“2010, Año de la Patria. Bicentenario del inicio de la Independencia y Centenario del Inicio de la Revolución”
SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA “INTEGRACIÓN DE UN PROYECTO PARA AUTOMATIZAR CON PLC Y SCADA EL PROCESO BACTERINAS EN PLANTA BOEHRINGER – INGELHEIM”
TRABAJO PROFESIONAL (OPCIÓN VII) MEMORIA DE EXPERIENCIA LABORAL QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO ELECTRÓNICO PRESENTA: JAVIER ENRRIQUEZ RODRIGUEZ
ORIZABA, VER. MÉXICO
OCTUBRE DE 2010
Avenida Oriente 9 Núm. 852, Colonia Emiliano Zapata, C.P. 94320 Orizaba, Veracruz, México Teléfonos: (272) 7 24 40 96, (272) 7 24 40 16, (272) 7 24 45 79 Fax: (272) 7 25 17 28
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Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
ÍNDICE INTRODUCCIÓN. Justificación. Objetivos. Planteamiento del problema y metodología. Caracterización del área de participación.
CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1
Definición del problema.
7
1.1.1
Definición y descripción del proceso bacterinas.
7
1.2
Justificación.
11
1.3
Metodología para elaborar el proyecto.
12
1.4
Diagrama de flujo.
13
1.5
Alcance de obra.
16
1.6
Costos estimados.
19
CAPÍTULO 2 INGENIERÍA BÁSICA 2.1
Programa de obra.
25
2.1.1
Programa de obra del proceso bacterinas.
27
2.1.2
Metodología para elaborar el programa de obra del proceso bacterinas.
27
2.1.3
Formato de programa de obra para el proceso bacterinas.
28
2.1.4
Listado de actividades para integrar el proceso bacterinas.
29
2.1.5
Tiempos programados y ejecutados.
30
2.2
Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI) del proceso bacterinas.
32
2.2.1
Elaboración de un DTI.
33
2.2.2
Lazos de control en el DTI.
33
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
2.2.3
Criterio para dibujar equipos y tuberías en el DTI.
35
2.2.4
Simbología de instrumentos en el DTI y otros planos.
38
2.2.5
Código de colores para el DTI.
44
2.3
Filosofía de control.
47
2.4
Arquitectura de control del proceso bacterinas.
61
2.4.1
Características de la arquitectura de control.
62
2.4.2
Elaboración de la arquitectura de control.
62
2.5
Índice de instrumentos.
76
2.6
Hojas de especificaciones.
80
2.7
Tablas comparativas.
89
2.8
Listado de asignación de señales.
91
2.8.1
Asignación de señales del proceso bacterinas.
93
CAPÍTULO 3 INGENIERÍA DE DETALLE 3.1
Diagramas funcionales de instrumentación o de lazo.
96
3.1.1
Contenido de un diagrama de lazo.
97
3.1.2
Formato de un diagrama de lazo.
99
3.1.3
Símbolos.
100
3.1.3
Suministro de energía al instrumento.
100
3.2
Dibujos típicos de instalación de instrumentación.
102
3.2.1
Recomendaciones para la realización de un dibujo típico de instalación.
103
3.3
Diagramas de alambrado.
106
3.3.1
Contenido mínimo de un diagrama de alambrado.
106
3.3.2
Diagrama de alambrado de proyecto bacterinas.
107
3.4
Diagramas de ubicación de instrumentos.
113
3.5
Diagramas de gabinetes.
115
3.5.1
Distribución del interior de un gabinete de control.
115
3.5.2
Pantalla táctil para el proceso bacterinas.
121
3.5.3
Materiales requeridos para armado de gabinete.
122
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
3.5.4
Dimensionamiento de gabinete de control del proceso bacterinas.
123
3.5.5
Ensamble del gabinete de control del proceso bacterinas.
124
3.6
Red de comunicación industrial.
127
3.6.1
Red de Área Local (Local Area Network).
128
3.6.2
Red Industrial para instrumentos de campo HART.
140
3.7
Programación de PLC.
145
3.7.1
Lenguajes de programación.
145
3.7.2
Programación del PLC CPX del proceso bacterinas.
149
3.8
Implementación de un sistema HMI SCADA.
161
3.8.1
Definición de los sistemas SCADA.
161
3.8.2
Antecedentes históricos de los sistemas SCADA.
161
3.8.3
Objetivos.
163
3.8.4
Servicios de un sistema SCADA.
163
3.8.5
Ventajas.
164
3.8.6
Entorno.
165
3.8.7
Criterios de selección y diseño.
166
3.8.8
Arquitectura de un sistema SCADA.
169
3.8.9
El software.
173
3.8.10
Configuración.
175
3.8.11
Interface gráfica del proceso bacterinas.
175
CAPÍTULO 4 INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE PROYECTO 4.1
Pruebas a gabinete de control.
185
4.2
Pruebas a PC de estación de operación.
187
4.2.1
Pruebas preliminares a PC de la estación de operación.
188
4.2.2
Pruebas de comunicación a PC de la estación de operación.
190
4.3
Pruebas a señales de instrumentos de campo.
191
4.4
Calibración, configuración y ajuste de instrumentos de campo.
194
4.4.1
Métodos de calibración.
195
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
4.4.2
Certificado de calibración (certificado de trazabilidad).
200
4.4.3
Tipo de formato.
201
4.4.4
FieldMate para configuración y calibración de instrumentos.
201
4.4.5
Calibración de un transmisor de presión.
203
4.5
Pruebas en seco.
207
4.6
Pruebas con agua.
209
4.7
Pruebas con producto.
210
CONCLUSIONES.
RECOMENDACIONES.
GLOSARIO DE TÉRMINOS.
BIBLIOGRAFÍA Y SOFTWARE.
ANEXOS.
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
LISTA DE FIGURAS. No.
Descripción
Página
1.1
Diagrama de Flujo para la integración del proyecto bacterinas.
15
2.1
Diagrama de Tuberías del Cuarto Estufa del proceso bacterinas.
35
2.2
Diagrama de Tuberías del Bio – Reactor 2 del proceso bacterinas.
36
2.3
Diagrama de Tuberías del Tanque de Inactivación del proceso
37
bacterinas. 2.4
DTI del Cuarto Estufa del proceso bacterinas.
41
2.5
Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Bio – Reactor del proceso
42
bacterinas. 2.6
Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Tanque de Inactivación del
43
proceso bacterinas. 2.7
Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Cuarto Estufa del proceso
45
bacterinas con colores. 2.8
Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Bio- Reactor del proceso
46
bacterinas con colores. 2.9
Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Tanque de Inactivación del
46
proceso bacterinas con colores. 2.10
Hoja de presentación de la filosofía de control del proceso bacterinas.
50
2.11
Terminal CPX con PLC y sus módulos de expansión I/O.
65
2.12
Módulo de Salidas Digitales tipo CPX-8DA.
65
2.13
Módulo de Entradas analógicas tipo CPX-4AE-I.
67
2.14
Módulo de Entradas Analógicas tipo CPX-PT100.
69
2.15
Módulo de Salidas Analógicas tipo CPX-2AA-U-I.
71
2.16
PLC CPX de Festo con módulos I/O.
75
2.17
Arquitectura de control del proceso bacterinas.
76
2.18
PLC CPX Festo con módulos de entradas y salidas digitales del proceso
93
bacterinas. 2.19
Módulo CPX de salidas digitales.
3.1
Diagrama de lazo de control de presión del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas.
94 101
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
3.2
Diagrama de típico de instalación del transmisor de presión del tanque de
105
inactivación del proceso bacterinas. 3.3
Ejemplo de identificación de cables y clemas.
111
3.4
Diagrama de alambrado del modulo 2 de salidas digitales del CPX del
112
PLC de FESTO. 3.5
Diagrama de ubicación de instrumentos.
114
3.6
Partes de terminal CPX.
117
3.7
Partes de un Módulo de la Terminal CPX
119
3.8
Ensamble de la Terminal CPX.
120
3.9
Tres vistas de la pantalla táctil del proceso bacterinas.
122
3.10
Tapa frontal del gabinete de control del proceso bacterinas.
123
3.11
Dimensiones de gabinete de control del proceso bacterinas.
124
3.12
Diagrama de platina del gabinete de control del proceso bacterinas.
126
3.13
Cable de conexión UTP con conectores RJ45.
132
3.14
Esquemas de cableado TIA/EIA-568-A y TIA/EIA-568-B.
133
3.15
Jack RJ-45.
134
3.16
Arquitectura de Red de Área Local del proceso bacterinas.
135
3.17
Ventada de propiedades de conexión de área local.
136
3.18
IP de área local.
137
3.19
Mascara de subred.
138
3.20
Acceso a ventana nuevo driver.
138
3.21
Nuevo driver.
139
3.22
Selección nuevo driver.
139
3.23
Asignar una dirección IP al nuevo driver.
139
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
3.24
Comunicación digital HART superpuesta a la señal analógica de 4-
140
20mA. 3.25
Comunicación digital HART superpuesta a la señal analógica de 4-
141
20mA. 3.26
Codificación FSK del protocolo HART sobre la señal analógica 4-20mA.
142
3.27
Configuración con dos maestros para acceder a la información de campo.
142
3.28
Comunicación HART maestro-esclavo.
143
3.29
Comunicación HART modo “Burst”. (Opcional).
143
3.30
Conexión de dispositivos HART en red multipunto.
143
3.31
Nuevo proyecto.
150
3.32
Configuración de PLC.
150
3.33
Selección de Nuevo programa.
151
3.34
Selección de tipo de lenguaje de programación.
151
3.35
Control de temperatura en Cuarto Estufa.
155
3.36
Control de Oxigeno en Cuarto Estufa.
156
3.37
Programa de arranque de esterilización en Tanque de Inactivación.
157
3.38
Control de esterilización en Tanque de Inactivación.
158
3.39
Control de Temperatura en Tanque de Inactivación.
159
3.40
Tiempo de esterilización..
159
3.41
Operación manual de válvulas del proceso bacterinas
160
3.42
Pirámide de la automatización (CIM).
166
3.43
Configuración del controlador.
174
3.44
Librería de objetos gráficos del software de desarrollo SCADA.
176
3.45
Interface gráfica del proceso bacterinas.
179
3.46
Driver de comunicación EasyIP de Festo.
181
3.47
Base de datos en sistema SCADA del proceso bacterinas.
181
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
3.48
Gráfica de tendencias del sistema SCADA del proceso bacterinas.
183
4.1
Menú de inicio.
188
4.2
Ventana ejecutar.
188
4.3
Ventana para acceder a comandos de Windows.
189
4.4
Acceso a la dirección IP de la estación de operación.
189
4.5
Comprobación de conexión a un equipo remoto.
190
4.6
Comprobación de conexión a un equipo integrado a la red local.
190
4.7
Diagrama a bloques de calibración de instrumentos.
195
4.8
Calibración de un manómetro analógico y de una balanza de masa por
196
comparación
directa.
4.9
Calibración de una pesa por sustitución.
197
4.10
Calibración de una pesa por equilibrio.
198
4.11
Simulador eléctrico de mA.
198
4.12
Marco de pesas (reproducción).
199
4.13
Punto de hielo (punto fijo).
200
4.14
Arquitectura de comunicación del software FieldMate.
202
4.15
Conexión de USB HART MODEM.
203
4.16
Conexión de fuente de 24 VCD y resistencia de 250 Ω.
204
4.17
Conexión de USB HART MODEM en paralelo.
204
4.18
Pantalla de software FieldMate.
205
4.19
Pantalla de parámetros para configurar el transmisor desde el software
206
FieldMate.
4.20
Pantalla de parámetros para configurar el display desde el software FieldMate.
206
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
LISTA DE TABLAS. No.
Descripción
Página
1.1
Simbología utilizada en los diagramas de flujo.
14
1.2
Etapa de control en tanque de preparación de medios.
17
1.3
Etapa de control en Bio - Reactor.
18
1.4
Etapa de control en Cuarto de Inactivación.
18
1.5
Tabla de variables a controlar o registrar en el proceso bacterinas.
18
1.6
Costos estimados de servicios de ingeniería.
21
1.7
Costos estimados de servicios de mano de obra.
23
1.8
Costos estimados de materiales.
24
2.1
Formato de programa obra del proceso bacterinas.
28
2.2
Formato de obra con lista de actividades y tiempos programados.
31
2.3
Criterios de simbología para instrumentos del proceso bacterinas.
39
2.4
Criterios de simbología para Controladores, Indicadores, Registradores
40
y Alarmas del proceso bacterinas. 2.5
Código de colores del DTI del proceso bacterinas.
45
2.6
Identificación de elementos para la filosofía de control.
51
2.7
Variables visualizadas en el sistema SCADA.
61
2.8
Tabla comparativa de Sistemas de Control.
63
2.9
Datos técnicos generales del módulo de Salidas Digitales.
66
2.10
Datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas.
67
2.11
Datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas para RTD
70
PT100.
2.12
Datos técnicos generales del módulo de Salidas Analógicas de 4 a 20 mA.
72
2.13
Sumario de señales del proceso bacterinas.
73
2.14
Módulos de entradas y salidas del PLC CPX de Festo.
74
2.15
Índice de Instrumentos del proceso bacterinas.
78
2.16
Hoja de especificaciones de los sensores de temperatura del proceso
82
bacterinas. 2.17
Hoja de especificaciones del transmisor de presión del proceso bacterinas.
84
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
2.18
Hoja de especificaciones del Transmisor –Controlador de O2 del
85
proceso bacterinas. 2.19
Hoja de especificaciones del Transmisor –Controlador de pH del
86
proceso bacterinas. 2.20
Tabla comparativa del transmisor de presión manométrica del proceso
91
bacterinas. 2.21
Formato de hoja de señales del PLC CPX Festo del proceso
94
bacterinas. 2.22
Asignación de señales para el Módulo CPX de 8 salidas digitales.
95
3.1
Información de conexiones del módulo de 8 salidas digitales.
108
3.2
Interpretación de las conexiones del módulo de 8 salidas digitales.
108
3.3
Criterio de identificación de cables del módulo 2 de salidas digitales.
111
3.4
Código de colores de cables de señales y alimentación.
112
3.5
Listado de las partes de la terminal CPX y módulos.
117
3.6
Tabla de figuras de materiales para gabinete de control.
122
3.7
Instrucciones lógicas de escalera.
146
3.8
Comandos Boléanos típicos y diagrama de escalera equivalente.
148
3.9
Escalamiento de señal analógica de la variable presión del Tanque de
152
Inactivación. 3.10
Listado de Tags para la programación del PLC CPX del proceso
153
bacterinas. 3.11
Listado para direccionamiento de bit, bytes, banderas palabras,
154
contadores y timers. 3.12
Colores según estado.
176
3.13
Colores según campo de trabajo.
177
3.14
Señales de seguridad (niveles de percepción de los colores).
177
3.15
Tabla de objetos estáticos y dinámicos del sistema SCADA del
178
proceso bacterinas. 4.1
Tabla de instrumentos a probar.
193
4.2
Material requerido para la calibración de instrumentos del proceso
203
bacterinas.
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
4.3
Hoja de calibración de instrumentos.
207
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
INTRODUCCIÓN. Para la automatización de un proceso industrial en el área de instrumentación y control, es importante contar con el desarrollo de la ingeniería necesaria, tal como la ingeniería básica e ingeniería de detalle, donde se realizan los documentos del diseño de la instalación de los equipos e instrumentos de todo el proyecto, estos documentos pueden ser el diagrama de flujo, diagrama de tuberías e instrumentación, los lazos de control, diagramas de alambrado, especificaciones de instrumentos, etc.
Los procedimientos del desarrollo de la documentación de la ingeniería se hacen mediante normas de simbología y diagramas como las que publica la Sociedad de Instrumentistas de América (ISA por sus siglas en ingles Instruments Society of America).
Los símbolos y diagramas son usados en la información de ingeniería para el control de procesos, para indicar los instrumentos de campo, el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectados y de alguna manera, la aplicación en el proceso.
Este documento esta basado en esas normas, que ayudarán a utilizar e interpretar los símbolos utilizados en el control de procesos, así como también a realizar el desarrollo de la ingeniería básica y la ingeniería de detalle para un proyecto de automatización que permitirán realizar su integración a partir del diseño de los diagramas mas importantes. Además en este documento se describe el procedimiento para realizar cada uno de los documentos mas importantes que se deben realizar en la documentación de ingeniería.
El presente documento describe de forma sintética todas y cada una de las actividades en las que se participó para la integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas de una planta farmacéutica en Guadalajara. Jal.
En la planta BOEHRINGER – INGELHEIM de Guadalajara surge la necesidad de crear una nueva área en su proceso bacterinas, en la que tiene como finalidad realizar la 1
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
incubación y reproducción de bacterias y otros microorganismos que se utilizan como base para la elaboración de sus productos debido a la creciente demanda de sus clientes a nivel nacional e internacional. En base a lo anterior la planta BOEHRINGER – INGELHEIM solicita la automatización, visualización y registro de las variables de proceso, además de que debe de cumplir con sus normativas de operación y accesos con niveles de seguridad a través de una estación de operación con acceso remoto mediante una red de comunicación industrial.
Justificación. Dada la necesidad de la planta farmacéutica BOEHRINGER - INGELHEIM de tener una nueva área en su proceso de bacterinas para el cultivo de bacterias y microorganismos para la elaboración de sus diferentes productos, se realiza una propuesta para realizar la integración de un proyecto de automatización de su proceso, de tal manera que la operación del proceso sea de forma fácil y de rápido acceso de forma local o remota, además toda la información que se genere quedará documentada para los diagnósticos, pruebas o para alguna futura expansión del proceso. También el sistema de automatización debe realizarse en un periodo de tiempo corto.supertera
Para esta aplicación se emplea un autómata programable también llamado PLC que puede ser comunicado a un sistema SCADA de fácil implementación y de bajo costo, reduciendo los tiempos de programación configuración y puesta en marcha. Este sistema cumple satisfactoriamente con los requerimientos que la planta solicita como son:
1. Operación del proceso a través del sistema supervisorio SCADA desde una pantalla táctil de forma fácil y confiable. 2. Implementación de un autómata programable confiable
con un bus de
comunicación de alta velocidad, que permitirá interactuar de forma rápida con las pantallas de operación del sistema SCADA. Esto es importante para el proceso, debido a que es crítico. 2
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
3. Accesos a distintos niveles en las pantallas de operación que no son más que permisos para la operación y manipulación de los parámetros. 4. Alarmas críticas para toma de acciones ante cualquier eventualidad anormal. 5. Visualización remota del proceso a través de una red de comunicación industrial.
Objetivo general.
Integrar un proyecto para automatizar los equipos nuevos del proceso bacterinas en la planta BOEHRINGER - INGELHEIM de Guadalajara Jal, mediante la implementación de un sistema de automatización y un sistema SCADA, de tal forma que cumpla con las normativas de operación del proceso de forma funcional y confiable a bajo costo de acuerdo a los requerimientos de dicha planta.
Objetivos particulares.
1. Integrar la información de ingeniería de detalle e ingeniería básica del proyecto con la normatividad y estándares nacionales e internacionales de fácil interpretación para una futura expansión o diagnósticos. 2. Facilitar la operación y visualización local y remota del proceso en una o varias pantallas de operación a través de una pantalla táctil. 3. Crear niveles de accesos a pantallas y registros de tendencias históricas de las variables de proceso para cumplir con las normativas de operación requeridas por la planta. 4. Automatizar el proceso de tal forma que quede preparado para una futura expansión.
3
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
Planteamiento del problema y metodología. En la planta BOEHRINGER - INGELHEIM de Guadalajara se instalará un Tanque de inactivación y un bio reactor, además se acondicionará un cuarto estufa, los cuales serán equipos nuevos como parte adicional a un proceso llamado bacterinas, en estos equipos se realizará la reproducción e incubación de bacterias que se utilizan para la elaboración de sus diferentes productos.
En la planta se manejan ciertos protocolos y normativas para la elaboración de sus productos y por ende repercute en la forma de operar sus equipos, para poder cumplir con ellas, es fundamental realizar la automatización y visualización mediante un sistema SCADA a dichos equipos, y de esta manera tener un registro histórico de tendencias del comportamiento de las variables durante la operación y a su vez se debe tener un control de accesibilidad mediante permisos para la manipulación y operación del proceso, es decir, el personal de operación del proceso no debe tener el acceso total de la operación del proceso, como por ejemplo la manipulación manual de válvulas desde pantalla, entre otras funciones.
La automatización del proceso debe ser a un costo accesible y cumplir con los requerimientos de calidad que el proceso de la planta necesita bajo la siguiente metodología: 1. Desarrollo de la Ingeniería básica y de detalle. 2. Reuniones con el personal de ingeniería de la planta BOEHRINGER – INGELHEIM para dar a conocer la filosofía de control del proceso. 3. Desarrollar el programa para PLC en base a la filosofía de control del proceso. 4. Generar alarmas para variables críticas de operación. 5. Implementar un paro de emergencia total del proceso. 6. Elaborar pantallas de operación con gráficos dinámicos del proceso con los equipos e instrumentos principales.
4
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
7. Incluir códigos de acceso para distintos niveles en pantallas de operación: Cada nivel de acceso tendrá diferentes permisos, tanto para la operación como para la modificación de parámetros, setpoints entre otros. 8. Instalar una red de comunicación industrial para el acceso remoto a las pantallas de operación (bus de campo). 9. Capacitación a personal de mantenimiento y de operación para el manejo de la información de ingeniería, programación de PLC y desarrollo de pantallas en sistema SCADA, como un valor agregado al servicio. Los puntos anteriores cumplen satisfactoriamente con las normativas de operación y control de calidad de la planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
Caracterización del área de participación. Para el trabajo de integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM, se requiere una caracterización del área de participación., que en este caso, esta representada en un organigrama del equipo de trabajo para el proyecto, el cual es el siguiente:
5
Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
Director del Proyecto: Es el líder de proyecto designado por la planta BOEHRINGER – INGELHEIM, que tiene la encomienda de dirigir al personal involucrado en el proyecto, quien toma las decisiones mas importantes y que tiene la responsabilidad suprema de lograr éxito para el buen término del proyecto. Ingeniería y Supervisión del Proyecto: Informa de manera periódica al Director del Proyecto los avances y recomendaciones pertinentes antes, durante y después del desarrollo del proyecto. Realiza la ingeniería, la adquisición de equipo, programación del PLC y configuración de los instrumentos de campo requeridos para el proyecto. Supervisa al personal a su cargo, haciendo diferentes encomiendas requeridas y necesarias para lograr el éxito del proyecto. Sistemas Computacionales: Se encarga de allanar la ruta direccionada al área de sistemas, de tal forma que los equipos de cómputo queden debidamente preparados para la adquisición de datos, habilitando los permisos, en base a los diferentes niveles de acceso. Eléctrico: Se encarga de la instalación eléctrica en planta y en el armado del tablero de control. Automatización: Se encarga de la asistencia técnica para conjuntar todo lo necesario para la automatización del proyecto. Contratista: Realiza las actividades de instalación mecánica, soportaría, instalación de gabinete y tuberías diversas.
6
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Definición del problema. En la industria se utiliza muy a menudo el término denominado como “Know how” para referirse a la descripción de un proceso, esta información normalmente no es totalmente divulgada. En el caso del proceso bacterinas no es la excepción y también puede ser llamado “Know how del proceso bacterinas”. Cabe mencionar que en la definición y descripción detallada del proceso bacterinas no se hace mención de los datos como tiempos de incubación o datos que no tienen que ver con la solución del problema ya que se trata de información confidencial. Dentro de la descripción de éste proceso se va definiendo el problema o los problemas a resolver, que tienen que ver con la automatización del mismo.
1.1.1 Definición y descripción del proceso bacterinas. Para el proceso bacterinas se instalan los equipos principales siguientes: 1 Cuarto Estufa (incubadora). 1 Bio - Reactor. 1 Tanque de Inactivación. El proceso bacterinas tiene varias etapas principales que tienen que ver con el proceso de cada uno de los equipos, estas etapas se describen a continuación:
a) Cultivo e incubación de células en el Cuarto Estufa. El proceso comienza realizando un cultivo de células dentro de un recipiente llamado spinner (reactor pequeño) de 125 mL, éstas células se mantienen congeladas en nitrógeno líquido, después de obtener un cultivo, se transfiere a dos spinner de 125 mL, de la misma forma, el cultivo de éstos dos spinner se transfiere a un spinner de 1 L, y como las células se continúan reproduciendo se realiza una nueva transferencia a dos spinner de 2 L. 7
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
b) Control de temperatura del Cuarto Estufa. Todos los recipientes se guardan en el Cuarto Estufa donde la temperatura es controlada automáticamente por el PLC a 27 oC +2 ºC. Esta temperatura es registrada en una gráfica de tendencias del sistema SCADA desde donde se realiza el ajuste de su setpoint. Los recipientes se mantienen en agitación magnética constante, cuya velocidad es controlada de forma manual exactamente a 110 rpm. c) Transferencia a spinner de 36 L, registro de pH y control de Oxigeno disuelto. Las células provenientes de los spinner se transfieren a un spinner de 36 L de capacidad (reactor mediano), cuyos parámetros son similares a los anteriores, solo que la agitación se lleva a cabo por un motor sobre la flecha del spinner, la temperatura se controla y registra en el mismo Cuarto Estufa de los spinner pequeños.
El control del oxigeno disuelto y pH del interior del spinner de 36L se realiza con un equipo dedicado (Controlador-Indicador-Transmisor), del cual se realiza el registro y monitoreo tanto del oxígeno disuelto como del pH por medio del sistema de adquisición de datos SCADA. Todas las manipulaciones del cultivo de los spinner menores se realizan bajo flujo laminar. d) Transferencia desde spinner de 36 L a Bio - Reactor. Las células cultivadas en el spinner de 36 L se transfieren al Bio - Reactor de 150 L, ésta transferencia se realiza mediante tubo de silicón con bomba peristáltica. e) Esterilización de Bio - Reactor 150 L. La esterilización del interior del Bio - Reactor se realiza mediante un control de temperatura, el cual consiste de un elemento sensor de temperatura RTD (PT100), que manda su señal de medición hacia el PLC y el sistema SCADA desde donde se fija el setpoint a 123 + 2 oC (rango en esterilización), y en base a ello el PLC controla la válvula solenoide de entrada de vapor limpio para esterilización del cuerpo del reactor. Por seguridad se tiene una alarma de baja temperatura, la cual indica que la temperatura está fuera de rango en esterilización. Todos los recipientes, válvulas de transferencia y puertos del Bio - Reactor se esterilizan por inyección de vapor limpio con aproximadamente 1.5 kg/cm2 de presión. El flujo de condensados es controlado manualmente con válvulas de aguja a través de tubo de ¼ in SS, 8
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
y la salida de vapor se lleva a trampas de vapor. Los filtros de entrada y salida de gases son purgados. f) Cultivo en Bio - Reactor 150 L. El Bio - Reactor de 150 L se opera con el objetivo de realizar un crecimiento celular a 27 o
C, para realizar este crecimiento se realiza lo siguiente: Control de temperatura en interior del Bio – Reactor: Un elemento sensor RTD del tipo PT100 instalado en un punto del Bio – Reactor, manda su señal de la variable temperatura del interior del mismo hacia el PLC, el cual realiza el control y manda una señal para manipular la válvula de suministro de vapor industrial y también controla una válvula de suministro de agua fría y otra para drenaje de agua. El sistema SCADA registra y monitorea la temperatura controlada y desde ahí mismo se puede modificar el setpoint. Control de agitación del Bio – Reactor: El control de la agitación se hace manualmente desde un potenciómetro, la velocidad a la que se fija la agitación es de 30 rpm. Monitoreo del pH del Bio – Reactor. El elemento sensor de pH manda su señal al sistema SCADA para realizar el registro histórico de ésta variable. Control de oxigeno disuelto del Bio – Reactor: El elemento sensor de oxigeno manda su señal al PLC, el cual manda su acción de control a las válvulas solenoides que inyectan dos gases a través de un difusor de forma alternada aire / oxigeno. El setpoint de control es de 50% de concentración de oxigeno disuelto y es fijado desde el sistema SCADA. El registro histórico y monitoreo de la variable se hace desde el sistema SCADA. El flujo de oxigeno / aire se mide con rotámetros. Después de cerca de 4 días se inocula el virus CIRCOFLEX y se opera el proceso por otros 7 días en las mismas condiciones. Además para la parte de seguridad se tiene una alarma de alta presión y el Bio Reactor tiene instalado un disco de ruptura con bastón, como redundancia en caso de que la alarma de alta presión falle. Otras variables de proceso del Bio – Reactor: Las variables de concentración celular, viabilidad, glucosa y producción de antígeno se determinan diariamente (dos veces al día) mediante la toma de muestras por el puerto de muestreo, que son 9
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
analizadas con los dispositivos correspondientes. g) Trasferencia de cosecha desde el Bio – Reactor hasta el Tanque de Inactivación. La cosecha obtenida del Bio – Reactor se transfiere a el Tanque de Inactivación utilizando presión, es decir, que se inyectan de 1 a 2 kg/cm2 de presión de aire o nitrógeno en el interior del Bio - Reactor para que haga fluir su cosecha hasta el Tanque de Inactivación, el cual está debidamente esterilizado, de tal manera que dicha cosecha fluye a través de un tren de filtros que fueron previamente esterilizados. h) Esterilización del Tanque de Inactivación. La esterilización del interior del Tanque de Inactivación se realiza mediante el control de temperatura. Un elemento sensor de temperatura RTD (PT100), manda su señal de medición hacia el PLC, el sistema SCADA registra las tendencias de ésta variable y a través el se fija setpoint a 123 + 2 oC. El PLC controla la válvula solenoide de entrada de vapor limpio para esterilización del cuerpo del Tanque de Inactivación para que mantenga el valor de temperatura deseado. Una alarma se activa para cuando el valor de temperatura de esterilización es menor a 121 oC. i) Reacción de Inactivación en el Tanque de Inactivación. La reacción de inactivación se realiza de la forma siguiente: Control de temperatura en Bio – Reactor. Una vez transferida la cosecha se realiza la reacción de inactivación, manteniendo controlada la temperatura. El elemento sensor RTD (PT100) manda su señal al PLC, éste toma la acción de control mandando a abrir o cerrar un par de válvulas, donde una de las cuales suministra vapor industrial a la chaqueta del Bio – Reactor para calentar y la otra válvula se manda a abrir para suministrar agua de enfriamiento para enfriar, el setpoint se fija desde el sistema SCADA a 37 oC +2 oC. Agitación: El producto del interior del Bio – Reactor se agita a velocidad de 200 rpm durante 4 días. Registro de datos: El sistema SCADA realiza un registro histórico de las tendencias de la variable temperatura. Alarmas: El PLC manda una alarma en caso de que la temperatura en el interior del Bio – Reactor esté fuera de rango o exista inactividad de agitación.
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
j) Neutralización del Tanque de inactivación. Se neutraliza el inactivante residual en la cosecha con la adición de un reactivo esterilizado por filtración. Solo se realiza agitación tras esta adición por una hora. Se toma muestra de la cosecha inactivada para pureza, comprobación de inactivación y determinación de proteína por ELISA. Se transfiere la cosecha a recipientes de plástico de 50 L, para formular con solución salina y adyuvante esterilizados por autoclave, se formula y envasa.
1.2 Justificación. Dada la necesidad de la planta farmacéutica BOEHRINGER - INGELHEIM de tener una nueva área en su proceso de bacterinas donde se realice el cultivo de bacterias y microorganismos con la finalidad de elaborar sus diferentes productos, se realiza una propuesta para realizar la integración de un proyecto de automatización de su proceso, de tal manera que la operación del proceso sea de forma fácil y de rápido acceso de forma local o remota, además toda la información que se genere quedará documentada para los diagnósticos, pruebas o para alguna futura expansión del proceso. También el sistema de automatización debe realizarse en un periodo de tiempo corto.
Para esta aplicación se emplea un autómata programable también llamado PLC que puede ser comunicado a un sistema SCADA de fácil implementación y de bajo costo, reduciendo los tiempos de programación configuración y puesta en marcha. Este sistema cumple satisfactoriamente con los requerimientos que la planta solicita como son: 1. Operación del proceso a través del sistema supervisorio SCADA desde una pantalla táctil de forma fácil y confiable. 2. Implementación de un autómata programable confiable con un bus de comunicación de alta velocidad, que permitirá interactuar de forma rápida con las pantallas de operación del sistema SCADA. Esto es importante para el proceso, debido a que es crítico. 3. Accesos a distintos niveles en las pantallas de operación que no son más que permisos para la operación y manipulación de los parámetros. 4. Alarmas críticas para toma de acciones ante cualquier eventualidad anormal. 11
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
5. Visualización remota del proceso a través de una red de comunicación industrial.
1.3 Metodología para la elaboración del proyecto. Para la integración y automatización de este proyecto es importante la participación del personal de producción, mantenimiento e ingeniería de la planta BOEHRINGER – INGELHEIM, que son quienes determinarán las condiciones de operación y requerimientos del proceso. Para esto es importante realizar una metodología integral la cual contendrá todos los puntos que se llevaran a cabo en la realización del proyecto, aunque con el entendido de que durante la ejecución del proyecto esto puede tener ciertos cambios dependiendo del avance del proyecto. A continuación se enlistan los puntos importantes que se siguen para la integración del proyecto de automatización del proceso bacterinas de la planta BOEHRINGER INGELHEIM. La automatización del proceso debe ser a un costo accesible y cumplir con los requerimientos de calidad que el proceso de la planta necesita bajo la siguiente metodología:
1. Reuniones con el personal de ingeniería de la planta BOEHRINGER - INGELHEIM para dar a conocer los requerimientos, condiciones y la secuencia de operación. Se definen los alcances del proyecto de acuerdo a los requerimientos de la planta BOEHRINGER - INGELHEIM. Se determina la normatividad con que se debe cumplir para tener una certificación. Se desarrolla un programa de obra para definir los tiempos de inicio y terminación del proyecto. 2. Desarrollo de la Ingeniería básica y de detalle. En la ingeniería se desarrollan los diagramas de diseño como los Diagramas de Tuberías e Instrumentación, Diagramas de alambrado, diagramas de los típicos de instalación etc. 3. Desarrollar el programa para PLC en base a la filosofía de control del proceso. 4. Generar alarmas para variables críticas de operación. 12
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
5. Implementar un paro de emergencia total del proceso. 6. Elaborar pantallas de operación con gráficos dinámicos del proceso con los equipos e instrumentos principales. 7. Incluir códigos de acceso para distintos niveles en pantallas de operación: Cada nivel de acceso tendrá diferentes permisos, tanto para la operación como para la modificación de parámetros, setpoints entre otros. 8. Instalar una red de comunicación industrial para el acceso remoto a las pantallas de operación (bus de campo). 9. Capacitación a personal de mantenimiento y operación para el manejo de la información de ingeniería, programación de PLC y desarrollo de pantallas en sistema SCADA, como un valor agregado al servicio. Los puntos anteriores cumplen satisfactoriamente con las normativas de operación y control de calidad de la planta BOEHRINGER – INGELHEIM.
1.4 Diagrama de flujo. El diagrama de flujo es una representación grafica que muestra la sucesión de los pasos de los que consta un procedimiento. Procedimiento. Un procedimiento es aquel que establece el orden cronológico y la secuencia de actividades que deben seguirse en la realización de un trabajo repetitivo. Existen dos formas de plantear un procedimiento: A través de una descripción detallada A través de un diagrama de flujo Importancia del diagrama de flujo. Registra y transmite, sin distorsiones, su seguimiento, aplicación y evaluación de las actividades. Ayuda a la sistematización de las actividades, destacando simbólicamente. Genera coordinación de las aéreas responsables de cada una de las actividades y evita duplicar trabajo. Controla el cumplimiento de las actividades y evita su alteración arbitraria. 13
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
Fomenta la comunicación formal entre los empleados, lo que evita fuga de responsabilidad. Evita consulta de los empleados a los jefes superiores. Erradica la duplicidad de esfuerzos y actividades. Elimina o reduce el atraso de actividades. Equilibra el grado de autoridad y responsabilidad en cada puesto. Mayor rapidez en tomar decisiones. Los trabajadores realizan mejor y con mayor eficiencia sus labores. Ayudan en el adiestramiento y capacitación del personal en virtud de que describen de manera detallada las actividades por área.
Los diagramas de flujo se pueden presentar en forma vertical u horizontal. Diagrama de flujo Vertical: La secuencia de actividades va representada de arriba hacia abajo. Diagrama de flujo Horizontal: La secuencia de actividades va de izquierda a derecha. Simbología. En la tabla 1.1 se ilustra la simbología que utilizan los diagramas de flujo.
Tabla 1.1. Simbología utilizada en los diagramas de flujo. Operación: Se dice que hay operación cuando algo esta siendo creado, cambiado o añadido. Inspección: Cuando alguna actividad es revisada o verificada sin ser alterada en sus características. Traslado o secuencia del procedimiento Almacenamiento: Cuando se almacena o archiva algo para ser guardado con carácter definitivo.
Decisión.
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema. INICIO
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
PROPUESTA TECNICO ECONOMICA
COSTOS ESTIMADOS SI
ACEPTACION DE PROYECTO
NO
¿NEGOCIACION?
NO
FIN SI REUNION CON PERSONAL DE LA PLANTA
REALIZACION DEL DTI RECTIFICAR
REVISAR DTI
¿CORRECTO?
NO
SI INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE COMPRA DE MATERIALES, INSTRUMENTOS Y PLC ARMADO DE TABLERO DE CONTROL DESARROLLO DEL PROGRAMA DE PLC ELABORACION DE PANTALLAS CON GRAFICOS DINAMICOS INTALAR RED DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ARRANQUE, PUESTA EN MARCHA Y CAPACITACION FIN
Figura 1.1. Diagrama de Flujo para la integración del proyecto bacterinas.
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
En la figura 1.1 se muestra el diagrama de flujo para la integración del proyecto bacterinas, en éste diagrama se aprecian las actividades que se hacen paso a paso para el desarrollo del proyecto bacterinas con la finalidad de lograr éxito en el mismo.
La integración del proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en la planta BOEHRINGER INGELHEIM, se inicia realizando un planteamiento del problema, seguido de una propuesta técnico -económica, que a su vez es analizada por el cliente para determinar el presupuesto. Una vez aprobada la propuesta técnico –económica, se realiza una reunión con personal de mantenimiento e ingeniería de la planta BOEHRINGER INGELHEIM para determinar los alcances en cuanto a desarrollo y tiempo del proyecto.
El Diagrama de Tuberías e Instrumentación se realiza en base a los alcances de desarrollo del proyecto y un análisis de campo. A partir del desarrollo del DTI se realizas las demás tareas como el desarrollo de la ingeniería básica y de detalle, compra de materiales, armado de gabinete, desarrollo del programa del PLC, elaboración de pantallas con gráficos dinámicos, instalación de red de comunicación industrial, arranque, puesta en marcha y capacitación.
