I LATINOMETALURGIA UNIVERISDAD SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO CUSCO - PERU
AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA CONCENTRADORA CON DCS EN BHPBILLITON TINTAYA S.A.
Dirigido A: Presidente del comité de trabajos técnicos. – I Latinometalrugia.
Autor(es): Helbert Zinanyuca Espinoza. Cargo: Jefe de control de Procesos. Empresa: BHPBilliton Tintaya S.A. Telf. 084-301150- anexo 2444. Mobile: 054-9376402. E-mail:
[email protected] Hugo Granados Rivas. Cargo: Superintendente de Procesos. Empresa: BHPBilliton Tintaya S.A. Telf. 084-301150- anexo 2408. Mobile: 054-9375674. E-mail:
[email protected]
Tintaya - 2005 ***************************************************************************************************
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TABLA DE CONTENIDO RESUMEN INTRODUCCIÓN
SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) DESCRIPCIÓN & EVOLUCION DE SISTEMAS DE CONTROL EQUIPOS DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) UNIDAD DE CONTROL DE PROCESO (PCU)
SISTEMA DE ALIMENTACION (MPSIII) UNIDAD DE MONTAJE DE MODULOS (MMU) UNIDAD REMOTA DE CONTROL ESTACIÓN DE TRABAJO DEL OPERADOR (OWS) ESTACIÓN DE TRABAJO DE INGENIERIA (EWS) INTERFASE C-NET A PCU MODULOS DE INTERFASE (NIS/NPM) MODULOS DE CONTROL (BRC-100) MODULOS INPUT/OUPUT (I/O). INTERFASE C-NET A PC O COMPUTADOR MODULOS DE INTERFASE (NIS/NPM) MODULOS DE CONTROL (BRC-100) MODULOS INPUT/OUPUT (I/O).
ARQUITECTURA DE CONTROL DE LA PLANTA CONCENTRADORA CONCLUSIONES.
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AUTOMATIZACION DE LA PLANTA CONCENTRADORA CON DCS EN BHPBILLITON TINTAYA S.A. By. Helbert Zinanyuca Espinoza Jefe de control de procesos, BHPBilliton Tintaya S.A. & Hugo Granados Rivas, Gerente de procesos, BHPBilliton Tintaya S.A. RESUMEN La planta concentradora de Tintaya inicia sus operaciones en marzo de 1,985 con la tecnología de control disponible de esos años, que consideraban sistemas de control primario Foxboro Spec200, usando interruptores hard-wired (botoneras on-off), controladores de loop individuales y grabadores de gráficos de tinta. Estos sistemas de control bajo un nuevo escenario de competitividad vienen quedando obsoletos, razón que Tintaya
inicio un proceso de modernización de la tecnología para lograr un
eficiente control de sus operaciones con altos rendimientos de su capacidad instalada, y a bajos costos de producción. BHPBilliton Tintaya ha planteado implementar sistemas de control modernos que fueron ejecutados en su primera fase en el molino de bolas 3 con un Sistema de Control Digital Distribuido (DCS bailey INFI-90), sobre este sistema de control supervisorio (DCS) se implemento además
un Sistema avanzado
de control
denominado Sistema Experto Minovex que optimiza y estabiliza el proceso, tomando como herramienta al DCS. En octubre del 2003 se inició con la segunda y tercera etapa de la automatización que comprendió la implementación del DCS a toda las áreas de la planta concentradora, con la versión mas actualizada de Sistemas de Control Digitales (DCS Bailey con Tecnología de Industrial IT módulos S-800). La ingeniería, desarrollo e implementación del proceso de automatización se realizo con la planta en plena marcha y tomo más de 01 año. Un aspecto clave de éxito fue el know-how de la Compañía y la capacitación del personal. Los beneficios alcanzados en la primera etapa fueron: el incremento de la capacidad de tratamiento del molino en 4%, granulometría homogénea para la etapa de flotación, mejor estabilidad del circuito, utilización eficiente de energía y reducción del consumo unitario de bolas y revestimientos, en la segunda y tercera etapa se espera replicar los beneficios en los otros molinos además de optimizar las
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operaciones de Chancado, flotación, sistemas de espesamiento y bombeo de agua con uso eficiente del personal. INTRODUCCION.
