de estos tanques viene con su respectiva electroválvula y válvula manual. En el nivel intermedio se encuentra un tanque en acrílico dividido en dos, etiquetados como TK3 y TK2, este último tiene mayor volumen que TK3, la tubería de entrada de cada uno de ellos tiene su propia electroválvula y válvula manual. En el nivel intermedio se encuentra la motobomba que succiona el líquido del tanque de suministro, etiquetado como TK1, el cual está ubicado en el nivel inferior, y lo lleva por el circuito de tubería hidráulica hasta los 4 tanques en los niveles superiores. Los cables de alimentación eléctrica de la motobomba, los cables de alimentación de las electroválvulas y los cables de los detectores de nivel de efecto hall se llevan por medio de canaletas ranuradas grises hasta un sistema de borneras en campo o junction box, donde se recogen todas las señales de entrada y salida entre la planta y el panel de control.

a) Vista anterior de la planta SED LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

b) Vista posterior de la planta SED Figura 3. Indicación visual de los aditamentos que conforman la planta SED y su instrumentación En la figura 3b se puede observar cada una de las electroválvulas asociadas a los cuatro tanques de almacenamiento. En el nivel superior, el tanque 5 tiene la electroválvula 7 y el tanque 4 la electroválvula 4, como elementos reguladores del caudal de entrada a cada uno de estos tanques, respectivamente. El caudal de salida de estos dos tanques se combina y por medio de la electroválvula 2 se deposita tanto en el tanque 3 como en el 2. En el nivel intermedio, el tanque 2 tiene la electroválvula 3 y el tanque 3 la electroválvula 1, como elementos reguladores del caudal de entrada a cada uno de estos tanques, respectivamente. Los tanques 2 y 3 son los únicos que cuentan con agitadores. El caudal de salida de estos tanques tiene su propia electroválvula reguladora, para el tanque 3 la electroválvula 6 y para el tanque 2 la electroválvula 5. Cada uno de los cinco tanques cuenta con dos detectores de nivel de efecto hall. Uno para medir nivel alto y otro para nivel bajo. Están ubicados en posiciones fijas sobre los tanques y se activan cuando un campo magnético al interior de un flotador en el tanque pasa cerca a los mismos. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

LOS TANQUES DE LA PLANTA SED La Planta de Sistemas a Eventos Discretos cuenta con 5 tanques de acrílico. Los tanques 1, 2, 4, y 5 tienen la forma de una caja con las medidas mostradas en la tabla 1. Tanque 1 Tanque 2 Tanque 4 Tanque 5

Ancho: 34,7cm; Largo: 51cm; Alto: 35,4cm Ancho: 14,9cm; Largo: 41,7cm; Alto: 35,4cm Ancho: 7,5cm; Largo: 24,8cm; Alto: 35,4cm Ancho: 33,7cm; Largo: 24,8cm; Alto: 35,4cm Tabla 1: Medidas de los tanques 1, 2, 4 y 5

El tanque 3 tiene una forma más compleja. Sus medidas son Ancho1: 9,9cm; Largo1: 23,2cm; Ancho2: 41,5cm; Largo2: 8,5cm; Alto: 35,4cm, ver figura 4.

Figura 4. Diagrama del tanque 3 EL CIRCUITO HIDRAULICO Mediante el circuito hidráulico se lleva el líquido del tanque 1 a los restantes tanques. La tubería es de PVC 12454 blanco de ½” para presión de agua. Los acoples son del mismo material, los cuales son: • • • •

36 Rectos de ½” interna. 26 Tipo Codo de ½” interna. 5 Tipo T de ½” interna. 5 Tapones de PVC blanco.

Cuatro llaves manuales de tipo bola ubicadas en la tubería determinan, dependiendo de su apertura, el flujo de agua que llega a cada tanque. Las llaves son de hierro colado tipo DN15 ½” PN40, con acople tipo rosca, dos de palanca amarilla y dos de palanca roja. Las electroválvulas son las encargadas de la carga o descarga de los tanques ubicados en campo, según el siguiente listado, para ubicar las válvulas ver figura 3b. •

Válvula 1: Carga el tanque 3.

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED • • • • • •

Válvula 2: Descarga el tanque 4 y 5 y vierte hacia el tanque 3 y 2. Válvula 3: Carga el tanque 2. Válvula 4: Carga el tanque 4. Válvula 5: Descarga el tanque 2 y vierte hacia el tanque 1. Válvula 6: Descarga el tanque 3 y vierte hacia el tanque 1. Válvula 7: Carga el tanque 5.