1.5 Alcance de obra. En el presente documento denominado “Integración de un proyecto para automatizar con PLC y SCADA el proceso bacterinas en la planta BOEHRINGER – INGELHEIM” se desarrolla la Ingeniería Básica y de Detalle, durante la ejecución se generarán los diferentes esquemas, narrativas (control y seguridad), selección de instrumentos mediante hojas de especificaciones, Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI), un sistema de control automático para las variables de proceso y la interfaz hombre maquina para el monitoreo y supervisión de variables.
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
Para el desarrollo de la ingeniería se cotizan los instrumentos de tipo industrial adecuados para el diseño de la estrategia de control, supervisión y monitoreo de las variables del proceso, como son, Temperatura, Presión, Oxigeno, Conductividad y pH en el Tanque de Inactivación, Bio - Reactor y Cuarto Estufa del proceso bacterinas, utilizando un controlador lógico programable (PLC) y un control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) para interactuar con el proceso. De a cuerdo a lo anterior se presenta el siguiente alcance de obra:
Se instalarán tres equipos principales en el área llamada bacterinas, estos equipos son: Un Tanque de Inactivación, un Bio- Reactor de 150 litros, un tanque de preparación de medios que estará dentro de un Cuarto Estufa.
Se instalará un sistema de monitoreo y control a través de un PLC que consiste de un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) que permitirá la fácil visualización, interpretación y manipulación de las diferentes etapas del proceso de fabricación de Circoflex.
Se implementará una pantalla táctil, y de ser factible y necesario se instalará otra pantalla a través de una red Ethernet en el área de esclusa de materiales que dará la facilidad de inspeccionar el comportamiento del sistema sin la necesidad de ingresar al cuarto limpio.
Cada uno de los elementos antes mencionados tiene diferentes etapas como se describirá a continuación:
1. Tanque de preparación de medios (Cuarto Estufa).
Tabla 1.2. Etapa de control en tanque de preparación de medios. Modo de control Limpieza Esterilización T=121°C
X: No aplica.
Automático X X
Manual A X
A: Aplica. 17
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
2. Bio - Reactor 150 litros. Tabla 1.3. Etapa de control en Bio - Reactor. Modo de control
Automático Limpieza X Esterilización T=121°C A Agitación X Control de temperatura del producto a A 27 y 4°C durante un tiempo T
X: No aplica.
Manual A X A X
A: Aplica.
3. Tanque de Inactivación: Tabla 1.4. Etapa de control en Cuarto de Inactivación. Modo de control Automático Limpieza X Esterilización T=121°C A Agitación A Control de temperatura del producto a A 37°C durante un tiempo T
X: No aplica.
Manual A X X X
A: Aplica.
4. Descripción de acciones que se realizaran sobre las variables del proceso con el sistema de control. Tabla 1.5. Tabla de variables a controlar o registrar en el proceso bacterinas. Variable
Cuarto estufa
Tanque de Bio Reactor 2 X Spinner Spinners inactivación 150 litros 36 litros Cantidad 8
Tanque preparación de medios
Temperatura pH Conductividad Oxígeno Presión Agitación (rpm)
R X X X X X
C X X X X X
I X X X X X
R R X X R R
C X X X C X
I I X X I I
R X X R X R
C X X C X X
I X X I X I
X R R R R X
X X X C C X
X I I I I X
X X X X X X
X X X X X X
X X X X X X
X X X X X X
X X X X X X
X X X X X X
Apertura válvulas
A
A
A
A
A
A
A
A
A
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X: No aplica. R: Registro C: Control
I: Indicación analógica. A: Aplica.
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
1.6 Costos estimados. Los gerentes de ingeniería de las empresas no cuentan con recursos ilimitados para llevar a cabo los proyectos de automatización y control, por lo que requieren elaborar presupuestos o costos estimados, que son: un plan numérico para asignar recursos a actividades específicas. Un presupuesto o costo estimado para cualquier persona, empresa o gobierno, es un plan de acción de gasto para un periodo futuro, generalmente de un año, a partir de los ingresos disponibles. Es la herramienta de planeación de muchas organizaciones, dado que obliga a la compañía a realizar por anticipado una recopilación numérica de flujo de efectivo, gastos e ingresos y desembolso de capital. Como herramienta de planeación, indica que actividades, materiales o mano de obra son importantes y cuantos recursos deben asignarse a cada una. Pero los presupuestos no son solo para planear, también sirven para controlar, ya que ofrecen a los gerentes herramientas cuantitativas para medir y comparar el aprovechamiento de los recursos. Es una actividad gerencial importante porque impone en la empresa una estructura y disciplina financiera. Son una técnica de planeación que aplican todos los gerentes, proyectistas o administradores, cualquiera que sea su nivel. En este caso como líder de proyecto de automatización, según la administración se considera gerente de mandos medios. Los costos estimados o presupuesto es una herramienta importante debido a que es utilizado como medio administrativo de determinación adecuada de capital, costos e ingresos necesarios en una empresa, así como la debida utilización de los recursos disponibles acorde con las necesidades de cada una de los departamentos que integran dicha empresa. Según Harry A. Finney el presupuesto o costos estimados lo define como “un plan financiero para las operaciones de un periodo futuro, basado en los resultados obtenidos de periodos anteriores y en datos conseguidos por medio de la investigación y el análisis”
FINALIDAD DE LOS COSTOS ESTIMADOS O PRESUPUESTOS. a) Contribuir a la planeación eficaz del trabajo. b) Apoyar la asignación de recursos 19
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
c) Apoyar el control y monitoreo de la utilización de los recursos durante el periodo cubierto por el presupuesto SUGERENCIAS PARA MEJORAR LA ELABORACIÓN DE PRESUPUESTOS O COSTOS ESTIMADOS. a) Debe ser flexible. b) Las metas deben impulsar los presupuestos; los presupuestos no deben fijar las metas. c) Se debe coordinar la elaboración de los costos estimados para un proyecto. d) Usar software de costos estimados y planeación. e) Recordar que los costos estimados son herramientas. f) Tomar en cuenta que las utilidades son el resultado de una administración inteligente, no de haberlas considerado en el presupuesto. ASPECTOS
PARA
LA
ELABORACIÓN
DE
PRESUPUESTOS
O
COSTOS
ESTIMADOS. 1. Las actividades del siguiente periodo deben ser programadas. Las actividades de trabajo para un proyecto son resultado de las metas fijadas. 2. Los recursos necesarios para cumplir con las actividades que permitirán el logro del proyecto se seleccionan. Hay varias clases de presupuestos para asignar los recursos; los más comunes se ocupan de los recursos monetarios, pero también hay presupuestos de tiempo, materiales, recursos humanos, utilización de capacidad o unidades de producción. En este estimado de costos solo nos referiremos a un presupuesto de recursos monetarios. 3. Se deben conseguir estimaciones precisas de los costos de los recursos que necesita, estos pueden ser materiales, mano de obra o cualquier otra actividad. 4. Se adquiere la información de los recursos disponibles, los cuales se asignan conforme se requieran para poder cumplir con las actividades de trabajo. En muchas organizaciones los gerentes de ingeniería o líderes de proyecto reciben partidas presupuestarias mensuales, trimestrales o anuales para trabajar. En el presupuesto se detalla que recursos estarán disponibles durante el periodo, como gerente o líder de proyecto se tiene la responsabilidad de distribuir esos recursos de manera eficiente y eficaz para cumplir con las metas del proyecto. 20
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
5. Es prudente revisar el presupuesto de forma periódica. No se debe esperar hasta el final del periodo para vigilar si se paso o no del presupuesto. 6. Si los gastos realizados sobrepasan el presupuesto, se debe realizar un análisis y en base a los resultados obtenidos se procede a tomar medidas correctivas. 7. Las experiencias obtenidas en periodos anteriores pueden ser aprovechadas para implementarlas en un periodo nuevo. Cada periodo presupuestado es diferente, pero es posible aprovechar las experiencias para detectar tendencias y posibles problemas. Este conocimiento permitirá prepararse para cualquier circunstancia que surja.
COSTOS ESTIMADOS PARA EL PROYECTO DE AUTOMATIZACION DEL PROCESO BACTERINAS La empresa IMEPI
S.A. de C.V. realiza un estimado de costos de sus servicios de
ingeniería, mano de obra y materiales a la planta farmacéutica BOEHRINGER – INGELHEIM, realizando los ajustes pertinentes y de esta manera estar dentro del
presupuesto de dicha planta para realizar la automatización de su proceso bacterinas, donde se detallan tres listados que están clasificados como se muestra en la tabla 1.6:
Tabla 1.6. Costos estimados de servicios de ingeniería. PART.
CANT.
1 2 3 4 5
1 1 1 9 8
6
8
7
4
8
9
9 10 11 12
1 2 1 4
CONCEPTO INGENIERIA BASICA Diagrama de Tuberías e Instrumentación Filosofía de control Índice de Instrumentos Hojas de Especificaciones de Instrumentos Listado de señales de entradas y salidas del PLC. INGENIERIA DE DETALLE Diagramas funcionales de instrumentación o de lazo. Diagramas de los típicos de instalación de instrumentos. Diagramas de alambrado de instrumentos. Diagramas de ubicación de instrumentos. Diagramas de gabinete. Programación de PLC. Implementación de un sistema HMI SCADA y elaboración de pantallas. TOTAL INGENIERIA
P
R
$3.300,00 $2.500,00 $700,00 $4.200,00 $4.500,00
$3.000,00 $2.000,00 $500,00 $4.500,00 $4.000,00
$5.900,00
$5.600,00
$3.500,00
$3.200,00
$7.500,00
$7.200,00
$1.100,00 $1.300,00 $9.200,00 $2.700,00
$1.000,00 $1.200,00 $9.000,00 $2.800,00
$46.400,00
$44.000,00
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
P= Presupuestado; R= Real. En la tabla 1.6 se ilustra un listado con los costos estimados de los servicios de ingeniería, los cuales son obtenidos en base a la experiencia obtenida de proyectos anteriores y otros factores que intervienen como puede ser el numero de instrumentos y equipos, la cantidad de señales analógicas y digitales, etc. En el siguiente listado de actividades de ingeniería se menciona que factores se tomaron en cuenta para realizar los costos estimados: 1.- Diagrama de Tuberías e Instrumentación. Para determinar el costo estimado para el diseño y elaboración de este diagrama se revisan cuantos equipos, instrumentos y líneas de proceso se dibujarán así como el acomodo y bajo que normatividad será realizado. 2.- Filosofía de control. El costo estimado para la elaboración del documento denominado filosofía de control, depende básicamente de una descripción detallada del proceso por parte de la planta BOEHRINGER – INGELHEIM o si no esta detallada la descripción por lo menos que
sea lo más cercana posible, con ello se puede tener un número aproximado de líneas que tendrá el texto de este documento. 3.- Índice de Instrumentos. Para determinar el costo de la elaboración de este índice solo se necesita saber el número de hojas de éste documento. 4.- Hojas de Especificaciones de Instrumentos. El costo de las Hojas de Especificaciones también es determinado por el número de hojas que se elaboren. 6.- Listado de señales de entradas y salidas del PLC, Diagramas funcionales de instrumentación o de lazo, Diagramas de los típicos de instalación de instrumentos, Diagramas de alambrado de instrumentos, Diagramas de ubicación de instrumentos y Diagramas de gabinete. Al igual que en el caso anterior, su costo para la elaboración de todos estos documentos de ingeniería se determina por la cantidad de hojas que se realizan. 7.- Programación de PLC. El presupuesto para los servicios de programación del PLC se realiza mediante un estimado del número de líneas de programación y la complejidad del programa o la estrategia de control. 22
Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
Tabla 1.7. Costos estimados de servicios de mano de obra. PART. 1 2 3 4
CANT. 1 1 1 1
5 6 7 8 9
9 8 1 8 1
CONCEPTO Calibración de instrumentos. Configuración de instrumentos. Armado de gabinete de control. Interconexión de instrumentos de campo a gabinete de control. Instalación de Red Industrial Ethernet. Instalación y pruebas de Estación de Operación. Comisionamiento de señales de campo. Puesta en Marcha. Capacitación TOTAL DE MANO DE OBRA
P $5.300,00 $2.700,00 $2.800,00 $1.200,00
R $5.000,00 $2.500,00 $2.500,00 $1.800,00
$2.000,00 $2.100,00 $1.500,00 $5.000,00 $3.300,00 $25.900,00
$1.500,00 $2.000,00 $1.500,00 $5.000,00 $3.000,00 $21.800,00
P= Presupuestado; R= Real. Para la tabla 1.7 se tienen los costos estimados por los servicios de mano de obra, los cuales son mencionados a continuación: 1.- Calibración y configuración de instrumentos. El presupuesto de los servicios de calibración y configuración de instrumentos depende del tipo de instrumento, el lugar o el tiempo que se requiere para realizar este servicio. 2.- Armado de gabinete de control. El presupuesto para la mano de obra del armado del gabinete de control depende del tamaño del gabinete, del número de entradas y salidas del PLC, número de protecciones, identificaciones y también del tiempo de elaboración. 3.- Interconexión de instrumentos de campo a gabinete de control. El costo estimado para este trabajo solo depende del número de señales digitales o analógicas a conectar y el tiempo de ejecución. 4.- Instalación de Red Industrial Ethernet. Se determina por la cantidad de elementos a conectar. 5.- Instalación y pruebas de Estación de Operación, comisionamiento de señales de campo y Puesta en Marcha. El costo es determinado por tiempo de ejecución. 6.- Capacitación. El costo de este servicio se determina con el número de horas de capacitación.
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Capítulo 1 Definición y planteamiento del problema.
Tabla 1.8. Costos estimados de materiales. PART. 1 2 3 4 5 6 7
CANT. 1 1 2 2 1 3 1
CONCEPTO Controlador Lógico Programable (PLC) Módulo de Entradas analógicas RTD Módulo de Entradas Analógicas (4-20mA). Módulo de Salidas Analógicas Módulo de Entradas Digitales Módulo de Salidas Digitales. Gabinete de control y materiales.
P $2.800,00 $3.500,00 $6.900,00 $7.400.00 $2.500,00 $7.500,00 8.000,00
R $1.800,00 $3.200,00 $6.600,00 $6.400.00 $2.500,00 $7.500,00 8.000,00
8
1
Switch Ethernet
400,00
400,00
9
1
Estación de control
22.000,00
22.000,00
10
1
Pantalla Táctil
15.000,00
15.000,00
11 12 13
1 3 1
Cable de instrumentación. Sensor de temperatura tipo RTD. Transmisor de presión manométrica. TOTAL DE MATERIALES
5.000,00 $1.200,00 $6.500,00 $88.700,00
5.000,00 $1.200,00 $6.500,00 $86.100,00
P= Presupuestado; R= Real. Los costos estimados para el listado de la tabla 1.8, se obtiene de las cotizaciones por parte del proveedor de instrumentos, equipo y materiales o también de los costos obtenidos en proyectos anteriores.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
CAPÍTULO 2 INGENIERÍA BÁSICA
2.1 Programa de obra. Un programa de obra es un programa de trabajo representado a través de un esquema donde se establecen: la secuencia de actividades específicas que habrán de realizarse para alcanzar los objetivos, y el tiempo requerido para efectuar cada una de sus partes y todos aquellos eventos involucrados en su consecución. Si se observa a un grupo de supervisores o gerentes de departamento durante algunos días, se dará cuenta que especifican con regularidad las actividades por realizar, el orden en que éstas deberán llevarse a cabo, quien estará a cargo de cada una de las actividades y cuando deben estar terminadas dichas a actividades. Lo que estos gerentes utilizan para organizar las actividades son los programas de trabajo, que para efectos de este proyecto se le nombrará programa de obra. Los programas de obra se representan con graficas para hacer más fácil su entendimiento, la grafica más común es la desarrollada por Henry Laurence Gantt en la que se muestra la producción real y la planificada a lo largo de un periodo. Es una gráfica de barras en la cual el tiempo está representado en forma horizontal y las actividades a programar en el eje vertical. Las barras muestran la producción, tanto planificada como real a lo largo de un periodo, muestra visualmente cuando se ha supuesto que deberán realizarse las tareas, y compara esa situación ideal con el avance real logrado por cada una de ellas. Se clasifican en: Tácticos: Son aquellos que se establecen únicamente para una área de actividad, ejemplo un programa de producción. 25
Capítulo 2 Ingeniería básica
Operativos: Son aquellos que se establecen en cada una de las unidades o secciones de las que consta un área de actividad, es mucho más específico que el táctico. Lineamientos para elaborar un programa de obra.
El responsable del programa de obra y aquellos que intervendrán en la ejecución del mismo, deben participar en su formulación.
En el programa de obra debe estar considerada la determinación de los recursos y el periodo para completarlo, de tal forma que estén relacionados con la posibilidad de la empresa.
La aprobación del desarrollo y ejecución del programa de obra, debe comunicarse a todos aquellos que están involucrados en el mismo.
El programa de obra debe ser factible.
Evitar que los programas se contrapongan entre sí.
Deben establecerse por escrito, graficarse, ser precisos y de fácil comprensión.
El programa de obra debe ser adaptable a las modificaciones o cambios que se presenten; asimismo se deben considerar las consecuencias que puedan presentarse en el futuro.
Importancia de los programas de obra.
Suministran información e indican el estado de avance de actividades.
Mantienen en orden las actividades, sirviendo como herramienta de control.
Identifican a las personas responsables de llevarlos a cabo, ya que se determina un programa para cada centro de responsabilidad.
Determinan los recursos que se necesitan.
Disminuye los costos.
Orienta a los trabajadores sobre las actividades que deben realizarse específicamente.
Determinan el tiempo de iniciación y terminación de las actividades.
Se incluyen únicamente las actividades que son necesarias.
Evitan la duplicidad de esfuerzos.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
2.1.1 Programa de obra del proceso bacterinas. En el programa de obra para el proceso bacterinas se enlistan las diferentes tareas a realizar, los tiempos ideales de ejecución y el avance en tiempo real del mismo. En dicho programa se lleva un control de avance de las actividades del proyecto en días, semanas o meses en que tardarán en ejecutarse las diferentes tareas de dicho proyecto. Los tiempos que se indican en el programa de obra son tiempos programados, en los que se realizan las diferentes actividades del proyecto. Posteriormente conforme se realiza el avance de cada una de las tareas del proyecto se marcan los tiempos ejecutados en porcentaje. El formato del programa de obra se ilustra en la tabla 2.1, donde se considera el avance de obra por semanas, en el cual cada una de sus actividades de la lista se puede hacer de forma independiente y es posible que se puedan ejecutar dos o más actividades al mismo tiempo. Para lograr un buen control de avance para este proyecto, es fundamental respetar los tiempos programados estrictamente con la finalidad de terminar y entregarlo lo más cercano posible al tiempo que originalmente se planeó y en el mejor de los casos entregarlo antes del tiempo ideal.
2.1.2 Metodología para elaborar el programa de obra del proceso bacterinas. 1.- Realizar el formato del programa de obra como el del ejemplo de la tabla 2.1, el cual está dividido en campos donde se enlistan las actividades y tiempos para ejecución del proyecto. 2.- Hacer un listado de las actividades o tareas más importantes del proyecto. 3.- Ordenar cronológicamente la realización de las actividades. 4.- Definir las actividades que pueden realizarse de manera simultanea sin depender una de la otra. 27
Capítulo 2 Ingeniería básica
5.- Asignar a cada actividad la unidad de tiempo de su duración, así como los recursos necesarios. 6.- Definir mediante un código de colores los tiempos programados (verde) y ejecutados (rojo) de cada actividad o tarea. En este caso para definir los tiempos programados se recurre a la experiencia en la realización de otros proyectos para determinar la duración de cada actividad e integrarlo en la totalidad del proyecto.
2.1.3 Formato de programa de obra para el proceso bacterinas. El formato del programa de obra de la tabla 2.1 tiene varias columnas, las cuales corresponden al número de actividad, la descripción de la actividad, el tiempo representado en meses y el avance de obra en porcentaje. El tiempo programado de cada actividad de proyecto y el tiempo en que se ejecutó la actividad están representados con recuadros. En la parte superior del formato se escribe el nombre y número del proyecto, la fecha de inicio y término, además un código de color donde se diferencien los tiempos programados de los tiempos ejecutados de las actividades del proyecto, como se ilustra en la tabla 2.1. Tabla 2.1. Formato de programa obra del proceso bacterinas.
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2.1.4 Listado de actividades para integrar el proceso bacterinas. Las actividades del proyecto que se definen se escriben en los espacios reservados para cada actividad. En este caso se mencionan las actividades más comunes que se realizan en este proyecto de automatización, las cuales son requeridas por la planta. A continuación se enlistan las actividades para la integración del proyecto del proceso bacterinas de la planta BOEHRINGER - INGELHEIN que corresponden a la ingeniería básica, ingeniería de detalle e instalación y puesta en marcha del proyecto. Ingeniería básica.
Elaboración del programa de obra
Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI).
Filosofía de control.
Arquitectura de control.
Índice de instrumentos.
Hojas de especificaciones de instrumentos.
Tablas comparativas de instrumentos.
Listado de señales de entradas y salidas del PLC.
Ingeniería de detalle.
Diagramas funcionales de instrumentación o de lazo.
Diagramas de los típicos de instalación de instrumentos.
Diagramas de alambrado de instrumentos.
Diagramas de ubicación de instrumentos.
Diagramas de gabinete.
Red de comunicación industrial.
Programación de PLC
Implementación de un sistema HMI SCADA y elaboración de pantallas.
Instalación y puesta en marcha de proyecto. Pruebas a gabinete de control. Pruebas a estación de control. 29
Capítulo 2 Ingeniería básica
Pruebas a señales de instrumentos de campo. Calibración, configuración y ajuste de instrumentos de campo. Pruebas en seco. Pruebas con agua. Pruebas con producto.
2.1.5 Tiempos programados y ejecutados. En este caso se marcan los cuadros de los tiempos en que se estima que puede realizarse una actividad, también se indican los tiempos en que la actividad se realizó. En la tabla 2.2 se observa que están marcados con color verde los cuadros de los tiempos programados, es decir los tiempos en que se estima que se debe ejecutar cierta actividad. Cada cuadro representa una semana. También están marcados cuadros con color rojo que corresponde a las actividades que se van ejecutando. Existen dos o más actividades que pueden hacerse de forma simultánea sin depender de una actividad previa. Hay actividades que se pueden traslapar, estas actividades solo requieren de una parte del avance de una actividad previa para poder iniciar. En la tabla 2.2 se muestra el programa de obra con sus actividades correspondientes para la integración de este proyecto, observándose lo siguiente: La primera actividad que se enlista, es la elaboración del programa de obra, donde se indica con un recuadro de color verde el tiempo estimado que debe llevar para la elaboración de éste programa. El programa de obra se realiza primero porque es a partir de este de donde se llevará el control total de los tiempos de las distintas actividades del proceso bacterinas. Se puede observar que para realizar la filosofía de control el diagrama de flujo de tuberías e instrumentos (DTI), que se estudiará mas adelante, debe estar totalmente terminado. 30
Capítulo 2 Ingeniería básica
También se observa que el índice de instrumentos y las hojas de especificaciones se pueden realizar de forma simultánea al igual que las tablas comparativas de instrumentos y el listado de señales de entradas y salidas del PLC. Tabla 2.2. Formato de obra con lista de actividades y tiempos programados.
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2.2 Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI) del proceso bacterinas. En los proyectos de automatización y control los diagramas de diseño de un proceso son de mucha importancia, dichos diagramas permiten la planificación y ejecución de un proyecto. Uno de los diagramas que se debe realizar para la automatización de este proyecto es el Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI), en el cual se representan gráficamente los instrumentos y tuberías de campo del proceso, donde cada instrumento se relaciona con algún lazo de control o también puede representarse sin lazo o como lazo abierto. Además se agregan otros elementos como las alarmas críticas mediante los interlocks de seguridad, gabinetes, suministros de aire, agua., vapor, etc. Un DTI es un diagrama que se realiza para la generación de información de ingeniería básica y de detalle, definir y organizar un proyecto, mantener el control sobre un contratista durante la construcción, entender como es controlada la planta después de finalizar el proyecto, mantener un registro de lo que fue acordado y aprobado formalmente para la construcción, registrar lo que fue construido en la forma como se diseño en el DTI. Además este diagrama es utilizado como plantilla para el desarrollo de pantallas en algún sistema SCADA. Sin este diagrama es muy difícil realizar la documentación de ingeniería de las diferentes áreas. En este diagrama esta contenida de manera gráfica la información del diseño de la instalación de las tuberías e instrumentos que deben ir en el proceso bacterinas para su optima automatización. Se pueden hacer modificaciones al diagrama durante la ejecución del proyecto, las cuales permiten ir mejorando los detalles que surgen. Los DTI´s son conocidos con varios nombres, pero todo mundo sin tomar en cuenta como son nombrados conoce su valor. Estos son algunos de los nombres por los cuales son conocidos:
DTI.
P&ID (por sus siglas en ingles “Piping and Instrumentation Diagram”). 32
Capítulo 2 Ingeniería básica
Diagramas de tubería e instrumentación.
Diagramas de procesos e instrumentación.
2.2.1 Elaboración de un DTI. Para elaborar el DTI participan diferentes especialistas en cada área, como las áreas de producción, eléctrica, instrumentación, mecánica, civil, automatización y mantenimiento, donde cada uno de ellos aporta sus conocimientos en cada una de sus respectivas especialidades y así lograr conjuntarlas en el diagrama antes mencionado. Con lo que respecta a la parte de instrumentación en el DTI se determinan los instrumentos que se requieren y las características de los mismos para hacer el control o la medición de las diferentes variables que existirán en el proceso, también se definen los lazos de control ya sea abiertos o cerrados, las alarmas críticas de proceso, los gabinetes, y además los interlocks de seguridad. Los diámetros y material de las tuberías, niveles, servicios (aire, vapor, agua, etc.), también son representados en el DTI. El DTI para el proceso de bacterinas contiene lo siguiente:
Lazos de control
Gabinete
Alarmas
Tuberías
Notas
2.2.2 Lazos de control en el DTI. Un lazo de control es un sistema que consta de un conjunto de dispositivos de medición y control para controlar y mantener en un valor deseado a una variable de forma manual o 33
Capítulo 2 Ingeniería básica
automática, estos lazos pueden ser abiertos o cerrados. Al sistema de lazo cerrado también se le llama sistemas de control retroalimentado. El dispositivo de medición de la variable a controlar se le llama elemento primario, el dispositivo que controla a la variable se le llama elemento de control y al elemento que produce el cambio en la variable para mantenerla controlada se le conoce como elemento final de control. En el DTI del proceso bacterinas están representados los lazos de control de las variables a controlar, dichos lazos se apegan a la norma ANSI/ISA-5.1-1984 (R 1992) Identificación y símbolos de instrumentación, descrita en el anexo A y a un criterio de simbología requerido por la plata BOEHRINGER – INGELHEIM mostrado en las tablas 2.3 y 2.4. Para representar simbólicamente a los instrumentos en el DTI, se toman criterios para nombrar a un instrumento dentro de dicho diagrama, todos los instrumentos representados en el DTI forman lazos de control, abiertos o cerrados, con otros instrumentos. Para el proceso bacterinas, se realiza un criterio de simbología para identificar a los equipos e instrumentos de campo que conforman los lazos de control del mismo. Para representar un lazo de control simbólicamente, se toman en cuenta las siguientes consideraciones:
Letras de identificación de instrumentos.
Símbolos de líneas de señales y alimentación.
Símbolos de instrumentos.
Criterios de simbología.
Lazos de control en un DTI.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
2.2.3 Criterio para dibujar equipos y tuberías en el DTI. Primeramente se dibujan y se enumeran los equipos en el DTI tratando de respetar el orden que llevarán en el proceso real. Para el proceso bacterinas se instalará un Tanque de Inactivación y un Bio - Reactor. La numeración de estos equipos se hace de acuerdo a un criterio como por ejemplo, se puede poner en orden ascendente, es decir si son 10 tanques se puede comenzar a numerar desde el numero 1, en el proceso de bacterinas solo se tiene un Bio - Reactor y un Tanque de Inactivación, los cuales se identifican como BR Y TI respectivamente, además existe una bomba B1 y un intercambiador de calor IC. En el caso del Tanque de Inactivación se observa que la letra “T” corresponde a la inicial de la palabra “tanque” lo mismo se hace con el Bio - Reactor, con una bomba u otro equipo. Además de identificar los equipos también se trazan las líneas correspondientes a las tuberías mecánicas identificándolas con una etiqueta abreviada que contenga la información de la tubería como diámetro, material y fluido que circulara en ella. Todo esto respetando el criterio para elaboración de un DTI descrito en el anexo B, en las figuras 2.1, 2.2 y 2.3 se muestran los diagramas que ilustran los equipos principales y líneas del proceso bacterinas.
Figura 2.1. Diagrama de Tuberías del Cuarto Estufa del proceso bacterinas.
El diagrama de la figura 2.1 ilustra lo siguiente:
Un Cuarto Estufa identificado como CE.
Un Tanque Spinner. 35
Capítulo 2 Ingeniería básica
Válvulas actuadas.
Tubería de suministro de oxigeno.
Tubería de suministro de aire.
Tubería de suministro de nitrógeno.
Etiquetas.
}
Figura 2.2 Diagrama de Tuberías del Bio – Reactor 2 del proceso bacterinas.
El diagrama de la figura 2.2 ilustra lo siguiente:
Un Bio – Reactor identificado como BR.
Válvulas actuadas.
Tubería de suministro de vapor industrial de 1 pulgada.
Tubería de suministro de oxigeno.
Tubería de suministro de aire.
Tubería de suministro de nitrógeno.
Tubería de retorno de condensados de la chaqueta del Bio - Reactor.
Válvula de venteo.
Etiquetas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.3. Diagrama de Tuberías del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas.
El diagrama de la figura 2.3 ilustra lo siguiente:
Un Tanque de Inactivación identificado como TI.
Un intercambiador de calor identificado como IC.
Una bomba centrifuga identificada como B1.
Válvulas actuadas.
Tubería de suministro de vapor industrial.
Tubería de suministro de vapor limpio.
Tubería de entrada de agua de enfriamiento.
Tubería de retorno de condensados de la chaqueta del Tanque de Inactivación TI.
Tubería de retorno de condensados del interior del Tanque de Inactivación TI. 37
Capítulo 2 Ingeniería básica
Válvula de venteo.
Etiquetas.
2.2.4 Simbología de instrumentos en el DTI y otros planos. Para realizar la identificación de los instrumentos que forman los lazos de control de los DTI de las figuras 2.1, 2.2 y 2.3, es importante que primeramente se realice un criterio de simbología. Este criterio se realiza para determinar el nombre o símbolo alfanumérico que tendrán los instrumentos en los diagramas de diseño del proyecto como los DTI´s, diagramas de alambrado, etc. Con este criterio de identificación, los instrumentos serán fácilmente localizados en el área de campo y en los diagramas de alambrado para su pronto diagnostico, también esta identificación permite que se puedan agregar nuevas señales al programa del PLC sin repetir nombres, tomándolos como referencia para una futura expansión del proceso. Para el proceso bacterinas se consideran los siguientes criterios de identificación: 1. Antes de agregar los instrumentos de campo al DTI se tienen que identificar bajo un criterio, en el cual la numeración puede ser consecutiva, o también se puede tomar como referencia el numero de área de la planta o proceso, en este caso para el proceso bacterinas, la numeración de los instrumentos se realiza utilizando el numero del equipo donde esta instalado el instrumento, es decir, si el equipo es identificado con TI (Tanque de Inactivación), entonces la identificación con la que se representa el sensor de temperatura instalado en este tanque es TE-TI, el controlador de temperatura es identificado como TIC-TI etc., donde la identificación TI corresponde al nombre del tanque TI. Para el caso de los instrumentos instalados en el Bio - Reactor, el sensor de temperatura queda identificado como TE-BR, de acuerdo a lo explicado anteriormente. En las tablas 2.3 y 2.4 se ilustran los criterios de simbología para instrumentos del proceso bacterinas que corresponde a las figura 2.1, 2.2 y 2.3 en este caso los 38
Capítulo 2 Ingeniería básica
números de identificación que tienen los instrumentos como sufijo se relaciona al numero del tanque que en este caso es TI. Tabla 2.3. Criterios de simbología para instrumentos del proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.4. Criterios de simbología para Controladores, Indicadores, Registradores y Alarmas del proceso bacterinas.
Nota de tablas 2.3. y 2.4. Algunos de estos símbolos no son utilizados en el DTI del proceso bacterinas como son los LSL, ZSL, FAL, ST, etc., pero quedan reservados para una futura expansión, es decir cada instrumento que se agregue posteriormente se deberá considerar este criterio. 2. En base al criterio de simbología de las tablas 2.3 y 2.4, se agregan los símbolos de instrumentos a las figura 2.1, 2.2. y 2.3 correspondientes al proceso bacterinas obteniendo las figuras 2.4, 2.5 y 2.6. En las figuras 2.4, 2.5 y 2.6 se observan los Diagramas de Tuberías e Instrumentos donde están representados simbólicamente los instrumentos del proceso bacterinas. Además en la figura 2.4 se observa una proyección de un instrumento identificado como OIT-TI con la finalidad de ejemplificar el significado de cada letra de acuerdo a la normatividad ISA S5.184 (R 1992) indicada en el anexo A.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.4. DTI del Cuarto Estufa del proceso bacterinas.
El DTI de la figura 2.4 contiene lo siguiente: a. Un lazo de control de temperatura que contiene un sensor de temperatura con la identificación TE-CE, un control en PLC indicado en pantalla TIC-CE, una resistencia eléctrica TX-CE para el calentamiento del ambiente dentro del Cuarto Estufa y un ventilador para homogenizar la temperatura dentro del Cuarto Estufa identificada como TU-CE. b. Un lazo de control de oxigeno que esta compuesto por un sensor de oxigeno OE-CE con su transmisor indicador OIT, el cual envía señal de 4-20 mA a un control en PLC (visualizado en pantalla) OIC-CE y tres válvulas de control Todo – Nada para suministrar
Oxigeno
VSO-CE,
Aire
VSA-CE
y
Nitrógeno
VSN-CE
respectivamente. c. Etiquetas de identificación de tubería y etiquetas de identificación. d. Válvulas Todo–Nada identificadas como VSO-CE, VSA-CE y VSN-CE. 41
Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.5. Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Bio – Reactor del proceso bacterinas.
El DTI de la figura 2.5 contiene lo siguiente: a. Un lazo de control de temperatura con lo siguiente: Un sensor de temperatura con la identificación TE-BR, un control en PLC indicado en pantalla TIC-BR y una válvula de suministro de vapor VST-BR. b. Un lazo de control de oxigeno que está compuesto por un sensor de oxigeno OE-BR con su transmisor indicador OIT-BR, el cual envía señal de 4-20 mA a un control en PLC (visualizado en pantalla) OIC-BR y tres válvulas de control Todo – Nada para suministrar
Oxigeno
VSO-BR,
Aire
VSA-BR
y
Nitrógeno
VSN-BR
respectivamente. c. Un Lazo control con doble sensor, uno de PH y otro de conductividad identificado como AE/CE BR. d. Etiquetas de identificación de tubería, etiquetas de identificación de suministro de vapor y drene de condensados. e. Válvulas Todo–Nada identificadas como VSO-BR, VSA-BR y VSN-BR. 42
Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.6. Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas.
El DTI de la figura 2.6 contiene lo siguiente: a. Un lazo de control de temperatura que está representado por un sensor de temperatura con la identificación TE-TI, un control en PLC indicado en pantalla TIC-TI, una válvula de suministro de vapor limpio V1-TI y una válvula de suministro de vapor industrial V2-TI. b. Un lazo de control de presión, el cual lo conforman el transmisor de presión PT-TI, el control de presión en PLC (visualizado en pantalla) PIC-TI y la válvula de control Todo – Nada para flujo de vapor limpio V1-TI. c. Una bomba de descarga del tanque TI identificada como B1.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
d. Válvulas Todo–Nada identificadas como V3-TI, V4-TI, V5-TI, V6-TI, V7-TI y V8_TI, para las diferentes alineaciones requeridas del proceso. e. Un regulador de presión con filtro y manómetro. f.
Etiquetas de identificación de tubería, etiquetas de identificación de suministro de vapor y drene de condensados.
2.2.5 Código de colores para el DTI. El código de colores de un DTI se utiliza para indicar si las tuberías de proceso, equipos e instrumentos son nuevos, existentes o que si se va a modificar su instalación. Estos colores solo se utilizan durante la obra mecánica, eléctrica y de automatización de un proyecto industrial, una vez que el proyecto termina satisfactoriamente el DTI debe quedar en un solo color, para este caso pueden ser líneas negras. Las consideraciones a seguir para definir un código de colores para el DTI del proceso bacterinas son las siguientes: 1. Definir un color para equipo existente como tanques, bombas e instrumentos. 2. Definir un color para modificación de equipo existente. 3. Definir un color para equipo nuevo. 4. Definir un color para tuberías y accesorios existentes. 5. Definir un color para tuberías y accesorios nuevos. La normatividad para el código de colores se realiza manera conjunta con el personal de ingeniería de la planta BOEHRINGUER INGELHEIM con la finalidad de tener una fácil interpretación de los planos durante la ejecución del proyecto. Este código también puede ser aplicado a otros planos de la ingeniería básica y de detalle de otros proyectos. En la tabla 2.5 se muestra el código de colores para el DTI del proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.5. Código de colores del DTI del proceso bacterinas.
En las figuras 2.7, 2.8 y 2.9 se puede interpretar fácilmente el status de cada uno de los equipos, tuberías e instrumentos de acuerdo a su color, por ejemplo, se puede observar que el Spinner de la figura 2.7 y el Bio - Reactor BR de la figura 2.8, son equipos que tuvieron una modificación, esto se puede notar por el color ámbar (color 40), ya que en éste caso los equipos mencionados fueron reubicados de un proceso diferente a el área del proceso bacterinas. El tanque TI mostrado en la figura 2.9 es un equipo nuevo, debido a que es de color rojo (color10).
Figura 2.7. Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Cuarto Estufa del proceso bacterinas con colores.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.8. Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Bio- Reactor del proceso bacterinas con colores.