Los procesos de control para el beneficio de minerales hoy en día han alcanzado la automatización progresiva por medio de instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al operador de su función de actuación física directa en la planta teniendo mayor y efectiva vigilancia del proceso desde salas de control, el cual le permite al operador tener capacidades de respuesta en tiempos reales frente a diferentes eventos del proceso, menos variabilidad y mayor control del proceso con el propósito de incrementar la productividad de las plantas de beneficio de minerales. En el presente trabajo se pretende mostrar el proceso de automatización desde el punto de vista del usuario final, para proporcionar una visión global sobre los aspectos relacionados con la automatización de nuestro proceso a través de sistemas de control distribuido (Distributed Control Systems, DCS). Se describe en forma clara la arquitectura de control, las formas de conexión (Hardware) y la función que desempeña dentro del sistema cada uno de los componentes del sistema de control distribuido instalados en la planta concentradora de sulfuros de Bhpbilliton Tintaya S.A. así como algunos conocimientos básicos de manejo del sistema composer y conductor NT (Software) para realizar las funciones de configuración, monitoreo y control del proceso desde unidades remotas y/o estaciones de trabajo. Se presenta también los principales beneficios obtenidos, como el incremento en la utilización efectiva de los equipos, la reducción de la variabilidad del proceso, un incremento en la capacidad de tratamiento de la concentradora en 4% y consecuentemente la reducción de nuestros costos unitarios.
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SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO - DCS
DESCRIPCION.
Un Sistema de Control Distribuido (DCS) es un sistema de control y supervisión con algoritmos de control que residen en unidades de control por área (PCU’s) interconectados a través de un loop de comunicaciones, que maneja la información de campo (instrumentos) a través de un sistema computacional recibiendo y tomando decisiones de control en paralelo y a tiempo real del proceso. El entorno de la supervisión (pantallas del proceso), la lógica de control (PID proporcional integral derivativo) y lógicas de tipo secuencial es un SISTEMA INTEGRADO, que ya tienen una pre-ingeniería. Las alarmas y eventos del sistema se encuentran configuradas en la memoria de los controladores. Entre los principales componentes que tiene el DCS son los sistemas o protocolos de comunicación, hardware de control, los ordenadores y aplicación de software para el control de la supervisión.
Interfase de comunicación con el operador LOOP 1
Red Symphony Bailey INFI-NET Redundante
Cable Coaxial Tipo Belden 9880
PCU (Unidad de Control Procesos):
Transmisores electrónicos
Controladores
Proceso I/O I LATINOMETALURGIA – UNSAAC – CUZCO- PERU.
Sistema de Control Distribuido (DCS: Distributed Control System). El hombre en los últimos tiempos, con el propósito de controlar a tiempo real una gran variedad de dispositivos (sensores, válvulas, etc) ha ido desarrollando una serie de sistemas de control tal como se observa en cuadro adjunto. Hasta q a partir de los 90’s se tiene los sistemas de control distribuido DCS EQUIPOS DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO - HARDWARE