Cada uno de los cinco tanques dispone de un sistema de purga, para la descarga manual del líquido en el tanque. Las 5 llaves de purga están hechas en plástico, de color gris, y el líquido se evacua a través de mangueras transparentes La motobomba succiona el líquido depositado en el tanque 1 (tanque de suministros) y lo distribuye a los diferentes tanques del sistema. Es una motobomba QB-128 de 110v, 60Hz y 0.5 HP, capaz de alcanzar una altura máxima (H.max) de 30 metros, y un caudal máximo (Q.max) de 38 l/min. LOS DETECTORES DE NIVEL Los detectores de nivel miden que el líquido ha alcanzado un límite superior o inferior en cada uno de los tanques. Cada uno de estos detectores está constituido por el par: sensor de efecto hall y flotador con un campo magnético. Los flotadores son pelotas de plástico dentro de las cuales se encuentran un imán y se encuentran ubicados en una guía vertical de plástico al interior de cada tanque. La posición del detector de efecto hall puede variarse a lo largo de un riel externo al tanque enfrentado a la guía del flotador. La apertura o cierre del contacto asociado al detector de nivel es utilizado para realizar una acción de control. LOS AGITADORES Los tanques 2 y 3 cuentan con un agitador cada uno, encargados de agitar la “mezcla” que se encuentra depositada en ellos. Cada sistema de agitación tiene, ver figura 5: • •

Un motor de 120v, 60 Hz, 40 mA, 3,7 W y 5/4 RPM. Un agitador acoplado al eje del motor, compuesto por una vara de aluminio de 48,5 cm de largo y 7 mm de diámetro y sus respectivas aspas de plástico tipo ventilador.

Figura 5. Motores AC de los agitadores de los tanques 2 y 3 LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

5.4

DESCRIPCION DEL PANEL DE CONTROL

En el panel de control o cableado se encuentran los dispositivos que controlan la configuración y el funcionamiento de la planta, ver figura 6. El panel se puede configurar para operar bajo dos escenarios de automatización: basado en PLC o basado en una red de bus de campo. En el panel se encuentra instalados un PLC Micrologix 1500, un módulo de comunicación a la red DH485, el nodo DeviceNet Naga, una fuente de alimentación, relés electromecánicos, borneras de conexión, un fusible, un contactor, un térmico, luces piloto, pulsadores y una llave selectora de los escenarios de automatización. Los dos escenarios de automatización con los que cuenta la planta SED, básicamente corresponde a dos diferentes formas de conectar los instrumentos de la planta al sistema de control. Escenario basado en PLC, en esta situación la motobomba, los detectores de nivel, los agitadores y las electroválvulas se conectan directamente a las entradas y salidas discretas de un PLC micrologix 1500. Escenario basado en una red de bus de campo, en esta otra situación los mismos elementos descriptos se conectan a las entradas y salidas discretas de el nodo DeviceNet NAGA, el cual se comunica vía la red de bus de campo con cualquier PLC que disponga de una tarjeta de comunicaciones (escaner) DeviceNet. En la Tabla 2 se encuentra una descripción más detallada de cada uno de los elementos señalados en la figura 6.

Figura 6. Panel de control de la planta SED Tabla 2. Instrumentos y Equipos montados en el Panel de control de la planta SED # EN FIG. 6 1

ELEMENTO

DESCRIPCION

Borneras de entrada y salida

A estas borneras o junction box (con 30 bornes cada una) van conectadas las diferentes señales de entrada y salida de la planta (detectores y actuadores). Se conectan por medio de un grupo de

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED cables cubiertos con una funda blanca con las borneras en campo. 2

PLC Micrologix 1500 serie C con módulo Scanner Device Net 1769 ECR

3

Contactor con relé térmico

4

Nodo (NAGA)

5

1 Fusible

6

2 Luces Piloto

7

2 Pulsadores

8

1 Llave selectora

9

7 Relés de Conmutación

10

1 Arreglo de 27 borneras industriales (Fase-Neutro) 1 Fuente de alimentación 1761 NET-AIC. Módulo de conmutación con la red DH485 1761 NET-AIC