Figura 2.9. Diagrama de Tuberías e Instrumentación del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas con colores.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
2.3 Filosofía de control. Se entiende por filosofía de control a una secuencia de operación detallada o receta de fabricación donde están escritos paso a paso los procedimientos que debe seguir un proceso. En este documento se define claramente la operación de todos los instrumentos de medición y control que intervienen en el proceso, así como también las alarmas y los puntos de ajuste para el control de las variables de proceso, arranque y paro de bombas, aperturas y cierre de válvulas, etc. La filosofía de control se genera tomando como base el DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) mostrado en las figuras 2.7, 2.8 y 2.9. La filosofía de control se desarrolla para la programación del PLC, también es utilizada para la realización de los manuales de operación o recetas. Además puede ser consultada por el personal de mantenimiento para diagnósticos, por el personal de ingeniería para las mejoras al proceso y para la capacitación de los operadores que queden asignados en el área de proceso. La filosofía de control forma parte de la información de ingeniería básica para la automatización de uno o varios procesos industriales. Antes de iniciar con la programación del PLC para este proyecto, la filosofía de control debe quedar totalmente terminada. Para la realización de una filosofía de control participan las personas que conozcan a detalle el proceso (en este caso se involucró al personal de ingeniería y producción de la planta BOEHRINGER INGELHEIM), también se involucra a las personas que se encargan de la integración del proyecto de automatización de dicho proceso. 1. Requisitos preliminares para la elaboración de la filosofía de control del proceso bacterinas: a. El Diagrama de Tuberías e Instrumentación (figuras 2.7, 2.8 y 2.9) debe estar lo mas completo posible para que en base a éste se realice la filosofía de control. 47
Capítulo 2 Ingeniería básica
b. Trabajar de manera coordinada con el personal especializado en el proceso bacterinas, para que dicho personal sea quien determine los requerimientos de operación de los instrumentos que se utilizarán para la automatización y determine todos los procedimientos de fabricación (en este caso se involucra al personal de ingeniería y de producción de la planta BOEHRINGER INGELHEIM).
c. Definir el tipo de programación a utilizar para que en base a ésta se realice el tipo de secuencia adecuada para este fin, es decir, que se puede elegir la programación de listado de instrucciones, diagrama de bloques o lógica de escalera para que la filosofía de control pueda ser orientada a cualquiera de estas formas de programar. En este caso se programa por listado de instrucciones y lenguaje de escalera. d. Utilizar colores para marcar los textos que deban ser comentados.
e. Tener bien conceptuado el proceso a automatizar para que haya cambios mínimos al momento de elaborar la filosofía de control. 2. Estructura de la filosofía de control. La estructura debe estar elaborada de tal forma que cubra la totalidad del proceso que se va a automatizar, dicha estructura puede ser secuencial o de forma independiente para cada equipo o área de proceso y debe contar con fases y estas a su vez con sub - fases o pasos. A continuación se muestra un ejemplo de la forma de estructurar la filosofía de control:
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Con base en el ejemplo anterior se observa lo siguiente: a: Es la FASE, que es en este caso esta identificada con letras (A….N). b: Es una breve descripción que se le escribe a cada fase para recodar a que se refiere. c: Es la sub – fase, donde se escriben las acciones o condiciones que se deben cumplir. Los textos se pueden marcar con colores, que tendrán un significado como por ejemplo:
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Capítulo 2 Ingeniería básica
La filosofía de control debe tener una hoja de presentación como la que se muestra en la figura 2.10, la cual debe contener el titulo y nombre del proyecto, los autores de dicho documento y los objetivos a alcanzar.
Figura 2.10. Hoja de presentación de la filosofía de control del proceso bacterinas.
3. Filosofía de control del proceso bacterinas. En la tabla 2.6 se describen cada uno de los elementos identificados que serán mencionados en la filosofía de control, y en los diferentes documentos de la información de ingeniería básica e ingeniería de detalle generada en este proyecto. También estas identificaciones son consideradas en la programación del PLC y la configuración de las pantallas SCADA, de esta forma se logra mantener homogenizada la identificación de elementos (instrumentos de campo, cables de señal, señales digitales, señales analógicas, etc.). Algunos de estos símbolos son extraídos del Diagrama de Tuberías e instrumentos que están ilustrados en las figuras 2.7, 2.8, y 2.9, que corresponden precisamente a los instrumentos del proyecto. 50
Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.6. Identificación de elementos para la filosofía de control.
A continuación se describe la filosofía de control para el proceso bacterinas, respetando la identificación de la tabla 2.6: FASE PRIMERA CONTROL DE TEMPERATURA EN EL CUARTO ESTUFA: A1
Definir el valor del punto de consigna para el control de temperatura del Cuarto
Estufa en pantalla SCADA.
A2 Arrancar el ventilador del Cuarto Estufa TU-CE. A3 Si: 51
Capítulo 2 Ingeniería básica
La temperatura del cuarto estufa TE-CE es menor que el punto de consigna del control de temperatura del Cuarto Estufa (SP-CTCE -0.5).
Entonces:
Encender la resistencia térmica de Cuarto Estufa TX-CE
A4 Si:
La temperatura del Cuarto Estufa TE-CE es mayor que el Punto de consigna del control de temperatura del Cuarto Estufa (SP-CTCE +0.5).
Entonces:
Apagar la resistencia térmica del Cuarto Estufa TX-CE
FASE SEGUNDA. CONTROL DE OXÍGENO EN CUARTO ESTUFA: B1 Si:
Se selecciona operación Automática.
Entonces:
Ir a B3.
B2 Si:
Se selecciona operación Manual.
Entonces: Ir a B9. B3 Si:
Si el valor de la variable OT-CE (porcentaje de oxigeno en Cuarto Estufa) es menor o igual que 39%.
Entonces:
Abrir la válvula solenoide de oxígeno en Cuarto Estufa VSO-CE.
B4 Si:
El valor de la variable OT-CE (porcentaje de oxigeno en Cuarto Estufa) es mayor que 39%.
Entonces:
Cerrar la válvula solenoide de oxigeno de Cuarto Estufa VSO-CE.
B5 Si: 52
Capítulo 2 Ingeniería básica
El valor de la variable OT-CE (porcentaje de oxigeno en Cuarto Estufa) es mayor que 40%.
Entonces:
Abrir la válvula solenoide de aire de Cuarto Estufa VSA-CE.
B6 Si:
El valor de la variable OT-CE (porcentaje de oxigeno de Cuarto Estufa) es mayor que 80%.
Entonces:
Cierra la válvula solenoide de aire de Cuarto Estufa VSA-CE.
B7 Si:
El valor de la variable OT-CE (porcentaje de oxigeno en Cuarto Estufa) es mayor o igual que 80%.
Entonces:
Abrir la válvula solenoide de nitrógeno de Cuarto Estufa VSN-CE.
B8 Si:
El valor de la variable OT-CE (porcentaje de oxigeno en Cuarto Estufa) es mayor que 80%.
Entonces:
Cierra la válvula solenoide de aire de Cuarto Estufa VSA-CE.
B9 OPERACIÓN MANUAL DE VALVULAS DEL CUARTO ESTUFA. o Si: Se oprime el botón de apertura manual M-VSOCE. Entonces: Abrir válvula solenoide de oxígeno de Cuarto Estufa VSO-CE. De otro modo. Cerrar válvula solenoide de oxígeno de Cuarto Estufa VSO-CE. o Si: Se oprime el botón de apertura manual M-VSABR. Entonces: Abrir válvula solenoide de aire de Cuarto Estufa VSA-CE. De otro modo: 53
Capítulo 2 Ingeniería básica
Cerrar válvula solenoide de aire de Cuarto Estufa VSA-CE. o Si: Se oprime el botón de apertura manual M-VSNBR. Entonces: Abrir válvula solenoide de nitrógeno de Cuarto Estufa VSN-CE. De otro modo: Cerrar válvula solenoide de nitrógeno de Cuarto Estufa VSN-CE. FASE TERCERA. CONTROL DE TEMPERATURA EN EL BIO - REACTOR 2: C1 Definir el valor del punto de consigna para el control de temperatura del Bio – Reactor (SP-CTBR) en pantalla SCADA. C2 Si:
La temperatura del Bio - Reactor TE-BR es menor que el punto de consigna para el control de temperatura del Bio – Reactor (SP-CTBR 0.5).
Entonces:
Abrir la válvula solenoide de temperatura del Bio - Reactor VST-BR.
De otro modo ir a C3. C3 Si:
La temperatura del Bio - Reactor TE-BR es mayor que el Punto de consigna para el control de temperatura del Bio – Reactor (SP-CTBR +0.5).
Entonces:
Cerrar la válvula solenoide de temperatura del Bio – Reactor VST-BR
De otro modo ir a C2. FASE CUARTA. CONTROL DE OXÍGENO EN EL BIO - REACTOR 2: D1 Si: 54
Capítulo 2 Ingeniería básica
Se selecciona operación Automática.
Entonces:
Ir a D3.
D2 Si:
Se selecciona operación Manual.
Entonces:
Ir a D9.
D3 Si:
El valor de la variable OT-BR (porcentaje de oxigeno en Bio - Reactor) es menor o igual que 39%.
Entonces:
Abrir la válvula solenoide de oxígeno de Bio – Reactor VSO-BR.
D4 Si:
El valor de la variable OT-BR (porcentaje de oxigeno en Bio - Reactor) es mayor que 39%.
Entonces:
Cerrar la válvula solenoide de oxígeno de Bio – Reactor VSO-BR.
D5 Si:
El valor de la variable OT-BR (porcentaje de oxigeno en Bio - Reactor) es mayor que 40%.
Entonces:
Abrir la válvula solenoide de aire de Bio - Reactor VSA-BR.
D6 Si:
El valor de la variable OT-BR (porcentaje de oxigeno en Bio - Reactor) es mayor que 80%.
Entonces:
Cierra la válvula solenoide de aire de Bio Reactor VSA-BR.
D7 Si:
El valor de la variable OT-BR (porcentaje de oxigeno en Bio - Reactor) es mayor o igual que 80%.
Entonces: 55
Capítulo 2 Ingeniería básica
Abrir la válvula solenoide de nitrógeno de Bio - Reactor VSN-BR.
D8 Si:
El valor de la variable OT-BR (porcentaje de oxigeno en Bio - Reactor) es mayor que 80%.
Entonces:
Cierra la válvula solenoide de aire de Bio – Reactor VSA-BR.
D9 OPERACIÓN MANUAL DE VALVULAS DEL BIO REACTOR: o Si: Se oprime el botón de apertura manual M-VSOBR. Entonces: Abrir válvula solenoide de oxígeno de Bio – Reactor VSO-BR. De otro modo. Cerrar válvula solenoide de oxígeno de Bio – Reactor VSO-BR. o Si: Se oprime el botón de apertura manual M-VSABR. Entonces: Abrir válvula solenoide de aire de Bio – Reactor VSA-BR. De otro modo: Cerrar válvula solenoide de aire de Bio – Reactor VSA-BR. o Si: Se Oprime el botón de apertura manual M-VSNBR. Entonces: Abrir válvula solenoide de nitrógeno de Bio – Reactor VSN-BR. De otro modo: Cerrar válvula solenoide de nitrógeno de Bio – Reactor VSN-BR. FASE QUINTA CONTROL DE LA ESTERILIZACIÓN EN EL TANQUE DE INACTIVACIÓN CON VAPOR LIMPIO: E1 Se fijan en la pantalla SCADA los valores siguientes:
Punto de consigna de temperatura 121 °C (SP-TETI). 56
Capítulo 2 Ingeniería básica
Valor predeterminado para el tiempo de esterilización con vapor limpio (TP-TELTI).
E2 Si:
Se selecciona el botón para esterilización con vapor limpio (B-EVLTI).
Se oprime el botón de “arranque” de esterilización (BA-ETI)
Válvulas V2-TI, V4-TI, V5-TI, V6-TI, V7-TI y V8-TI cerradas.
Entonces:
Abrir válvula de condensados V3-TI.
E3 Si:
La temperatura del Tanque de Inactivación (TE-TI) es menor que el punto de consigna (SP-TETI -0.5ºC).
Entonces
Abrir válvula de vapor limpio V1-TI.
E4 Si:
La temperatura del Tanque de Inactivación (TE-TI) es mayor que el punto de consigna (SP-TETI +0.5ºC).
Entonces
Cerrar válvula la válvula de vapor limpio V1-TI
Iniciar el tiempo de esterilización con vapor limpio (TP-TELTI).
De otro modo regresar a E3. E5 En pantalla se observa la indicación de temperatura y tiempo transcurrido de esterilización. E6 Si:
Termina el tiempo de esterilización con vapor limpio (TP-TELTI).
O se oprime el botón de “paro de esterilización” (BP-ETI). Entonces:
Cerrar válvula de vapor limpio V1-TI
Cerrar válvula de condensados V3-TI.
E7 Fin de esterilización con vapor limpio.
57
Capítulo 2 Ingeniería básica
FASE SEXTA CONTROL DE LA ESTERILIZACIÓN EN EL TANQUE DE INACTIVACIÓN CON VAPOR INDUSTRIAL: F1 Se fijan en la pantalla SCADA los valores siguientes:
Punto de consigna de temperatura 121 °C (SP-TETI).
Valor predeterminado para el tiempo de esterilización con vapor industrial (TP-TEITI).
F2 Si:
Se selecciona el botón vapor industrial (B-EVITI).
Se oprime el botón de “arranque” de esterilización (BA-ETI)
V1-TI, V4-TI, V5-TI, V6-TI, V7-TI y V8-TI cerradas.
Entonces:
Abrir válvula de condensados V3-TI.
F3 Si:
La temperatura del Tanque de Inactivación (TE-TI) es menor que el punto de consigna (SP-TETI -0.5ºC).
Entonces
Abrir válvula de vapor industrial V2-TI.
F4 Si:
La temperatura del Tanque de Inactivación (TE-TI) es mayor que el punto de consigna (SP-TETI +0.5ºC).
Entonces
Cerrar válvula de vapor industrial V2-TI.
Iniciar el tiempo de esterilización con vapor industrial (TP-TEITI).
De otro modo regresar a F3. F5 En pantalla se observa la indicación de temperatura y tiempo transcurrido de esterilización. F6 Si:
Termina el tiempo de esterilización con vapor industrial (TP-TEITI).
O se oprime el botón de “paro de esterilización” (BP-ETI). 58
Capítulo 2 Ingeniería básica
Entonces:
Cerrar válvula de vapor industrial V2-TI.
Cerrar válvula de condensados V3-TI.
F7 Fin de esterilización con vapor industrial. FASE SEPTIMA CONTROL DE TEMPERATURA EN EL TANQUE DE INACTIVACIÓN: G1 Se fijan en la pantalla SCADA los valores siguientes:
Valor preestablecido del tiempo para llenado de chaqueta del Tanque de Inactivación (TLCHTI).
Punto de consigna para el control de temperatura
Tanque de
Inactivación (SP-CTTI). G2 Si:
Se oprime el botón de arranque del control de temperatura en el Tanque de Inactivación ubicado en la pantalla SCADA (BA-CTTI).
La válvula de vapor V4-TI esta cerrada.
Entonces:
Abrir válvula de entrada de agua V6-TI.
Abrir válvula de recirculación de agua V7-TI.
Inicia el tiempo de llenado de la chaqueta del Tanque de Inactivación (TLCHTI).
G3 Si:
Termina el tiempo de llenado de la chaqueta del Tanque de Inactivación (TLCHTI).
Entonces:
Arrancar bomba de recirculación de agua en chaqueta del Tanque de Inactivación (B1-TI).
Iniciar control de temperatura en Tanque de Inactivación (ir a G4).
G4 Si: 59
Capítulo 2 Ingeniería básica
La temperatura del Tanque de Inactivación (TE-TI) es menor que el punto de consigna del control de temperatura (SP-CTTI -0.5ºC). Entonces:
Cerrar válvula de suministro de agua V5-TI del Intercambiador de Calor.
Cerrar la válvula de condensados V8-TI.
Abrir válvula de entrada de vapor V4-TI del Intercambiador de Calor.
Ir a G5. De otro modo si:
Se oprime el botón de paro del control de Temperatura en el Tanque de Inactivación BP-CTTI. Entonces:
Cerrar válvula V4-TI.
Cerrar válvula V5_TI.
Cerrar válvula V8-TI.
Fin de control de temperatura en Tanque de Inactivación.
G5 Si:
La temperatura del Tanque de Inactivación (TE-TI) es mayor que el punto de consigna del control de temperatura (SP-CTTI +0.5ºC). Entonces:
Abrir válvula de suministro de agua V5-TI del Intercambiador de Calor.
Abrir la válvula de condensados V8-TI.
Cerrar válvula de entrada de vapor V4-TI del Intercambiador de Calor.
Ir a G4. De otro modo si:
Se oprime el botón de paro control de temperatura en el Tanque de Inactivación BP-CTTI Entonces:
Cerrar válvula V4-TI
Cerrar válvula V5-TI.
Cerrar válvula V8-TI.
Fin de control de temperatura en Tanque de Inactivación 60
Capítulo 2 Ingeniería básica
FASE OCTAVA. MONITOREO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO BACTERINAS H1
En la pantalla del sistema SCADA se visualizan las variables mostradas en la tabla 2.7.
Tabla 2.7. Variables visualizadas en el sistema SCADA.
VARIABLE Oxígeno en Bio reactor 2 pH en Bio reactor 2 Conductividad en Bio reactor 2 Presión en Tanque de inactivación Oxígeno en Cuarto Estufa Temperatura en Bio reactor 2 Temperatura en Tanque de Inactivación Temperatura en Cuarto Estufa
RANGO 0-100% 0-14 0-200 µS 0-15 Kg/m2 0-100% 0-100 ºC 0-100 oC 0-100 oC
2.4 Arquitectura de control. La arquitectura de control es una representación gráfica de la distribución de un sistema de control, en la cual pueden estar representados uno o varios PLC, Sistemas de Control Distribuido o Sistemas de Control Hibrido. En el diseño de la arquitectura de control se realiza una estructura del acomodo de los diferentes elementos periféricos que se utilizan para la automatización de un proyecto tales como: CPU, módulos, servidores, clientes, la conexión en red, redundancia, etc. El tamaño de la arquitectura de control depende del número de sistemas de control, módulos de entradas y salidas o tamaño de la red. La arquitectura de control es parte de los documentos de la ingeniería básica y es utilizada para dimensionar el hardware del sistema de control requerido para un proyecto de automatización, permitiendo hacer los estimados de costos, dimensionamiento de gabinetes y cuartos de control, alcances de obra, desarrollo de diagramas, hacer los análisis para instalación de redes o control redundante, etc.
61
Capítulo 2 Ingeniería básica
2.4.1 Características de la arquitectura de control. La arquitectura de control del proceso bacterinas como la mostrada en la figura 2.17, se diseña en base a las necesidades de automatización y a los recursos que se tienen para el desarrollo del proyecto. Este diseño permite visualizar las partes de hardware del sistema de control. Los elementos mínimos de hardware que debe tener la arquitectura de control para poder cubrir las necesidades del proceso bacterinas son los siguientes:
Un PLC con módulos de entradas y salidas.
Una computadora donde se visualizarán los gráficos dinámicos y registro de tendencias de forma local.
Una computadora donde se visualizarán los gráficos dinámicos y registro de tendencias de forma remota.
Un switch Ethernet para la red industrial de acceso remoto.
Una pantalla táctil para operación del proceso.
2.4.2 Elaboración de la arquitectura de control. Para elaborar la arquitectura se debe hacer un análisis previo de algunos puntos importantes y de las necesidades del proyecto, esto conlleva a un buen diseño para partir de una buena base.
2.4.2.1 Selección del PLC del proceso bacterinas. Primeramente se determina el tipo de Sistema de Control mas conveniente para el proyecto del proceso bacterinas, este puede ser un PLC, un Sistema de Control Distribuido (SCD) o un Sistema de Control Hibrido (SCH), esta selección se hace analizando y comparando ciertas características y especificaciones que tienen los diferentes tipos de Sistemas de Control. 62
Capítulo 2 Ingeniería básica
En la tabla 2.8 se hace un análisis de comparación de los tres tipos de sistemas de control más comunes en la industria y en relación a los resultados más óptimos, se toma la decisión de hacer la adquisición del equipo correspondiente. Tabla 2.8. Tabla comparativa de Sistemas de Control.
PUNTOS A CONSIDERAR Control discreto
PLC Si
SCD No
SCH Si
Control continuo
No
Si
Si
Basado en microprocesador
Si
Si
Si
Señales analógicas
Si
Si
Si
Señales digitales
Si
Si
Si
Sistema redundante
No
Si
Si
Aplicaciones tipo Batch
No
No
Si
Lenguajes de fácil programación
Si
Si
Si
Sistema supervisorio
Si
Si
Si
Modular
Si
Si
Si
Gran numero de entradas y salidas
No
Si
Si
Comunicación en red
Si
Si
Si
Costo accesible
Si
No
No
En base al resultado del análisis de comparación realizado en la tabla 2.8 y la revisión de las especificaciones técnicas de los diferentes Sistemas de Control, se elije un PLC de la serie CPX modelo CPX-FEC-1-1E de la marca Festo para el proceso bacterinas, por ser un tipo de control discreto, en el cual se utilizarán entradas y salidas analógicas, de fácil programación, expandible, de bajo costo y utiliza un numero de señales considerable para este tipo de proyecto. Este PLC además tiene un puerto de comunicación del tipo Ethernet para conectarlo en red y de esta manera tener acceso remoto desde otra estación de operación mediante un software SCADA de bajo costo, el cual cumple con los requerimientos de la planta BOEHRINGER INGELHEIM. El PLC seleccionado para el proceso bacterinas es uno de los equipos más potentes que fabrica la marca Festo, el cual tiene tecnología de punta, cuyas características importantes son las siguientes: 63
Capítulo 2 Ingeniería básica
1 puerto de comunicación Serial. 1 puerto de comunicación Ethernet. Protocolo de comunicación Easy IP abierto para adquisición de datos. Escalable hasta 9 módulos de entradas y salidas analógicas y digitales. 1 Nodo Bus de campo. Opera como maestro o como esclavo en una Red industrial Ethernet. Se programa tanto en listado de instrucciones como en lógica de escalera El Software de programación ya viene incluido en la adquisición del PLC, con esto se reducen costos por licencia de software. Sistema modular con muchas configuraciones posibles. Módulos con entradas y salidas digitales, módulos con entradas y salidas analógicas, módulos de temperatura RTD PT100 o TC (termopar). El PLC del tipo CPX está conformado de la manera siguiente: a) Terminal CPX de Festo. El terminal eléctrico CPX es un sistema periférico modular de diseño único, también se le puede llamar CPU o PLC, que permite una fácil instalación de los módulos de entradas y salidas analógicas y digitales. En este sistema se puso especial cuidado en la adaptabilidad de los distintos módulos e incluso en el se pueden instalar terminales de válvulas. La estructura modular del sistema permite la configuración individual de la cantidad de módulos de entradas y salidas adicionales en función de cada aplicación. En la figura 2.11 se observa la terminal CPX con sus módulos de expansión de entradas y salidas analógicas y digitales.
64
Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.11. Terminal CPX con PLC y sus módulos de expansión I/O.
b) Modulo de 8 Salidas Digitales. En la figura 2.12 se ilustra el modulo de salidas digitales, el cual
se aprecia que
físicamente es igual al módulo de entradas digitales, este diseño es para que el módulo pueda adaptarse a las bases de la terminal CPX. Los módulos de salidas digitales permiten la conexión de dispositivos como válvulas solenoides, lámparas arrancadores para motores, etc.
Figura 2.12. Módulo de Salidas Digitales tipo CPX-8DA.
Aplicaciones del módulo de Salidas Digitales:
Módulo de salida para alimentación de tensión de 24 V DC.
Lógica PNP.
Parametrización de las características del módulo.
La tensión para la electrónica y las salidas se alimenta a través del módulo de salida desde el bloque de distribución. 65
Capítulo 2 Ingeniería básica
Protección y diagnóstico del módulo mediante un fusible electrónico integrado por canal.
En la tabla 2.9 se indican los datos técnicos generales del módulo de Salidas Digitales. Tabla 2.9. Datos técnicos generales del módulo de Salidas Digitales.
Tipo. Número de parte. Cantidad de salidas. Alimentación máxima de corriente por módulo. Protección por fusible electrónico interno. Consumo de corriente del módulo. Tensión de funcionamiento. Tiempo de respuesta inicial. Lógica de conmutación. 1 LED para indicar diagnóstico del módulo de entradas. 1 LED para cada canal para indicar el estado de canal. Diagnóstico de cortocircuito o sobrecarga en el canal. Parametrización: Rango de temperatura de operación. Rango de temperatura para almacenamiento o transporte. Materiales: Dimensiones (incluyendo el bloque distribución y la placa de alimentación): Peso.
de
CPX-8DA. 541482. 8. 4A. Por canal. 16 mA. 24 V DC, 18… 0 V DC. 3 ms (0,1 ms, 10, 20 paramerizables). Lógica positiva (PNP). 1 LED (8 LED en total). 1 led. • Control del módulo. • Características después de cortocircuito. • Puesta a modo seguro del canal. • Forzamiento de canal. –5 °C …+50 °C. –20 °C … +70 °C poliamidareforzada y policarbonato. 50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto. 38 g.
c) Modulo de 4 Entradas Analógicas. En la figura 2.13 se ilustra el modulo de entradas analógicas que se utilizan para el accionamiento de equipos con interface analógica normalizada, tales como transmisores de 66
Capítulo 2 Ingeniería básica
presión, nivel, caudal, etc. Según el bloque de distribución elegido, el módulo dispone de conectores diferentes (de ocupación simple y doble) para diversos tipos de conexiones. Se aprecia que el módulo de entradas analógicas físicamente es igual al módulo de entradas digitales, este diseño es para que el módulo pueda adaptarse a las bases de la terminal CPX.
Figura 2.13. Módulo de Entradas analógicas tipo CPX-4AE-I.
Aplicaciones del Módulo de entradas analógicas.
Módulo analógico se aplica para señales analógicas como: 0 …10 V, 0 … 20 mA o 4 … 20 mA.
Placas de alimentación con conexiones M12, Sub-D y bornes.
Parametrización de las características del módulo.
Disponibilidad de datos de diversos formatos.
Funcionamiento posible con o sin separación galvánica.
La tensión para la electrónica y los detectores se alimenta a través del módulo analógico desde el bloque de distribución
Protección y diagnóstico del módulo analógico mediante fusible electrónico integrado.
En la tabla 2.10 se indican los datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas de 4 a 20 mA. Tabla 2.10. Datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas.
Tipo. Número de parte. Cantidad de Entradas Analógicas. Alimentación máxima de corriente por módulo. Protección por fusible electrónico interno para la alimentación de los transmisores (sensores).
CPX-4AE-I. 541484. 4. 0.7A. Por canal.
67
Capítulo 2 Ingeniería básica
Continuacion de tabla 2.10. Consumo 24 V para la alimentación de los transmisores (corriente reposo). Consumo a 24 V para la alimentación de los transmisores (plena carga) máximo. Tensión de alimentación para los transmisores. Margen de señales. Resolución. Cantidad de unidades. Precisión Resistencia de entrada. Tensión de entrada máxima. Tiempo de respuesta inicial. Lógica de conmutación. 1 LED para indicar diagnóstico del módulo de entradas. 1 LED para cada canal para indicar el estado de canal.
Diagnóstico:
Parametrización:
50 mA. 70 mA. 24 V DC ± 25%. 0…10 V CD 12 bits. 4096. ± 5%. 100 KΩ. 30 VCD. 3 ms (0,1 ms, 10, 20 parametrizables). Lógica positiva (PNP). 1 LED. (1 LEDS en total). • Error de parametrización. • Corto circuito o sobrecarga en la alimentación de los transmisores. • Por debajo del margen nominal o valor final de escala. • Por encima del margen nominal o valor final de escala. • Ruptura de cable (con margen de medición de 4 …20 mA). • Control de cortocircuito en alimentación de sensores o transmisores. • Características después de cortocircuito en la alimentación de los sensores. • Formato de datos. • Valor límite inferior o valor final de escala. • Valor límite superior o valor final de escala. • Control si el valor es inferior o superior al valor mínimo o valor final de escala. • Control de ruptura de cable. • Márgenes de señales. 68
Capítulo 2 Ingeniería básica
Continuación de tabla 2.10. Rango de temperatura de operación. Rango de temperatura para almacenamiento o transporte. Materiales. Dimensiones (incluyendo el bloque de distribución y la placa de alimentación): Peso.
–5 °C …+50 °C. –20 °C … +70 °C Polímero. 50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto. 38 g.
d) Modulo de 4 Entradas Analógicas para RTD PT100. En la figura 2.14 se muestra el módulo de entradas analógicas CPX-PT100 con cuatro canales para la detección de temperatura, permite la conexión de máximo cuatro sensores de temperatura del tipo PT100-PT1000, Ni100-Ni1000 etc. Dependiendo de la placa de alimentación elegida, el módulo de temperatura provisto de diversas cantidades de conectores y bornes, admite diversos tipos de conexiones.
Figura 2.14. Módulo de Entradas Analógicas tipo CPX-PT100.
Aplicaciones del Módulo de Entradas Analógicas para RTD PT100.
Módulo para sensores de temperatura PT100, PT200, PT500, PT1000, Ni100, Ni120, Ni500, Ni1000.
Para placas de alimentación con conexiones M12, Harax y bornes.
Parametrización de las características del módulo de temperatura.
Conexión de 2, 3 ó 4 hilos.
La tensión para la electrónica y los detectores se alimenta a través del módulo de temperatura desde el bloque de distribución.
Protección y diagnóstico del módulo de temperatura mediante fusible electrónico integrado.
69
Capítulo 2 Ingeniería básica
En la tabla 2.11 se indican los datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas para RTD PT100. Tabla 2.11. Datos técnicos generales del módulo de Entradas Analógicas para RTD PT100.
Tipo. Número de parte. Cantidad de Entradas Analógicas. Alimentación máxima de corriente por módulo. Protección por fusible electrónico interno para la alimentación de los RTD. Consumo 24 V para la alimentación de los sensores (corriente reposo). Tensión de alimentación para los sensores. EL tipo de sensor es (parametrizaje por canales mediante conmutador DIL) Rango de Temperatura. Numero de hilos de conexión. Margen de señales. Resolución. Resistencia máxima por hilo. Límite de error de temperatura en relación con la entrada. Error de linealidad (sin factor de escala mediante software) Límite de error básico. Longitud de la línea máximo. Tensión de entrada máxima admisible. Tiempo de ciclo (módulo). Lógica de conmutación. 1 LED para indicar diagnóstico del módulo de entradas. 1 LED para cada canal para indicar el estado de canal.
Diagnóstico:
CPX-4AE-T. 541486. 2 ó 4 a elegir. 0.7A. Por canal. 50 mA. 24 V DC ± 25%. PT100, PT200, PT500, PT1000, Ni100, Ni120, Ni500, Ni1000. • Pt –200… +850°C. • Ni –60 … +180 °C. 2, 3 ó 4 hilos. 0…10 V CD Resolución 15 signo + bit. 10 Ω. ±0,001 %. ±0,02 %. (25 °C). 200 m (apantallada). ±30 V. ≤ 250 ms. Lógica positiva (PNP). 1 LED. (1 LEDS en total). • Canal de cortocircuito o sobrecarga. • Error de parametrización. • Por debajo del margen nominal o valor final de escala. • Por encima del margen nominal o valor final de escala. • Rotura de cable. 70
Capítulo 2 Ingeniería básica
Continuación de tabla 2.11.
Parametrización:
Rango de temperatura de operación. Rango de temperatura para almacenamiento o transporte. Materiales. Dimensiones (incluyendo el bloque de distribución y la placa de alimentación): Peso.
• Magnitud de medición y supresión de frecuencia de interferencia. • Indicación de diagnóstico en caso de ruptura de cable o cortocircuito. • Control de valor límite por canal. • Técnica de conexión de sensores. • Tipo de sensor, coeficiente de temperatura, margen de temperatura. • Valor límite por canal. • Nivelación del valor medido. –5 °C …+50 °C. –20 °C … +70 °C Polímero. 50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto. 38 g.
e) Modulo de Salidas Analógicas. En la figura 2.15 se muestra uno de los módulos de salidas analógicas, los cuales se utilizan para el accionamiento de equipos con interface analógica normalizada, tales como válvulas proporcionales, variadores de velocidad, servomotores, etc. Según el bloque de distribución elegido, el módulo dispone de conectores diferentes (de ocupación simple y doble) para diversos tipos de conexiones.
Figura 2.15. Módulo de Salidas Analógicas tipo CPX-2AA-U-I.
71
Capítulo 2 Ingeniería básica
Aplicaciones del Módulo de salidas analógicas.
Módulo analógico para 0 … 10 V, 0 … 20mA o 4 … 20 mA.
Para placas de alimentación con conexiones M12, Sub-D y bornes.
Parametrización de las características del módulo.
Disponibilidad de datos de diversos formatos.
Funcionamiento posible con o sin separación galvánica.
La tensión para la electrónica y los actuadores se alimenta a través del módulo analógico desde el bloque de distribución.
Protección y diagnóstico del módulo analógico mediante fusible electrónico integrado.
En la tabla 2.12 se indican los datos técnicos generales del módulo de Salidas Analógicas de 4 a 20 mA. Tabla 2.12. Datos técnicos generales del módulo de Salidas Analógicas de 4 a 20 mA.
Tipo. Número de parte. Salida de tensión o corriente. Tiempo de estabilización: Cantidad de Salidas Analógicas.
Formato de datos
Longitud de la línea máxima. Alimentación máxima de corriente por módulo. Diagnóstico:
Rango de temperatura de operación.
CPX-2AA-U-I. 526170. 4 … 20 mA. Carga óhmica 0,1 ms. Capacitiva 0,7 ms. Inductiva – 0,5 ms. 2. 15 bit + signo, escala lineal. 12 bit derecha, compatible con tipo 03. 12 bit izquierda, compatible con S7. 12 bit izquierda, compatible con S5. 30 m (apantallada) 0.7A. • Cortocircuito o sobrecarga en la alimentación de los actuadores. • Error de parametrización. • Por debajo o encima del margen nominal o valor final de escala. • Rotura de cable. –5 °C …+50 °C. 72
Capítulo 2 Ingeniería básica
Continuación de tabla 2.12. Rango de temperatura para almacenamiento o transporte. Materiales. Dimensiones (incluyendo el bloque de distribución y la placa de alimentación): Peso.
–20 °C … +70 °C Polímero. 50 mm de ancho x 107 mm de largo x 50 mm de alto. 38 g.
2.4.2.2 Dimensionamiento del PLC CPX de Festo. Para realizar la arquitectura de control es necesario tener el dimensionamiento del PLC CPX, el cual se realiza en base a un sumario del total de las señales del proceso bacterinas, este sumario se hace contabilizando el número de instrumentos de medición y control que tienen señales analógicas y digitales, tomando como base el documento de ingeniería que es el Diagrama de Tuberías e Instrumentación mostrado en las figuras 2.7, 2.8 y 2.9. Para el proyecto del proceso bacterinas se requiere un número considerable de señales de entradas y salidas tanto analógicas como digitales, el PLC del tipo CPX es expandible hasta 9 módulos de entradas y salidas, cantidad suficiente para cubrir las necesidades en cuanto a señales se refiere. Para determinar el número de módulos de entradas y salidas tanto analógicas como digitales que para el dimensionamiento del PLC, es necesario recurrir a un sumario se señales como el mostrado en la tabla 2.13. Tabla 2.13. Sumario de señales del proceso bacterinas.
Donde: E.A. RTD es entrada analógica de tipo RTD PT100. 73
Capítulo 2 Ingeniería básica
E.A. es entrada analógica de 4 a 20 mA. S.A. es salida analógica de 4 a 20 mA. E.D. es entrada digital de 24 VCD. S.D. es salida digital de 24 VCD. En el sumario se señales de la tabla 2.13 está contenido el total aproximado de señales tanto analógicas como digitales que tiene el Diagrama de Tuberías e Instrumentación ilustrado en las figuras 2.7, 2.8, y 2.9., que son las señales de todos los instrumentos involucrados para el proyecto bacterinas y con esto se determina la cantidad de módulos de entradas y salidas que tiene el PLC CPX obteniendo la tabla 2.14. Tabla 2.14. Módulos de entradas y salidas del PLC CPX de Festo.
En la tabla 2.14 se observa que el PLC CPX soporta módulos de entradas y salidas analógicas de 4 a 20 mA, pero también admite módulos para sensores de temperatura tipo RTD, de acuerdo a esto el PLC CPX mostrado en la figura 2.16, queda conformado por los módulos siguientes: ¾ 1 PLC CPX marca Festo (E0). ¾ 1 módulo de 16 entradas digitales de 24 VCD (E1). ¾ 3 módulos de 8 salidas digitales de 24 VCD (E2, E3 y E9). ¾ 2 módulos de 4 entradas analógicas de 4 a 20 mA (E4 y E5). ¾ 1 modulo de 4 entradas de RTD (E6). ¾ 2 módulos de 2 salidas analógicas de 4 a 20Ma (E7 y E8).
74
Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.16. PLC CPX de Festo con módulos I/O.
Es importante mencionar que se tienen que dejar reservadas un determinado número de señales del tipo analógica y digital, para cumplir con el objetivo de expansión a futuro del proceso. 2.4.2.3 Arquitectura de control del proceso bacterinas. En la figura 2.17 se ilustra la arquitectura de control del proceso bacterinas, la cual esta compuesta por los siguientes elementos: 1) CPU de Estación de operación local numero 1. 2) Pantalla táctil con pantallas HMI SCADA para la operación del proceso bacterinas mediante códigos de acceso. 3) CPU de Estación de operación remota numero 2. 4) Monitor LCD con pantallas HMI SCADA para la operación del proceso bacterinas mediante códigos de acceso. 5) Switch Ethernet para conexión de Red Industrial Ethernet para dos o más estaciones de operación. 6) Red Ethernet Industrial. 7) PLC CPX de Festo con módulos de expansión de entradas y salidas analógicas y digitales.
75
Capítulo 2 Ingeniería básica
Figura 2.17. Arquitectura de control del proceso bacterinas.
2.5 Índice de instrumentos. El índice de instrumentos es una relación alfanumérica de todos los instrumentos que se muestran en el DTI proporcionando los datos para la instalación, la puesta en marcha, el mantenimiento y las modificaciones. La información que contiene un índice de instrumentos puede ser muy completa y detallada o simple y sencilla, eso dependerá de los requerimientos del proyecto. No existe una regla especifica a seguir para la elaboración de un índice de instrumentos, pero si se hacen ciertas recomendaciones para facilitar la interpretación del mismo cuando sea consultado por el personal de ingeniería del proyecto, de mantenimiento o incluso por 76
Capítulo 2 Ingeniería básica
el personal que no este familiarizado con términos de instrumentación y control, lo cual le facilita la interpretación de esta información. El índice de instrumentos se utiliza para llevar el control y el registro de los datos de cada instrumento del proyecto, en el cual están contenidos los datos de especificaciones más importantes de cada instrumento para ser consultada por personal de mantenimiento, ingeniería y de proceso. Con la información de cada instrumento, se facilita la detección de fallas, reemplazo por otro instrumento de las mismas características, calibraciones, configuraciones, etc. Los datos incluidos en el índice de instrumentos varían y dependen de la complejidad de la instrumentación de las plantas. En el proceso bacterinas se realiza un índice de instrumentos clasificado por lazos de cada variable, es decir se enlistan todos los instrumentos y elementos que tienen que ver con el control de cada variable del proceso en forma agrupada. Para la realización del índice de instrumentos se toma como referencia los Diagramas de Tuberías e Instrumentos de proceso bacterinas ilustrados en las figuras 2.7, 2.8 y 2.9. Todos los instrumentos de todas las variables del proceso se están descritos en el índice de instrumentos. En la tabla 2.15, se ilustra el índice de instrumentos del proceso bacterinas, en este caso están agrupados los instrumentos por lazo de control y están divididos por una línea horizontal, un ejemplo de un lazo de control de temperatura del índice de instrumentos de la tabla 2.15 es TE-TI, TIC-TI, V1-TI, y V2-TI, los lazos se dividen por variable, en este ejemplo se observa que también hay lazos de control para las variables de presión y oxigeno.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.15. Índice de Instrumentos del proceso bacterinas.
