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AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS AUTOMATIZACIÓN DE LA TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS AUTOCONTENIDO EN UN PATÍN ESTRUCTURAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PRESENTAN: CRUZ GONZÁLEZ CARLOS SÁNCHEZ OLIVARES HUGO CRISTIAN ASESORES: ING. ZOSIMO ISMAEL BAUTISTA BAUTISTA M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ MÉXICO DISTRITO FEDERAL 2015 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 2 Agradecimientos de Carlos: En el presente trabajo agradezco a mis padres y hermanos por su apoyo moral y económico para poder continuar con mis estudios para estar mejor preparado para afrontar la vida y sus circunstancias. Así mismo agradezco al Instituto Politécnico Nacional y en especial a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de Zacatenco que a través de mis formadores tales como profesores y asesores estuvieron siempre para apoyarme desde el inicio de mis estudios y hasta el fin, aportando conocimientos sobre las materias que imparten y sus experiencias en el campo de la ingeniería que me brindaron un panorama amplio para poder hacer frente y resolver las situaciones de la mejor manera posible dentro de mi profesión. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 3 Agradecimientos de Hugo: Principalmente agradezco a Dios por proveerme los medios, las capacidades y oportunidades que hasta el día de hoy han sido abundantes en mi vida. A mis abuelos, tíos y familia. Por el apoyo que me brindaron para alcanzar cada una de mis metas, especialmente la culminación de mi carrera profesional, que básicamente ha sido la base para ir cumpliendo mis sueños -aun aquellos que parecían imposibles-. A mi madre “Leticia Olivares”. Porque definitivamente sin ella no habría logrado conseguir ninguno de estos logros. Por su entrega, por sus sacrificios, por despertarme cada mañana y animarme a dar un último esfuerzo cada día, y sobre todo, por su gran esfuerzo por hacer de mí un hombre por el cual sentirse orgullosa. A mi tío “El Pollo” por todos los patrocinios. Sé que donde sea que estés, disfrutas y te sentirías orgulloso de mí. A mi tío “Raúl Olivares”. Por ser mi mayor ejemplo a seguir. A mi hermano “Giohan”. Por todo el amor de siempre y porque en cada misión me haces recordar que tengo que dar lo mejor de mí para ser tu mayor ejemplo. A la familia “Guerrero León”. Por su apoyo siempre incondicional, siempre en buenas y malas, y siempre con la mejor actitud. A mi esposa “Tere León”. Por apoyarme día con día, por escucharme cuando es necesario, por ser mi principal soporte, pero especialmente por todo el amor y paciencia que han hecho que caminemos juntos todo este tiempo. A mi hija “Nicole”. Simplemente por ser mi más grande razón de ser. A mis mejores amigos: Enrique Granados, Carlos Cruz, Jean Paul Rivera, Irving González, Oscar Marin. Por todos aquellos momentos, experiencias, palabras, consejos y experiencias juntos, siempre es un honor. Al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL, sus profesores y asesores. Por todas sus enseñanzas y porque día con día a cualquier lugar que voy, no dejo de sentir “EL ORGULLO DE SER POLITÉCNICO.” AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 4 OBJETIVOS Objetivo General Implementar la automatización para el Tanque acumulador de condensados o Trampa Neumática “FA-001” auto contenido en un patín estructural en una empresa de extracción de petróleo crudo. Objetivos Específicos. Implementar la automatización del Sistema De Monitoreo y Control (SDMC) con base en la medición de las señales de control del proceso de Automatización de la Trampa Neumática FA-001 utilizando un Controlador Lógico Programable –PLC- por sus siglas en inglés (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER). Supervisar los elementos de control de las variables del proceso (flujo, nivel, temperatura y presión), utilizando un Panel View como Interfaz Humano-Máquina –HMI- por sus siglas en inglés (HUMAN-MACHINE INTERFACE). JUSTIFICACIÓN Un poco de historia de México como país petrolero. La expropiación petrolera en 1938, fue un parte aguas en la historia mexicana, pues durante las tres décadas posteriores a ésta, México tuvo una producción de hidrocarburos relativamente modesta, con el propósito de sustentar el consumo interno del país. Durante 1938 se produjeron en promedio 106 mil barriles diarios, diez años más tarde 163 mil barriles por día y durante la década de los sesenta, la producción alcanzó 332 mil barriles diarios, en promedio. Conforme el país crecía, se aceleraba su proceso de urbanización, y la demanda por petróleo creció más rápido que la oferta, por lo que el país se vio en la necesidad de convertirse en un importador neto de petróleo a inicio de los setenta. En 1972, un pescador llamado Rudesindo Cantarell, observó una mancha de aceite que brotaba de las profundidades del mar en el Golfo de México, aproximadamente a 70 kilómetros de la costa, en la zona conocida como Sonda de Campeche. Poco tiempo después, estudios de exploración determinaron la localización de un campo petrolero gigante. En honor al pescador que dio los primeros indicios de su existencia, este campo lleva el nombre de Cantarell. A partir de la explotación de este yacimiento, México se ubicó realmente como productor y exportador de petróleo, lo que lo colocó por primera vez en el panorama mundial como uno de los países relevantes del mundo petrolero. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 5 Los primeros barriles de petróleo de Cantarell se produjeron en junio de 1979, con un promedio de 4 mil 289 barriles diarios. Para diciembre, la producción alcanzaba los 240 mil barriles diarios. El efecto Cantarell influyó rápidamente en la economía del país. De producir 749 mil barriles diarios durante los setenta, el promedio de producción diaria del país creció hasta alcanzar 2.5 millones de barriles en la década de los ochenta, 2.8 millones en los noventa y 3.1 millones en el periodo 2000-2010. Cantarell representó 36.8% de la producción total de petróleo de los ochenta, 40.8% de los noventa y el 50.4% en el periodo 2000-2010. En diciembre de 2003, Cantarell alcanzó su pico de producción al promediar 2.21 millones de barriles diarios, mes en que la producción nacional alcanzó su nivel más alto de la historia: 3.44 millones de barriles diarios. En 2004, el país alcanzó su cifra récord de producción con un promedio de 3 millones 383 mil barriles diarios, al tiempo que su dependencia de Cantarell alcanzaba también niveles históricos (63.2% de la producción global). Sumados los barriles de petróleo producidos desde 1979, año en que Cantarell inició su producción, a la fecha, se alcanzan 32 mil millones de barriles de petróleo producidos. La contribución de Cantarell, de 1979 a la fecha, fue de 13 mil 711 millones de barriles de petróleo. Futuro. Se estima que la producción de Cantarell al cierre de la administración de Felipe Calderón Hinojosa, fue de alrededor de 416 mil barriles por día, nivel en el que se estima tenderá a estabilizarse para los subsecuentes años. Ello implica una reducción adicional de sólo aproximadamente 35 mil barriles de sus niveles actuales, y es consecuencia de los esfuerzos ya mencionados para administrar la declinación del campo. Cantarell fue y seguirá uno de los principales productores del país. Dado que la producción del petróleo ha sido más exigente con el paso del tiempo, las productoras de petróleo se han apoyado en los avances tecnológicos que han surgido con el paso del tiempo, entre ellas, las tecnologíasen el ámbito del Control y Automatización, Tecnologías de la Información, Telecomunicaciones entre otras. Estas nuevas tecnologías han permitido el desarrollo de ingeniería básica y de detalle, lo que deriva finalmente en la implementación de proyectos que facilitan la extracción, producción, refinación y otros usos que se le da al petróleo en México [1]. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 6 Presente. Con la promulgación de la Constitución de 1917, se estableció en su artículo 27 el dominio de la Nación sobre todos los minerales, entre ellos, el petróleo y todos los carburos de hidrógeno sólidos, líquidos o gaseosos, además daba al Ejecutivo Federal la posibilidad de que los particulares extrajeran para su aprovechamiento el petróleo y demás hidrocarburos, bajo la figura de la concesión. En diciembre de 1938, el Presidente Lázaro Cárdenas del Río impulsó la primer reforma energética, la cual mantenía la propiedad exclusiva del Estado sobre los recursos en el subsuelo, suprimía las concesiones sobre el petróleo y los carburos de hidrógeno ya que la concesión confería a particulares los derechos para explotar y aprovechar bienes del dominio nacional y consideraba como derecho exclusivo del Estado el explotar los hidrocarburos mediante las formas estipuladas en una ley secundaria. La iniciativa fue aprobada y publicada en el Diario Oficial de la Federación en noviembre de 1940. En el mismo periodo, también fue publicada la ley reglamentaria del artículo 27 constitucional que creó instrumentos para celebrar contratos con los particulares a fin de que éstos lleven a cabo por cuenta del Gobierno Federal, los trabajos de exploración y explotación de hidrocarburos sin poner el riesgo los derechos del Estados sobre éstos; también estableció el régimen de concesiones para la construcción de refinerías y oleoductos y para la distribución de gas. En 1958 se expidió una nueva Ley Reglamentaria del artículo 27 Constitucional que eliminó la posibilidad de celebrar contratos con particulares en la explotación y reservó todas las actividades de la industria petrolera a Petróleos Mexicanos. Dos años más tarde, en enero de 1960, una reforma constitucional incorpora dicha prohibición de contratos al artículo 27 de la Carta Magna. En febrero de 1983 se reformaron los artículos 25, 26, 27 y 28 de la Constitución para establecer que no constituyen monopolios las funciones exclusivas que el Estado ejerza en áreas estratégicas de petróleo y demás hidrocarburos, así como petroquímica básica. El 25 de abril de 2012, el entonces candidato a Presidente de México de la coalición Compromiso por México, Enrique Peña Nieto, hizo el compromiso de concretar una reforma energética para disminuir las tarifas eléctricas en beneficio