11 12

Es el controlador lógico programable mediante el cual se puede controlar la secuencia de operaciones del proceso en la planta SED. El módulo escáner sirve para habilitar la comunicaciones del PLC con los dispositivos conectados a la red Device NET. El contactor y el relé térmico son los dispositivos que hace parte del circuito de mando y potencia de la motobomba. Es un dispositivo implementado en un tesis del PIAI con características funcionales a las de un dispositivo industrial que permite conectar sensores y actuadores discretos a la red DeviceNet. El Nodo NAGA hace de interfaz para llevar las señales de entrada y salida hacia un PLC remoto conectado a la red DeviceNet Da el encendido a la planta SED, sirviendo además como protección de todos los instrumentos ubicados en la planta y los circuitos del panel. La luz piloto verde indica que la motobomba está funcionando correctamente, y la luz piloto roja, activada por el térmico, indica que hubo un problema de sobrecarga con la motobomba. En el Panel existen dos botones pulsadores, uno de color amarillo con el cual se puede dar arranque manual a la motobomba, y otro de color rojo con el cual se puede realizar una parada a la motobomba. Permite elegir el escenario de automatización: conexión de la planta a la red DeviceNet mediante el nodo NAGA o conexión directa al PLC. Estos relés se utilizan para conmutar las salidas y entradas de la planta entre el PLC o el Nodo NAGA. Son gobernados por la llave selectora. Estas borneras son utilizadas para realizar la conexión entre la fase y el neutro de forma ordenada. Fuente de alimentación de 24 Voltios que Alimenta el circuito NET-AIC de forma externa. Este módulo de comunicación convierte un protocolo de comunicación SERIAL a un Protocolo RS485, habilitando la comunicación del PLC a la red DH485.

A continuación se explicará un sistema de etiquetado que inicialmente se empleo en la documentación de la automatización de la planta SED.

5.5

ETIQUETADO DE PLANTA, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS

El etiquetado general de la planta SED, y de cualquier planta industrial automatizada, es una tarea que requiere de un orden dado por ciertas normas o estándares establecidos a nivel local internacional. La recomendación adoptada en la planta SED es la denominada CEMAT, esta es una norma interna de la empresa alemana Siemens, que tiene en cuenta recomendaciones de la ISA S5.1 y la ISA S5.4. Este tipo de etiquetado es un código que contiene información, por ejemplo: de la variable física controlada, de la función del dispositivo, el área de la planta, entre otras. Es importante aclarar que este etiquetado no pretende seguir fielmente las normas mencionadas. A continuación se presenta la nomenclatura que se ha utilizado para el etiquetado de los diferentes dispositivos y señales de la planta SED.

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

NOMENCLATURA Para identificar los instrumentos, equipos y señales que existen en la planta se utiliza las recomendaciones de la norma ISA S5.1. La norma plantea que a cada instrumento se le asigne un icono, consistente en un círculo el cual contiene un código alfanumérico de 6 caracteres conocido como “TAG NUMBER”. De esta manera se logra una mayor organización de la información y se evita redundancias o discordancias. La distribución de los 6 caracteres del “TAG NUMBER” es como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Tag Number o código alfanumérico según CEMAT Según ISA S5.1 la letra V significa lo que el usuario determine si no existe significado alguno que le aplique. Así, en el ejemplo de la figura 7 los primeros tres caracteres, es decir VV1, hacen la descripción funcional del instrumento, mientras que los otros tres caracteres restantes, es decir 150, se refieren al lugar donde se encuentra el instrumento. Los caracteres del “TAG NUMBER” tienen el siguiente significado: • • • • •

Carácter 1: identifica la variable física bajo medición, es decir la variable que se pretende controlar. Caracteres 2 y 3: son consecutivos e indican funcionalidades del dispositivo. Carácter 4: Identifica el lugar Carácter 5: Identifica el área Carácter 6: Identifica la sección

Por ejemplo, el código LHE 150 tiene el siguiente significado: L = carácter 1 = Nivel H = carácter 2 = Bajo E = carácter 3 = Sensor 1 = carácter 4 = Laboratorio de Control de Procesos 5 = carácter 5 = Planta SED 0 = carácter 6 = sección 0 LHE 150 = Sensor de nivel bajo en la sección 0 de la planta SED del Laboratorio CP Para el caso particular de la planta SED, los tres últimos caracteres (150) se mantienen constantes para todos los “tags” de la planta. El 1 hace referencia al Laboratorio de Control de Procesos, el 5 a la planta SED (área) y el 0 a la sección, dado que en este caso la planta no se divide en secciones. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

En el caso del Laboratorio de Control de Procesos, las áreas corresponden con las plantas de la siguiente manera: 1. 2. 3. 4. 5.