En este índice, las columnas de la tabla están clasificadas de la siguiente manera:
No. (numero de instrumento): En esta columna se numeran los instrumentos de campo y de gabinete y además se marca con un color para diferenciar un instrumento nuevo de uno existente, en este caso respetando el mismo código de colores utilizado para el DTI se utiliza el color rojo para los instrumentos nuevos y ámbar para los equipos que tendrán alguna modificación o reubicación.
TAG (Identificación de instrumento): Aquí en este espacio se escribe la identificación del instrumento como por ejemplo TE-TI, esta identificación es tomada de los índices de instrumentos del proceso bacterinas.
Servicio: Se refiere al servicio que esta dando el instrumento, puede ser para medir temperatura, controlar temperatura, etc., en donde se debe anotar a que equipo o línea de proceso se esta dando el servicio de medición o control.
Elemento: Es el tipo de sensor, controlador, indicador, registrador o alarma. 78
Capítulo 2 Ingeniería básica
Tipo de elemento: Se hace una pequeña descripción de que tipo de instrumento es, y esto se hace para que el personal que no este muy familiarizado con la simbología también pueda interpretar el índice y sepa a que instrumento se refiere.
I/O: También se debe indicar que tipo de señal es, si es una señal analógica o digital, y en el caso de las señales analógicas se debe de indicar el tipo de tipo señal. En este índice esta identificada la señal analógica del RTD como E.A.R., la señal analógica de 4 a 20 mA como E.A., la señal de entrada digital como E.D. y la señal de salida digital como S.D.
Loc: Aquí se escribe de forma abreviada si el instrumento esta en campo (local) o en cuarto de control (cc)
Tipo de Señal: En esta columna se escribe el tipo de señal que tiene el sensor, transmisor o controlador. La señal puede ser de 4 – 20 mA, RTD, o de tipo digital de 24 V cd.
Rango: Aquí se escribe el rango total del instrumento.
Unidades: Las unidades de ingeniería que tiene el sensor, se escribe en esta columna.
Línea o equipo: Se debe de especificar en que lugar del proceso se encuentra cada instrumento, en este caso es hay instrumentos en el Tanque de Inactivación, Bio Reactor y Cuarto Estufa.
Observaciones: Se escribe una pequeña observación o comentario del instrumento. Puede escribirse marca, modelo, etc.
Existen índices de instrumentos que pueden incluir mas especificaciones de instrumentos como el rango de operación mínimo y máximo, el fluido en el cual medirán, la presión de operación, la conexión a proceso, la temperatura máxima, caídas de presión, conductividad del fluido, tipo de montaje, etc. En este índice, también se pueden incluir las hojas de las válvulas de control Todo – Nada e instrumentos adicionales para otras variables de control que sean requeridas en el proceso. El índice forma parte de la información de la ingeniería básica y se obtiene del Diagrama de Tuberías e Instrumentación y de levantamientos en campo. 79
Capítulo 2 Ingeniería básica
2.6 Hojas de especificaciones. En un proyecto de automatización se deben de realizar las adquisiciones de equipo de medición y control para las variables involucradas, para esto, se realizan las llamadas Hojas de Especificaciones, que forman parte de la documentación de la ingeniería básica de un proyecto de automatización. Una hoja de especificaciones es una tabla donde se introducen los datos de procesos mínimos necesarios para efectuar la especificación de un instrumento, como pueden ser: temperatura normal y máxima de operación, presión normal y máxima de operación, material de la tubería, tipo de fluido, diámetro de la tubería, etc. En un proyecto, generalmente estos datos se toman del diagrama de flujo de proceso y del Diagrama de Tubería e Instrumentación, en el que se indican las condiciones de operación de los puntos importantes del proceso, las características de los recipientes y datos de las líneas de tubería del proceso. Una hoja de este tipo, especifica las características generales y específicas del instrumento para la realización de la compra, calibración, instalación, y mantenimiento. Para el llenado de esta hoja, es necesario conocer el tipo de instrumentos que se ha seleccionado en base a las condiciones de operación plasmadas en las hojas de datos de instrumentos. Dichas hojas se deben de especificar de manera detallada debido a que en cada proceso existen condiciones y ambientes que pueden ser diferentes entre uno y otro, con este entorno los instrumentos de campo que se utilizan para la medición y control de las diferentes variables deben soportar estos ambientes que pueden ser húmedos, con polvo, áreas peligrosas etc., también se especifican las temperaturas de operación, la presión, el fluido de contacto con el instrumento etc.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Todo lo anterior tiene la finalidad de realizar una buena selección de los instrumentos de campo y de control. Los datos que se anotan en las Hojas de Especificaciones también se pueden obtener de un levantamiento en campo y de lecturas obtenidas en las líneas o equipos de proceso de los productos, fluidos o ambientes que intervienen en el punto específico donde será instalado el instrumento. Otros datos que se obtienen para llenar las hojas de especificaciones de un instrumento son las tablas de compatibilidades químicas o también estos datos pueden ser obtenidos mediante un análisis de laboratorio donde los resultados obtenidos pueden ser por ejemplo, la densidad, conductividad o cualquier otra propiedad física de la materia que ayudan a complementar la información requerida en las Hojas de Especificaciones. Para la elaboración de las especificaciones del proceso bacterinas se utiliza la norma ISAS20-1981 descrita en el anexo C, la cual contiene los formatos
de las
Hojas de
Especificaciones de instrumentos de medición y control, elementos primarios y válvulas de control. Estas formas son recomendadas por la ISA (Instruments Society of America), aunque no son obligatorias. Para el proceso bacterinas se realizan las hojas de especificaciones de los instrumentos mas importantes como los sensores de temperatura RTD, transmisor de presión, controladores de oxigeno, conductividad y de PH. En la tabla 2.16 se presenta la Hoja de especificaciones para los sensores de temperatura del proceso bacterinas del Tanque del Inactivación, Bio - Reactor y Cuarto Estufa, los cuales están identificados como TE-TI, TE-BR y TE-CE respectivamente.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.16. Hoja de especificaciones de los sensores de temperatura del proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
En la tabla 2.16, se indican los índices numerados desde el 1 hasta el 17, cada índice indica una característica específica del sensor de temperatura y estos son descritos a continuación: 1. Ensamble Completo: El ensamble del sensor se especifica aquí. 2. Tapa Roscada: En este caso se define el tipo de tapa que tendrá el sensor. 3. A prueba de explosión: Al igual que en los demás sensores aquí se define la clasificación del encapsulado del sensor, considerando la clasificación del área donde será instalado. 4. Material: En este punto se define el material de la cabeza del sensor. 5. Los sensores de temperatura también pueden tener extensión que permite que el instrumento pueda ser instalado en zonas donde se requiera mayor profundidad de instalación y que la cabeza de conexiones sobre salga. 6. Platino-Níquel-Otro: Los materiales del elemento sensor también pueden definirse en este punto. 7. Resistencia de punta fría: La resistencia de punta fría es la que se genera cuando hay 0 grados centígrados, en este caso el de 100Ω, pero también puede especificarse una de mejor precisión como la de 1000Ω. 8. Rango de temperatura: El rango de temperatura se especifica también para determinar si el sensor es el adecuado para la aplicación a esta temperatura. 9. Conexión: Los sensores tiene diferentes tipos de conexiones a proceso, en este punto se especifica el tipo de conexión que puede ser roscada, bridada, etc. 10. Material: En este punto se define el material del sensor. 11. Montaje Roscado: El tipo de montaje se define en este apartado. 12. Conexión a (número de hilos de sensor): Los sensores de temperatura de resistencia pueden tener varios hilos para la conexión eléctrica, en este punto se define el número de hilos que debe tener este sensor. 13. Material termopozo: El material del termopozo del sensor se define en este punto. 14. Construcción: En este caso se define el tipo de termopozo, recto, cónico etc. 15. Dimensiones: Aquí se definen las dimensiones del termopozo. 16. Rosca interna: Esta conexión es la de la conexión de la rosca interna del termopozo, donde serán instalado el sensor RTD. 83
Capítulo 2 Ingeniería básica
17. Conexión a proceso: La conexión a proceso del termopozo, en este caso se define el tipo de conexión, el tamaño y características adicionales con respecto a esta conexión. Tabla 2.17. Hoja de especificaciones del transmisor de presión del proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.18. Hoja de especificaciones del Transmisor –Controlador de O2 del proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.19. Hoja de especificaciones del Transmisor –Controlador de pH del proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Los formatos de las tablas 2.17, 2.18 y 2.19 son iguales, lo único que cambia es el tipo de instrumento especificado y los datos contenidos, se observa que en la tabla 2.17 se especifica un transmisor de presión, en la tabla 2.18 esta especificado un transmisor – controlador de O2 y en la tabla 2.19 se especifica un transmisor controlador de pH. Debido a que los formatos de las tablas 2.17, 2.18 y 2.19 son los mismos, a continuación se describen cada uno de los datos que contiene cada índice de dichas tablas en un solo listado: 1. No. de identificación: En este espacio se escribe la identificación del instrumento a especificar. 2. Función: Se refiere a la función que tendrá el medidor en este caso es un transmisor. 3. Carcasa: En este campo se escribe el tipo de caja o carcasa de la electrónica del transmisor. 4. Montaje: En este punto se especifica el tipo de montaje (diámetro de tubo) en donde será instalado el medidor. 5. Clasificación: Aquí se define la clasificación del encapsulado o carcasa del transmisor que se refiere en este caso al tipo de área en el que se instalara, ésta puede ser una área peligrosa donde haya ambiente explosivo o ambiente de humedad. En este caso se considera una clasificación NEMA 4X descrito en el anexo D, que se refiere a que el área donde será instalado el medidor es intemperie. 6. Alimentación eléctrica: La alimentación eléctrica con la que será energizado es específica en este punto. 7. Gráfica: En este caso se especifica el tipo de gráfica del instrumento. 8. Avance de gráfica: El avance de gráfica se especifica en este apartado. 9. Escalas: Los rangos de las escalas también son especificados en este punto. 10. Salida del transmisor: La salida de señal del transmisor puede ser de 4 a 20 mA. 11. Modos de control: En caso de existir control, se especifica el tipo de control que debe tener el instrumento.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
12. Acción: En este caso se determina la acción de la salida del instrumento, ya sea directa o inversa, lo que quiere decir que la señal puede ser directamente proporcional a la variable medida o inversamente proporcional a ésta. 13. Selector Auto - Manual: Se especifica si el tipo de selector automático manual. 14. Ajuste de setpoint: Se especifica si se requiere que el instrumento tenga ajuste de setpoint. 15. Regulador manual: En algunos instrumentos se necesita que tengan un regulador manual. 16. Salida: Tipo de salida, es decir, 4-20 mA, 3-15 psi, etc. 17. Servicio: El tipo de servicio, es aquel para el cual va a instalarse el instrumento. Esto es para seleccionar los materiales que tendrán contacto con el fluido de proceso y que sean compatibles químicamente. 18. Tipo de elemento: Se refiere al tipo de elemento sensor, de los cuales existen varios como diafragma, bourdon, etc., esto depende del tipo de aplicación que se le dará al instrumento. 19. Material: El material de construcción del elemento sensor es especificado en este punto. 20. Rango: El rango se especifica, ya que existen instrumentos de varios rangos y es importante definir dicho rango para una correcta operación del mismo. 21. Datos de proceso: en este caso se establecen los parámetros de proceso importantes. 22. Conexión a proceso: La conexión a proceso es el tipo de acoplamiento mecánico para instalarlo a las tuberías mecánicas o tanques donde será tomada la lectura de medición. En este punto se determina el tipo y tamaño de conexión a proceso. 23. Interruptor de alarma: Algunos instrumentos tienen opción de alarma, y es en este apartado es donde se especifica. 24. Función: Tipo de función de la alarma que se especifica al instrumento. 25. Opciones: Los transmisores también tienen capilares de extensión, y en este punto es donde se especifica. Los capilares de los transmisores tienen un liquido en su interior, aquí se especifica el tipo de fluido de este capilar. Los sellos remotos son los sensores a distancia que tiene un transmisor, estos también son especificados en este campo. 26. Fabricante y modelo: En este apartado se escribe la marca del fabricante del instrumento y el número de parte o modelo si es que se tiene. 88
Capítulo 2 Ingeniería básica
2.7 Tablas comparativas. Las tablas comparativas de los instrumentos de medición son formatos que contienen los datos y especificaciones de al menos dos instrumentos de medición de distintas marcas, estos instrumentos deben ser para medir el mismo tipo de variable en las mismas condiciones de proceso. En el formato se escriben todos los datos de especificaciones técnicas y también el costo del instrumento con la finalidad de una comparación técnica y económica de cada uno de los instrumentos. Dos o más instrumentos de diferentes marcas pueden ser comparados con la finalidad de adquirir la mejor opción en cuanto a costo, calidad y servicio. Las tablas comparativas son el principal soporte para la toma de decisiones para adquirir instrumentos. Estas tablas comparativas forman parte de la documentación de ingeniería básica de un proyecto de automatización. Una copia de esta información se debe enviar al departamento de compras con los comentarios de la justificación de la compra de un instrumento previamente elegido. En la siguiente lista se enumeran los puntos más importantes para la elaboración de una tabla comparativa como la mostrada en la tabla 2.20: 1) Tener al menos dos ofertas técnico - económicas de un instrumento de medición. 2) El instrumento debe ser para una aplicación específica y que forme parte de los instrumentos de automatización, es decir, que sea un instrumento de los más importantes como un medidor de flujo, un controlador o una válvula de control, no es necesario hacer tablas comparativas para instrumentos de poca trascendencia en el proyecto como pueden ser termómetros digitales o manómetros. 3) Realizar el formato de tabla comparativa para los diferentes tipos de instrumentos. Cada instrumento tiene características diferentes, como por ejemplo, las 89
Capítulo 2 Ingeniería básica
características de una válvula de control y de un controlador son diferentes, por tal motivo se deben hacer formatos de tablas comparativas diferentes. Este formato debe incluir a detalle cada dato que tenga el instrumento, esto facilitara el análisis comparativo y la toma de decisión para su compra. 4) Tomar la decisión para la compra del instrumento que mejores ventajas tenga. En este caso se hace el análisis comparativo donde se debe tomar en cuenta factores como la calidad del instrumento, precio, características técnicas, que cumpla con ciertas normas de clasificación, etc. 5) Para señalar el instrumento que se desea adquirir solo se sombrea la columna de las especificaciones de dicho instrumento. 6) Hacer notas de la justificación de la compra del instrumento elegido. Las notas se escriben en la parte inferior de las tablas comparativas para justificar la compra del instrumento y se escriben las razones por las cuales se decide comprar el instrumento. Para el proceso de bacterinas se realizan las tablas comparativas de los instrumentos más importantes como el instrumento de medición de presión manométrica que en este caso es un transmisor de presión, del cual se medirá la presión del interior del tanque de inactivación. En la tabla 2.20 se muestra la tabla comparativa donde se observan las características de dos transmisores de presión manométrica de diferentes marcas que son comparados técnica y económicamente para facilitar la toma de decisión de la adquisición del mismo, en este caso se compara cada una de sus partes, sus materiales de construcción, las señales, los displays, el tipo de montaje y si tiene algún tipo de aprobación.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.20. Tabla comparativa del transmisor de presión manométrica del proceso bacterinas.
Estas tablas se elaboran por cada instrumento, tomando en cuenta que esto sólo se realiza con los instrumentos de mayor importancia, lo que significa que si existen 20 instrumentos de este tipo, entonces en el proyecto se tienen que generar 20 tablas comparativas.
2.8 Listado de asignación de señales. Los PLC (control lógico programable), los SCD (sistema de control distribuido) o cualquier otro sistema de control, tienen un número determinado de señales analógicas o digitales dependiendo de la capacidad de su microprocesador, a cada una de éstas señales del sistema de control (PLC, SCD, etc.) se le asigna una señal de tipo digital o analógica que provienen de los instrumentos que están instalados o que se van a instalar en campo.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
En proyectos donde existe un gran numero de instrumentos y por ende un gran numero de señales, se recurre a realizar estos listados de asignación de señales, lo cuales permiten tener localizada cada una de las señales de todos los instrumentos facilitando la programación del sistema de control y también la realización de otros documentos de ingeniería como los diagramas de alambrado y diagramas de los lazos de control. La asignación de señales se utiliza para facilitar la programación del PLC, teniendo una base de datos con señales previamente asignadas, también se utiliza para cuando se va a reemplazar un sistema antiguo de control por uno actual, donde hay instrumentos existentes o para cuando se va a instalar un sistema completo de automatización incluyendo los instrumentos de campo. En la asignación de señales se documenta toda la base de datos que tenga que ver con las entradas y salidas tanto digitales como analógicas del PLC o de sus módulos de expansión. Para la elaboración del listado de señales se toma como base el Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI) y la Arquitectura de Control de la información de ingeniería básica. En el Diagrama de Tuberías e Instrumentación del proceso bacterinas están todos los instrumentos involucrados del proyecto, hay que recordar que si el proyecto es muy grande, los DTI pueden ser varios y éstos pueden estar clasificados por áreas, lo que significa que pueden existir varios listados de señales que a su vez pueden ser clasificados de la misma manera, por áreas o por sistemas de control. El criterio para determinar los listados de señal dependerá mucho de cómo sea más fácil realizar el manejo de esta información tanto para personal de ingeniería como para el de mantenimiento.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
2.8.1 Asignación de señales del proceso bacterinas. 1) Primero se revisa la arquitectura de control del sistema que el cual es un PLC CPX de la marca FESTO, (véase figura 2.17 de arquitectura de control del proceso bacterinas), esto se hace para determinar el número de señales por modulo y separar las señales analógicas de las digitales. En la información de la Arquitectura de Control se encuentra el sistema de control con sus módulos como el mostrado en la figura 2.18, cada módulo tiene un numero señales que pueden ser analógicas o digitales y tienen un acomodo, esta información es útil para mantener el mismo orden, es decir, se hace un listado de asignación de señales, donde cada página de dicho listado corresponde a un módulo del sistema de control (PLC CPX FESTO) de acuerdo al orden que tiene la arquitectura de control.
Figura 2.18. PLC CPX Festo con módulos de entradas y salidas digitales del proceso bacterinas.
2) En base a la figura 2.18 se determinan las entradas y salidas por lo tanto en el listado de señales se separan las entradas y salidas, en este caso se utiliza una hoja de asignación de señales por cada módulo de expansión, y estas son de tipo analógicas o digitales. 3) Cada hoja del listado de asignación de señales debe contener la información suficiente que indique a que módulo de señales corresponde e incluso a que numero de gabinete en caso de que hubiera varios, esta hoja del listado también debe contener el modelo de dichos módulos. En tabla 2.21 se ilustra el formato de la hoja para la asignación de las señales del PLC CPX de la marca Festo para el proceso bacterinas.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
Tabla 2.21. Formato de hoja de señales del PLC CPX Festo del proceso bacterinas.
4) En el listado se debe asignar una señal para cada entrada física. En la figura 2.19 se proyecta uno de los módulos con sus señales del sistema de control, este módulo es de 8 salidas digitales, cada señal es asignada a las válvulas Todo – Nada, bomba y ventilador. El criterio que se toma para esta asignación es empezar con las válvulas y después con bombas y otros elementos.
Fig. 2.19 Módulo CPX de salidas digitales.
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Capítulo 2 Ingeniería básica
5) En figura 2.19 se observa la distribución de las 8 salidas del modulo (salidas de 0 al 7), a cada una de estas salidas se les asigna un elemento, en este caso puede ser una válvula Todo – Nada, o cualquier tipo de elemento que actúe con una salida digital, asignándolo como se muestra en la tabla 2.22. Tabla. 2.22. Asignación de señales para el Módulo CPX de 8 salidas digitales.
En la tabla 2.22 se puede observar la forma en que las salidas físicas son asignadas a algún elemento final de control (válvula Todo – Nada), donde la columna 1 con la leyenda de “DIRECCION” contiene el número de dirección de salida (salida física del PLC), en la columna 2 “TAG” se escribe la identificación del instrumento, que en este caso es con la que fue identificada en el DTI del proyecto. En la columna 3 el “SERVICIO” se escribe una breve descripción para el servicio que da el elemento o instrumentos y la columna 4 contiene el “NUMERO DE CLEMA” donde está cableada la señal de salida del PLC a la clema del gabinete de control, que en este caso son válvulas todo - nada.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
CAPÍTULO 3 INGENIERÍA DE DETALLE
3.1 Diagramas funcionales de instrumentación o de lazo. El diagrama funcional de instrumentación es un documento que muestra todos los dispositivos en un lazo específico utilizando la simbología que identifica las interconexiones, e incluye número e identificación de conexiones, tipo de cables y tamaños, tipos de señal, etc. La mayoría de la gente considera que el diagrama funcional de instrumentación es el documento más importante para un instrumentista. Siempre que se requiera la localización de fallas, el diagrama funcional de instrumentación es un documento muy valioso, ya que contiene suficiente información para comprobar o verificar averías en ese lazo, ya que no sólo contiene el diagrama de cableado, sino que muestra todos los dispositivos conectados a ese lazo. Un diagrama funcional de instrumentación puede ser efectivo en proyectos de cualquier tamaño desde uno, dos lazos hasta un complejo. Aunque los DTI son muy importantes, no contienen toda la información detallada de los lazos de control. Uno de los documentos básicos que completan la información de los lazos de control del DTI son los diagramas funcionales de instrumentación o diagramas de lazo, los cuales se pueden clasificar en los tipos siguientes: Neumático. Electrónico. Mixtos (Neumático - Electrónico). Los diagramas funcionales de control tienen las siguientes aplicaciones: Diseño. 96
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Construcción. Puesta en marcha. Operación. Mantenimiento. Modificaciones.
3.1.1 Contenido de un diagrama de lazo. Los diagramas funcionales de control deben contener como mínimo la información siguiente: 1) Identificación del lazo y los componentes del lazo mostrados en los PID. Otros componentes del lazo deben mostrarse e identificarse bajo la normatividad ISAS5.1, “Simbología e identificación de instrumentos”. 2) Descripción de la palabra de las funciones del lazo en el titulo. Si no es la adecuada, utilizar uno que lo sustituya. Nota: Identificar cualquier característica especial como funciones de paro y circuitos de seguridad. 3) Indicación de la interrelación con otros lazos de instrumentación, incluyendo interlocks, cascadas, setpoints, paros y circuitos de seguridad. 4) Todas las interconexiones punto a punto deben tener números de identificación o colores de cables eléctricos, conductores, tubería neumática e hidráulica. Esta identificación de interconexiones incluye cajas de uniones, terminales, puertos y conexiones a tierra. 5) Localización general de los dispositivos tales como de campo, panel, equipos auxiliares, rack, área de gabinete, extensión de cable en el cuarto de control, I/O (entradas y salidas) de gabinete, etc. 6) Fuentes de energía de los dispositivos, tales como fuentes de alimentación, suministro de aire, y suministro de fluido hidráulico. Identificar voltaje, presión y otros requerimientos aplicables. Para las fuentes eléctricas identificar circuitos. 97
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
7) Agregar líneas de proceso y equipo suficientes para describir el lazo de proceso y proporcione claramente la acción de control. Incluir que se está midiendo y que se está controlando. 8) Acciones o posiciones de interruptores (electrónicos, neumáticos o ambos) de dispositivos de control tales como controladores, switches, válvulas de control, válvulas solenoides, y transmisores (si es de acción inversa o directa). Información opcional para un diagrama de lazo. La información adicional en un lazo, debe ser considerada para acondicionarla de acuerdo a los requerimientos y necesidades y así lograr una mayor eficacia. A continuación se enlistan los ejemplos típicos de la información adicional en los lazos a consideración del usuario. 1) Equipo de proceso, líneas, y sus números de identificación, fuente, designación o dirección de flujo. 2) Referencia a registros suplementarios y dibujos tales como detalles de instalación, PID, dibujos de localización, diagramas o dibujos de cableado y especificaciones de instrumentos. 3) Especificación de la localización de cada dispositivo, tales como elevación, área, subdivisión de panel, rack o numero de gabinete y localización del mismo, localización de I/O, etc. 4) La referencia cruzada entre los lazos que comparten un componente común discreto, tal como registros con varias plumillas, indicadores duales, etc. 5) Referencias para descripciones de equipo, fabricante, número de modelo y marca del instrumento, tipos de hartware, especificaciones u hojas de datos, número de ordenes de compra, etc. 6) Información de los rangos de señales y calibración, incluyendo valores de setpoint, alarmas e interruptores. 7) Números de referencia de software como son las direcciones de I/O (entradas y salidas), tipos y nombres de block de control, interfaces de red, nombres de puntos, etc. 98
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
8) El grabado o información de la leyenda que ayuda a identificar el instrumento o accesorio. 9) Accesorios, etiquetados o identificados de otra forma, tales como, filtros, purgas, válvulas manifold, etc. 10) Referencias a la documentación del fabricante tales como esquemáticos, detalles de conexiones, instrucciones de operación, etc. 11) Identificación con código de colores para conductores o tubos que usan números para diferenciación.
3.1.2 Formato de un diagrama de lazo. a) Consistencia para facilidad de uso. Los puntos siguientes deben ser empleados de manera coherente para mejorar las interpretaciones y su fácil uso. b) Tamaño del dibujo. El tamaño mínimo para el dibujo original debe ser de 11 x 17 Pulgadas. El tamaño del texto y símbolos debe ser de un tamaño adecuado de tal manera que pueda ser legible aun en copias reducidas. (El tamaño reducido es para poder encuadernarlo y tener un fácil manejo). Contenido del dibujo. Un diagrama de
lazo de instrumentos debe contener
típicamente un solo lazo. Evitar mostrar un lazo en varias páginas u hojas. Se debe utilizar un criterio para dar cabida a situaciones individuales en las que los lazos que comparten componentes comunes, puedan comunicarse adecuada y completamente en un solo diagrama. Evitar el amontonamiento y dejar espacio reservado para futuras adiciones. c) Presentación General. Mantener un diseño horizontal o vertical de todos los diagramas de un proyecto. Se sugiere dividir el dibujo en secciones relativas a la ubicación de los dispositivos.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.1.3
Símbolos.
Conexión del instrumento e información de la acción. Se deben aplicar los símbolos de ISA-S5.1 para los diagramas de lazo de instrumentos, sin embargo, es necesario una expansión de estos símbolos para incluir la conexión de los puntos como fuentes de energía (eléctrica, aire, hidráulica), y acciones del instrumento. a) Terminal General.
b) Terminales del instrumento o puertos.
3.1.4
Suministro de energía al instrumento.
a) Suministro de energía eléctrica. Se identifica el suministro de energía eléctrica, se escribe la cantidad de suministro y numero del circuito.
b) Suministro de Aire.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
c) Suministro de fluido hidráulico
En el ejemplo de la figura 3.1 se muestra el diagrama funcional de instrumentación para el lazo de control de presión del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas. En éste diagrama se aprecia el detalle de las conexiones, también contiene unas divisiones, las cuales representan diferentes áreas como son: campo, platina de gabinete, atrás de gabinete, enfrente del gabinete y estación de operación.
Figura 3.1. Diagrama de lazo de control de presión del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.2 Dibujos típicos de instalación de instrumentación. El objetivo principal de la instalación de un instrumento es ser complemento del mismo, para poder aprovechar en su totalidad la capacidad de los sistemas para los cuales ha sido destinado y así tener un mejor desempeño en la operación del mismo. Una buena instrumentación depende en mucho de arreglos prácticos, sencillos, accesibles y de fácil mantenimiento; ya que en muchos casos, se pueden encontrar fallas o dificultades, que no dependen de otra cosa que de una mala o incorrecta instalación. Los dibujos o bosquejos en lo que generalmente se detallan las instalaciones, se les llaman Dibujos Típicos de Instalación y debe tener el propósito de estandarizarlos a un máximo, con lo que además de lograr un mayor aprovechamiento de un solo dibujo para varias instalaciones, se reduce el costo de instalación. Los dibujos Típicos de Instalación tienen como propósitos principales: 1. Indicar la forma apropiada de instalar los instrumentos, incluyendo soportes, orientación y arreglo. 2. Detallar la conexión de instrumentos, incluyendo el suministro de energía (neumática o eléctrica), la señal de salida (neumática o eléctrica) y las conexiones a las líneas de proceso. 3. Indicar la cantidad, tamaño y materiales de construcción de los accesorios para poder instalar los instrumentos. Aunque cada industria tiene sus propios códigos y estándares, así como leyes o reglas a seguir para las instalaciones, todas siguen los lineamientos, ya que son precauciones necesarias en el diseño: 1. Todos los materiales deben ser apropiados para las condiciones de operación del proceso ( presión, temperatura y propiedades de corrosión) tanto en condiciones normales como a condiciones extremas 102
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
2. Se deben hacer arreglos adecuados para casos en que se tengan líneas con vapores condensables, ya sea con drenes o con sellos que aseguren una presión constante en el elemento sensible del instrumento. 3. los instrumentos montados localmente, en líneas con fluidos considerados como peligrosos (tóxicos, con alta presión, alta temperatura o corrosivos) deben tener venteos o drenes apropiados, cuidando que esto no resulte peligro para los operadores. 4. los instrumentos en líneas que contienen fluidos que pueden congelarse a la temperatura ambiente, deben ser dotados de medios de calentamiento, como venas de vapor y aislarse. También se puede usar un sello mezclado con un líquido no congelable compatible con el fluido de proceso. Todo lo mencionado anteriormente tiene sus excepciones, como por ejemplo el material adecuado a usar en las instalaciones, comúnmente se toma de especificaciones de tuberías que designan los materiales adecuados para cada servicio y una excepción de usar, en lugar de tubería y conexiones estándar; tubo flexible y conexiones apropiadas roscadas, de acero inoxidable, para la transmisión de señal. Otras excepciones son las que hacen forzosamente por indicaciones y necesidades del fabricante del instrumento, sobre todo si se trata de servicios no usuales construidos para propósitos especiales.
3.2.1
Recomendaciones para la realización de un Dibujo Típico de Instalación.
Existen
Dibujos Típicos de instalación para conexiones neumáticas, eléctricas y
mecánicas, en un solo Dibujo pueden detallarse los tres tipos de conexiones, o se pueden realizar de forma independiente. Para realizar estos dibujos típicos de instalación, se debe investigar en la información del fabricante las recomendaciones para la instalación del instrumento si éste es para una aplicación especial, o si dicho instrumento es de una nueva tecnología basado en un principio de operación diferente a los ya existentes. 103
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Verificar en el manual del fabricante del instrumento las distancias, orientaciones y posición en la que debe de instalarse un instrumento, esto debe de ser también considerado en el dibujo. Los Dibujos Típicos de Instalación se pueden utilizar para varios instrumentos del mismo tipo, como puede ser un transmisor de presión diferencial y que sea utilizado para medir la misma variable como por ejemplo nivel en un tanque cerrado. Solamente se tienen que indicar en dicho dibujo los instrumentos y el área donde están instalados siempre y cuando sean del mismo tipo, del mismo principio de operación y que estén midiendo la misma variable. Para el buen control de la información, es importante que en cada dibujo de los típicos de instalación se escriban los siguientes datos: •
Numero de típico.
•
Número o nombre del proyecto.
•
Numero de tag (identificación de instrumento).
•
Fecha.
•
Quien lo elaboró.
•
Departamento
•
Numeración de hojas.
•
Localización de instrumento.
En el dibujo debe señalarse con letra o número cada parte de los materiales o accesorios de instalación escribiendo una descripción resumida de la cantidad o dimensiones utilizada de dichos materiales o accesorios. Es importante utilizar como apoyo la simbología de líneas mecánicas, neumáticas y eléctricas para una fácil interpretación. En la figura 3.2 se muestra el diagrama del típico de instalación del transmisor de presión del Tanque de Inactivación cuya identificación es PT-TI. En dicho diagrama se aprecia claramente el detalle tanto de la instalación como el listado de los materiales requeridos para su instalación, los cuales están numerados para su clara identificación. 104
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.2. Diagrama de típico de instalación del transmisor de presión del tanque de inactivación del proceso bacterinas.
105
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.3 Diagramas de alambrado. Un diagrama de alambrado es un dibujo en el que esta representado gráficamente el detalle del contenido del cableado de cada instrumento con señal digital o analógica, donde la información que está incluida inicia desde el lugar donde esta instalado el instrumento hasta el lugar donde esta conectado, es decir, hasta donde está el sistema de control, que en este caso es el PLC. En el diagrama hay señales tanto digitales como analógicas, puede contener las señales de un modulo de I/0 (entradas y salidas) de un PLC o sistema de control distribuido. Este diagrama se realiza como parte del diseño y de la información de la ingeniería de detalle, y es utilizado para la realización del cableado de los gabinetes de control, para localización de fallas por parte de mantenimiento o para agregar señales futuras de alguna expansión. Este tipo de diagramas únicamente contempla señalización o suministro del tipo eléctrico, esto quiere decir que lo único que viene contemplado es el cableado eléctrico tanto para señalización como para alimentación eléctrica.
3.3.1 Contenido mínimo de un diagrama de alambrado. 1) El diagrama debe estar separado por secciones de acuerdo a la localización de los elementos tales como instrumentos de campo, panel, equipos auxiliares, rack, área de gabinete o platina, extensión de cable en el cuarto de control, I/O (entradas y salidas) de gabinete, etc. 2) El cable debe estar debidamente etiquetado para su identificación. Dicha identificación debe hacerse con una numeración alfanumérica, se recomienda utilizar la misma identificación o tag que se utiliza en la simbología del DTI 106
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
(Diagrama de Tuberías e Instrumentación) para su fácil reconocimiento, todo esto se hace respetando los estándares de la normatividad ISA – S5.1, “Simbología e identificación de instrumentación” indicada en el anexo A. Se recomienda además realizar la identificación tanto de cables como de clemas y otros elementos bajo un criterio de identificación. 3) Las interconexiones punto a punto deben tener una identificación por los dos extremos, al igual que los cables de señalización y de suministro de energía. 4) Para su fácil interpretación se utiliza un código de colores para cables y dispositivos de gabinete y campo. 5) Se agregan notas de apoyo al diagrama para detallar con claridad la información contenida.
3.3.2 Diagrama de alambrado de proyecto bacterinas. Para realizar el diseño del diagrama de alambrado del proceso bacterinas se debe tener terminado el listado de asignación de señales, porque de ese listado se toman las direcciones físicas que tendrá cada instrumento de medición y control. De la arquitectura de control de este proyecto se requiere el acomodo y direccionamiento físico, tanto del PLC CPX de Festo, como de cada módulo de expansión (I/O, entradas y salidas). Además debe estar disponible la información técnica del PLC CPX y sus módulos de entradas y salidas.
3.3.2.1 Información de cableado de módulos y PLC de proceso bacterinas. Antes de iniciar con el diseño de éste diagrama, se debe de consultar la información del manual de los diferentes módulos de entradas y salidas del PLC como la mostrada en la tabla 3.1, para que de esta fuente sea extraída la información necesaria para la interconexión de los instrumentos y señales de campo con el PLC.
107
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Tabla 3.1. Información de conexiones del módulo de 8 salidas digitales.
En la Tabla 3.1 se aprecia del lado izquierdo la configuración de las salidas digitales físicas, las cuales están agrupadas en 4 terminales por canal, cada canal esta representado por la letra X seguido de un número que indica la salida, es decir X1 es la salida digital 1, X2 es la salida digital 2 y así sucesivamente. Para la interpretación de las conexiones del módulo de 8 salidas digitales se realiza el siguiente análisis representado en la tabla 3.2: Tabla 3.2. Interpretación de las conexiones del módulo de 8 salidas digitales. Canal 1 (salida 1) X1.0: n.c. X1.1: 0V OUT X1.2: Output x. X1.3: FE. Canal 2 (salida 2) X2.0: n.c. X2.1: 0V OUT X2.2: Output x+1. X2.3: FE. • • • Canal 8 (salida 8)
No conexión 0 de voltaje. (Este voltaje 0, se toma como (-) para la salida digital). Salida Digital número 0. Tierra. No conexión 0 de voltaje. (Este voltaje 0, se toma como (-) para la salida digital). Salida Digital número 1. Tierra. • • •
108
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de tabla 3.2. X8.0: n.c. X8.1: 0V OUT X8.2: Output x+7. X8.3: FE.
No conexión 0 de voltaje. (Este voltaje 0, se toma como (-) para la salida digital). Salida Digital número 7. Tierra.
3.3.2.2 Formato del diagrama de alambrado del proceso bacterinas. Para una mejor distribución de los elementos, un óptimo diseño y una fácil interpretación del diagrama se realizan varios diagramas, uno por módulo de entradas y salidas, es decir, que si existen 9 módulos entonces se desarrollarán 9 diagramas de alambrado. Para este documento solo se hace un ejemplo de un diagrama mostrado en la figura 3.4, que corresponde al modulo numero 2 (salidas digitales). El formato del diagrama de alambrado mostrado en la figura 3.4, está dividido en 4 secciones que se describen a continuación: a) Sección Gabinete G1. En esta sección está representado gráficamente el módulo numero 2 del PLC e indica que éste se encuentra dentro del gabinete identificado como G1, el módulo esta proyectado de tal forma que es fácilmente observar en que terminales están conectados los cables los cuales están identificados. En esta sección hay información correspondiente a las terminales de salidas digitales, el número de gabinete, el número, tipo y el modelo del módulo de salidas digitales. b) Sección clemas en gabinete. En esta sección se aprecia fácilmente la interconexión de las señales de campo con las salidas digitales del modulo numero 2 a través de cables debidamente identificados. c) Sección relevadores en platina. Aquí se detalla el alambrado de los relevadores, el cual tiene una trayectoria desde las clemas del gabinete hasta las terminales de la bobina que activa al relevador, apreciándose además, la trayectoria del alambrado que inicia desde las terminales de los contactos del relevador hasta las conexiones de las solenoides de las válvulas todo – nada del proceso. Los relevadores están identificados
109
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
al igual que el cableado. Además se detalla alambrado de un paro de emergencia que corta el circuito directamente a las salidas. d) Sección campo. En este apartado se aprecia la interconexión de los contactos de los relevadores hacia la solenoide la las válvulas todo – nada del proceso. Las válvulas y el alambrado están identificados.
3.3.2.3 Criterio para identificación de cables y clemas del diagrama de alambrado del proceso bacterinas. En los diagramas de alambrado es sumamente importante contar con una identificación de cables, dicha identificación debe ser implementada de manera fiel en el cableado físico del gabinete de control. Como un plus adicional, a este tipo de identificación se le puede definir un criterio, el cual facilite la elaboración de etiquetas, el alambrado del gabinete, la realización de mantenimiento preventivo o correctivo, etc. Para esto se considera el criterio siguiente: Se numeran las clemas empezando desde el numero 1. Se conservan las identificaciones de los instrumentos de campo de acuerdo al DTI y otra información de ingeniería. Se identifican los cables de ambos extremos, la cual se realiza con una numeración que corresponda al extremo contrario. En la figura 3.3 se ilustra la identificación de un par de cables que están conectados en la terminal del módulo de salidas digitales, uno de estos cables está identificado en uno de sus extremos con la etiqueta 0V y el otro cable esta identificado de sus extremos con el numero 34, lo que significa que uno de los cables proviene de 0VCD y el otro cable proviene de la clema identificada con el número 34. En las clemas 33 y 34 los cables que están conectados provienen del relevador VSO_BR, y por tal motivo las etiquetas que tienen los cables son VSO_BR.