Dentro del Sistema DCS de la planta concentradora de Tintaya se cuenta con: •
08 Unidades de Control de Procesos (PCU)
•
01 Unidades de Control Remoto
•
05 Estaciones de Trabajo del Operador (OWS), Clientes
•
02 Servidores CNT, 01 Estación de trabajo de Ingeniería (EWS) – Composer.
Todos ellos conectados a una red INFINET o C-NET a través de interfases de comunicación entre: la Interfase C-NET a PCU y la Interfase C-NET a PC’c. Para ver el esquema del sistema de control con DCS Ver fig.1
ESQUEMA C-NET TO PCU & C-NET TO PC
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5 mbps
MODULOS DE COMUNICACION
NIS /NPM
NIS /NPM NIS /ICT
Barra de comunicaciones (CONTROL WAY) BUS ADAPTER
MODULOS DE CONTROL (CONTROLAD ORES)
BRC100
MMPI BRC100
TAG: 1.5.3.500
Protocolo Harmony Network (H-NET)
SERVIDOR INTERFASE
IOR800
IOR800 MODULE BUS COMUNIC. ÓPTICA
S-800
MODULOS I/O
SWITH S-800
I/O DEL PROCESO
Fi br a
Ó pt ic a
TAG: 1.5.3.500
MEDIA CONVERTER
RED LAN (RET ETERNET TCP/IP
INTERFASE CON PCU
INTERFASE CON PC
Fig. 1: Diagrama esquemático del sistema de automatización de la planta. (DCS)
1. UNIDAD DE CONTROL DE PROCESOS (PCU)
Las unidades de control de procesos (PCU) contienen los módulos que conforman los niveles de adquisición, acción y control de procesos. Estas unidades son las que ejecutan los programas de control y comunican al sistema Symphony con el proceso. Una unidad de control de procesos (PCU) está compuesta por: •
Sistema de alimentación (Modular Power Supply III): Imput 120 Vac, Ouput +5Vdc,+15Vdc, -15Vdc, +24Vdc.
•
Unidades de montaje de módulos (Module Mounting Unit, MMU). En las cuales se insertan los módulos de interfase de comunicación, módulos de control y los modulos I/O.
1.1 SISTEMA DE ALIMENTACION (Module Power Supply: MPSIII).
El MPSIII es el que suministra las tensiones de 5VDC, 15VDC, -15VDC, 24VDC, 48VDC y 125VDC para energizar tarjetas de comunicación, controladores y modulos I/O. Dependiendo del módulo el MPSIII acepta tensiones de entrada de 120 VAC, 240VAC y 125VDC.
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1.2. UNIDAD DE MONTAJE DE MÓDULOS (Module Mouting Unit: MMU) Los módulos del sistema se insertan en las unidades de montaje de módulos (MMU del inglés Module Mounting Unit), de las cuales puede haber varias en el PCU. Un MMU permite montar doce módulos y proporciona la interconexión de los mismos mediante las barras Controlway y Expander bus. 2. UNIDAD DE CONTROL REMOTO
A diferencia de las unidades de control de procesos, las unidades remotas solo contienen los módulos que conforman los niveles de adquisición y acción, más no el nivel del control del proceso. En Tintaya solo tenemos 01 unidad de control remota que opera con el sistema de bombeo de agua desde el rió hasta la planta. 3. ESTACIÓN DE TRABAJO DE OPERADORES (OWS) La estación de trabajo de los operadores es la interfase entre hombre y sistema (HSI, human-system interface en inglés) del Sistema de Control y Administración empresarial. Los componentes de la interfase hombre-sistema interfase (HSI) incluye los siguientes elementos: •
Procesadores
•
Monitores
•
Teclado
•
Módulos del sistema.
Los módulos el sistema se encuentran dentro de la consola, y sobre una Unidad de Montaje de módulos IEMMU12. En esta unidad de montaje tenemos los siguientes módulos: •
Interfase de procesador multifunción IMPM01.