Planta de control de nivel Planta de control de posición/velocidad Planta de Control de Presión Planta de control de temperatura Planta de de SED.

ETIQUETADO DE LA PLANTA EN CAMPO Para el etiquetado de los instrumentos de la planta SED ubicados en campo, se utiliza el estándar de la ISA S5.1 y el estándar CEMAT. La razón por la cual se utilizan dos estándares es porque la norma ISA S5.1 especifica solamente etiquetas para los instrumentos pero no para los equipos. Por lo tanto, la tag que se utiliza para los equipos se basa en el estándar CEMAT. El estándar CEMAT se utilizo solo donde fue necesario, pues se da prioridad a ISA. A continuación se presenta la nomenclatura utilizada en campo. FY1 FHV1 P1 LLE/TK1 LHE/TK2 MX 1 PP TK 1 PI20

Electroválvula 1 de caudal. Válvula 1 manual de caudal. Purga 1. Sensor de nivel bajo ubicado en el tanque 1. Sensor de nivel alto ubicado en el tanque 2. Mezclador 1. Motobomba. Tanque 1. Tubería de PVC diámetro 20 mm

La Tabla 3 muestra el listado de los instrumentos en campo de la planta SED. La nomenclatura utilizada en la motobomba, en los tanques y en la tubería no corresponde a los estándares ISA S5.1, en algunos casos corresponde con el estándar CEMAT. ETIQUETADO DEL PANEL DE CONTROL Para el etiquetado de los instrumentos ubicados en el panel se utilizo el estándar de la ISA s5.4, la norma IEC 391 y el estándar CEMAT. La norma IEC 391 y el estándar CEMAT se utilizaron solo donde fue necesario. A continuación se presenta la nomenclatura utilizada para el etiquetado del panel. LC1 LC2 CK CM1

Controlador de nivel 1. (PLC) Controlador de nivel 2. Nodo (NAGA) Relé térmico Relés de conmutación 1.

La Tabla 4 muestra el listado de los instrumentos en el panel de la planta SED. La nomenclatura utilizada en los relés de conmutación, el relé térmico y las borneras fue tomada de la norma IEC 391. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Tabla 3. Listado de instrumentos en campo Noviembre 09/09 TABLA No 3. LISTADO DE INSTRUMENTOS AREA 5 (CAMPO UTILIZANDO ISA S5.1)

ETIQUETA 123

456

DESCRIPCION

RANGO

FY1 FY2 FY3 FY4 FY5 FY6 FY7 FHV1 FHV2 FHV3 FHV4 P1 P2 P3 P4 P5 LLE/TK1 LHE/TK1 LLE/TK2 LHE/TK2 LLE/TK3 LHE/TK3 LLE/TK4 LHE/TK4 LLE/TK5 LHE/TK5 MX1 MX2

150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150

Electroválvula 1 Electroválvula 2 Electroválvula 3 Electroválvula 4 Electroválvula 5 Electroválvula 6 Electroválvula 7 Válvula 1 manual de bola Válvula 2 manual de bola Válvula 3 manual de bola Válvula 4 manual de bola Purga 1 de Vástago recto Purga 2 de Vástago recto Purga 3 de Vástago recto Purga 4 de Vástago recto Purga 5 de Vástago recto Sensor de nivel bajo del tanque 1 Sensor de nivel alto del tanque 1 Sensor de nivel bajo del tanque 2 Sensor de nivel alto del tanque 2 Sensor de Nivel bajo del tanque 3 Sensor de nivel alto del tanque 3 Sensor de Nivel bajo del tanque 4 Sensor de nivel alto del tanque 4 Sensor de nivel bajo del tanque 5 Sensor de nivel alto del tanque 5 Mezclador 1 Mezclador 2

0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V 0-110 V

Tabla 4. Listado de instrumentos en el panel de control Noviembre 09/09 TABLA No 4. LISTADO DE INSTRUMENTOS AREA 5 (PANEL USANDO NORMA ISA S5.4 E IEC 391)

ETIQUETA 123

456

DESCRIPCION

RANGO

LC1

150

PLC Micrologix 1500 serie C con modulo Scanner Device Net

0-110V

LC2 CK CM1 CM2 CM3 CM4 CM5 CM6 CM7

150 150 150 150 150 150 150 150 150

Nodo (NAGA) Contactor con relé térmico Relé de conmutación 1 Relé de conmutación 2 Relé de conmutación 3 Relé de conmutación 4 Relé de conmutación 5 Relé de conmutación 6 Relé de conmutación 7