En el caso contrario, los cables que están
conectados en el relevador VSO_BR provienen de las clemas 33 y 34, por esta razón los cables son identificados con los números 33 y 34 respectivamente.
110
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.3. Ejemplo de identificación de cables y clemas. Tabla 3.3 Criterio de identificación de cables del módulo 2 de salidas digitales. Etiquetas de cables en Etiquetas de Etiquetas de Etiquetas de Terminales cables cables cables Modulo de salidas digitales En clemas En relevadores En campo 0V 0VCD VSO_BR 33 RL1_7,5 34 0V 36 0V
020
VSO_BR
34
RL1_7,5
0VCD VSN_BR
35
RL2_7,5
VSN_BR
36
RL2_7,5
0VCD VSA_BR
37
RL3_7,5
021
38
022
VSA_BR
38
RL3_7,5
0V
0VCD
VST_BR
39
RL4_7,5
40
023
VST_BR
40
RL4_7,5
0V
0VCD
TX_CE
41
RL5_7,5
42
024
TX_CE
42
RL5_7,5
0V
0VCD
VSO_CE
43
RL6_7,5
44
025
VSO_CE
44
RL6_7,5
0V
0VCD
VSN_CE
45
RL7_7,5
46
026
VSN_CE
46
RL7_7,5
0VCD
0VCD
VSA_CE
47
RL7_7,5
48
027
VSA_CE
48
RL7_7,5
3.3.2.4 Código de colores de cables del diagrama de alambrado del proceso bacterinas. En la tabla 3.4, se enlista un código de colores utilizado para diferenciar los cables, esto se hace para identificar fácilmente los cables que conducen diferentes tipos de señales que 111
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
pueden ser analógicas o digitales, tanto en el diagrama como en el gabinete al momento de realizar el cableado. Tabla 3.4 Código de colores de cables de señales y alimentación. TIPO DE SEÑAL COLOR DE CABLE Entrada Digital Rojo (Entrada) Gris (Común) Salida Digital Anaranjado (Salida) Gris (Común) Entrada Analógica RTD Blanco (Referencia) Rojo (Comunes) Entrada Analógica 4-20 mA Café (+) Azul (-) Salida Analógica 4-20 mA Amarillo (+) Azul (-) Alimentación 110 VCA Negro (Línea) Blanco (Neutro) Tierra Verde
Todas las señales de campo que están representadas en el diagrama de alambrado corresponden al listado de señales previamente realizado (ver tabla 2.19). A continuación se ilustra el diagrama de alambrado del módulo 2 (8 salidas digitales) del PLC del proceso bacterinas.
Figura 3.4. Diagrama de alambrado del modulo 2 de salidas digitales del CPX del PLC de FESTO.
112
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
El diagrama de alambrado de la figura 3.4, puede ser interpretado fácilmente, ya que en un solo diagrama está contenida toda la información del cableado desde la terminal del módulo de salidas digitales hasta el instrumento de campo (puede ser una válvula, un arrancador de un motor, algún relevador, etc.), pasando por clemas y relevadores. Por ejemplo si se sigue la trayectoria desde la salida digital X1.2 que se aprecia en el diagrama que pasa por la clema etiquetada con el número 34, cuyo cable esta identificado con el numero 020.
3.4 Diagramas de ubicación de instrumentos. En todo proyecto de automatización es importante contar con un Diagrama de Ubicación de Instrumentos de campo, sobre todo donde se manejan grandes cantidades de instrumentos. El Diagrama de Ubicación de Instrumentos es un diagrama a escala donde se detalla con precisión la ubicación de todos los instrumentos del proyecto que están instalados en el área de campo. El Diagrama de Ubicación de Instrumentos del proceso bacterinas está representado en un isométrico a escala con las dimensiones correspondientes a cada equipo y gabinete de control, este dimensionamiento se realiza con un levantamiento y reconocimiento del área del proceso bacterinas. El diagrama de la figura 3.5 es realizado para la rápida localización de los instrumentos de medición que se encuentran en campo, es de mucha utilidad sobre todo para cuando se trata de un gran número de instrumentos. Estos diagramas facilitan la cuantificación muy aproximada de materiales como cable de instrumentación, tubería conduit, etc.
113
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Consideraciones para la elaboración de un diagrama de ubicación de instrumentos. 1. Se realiza un levantamiento de campo y reconocimiento del área del proceso bacterinas. 2. Se dimensionan los equipos, gabinete de control y área de proceso. 3. Se deben determinar los espacios mas convenientes y adecuados para la instalación de los instrumentos de campo y equipos. 4. Se realiza el diagrama a escala tipo isométrico para determinar, con la mayor precisión, la ubicación de cada instrumento. 5. El instrumento es representado de acuerdo a su identificación (tag) representado en el DTI. 6. Se debe determinar la orientación de los equipos e instrumentos.
Figura 3.5. Diagrama de ubicación de instrumentos.
114
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.5 Diagramas de gabinetes. En la industria de procesos es muy común encontrar instalados gabinetes de control en diferentes zonas de la planta, y con diferentes tipos de materiales de fabricación, también algunos son mas robustos y herméticos que otros, esto es debido a que en las diferentes áreas existen condiciones ambientales diferentes, es decir, están a diferentes temperaturas, ambientes explosivos, polvos, humedad etc., es por eso que en el mercado existen gabinetes para aplicaciones en áreas distintas. En un proyecto de automatización los gabinetes de control son diseñados de acuerdo al tamaño del sistema de control, este diseño se realiza con tamaños reales de gabinetes comerciales, los cuales pueden ser de cualquier marca o pueden ser de fabricación local, es importante que los gabinetes de control tengan alguna aprobación, como por ejemplo las aprobaciones NEMA descritas en el Anexo D, para garantizar que los dispositivos internos en él, no sufran daño alguno debido a contacto con polvos, humedad, etc. Los diagramas de un gabinete de control deben mostrar la información completa de la distribución de los elementos o dispositivos internos, como la descripción, cantidades, dimensiones, etiquetas de materiales, notas, etc.
3.5.1 Distribución del interior de un gabinete de control. En un gabinete se deben de colocar los diferentes elementos como por ejemplo un PLC, relevadores, clemas, interruptores de protección, interruptor principal, botoneras de arranque y paro de bombas, selectores, luces indicadoras, y todos elementos requeridos para la óptima operación del gabinete. Para la distribución del PLC dentro del gabinete de control se toma como referencia la arquitectura de control previamente diseñada, esto es con la finalidad de que toda la información de la ingeniería del proyecto quede conformada en la misma tónica. 115
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Antes de iniciar con el diseño del gabinete del proceso bacterinas se debe considerar y revisar siguiente: a) Terminal eléctrico modular CPX del proceso bacterinas . b) Pantalla táctil. c) Materiales requeridos para armado de gabinete. d) Dimensiones de gabinete.
3.5.1.1 Terminal eléctrico modular CPX del proceso bacterinas. Antes de iniciar con el armado del gabinete es importante conocer la información de la instalación de la terminal CPX, ya que en base a ella se realizará el armado y cableado del PLC, y por ende del gabinete de control.
3.5.1.2 Partes de la terminal CPX Festo del proceso bacterinas. En la figura 3.6 se aprecia la terminal CPX, la cual está compuesta por un número considerable de partes como son: placas finales, bloque de mando (PLC), módulos de entradas y salidas digitales, bloques de distribución, placas alimentadoras, etc. El diseño modular de la terminal CPX esta desarrollado con la finalidad de tener un PLC escalable, donde el número de entradas y salidas puede ser personalizable de acuerdo a la aplicación del proyecto y quedar preparado para una futura expansión.
116
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.6. Partes de terminal CPX.
Para el proceso bacterinas se seleccionaron las partes del sistema modular CPX de Festo, las cuales están contenidas en la tabla 3.5. Tabla 3.5. Listado de las partes de la terminal CPX y módulos.
Cantidad
Imagen
Número de Parte
Descripción
195716
Placa final CPX-EPL-EV
195714
Placa final CPX-EPR-EV
1
1
117
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de tabla 3.5. Cantidad Imagen 1
Número de Parte
Descripción
195746
Bloque de distribución CPX-GE-EV-S
1
529041
Bloque de mando CPX-FEC-1-IE (CPU o PLC)
195742
Bloque de distribución CPX-GE-EV
195708
Placa de alimentación
9
CPX-AB-8-KL-4POL
9
2
541484
Módulo analógico CPX-4AE-I (4 Entradas de 4 – 20 mA)
2
526170
Módulo analógico CPX-2AA-U-I (2 Salidas de 4 – 20 mA) Módulo analógico PT100
1
541486
CPX-4AE-T (4 Entradas tipo RTD PT100) 118
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de tabla 3.5. Cantidad Imagen 1
Número de Parte
Descripción
543815
Módulo de entradas CPX-16DE (16 Entradas Digitales de 24VCD)
3
541482
Módulo de salidas CPX-8DA (8 Salidas Digitales de 24 VCD)
1
195726
Tirante CPX-ZA-5
1
18493
Conector NTSD-GD-9
3.5.1.3 Ensamble de las partes de un módulo de la Terminal CPX de Festo del proceso bacterinas. En la figura 3.7 se ilustra el ensamble de uno de los módulos de la terminal CPX, el cual esta compuesto de una base llamada bloque de distribución que tiene unas guías diseñadas para ensamblar al modulo electrónico digital (módulo de entradas o salidas analógicas o digitales) y posteriormente se ensambla una tapa donde se conectará el cableado. Tapa
Módulo Electrónico
Bloque de distribución Figura. 3.7. Partes de un Módulo de la Terminal CPX
119
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.5.1.4 Ensamble de todas las partes de la
Terminal
CPX de Festo
del proceso
bacterinas. En la Figura 3.8 se muestra como es realizado el ensamble de todas las partes de la terminal CPX de Festo en tres pasos que son los siguientes: 1 La construcción abierta permite el intercambio de los bloques de distribución estando montada la unidad. 2 Los módulos CPX se unen entre sí mecánicamente mediante tirantes especiales. Toda la unidad se monta utilizando únicamente dos tornillos en las placas finales. El tirante soporta una gran carga mecánica, con lo que viene a ser una especie de “columna vertebral mecánica” del terminal CPX. 3 El kit de tirantes adicionales permite agregar un módulo al terminal CPX.
Figura. 3.8. Ensamble de la Terminal CPX.
3.5.1.5 Características generales de la terminal de CPX. La terminal puede tener un total de 11 módulos, incluyendo el CPU y un modulo MPA para agregar un terminal de válvulas solenoides distribuidos de la siguiente manera: Un nodo de bus y/o un bloque de mando. Posición a elegir libremente. 120
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Hasta 9 módulos adicionales de entradas y salidas. Posición a elegir libremente. Adicionalmente, una interface neumática. Posición siempre en el lado derecho del último módulo. Además la terminal CPX tiene lo siguiente: Con MPA: 16 módulos MPA configurables. Cantidad máxima de direcciones: 512 entradas y 512 salidas, en función del nodo de bus o del bloque de mando. Un bloque de distribución con alimentación del sistema. Posición a elegir libremente.
Varios bloques de distribución con alimentación adicional. Posición siempre a la derecha de la unidad de alimentación del sistema.
Las placas de alimentación pueden combinarse con los módulos eléctricos para entradas y salidas, salvo algunas pocas excepciones. También es posible combinar las ejecuciones metálicas y las de material sintético.
Todos los módulos electrónicos para entradas y salidas pueden combinarse con un bloque de distribución.
Los bloques de distribución de material sintético (tirante) y metálicos (encadenamiento individual) no pueden combinarse entre sí debido a la diferente forma de encadenamiento.
3.5.2
Pantalla táctil para el proceso bacterinas.
Para poder hacer la visualización y control del proceso bacterinas se emplea una pantalla táctil, que permite el acceso a las pantallas de operación (gráficos dinámicos, tendencias, etc.), que son desarrolladas en un sistema SCADA, sin necesidad de tener un teclado expuesto en el área. La pantalla táctil es resistente al agua y cumple con las siguientes características: Tipo industrial. Montaje en panel de gabinete de control. Tamaño de 17 in (pulgadas). 121
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Alta resolución. Fácil instalación. Compatible con PC industrial. En la figura 3.9 se muestran las tres vistas de la pantalla táctil para el proceso bacterinas.
Figura 3.9. Tres vistas de la pantalla táctil del proceso bacterinas
3.5.3
Materiales requeridos para armado de gabinete.
Para el armado del gabinete de control del proceso bacterinas se requieren materiales que permitan hacer la alimentación y la interconexión eléctrica de los instrumentos de campo con el PLC CPX de Festo como se muestra en la tabla 3.6 de figuras de materiales: Tabla 3.6. Tabla de figuras de materiales para gabinete de control.
Canaleta ranurada para cableado. Fuente de alimentación de 24 VCD para alimentar el PLC CPX de Festo y relevadores. Clemas de paso y clemas tipo porta fusible para interconectar los cables que provienen de los instrumentos de campo al PLC. Interruptor
termomagnético
tripolar
para
alimentación de 220 VCA a arrancadores. Interruptor termomagnético unipolar para alimentar PLC. Relevadores
que
activaran
válvulas
y
arrancadores. 122
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de tabla 3.6. Arrancadores para el ventilador y bomba del proceso bacterinas.
3.5.4
Dimensionamiento de gabinete de control del proceso bacterinas.
De acuerdo a las dimensiones de los materiales de la tabla 3.6, que se obtienen de sus respectivos manuales, se desarrolla un dimensionamiento del gabinete que se utilizará para el proceso bacterinas, considerando los espacios que utilizará el PLC logrando hacer una separación física entre la parte de fuerza (220 VCA) y control (PLC CPX). El tamaño del gabinete es de 1000 mm de alto, 800 mm de ancho y 300 mm de fondo. El detalle de este gabinete se muestra en las figuras 3.10 y 3.11, mostrando dos vistas, una frontal y otra a 35º.
Figura 3.10. Tapa frontal del gabinete de control del proceso bacterinas.
123
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura. 3.11. Dimensiones de gabinete de control del proceso bacterinas.
La puerta del gabinete de la figura 3.10 contiene lo siguiente: una pantalla táctil, un selector de encendido, un paro de emergencia y una luz donde indica que el sistema esta encendido.
3.5.5
Ensamble del gabinete de control del proceso bacterinas.
Las dimensiones del gabinete de la figura 3.11 depende del número de componentes a utilizar y de sus respectivas dimensiones, de tal forma que se tenga un espacio adecuado para una ventilación correcta, además se hace una separación de los componentes inductivos como arrancadores de los elementos de control como el PLC. Una vez adquiridos los dispositivos de la tabla 3.6, se procede a colocar los componentes sobre la placa (platina) del gabinete, respetando el diseño de la figura 3.12. 124
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Con el diseño del gabinete se procede a marcar la placa con las dimensiones indicadas en el diseño. Posteriormente se realizan perforaciones en los puntos establecidos con una broca de 5/32”, al tener las perforaciones se procede a introducir un machuelo de 3/16”. La función de un machuelo es la de hacer cuerdas internas para tornillos. Se procede a continuación a efectuar cortes con las dimensiones deseadas a los rieles y canales. Los rieles se sujetan con tornillos de 3/16”, estos rieles sirven para soportar la mayoría de los componentes eléctricos. El mismo procedimiento se realiza para los canales donde circularán los cables que unirán eléctricamente todos los componentes Ya efectuada estas acciones se instalan los componentes en el riel del gabinete para conectar eléctricamente de acuerdo a los diagramas de alambrado de la información de ingeniería de detalla mostrado en la figura 3.4. La figura 3.12 muestra la presentación concluida del gabinete en su parte interna, colocando en la parte superior los componentes de alimentación, PLC CPX y sus módulos de entradas y salidas digitales y analógicas, en su parte intermedia se ubica un conjunto de clemas que sirven para efectuar derivaciones eléctricas en diversos puntos, también en su parte media se localizan protecciones térmicas junto con arrancadores y en su parte inferior se colocan relevadores de control. El placa del gabinete de la figura 3.12 esta dividido en 4 secciones y los espacios recomendados entre dichas secciones que tienen clemas varían entre 200 y 250 milímetros, estos espacios se consideran para que el gabinete sea cableado de forma cómoda y también para cuando requiera algún tipo de mantenimiento se pueda hacer la manipulación de cables sin dificultad.
125
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura. 3.12. Diagrama de platina del gabinete de control del proceso bacterinas.
126
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.6 Red de comunicación industrial. El objetivo de las redes de comunicación es ofrecer servicios de transferencia de señales eléctricas entre los terminales (PC, Modem, etc.). Las señales convierten información que tiene un significado específico para los terminales que las intercambian, por lo que a menudo el término señal e información se utiliza para definir un mismo concepto. Los equipos terminales son aquellos elementos de red usados por los humanos para acceder a los servicios de transferencia de información que ofrece la red. Las señales mas comunes que se transfieren por las redes de comunicación son: 1. Voz. Esta es una señal que permite una representación tanto analógica como digital. La señal de voz se suele limitar en la banda de 300 – 3400 Hz, antes de ser transmitida por la red. Dentro de esta banda se encuentra la mayor parte de la información de la señal. La información contenida en la señal de voz es lo que hace que ésta sea inteligible para el usuario destino. Otra de las características de la señal de voz es que es continua en el tiempo, es decir, se refiere al hecho de que la fuente que genera la información, un ser humano en el caso de la voz, lo hace de forma continua mientras dura la conversación. Aunque esto no es estrictamente cierto, puesto que durante una conversación suelen haber intervalos de silencio, por ejemplo, entre frases e incluso entre palabras, modelizar la señal en estos términos simplifica el diseño de la red. 2. Datos. En una primera aproximación podemos considerar que, los datos son señales digitales que contienen información mayoritariamente textual. Es bien conocido que los caracteres alfabéticos y los numéricos pueden ser codificados. Comúnmente se utiliza el octeto (7 bits por carácter mas 1 bit de paridad) para representar un bit alfanumérico, por ejemplo el código ASCII (American Standard Code for Interchange). Por tanto, son señales que al codificarse admiten una representación digital. Una de las características de este tipo de señales es que es continua en el tiempo, en muchos casos se dice que son señales con un perfil temporal a ráfagas. 127
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.6.1
Red de Área Local (Local Area Network).
Las redes de área local, generalmente llamadas LAN (Local Area Network), son redes de propiedad privada dentro de un solo edificio o campus de hasta unos cuantos kilómetros de extensión. Se usan ampliamente para conectar computadoras personales y estaciones de trabajo en oficinas de compañías y fábricas con objeto de compartir recursos e intercambiar información, las LAN se distinguen de otro tipo de redes por tres características: su tamaño, su tecnología de transmisión y su topología. Las LAN están restringidas en tamaño, lo cual significa que el tiempo de transmisión del peor caso está limitado y se conoce de antemano. Conocer este límite hace posible usar ciertos tipos de diseños que de otra manera no serían prácticos, y también simplifica la administración de la red. Las LAN a menudo usan una tecnología de transmisión que consiste en un cable sencillo al cual están conectadas todas las máquinas, como las líneas compartidas de la compañía telefónica que solían usarse en áreas rurales. Las LAN tradicionales operan a velocidades de 10 a 100 Mbps, tienen bajo retardo (décimas de microsegundo) y experimentan muy pocos errores. Las LAN más nuevas pueden operar a velocidades muy altas, de hasta cientos megabits/seg (Mbps).
3.6.1.1 Características importantes de una LAN. Capacidad de transmisión comprendida entre 1 Mbps y 1 Gbps. Extensión máxima no superior a 3 km (una FDDI puede llegar a 200 km). Uso de un medio de comunicación privado. La simplicidad del medio de transmisión que utiliza (cable coaxial, cables telefónicos y fibra óptica). La facilidad con que se pueden efectuar cambios en el hardware y el software. Gran variedad y número de dispositivos conectados. Posibilidad de conexión con otras redes. 128
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.6.1.2 Protocolos a usar (TCP/IP). Se refiere a los dos protocolos que trabajan juntos para transmitir datos: el Protocolo de Control de Transmisión (TCP) y el Protocolo Internet (IP). Cuando envías información a través de una Intranet, los datos se fragmentan en pequeños paquetes. Los paquetes llegan a su destino, se vuelven a fusionar en su forma original. El Protocolo de Control de Transmisión divide los datos en paquetes y los reagrupa cuando se reciben. El Protocolo Internet maneja el encaminamiento de los datos y asegura que se envían al destino exacto.
3.6.1.3 Análisis para el Diseño de una Red de Área Local. Topología: Es simplemente visualizar el sistema de comunicación en una red es conveniente utilizar el concepto de topología, o estructura física de la red. Las topologías describen la red físicamente y también nos dan información acerca de el método de acceso que se usa (Ethernet, Token Ring, etc.). Entre las topologías conocidas tenemos. Bus: En una red en bus, cada nodo supervisa la actividad de la línea. Los mensajes son detectados por todos los nodos, aunque aceptados sólo por el nodo o los nodos hacia los que van dirigidos. Como una red en bus se basa en una "autopista" de datos común, un nodo averiado sencillamente deja de comunicarse; esto no interrumpe la operación, como podría ocurrir en una red en anillo Anillo: Se integra a la Red en forma de anillo o circulo. Este tipo de Red es de poco uso ya que depende solo de la principal, en caso de fallas todas las estaciones sufrirían. Estrella: Una red en estrella consta de varios nodos conectados a una computadora central (HUB), en una configuración con forma de estrella. Los mensajes de cada nodo individual pasan directamente a la computadora central, que determinará, en su caso, hacia dónde debe 129
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
encaminarlos es de fácil instalación y si alguna de las instalaciones falla las demás no serán afectadas. La norma EIA/TIA 568 descrita en el anexo E, específica los requerimientos mínimos para el cableado de establecimientos comerciales de oficinas. Se hacen recomendaciones para: • Las topologías • La distancia máxima de los cables • El rendimiento de los componentes • Las tomas y los conectores de telecomunicaciones
3.6.1.4 Componentes. Servidor: el servidor es aquel o aquellos ordenadores que van a compartir sus recursos hardware y software con los demás equipos de la red. Sus características son potencia de cálculo, importancia de la información que almacena y conexión con recursos que se desean compartir. Estación de trabajo: los ordenadores que toman el papel de estaciones de trabajo aprovechan o tienen a su disposición los recursos que ofrece la red así como los servicios que proporcionan los Servidores a los cuales pueden acceder. Gateways o pasarelas: es un hardware y software que permite las comunicaciones entre la red local y grandes ordenadores (mainframes). El gateway adapta los protocolos de comunicación del mainframe (X25, SNA, etc.) a los de la red, y viceversa. Bridges o puentes: es un hardware y software que permite que se conecten dos redes locales entre sí. Un puente interno es el que se instala en un servidor de la red, y un puente externo es el que se hace sobre una estación de trabajo de la misma red. Los puentes también pueden ser locales o remotos. Los puentes locales son los que conectan a redes de un mismo edificio, usando tanto conexiones internas como externas. Los puentes remotos conectan redes distintas entre sí, llevando a cabo la conexión a través de redes públicas, como la red telefónica, RDSI o red de 130
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
conmutación de paquetes. Tarjeta de red: también se denominan NIC (Network Interface Card). Básicamente realiza la función de intermediario entre el ordenador y la red de comunicación. En ella se encuentran grabados los protocolos de comunicación de la red. La comunicación con el ordenador se realiza normalmente a través de las ranuras de expansión que éste dispone, ya sea ISA, PCI o PCMCIA. Aunque algunos equipos disponen de este adaptador integrado directamente en la placa base. El medio: constituido por el cableado y los conectores que enlazan los componentes de la red. Los medios físicos más utilizados son el cable de par trenzado, par de cable, cable coaxial y la fibra óptica (cada vez en más uso esta última). Concentradores de cableado: una LAN en bus usa solamente tarjetas de red en las estaciones y cableado coaxial para interconectarlas, además de los conectores, sin embargo este método complica el mantenimiento de la red ya que si falla alguna conexión toda la red deja de funcionar. Para impedir estos problemas las redes de área local usan concentradores de cableado para realizar las conexiones de las estaciones, en vez de distribuir las conexiones el concentrador las centraliza en un único dispositivo manteniendo indicadores luminosos de su estado e impidiendo que una de ellas pueda hacer fallar toda la red. Existen dos tipos de concentradores de cableado: 1. Concentradores pasivos: actúan como un simple concentrador cuya función principal consiste en interconectar toda la red. 2. Concentradores activos: además de su función básica de concentrador también amplifican y regeneran las señales recibidas antes de ser enviadas. Los concentradores de cableado tienen dos tipos de conexiones: para las estaciones y para unirse a otros concentradores y así aumentar el tamaño de la red. Los concentradores de cableado se clasifican dependiendo de la manera en que internamente realizan las conexiones y distribuyen los mensajes. A esta característica se le llama topología lógica. Existen dos tipos principales: 1. Concentradores con topología lógica en bus (HUB): estos dispositivos hacen 131
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
que la red se comporte como un bus enviando las señales que les llegan por todas las salidas conectadas. 2. Concentradores con topología lógica en anillo (MAU): se comportan como si la red fuera un anillo enviando la señal que les llega por un puerto al siguiente.
3.6.1.5 Tipos de cable de conexión. Los cables de conexión vienen en varios esquemas de cableado. El cable de conexión directa es el más común de los cables de conexión como el que se muestra en la figura 3.13. Tiene el mismo esquema de cableado en los dos extremos del cable. Por lo tanto, el pin de un extremo se conecta al número de pin correspondiente en el otro extremo. Estos tipos de cables se usan para conectar los PC a la red, al hub o al switch. Cuando se conecta un dispositivo de comunicaciones como un hub o switch a un hub o switch adyacente, por lo general se utiliza un cable de interconexión cruzada. Los cables de interconexión cruzada utilizan el plan de cableado T568-A en un extremo y el T568-B en el otro.
Figura 3.13. Cable de conexión UTP con conectores RJ45.
3.6.1.6
Código de color para cuatro pares.
Los cables para comunicaciones tienen un código de colores para identificar cada par. El código de colores es el mismo para todos los cables de telecomunicaciones de América del 132
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Norte. El uso de los códigos de colores asegura uniformidad en la identificación de cada par del cable. Cada par coloreado del cable está asociado a un número específico. En la mayoría de los cableados para datos y voz se utilizan cables UTP. Estos cables tienen cuatro pares de hilos trenzados en cada cable. El código de color para los cuatro pares es el siguiente: • Par 1 – Blanco-Azul /Azul. • Par 2 – Blanco-Anaranjado /Anaranjado. • Par 3 – Blanco-Verde /Verde. • Par 4 – Blanco-Marrón /Marrón.
Figura. 3.14. Esquemas de cableado TIA/EIA-568-A y TIA/EIA-568-B.
En la figura 3.14 se muestra que el par 1 siempre está ubicado en los pines 4 y 5 en un conector o jack de 8 pines. El par 4 siempre está ubicado en los pines 7 y 8 en un conector o jack de pines. Los otros pares tienen diferente apariencia según el esquema de colores utilizado. Para la configuración cruzada del cable UTP se utilizan los dos esquemas T568A en un extremo de dicho cable y T568B en el otro extremo. Siempre deberá utilizarse T568A o T568B para este esquema de cableado. Nunca deberá crearse un nuevo esquema de cableado ya que cada cable tiene un fin específico. Si el cableado no estuviera conectado correctamente, los dispositivos que se encuentran conectados en ambos extremos no podrán comunicarse o experimentarán un rendimiento sumamente degradado. A veces, existe confusión sobre los números de pares y los números de pines. Un pin se 133
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
encuentra en una ubicación específica en un conector o jack. Los pares de color son siempre los mismos. Por ejemplo, el par 2 es siempre el par blanco/anaranjado. Sin embargo, en un jack RJ-45, el par 2 puede conectar los pines 3 y 6 o los pines 1 y 2 según se utilice T568A o T568B.
3.6.1.7
Tomas y jacks RJ-45.
Los jacks RJ-45 son jacks de 8 conductores diseñados para aceptar conectores RJ-45 o RJ11. En la Figura 3.15 se muestra un jack RJ-45. Los jacks deben cablearse de acuerdo con los estándares T568A o T568B como los mostrados en la figura 3.14. Las tomas RJ-45 tienen ocho pines que podrán adaptarse con hasta cuatro pares de hilos. Como sucede con las tomas y jacks RJ-11, el par 1 siempre termina en los pines centrales, que son los pines 4 y 5. El par cuatro o el par blanco/marrón siempre terminan en los pines 7 y 8. Los pares 2 y 3 pueden diferir según el plan de cableado. Si se aplica T568B, el par 2, o el par blanco/anaranjado termina en los pines 1 y 2. El par 3 o par blanco/verde termina a los pines 3 y 6. Si se aplica T568A, se invierten los pares 2 y 3. Por lo tanto, el par 2 termina en los pines 3 y 6 mientras que el par 3 termina en los pins 1 y 2. El extremo del cable horizontal en el área de trabajo se termina usualmente en un jack RJ-45 a menos que se use un punto de consolidación.
Figura 3.15. Jack RJ-45
3.6.1.8 Red LAN del proceso bacterinas. La red de Area Local del proceso bacterinas mostrada en la figura 3.16 es de topologia BUS, en la cual estan conectadas dos estaciones, una para operación y una para monitoreo remoto. Ademas en dicha red esta conectado un PLC del tipo CPX de la marca Festo a 134
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
través de un concentrador BUS. Cada uno de los elementos de Red antes mencionados tienen un puerto de comunicación denominado Ethernet. La comunicación (transferencia de datos) se realiza mediante el Protocolo de Control de Transmisión (TCP) y el Protocolo Internet (IP). El cable para la transmisión de datos es del tipo UTP de par trenzado y utiliza un estándar T568B en los dos extremos de sus tomas (conector RJ45). Un cable UTP de la Red está conectado desde PLC CPX de Festo hasta un Switch Ethernet y otro cable UTP que proviene del mismo Switch que se interconecta a una PC denominada estación de operación, la cual tiene asignada una dirección IP fija con numero 192.168.0.101. El PLC CPX de Festo es configurado con una dirección IP 192.168.0.100.
Figura 3.16. Arquitectura de Red de Área Local del proceso bacterinas.
135
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.6.1.9 Configuración de la Red LAN del proceso bacterinas. Configurar la red de la computadora manualmente desde Windows XP mediante el siguiente procedimiento: a) Abrir la carpeta “Mis sitios de red” en el menú de Inicio, dar click en el link que dice “Ver conexiones de red”. b) En la carpeta de “Conexiones de red” dar click con el botón derecho del Mouse en donde dice “Conexiones de área local”, y en el submenú que se abre dar click en propiedades. c) En la ventana mostrada en la figura 3.17, elegir la opción que dice “Protocolo de Internet (TCP/IP)”, luego se da click en “Propiedades”.
Figura 3.17 Ventada de propiedades de conexión de área local.
d) En la pantalla de “Propiedades de Protocolo Internet (TCP/IP)” mostrada en la figura 3.18, marcar las opciones “Usar la siguiente dirección IP”, y “Usar la mascara de subred”, La dirección IP configurada en cada elemento de la red LAN, es asignada de acuerdo al siguiente criterio: o Dirección IP para PLC CPX de Festo: 192.168.0.100. o Dirección IP para Estación de operación 1: 192.168.0.101. o Dirección IP para Estación de operación 2: 192.168.0.102. 136
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.18. IP de área local
e) Dar click en aceptar, y en la pantalla de “Propiedades de conexión de área local” darle click en aceptar. f)
Efecto de la Máscara de subred sobre la red de la computadora:
La máscara de subred es un código numérico que forma parte de la dirección IP (Dirección de una computadora usada en internet) de los computadores, tiene el mismo formato que la dirección IP, pero afecta sólo a un segmento particular de la red. Se utiliza para dividir grandes redes en redes menores, facilitando la administración y reduciendo el tráfico inútil, de tal manera que será la misma para ordenadores de una misma subred.
137
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.19. Mascara de subred.
3.6.1.10 Configuración de la dirección IP del PLC CPX de Festo. Para configurar la dirección IP para el PLC CPX de Festo, se conecta el cable serial al puerto RS232 de la PC y se ejecuta al software de programación llamado FST. a) En el software FST se ingresa al parámetro “driver configuration” y se selecciona “Open” como se muestra en la figura 3.20.
Figura 3.20. Acceso a ventana nuevo driver.
138
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
b) En la ventana de “Open” con click izquierdo seleccionar el “Insert Driver”.
Figura 3.21. Nuevo driver.
c) Seleccionar el driver TCPIPFC2.
Figura 3.22. Selección nuevo driver.
d) Asignar una dirección IP.
Figura 3.23. Asignar una dirección IP al nuevo driver.
e) Descargar el programa en el PLC y la dirección IP queda configurada. 139
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.6.2
Red Industrial para instrumentos de campo HART.
El protocolo HART (Highway – Addressable – Remote - Transducer) fue desarrollado inicialmente por Rosemount Inc. y agrupa la información digital sobre la señal analógica típica de 4 a 20 mA DC. La señal digital usa dos frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dígitos 0 y 1 y que forman una onda senoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA. La interface que se interconecta para hacer uso del protocolo HART mostrado en la figura 3.24, permite la comunicación digital bi - direccional con instrumentos inteligentes sin perturbar la señal analógica de 4-20mA. Ambas señales, la analógica 4-20 mA y las señales de comunicación digital HART pueden ser transmitidas simultáneamente sobre el mismo cable. El éxito de este protocolo y la aceptación obtenida en el entorno industrial se debe a las ventajas que ofrece al usuario, y a su fácil implementación sobre los sistemas de control existentes basados en 4-20 mA.
Figura 3.24. Comunicación digital HART superpuesta a la señal analógica de 4-20mA.
3.6.2.1 Fundamento de HART. El protocolo HART utiliza el estándar Bell 202 FSK (Codificación por Cambio de Frecuencia) para superponer las señales de comunicación digital al bucle de corriente 4-20 mA, como se muestra en la Figura 3.25. La información binaria es representada mediante 140
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
una señal de dos frecuencias distintas. Un cero lógico es representado por una frecuencia de 2200 Hz, mientras un uno lógico es representado por una frecuencia de 1200 Hz. Estos tonos se superponen a la señal de continua, y como la señal de AC tiene un valor promedio cero, la señal de continua no es afectada como se muestra en la figura 3.25.
Figura 3.25. Comunicación digital HART superpuesta a la señal analógica de 4-20mA.
El protocolo HART permite la comunicación digital en los dos sentidos de forma que es posible enviar información adicional a la variable de proceso transmitida hacia o desde un instrumento de campo inteligente. En la figura 3.26 se muestra que la variable de proceso es portada por la señal analógica mientras que mediante la comunicación digital se accede a medidas adicionales, parámetros de proceso, configuración de instrumentos, calibración e información de diagnostico que mediante el protocolo HART viaja sobre el mismo cable y simultáneamente a la señal analógica. Esto supone una gran ventaja a la hora de implantar esta tecnología de comunicación digital, frente a otras tecnologías digitales, ya que es compatible con los sistemas existentes. Señal analógica de + 0,5 mA - 0,5 mA, frecuencia FSK de 1200 Hz 2200 Hz, Lógica "1" "0".
141
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.26. Codificación FSK del protocolo HART sobre la señal analógica 4-20mA.
HART es principalmente un protocolo maestro/esclavo lo que significa que el dispositivo de campo (esclavo) habla solo cuando es preguntado por un maestro. En una red HART dos maestros (primario y secundario) pueden comunicar con un dispositivo esclavo. Los maestros secundarios pueden comunicarse con los dispositivos de campo sin distorsionar la comunicación con el maestro primario. Un maestro primario puede ser típicamente un DCS (Sistema Distribuido de Control), un PLC, o un sistema central de monitorización o control basado en PC, mientras un maestro secundario puede ser un comunicador portátil. Una configuración típica con dos maestros se muestra en la figura 3.27.
Figura 3.27. Configuración con dos maestros para acceder a la información de campo.
Dentro del protocolo HART existen varios modos para la comunicación de información desde o hacia instrumentos de campo inteligentes y el controlador central o equipos de monitorización. La comunicación digital maestro - esclavo simultánea con la señal 142
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
analógica 4-20mA mostrada en la figura 3.28 es la más común. Este modo, permite que el esclavo responda a los comandos-peticiones del maestro dos veces por segundo, mientras que la señal analógica, que es continua, puede seguir portando la variable de control.
Figura 3.28. Comunicación HART maestro-esclavo.
Otro modo de comunicación opcional es el modo “Burst” mostrado en la Figura 3.29, que permite que un único dispositivo esclavo emita continuamente un mensaje HART de respuesta estándar.
Figura 3.29. Comunicación HART modo “Burst”. (Opcional).
El protocolo HART también tiene la capacidad de conectar múltiples dispositivos de campo sobre el mismo par de hilos en una configuración de red multipunto como la que se muestra en la figura 3.30. En la configuración multipunto, la comunicación está limitada a la comunicación digital maestro - esclavo. La corriente a través de cada dispositivo esclavo se fija al mínimo valor para alimentar el dispositivo y no tiene ningún significado relativo al proceso.
Figura 3.30. Conexión de dispositivos HART en red multipunto.
143
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Desde la perspectiva de la instalación, para las señales de comunicación HART se utiliza el mismo cable usado para transmitir la señal analógica 4-20mA. Las longitudes de cable permitidas van a depender del tipo de cable utilizado y del número de dispositivos conectados.
3.6.2.2 Comandos en HART. La comunicación HART está basada en comandos. Hay tres tipos de comandos que van a proporcionar acceso de lectura - escritura a la información disponible en los instrumentos de campo compatibles con HART. Los comandos pueden ser Comandos Universales (Universal Commands), Comandos de Practica Común (Common Practice Commands) y Comandos Específicos del Dispositivo (Device Specific Commands). Los Comandos Universales aseguran la interoperabilidad entre los productos de distintos fabricantes, y proporcionan el acceso a la información útil en la operación habitual en planta. Todos los esclavos compatibles HART deben responder a todos los Comandos Universales. Los Comandos de Practica Común proporcionan acceso a funciones que son implementadas en muchos dispositivos, pero no en todos. Son opcionales, pero si se implementan, debe ser como se especifica. Los Comandos Específicos del Dispositivo ofrecen la libertad para que cada aparato particular tenga parámetros o funciones exclusivos. Cada uno de estos elementos es capaz de ejecutar funciones simples de autodiagnóstico, control o mantenimiento, así como comunicarse bidireccionalmente a través del bus. La señal aloja tanto a la variable de medición y a la señal de control además de que puede proporcionar información adicional, como por ejemplo: Mediciones secundarias. Parámetros de proceso. 144
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Configuración de dispositivo. Calibración. Diagnósticos. Identificación o Tag.