de la población y la industria,4 reafirmado en su primer mensaje a la nación el 1 de diciembre de 2012. La reforma energética de 2013 en México es una reforma constitucional cuya iniciativa fue presentada por el Presidente de la República, Enrique Peña Nieto el 12 de agosto de 2013. Fue aprobada por el Senado de la República el 11 de diciembre de 2013 y por la Cámara de Diputados un día después. El 18 de diciembre de 2013, la reforma fue declarada constitucional por el Poder Legislativo Federal; fue promulgada por el Ejecutivo el 20 de diciembre de 2013 y publicada al día siguiente en el Diario Oficial de la población. La iniciativa que el Ejecutivo AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 7 Federal somete a la consideración del Congreso de la Unión propone que el Artículo 27 de la Constitución vuelva a decir lo que el Presidente Lázaro Cárdenas dejó escrito, palabra por palabra, para desarrollar la industria petrolera bajo la rectoría del Estado. Asimismo, se promueve el desarrollo de un sistema eléctrico nacional basado en principios técnicos y económicos, bajo la conducción y regulación del Estado. Los objetivos de esta Reforma Energética son los siguientes: (i) Mejorar la economía de las familias: Bajarán los costos de los recibos de la luz y el gas. Al tener gas más barato se podrán producir fertilizantes de mejor precio, lo que resultará en alimentos más baratos. (ii) Aumentar la inversión y los empleos: Se crearán nuevos trabajos en los próximos años. Con las nuevas empresas y menores tarifas habrá cerca de medio millón de empleos más en este sexenio y 2 y medio millones más para 2025, en todo el país. (iii) Reforzar a Pemex y a CFE: Se le dará mayor libertad a cada empresa en sus decisiones para que se modernicen y den mejores resultados. Pemex y CFE seguirán siendo empresas 100% de los mexicanos y 100% públicas. (iv) Reforzar la rectoría del Estado como propietario del petróleo y gas, y como regulador de la industria petrolera. [1] Petróleo y demás hidrocarburos. Se elimina del artículo 27 constitucional la restricción incorporada en 1960, que impide la utilización de contratos para la extracción de hidrocarburos del subsuelo. La modificación no altera la propiedad de la Nación sobre los hidrocarburos y mantiene la prohibición de otorgar concesiones que confieran derechos sobre recursos naturales a particulares. Estos contratos, determinados en su forma por la ley reglamentaria correspondiente permiten la participación de los sectores social y privado en la exploración y extracción de hidrocarburos a cambio de pagos en función de los recursos obtenidos. De igual forma, se suprime del artículo 28 de la Constitución a la petroquímica básica como área estratégica que no constituye monopolio, con esto se permite que los particulares participen directamente bajo esquemas regulados en la cadena de valor después de la extracción, incluyendo el transporte, tanto de petróleo crudo, gas natural y sus líquidos, como de petroquímicos y refinados, a través de permisos que se otorguen en los términos que establezca la legislación secundaria. Adicionalmente, se reestructura Pemex y sus subsidiarias en dos divisiones: Exploración y Producción, y Transformación Industrial; se cambian las condiciones de transparencia y rendición de cuentas en Pemex y se establece una política nacional de fomento a las compras de proveedores nacionales del sector hidrocarburos. [1] En este trabajo, se presenta un proyecto que se implementa en una empresa de extracción de petróleo crudo y que se trata de un subsistema el cual en conjunto con otros subsistemas (que no están considerados dentro del alcance de este proyecto) componen un patín de medición como tal. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 8 La Trampa Neumática Existente FA-001 se encuentra instalada en la Estación de Compresión de una empresa de extracción de petróleo crudo, en la que actualmente se acumulan los condensados de baja presión de los Compresores mediante el cabezal de 4”. Actualmente en la Trampa FA-001 se desalojan los condensados de manera manual, lo que provoca principalmente errores de los operadores, desgaste innecesario de sus componentes, así como una disminución significativa de vida útil de éstos y un excesivo aumento en la frecuencia de mantenimientos correctivos, además de previa capacitación de los operadores, lo que ocasiona aumento de tiempos muertos, situaciones que a nivel administrativo no son aceptables. Por tal motivo se plantea la solución de este problema automatizando la operación del proceso mediante el uso de un PLC. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Para desalojar los condesados de la Trampa FA-001, actualmente se inyecta Gas combustible de proceso al interior de la Trampa de manera manual hasta alcanzar una presión de 7 kg/cm² (de acuerdo a lo indicado en la filosofía de operación actual de la Trampa Neumática), para “barrer” los condensados hacia el separador numero 9 de la Plataforma de Estabilizado. El hecho de realizar estos procedimientos manualmente, genera fallas en la operación por parte de los operadores ya queestas labores se vuelven monótonas. Por tal motivo se requiere implementar el control automático que se encargue de llevar a cabo dichas labores monótonas evitando así, los errores humanos. El control será por alto y bajo nivel y el operador tendrá la opción de enviar los condensados amargos al Separador TL-13 o al Tanque No. 9 de la Plataforma de Estabilizado. La medición se llevará a cabo mediante un Transmisor de nivel LIT-001, el cual enviará las señales al PLC para abrir y cerrar (alinear) las diferentes válvulas que se tienen para desalojar los condensados mediante gas combustible; así se elevará la presión interna de la Trampa Neumática o Tanque Acumulador FA-001 para enviar los condensados hacia donde el operador decida, ya sea al Separador existente TL-13 o al Tanque de estabilizado No. 9. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 9 CONTENIDO DE LA TESIS El presente trabajo se divide en 5 capítulos, los cuales contienen la información detallada para llevar a cabo dicho proyecto. A continuación se describen cada uno de ellos. Capítulo 1 Marco Teórico. Define conceptos básicos de la automatización, sistemas de control, tipos y características de estos, así como un resumen del estándar internacional IEC-61131 el cual se aplica a los autómatas programables (PLC’s) y sus periféricos relacionados tales como herramientas de programación, HMI, etcétera los cuales han sido diseñados para el control de procesos industriales y maquinaria. Capítulo 2 Descripción del proceso. Contiene la filosofía de operación del sistema, así mismo, muestra el diagrama de distribución física de la trampa neumática (Lay Out) y el diagrama de tubería e instrumentación (DTI) y los equipos o hardware que integran al Sistema Digital de Monitoreo y Control. Capítulo 3 Integración de los elementos del sistema de automatización para realizar la lógica de operación. Este capítulo documenta la selección del sistema de automatización propuesto, dependiendo de las especificaciones, limitaciones y necesidades del cliente. Describe el material, equipo y diagramas de instalación para realizar la arquitectura propuesta. Capítulo 4 Programación del PLC Compact Logix, y el Panel View de Allen Bradley ®. Contiene la programación propuesta para integrar los componentes de la automatización del proceso. Capítulo 5 Resultados, conclusiones y recomendaciones. Presenta el Protocolo de Pruebas de Aceptación en Sitio (SAT) aplicado tanto al hardware y software del sistema, llevado a cabo en las instalaciones de la empresa de extracción de petróleo crudo, además, se detallan 6 recomendaciones puntuales para garantizar el buen funcionamiento del sistema. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 10 ÍNDICE ÍNDICE .............................................................................................................. 10 ÍNDICE DE FIGÚRAS ....................................................................................... 13 ÍNDICE DE DIAGRAMAS .................................................................................. 16 ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................... 17 CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO. .................................................................... 19 1 Introducción .................................................................................................... 20 1.1 Automatización industrial ............................................................................ 21 1.2 Sistemas de control ..................................................................................... 21 1.2.1 Clasificación de los sistemas de control según su comportamiento .. 21 1.2.2 Tipos de sistemas de control ............................................................. 23 1.2.3 Características de un sistema de control ........................................... 23 1.3 La ingenierÍa en los sistemas de control ..................................................... 24 1.4 Controladores lógicos programables ........................................................... 25 1.5 Interfaz humano-máquina............................................................................ 28 1.6 La comisión electrotécnica internacional. .................................................... 30 1.6.1 International electrotechnical commission. ........................................ 30 1.6.2 IEC 61131-1 Controladores programables ........................................ 31 1.6.3 Estructura funcional básica de un sistema decontrolador programable 32 1.6.4 Características principales de las funciones del CPU. ....................... 35 1.6.5 Sistema operativo .............................................................................. 35 1.6.6 Características de la función de comunicación .................................. 36 1.6.7 Características de la función de la interfaz humano-máquina (HMI). 37 CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ................................................ 38 2.1 Filosofía de operación ................................................................................. 39 2.2 Distribución física de trampa neumática FA-001 (lay out) ........................... 