•
Interfase de red INNIS01
•
Transferencia de computador a Infi-net INICT03A
•
Sistema modular de energía AC PAS02
4. SERVIDORES (2) OWS – CONDUCTOR NT. Conductor NT es una estación de operación desarrollada para trabajar con los sistemas Symphony e INFI 90 OPEN. (Pantalla del operador) 5. ESTACION DE TRABAJO DE INGENIERRIA (EWS) – COMPOSER
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Es el software de ingeniería o estación de ingeniería que permite configurar los principales módulos de comunicación y control, enlaces de loop, los módulos I/O del proceso, etc. Aquí se indica la dirección de LOOP, MODULO, NODO Y BLOCK. Ejemplo: IP ADREES 1.4.3.300 que corresponde para el arranque de un motor. LOOP = 1 MODULO (PCU) : 4 CONTROLADOR : 3. BLOCK O TAG: 300
INTERFASE C-NET A PCU MODULOS DEL PROCESADOR Dentro de ellos, se consideran a los módulos de comunicación y a los módulos de control, que veremos a continuación por separado e indicando algunas de sus características técnicas más importantes. MÓDULOS DE INTERFASE: Están conformadas por la tarjeta de interfase de red INNIS21 y la tarjeta de procesamiento de red INNPM12 que hacen posible la interfase entre el C-net y HCU o CPU a través de la Unidad Terminal de Comunicación NTCL01. Al mismo tiempo a través del modulo de procesamiento de red se comunica con los módulos de control vía Controlway. Fig. 2. C-net ó Control Network es una red de datos serial de alta velocidad unidireccional, que opera a una velocidad de comunicación de 10 Mbaud y permite hasta 250 nodos. Es un sistema de comunicación INFINET redundante. HCU ó Harmony Control Unit es el nodo de control fundamental del sistema Symphony. El gabinete del Harmony Control Unit contiene los controladores Harmony y los dispositivos de entrada y salida. La conexión del HCU al Cnet permite a los controladores Harmony a :
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•
Comunicar estados y valores de campo para el monitoreo y control del proceso.
•
Comunicar los parámetros de configuración que determina la operación de funciones tales como alarma, tendencia, e historia sobre una interfase maquina – hombre.
•
Recibir instrucciones de control desde una interfase maquina-hombre para ajustar salidas de campo del proceso.
•
Proporcionar realimentación al personal de planta de los cambios de salida actual.
Controlway es una barra de comunicación de gabinete interna entre los módulos controladores y los módulos de interfase de comunicación.
Fig.2. Cnet to HCU o PCU interfase.
MODULOS DE CONTROL Los módulos de control son los que ejecutan las estrategias de control del sistema. Estos módulos se comunican con sus módulos de entrada y salidas mediante el Bus Expander y con las interfaces de red del PCU mediante el bus Controlway.
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Los módulos de control poseen memorias no volátiles (NVRAM)) en las que se almacena la configuración para evitar su pérdida en caso de una caída de energía.
El Harmony Bridge Controller (BRC) es un controlador potente por sí solo para uso en complejas aplicaciones de control. Tiene la velocidad de procesamiento y la capacidad de almacenamiento necesario para aplicaciones de control avanzado. El modulo BRC100 es un dispositivo configurable por el usuario, que recibe salidas y entradas del proceso a través de una variedad de módulos digitales de entrada y salidas. El sistema Symphony usa una variedad de dispositivos de control analógico y digital (I/O) para la interfase con el proceso. Estos dispositivos I/O están disponibles usando la red de comunicación Harmony (H-net) ó desde controladores Harmony rack I/O usando el I/O Expander BUS. Los controladores BRC-100 está soportado por un par de controladores, primario y secundario redundante para asegurar la confiabilidad del proceso. Los mismos que están interconectados a través de un Procesador Autobús Adaptador (PBA). Los controladores procesan entradas y salidas, ejecutan algoritmos de control y señales de control de salida a los dispositivos del proceso. Ellos también importan y exportan datos desde uno a otro controlador u otro sistema de nodos, y aceptan comandos desde estaciones de trabajo de operador, o cualquier computador conectado a la red. Los controladores se comunican con otros mediante el Controlway. Ellos se comunican
con la red Cnet vía los módulos de comunicación INNIS21,
INMPM12. Cada controlador ocupa un simple slot en la unidad de montaje de módulos. Consiste de una tarjeta de circuito impreso que va conectada al Backplane de la unidad de montaje MMU. Los leds en la parte frontal del módulo displaya errores de mensajes y datos de diagnostico. Un led rojo / verde indica el estado de los modos de operación.
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BRC-100
Fig. 3 Controller architecture.