3.7 Programación de PLC. Los PLC fueron desarrollados para reemplazar a los relevadores y su lógica de escalera, es necesario hacer una breve descripción de la lógica de relevadores. La lógica de relevadores fue desarrollada por componentes obtenidos en los primeros años de este siglo y tiene sus raíces en los relevadores usados en la industria telefónica. Este es un lenguaje visual basado de la forma del elemento de interrupción en la mira de los dispositivos actuales, de manera que fue sencillo para los primeros electricistas el aprenderla y usarla. La mayoría de los fabricantes de equipos de control tienen bibliotecas extensas de circuitos por relevador disponible en forma de diagramas de alambrado. Una vez entendida, estos circuitos básicos pueden ser adaptados a un gran número de problemas de control.
3.7.1
Lenguajes de programación.
En esta sección se da una vista global de la mayoría de los lenguajes de programación para los PLC, de manera que la discusión estará limitada a la descripción de los mismos, de como son usados y la aplicación que hace buen uso de ellos. Cada fabricante maneja su propia nomenclatura para nombrar a sus elementos de programación, por tal motivo no existe un lenguaje estándar de programación de los PLC. Aunque los diagramas pueden ser parecidos, los programas actuales son específicos por el fabricante de PLC. El programa se descarga manualmente en el sistema desarrollado en el controlador destino. 145
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Algunos vendedores terciarios ofrecen facilidades de conversión o programas los cuales pueden ser usados por más de un fabricante, pero eso representa solo una minima parte de las aplicaciones posibles. Los lenguajes de programación se describen en los incisos siguientes: a) Lógica de escalera La lógica de escalera es el lenguaje de programación más común para los PLC, este tiene instrucciones que permiten duplicar las funciones de comando de los relevadores. La programación se hace en un formato, el cual cercanamente se parece a la lógica de escalera en alambrados físicos. Esta lógica es muy buena para el remplazo de la lógica de relevadores en el alambrado físico y para esas aplicaciones que tienen muchas operaciones lógicas. Las instrucciones lógicas de escalera establecidas se muestran en la tabla 3.7, pero los fabricantes pueden ofrecer algunos extras o incluso eliminar algunas funciones. Tabla 3.7. Instrucciones lógicas de escalera.
Función
Símbolo
Función
CONTACTO N.A
CONTADOR DESENDENTE
CONTACTO N.C
SKIP
SALIDA
END OF SKIP
TRANSICION
LLAMADA DE RUTINA
SALIDA RETENTIVA
COMIENZO DE RUTINA
SALIDA LATCH
FIN DE LA RUTINA
Símbolo
TEMPORIZADOR ASCENDENTE
146
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
b) Lógica de escalera extendida. En advenimiento de los PLC permitió que sea extendida la lógica de escalera a áreas las cuales no era posible cuando debía de ser hecha con relevadores y conexiones de alambres físicos. La tabla lista algunas de las extensiones de la lógica básica de escalera. Estas funciones son especialmente útiles en la industria de procesos donde se requiere la operación matemática y datos para un buen control del proceso. Algunas de ellas también son muy útiles en operaciones de línea de ensamblaje. La mayoría de los PLC ofrecen ahora al menos alguna de las capacidades extendidas. Estas capacidades extendidas se muestras a continuación:
Secuenciadores.
Manipulaciones de datos.
Registros de cambio.
Instrucciones aritméticas.
Instrucciones matriciales.
Diagnostico.
Actualización de I/O.
Comunicaciones y manejos.
c) Lógica Booleana. La lógica Booleana se basa en el principio de la álgebra Booleana con la adición de algunos símbolos, la cual la hacen más fácil de entender. Cualquier diagrama lógico de escalera se puede convertir a la forma Booleana y viceversa, entonces, ¿Porque usar uno o el otro?. La forma Booleana es más compacta y más cercana a las instrucciones de computadoras lógicas. La lógica Booleana se puede ver en los PLCs más pequeños del tipo de caja de zapatos. Ya que la lógica Booleana es más simple, esta se puede llevar a cavo con relativamente poca ayuda manual del sistema programador, usando lógica de escalera la cual es compilada más tarde en forma Booleana para usarse en el PLC. Esto nos permite utilizar lo mejor de ambos mundos. La tabla 3.10 muestra algunos de los mnemónicos Boléanos y su equivalente a lógica de escalera.
147
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Tabla 3.8. Comandos Boléanos típicos y diagrama de escalera equivalente.
d) Lenguaje de alto nivel. Los PLC tienen que aceptar la programación de lógica de escalera para poder ser llamados PLC, pero hay ocasiones en que es conveniente tener otros lenguajes a disposición dentro del PLC para ciertas tareas. Algunos fabricantes ofrecen lenguajes tales como BASIC o PASCAL como una extensión a su lenguaje lógico de escalera. Para una aplicación de procesos, la cual requiera operaciones matemáticas extensas o manejo de datos, este tipo de programación puede ahorrar mucho de tiempo. e) Bloque de funciones para el cliente. Muchos fabricantes ofrecen bloques de funciones para operaciones predefinidas tales como controles PID, manipulación de datos, comunicación con módulos inteligentes y muchos más. En suma, algunos fabricantes ofrecen al usuario la opción de crear bloques de funciones los cuales realicen operaciones las cuales encuentran como útiles. El usuario debe diseñar y probar el bloque y documentarlo, pero una vez que se hizo el bloque se puede usar una y otra vez, con la seguridad de que trabajara todo el tiempo y tal como espera. Esto se puede utilizar para reforzar la modularidad o uniformidad incluso para asegurar que fue seguida una buena practica de diseño. Esto también puede ser muy útil donde un pequeño numero de rutinas son utilizadas frecuentemente. Las únicas desventajas 148
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
son el tiempo de prueba para desarrollar los bloques de funciones del cliente y quedar sujeto a un proveedor para el hardware. f) Otros lenguajes. Sin importar lo que se ha dicho en los índices anteriores acerca de la importancia de la lógica de escalera para la identidad de un PLC, algunos sistemas no usan la lógica de escalera. Algunos fabricantes de controladores de alta velocidad llaman a sus equipos PLC aunque estos estén programados en BASIC o FORTRAN, o algún lenguaje propietario el cual es similar a alguno de los estándares. Este equipo está en ocasiones especializado para algún tipo de aplicación tal como el control de movimiento, velocidad, tamaño pequeño o bajo costo. Esta especialización se disminuye de la universalidad del PLC, y en el uso de un lenguaje el cual requiere de un programador en lugar de un electricista o técnico.
3.7.2
Programación del PLC CPX del proceso bacterinas.
Para realizar la programación del PLC del proceso bacterinas se utiliza un software de programación propiedad de Festo llamado FST, cuya programación se realiza de dos formas, una en lógica booleana (listado de instrucciones) y la otra en lenguaje de lógica de escalera. Para hacer este tipo de programación al PLC del proceso bacterinas se hace el procedimiento siguiente: a) Nuevo proyecto. Antes de empezar a programar primeramente se elige el PLC que se programará, esto se realiza creando un nuevo proyecto y se le da un nombre, tal y como se ilustra en la figura 3.31.
149
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.31. Nuevo proyecto.
b) Configuración del tipo de PLC a utilizar. En la figura 3.32 se muestra la forma en que se elije el tipo de PLC que se utiliza para el nuevo proyecto, en este caso se selecciona el PLC FEC-CPX.
Figura 3.32. Configuración de PLC.
c) Nuevo programa. Una vez seleccionado el PLC, se agrega el programa 0, o también se le llama el programa ejecutivo, este programa es el que se ejecuta todo el tiempo, y a través de el se mandan a llamar las rutinas o subrutinas, las cuales pueden estar programadas en lenguaje de listado de instrucciones o en lenguaje de lógica de escalera. En las figuras 3.33 y 3.34 se muestra como se agrega un nuevo programa y tipo de lenguaje de programación.
150
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.33. Selección de Nuevo programa.
Figura 3.34. Selección de tipo de lenguaje de programación.
d) Escalamiento de señales. Antes de iniciar a programar se tiene que hacer un escalamiento de las señales analógicas, cada fabricante tiene una forma muy particular de hacer el escalamiento de señales, para el programa del proceso bacterinas se realiza un escalamiento mediante un listado de instrucciones (lógica booleana). Para la explicación del escalamiento de señales del proceso bacterinas, solo se hace con una señal analógica que corresponde a la de presión del Tanque de Inactivación mostrada en la tabla 3.9, ya que las demás señales del proceso se escalan de la misma forma. En el programa 0, o también llamado programa ejecutivo, se escriben las instrucciones como las que se muestran en la tabla 3.9, en la cual se hace una carga de un valor 400 (V400) a una localidad de memoria reservada para escalamiento identificada como HH_, también se carga un valor numérico de 3276 (V3276) a otra localidad de memoria 151
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
reservada para escalamiento HH2_. Además se observa que un valor de (V-110) se carga en otra localidad llamada II_. El PLC no lee los valores de señal analógicos tal y como se mandan (ejemplo 4 a 20 mA), sino que los lee en forma de “cuentas”, dichas cuentas son los valores de los rangos dY y dX rango para PT-TI como se observa en la tabla 3.9. Los valores que se cargan a HH_ y HH2 pueden variar, ya que mediante estos se pueden hacer los ajustes para lograr que el sensor realice la medición cercana a la de medidor patrón. Tabla 3.9. Escalamiento de señal analógica de la variable presión del Tanque de Inactivación. ""CARGA PARÁMETROS DE ESCALAMIENTO PARA TRANSMISOR DE PRESIÓN TANQUE DE INACTIVACION LOAD V400 TO HH_ 'VALOR DE dY-RANGO PARA PT-TI LOAD V3276 TO HH2_ 'VALOR DE dX-RANGO PARA PT-TI LOAD V-110 TO II_ 'VALOR DE B PARA PT-TI ""MONITOREO DE PRESIÓN CFM 0 WITH PT_TI WITH HH_ WITH HH2_ WITH II_ LOAD FU32 TO PTTI_A
'SCALE 'TRANSMISOR DE PRESION TQ. INACTIVA 'VALOR DE dY-RANGO PARA PT-TI 'VALOR DE dX-RANGO PARA PT-TI 'VALOR DE B PARA PT-TI 'VARIABLE DE CALCULO DEL PLC 'PRESION DE TQ INACTIVACION AURORA
e) Listado TAGS internos y externos para programar el PLC. El listado de TAGS para la programación del PLC se realiza tomando como referencia los instrumentos identificados en los documentos de ingeniería como son: el DTI mostrado en las figuras 2.7, 2.8 y 2.9, la identificación de elementos de la filosofía de control mostrada en la tabla 2.6 y el listado de asignación de señales mostrada en la tabla 2.19. Además se agregan nuevos tags, ya que dentro de la programación se utilizan otros bits y bytes que quedan programados de forma interna. Este listado se genera al inicio de la programación, y conforme se programa se pueden ir agregando mas Tags al listado. En la tabla 3.10 se muestra el listado de Tags que son utilizados en la programación y está conformado por tres columnas, las cuales son: Dirección, tag, y Descripción.
152
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Tabla 3.10. Listado de Tags para la programación del PLC CPX del proceso bacterinas. DIRECCION O2.0 O2.1 O2.2 O2.3 O2.4 O2.5 O2.6 O2.7 O3.0 O3.1 O3.2 O3.3 O3.4 O3.5 O3.6 O3.7 O9.0 O9.1 I0.0 I0.1 IW2 IW3 IW4 IW5 IW6 IW7 IW8 IW10 IW11 IW12 F37.0 F37.1 F39.0 F39.1 F39.2 F39.3 F39.4 F39.5 F39.6 F39.8 F39.9 F39.10 F39.11 F39.12 F39.13 F39.14
TAG VSO_BR VSN_BR VSA_BR VSTC_BR VST_CE VSO_CE VSN_CE VSA_CE V1_TI V2_TI V3_TI V4_TI V5_TI V6_TI V7_TI V8_TI B1_TI VENTILADOR AG_R2 AG_SP OT_BR PH_BR C_BR PT_BR FT_BR OT_CE PT_TI TE_BR TE_TI TE_CE MANUAL AUTO ESVL ESVI BAEVL BAEVIN SPESTERIL SPEST2 ACTTEST BA_ETI BP_ETI LP_A_ETI LP_P_ETI V1_TI_ON V2_TI_ON V3_TI_ON
DESCRIPCION VALVULA SOLENOIDE OXIGENO BIO-R2 VALVULA SOLENOIDE NITROGENO BIO-R2 VALVULA SOLENOIDE AIRE BIO-R2 VALVULA SOLENOIDE TEMP CALEN BIO-R2 VALVULA OLENOIDE TEMP. CUARTO ESTUFA VALVULA SOLENOIDE OXIGENO CE VALVULA SOLENOIDE NITROGENO CE VALVULA SOLENOIDE AIRE CE VALVULA ENTRADA DE VAPOR PURO VALVULA ENTRADA DE VAPOR INDUSTRIAL VALVULA RETORNO DE CONDENSADOS VALVULA ENTRADA VAPOR A INTERCAMB VALVULA ALIMENTACIÓN AGUA BOMBA B1 VALVULA ENTRADA AGUA FRIA A CHAQUETA VALVULA V7-SEGURIDAD DRENAR AGUA CALIENTE BOMBA SUMINISRO AGUA OPERACION DE VENTILADOR AGITADOR BIOREACTOR AGITADOR SPINNER TRANSMISOR DE OXIGENO BIOREACTOR TRANSMISOR DE PH BIOREACTOR CONDUCTIVIDAD BIOREACTOR TRANSMISOR DE PRESION BIOREACTOR TRANSMISOR DE FLUJO BIOREACTOR TRANSMISOR DE OXIGENO EN CUARTO ESTU TRANSMISOR DE PRESION TQ. INACTIVA RTD-TEMPERATURA DE BIOREACTOR RTD- DE TANQUE DE INACTIVACION RTD-TEMPERATURA DE CUARTO ESTUFA BOTON SELECTOR MANUAL BOTON SELECTOR AUTOMÁTICO ESTERILIZACIÓN CON VAPOR LIMPIO ESTERLIZACIÓN CON VAPOR INDUSTRIAL BOTON AURORA ESTERILIZAR VAPOR LIMP BOTON AURORA EST. VAPOR INDUSTRIAL COMPARACIÓN SET POINT ESTERIL EN TI COMPARACIÓN SP ESTRIL, ALTA TEMP ACTIVA TIMER DE ESTERILIZACIÓN BOTON ARRANQUE ESTERILIZACIÓN TI BOTON PARO ESTERILIZACIÓN TI LUZ PILOTO ARRANQUE ESTERIL EN TI PARO V1_TI ENCENDIDA V2_TI ENCENDIDA V3_TI ENCENDIDA
153
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de tabla 3.10. DIRECCION F44.1 F44.2 F44.3 F44.4 F50.0 F50.1 F50.2 F60.0 F60.1 F60.2 F60.3 F70.1 F70.2 F70.3 F70.4 F70.5 F70.6 F70.7
TAG ARRCTL PARCTL ATQINAC PTQINAC HABTIMINA V5_ON_CH V5_ON_C VSOCE_ON VSNCE_ON VSACE_ON OTBR_100 VSOBR_ON VSNBR_ON VSABR_ON OTCE_100 VSTCBR_ON B1TI_ON ARRANCAR
DESCRIPCION ARRANQUE CONTROL PARO CONTROL ARRANQUE CONTROL TANQUE INACTIVACIÓN PARO TANQUE INACTIVACIÓN HABILTA EL TIMER DE PARA LLENA CHAQU ACTIVA VALVULA 5 LLENA CHAQUETA ACTIVA V5 CON CONTROL VSO_CE ENCENDIDA VSNCE ENCENDIDA VSACE ENCENDIDA VALOR DE OXIGENO MAYOR QUE 100 VSOR2 ENCENDIDA VSNR2 ENCENDIDA VSAR2 ENCENDIDA OXIGENO EN CE MAYOR A 100% VSTCBR ENCENDIDA BOMB DE AGUA ENCENDIDA ARRANCAR PROCESO
La Dirección se refiere a la forma de nombrar un bit, byte, Word, doble Word o bandera que se encuentran en el mapa de memoria del PLC, cada fabricante de PLC tiene sus propios mnemónicos para la programación del PLC. En la tabla 3.11 se explica el significado de las direcciones. Tabla 3.11. Listado para direccionamiento de bit, bytes, banderas palabras, contadores y timers. Dirección FST Descripción I: Entrada Física, 0: Numero de Modulo, 0: Numero de Entrada 0 I0.0 O: Salida Física, 0: Numero de Modulo, 0: Numero de Salida 0 O0.0 F: Bandera de 16 bits, 0: Numero de byte, 0: Numero de bit F0.0 IW: Palabra de 16 bits IW0 R: Registro de 16 bits R TON: Temporizador. TON C: Contador C
f) Programación del PLC CPX del proceso bacterinas. Para programar el PLC se realiza una consulta a la filosofía de control estudiada en el capítulo 2, en la cual esta contenida toda la secuencia de la operación del proceso bacterinas. Esta secuencia se sigue tal cual está documentada, es decir, prácticamente se hace una traducción de la filosofía de control en instrucciones de programación, como puede ser un listado de instrucciones o en lenguaje de lógica de escalera, como lo siguiente: 154
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
En la FASE PRIMERA de la filosofía de control se realiza el control Todo – Nada de temperatura del Cuarto Estufa, cuyo programa es mostrado en la figura 3.35, y en el se observa que la variable de temperatura del Cuarto Estufa identificada como TECE_SC es comparada con respecto al setpoint SP_CTCE y si existe algún error, el PLC manda a realizar la acción correctiva correspondiente, al mandar a encender la válvula VST_CE, para ajustar la temperatura al valor deseado de forma automática. Todo esto se hace de acuerdo a la filosofía de control del proceso bacterinas.
Figura 3.35. Control de temperatura en Cuarto Estufa.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
En la FASE SEGUNDA de la filosofía de control se realiza el control de oxigeno en el Cuarto Estufa, cuyo programa es el de la figura 3.36.
En la figura 3.36 se realiza el control Todo – Nada del oxigeno en el Spinner del Cuarto Estufa, en el cual se realiza una comparación, si el valor del transmisor de oxigeno OTCE_SC es menor que 39%, entonces se abre la válvula solenoide de oxigeno, cuyo Tag es VSOCE_ON, pero si el valor del transmisor de oxigeno es mayor a 39% entonces cierra la válvula de oxigeno, si el valor de la oxigeno es mayor que 40% entonces abre la válvula de aire VSACE_ON, si el valor de la variable OTCE_SC es mayor que 80%, entonces cierra la Válvula Solenoide de Aire del Cuarto Estufa VSACE_ON. Si el valor de la variable OTCE_SC es mayor o igual que 80%,entonces abrir la Válvula Solenoide de Nitrógeno de Cuarto Estufa VSNCE_ON.
Figura 3.36. Control de oxigeno en Cuarto Estufa. 156
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
En la FASE TERCERA de la filosofía de control se realiza el control Todo – Nada de temperatura en el Bio – Reactor y se realiza de la misma forma al mostrado en la figura 3.35 y lo único que cambia es la forma son los Tag de la programación.
En la FASE CUARTA de la filosofía de control se realiza el control Todo – Nada de Oxigeno en el Bio – Reactor, y el programa se realiza de la misma manera al mostrado en la figura 3.36, donde la única diferencia es en la forma de identificarlo.
En la FASE QUINTA Y FASE SEXTA de la filosofía de control se realiza la esterilización del Tanque de Inactivación y de la misma forma al realizar la programación se sigue la secuencia obteniendo la programación del proceso.
En la figura 3.37 se muestra una sección del programa que corresponde a la parte del arranque de la esterilización, en dicha figura se aprecia que antes de iniciar con el proceso, se le pueden escribir parámetros de para pre establecer el tiempo de esterilización y setpoint (TDESTVLMN) para el control de temperatura, e inmediatamente después se puede iniciar la esterilización con un botón de arranque BA_ETI.
Figura 3.37. Programa de arranque de esterilización en Tanque de Inactivación.
157
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
En la figura 3.38 se muestra una sección del programa donde realiza una comparación de la variable de proceso con el setpoint TDETIC que es de 121 oC, y de acuerdo al resultado de la comparación el PLC toma una acción.
Figura 3.38. Control de esterilización en Tanque de Inactivación.
En la FASE SEPTIMA de la filosofía de control se realiza el control de temperatura del Tanque de Inactivación, cuyo programa es el de la figura 3.39.
En la figura 3.39, se observa que la variable de temperatura TETI_A del Tanque de Inactivación del proceso bacterinas es comparada con respecto al setpoint TECTTIC y si existe algún error el PLC manda a realizar la acción correctiva correspondiente, y esto puede ser mandar a abrir o cerrar las válvulas correspondientes (V4TI_ON, V8TI_ON ó V5TI_ON), para ajustar la temperatura al valor deseado de forma automática. Todo esto se hace de acuerdo a la filosofía de control del proceso bacterinas.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.39. Control de Temperatura en Tanque de Inactivación. En la figura 3.40, se muestra la sección del programa donde están los temporizadores que se activan al iniciar la secuencia de esterilización en el Tanque de Inactivación, estos tiempos son preestablecidos antes de iniciar la secuencia, los cuales son: TDESTVLMN.
Figura 3.40. Tiempo de esterilización. 159
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
En la figura 3.41, se muestra una rutina especial para la apertura y cierre de válvulas de forma manual, esto quiere decir que cuando esta rutina es llamada, se pueden activar o desactivar los bits que están direccionados a las salidas físicas de las válvulas solenoides del proceso. Con una rutina de este tipo, es posible en un momento dado acudir a ella, ya que puede surgir la necesidad de realizar una operación manual del proceso, porque hay ocasiones en que se requiere hacer un tipo de drenado o una operación especial no considerada al sistema. De esta forma el sistema queda preparado para eventualidades como la antes mencionada.
Figura 3.41. Operación manual de válvulas del proceso bacterinas.
160
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.8 Implementación de un sistema HMI SCADA. y elaboración de pantallas. 3.8.1
Definición de los sistemas SCADA.
SCADA proviene del acrónimo “Supervisory Control And Data Acquisition”, SCADA es la tecnología que permite al usuario recolectar datos de una o más localidades remotas y/o enviar instrucciones de control limitadas a esas localidades.
“SCADA se define, de acuerdo a ANSI/IEEE, como un conjunto de sistemas usados para control supervisorio, a través de la adquisición de datos y/o control automático en tiempo real”. Normalmente se refiere a sistemas de control digital cuyos constituyentes se encuentran ampliamente dispersos, utilizando en su sistema estaciones remotas con comunicaciones en redes de área metropolitana o de área extendida. ¿Que es la adquisición de datos? Es un sistema de procesamiento de información computarizado que se refiere a la recopilación de datos, generalmente variables de proceso, y que son mostradas en desplegados gráficos, reportes, sumarios, índices, tendencias, balances y que es almacenado en una memoria en forma de base de datos.
3.8.2 .Antecedentes históricos de los sistemas SCADA.
Los primeros SCADA eran simplemente sistemas de telemetría, que proporcionaban reportes periódicos de las condiciones de campo vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones de estado en ubicaciones de campo remotas. Estos sistemas ofrecían capacidades muy simples de monitoreo y control, sin proveer funciones de aplicación alguna.
La visión del operador en el proceso estaba basada en los contadores y las lámparas detrás de gabinetes llenos de indicadores. Mientras la tecnología se desarrollaba, las computadoras 161
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
asumieron el papel de manejar la recolección de datos, disponiendo comandos de control, y una nueva función - presentación de la información sobre una pantalla de video. Las computadoras agregaron la capacidad de programar el sistema para realizar funciones de control más complejas. Los primeros sistemas automatizados SCADA fueron altamente modificados con programas de aplicación específicos para atender a requisitos de algún proyecto particular. Como ingenieros de varias industrias asistieron al diseño de estos sistemas, su percepción de SCADA adquirió las características de su propia industria. Proveedores de sistemas de software SCADA, deseando reutilizar su trabajo previo sobre los nuevos proyectos, perpetuaron esta imagen de industria específicos por su propia visión de los ambientes de control con los cuales tenían experiencia. Solamente cuando nuevos proyectos requirieron funciones y aplicaciones adicionales, hizo que los desarrolladores de sistemas SCADA tuvieran la oportunidad de desarrollar experiencia en otras industrias. Hoy, los proveedores de SCADA están diseñando sistemas que son pensados para resolver las necesidades de muchas industrias, con módulos de software industria específicos disponibles para proporcionar las capacidades requeridas comúnmente. No es inusual encontrar software SCADA comercialmente disponible adaptado para procesamiento de papel y celulosa, industrias de aceite y gas, hidroeléctricas, gerenciamiento y provisión de agua, control de fluidos, etc. Puesto que los proveedores de SCADA aún tienen tendencia en favor de algunas industrias sobre otras, los compradores de estos sistemas a menudo dependen del proveedor para una comprensiva solución a su requisito, y generalmente procurar seleccionar un vendedor que pueda ofrecer una completa solución con un producto estándar que esté apuntado hacia las necesidades específicas del usuario final. Si selecciona a un vendedor con experiencia limitada en la industria del comprador, el comprador debe estar preparado para asistir al esfuerzo de ingeniería necesario para desarrollar el conocimiento adicional de la industria requerido por el vendedor para poner con éxito el sistema en ejecución.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Para alcanzar un nivel aceptable de tolerancia de fallas con estos sistemas, es común tener computadoras SCADA redundantes operando en paralelo en el centro primario del control, y un sistema de reserva del mismo situado en un área geográficamente distante. Esta arquitectura proporciona la transferencia automática de la responsabilidad del control de cualquier ordenador que pueda llegar a ser inasequible por cualquier razón, a una computadora de reserva en línea, sin interrupción significativa de las operaciones. 3.8.3 Objetivos. Economía. Accesibilidad. Mantenimiento. Ergonomía. Gestión. Flexibilidad. Conectividad. 3.8.4 Servicios de un sistema SCADA. La monitorización. Representa los datos en tiempo real a los operadores de planta. Se leen los datos de los sistemas de control (temperaturas, flujo, presión, etc.). Muchos procesos de diferentes plantas pueden ser vigilados desde kilómetros de distancia. La supervisión. La supervisión es una herramienta que permite realizar la toma de decisiones (mantenimiento predictivo por ejemplo). Tiene la capacidad de ejecutar programas que puedan supervisar y modificar el control establecido y , bajo ciertas condiciones, anular o modificar tareas asociadas a los sistemas de control. Evita continua supervisión humana. La adquisición de datos de los procesos en observación. Los parámetros de las variables del proceso se almacenan para su posterior revisión. La visualización de los estados de las señales del sistema (alarmas y eventos). Reconocimiento de eventos excepcionales en la planta y su inmediata puesta en conocimiento a los operadores para efectuar las acciones correctivas pertinentes. 163
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Además los paneles de alarma pueden exigir alguna acción de reconocimiento por parte del operario, de forma que queden registradas las incidencias. El mando. Posibilidad de que los operadores puedan cambiar consignas u otros datos claves de proceso directamente desde el ordenador (marcha, paro, modificación de parámetros…). Se escriben datos sobre los datos de control. Grabación de acciones o recetas. En algunos procesos se utilizan combinaciones de variables que son siempre las mismas. Un sistema de recetas permite configurar toda una planta de producción ejecutando solo un comando. Estas recetas son utilizadas en sistemas de control batch, donde por ejemplo se puede realizar alguna mezcla en algún tipo de contenedor, y se utilizan cantidades diferentes de ingredientes dependiendo del tipo de mezcla que se desee elaborar. En el sistema SCADA se pueden escoger las recetas a ejecutar y con una sola pulsación se pueden poner en marcha. Garantizar la seguridad de los datos. Tanto el envío y recepción de datos deben estar suficientemente protegidos de influencias no deseadas, intencionadas o no (fallos en la programación, intrusos, situaciones inesperadas, etc.). Garantizar la seguridad en los accesos. Restringiendo zonas de programa comprometidas a usuarios no autorizados, registrando todos los accesos y acciones llevadas a cabo por cualquier operador. Posibilidad de programación numérica. Permite realizar calculo aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador (lenguajes de alto nivel, C y Visual Basic, generalmente).
3.8.5 Ventajas. Creación de aplicaciones funcionales sin necesidad de ser experto en la materia. Localización rápida de errores gracias a su herramienta de diagnostico, minimizando periodos de paro. Presenta todo tipo de ayuda al usuario desde la aparición de una alarma hasta la localización de la causa o la parte de esquema eléctrico implicada en la misma, reduciendo tiempo de localización de averías. 164
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Recoge datos del autómata y los presenta en formatos fácilmente exportables a otras aplicaciones de uso común tales como hojas de cálculo. Mediante tecnologías celulares (GSM), los sistemas SCADA pueden mantener informados sobre cualquier incidencia a los operadores responsables de los mismos mediante mensajes a teléfonos celulares y/o mensajes de correo electrónico. La integración de sistemas es rápida gracias a los sistemas de comunicación estandarizados. La tecnología Web permite el acceso desde cualquier punto geográfico a nuestro sistema de control. Los protocolos de seguridad permiten una gestión segura y eficiente de los datos limitando el acceso a personas no autorizadas. Aumento de calidad en el producto mediante herramientas de diagnostico. El operador es notificado en el momento en el que existe alguna incidencia. Posibilidad de mantenimiento por parte de suministradores locales de servicios. Descentralización haciendo un sistema modular. Mediante redes de comunicación, el sistema SCADA se integra en la red corporativa, permite la integración entre los niveles de campo y gestión.
3.8.6 Entorno. La automatización de sistemas, desde el estado inicial de aislamiento productivo, ha pasado a formar parte del ámbito corporativo y se engloba dentro del paquete empresarial con la finalidad de optimizar la productividad y mejorar la calidad. El esquema que representa los flujos de información dentro de la empresa y representa como se realiza la integración a todos los niveles es similar a la conocida pirámide de la automatización CIM (Computer Intetgrated Manufacturing, Fabricación Integral Informatizada) mostrada en la figura 3.42.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.42. Pirámide de la automatización (CIM).
ERP (Enterprise Resource Planning o Planificación de Recursos Empresariales): Engloba la parte de gestión: finanzas, compras, ventas, logística. MES (Manufacturing Execution System o Gestión de la Producción): Comprende la gestión de calidad, documentación, gestión de producción, mantenimiento y optimización. CONTROL: Engloba toda la parte de automatización y control de procesos. La finalidad de este organigrama es disponer de la máxima información posible sobre el estado operativo global de la empresa para planificar las acciones de producción:
3.8.7 Criterios de selección y diseño. Los principales criterios a considerar para la selección de un sistema SCADA para su correcta operatividad son los siguientes: 166
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Disponibilidad Robustez Seguridad Prestaciones Mantenibilidad Escalabilidad
3.8.7.1 Disponibilidad. Por disponibilidad se entiende la medida en la que sus parámetros de funcionamiento se mantienen dentro de las especificaciones de diseño. Se basará en hartware y software. Hartware: Es el elemento físico y su estrategia se fundamenta en el concepto de redundancia, entendida como la capacidad de un elemento de asumir las funciones de otro de forma transparente al elemento que sirve. El principio de redundancia se aplica a todos los niveles, desde componentes individuales hasta sistemas enteros. De esta manera es posible continuar trabajando en caso de fallo de alguno de los componentes.
3.8.7.2 Robustez. Ante un fallo de diseño, un accidente o una intrusión, un sistema eficiente debe poder mantener un nivel de operatividad suficiente como para mantener unos mínimos de servicio. 3.8.7.3 Seguridad. Un fallo de diseño, un usuario mal intencionado o una situación imprevista podrían alterar los parámetros de funcionamiento de un sistema. Ante estas situaciones el sistema debe 167
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
permitir establecer estrategias para prevenir, detectar y defenderse de acciones no deseadas: Mediante el establecimiento de toda una serie de derechos y jerarquías de usuario, que limitan el acceso a datos sensibles mediante contraseñas. Además, el acceso mediante usuarios permite establecer un archivo de accesos para conocer en todo momento quien ha cambiado algo en el sistema de control. Encriptando los datos que se emiten desde las estaciones remotas. Filtrando toda la información recibida, comprobando si su origen es conocido o no. Fijando unos caminos de acceso predeterminados para la información, provistos de las herramientas necesarias para asegurar la fiabilidad de la información que los atraviesa (los puertos de acceso a un sistema). El sistema debe ser capas de detectar incoherencias en los datos que ha recibido. Programas de vigilancia (watchdog o perro guardián).
3.8.7.4 Prestaciones. Se refiere al tiempo de respuesta del sistema. Durante el desarrollo normal del proceso la carga de trabajo de los equipos y el personal se considera que es mínima y esta dentro de los parámetros que determinan el tiempo real de un sistema. En caso de declararse un estado de alerta, la actividad que se desarrolla aumenta de forma considerable la carga de los equipos informáticos y del personal que los maneja. El equipo debe poder asimilar toda la información que se genera, incluso bajo condiciones de trabajo extremas, de manera que no se pierda información aunque su proceso y presentación no se realicen en tiempo real.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.8.7.5 Mantenibilidad. Los tiempo de mantenimiento pueden reducirse al mínimo si el sistema esta provisto de buenas herramientas de diagnostico que permitan realizar tareas de mantenimiento preventivo, modificaciones y pruebas de forma simultánea al funcionamiento normal del sistema. 3.8.7.6 Escalabilidad. Este concepto esta relacionado a la posibilidad de poder ampliar el sistema con nuevas herramientas o prestaciones y los requerimientos de tiempo necesarios para implementar estas ampliaciones, debido a lo siguiente: Espacio disponible. Capacidad del equipo informático (memoria, procesadores, alimentaciones). Capacidad del sistema de comunicaciones (limitaciones físicas, protocolos, tiempo de respuesta). La ampliación de control debe poder evolucionar, adaptándose al entorno que controla, de manera que funcione de forma eficiente sin importar el tipo de equipamiento o el volumen de datos. El sistema SCADA debe poder ampliarse y actualizarse. Puede empezar con un único servidor para todas las tareas (Scada, Archivo, Alarmas, Comunicaciones). El problema aquí, reside en que todo pasa por un único punto que es el talón de Aquiles del sistema.
3.8.8 Arquitectura de un sistema SCADA. El desarrollo del ordenador personal ha permitido su implantación en todos los campos de conocimiento y a todos los niveles imaginables.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Las primeras incursiones en el campo de la automatización localizaban todo el control en el PC y tendían progresivamente a la distribución del control en planta. De esta manera, el sistema queda dividido en tres bloques principales: Software de adquisición de datos y control (SCADA). Sistema de adquisición y mando (Sensores y actuadores). Sistema de interconexión (comunicaciones). El usuario mediante herramientas de visualización y control, tiene acceso al sistema de control de proceso, generalmente un ordenador donde reside la aplicación de control y supervisión (Se trata de un sistema servidor). La comunicación entre estos dos sistemas se suele realizar a través de redes de comunicación corporativas (Ethernet). El sistema de proceso capta el estado del sistema a través de los elementos sensores e informa al usuario a través de las herramientas HMI. Basándose en los comandos ejecutados por el usuario, el sistema de proceso inicia acciones pertinentes para mantener el control del sistema de los elementos actuadores. La transmisión de los datos entre sistemas del proceso y los elementos de campo (sensores y actuadores) se lleva a cabo mediante los denominados buses de campo, la tendencia actual es englobar los sistemas de comunicación en una base común, como Ethernet Industrial. Toda la información generada durante la ejecución de las tareas de supervisión y control se almacena para disponer de los datos a posteriori. Mediante el software de adquisición de datos y control, el mundo de las maquinas se integra directamente en la red empresarial, pasando a formar parte de los elementos que permitan crear estrategias de empresa globales. Aparece el concepto de Fabricación Integral Informatizada (Computer Integrated Manufacturing). Un sistema SCADA es una aplicación de software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en control de producción que proporciona comunicación entre los dispositivos de campo, llamados también RTU (Remote Terminal Unit o Unidades Remotas), donde se pueden encontrar elementos tales como controladores autónomos o 170
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
autómatas programables, y un centro de control o Unidad Terminal Maestra (MTU, Master Terminal Unit), donde se controla el proceso de forma automática desde la pantalla de uno o varios ordenadores. La estructura funcional de un sistema de visualización y adquisición de datos obedece generalmente a la estructura Maestro – Esclavo. La estación central (el maestro o master) se comunica con el resto de las estaciones (esclavos o slaves) requiriendo de éstas una serie de acciones o datos.
3.8.8.1 El hardware. Un sistema SCADA, a escala conceptual, está dividido en dos grandes bloques. Captadores de datos: Recopilan los datos de los elementos de control del sistema (por ejemplo, autómatas, reguladores, registradores) y los procesan para su utilización. Son los servidores del sistema. Utilizadores de datos: Los que utilizan la información recogida por los anteriores como pueden ser las herramientas de análisis de datos o los operadores del sistema son los clientes. Mediante los clientes los datos residentes en los servidores pueden evaluarse, permitiendo realizar las acciones oportunas para mantener las condiciones nominales del sistema. Mediante los denominados buses de campo, los Controladores de proceso (generalmente autómatas programables o sistemas de regulación) envían la información a los Servidores de datos (Data Servers), los cuales, a su vez, intercambian la información con niveles superiores del sistema automatizado a través de redes de comunicaciones de Área Local. Elementos del sistema SCADA: a) Interface Hombre-Máquina. Comprende los sinópticos y los sistemas de presentación gráfica. La función de un Panel Sinóptico es la de presentar, de forma 171
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
simplificada, el sistema bajo control (un proceso de producción). Los paneles sinópticos actualmente se representan en un software de forma gráfica en pantallas de visualización de datos. En los sistemas complejos suelen aparecer los terminales múltiples, que permiten la visualización, de forma simultánea de varios sectores del sistema. b) Unidad Terminal Maestra (MTU, Master Terminal Unit). También conocidas como servidores (host), que están basadas en una PC, y puede monitorear y controlar ciertos campos configurables cuando el operador no está presente, esto lo logra a través de esquemas calendarizados. Un MTU debe tener la capacidad de comunicarse con las RTUs. Centraliza el mando del sistema. Se hace uso extensivo de protocolos abiertos, lo cual permite la interoperabilidad de multiplataformas y multisistemas. Un sistema de este tipo debe estar basado en estándares asequibles a bajo precio para cualquier parte interesada. De esta manera es posible intercambiar información en tiempo real entre centros de control y subestaciones situadas en cualquier lugar. En el centro de control se realiza, principalmente, la tarea de recopilación y archivado de datos. Toda esta información que se genera en el proceso productivo se pone a disposición de los diversos usuarios que puedan requerirla. Realizando lo las siguientes tareas: Gestionar las comunicaciones. Recopilar los datos de todas las estaciones (RTU). Envío de información. Comunicación con los operadores. Análisis. Impresión. Visualización de datos. Mando. Seguridad. 172
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
c) Unidad Terminal Remota (RTU, Remote Terminal Unit). Son sistemas que realizan funciones de recepción y envío de mensajes y normalmente van acompañadas, en comunicaciones de una Unidad Terminal Maestra, de la cual reciben las señales para que la RTU efectúe las acciones de indicación y control. Las RTU son similares a un PLC y están diseñados para recoger datos de la planta y comunicarse a un servidor usando telemetría (tal como radio, línea telefónica, o líneas alámbricas privadas de propósito general). Debido a la complejidad de estas tareas la mayoría de los RTU’s están basados en tecnología digital. d) Sistema de Comunicación. El intercambio de información entre servidores y clientes se basa en la relación de productor-consumidor. Los servidores de datos interrogan de manera cíclica a los elementos de campo, recopilando los datos generados por registradores, autómatas, reguladores de proceso, etc. Gracias a los controladores suministrados por los diferentes fabricantes y a su compatibilidad con la mayoría de los estándares de comunicación existentes, es posible establecer cualquier tipo de comunicación entre un servidor de datos y cualquier elemento de campo. e) La Comunicación RTU-proceso. Comunicación entre los RTUs y los dispositivos de campo, normalmente es realizada a través de señales eléctricas de voltaje, corriente y frecuencia mediante conductores eléctricos.