0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

6. PROCEDIMIENTO

6.1 RECONOCIMIENTO EN CAMPO DE LA PLANTA SED a) A continuación ubique en la siguiente tabla la información (etiquetas) sobre cada uno de los instrumentos ubicados en los tanques: Especificaciones Tanque

Volumen (litros)

Detectores de nivel Alta

Caudal de entrada Válvula manual

Baja

Electroválvula

Caudal de salida Válvula manual

Electroválvula

Válvula de purga

TK1 TK2 TK3 TK4 TK5 b) Liste la etiqueta de los instrumentos y de la tubería aguas arriba y aguas abajo de los mismos para cada uno de los tanques de la planta SED. Tanque

Instrumento (etiqueta)

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Tubería aguas arriba

Tubería aguas abajo

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

6.2 RECONOCIMIENTO DE LA INSTRUMENTACION DE LA PLANTA SED Todos los instrumentos sean sensores o actuadores, tienen asociada una señal de entrada y una señal de salida. Por ejemplo una válvula manual tiene como señal de entrada una posición del vástago en un rango de 0 a 100% y tiene como señal de salida un caudal en el rango de 0-100% litros/min. Complete las dos tablas siguientes con la información faltante de la planta SED.

ETIQUETA 123

TABLA No 3. LISTADO DE INSTRUMENTOS AREA 5 (CAMPO UTILIZANDO ISA S5.1)

456

DESCRIPCION

FY1 FY2 FY3 FY4 FY5 FY6 FY7 FHV1

150 150 150 150 150 150 150 150

FHV2

150

FHV3

150

FHV4

150

P1

150

P2

150

P3

150

P4

150

P5

150

LLE/TK1

150

LHE/TK1

150

LLE/TK2

150

Electroválvula 1 Electroválvula 2 Electroválvula 3 Electroválvula 4 Electroválvula 5 Electroválvula 6 Electroválvula 7 Válvula 1 manual de bola Válvula 2 manual de bola Válvula 3 manual de bola Válvula 4 manual de bola Purga 1 de Vástago recto Purga 2 de Vástago recto Purga 3 de Vástago recto Purga 4 de Vástago recto Purga 5 de Vástago recto Sensor de nivel bajo del tanque 1 Sensor de nivel alto del tanque 1 Sensor de nivel bajo del tanque

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SEÑAL IN

RANGO

SEÑAL OUT

RANGO

0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0-120V 0–100%

0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–100% 0–110 V

0-110 V

0-110 V

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

LHE/TK2

150

LLE/TK3

150

LHE/TK3

150

LLE/TK4

150

LHE/TK4

150

LLE/TK5

150

LHE/TK5

150

MX1 MX2

150 150

ETIQUETA 123

2 Sensor de nivel alto del tanque 2 Sensor de Nivel bajo del tanque 3 Sensor de nivel alto del tanque 3 Sensor de Nivel bajo del tanque 4 Sensor de nivel alto del tanque 4 Sensor de nivel bajo del tanque 5 Sensor de nivel alto del tanque 5 Mezclador 1 Mezclador 2

0-110 V

0-110 V

0-110 V

0-110 V

0-110 V

0-110 V

0-110 V

0-110 V 0-110 V

TABLA No 4. LISTADO DE INSTRUMENTOS AREA 5 (PANEL USANDO NORMA ISA S5.4 E IEC 391)

456

DESCRIPCION

LC1

150

LC2 CK CM1 CM2 CM3 CM4 CM5 CM6 CM7

150 150 150 150 150 150 150 150 150

PLC Micrologix 1500 serie C con modulo Scanner Device Net Nodo (NAGA) Contactor con relé térmico Relé de conmutación 1 Relé de conmutación 2 Relé de conmutación 3 Relé de conmutación 4 Relé de conmutación 5 Relé de conmutación 6 Relé de conmutación 7