43 2.3 Diagrama de tubería e instrumentación ...................................................... 45 2.4 Equipos que integran al SDMC ................................................................... 47 2.4.1 Procesador (CPU).................................................................................. 48 2.4.2 Fuente de alimentación eléctrica ........................................................... 50 2.4.3 Módulos de entradas y salidas (I/O) ...................................................... 51 2.4.4 Panel view ............................................................................................. 53 2.4.5 Gabinete ................................................................................................ 54 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 11 CAPÍTULO 3. INTEGRACIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL CONTROL AUTOMÁTICO .................................................................................................. 55 3.1 Selección del controlador ............................................................................ 56 3.2 Selección del panel view ............................................................................. 62 3.3 Arquitectura de control ................................................................................ 64 3.3.1 Material y equípo ................................................................................... 65 3.3.2 Base de datos ........................................................................................ 67 3.3.3 Diagrama de distribución de equipos en gabinete ................................. 72 3.3.4 Alambrado de tarjetas i/o ....................................................................... 74 3.3.5 Diagrama eléctrico del gabinete............................................................. 79 CAPÍTULO 4.PROGRAMACIÓN DEL PLC COMPACT LOGIX, Y EL PANEL VIEW DE ALLEN BRADLEY ®. ........................................................................ 81 4.1 Descripción .................................................................................................. 82 4.2 Manual de operación ................................................................................... 86 4.3 Programación del PLC ................................................................................ 91 CAPÍTULO 5. RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES . 112 5.1 Análisis de resultados ............................................................................... 113 5.2 Protocolo de pruebas de aceptación en sitio (SAT) .................................. 114 5.2.1 Introducción .........................................................................................115 5.2.2 Alcance de prueba ............................................................................... 115 5.2.3 Prueba de componentes de hardware ................................................. 115 5.2.4 Prueba de componentes de software .................................................. 115 5.2.5 Alcance del documento ........................................................................ 116 5.2.6 Programa de prueba ............................................................................ 116 5.2.7 Personal ............................................................................................... 116 5.2.8 Equipo de apoyo .................................................................................. 116 5.2.9 Pruebas de hardware ........................................................................... 117 5.2.10 Procedimiento de pruebas de aceptación en sitio ............................. 117 5.2.11 Procedimiento estructurado de prueba de hardware (SAT H1) ............ 118 5.2.12 Procedimiento estructurado de prueba de hardware(SAT H2) ............. 119 5.2.13 Procedimiento estructurado de prueba de hardware (SAT H3) ............ 119 5.2.14 Procedimiento estructurado de prueba de software (SAT S1) ............. 127 5.2.15 Procedimiento estructurado de prueba de software (SAT S2) ............. 127 5.2.16 Firmas para la aceptación de las pruebas ............................................ 129 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 12 5.3 Conclusiones ............................................................................................. 130 5.4 Recomendaciones ..................................................................................... 131 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 132 GLOSARIO...................................................................................................... 134 ÍNDICE DE ANEXOS ...................................................................................... 141 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 13 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Controlador Lógico Programable –PLC- .............................................. 26 Figura 1.2 Interfaz Humano-Máquina–HMI- .......................................................... 29 Figura 1.3 Estructura funcional básica de un PLC (IEC 61131) ............................ 33 Figura 1.4 Modelo de hardware del Controlador Lógico Programable (IEC 61131) .............................................................................................................................. 