3.8.9 El software. a) Controladores (driver). Un programa del tipo SCADA se ejecuta en un ordenador o terminal gráfico y unos programas específicos le permiten comunicarse con los dispositivos de control de planta
173
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
(hacia abajo) y los elementos de gestión (hacia arriba). Estos programas son los que se denominan controladores (o driver) de comunicaciones. Una parte propia del paquete (propia de terceros) contiene todos los controladores de comunicación entre una aplicación y el exterior, ocupándose de gestionar los enlaces de comunicación, tratamiento de la información a transferir y protocolos de comunicación. El controlador o driver mostrado en la figura 3.43 realiza la función de traducción entre el lenguaje del programa SCADA y el autómata (PLC).
Figura 3.43. Configuración del controlador.
b) Programa de desarrollo. El programa de desarrollo engloba las utilidades relacionadas con la creación y edición de las diferentes ventanas de la aplicación, así como sus características (textos, dibujos, colores, propiedades de los objetos, programas, etc.). c) Programa de Supervisión (Run Time). El programa de supervisión permite ejecutar la aplicación creada con el programa de desarrollo (en industria se entrega, como producto acabado, el programa de supervisión y la aplicación). 174
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Es una ventana que permite monitorear y controlar la máquina y/o proceso por medio de interruptores, botones, perillas, indicadores, etc. • No existe un límite preestablecido de ventanas. • El tamaño de las ventanas depende del monitor usado.
3.8.10 Configuración. Permite definir el entorno de trabajo para adaptarlo a las necesidades de la aplicación: La estructura de pantallas se organiza de la forma más conveniente, estableciendo un desarrollo lineal o en el árbol. Los usuarios se clasifican según su importancia, creándose grupos con privilegios que permiten o limitan su influencia en el sistema. Las pantallas de interface proporcionan una serie de herramientas que permiten realizar las tareas más comunes de forma rápida y sencilla. Las pantallas de alarmas se pueden organizar de manera distribuida o centralizada.
3.8.11 Interface gráfica del proceso bacterinas. Las interfaces gráficas permiten la elaboración de pantallas de usuario con múltiples combinaciones de imágenes y/o textos, definiendo así las funciones de control y supervisión de planta. La gráfica del proceso bacterinas esta integrada por
objetos
estáticos y objetos dinámicos, El cual para su desarrollo se realiza el siguiente procedimiento: 1) Diseño gráfico del proceso bacterinas: El diseño del grafico se realiza en base al DTI de las figuras 2.7, 2.8 y 2.9, ya que en este diagrama se encuentra representado de forma gráfica el contenido del proceso. Con ayuda de la librería del software de desarrollo SCADA mostrado en la figura 3.44, se insertan los objetos gráficos como tanques, válvulas, tuberías, etc. 175
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.44. Librería de objetos gráficos del software de desarrollo SCADA.
Gracias a las librerías de los objetos estáticos y dinámicos es posible relacionar variables de sistema a objetos creados de forma muy sencilla. Por ejemplo, se puede visualizar el estado de una variable analógica mediante un visualizador en forma de barra, arrastrándolo desde la librería hasta la ventana que se ha diseñando. Una vez en la pantalla, será posible editarlo y asignarle la variable a observar. Los elementos de la librería
del sistema SCADA que utilizan para el proyecto, se
configuran y se le dan propiedades respetando un código de colores de la tabla 3.12, en la cual, se enlista los colores para interpretar fácilmente el estado en que se encuentra cada gráfico. Tabla 3.12. Colores según estado. Estados: marcha - abierto
verde
Estados: parado - cerrado
rojo
Estados: atención - preparado
amarillo
Alarmas: atención - pre alarma
amarillo
176
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de Tabla 3.12. Alarmas: alarma
rojo
Alarmas: sin alarma
Gris, invisible
Elementos: metal
gris
Fondos
gris, verde, azul.
En la tabla 3.13 se muestra un código de colores según campo de trabajo, es decir, en los procesos industriales se requieres recursos como fluidos y energías, para estos casos también se necesita marcar con un color cada uno de estos fluidos o energías, para diferenciar unos de otros. Tabla 3.13. Colores según campo de trabajo. Rojo Temperatura elevada, agua para extinción de incendios. Amarillo
Gas.
Verde
Agua potable.
Azul
Agua de proceso, aire.
También es importante identificar mediante un código de colores la señalización de seguridad en el sistema SCADA. Cuando se trata de indicar la presencia de alarmas o eventos importantes se tienen que hacer notar, por tal motivo se tiene un código como el mostrado en la tabla 3.14, en el cual se observa un orden en niveles de prioridad, en el orden numero 1 el texto debe estar escrito con color negro y su fondo con un color amarillo y así sucesivamente. Tabla 3.14. Señales de seguridad (niveles de percepción de los colores). Orden Color Fondo 1
Negro
Amarillo
2
Verde
Blanco
3
Rojo
Blanco
4
Azul
Blanco
5
Blanco
Azul
6
Negro
Blanco
177
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de tabla 3.14. 7 Amarillo
Negro
8
Blanco
Rojo
9
Blanco
Verde
10
Blanco
Negro
11
Rojo
Amarillo
12
Verde
Rojo
13
Rojo
Verde
En la tabla 3.15 se muestran los diferentes gráficos estaditos y dinámicos a utilizar en el sistema SCADA del proceso bacterinas respetando los códigos de las tablas 3.12, 3.13 y 3.14, en el cual se muestran válvulas , botones, sensores, paneles de control tuberías, tipo de letra, etc. • Los gráficos estáticos son dibujos que nunca cambian de estado, solo existen en la pantalla, de la misma manera que un cuadro en la pared, nunca cambia, ni se mueve. • Los gráficos dinámicos son dibujos animados que cambian sus propiedades dependiendo del valor de su elemento asociado. Tabla 3.15. Tabla de objetos estáticos y dinámicos del sistema SCADA del proceso bacterinas. Objetos estáticos Objetos dinámicos Otros Objeto Tipo y color Objeto Tipo y color Tipo y color Tanque de Proceso Metálico – gris
Bomba dinámica
Válvula Todo – nada Metálico – gris
Válvula Todo – nada Abierta – verde
Tubería estática Metálica – gris
Válvula Todo – nada Cerrada – rojo
Sensor estático Metálico – gris
Tubería Agua potable – verde
Etiqueta Numérica
Botones Verde –Arranque Rojo - Paro Panel de control
Panel
178
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Continuación de Tabla 3.15. Objetos estáticos Intercambiador de calor estático Metálico – gris
Objetos dinámicos Tubería Vapor – rojo Alta presión – blanco Tubería Gas – amarillo Oxigeno – azul + azul Tubería Gas – amarillo Nitrógeno – verde +verde Tubería Aire – azul A presión – rojo
Otros Texto Tipo Minúsculas Contrastes:
Flecha
En la figura 3.45 se ilustra la figura de la interface gráfica del proceso bacterinas que corresponde al Tanque de Inactivación desarrollada en un programa de desarrollo SCADA bajo los criterios descritos en la tabla 3.15.
Figura 3.45. Interface gráfica del proceso bacterinas.
En la figura 3.45 se observa el proceso bacterinas de forma gráfica, el cual tiene dos paneles de operación uno para el control de esterilización
y otro para el control de 179
Capítulo 3 Ingeniería de detalle
temperatura del interior del Tanque de Inactivación. Cabe mencionar que este dibujo de interface gráfica esta desarrollado en base al DTI de la figura 2.9, donde se observa que la única diferencia entre estas dos figuras (figura 3.45 y figura 2.9), es el tipo de representación gráfica de instrumentos, válvulas y equipos, mientras que en el DTI son símbolos, en la interface gráfica son objetos gráficos. El gráfico de la figura 3.45 contiene paneles de operación virtuales donde se pueden visualizar valores numéricos de las diferentes variables del proceso y también se pueden escribir valores de set point y cambiar los tiempos de ajuste de los temporizadores. Además se pueden arrancar o parar las etapas del proceso con solo presionar los botones virtuales desde la pantalla, así como también se pueden manipular las válvulas Todo – Nada mandándolas a abrir o cerrar desde la pantalla SCADA.
3.8.11.1 Configuración de “Drivers” de comunicación del HMI SCADA del proceso bacterinas. Un driver es una aplicación que corre independiente del HMI SCADA y enlaza las comunicaciones entre el hardware y el software. Este depende del hardware que se este usando, por ejemplo; para el proceso bacterinas se utiliza el driver EasyIP de Festo, es un protocolo propiedad de Festo pero esta abierto para la realizar la comunicación con el HMI SCADA, lo que significa que se podrá realizar el monitoreo y supervisión de datos del PLC CPX desde el HMI SCADA a través del “Driver” de comunicación. Para el proceso bacterinas se configura el driver de EasyIP de Festo como se ilustra en la figura 3.46, el cual será enlazado a través de un puerto de comunicación Ethernet.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.46. Driver de comunicación EasyIP de Festo.
3.8.11.2 Base de datos de variable del HMI SCADA del proceso bacterinas. La base de datos de la figura 3.47 es obtenida del listado de asignación de señales de la tabla 2.18 (direccionamiento físico de entradas y salidas analogías y digitales), y el listado de direccionamiento interno para la programación del PLC mostrado en la tabla 3.10. Las variables son agregadas como una base de datos que serán enlazadas con un objeto gráfico ya sea de valor numérico entero, flotante o bit.
Figura 3.47. Base de datos en sistema SCADA del proceso bacterinas.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
3.8.11.3 Enlace de objetos gráficos con la base de datos. El enlace de los objetos gráficos se realiza asignando una de las direcciones de la base de datos a cada elemento gráfico, la dirección asignada proviene directamente del mapa de memoria del PLC, lo que significa que cuando la dirección del PLC cambia de estado o de valor, también lo hará en el elemento gráfico, de esta forma el elemento de la interface gráfica estará mostrando de forma visual el estado de cada elemento tal y como esta sucediendo en el proceso. Ejemplo, cuando una bomba arranca en el proceso, se podrá observar un cambio de color o movimiento en el gráfico representativo de dicha bomba en la pantalla SCADA.
3.8.11.4 Tendencias. Son las utilidades que permiten representar de forma cómoda la evolución de variables del sistema. Las utilidades más generales de las tendencias como la mostrada en la figura 3.48 son:
Una pantalla de tendencias puede tener los parámetros de representación ya definidos o pueden modificarse durante la ejecución de la aplicación en línea.
En una pantalla se puede representar varios valores de forma simultánea. Puede estar limitado dependiendo del sistema SCADA empleado.
Representación en tiempo casi real de variables o recuperación de variables almacenadas.
Visualización de valores.
Desplazamiento a lo largo de todo el registro histórico.
Ampliación y reducción de zonas concretas de una gráfica.
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
Figura 3.48. Gráfica de tendencias del sistema SCADA del proceso bacterinas.
3.8.11.5 Alarmas. Las alarmas se basan en una vigilancia de los parámetros de las variables del sistema. Son los sucesos no deseables, porque su aparición puede dar lugar a problemas de funcionamiento. Este tipo de sucesos requiere la atención de un operario para su solución antes de que llegue a una situación crítica que detenga el proceso. Es una función de la interfaz de operador que permite detectar y reportar anormalidades en el proceso. Las alarmas que se configuran para el proceso bacterinas son:
Alta presión de vapor dentro del Tanque de Inactivación.
Baja Temperatura de Esterilización.
3.8.11.6 Niveles de acceso a pantallas y a operación. En un sistema SCADA se puede restringir y controlar el acceso a la operación de ciertos elementos del proceso, con este control se logra controlar el acceso al sistema mediante niveles que pueden ser clasificados como operador, supervisor y administrador, donde cada uno de ellos tendrá algunos privilegios en la operación, función o información del sistema,
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Capítulo 3 Ingeniería de detalle
de tal manera que el sistema genere un reporte de quienes fueron las personas que ingresaron al sistema y que movimientos realizaron. Con los niveles de acceso se puede restringir al operador a que realice operaciones que solo competen a personal de mantenimiento, al personal de sistemas o al personal de otras áreas, con esto se logra tener seguridad de operación. Para el proceso bacterinas los niveles de acceso quedan de la forma siguiente:
Administrador: Acceso total, tanto al sistema de operación de todos los elementos del proceso, como al software de desarrollo, para poder implementar nuevas pantallas de operación o agregar nuevos elementos (futura expansión).
Supervisor: Accesos total al sistema de operación de todos los elementos del proceso.
Operador: Acceso solo a la parte de operación correspondiente a arranque y paro de bombas, arranque y paro de secuencias de esterilización del Tanque de Inactivación. No tiene permitido abrir o cerrar válvulas de forma manual desde la pantalla de operación y no puede accesar al programa de desarrollo.
Todos los accesos están restringidos mediante un código alfanumérico que solo conocen el personal correspondiente, es decir, un código para el Administrador, otro para el Supervisor y uno mas para el Operador.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
CAPÍTULO 4 INSTALACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE PROYECTO.
4.1. Pruebas a gabinete de control. Cuando un gabinete queda armado en base a un diseño, técnicamente no debe haber errores, pero esta posibilidad de no tener errores no es del 100%, por tal motivo las pruebas del gabinete de control se realizan con la intención de encontrar y corregir esos errores que pueden ser de diseño o de alambrado. Además con estas pruebas se garantiza un buen funcionamiento de todos los elementos involucrados en el gabinete antes de instalarlo en el área del proceso designada, con esto se eliminan puntos de falla y las pruebas al momento del arranque del proyecto se hacen en un tiempo mas corto.
Es importante tener un procedimiento definido y la herramienta necesaria para la realización de las pruebas al gabinete de control, todo esto ahorra tiempo y permite tener un orden.
Los requerimientos básicos para las pruebas al gabinete de control son:
Información de ingeniería y manuales. 1. Listado de asignación de señales de la tabla 2.22. 2. Diagrama de alambrado de la figura 3.4. 3. Diagrama de platina de gabinete de la figura 3.12. 4. Diagrama de la tapa frontal del gabinete de la figura 3.10. 5. Manuales de los elementos de la tabla 3.5. 6. Manuales de los elementos de la tabla 3.6.
Herramienta e instrumentos de medición. 1. Voltímetro. 2. Amperímetro. 185
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
3. Amperímetro de gancho. 4. Calibrador de corriente. 5. Calibrador de RTD. 6. Etiquetadora.
Las pruebas del gabinete de control se realizan desde el taller o laboratorio, es decir, estas pruebas deben de hacerse antes de instalar el gabinete en campo, y el procedimiento a seguir es el siguiente:
a) Pruebas de alambrado de alimentación eléctrica. IMPORTANTE: Se revisa mediante medición de conductividad la alimentación eléctrica, tanto para el PLC como para la pantalla táctil. Esto se hace para garantizar que el alambrado de alimentación eléctrica este correcto y evitar que haya algún corto circuito.
b) Energizar gabinete de control. Se energiza el gabinete de control. En algunas ocasiones uno o varios de los elementos del gabinete de control no enciende, esto puede ser a varias causas, pero una de las más comunes es porque el fusible de la entrada de alimentación esté fundido.
c) Simulación de entradas digitales. Consultando la información del diagrama de alambrado y con ayuda de “puentes” se simulan señales digitales de 24 VCD a las clemas correspondientes a las entradas del gabinete de control.
En el módulo de entradas digitales del PLC se observa que encienden los LEDS que indican que están recibiendo señal. Este procedimiento se hace con cada una de las entradas digitales del PLC para verificar el buen cableado.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
d) Descarga del programa del PLC. Se realiza una descarga del programa del proceso bacterinas al PLC para poder observar las entradas y salidas analógicas desde la PC y poder forzar señales para apoyo en las pruebas del gabinete. e) Forzamiento de salidas digitales. Desde la PC se forzan las señales correspondientes a las salidas digitales para comprobar su funcionamiento correcto. El forzamiento de señales digitales también se puede realizar desde un configurador manual (Hand Held).
f) Simulación de entradas analógicas de temperatura de tipo RTD PT100. El las clemas que corresponden a las entradas analógicas se conecta un simulador de RTD, para mandar señal y de esta forma monitorear en la PC el comportamiento de dicha señal.
g) Forzamiento de salidas analógicas de 4 a 20 mA. El forzamiento de la salida analógica se realiza desde el PLC mandando un valor numérico y observando el comportamiento de la señal desde un amperímetro, se verifica que en los rangos mínimos y máximos de cada señal se obtenga a la salida del PLC 4 a 20 mA. El forzamiento de señales analógicas también se puede realizar desde un configurador manual (Hand Held).
4.2. Pruebas a PC de estación de control. Antes de instalar la estación de operación en el cuarto de control, es importante hacer varias pruebas, las cuales consisten básicamente en pruebas de comunicación entre la estación de operación y el PLC, en la cual está involucrado el sistema SCADA. Requerimientos para las pruebas de la estación de operación: Estación de operación, PLC y el Switch Ethernet disponibles. Instalación de la Red Ethernet, en base a la figura 3.16 estudiada en el capitulo 3. Instalación del software del sistema SCADA. 187
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Instalación del software Run Time del sistema SCADA. Instalación del software de programación de PLC de la marca Festo, llamado FST, en la estación de operación. Descarga del programa del proceso bacterias al PLC CPX de Festo a través del puerto serial para poder asignarle una IP la cual es 192.168.0.100.
4.2.1. Pruebas preliminares a PC de la estación de operación.
Procedimiento para conocer o configurar la configuración IP básica de la estación de operación: Abrir la línea de comandos de Windows. Dar click en el menú de Inicio, y dar click en el apartado que dice ejecutar.
Figura 4.1. Menú de inicio.
Escribir la palabra “cmd” y dar click en la casilla de aceptar.
Figura 4.2. Ventana ejecutar.
Aparecerá la lista de comandos de Windows 188
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Figura 4.3. Ventana para acceder a comandos de Windows.
Comando “ipconfig”. -“ipconfig” en Windows es una utilidad de línea de comandos que muestra la configuración de red actual de un ordenador local (dirección IP, máscara de red, puerta de enlace asignada a la tarjeta de red, etc. ), así como controlar el servicio Windows que actúa como cliente DHCP. Escribir en la lista de comandos la palabra “ipconfig/all”
Figura 4.4. Acceso a la dirección IP de la estación de operación.
Tomar nota de los siguientes valores Nombre del host:
“Dell”
Dirección IP
“192.168.0.100”
Máscara de subred
“255.255.255.0”
Puerta de enlace predeterminada
“192.168.1.254”
Servidor DHCP
“192.168.1.254”
Servidor DNS
“192.168.1.254” 189
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
4.2.2. Pruebas de comunicación a PC de la estación de operación.
“ping” (Packet Internet Grouper, Paquete Agrupador de Internet) se trata de una utilidad que comprueba el estado de la conexión con uno o varios equipos remotos por medio de los paquetes de solicitud de eco y de respuesta de eco para determinar si un sistema IP específico es accesible en una red. Es útil para diagnosticar los errores en redes o routers IP.
En la lista de comandos de Windows escribir la palabra “ping www.yahoo.com”
Figura 4.5. Comprobación de conexión a un equipo remoto.
Comunicarse con otra computadora dentro de la red local (LAN) con el comando ping: En la pantalla de lista de comandos de Windows escribir “ping 192.168.0.224”, esta dirección IP corresponde a una máquina que se encuentra dentro de la red local de la oficina (estación remota).
Figura 4.6. Comprobación de conexión a un equipo integrado a la red local.
Cuando se obtiene éxito en las pruebas a la estación de operación y la red, se procede a hacer pruebas a los instrumentos de campo, y por tratarse de un sistema SCADA, se aprovecha a hacer una prueba a los gráficos dinámicos de operación, mientras que a la par 190
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
se están probando las señales de los instrumentos. Esto se explica a detalle en el punto 4.3 de este capitulo.
4.3. Pruebas a señales de instrumentos de campo. Cuando los instrumentos son instalados en campo, no se tiene la certeza de que funcionarán correctamente aunque se les haya hecho una prueba o calibración en banco, esto es debido a que existen otros puntos de fallas posibles, las cuales se pueden presentar en el propio cableado que parte desde el gabinete de control hasta el instrumento mismo. Además puede existir la posibilidad de que los instrumentos no estén correctamente instalados mecánicamente o conectados eléctricamente.
Para verificar que todo esto esté correcto, antes de hacer cualquier otra actividad, se realizan pruebas a cada uno de los instrumentos de campo, aunque ya hayan sido instalados y conectados.
Las pruebas a los instrumentos de campo se realizan en coordinación con el personal de mantenimiento, producción, ingeniería y de seguridad industrial de la planta, ya que se requiere del apoyo de todos para realizar las correcciones pertinentes en dado caso de encontrar algún instrumento con algún detalle, es decir, si se encuentra un instrumento que no esta bien instalado mecánicamente , el personal mecánico se encargará de hacer la correcta instalación, el mismo caso sería si se encontrara una conexión o instalación eléctrica con detalles. Todo esto se realiza con las medidas de seguridad supervisadas por el personal correspondiente.
Para llevar un control de los instrumentos que se prueban, se realiza una hoja con un listado que contiene todos los instrumentos del proyecto, en este listado están descritas las pruebas que deben hacerse a los instrumentos.
191
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Las pruebas se pueden iniciar con válvulas Todo – Nada, después se prueban bombas, y finalmente los instrumentos con señales analógicas. Esto dependerá del criterio a considerar.
En algunas ocasiones, se termina de instalar y conectar todos los instrumentos analógicos antes que los digitales, en ese caso se puede comenzar a probar dichos instrumentos con señales analógicas, mientras se continúan los trabajos para la instalación y conexión de los instrumentos con señales digitales.
Para las pruebas de instrumentos del proceso bacterinas se realiza la prueba iniciando con las válvulas Todo – Nada. Posteriormente se realizan pruebas a los instrumentos con señales analógicas.
Requisitos preliminares para realizar las pruebas a instrumentos de campo:
1. Para las pruebas de estas válvulas es importante tener en mano los diagramas de ingeniería como son: diagramas de alambrado mostrado en la figura 3.4, el DTI mostrado en las figuras 2.7, 2.8 y 2.9, el diagrama de ubicación de instrumentos mostrado en la figura 3.5, el diagrama de gabinete mostrado en la figura 3.12 y los manuales de instalación y configuración de todos los instrumentos y válvulas. Estos documentos son un apoyo importante, ya que en base a ellos esta realizado todo el trabajo de instalación de los instrumentos y de todo el proyecto. 2. El sistema SCADA debe estar debidamente instalado y probado, para que sirva como una herramienta mas para la realización de las pruebas. La visualización en pantalla del comportamiento de las señales ayudará a realizar las pruebas más rápidamente. 3. El personal que realizó la instalación de los instrumentos debe estar disponible para que ejecute las acciones correctivas en caso de ser necesario. 4. Se debe tener un formato como el mostrado en la tabla 4.1, donde contenga la lista de los instrumentos y las pruebas a realizar. 192
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Una vez que se cumplen los requisitos anteriores se procede a realizar las pruebas siguientes en base al formato de la tabla 4.1. Tabla 4.1. Tabla de instrumentos a probar.
a) Pruebas a válvulas Todo – Nada del proceso bacterinas. Se manda una señal desde el sistema SCADA correspondiente a la apertura manual de la válvula que se va a probar y se observa su operación, si la válvula no opera se tiene que revisar todo el circuido, o también puede ocurrir que tenga algún tipo de atoramiento mecánico. Esto solo se puede determinar revisando cada punto de posible falla. Esta prueba se realiza con todas las válvulas del proceso bacterinas. b) Pruebas a bomba del proceso bacterinas. Se oprime el botón de arranque desde campo y desde el botón virtual de arranque del sistema SCADA para observar la operación de la bomba, si la bomba opera, se tiene que revisar si el giro es el correcto de la misma, de lo contrario tendrá que hacerse un cambio en las fases de la bomba si es que ésta es trifásica. Si la bomba no opera al momento de oprimir 193
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
el botón de arranque, se tiene que revisar los circuitos de control y fuerza de la bomba, pero también puede existir la posibilidad de que este atorada mecánicamente. Otro problema que ocurre frecuentemente es que el PLC tenga alguna señal forzada y este evitando que la bomba arranque.
c) Pruebas a instrumentos con señales analógicas del proceso bacterinas. Para hacer esta prueba se tiene que utilizar un calibrador, el cual es un simulador de señales, y tiene la capacidad de funcionar como un transmisor y tomar el lugar del instrumento de campo.
Este calibrador es de mucha utilidad, ya que sirve para mandar la señal desde campo hasta el gabinete de control, y si esta señal no es observada en el PLC o la pantalla SCADA entonces quiere decir que existe un problema, de esta forma se pueden descartar puntos de falla de forma rápida. En caso de existir algún problema, se tiene que revisar el circuito de las señales analógicas correspondientes hasta lograr corregir la falla.
4.4. Calibración, configuración y ajuste de instrumentos de campo. La calibración de un instrumento es el conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones específicas, la relación entre valores indicados por un instrumento de medición o sistema de medición o los valores representados por una medida materializada y los valores correspondientes de la magnitud, realizada por los patrones. En forma simple se define como la comparación de las indicaciones de un instrumento contra un patrón, sin efectuar ningún ajuste con el propósito de: detectar, correlacionar, reportar o eliminar por ajuste cualquier variación en la exactitud del instrumento comparado. En la figura 4.7 se muestra un diagrama a bloques de los elementos que intervienen comúnmente en la calibración de instrumentos.
194
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Figura 4.7. Diagrama a bloques de calibración de instrumentos.
4.4.1.Métodos de calibración.
La calibración establece la relación entre el equipo (instrumento de medición o medida materializada) sujeto a calibración y el patrón, esta relación se obtiene al tomar las indicaciones del equipo y del patrón y relacionarlas como: error, corrección o linealidad, con su respectiva incertidumbre. El equipo o el patrón pueden darnos esa indicación mediante mediciones directas, indirectas, o bien realizar, representar o reproducir un valor. Por lo cual podemos decir que los métodos de calibración se derivan de los métodos de medición, los principales métodos de calibración se listan a continuación: Comparación directa, Transferencia, Sustitución, Equilibrio, Escalamiento (subdivisión), Relación.
Estos métodos de calibración suelen combinarse con el método en que el patrón realiza la magnitud: Primario (gravimétrico, hidrostático, coulom bimétrico), 195
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Secundario, Simulación, Reproducción, Puntos fijos. A continuación se describen brevemente, los métodos de calibración más comunes, utilizados en metrología técnica e industrial:
4.4.1.1. Calibración por comparación directa.
En este método se comparan directa e instantáneamente los valores proporcionados por el equipo (instrumento de medición o medida materializada) bajo calibración, contra los valores proporcionados por un patrón como los mostrados en la figura 4.8. Ejemplos: a) Calibración de un manómetro ordinario secundario contra un manómetro patrón digital. b) Calibración de una balanza digital con un marco de pesas patrón.
Comparación Figura. 4.8. Calibración de un manómetro analógico y de una balanza de masa por comparación directa.
196
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
4.4.1.2. Calibración por transferencia.
En este método se comparan los valores proporcionados por el equipo (instrumento de medición o medida materializada) bajo calibración, contra los valores proporcionados por un patrón (valor de referencia), a través de un patrón de transferencia, incluso en diferente tiempo y lugar.
Ejemplos: a) Comparación de puntos fijos contra otros patrones primarios mediante patrones de transferencia de alta exactitud. b) Calibración de generadores de magnitudes eléctricas, contra referencia fijas mediante multímetros de alta exactitud.
4.4.1.3. Calibración por sustitución.
Este método utiliza un equipo auxiliar (comparador), con el que se mide inicialmente al patrón y luego al equipo (instrumento de medición o medida materializada) sujeto a calibración. Esto se muestra en la figura 4.9. Ejemplos: a) Sustitución simple (calibración de masas, AB). b) Sustitución doble (calibración de masas, ABBA). c) Sustituciones sucesivas (calibración de básculas de alto alcance).
Figura 4.9. Calibración de una pesa por sustitución.
197
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
4.4.1.4. Calibración por equilibrio.
Este método utiliza un detector de nulos, el cual permite comprobar la igualdad entre el patrón y el equipo (instrumento de medición o medida materializada) sujeto de la calibración. En la figura 4.10 se observa este tipo de calibración. Ejemplos:
a) Calibración de pesas en comparador de dos platillos. b) Calibración de resistores, capacitares e inductores patrón en puentes RLC. c) Calibración de balanzas de presión por el método de flotación cruzada. d) Calibración de manómetros de mercurio contra columna de líquido por equilibrio de fuerzas.
Figura 4.10. Calibración de una pesa por equilibrio.
4.4.1.5. Calibración por simulación.
Este método simula el mensurando o la magnitud del instrumento de medición sujeto a calibración en base a modelos de relación de respuesta contra estímulo. Ejemplos:
Figura 4.11. Simulador eléctrico de mA.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
a) Simulación eléctrica en la calibración de indicadores (no medidores) de: temperatura (TC y RTD), potenciómetros para pH, lazos de medición o control (4 a 20 mA, 1 a 5 V, 0 a 10 V, etc.) mostrado el la figura 4.11, vibraciones, conductividad, humedad de madera, resistividad, etc. b) Simulación de fuerza en la calibración de básculas de alto alcance. c) Simulación por presión diferencial para la calibración de transmisores de flujo o velocidad.
4.4.1.6. Calibración por reproducción.
En este caso el patrón utilizado en la calibración reproduce a la magnitud. Ejemplos: a) Pesas mostrado en la figura 4.12. b) Volumen. c) Resistores eléctricos. d) Bloques patrón. e) Generadores de señal. f) Materiales de referencia (MR).
Figura 4.12. Marco de pesas (reproducción).
4.4.1.7. Calibración por puntos fijos.
En este caso el patrón utilizado en la calibración realiza un constante fundamental o derivada mediante la reproducción de fenómenos físicos o químicos. 199
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Ejemplos: a) Puntos fijos de sales saturados para humedad relativa. b) Puntos fijos (triple, solidificación, fusión) de la ITS-90 para temperatura. c) Puntos fijos secundarios (fusión hielo mostrado en la figura 4.13, evaporación del agua) para temperatura. d) Puntos fijos de presión.
Figura 4.13. Punto de hielo (punto fijo).
4.4.2. Certificado de calibración (certificado de trazabilidad).
El certificado de calibración es el resultado visible de un laboratorio de calibración, es el complemento documental de un experimento de calibración. En el certificado de calibración se deben verter los conocimientos del metrólogo, del estadístico y del especialista en calidad, respecto a los diferentes procedimientos y métodos del laboratorio, relacionados con: física, instrumentación, estadística de muestreo, propagación de errores, propagación de incertidumbres, validación de resultados y sistema de gestión de la calidad tanto de laboratorio como industriales.
Los instrumentos, los sensores, los acondicionadores e incluso los métodos de calibración han evolucionado, sin embargo el certificado de calibración pareciera que solo ha cambiado en la forma de impresión: a mano, con máquina de escribir, a computadora. Sin embargo éste es un documento con antecedentes y desarrollo que sigue requiriendo de interpretación.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
4.4.3. Tipo de formato.
El tipo de formato en que se emiten los certificados de calibración, tiene varias implicaciones: sicológicas por tangibilidad dada la necesidad de verlo y palparlo físicamente, tecnológicas por las herramientas necesarias para su uso, almacenamiento y validez, así como prácticas en cuanto a su interpretación y uso. Los formatos más comunes de presentación se listan a continuación.
a) Papel. El formato más común y tradicional con la firma de elaboración y autorización estampadas en tinta directamente en la carátula del documento.
b) Copia electrónica. El formato más común es el PDF (acrónimo del inglés Portable Document Format: formato portátil de documento) que incluye el escaneo del documento en papel o en casos más elaborados en formato PDF pero con firma digital electrónica tipo PKI (acrónimo del inglés Public Key Infrastructure: infraestructura de clave pública).
c) Utilería electrónica. El certificado es emitido en forma de un archivo o programa de cómputo que permite obtener resultados de medición corregidos a partir de la indicación del instrumento, indicación capturada vía el teclado o mediante adquisición de datos codificados.
4.4.4. FieldMate para configuración y calibración de instrumentos.
En la actualidad existen múltiples herramientas que facilitan la calibración y configuración de los instrumentos inteligentes, con la tecnología HART se pueden calibrar y configurar diferentes instrumentos que en su gran mayoría ya están fabricados con esta tecnología. 201
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
El software de configuración HART llamado FieldMate, es una herramienta completa y relativamente económica que se utiliza para configurar todos los instrumentos como los transmisores inteligentes que tengan la tecnología HART y solo requiere de un cable MODEM USB para conectarse a dichos instrumento desde una PC.
Este software es de utilidad para todos los instrumentos de medición e instrumentos que tengan el protocolo de comunicación HART, para la configuración y calibración de cada instrumento en particular se realiza mediante este software y solo se tienen que agregar los archivos llamados DTM (Device Type Manager, Manipulador del tipo de dispositivo). En la figura 4.14 se muestra la figura de la arquitectura de comunicación del software FieldMate.
Figura 4.14. Arquitectura de comunicación del software FieldMate.
202
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
4.4.5. Calibración del transmisor de presión.
Documentación de ingeniería Requerida: a) Índice de instrumentos de la tabla 2.15. b) Hojas de especificaciones de la tabla 2.16. c) Diagrama de lazos de control de la figura 3.1. d) Diagramas de alambrado de la figura 3.4. e) Diagrama de ubicación de instrumentos de la figura 3.5. f) Diagrama de platina del gabinete de la figura 3.12.
Material Requerido: En la tabla 4.2 se desglosa un listado del material que se requiere para configurar los instrumentos con comunicación HART del proceso bacterinas. Tabla 4.2 Material requerido para la calibración de instrumentos del proceso bacterinas. Partida
Cantidad
Descripción
1
1
Software FieldMate y manual.
2
1
Cable Modem HART con puerto USB.
3
1
DTM de los instrumentos de campo.
4
1
Instrumento (transmisor de presión, PT-TI) y su manual.
5
1
Fuente de alimentación de 24VCD.
6
1
Resistencia de 250 Ω
7
1
Hoja de calibración de instrumentos de la tabla 4.3.
Procedimiento: 1.- Se conecta el cable USB HART MODEM al puerto USB de la computadora como se observa en la figura 4.15, después se instala el dispositivo “driver” del cable USB MODEM HART y se verifica en que número de puerto COM quedó instalado.
Figura 4.15. Conexión de USB HART MODEM.
203
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
2.- Se colocan las puntas de una fuente de 24 VCD a las terminales (+/-) del transmisor con una resistencia de 250 Ω en serie como se muestra en la figura 4.16.
Figura 4.16. Conexión de fuente de 24 VCD y resistencia de 250 Ω.
3.- Se conectan las terminales del USB HART MODEM en paralelo con la resistencia de 250 Ω, como muestra la figura 4.17.
Figura 4.17. Conexión de USB HART MODEM en paralelo.
4.- Después de este procedimiento se verifica que el transmisor se encuentre encendido y se abre el programa FieldMate desde la computadora y se realiza la conexión vía software al transmisor.
5.- Hacer doble clic en la imagen que se muestra en la pantalla del software mostrada en la figura 4.18, que corresponde al instrumento que esta conectado al modem HART.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Figura 4.18. Pantalla de software FieldMate.
6.- Ya que se desplegó la hoja de parámetros como el mostrado en la figura 4.19, abrir la carpeta de configuración y localizar la carpeta de salidas analógicas (Analog Output) y se realiza el ajuste de parámetros siguiente: Unit = Unidades de ingeniería. URV = Valor de rango mas alto. LRV = Valor de rango mas bajo. Transfer Function = Función de transferencia. Damping = Tiempo de amortiguamiento. Low cut = Corte bajo. Cut mode = Modo de corte. Bi - dir mode= Modo bi - direccional.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
Figura 4.19. Pantalla de parámetros para configurar el transmisor desde el software FieldMate.
7.- En la figura 4.20 se muestra la pantalla donde se configura el display del transmisor y los parámetros que se modifican son los siguientes: Display mode = Modo de display. Display fnctn = Función del display. Engr unit = Unidades de ingeniería. Engr disp URV = Valor mas alto de las unidades de ingeniería en display. Engr disp LRV = Valor mas bajo de las unidades de ingeniería en display. Engr disp point = Punto decimal en display.
Figura 4.20. Pantalla de parámetros para configurar el display desde el software FieldMate.
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
La calibración de los demas instrumentos se realiza con los parámetros contenidos y mostrados en la tabla 4.3. Tabla 4.3. Hoja de calibración de instrumentos.
4.5. Pruebas en seco. Después de que se instalan y se prueban todos los instrumentos y equipos del proceso, se realiza una prueba en seco. Las pruebas en seco son aquellas que se realizan a todo el sistema en su conjunto, es decir, se prueban todos los instrumentos y equipos del proceso arrancando todas las secuencias de operación programadas en el PLC sin ningún producto o material. La finalidad de esta prueba es para corroborar que todos los instrumentos de campo y equipos del proceso trabajen correctamente con el objetivo de que si sucede una eventualidad durante esta prueba, se corrija y de esta manera se tomen las medidas precautorias pertinentes para cuando ya se tenga que hacer una secuencia con agua o con producto evitando así accidentes, desperdicios de producto o agua.
Requerimientos para las pruebas en seco del proceso bacterinas: a) Todos los instrumentos y equipos de campo y del cuarto de control deben estar instalados. b) La documentación de ingería básica y de detalle debe estar totalmente terminada, ya que en base a ella se trabajará durante las pruebas en seco, esta información es vital
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Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
en el caso de que se necesite hacer algún ajuste, modificación o corrección a los instrumentos o equipos del sistema. c) Autorización por parte de la planta para iniciar con las pruebas en seco. d) El personal de mantenimiento, producción, ingeniería, y de seguridad de la planta debe estar presente durante estas pruebas, ya que pueden ser requeridos para cualquier adecuación, corrección o alguna toma de decisión que se tenga que hacer ante cualquier imprevisto o autorización. e) Servicios de energías como, energía eléctrica, vapor y aire de instrumentos. f)
Se debe tener una estrategia para las pruebas en seco o al menos un listado de las pruebas a realizar.