SEÑAL IN

RANGO

SEÑAL OUT

RANGO

0-110V

0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V 0-110V

6.3 RECONOCIMIENTO DE LA DOCUMENTACION DE LA PLANTA SED a) Diagramas de Flujo de Proceso (PFD) El flujo del líquido entre los tanques puede tomar distintas configuraciones de acuerdo al estado de las válvulas manuales. En el diagrama de la figura 8 se ha realizado un intento de ilustrar como el flujo viaja a través de la planta SED. En el diagrama se pueden visualizar los tanques, la motobomba, las válvulas manuales y electroválvulas y los agitadores. Sin embargo la figura 8 no es un Diagrama de flujo de Proceso (PFD) bien hecho, los tanques han sido dibujados como aparecen en la realidad, no se han empleado símbolos ISA, no se ve el movimiento del flujo y esto hace que no sea explicativo. Intente entender como se hace el recorrido del flujo en el diagrama de la figura 8, y posteriormente dibuje a mano alzada un PFD LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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que corrija los inconvenientes. Nota: busque en la bibliografía de las lecturas dadas al inicio del LCP que es un PFD profesional.

Figura 8. Borrador de diagrama de flujo de proceso de la planta SED

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b) Diagramas de tubería e instrumentación (P&ID) La sigla P&ID se entiende ampliamente como el principal documento utilizado para definir los detalles de cómo funciona y cómo se controla un proceso. La definición del Diccionario ISA dice lo que debe hacer “mostrar la interconexión entre los equipos del proceso y los instrumentos utilizados para controlarlo”. No hay acuerdo sobre qué información debe incluirse en un P&ID. No lo hay incluso en lo que las letras en la sigla representan. La P es a veces “piping” y, a veces, “process”. La letra I es a veces “instrumento” y, a veces, instrumentación. La D es a veces “dibujo” y, a veces, diagrama. Adicionalmente, los P&ID también se llamados erróneamente “diagramas de flujo”, a menudo seguido con otros descriptores, por ejemplo “de ingeniería”, “de control” , u otros. Un diagrama P&ID es un diagrama que muestra en parte el flujo del proceso, junto con el equipo y la instrumentación de los lazos de control instalados y desempeña un papel importante en el mantenimiento y modificación del proceso que describe. El diagrama P&ID es una representación pictórica de: * * * *

Detalles clave de los procesos y la instrumentación, Información de la puesta en marcha (start-up) y operación, Los sistemas de control y de apagado (shut-down) Requerimientos de seguridad y regulaciones.

El diagrama P&ID es fundamental para mostrar la secuencia física de los equipos y sistemas, así como la forma en que estos sistemas se conectan. Y como ya se menciono, durante la fase de diseño, el esquema también proporciona la base para el desarrollo de sistemas de control del sistema. No hay ningún estándar universal para el desarrollo de los P&IDs, pero en la industria de procesos el conjunto de símbolos para realizar los diagramas de los procesos se basa generalmente en la Norma ISA-S5.1. Sin embargo, la norma es un estándar muy flexible y tiene algunos problemas por resolver. Por ejemplo, un diagrama P&ID en el transcurso de su existencia tendrá muchos usos. El diagrama pudo ser desarrollado para el diseño y la construcción de la planta y puede ser usado para este propósito por tres o más años. Después de este período el funcionamiento de la fábrica puede usar el documento mientras la planta está en la operación, por quizás 10 a 30 años. Por lo tanto, la norma debería reflejar los requisitos para la información contenida en el diagrama útil durante las rutinas de operación, entrenamiento, mantenimiento, y los otros usos. Esta y otras situaciones dificultan el empleo del “estándar”1. Para subsanar estos problemas ISA ha creado el Standards Subcommittee SP5.7—‘‘Development and Use of Process Flow Diagrams and Piping and Instrument Diagrams’’. Existen muchas normas en la industria, y en otros campos especializados, que contienen referencias a los diagramas P&ID, y que pueden ser útiles durante el desarrollo de un P&ID. Entre otras cabe mencionar las normas, ISA-5.3-1983, SAMA PMC 22.1, ASA Y32.11, IEEE Std 315, etc. 1

Para mayor detalle consultar Meier FA "A P&ID standard: what, why, how?”, ISA Trans. 2002 Oct;41(4):389-94

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La figura 9 muestra un intento de diagrama P&ID bajo el escenario basado en PLC, en tanto que la figura 10 muestra el diagrama P&ID bajo el escenario basado en la red de bus de campo DeviceNet, ambas figuras usan la Norma ISA-5.1 e ISA 5.3. Sin embargo el gráfico de la figura 9 no es tan fácil de entender, por la distribución empleada, por los tamaños diferentes empleados en los símbolos, las líneas de tuberías se confunden con líneas de señales, hay abuso en el uso de las señales, en algunas partes se agrupan muchos instrumentos, no se representan la función de monitoreo y supervisión desde el PLC, entre otros

Figura 9. Borrador de diagrama P&ID de la planta SED escenario basado en PLC Realice un estudio detallado del diagrama de la figura 9 y dibuje a mano alzada una versión corregida y profesional para el P&ID de la planta SED bajo el escenario de automatización basado en PLC, tenga en cuenta que se requiere apoyo de normas adicionales a ISA 5.1.