MODULOS I/O (S-800) Los módulos S-800 están siendo exitosamente aplicados en cualquier industria principalmente por; su modularidad, sistemas de diagnósticos integrados y su fácil localización remota y es parte de ABB control IT. MODULO IOR-800 GATEWAY. El modulo IOR800 es una interfase que permite el acceso entre el controlador BRC y los módulos de entradas y salidas I/O S-800 a través de la red harmony network (Hnet) en tiempo real. El IOR800 se comunica hacia los módulos S-800 I/O module Bus a través de fibra óptica solamente que recae en los cluster modems (Redundantes). Los IOR800 pueden conectarse a 7 cluster modems vía fibra óptica modelebus y cada cluster MODEM puede soportar a su vez a 12 bloks S-800 I/O. Ver Fig. 4
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Optical IOR 800 Modulebus Gateway Repeater
Harmony Bridge Controllers BRC-100
Cluster Modem
X 1
M1
X 2
M2
S800 I/O Modules
HNE T HNE T
S800 I/O Modules M1
M2
Harmony Bus Up To 2500 m / 8000 ft
Fiber Optic Modulebus Up to Cluster 200 m / 600 Modem ft Harmony Repeater,
HNE
Up To 12 Modules per Nodes
HNE T
Fig. 4. Harmony Bridge Controller to S-800 I/O interface.
MODULOS S-800 I/O
AI810
8 ch
Analog Input Current Source, 0(4)-20mA, 0-10V, 12 bits, Accuracy 0.2%, Isolation: 1 group of 8
AI830
8 ch
RTD Input 100 ohm Pt, Ni, Cu, 120 ohm Ni, 0-400 ohm resistor, 15 bits, Accuracy 0.1%
AO810
8 ch
Analog Output 0 (4)-20m, 14 bits, Accuracy 0.2%, Isolation
DI820
8 ch
Binary Input 110 VDC / 120 VAC, Isulation: Individual
DO820
8 ch
Binary Output (Relay N.O) 5-250 V AC/DC, 3A, Isulation: Individual
INTERFASE CNET a PC O COMPUTADOR.
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La interfase Cnet a computador está conformada por el módulo interfase de red INNIS01, el módulo de transferencia a computador INICT03, y la interfase de procesador multifunción. Esta interfase da acceso a un punto de Cnet a un computador. El computador se conecta a través de un puerto paralelo SCSI.(Ver fig. 5 ). Tanto las conexiones a la red Cnet como al computador se realiza a través de las unidades terminales NTCL01(unidad terminal de comunicación) y NTMP01 (unidad terminal del procesador multifunción), respectivamente. Veremos a continuación algunos detalles técnicos acerca de cada uno de los módulos que conforman la interfase Cnet – Computador
Fig. 5.Cnet to computer interface.
INTERFASE DE RED INNIS01
Es el enlace inteligente entre un nodo y la red Cnet. En este caso, trabaja conjuntamente con el módulo INICT03. Es el que permite la comunicación de un nodo a cualquier otro del sistema. La tarjeta de circuito impreso contiene un microprocesador basado en circuitos de comunicación que lo posibilita enlazarse con
el módulo INICT03 sobre un I / O
Expander Bus dedicado.