Estrategia a seguir para las pruebas en seco del proceso bacterinas: a) Prueba de la fase de control de temperatura del Cuarto Estufa (FASE PRIMERA de la filosofía de control). b) Prueba de la fase del control de oxigeno en el SPINNER (reactor pequeño) del Cuarto Estufa (FASE SEGUNDA de la filosofía de control). c) Prueba de la fase de control de temperatura en Bio - Reactor (FASE TERCERA de la filosofía de control). d) Prueba de la fase de control de oxigeno en el Bio - Reactor (FASE CUARTA de la filosofía de control).
e) Prueba de la fase de esterilización del Tanque de Inactivación (FASE QUINTA de la filosofía de control). Se arranca desde el sistema SCADA la fase de esterilización del proceso bacterinas. Se verifica dicha secuencia de acuerdo a la filosofía de control y para las variables analógicas se utiliza un simulador para aumentar o disminuir el valor de la variable temperatura y corroborar que el control este trabajando, ejemplo: en esta prueba se debe observar que; cuando la temperatura simulada alcanza el valor de setpoint, cierra la válvula V1-TI mostrada en la figura 3.43 del sistema SCADA, debido a que ha alcanzado la temperatura de esterilización y en ese momento debe iniciar el tiempo de esterilización. 208
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
f) Prueba de la fase del control de temperatura del Tanque Inactivación (FASE SEPTIMA de la filosofía de control)
Nota: Todas las pruebas en seco se realizan en base a la filosofía de control, y por tal motivo en esta estrategia de pruebas no se describe el detalle de las fases. Para mayor información de cada una de las fases, se debe consultar la filosofía de control del proceso bacterinas estudiada en el capitulo 2. Cuando se logran probar todas las fases del proceso con éxito, se procede a realizar pruebas con agua, con la garantía de que la secuencia ya trabaja correctamente.
4.6. Pruebas con agua. Las pruebas con agua son realizadas después de haber concluido las pruebas en seco, estas nos permiten realizar un arranque de todo el proceso y la secuencia de operación programada en el PLC, esta prueba se realiza con agua y la finalidad de hacer esto es para hacer los ajustes necesarios a los diferentes controles de las variables del proceso, además con estas pruebas se pueden detectar fugas en tuberías mecánicas del proceso y en los equipos que intervienen.
Requerimientos para las pruebas con agua: a) Prueba en seco terminada. b) Documentación de ingería básica y de detalle. c) Autorización por parte de la planta, a través del personal de seguridad, para iniciar con las pruebas con agua. d) Personal de mantenimiento, producción, ingeniería y seguridad disponible. e) Servicios de energías: vapor, aire de instrumentos, energía eléctrica y agua de proceso. f) Estrategia para las pruebas con agua.
Estrategia para las pruebas con agua:
209
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
a) Revisar que todos los servicios estén liberados como son: vapor, aire de instrumentos, energía eléctrica y agua. Estas energías se suministran al proceso. b) Desde la estación de operación, a través del sistema SCADA, se alinean válvulas para hacer circular el agua en diferentes direcciones para verificar alguna fuga, y en caso de existir se procede a su corrección. c) Verificar apertura y cierre de válvulas e indicación de los instrumentos de campo. d) Para esta estrategia se toma como referencia la estrategia de pruebas en seco, la única diferencia es que en este caso ya no se hará la simulación de entradas analógicas se tomará la lectura directa del instrumento. e) Probar cada una de las fases en base a la filosofía de control estudiada en el capitulo 2 y realizar los ajustes de control que sean necesarios para el buen funcionamiento de cada equipo. f) Hacer pruebas de operación para alarmas críticas de operación, en este caso es por alta temperatura y por alta presión.
4.7. Pruebas con producto.
Para cuando se realizan las pruebas con producto prácticamente se han resuelto todos los detalles que se encontraron durante las pruebas en seco y con agua, estas pruebas se hacen con el producto que se va a elaborar o trabajar. En este caso solo se realiza un arranque de la secuencia de operación desde la estación de operación y lo único que se debe de hacer son ajustes finos para que los controles de las diferentes variables de proceso trabajen de acuerdo a las condiciones que presenta el producto del proceso bacterinas, es decir, como previamente se hizo una prueba con agua, las condiciones de ésta son diferentes a las condiciones del producto, por lo tanto, puede surgir la necesidad de hacer ajustes a la sintonía del control, elementos primarios de control, elementos finales de control, válvulas, suministros de energías, al programa del PLC o al sistema SCADA.
Requerimientos para las pruebas con producto: g) Prueba con agua terminada. 210
Capítulo 4 Instalación y puesta en marcha de proyecto
h) Documentación de ingería básica y de detalle. i) Autorización por parte de la planta, a través del personal de seguridad, para iniciar con las pruebas con producto. j) Personal de mantenimiento, producción, ingeniería y seguridad disponible. k) Servicios de energías: vapor, aire de instrumentos, energía eléctrica y agua de proceso. l) Estrategia para las pruebas con producto.
Estrategia para las pruebas con producto: a) Revisar que todos los servicios estén disponibles como son: vapor, aire de instrumentos, energía eléctrica y agua. Estas energías se suministran al proceso. b) Desde la estación de operación, a través del sistema SCADA, se inicia la secuencia en base a la filosofía de control. c) Se realizan los ajustes necesarios en caso de requerirse. d) Se realiza la documentación de los ajustes realizados.
211
Conclusiones. La automatización de forma integrada del proceso bacterinas de la planta Boehringer Ingelheim de Guadalajara trae como beneficio tener de manera conjunta toda la información de ingeniería y del proceso con base a las normativas establecidas, de tal forma que se cumple con las certificaciones que la planta requiere y además con la información necesaria para una futura expansión o mantenimiento.
La implementación del sistema de control (PLC) para las distintas variables del proceso es fundamental, lo que trajo como beneficio mantener las condiciones de incubación ideales y adecuadas para la reproducción de las células que portarán el virus que es utilizado para la producción de vacunas.
El operador tiene la facilidad de operar el sistema a través de una pantalla táctil en una estación local instalada en el área.
La estación de control y supervisión remota con permisos a los diferentes niveles trae el beneficio de poder ingresar y monitorear las distintas fases del proceso de forma controlada sin necesidad de entrar al área de proceso, de esta forma el personal directivo tiene acceso a toda esta información y de esta forma puede tomar las decisiones de manera mas acertada e inmediata. Además el sistema SCADA registra las tendencias históricas de las diferentes variables lo que permite llevar un perfecto control del proceso del cultivo de células y cosechas obtenidas.
El sistema SCADA por si mismo es una gran herramienta que se utiliza para actividades de mantenimiento preventivo y correctivo, de esta manera se ahorra tiempo para la detección de fallas y evitar retrasos de producción.
Recomendaciones. Tablero de control: el tablero de control esta cableado y debidamente identificado, sus materiales instalados en su interior pueden dañarse si se introduce polvo o agua, por tal motivo
se debe mantener totalmente cerrado en condiciones de operación. Para el
mantenimiento del tablero de control se recomienda desenergizar por completo.
Estación de operación: La estación de operación es un CPU, al cual se le debe dar su mantenimiento preventivo y una limpieza interna periódica.
Pantalla táctil: La pantalla táctil puede soportar condiciones ambientales como polvo y agua, aunque se recomienda no enviarle un chorro directo de agua.
Instrumentos de campo: Los instrumentos se deben de calibrar o revisar su calibración en forma periódica. Los instrumentos deben estar siempre debidamente cerrados y sellados para evitar que se introduzca agua o polvo en su interior.
Información de ingeniería: La información de ingeniería queda documentada de manera fiel a lo que queda instalado en el proceso bacterinas, dicha información puede consultarse para realizar mantenimiento preventivo o correctivo, además de que puede utilizarse para cuando se realice una expansión.
Programas de aplicación: Los programas de aplicación del proyecto se dejan respaldados en un disco compacto, se recomienda guardar esta información, ya que puede ser requerida para cuando se formatea o se daña la PC de la estación de operación.
Software: El software queda debidamente instalado activado en la estación de operación, además se entrega el disco compacto de la licencia original de todos los programas del proyecto. En caso de formatear la PC se recomienda reinstalar el software y reactivarlo en la página de Internet de cada marca de software entregado.
GLOSARIO DE TERMINOS ¼ in SS. Este tipo de abreviatura se utiliza para indicar el tamaño y tipo de material de algún tipo de tubo. Donde:
¼ es la cuarta parte de la unidad.
in es la unidad de pulgada.
SS Stanless Steel, Acero inoxidable.
Antígeno. Un antígeno ("anti", del griego Δντι- que significa 'opuesto' o 'con propiedades contrarias' y "geno", de la raíz griega γεν, generar, producir [que genera o crea oposición]) o inmunógeno es una sustancia que desencadena la formación de anticuerpos y puede causar una respuesta inmunitaria. La definición moderna abarca todas las sustancias que pueden ser reconocidas por el sistema inmune adaptativo, bien sean propias o ajenas.
DTM: El DTM (Device Type Manager) es el verdadero módulo de configuración de los sensores y componentes de campo. El mismo contiene todos los datos y funciones específicos de un tipo de sensor y suministra todos los elementos gráficos y diálogos para la configuración. Un DTM no es un software con capacidad propia de ejecución, sino que requiere para su empleo de un programa de soporte como p. Ej. PACTware.
ELISA (Enzime Linked Immuno Sorbent Assays). La técnica de ELISA es una técnica inmunoenzimática, cuantitativa con la cual se pueden buscar antígenos virales, en solución, utilizando anticuerpos específicos (ELISA de captura), o buscar anticuerpos generados contra determinado virus (suero problema) con un antígeno conocido. Inocular: Proceso mediante el cual se inyecta, infecta o introduce un virus en un organismo que pueden ser células cultivadas previamente o algún otro organismo en el que dicho virus pueda reproducirse. Interlocks. Enclavamientos o permisivos.
Este tipo de término se utiliza muy a menudo en automatización de procesos. El interlock es utilizado para garantizar una operación adecuada de un proceso y cuando existen condiciones críticas que pueden surgir. Con los interlocks se toman las medidas precautorias para que solo cuando estén inactivos la secuencia de operación trabajará, de lo contrario se detendrá dicha secuencia hasta atender este interlock. Know how: Del inglés (saber-cómo) y una traducción más aproximada sería "Saber hacer". Es una expresión anglosajona utilizada en los proyectos de automatización y otros ámbitos para denominar los conocimientos preexistentes no siempre académicos, que incluyen: técnicas, información secreta, teorías e incluso datos privados (como clientes o proveedores). Un uso muy difundido del término suele utilizarse en los proyectos de automatización, ya que las recetas de fabricación del proceso a automatizar provienen del Know how "saber-hacer".
NPT: National Pipe Taper Thread. Estándar Nacional Americano para roscado de tuberías. Este estándar esta determinado por la norma ANSI B1.20.1, la cual determina un tipo de rosca específico con distancias de paso y profundidad de la rosca que tiene o debe tener una tubería. Este tipo de estándar también es especificado para algunos instrumentos que tienen rosca y que cumplen con esta normatividad. PID: Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de
una válvula de control o la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control. PLC: Se le llama PLC por su acrónimo del idioma ingles que es Programmable Logic Controller que significa Controlador Lógico Programable. PT100. Este tipo de abreviatura viene junto con la de RTD, es decir, RTD PT100, donde:
RTD es Resistance Temperature Detector.
PT es el tipo de material de construcción del RTD, en este caso es el Platino (PT).
100 es el valor de la magnitud de la resistencia cuando el RTD es inmerso en un ambiente a 0 °C.
Rack: Un rack es un bastidor que es utilizado para alojar equipamiento electrónico, como pueden ser tarjetas de PLCs. Sus medidas están normalizadas para que sea compatible con equipamiento de cualquier fabricante. RPM. Revoluciones por minuto (rpm, RPM o r/min) Es una unidad de frecuencia, usada frecuentemente para medir la velocidad angular. En este contexto, una revolución es una vuelta de una rueda, un eje, un disco o cualquier cosa que gire sobre su propio eje.
RTD: RTD – Resistance Temperature Detector. Detectores de temperatura resistivos. Son sensores de temperatura basados en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura, en el que se indica una variación lineal con coeficiente de temperatura positivo. Set Point: Es el punto de ajuste o valor deseado que se le da a un control que puede ser Proporcional, Proporcional Integral, Proporcional integral derivativo, PMW etc, para mantener una variable de proceso controlada. Spinner: Es el nombre que se le da a un Reactor pequeño para incubación y reproducción de células en la Planta Boehringer Ingelheim.
Bibliografía
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Microsoft Office Word e 2007, Versión en Español, Microsoft.
Microsoft Office Excel 2007, Versión en Español, Microsoft.
Microsoft Office Visio 2007, Versión en Español, Microsoft.
Photoshop CS2, Versión en Español, Adobe.
Acrobat 7.0, Versión en Español, Adobe
Autocad 2007, Versión en Español, Autodesk.
IGSSFREE50, Versión en Inglés, IGSS.
FST 4.10, Versión en Inglés, Festo Software.
CoDeSys V3.4, Versión en Inglés, 3S-Smart Software Solutions releases.
FieldMate, Versión en Inglés, Yokogawa Software.
PACTware 3.6, Versión en Ingles, Consortium e.V.
Anexos: Anexo A
ANEXO A NORMA ANSI/ISA-5.1-1984 (R 1992). Todos los procesos que la actividad humana desarrolla, están normados con el fin de lograr idiomas o medios de comunicación que presupone un lenguaje común para las diferentes actividades profesionales. La estandarización ofrece los fundamentos para este lenguaje.
La Sociedad de Instrumentistas de America (Instrument Society of America) de los Estados Unidos crea y actualiza permanentemente, las normas usadas en la instrumentación empleada en todo proceso.
La creación de un manual tiene como objetivo el uniformar los conocimientos en el campo de la instrumentación y no pretende ser un elemento estático, sino en permanente revisión, pues una de las características de una norma es su actualización repetitiva.
Toda estandarización tiene fortalezas y debilidades, su fortaleza es que puedes ser usado en forma interdisciplinaria y su debilidad es la dificultad en ser lo suficientemente específico, para satisfacer la necesidad de una especialidad en particular.
La simbología ha sido consensuada, por grupos interdisciplinarios, para satisfacer una amplia gama de aplicaciones industriales. Los símbolos y su designación permiten: tener herramientas de diseño, enseñar dispositivos, siendo un medio específico de comunicación para técnicos, ingenieros etc.
Esto comunica conceptos, hechos, instrucciones y conocimientos. En el pasado y en el futuro la estandarización debe ser lo suficientemente flexible para describir lo justo.
A.1
Anexos: Anexo A
1 Propósitos. El propósito de esta norma es establecer un medio uniforme de designación los instrumentos y los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. Con este fin, el sistema de designación incluye los símbolos y presenta un código de identificación.}
2 Visión General. 2.1. – Generalidades.
2.1.1 En todo proceso trabajan diferentes usuarios o especialidades. La estandarización debe reconocer esta realidad y además ser consistente con los objetivos del estándar, por lo tanto debe entregar métodos para una simbología alternativa.
Se entregan una serie de ejemplos como información adicional o simplificaciones para una determinada simbología según se desee.
2.1.2 La simbología de los equipos de los procesos, no es el motivo de este apunte, por lo tanto al incluirse se hará, en razón de ilustrar aplicaciones de símbolos, de instrumentación.
2.2. Aplicaciones Industriales. 2.2.1 La estandarización de la instrumentación es importante para diversas industrias como: Industria química. Industria Petrolera. Generación Eléctrica. Aire Acondicionado. Refinadoras de Metales. Y otros procesos industriales.
A.2
Anexos: Anexo A
2.2.2 Existen otros campos con instrumentos muy especializados y diferentes a la industria convencional como: Astronomía. Navegación. Medicina.
Ningún esfuerzo específico se ha hecho para establecer una norma que reúna los requerimientos de estas actividades, sin embargo se espera que la norma sea lo suficientemente flexible como para abarcar áreas muy especializadas.
2.3. Aplicaciones en Procesos.
2.3.1 El estándar es recomendable emplearlo cada vez que se requiera cualquier referencia para un instrumento o para una función de control de un sistema con los propósitos de identificación y simbolización. Esquemas diseño. Ejemplos para enseñanza. Fichas técnicas, literatura y discusiones. Diagramas en sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, diagramas de lazos en procesos. Descripciones funcionales. Diagramas de flujo en: Procesos, Sistemas, Elementos mecánicos, tuberías de procesos e instrumentación. Dibujos de Construcción. Especificaciones, ordenes de compra, manifiestos y otros listados Identificación (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de control. Instrucciones de mantención, Operación, Instalación, Dibujos e informes.
A.3
Anexos: Anexo A
2.3.2 El estándar pretende dar la suficiente información, que habilite a cualquiera para revisar documento de representación, de medición y control de procesos (para quien tenga un conocimiento razonable acerca de procesos). Para que entienda el significado y el control del proceso. No se requiere un conocimiento detallado de un especialista en instrumentación, como requisito para su comprensión.
2.4 Aplicaciones a clases de Instrumentación y para funciones de instrumentos. La simbología y las identificaciones entregadas en este estándar son aplicables a toda clase de mediciones en instrumentación para control de procesos.
Estas se pueden emplear no solo para describir instrumentos discretos y sus funciones si no que también funciones de sistemas análogos, donde aparecen términos como “display compartido”, “control compartido”, “control distribuido”, “control computarizado”.
2.5 Alcances en la Identificación Funcional. La estandarización entrega la clave de funciones, para la identificación y simbología de un instrumento. Los detalles técnicos adicionales para instrumentos se describen mejor en una hoja de especificaciones u otro documento dado para tales efectos.
2.6 Alcances en la Identificación de Lazos (Loop). El estándar cubre la identificación de todo instrumento o las funciones asociadas con los lazos de control. El usuario esta libre de aplicar identificación adicional ya sea por:
Número de serie.
Número de Unidad.
Número de Área.
Número de Planta.
otros medios.
A.4
Anexos: Anexo A
3 Letras de identificación de instrumentos, norma ANSI/ISA-5.1-1984 (R 1992). En la tabla A.1 se muestran las letras que se utilizan para formar el código de identificación que representa simbólicamente de forma abreviada a los instrumentos de campo y equipo de control en el diagrama de tuberías e instrumentación. Tabla A .1. Letras de identificación.
A.5
Anexos: Anexo A
Notas de la tabla 2.3. (1) Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el módulo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio. (2) La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilicen sólo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado figure en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo: XR-3 registrador de vibración. (3) Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de identificación D (diferencial), F (relación) o Q (integración) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura respectivamente. (4) La letra A para análisis, abarca todos los análisis, no indicados en la tabla 2.3, que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis a lado del símbolo en el diagrama de proceso. (5) El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primeras letras, es opcional. (6) El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional. (7) El término seguridad, debe aplicarse sólo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema, mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV.
A.6
Anexos: Anexo A
La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta si las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio, o válvula de seguridad de alivio. (8) La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporcionan una visión directa no calibrada del proceso. (9) La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso. No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de esta. (10) Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L. Por ejemplo, una luz piloto que indica un período de tiempo terminado se designara KL. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única L. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL, suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del arrancador del motor, o bien simplemente L. La actuación de la luz piloto puede ser puede ser acompañada por una señal audible. (11) El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras, es opcional. (12) Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así. (13) Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a los valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de
A.7
Anexos: Anexo A
acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo. (14) Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre-apertura, se definen como sigue: Alto: indica que la válvula está, o se aproxima a la posición de apertura completa. Bajo: denota que se acerca o está en la posición completamente cerrada. Para identificar cada instrumento se realiza con el sistema de letras de la tabla 2.3 que lo clasifica funcionalmente. TRC
Primera Letra
2A
Letras sucesivas
Identificación Funcional
Número del Lazo
Sufijo no se usa normal mente
Identificación del Lazo
T= Temperatura (Primera letra, variable medida de la tabla 2.3). R= Registro (Letras sucesivas, función de lectura pasiva de la tabla 2.3). C= Control (Letras sucesivas, función de salida de la tabla 2.3). Esta identificación se interpreta como controlador registrador de temperatura TRC. 2= Este es un numero que se le da al lazo de control de acuerdo a un criterio de simbología analizado previamente. A= Es una letra de sufijo que se le asigna a un lazo, esta letra se asigna cuando existen dos lazos que pueden llevar el mismo nombre y se diferencian con esta letra al final. El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediéndose de cuatro. Para ello conviene: A.8
Anexos: Anexo A
a) Cuando tenemos un controlador – registrador – indicador de temperatura con dos alarmas de alta temperatura puede identificarse con dos nombres uno como TIRC-3, y el otro TAH-3 (el 3 es el numero de lazo). Con esto evitamos tener una identificación de más de 4 letras. b) En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicación), por ejemplo TIRC-3 puede quedar LRC-3 c) Los lazos de instrumentos o secciones de un proyecto deben identificarse con una secuencia única de números de acuerdo a un criterio de simbología. Ésta puede empezar con el número 1 o cualquier otro número conveniente, tal como 301 o 1201 que puede incorporar información codificada tal como área de planta o numero del equipo de donde este instalado el instrumento. d) Si un Lazo dado tiene mas de un instrumento con la misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE25-2, TE-25-3, etc. Estos sufijos pueden añadirse obedeciendo a las siguientes reglas: 1.
Deben emplearse letras mayúsculas, A, B, C, etc.
2.
En un instrumento tal como un registrador de temperatura multipunto que imprime números para identificación de los puntos, los elementos primarios pueden numerarse TE-25-1 TE-25-2, TE-25-3, etc.
3.
Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse por sufijos formados por letras y números.
e) Un instrumento que realiza dos o mas funciones puede designarse por todas sus funciones. Por ejemplo, un registrador de caudal FR-2 con pluma de presión PR-4 se designa preferentemente FR-2/PR-4 o bien UR-7; un registrador de presión de dos plumas como PR-7/8; y una ventanilla de alarma para temperatura alta y baja como TAH/L-9. f) Los accesorios para instrumentos tales como rotámetros de purga, filtros manorreductores y potes de sello que no están representados explícitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una identificación para otros usos deben A.9
Anexos: Anexo A
tenerla de acuerdo con su función y deben emplear el mismo número del lazo que el instrumento asociado. Alternativamente, los accesorios pueden emplear el mismo número de identificación que el de sus instrumentos asociados, pero con palabras aclaratorias si ello es necesario.
Por consiguiente una brida para una placa-orificio FE-7 debe designarse como FX-7 o bien como FE-7 brida. Un rotámetro regulador de purga asociado con un manómetro PI-8 debe identificarse como FIVC-8, pero puede también marcarse PI8 purga. Una sonda empleada con un termómetro TI-9 será TW-9, o bien TI-9 sonda. 4 Símbolos de líneas de señales y alimentación. En un diagrama de tuberías e instrumentación, en un lazo de control o en cualquier otro dibujo de representación de instrumentos, se dibujan líneas que representan el tipo de señal que viaja en ellas, esta señal puede ser eléctrica, neumática, electromagnética etc. A continuación se ilustran las líneas que se sugieren para representarlas en un plano (DTI) o dibujo de ingeniería (lazo de control). 1. Conexión a proceso o alimentación a instrumentos Para esta línea de conexión a proceso se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (suministro) a instrumentos. AS Aire de instrumentos. ES Alimentación Eléctrica. GS Alimentación de gas. HS Alimentación Hidráulica. NS Alimentación de Nitrógeno. A.10
Anexos: Anexo A
SS Alimentación de vapor. WS Alimentación de agua. La magnitud y unidades de la alimentación se pueden agregar a la línea de suministro. Ejemplo: El suministro de aire de instrumentos de 100 psi se representa AS-100.
2. Señal neumática. Este símbolo de señal neumática se aplica también para cualquier señal que emplee gas como medio de transmisión. 3. Señal eléctrica.
4. Señal Hidráulica.
5. Tubo capilar.
6. Señal electromagnética o Sónica (guiada).
Esta señal puede ser luz, calor, ondas de radio y radiación nuclear.
7. Señal electromagnética o Sónica (no guiada).
Esta señal puede ser luz, calor, ondas de radio y radiación nuclear.
A.11
Anexos: Anexo A
8. Liga interna (por software o liga de datos.
5
Símbolos de instrumentos.
Existen símbolos que representan a un instrumento dentro de un lazo en cualquiera de los planos y diagramas de ingeniería los cuales son: a) Símbolos generales de instrumentos.
Instrumento local en campo el diámetro recomendado es de 11.5 mm
Instrumento montado en panel
Instrumento montado detrás de panel
Pantalla montada en campo
Pantalla montada en panel
6
Símbolos de cuerpos de válvulas de control.
Tabla A .2. Cuerpos de válvulas.
Válvula.
Válvula de globo Válvula de ángulo
A.12
Anexos: Anexo A
Continuación de Tabla A .2.
Válvula mariposa
Válvula rotatoria Válvula de tres vías
Válvula de diafragma
7
Símbolo de actuadores de válvulas.
Tabla A .3. Actuadores de válvulas.
Diafragma con muelle sin posicionador.
Diafragma con muelle preferido para diafragma con piloto
(Preferido) Diafragma con muelle, posicionador y válvula piloto que presuriza el diafragma al actuar
(Opcional)
Cilindro sin posicionador u otro piloto.
(Preferido)
Simple acción.
Motor rotativo
Diafragma con muelle, posicionador y válvula piloto que presuriza el diafragma al actuar
A.13
Anexos: Anexo A
Continuación de Tabla A .3.
Solenoide Cilindro sin posicionador u otro piloto.
Preferido para cualquier cilindro
Doble acción.
Para válvula de alivio o de seguridad
Operador manual.
A.14
Anexos: Anexo B
ANEXO B Elaboración de un DTI. Requerimientos para realizar un Diagrama de tuberías e instrumentación:
1. Alcance. En éste anexo se describen los requisitos para el contenido y formato que debe tener un Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI), cabe mencionar que en estos requerimientos no esta considerado el tiempo de vida de la instalación tanto del diseño de construcción, operación y mantenimiento. En este anexo esta considerada la generación de un nuevo DTI mas no la revisión de un DTI existente.
Estos requerimientos provistos en este anexo pueden ser aplicados a cualquier sistema CAD utilizado por desarrolladores de DTIs y no por proveedores de software o servicios específicos, es decir, tiene la versatilidad de poder realizar diseños propios, debido a si flexibilidad.
Requerimientos:
La mayoría de los detalles disponibles de otros tipos de documentación (por ejemplo,
los diagramas de lazos de instrumentos y hojas de datos de los equipos) no debe ser incluidos en el DTI.
Se recomienda simplificar y solo utilizar los conceptos y detalles típicos de los
componentes implicados y es conveniente agregar los datos más importantes de cada elemento.
Es importante que la información generada en el DTI sea compatible con las
herramientas que se utilizarán en el proyecto, como algunos softwares, por tal motivo es importante que el diseñador sea el responsable de adecuar el DTI a estas compatibilidades.
B.1
Anexos: Anexo B
2. Formato. a) Presentación (Layout): La presentación del DTI debe tener un óptimo diseño y orientación de los elementos involucrados, permitiendo tener un acomodo ideal, esto es para evitar limitaciones de espacio. A continuación se mencionan las características mas importantes que debe tener el formato de un DTI para una buena presentación:
Orientación de tubería: 1) La parte superior de una línea colocada en forma horizontal y la parte izquierda de una línea colocada en forma vertical debe ser la parte superior de una tubería. 2) La parte inferior de una línea colocada en forma horizontal y la parte derecha de una línea colocada en forma vertical debe ser el fondo de la tubería. 3) Se utiliza una nota para determinar la orientación de la tubería según las necesidades.
El tamaño del dibujo debe ser de 22 pulgadas x 34 pulgadas.
Cada DTI debe estar debidamente ordenado y disponible para futuras modificaciones. Se pueden agregar como máximo 3 equipos de gran tamaño, como puede ser un reactor, columna de destilación o tanque. Las bombas que estén consideradas para aun mismo servicio, se deben mostrar en el DTI.
Orientación del flujo: 1) El sentido del flujo de las principales líneas del proceso se debe de representar con flechas de izquierda a derecha en cada DTI. 2) El sentido del flujo de los diferentes servicios como: suministros agua de enfriamiento, vapor, retorno de agua de enfriamiento etc, debe ser indicado tal y como será realmente en el proceso, mediante flechas.
Las principales líneas del proceso deben ser de mayor grosor que las líneas secundarías.
Conector de símbolos:
B.2
Anexos: Anexo B
1) Los conectores para las líneas primaria, secundaria y de instrumentos debe ser descrito con una abreviatura de acuerdo al tipo de servicio, fluido, y dirección de proceso, esto normalmente se debe realizar de izquierda a derecha.
Información de equipo: 1) Los números de equipo debe utilizar tamaños de texto de 0.16 pulgadas de alto por 0.03 pulgadas de ancho. 2) El número de equipo no se deben subrayar. 3) Para los títulos de los equipos se utiliza una altura de texto de 0.1 pulgadas de alto por 0.02 pulgadas de ancho. 4) El texto del equipo debe estar justificado en la parte superior central del mismo. 5) Los números, títulos y datos para los equipos fijos o estáticos (intercambiadores, recipientes, tanques, torres, filtros, etc.) se escribirá en un límite de 2 pulgadas en la parte superior interna y encima del equipo en el mismo plano horizontal, y quedará como la identificación del equipo. 6) Los números, títulos y datos para los equipos de rotación (bombas, compresores, bombas de vacío, y agitadores) se escribirá en un límite de 2 pulgadas en la parte inferior del equipo en el mismo plano horizontal, y quedará como la identificación del equipo.
Número de Línea: 1) Los números de línea debe de identificarse de acuerdo al tipo de material de la tubería, tamaño de la tubería y fluido. 2) El tamaño del texto del número de línea debe ser de 0.1 pulgadas de alto por 0.02 pulgadas de ancho. 3) El número de la línea se debe situar a 0.06 pulgadas de la línea y se alinea verticalmente a 0.025 pulgadas del conector. 4) La numeración de la línea debe esta orientado igual que la dirección de la línea.
Arreglo del texto: 1) El texto horizontal se debe indicar si es posible. 2) El texto vertical se coloca a la izquierda de la gráfica de apoyo. B.3
Anexos: Anexo B
3) El texto vertical se lee de abajo hacia arriba.
Símbolos de quipos: 1) La simbología del equipo debe ser de acuerdo al de la figura B.1.
Figura B.1. Simbología de equipo.
2) El equipo se debe mostrar con una representación simple. 3) Los símbolos se realizan lo suficientemente grandes para su clara apreciación. 4) Los equipos no se deben hacer a escala. 5) Los equipos se debe mostrar en relación a los equipos asociados, tanto en tamaño y la orientación general.
B.4
Anexos: Anexo B
Boquillas: 1) Las boquillas, incluyendo repuestos, se consignarán en el equipo como líneas simples. 2) Las boquillas se deben mostrar como líneas dobles. 3) Las boquillas pueden ser etiquetadas si es posible. 4) El tamaño de la boquilla también puede ser escrito si es posible.
Identificación de instrumentos:
Los instrumentos se identifican de acuerdo a la norma ANSI/ISA-5.1-1984 (R 1992) descrita en el anexo A.
B.5
Anexos: Anexo C
ANEXO C Norma ISA-S20-1981, Hojas de Especificaciones. 1. OBJETIVO El propósito de la norma ISA-S20-1981 es promover la uniformidad de las especificaciones de instrumentos, tanto en contenido y formulario. Debido a la complejidad de los actuales instrumentos de medición y control es conveniente disponer de algunos formatos de especificaciones con el listado de los detalles de interés por el usuario.
El uso de estos formatos por usurarios o fabricantes tiene muchas ventajas como las siguientes: 1) Promueve una tecnología uniforme 2) Facilita la compra, recepción, contabilidad y procedimientos de solicitud mediante una información estandarizada. 3) Proporciona un registro de gran utilidad y los medios para verificar la instalación. 4) Mejora la eficiencia del concepto inicial a la instalación final.
2. CARACTERISTICAS Y ALCANCE. a. La finalidad de estos formatos es ayudar al instrumentista a presentar la información básica de forma estandarizada. En este sentido son especificaciones de formato corto o formato de comprobación y no es necesario que incluya todos los datos de ingeniería o definiciones de requerimientos de aplicación.
Si bien los tipos de instrumentos
descritos en estas formas es mas común que se apliquen en la industria de proceso, también podrían ser útiles en otras áreas cuando así sea requerido. b. Algunas formas consisten en una hoja primaria y una secundaria (hoja de tabulación). La hoja primaria puede ser usada para especificar un solo instrumento o especificar características generales para una serie de instrumentos similares, los cuales son tabulados sobre una hoja secundaria. C.1
Anexos: Anexo C
c. El título usado sobre todas las formas es diseñado para permitir al usuario añadir el nombre de la compañía, la ubicación en planta, la marca de fábrica, o datos específicos de proyecto. d. Las Hojas de Especificaciones incluidas en este estándar son utilizadas para las especificaciones técnicas de los instrumentos más comunes. La lista no es un catálogo completo de instrumentos y válvulas de control disponibles. Se pretenden agregar nuevos formatos con cada revisión general de este estándar.
C.2
Anexos: Anexo D
ANEXO D NEMA. Los equipos diseñados para trabajo en ambientes hostiles deben cumplir con ciertos estándares que aseguren su robustez. Para saber si un equipo, tal como un transmisor de presión, un indicador, un controlador o un monitor son los adecuados para una aplicación que funcionará bajo condiciones extremas, es necesario revisar sus especificaciones mecánicas, donde generalmente encontraremos grados como NEMA entre otros.
Es común que dentro de las especificaciones de un instrumento tenga grados de protección como NEMA 4X, lo que quiere decir que es un instrumento muy robusto, pero ¿son realmente apropiados para la aplicación que tiene en mente? A continuación se explican brevemente los fundamentos de éstos estándares.
NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Este es un conjunto de estándares creado, como su nombre lo indica, por la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (E.U.). Los estándares más comúnmente encontrados en las especificaciones de los equipos son los siguientes:
NEMA 4. Sellado contra el agua y polvo. Los gabinetes o carcasas tipo 4 están diseñados especialmente para su uso en interiores y exteriores, protegiendo el equipo contra salpicaduras de agua, filtraciones de agua, agua que caiga sobre ellos y condensación externa severa. Son resistentes al granizo pero no a prueba de granizo (hielo). Deben tener ejes para conductos para conexión sellada contra agua a la entrada de los conductos y medios de montaje externos a la cavidad para el equipo.
NEMA 4X. Sellado contra agua y resistente a la corrosión. Los gabinetes o carcasas tipo 4X tienen las mismas características que los tipo 4, además de ser resistentes a la corrosión.
D.1
Anexos: Anexo D
NEMA 12. Uso industrial. Un gabinete diseñado para usarse en industrias en las que se desea excluir materiales tales como polvo, pelusa, fibras y filtraciones de aceite o líquido enfriador. La tabla D.1 muestra a grandes rasgos los tipos de NEMA. Tabla D.1 Tipos de NEMA.
Tipo 1
Para propósitos generales
Tipo 2
A prueba de goteos
Tipo 3
Resistente al clima
Tipo 3R
Sellado contra la lluvia
Tipo 3S
Sellado contra lluvia, granizo y polvo
Tipo 5
Sellado contra polvo
Tipo 6
Sumergible
Tipo 6P
Contra entrada de agua durante sumersiones prolongadas a una profundidad limitada
Tipo 7 (A,B,C,o D)*
Locales peligrosos, Clase I - Equipo cuyas interrupciones ocurren en el aire.
Tipo 8 (A,B,C,o D)*
Locales peligrosos, Clase I - Aparatos sumergidos en aceite.
Tipo 9 (E,F oG)*
Locales peligrosos, Clase II
Tipo 10
U.S. Bureau of Mines - a prueba de explosiones (para minas de carbón con gases)
Tipo 11
U.S. Bureau of Mines - a prueba de explosiones (para minas de carbón con gases)
Tipo 13
A prueba de polvo
*Las letras que siguen al número indican el grupo o grupos particulares de locales peligrosos según se definen en el National Electrical Code para el que se diseñó el gabinete en cuestión. La designación de este tipo de NEMA está incompleta sin una o varias letras de sufijo. D.2
Anexos: Anexo E
ANEXO E Norma EIA/TIA 568 ANSI/TIA/EIA-568 (Alambrado de Telecomunicaciones para Edificios Comerciales) Este estándar define un sistema genérico de alambrado de telecomunicaciones para edificios comerciales que puedan soportar un ambiente de productos y proveedores múltiples. El propósito de este estándar es permitir el diseño e instalación del cableado de telecomunicaciones contando con poca información acerca de los productos de telecomunicaciones que posteriormente se instalarán. La instalación de los sistemas de cableado durante el proceso de instalación y/o remodelación son significativamente más baratos e implican menos interrupciones que después de ocupado el edificio. El propósito de esta norma es permitir la planeación e instalación de cableado de edificios comerciales con muy poco conocimiento de los productos de telecomunicaciones que serán instalados con posterioridad. La instalación de sistemas de cableado durante la construcción o renovación de edificios es significativamente menos costosa y desorganizadora que cuando el edificio está ocupado. Alcance. Se pretende que el cableado de telecomunicaciones especificado soporte varios tipos de edificios y aplicaciones de usuario. Se asume que los edificios tienen las siguientes características: • Una distancia entre ellos de hasta 3 km. 2
• Un espacio de oficinas de hasta 1,000,000 m
• Una población de hasta 50,000 usuarios individuales Las aplicaciones que emplean los sistemas de cableado de telecomunicaciones incluyen, pero no están limitadas a: • Voz , Datos, Texto, Video, Imágenes E.1
Anexos: Anexo E
La vida útil de los sistemas de cableado de telecomunicaciones especificados por esta norma debe ser mayor de 10 años. Las normas EIA/TIA es una de las mejores Normas por sus Antecedentes que son: Voz, Datos, Video, Control y CCTV.
Estándares TIA/EIA
a) TIA/EIA-568-A: Este antiguo Estándar para Cableado de Telecomunicaciones en Edificios Comerciales especificaba los requisitos mínimos de cableado para telecomunicaciones, la topología recomendada y los límites de distancia, las especificaciones sobre el rendimiento de los aparatos de conexión y medios, y los conectores y asignaciones de pin. b) TIA/EIA-568-B: El actual Estándar de Cableado especifica los requisitos sobre componentes y transmisión para los medios de telecomunicaciones. El estándar TIA/EIA-568-B se divide en tres secciones diferentes: 568-B.1, 568-B.2 y 568-B.3. TIA/EIA-568-B.1
especifica
un
sistema
genérico
de
cableado
para
telecomunicaciones para edificios comerciales que admite un entorno de múltiples proveedores y productos.
TIA/EIA-568-B.1.1 es una enmienda que se aplica al radio de curvatura del cable de conexión UTP de 4 pares y par trenzado apantallado (ScTP) de 4 pares.
TIA/EIA-568-B.2 especifica los componentes de cableado, transmisión, modelos de sistemas y los procedimientos de medición necesarios para la verificación del cableado de par trenzado.
TIA/EIA-568-B.2.1 es una enmienda que especifica los requisitos para el cableado de Categoría 6.
TIA/EIA-568-B.3 especifica los componentes y requisitos de transmisión para un sistema de cableado de fibra óptica.
E.2