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De la misma forma el diagrama de la figura 10, adolece de las mismas dificultades de su contraparte. Adicionalmente no se hace indicación de la red de bus de campo DeviceNet en el diagrama y tampoco se representa la capacidad de monitoreo y supervisión desde un PC comunicado al PLC que a su vez esta conectado a la red DeviceNet.

Figura 10. Borrador de diagrama P&ID de la planta SED bajo el escenario Red de bus de campo Realice un estudio detallado del diagrama de la figura 10 y dibuje a mano alzada una versión corregida y profesional para el P&ID de la planta SED bajo el escenario de automatización basado en red de bus de campo DeviceNet. Tenga en cuenta que se requiere apoyo de normas adicionales a ISA 5.1, consulte a su profesor por bibliografía adicional en este sentido.

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c) Típicos de cableado Los típicos de cableado se realizan usando la norma ISA s 5.4, complementando con la norma IEC 391. El cableado en la planta SED se realizo de la siguiente manera: • •

Borneras: Se identificaron con letras en mayúscula desde la A hasta la E. Conexión de los cables: cada cable indica de donde viene, es decir, si por ejemplo tenemos un cable que está conectado desde la bornera A hasta la B, el cable que llega a la bornera B debe decir que viene de la bornera A y viceversa. De igual forma ocurre con todas las conexiones que hay entre los dispositivos que están en el Panel.

Las tablas a continuación muestran la distribución de bornes de los elementos utilizados en los típicos de cableado. La tabla 7 de los relés de conmutación, la tabla 8 de la motobomba, la tabla 9 de las electroválvulas y la tabla 10 de los detectores de nivel. Tabla 7. Distribución de Bornes de los relés de conmutación Se aplica a: TAG 123 LLE LHE LLE LHE LLE LHE FY2 FY3 FY5 FY6 FY7 MX1 -

DESCRIPCION

456 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 -

I/O PLC

Límite inferior tanque 2 Límite superior tanque 2 Limite inferior tanque 3 Límite superior tanque 3 Límite inferior tanque 4 Límite superior tanque 4 Electroválvula de descarga del tanque 2 Electroválvula de carga del tanque 2 Electroválvula de descarga de los tanques 4 y 5 Electroválvula de carga del tanque 4 Electroválvula de descarga de los tanques 4 y 5 Mezclador del tanque 2 Inicio remoto de la motobomba (CM1) Parada remota de la motobomba (CM2)

I/3 (1) I/4 (2) I/5 (3) I/6 (4) I/7 (1) I/8 (2) I/9 (3) I/10 (4) O/2 (4) O/3 (1) O/5 (2) O/6 (3) O/7 (4) O/8 (3)

NODO DeviceNet I/1 (5) I/2 (6) I/3 (7) I/4 (8) I/5 (5) I/6 (6) I/7 (7) I/8 (8) O/4 (8) O/5 (5) O/6 (6) O/7 (7) O/8 (8) O/3 (7)

Relés

CM5 (9) CM5 (10) CM5 (11) CM5 (12) CM6 (9) CM6 (10) CM3 (12) CM4 (9) CM4 (10) CM4 (11) CM4 (12) CM3 (11) CM3 (9) CM3 (10)

Tabla 8. Distribución de Bornes para Motobomba Se aplica a: TAG 123 PP

456 150

BORNERA A Número de Borne 2

HASTA A

BORNERA D Número de Borne 15

I/O PLC O/10 (Start) O/11 (Stop)

Tabla 9. Distribución de Bornes para las Electroválvulas Se aplica a: TAG 123 FY1 FY2 FY3 FY4 FY5 FY6 FY7

456 150 150 150 150 150 150 150

BORNERA A Número de Borne 15 16 12 18 10 8 20

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HASTA A A A A A A A

BORNERA D Número de Borne 7 8 6 9 5 4 10

I/O PLC O/1 O/2 O/3 O/4 O/5 O/6 O/7

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Tabla 10. Distribución de Bornes para detectores de nivel de Efecto Hall Se aplica a: TAG 123 TK1-LLE TK1-LHE TK2-LLE TK2-LHE TK3-LLE TK3-LHE TK4-LLE TK4-LHE