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El módulo INNIS01 se conecta a través de sus 3 conectores de borde de la siguiente manera: P1 se conecta a la fuente común de +5 VDC, - 5 VDC, - 15 VDC. El conector P2 se conecta al I / O Expander Bus para comunicarse con el módulo INICT03. El módulo INIS01 se conecta a su red de comunicación a través de un cable conectado entre su conector P3 y la unidad terminal NTCL01. La comunicación entre nodos es a través de cables coaxiales que conectan las unidades terminales de cada nodo. MÓDULO DE TRANSFERENCIA A COMPUTADOR INICT03A
La interfase Cnet (Control Network) a computador es una interfase de comunicación de la familia Harmony. Proporciona a un computador o a una interfase hombre-sistema (Estación de trabajo de operador) acceso a la red Cnet en un Sistema de Control y Administración Symphony. El módulo INICT03 es una tarjeta de circuito impreso que ocupa un slot en la unidad de montaje e módulos. La tarjeta contiene microprocesadores basados en circuitos de comunicación que lo posibilita comunicarse directamente con su módulo INNIS01 y su módulo IMMPI01, y para enlazar al Control way. 2 Tornillos aseguran la placa frontal del módulo a la unidad de montaje. Hay 17 leds en la placa frontal y un botón pulsador de Parada / Reposición (Stop / Reset). El módulo INICT03 tiene tres conectores para señales externas y energía (P1, P2 y P3). Conector P1 conecta a la alimentación de +5 VDC y Controlway. Conector 2 conecta el módulo INICT03 al I / O Expander Bus. Las señales de control y datos se conecta desde el módulo INICT03 al módulo IMMPI01 a través de un CABLE PLANO DE 60 PINES. El Cable se conecta entre el conector P5 de INICT03 y el conector P6 del IMMPI01. INTERFASE DEL PROCESADOR MULTIFUNCIÓN (IMMPI01)
El módulo de interfase del procesador multifunción manipula la interfase de Entradas / salidas entre el computador y el módulo INICT03. El módulo IMMPI01 es una simple tarjeta de circuito impreso que ocupa una ranura (slot) en la unidad de montaje de módulos. Esta tarjeta contiene un microprocesador basado en circuitos de comunicación que lo comunica con su INICT03 a través del cable plano. El módulo IMMPI01 tiene tres conectores de borde para señales externas y alimentación (P1, P2 y P3). Conector P1 conecta a la alimentación de +5 VDC y común. Conector P2 no es usado. Conector P3 es usado para conectar el cable que
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va a la unidad terminal IMMPI01. El conector P6 es usado para conectar el módulo IMMPI01 al módulo INICTI03. Tambien puede conectarse directamente hacia el computador desde esta tarjeta IMMP01 a través de cable SCSI. ARQUITECTURA DE AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA CONCENTRADORA.
Con la implementación del sistema de control distribuido DCS en la planta concentradora se tiene un loop redundante con sus respectivos PCU´s y módulos de comunicación, para realizar el control de los circuitos de chancado I, chancado II, molinos 1,2 y 3, Flotación, espesamiento y planta de agua. Fig. 6 Conductor NT Clientes Sala de Control CON23
Sala de Control CON24
Sala de Control CON25
Chancado I CON27
Chancado II y II CON28 Red Ethernet TCP/IP
EWS31
CON21
Composer
Servidores Sala de Control
CON22
Conductor NT Conductor NT
LOOP C-NET Redundante
PCU 0 Gabinete PCU 2 Comun. Gabinete PCU 3 Molino1 Gabinete PCU 1 Molino2 Gabinete Molino3 Fase II Fase I
PCU 4 Gabinete Zona 3A
PCU 5 Gabinete Zona 3B
PCU 6 Zona Complem. & Remolienda
PCU 8 Gabinete PCU 7 Chancado Gabinete II y III Chancado I
Fig. 6. Arquitectura de la planta concentradora de Tintaya.
CONCLUSIONES.
El sistema de control DCS en la planta concentradora de Tintaya nos permite tener mejor control del proceso en tiempo real, eliminando las ineficiencias de control propias de la dependencia del control manual del operador, como consecuencia se incremento nuestra capacidad de tratamiento en el orden de 4% . Se tiene mejor administración e identificación de las alarmas “Condición de fallas” que presenta el proceso, lo cual es una fuerte ayuda para el operador y mantenimiento.
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Se tiene una plataforma de información que puede servir de base a sistemas gerenciales de administración de data como el caso del HONEYWELL, PI, GSAP, etc. Se tiene un Sistema Experto como uno de los sistemas de control mas avanzado que se tiene implementado en la molienda de Tintaya, permitiendo alcanzar niveles optimizantes de nuestro proceso, logrando no solo un máximo de tonelaje; sino controlando además en un rango optimo la granulometría final y demás variables del proceso de molienda en modo automatizado.
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