456 150 150 150 150 150 150 150 150

BORNERA B Número de Borne 20 18 16 14 12 10 8 6

HASTA A A A A A A A A

BORNERA C Número de Borne 2 3 4 15 6 7 8 9

I/O PLC I/1 I/2 I/3 I/4 I/5 I/6 I/7 I/8

Con la ayuda de un multimetro, para medir continuidad, verifique la veracidad de las conexiones indicadas en las anteriores tablas. De haber algún tipo de error o inconsistencia corregir en las mismas tablas. Con la información correcta dibuje a mano alzada los diagramas de lazo según ISA 5.4 de: a) Los actuadores bajo el escenario basado en PLC b) Los detectores de nivel bajo el escenario basado en PLC Nota: En el anexo, al final de este mismo documento, se encuentra una serie de borradores de diagramas de lazo de la planta SED, pueden ser empleados como ayuda, para el diseño de los dos diagramas de lazo solicitados.

d) Diagramas de lógica cableada La lógica cableada es una forma de realizar control discreto sin PLC, en el que tratamiento de datos, botonería, sensores, etc., se efectúa mediante un conjunto de contactores o relés auxiliares. En la acepción de los técnicos electromecánicos, la lógica cableada industrial es la técnica de diseño de pequeños a medianamente complejos automatismos utilizados en plantas industriales. Los elementos utilizados en los diagramas de mando básicos en lógica cableada se muestran en la figura 11. Las Figuras 12 y 13 se muestran los diagramas de mando de la planta SED.

Figura 11. Elementos de mando básicos LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

a)Diagrama o circuito de mando motobomba b) Diagrama o circuito de potencia motobomba Figura 12. Diagramas de conexiones de la motobomba

Figura 13. Diagrama de conexiones PLC- Nodo DeviceNet (NAGA) Con la ayuda de su profesor del LCP intente entender la lógica de los diagramas de mando de la planta SED. Finalmente con la ayuda de la herramienta AutoCad Electrical realice los diagramas profesionales de los siguientes requerimientos: 1) 2) 3) 4) 5)

Diagrama de flujo de proceso de la planta SED Diagrama de tubería e instrumentación de la planta SED escenario basado en PLC Diagrama de tubería e instrumentación de la planta SED escenario basado en DeviceNet Diagrama de lazo de los actuadores de la planta SED escenario basado en PLC Diagrama de lazo de los sensores de la planta SED escenario basado en PLC

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

ANEXO : BORRADORES DE DIAGRAMAS DE LAZO DE LA PLANTA SED

Figura 14. Protección de la motobomba

Figura 15. Entradas y salidas del PLC

Figura 16. Entradas y salidas del Nodo (NAGA)

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Figura 17. ON/OFF Electrovalvula FY1

Figura 18. ON/OFF Electrovalvula FY2

Figura 19. ON/OFF Electrovalvula FY3

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Figura 20. ON/OFF Electrovalvula FY4

Figura 21. ON/OFF Electrovalvula FY5

Figura 22. ON/OFF Electrovalvula FY6

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Figura 23. ON/OFF Electrovalvula FY7

Figura 24. ON/OFF Mezclador 1

Figura 25. ON/OFF Mezclador 2

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Figura 26. Comunicación Sensor nivel bajo tanque 1 – Controlador 1

Figura 27. Comunicación Sensor nivel alto tanque 1 – Controlador 1

Figura 28. Comunicación Sensor nivel bajo tanque 2 – Controlador 1 y 2

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Figura 29. Comunicación Sensor nivel alto tanque 2 – Controlador 2

Figura 30. Comunicación Sensor nivel bajo tanque 3 – Controlador 1 y 2

Figura 31. Comunicación Sensor nivel alto tanque 3 – Controlador 2

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Figura 32. Comunicación Sensor nivel bajo tanque 4 – Controlador 1 y 2

Figura 33. Comunicación Sensor nivel alto tanque 4 – Controlador 1 y 2

Figura 33. Comunicación Sensor nivel alto tanque – Controlador 1 y 2

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PRÁCTICA N°1. RECONOCIMIENTO DE LA PLANTA DE SED

Figura 40. Planos de comunicación entre reles y el común de ellos

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