34 Figura 2.1 CPU1756-L71. ..................................................................................... 49 Figura 2.2 Fuente redundante de alimentación 1756-PA75R ............................... 50 Figura 2.3 Tarjeta de entradas digitales 1756-IB16I. ............................................. 51 Figura 2.4 Tarjeta de entradas analógicas 1756-IF8H. ......................................... 52 Figura 2.5 Tarjeta de salidas digitales 1756OB16I. ............................................... 52 Figura 2.6 Panel View Plus 1250. ......................................................................... 53 Figura 2.7 Gabinete NEMA 12 de acero al carbón. ............................................... 54 Figura 4.1 Pantalla de inicio .................................................................................. 82 Figura 4.2 Pantalla Principal .................................................................................. 83 Figura 4.3 Pantalla de tendencias. ........................................................................ 84 Figura 4.4 Pantalla de alarmas. ............................................................................. 85 Figura 4.5 Pantalla de confirmación TL-13. ........................................................... 85 Figura 4.6 Pantalla de confirmación E-9. .............................................................. 85 Figura 4.7 Selección de pantalla principal. ............................................................ 86 Figura 4.8 Selección de separador. ....................................................................... 87 Figura 4.9 Instrumentos de campo y válvulas. ...................................................... 88 Figura 4.10 Botones de navegación. ..................................................................... 89 Figura 4.11 Pantalla de tendencias. ...................................................................... 90 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 14 Figura 4.12 Pantalla de alarmas. ........................................................................... 91 Figura 4.13 Rutina de programación principal “Main Routine”. ............................. 92 Figura 4.14 Subrutina de programación “Entradas Digitales”. ............................... 93 Figura 4.14.1 Subrutina de programación “Entradas Digitales”-Continuación-...... 94 Figura 4.14.2 Subrutina de programación “Entradas Digitales”-Continuación-...... 95 Figura 4.14.3 Subrutina de programación “Entradas Digitales” -Continuación-..... 96 Figura 4.15 Subrutina de programación “Salidas Digitales”. ................................. 96 Figura 4.15.1 Subrutina de programación “Salidas Digitales” -Continuación-. ...... 97 Figura 4.15.2 Subrutina de programación “Salidas Digitales” -Continuación-. ...... 98 Figura 4.16 Subrutina de programación “Entradas Analógicas”. ........................... 99 Figura 4.16.1 Subrutina de programación “Entradas Analógicas-Continuación-”.100 Figura 4.16.2 Subrutina de programación “Entradas Analógicas -Continuación-”. ............................................................................................................................ 100 Figura 4.17 Escalamiento 4- 20 mA de Entrada Analógica del Canal 0. ............. 101 Figura 4.18 Escalamiento 4- 20 mA de Entrada Analógica del Canal 1. ............. 102 Figura 4.19 Escalamiento 4- 20 mA de Entrada Analógica del Canal 2. ............. 103 Figura 4.20 Escalamiento 4- 20 mA de Entrada Analógica del Canal 3. ............. 104 Figura 4.21 Escalamiento 4- 20 mA de Entrada Analógica del Canal 4. ............. 105 Figura 4.22 Escalamiento 4- 20 mA de Entrada Analógica del Canal 5. ............. 106 Figura 4.23 Subrutina de Programación “Envío Por Sep Estab 9”. ..................... 108 Figura 4.23.1 Subrutina de Programación “Envío Por Sep Estab 9”-Continuación-. ............................................................................................................................ 108 Figura 4.23.2 Subrutina de Programación “Envío Por Sep Estab 9”-Continuación-. ............................................................................................................................ 109 Figura 4.24 Subrutina de Programación “Envío Por TL 13”. ............................... 110 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 15 Figura 4.24.1 Subrutina de Programación “Envío Por TL 13”-Continuación-. ..... 111 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 16 ÍNDICE DE DIAGRAMAS Diagrama 2.1 Distribución física de la trampa neumática ..................................... 44 Diagrama 2.2 Diagrama de Tubería e Instrumentación DTI. ................................. 46 Diagrama 3.1 Arquitectura de Control ................................................................... 64 Diagrama 3.2 Distribución Física en Gabinete ...................................................... 73 Diagrama 3.3 Diagrama de cableado de tarjeta de entradas digitales 01 ............. 75 Diagrama 3.3.1 Diagrama de cableado de tarjeta de entradas digitales 02 .......... 76 Diagrama 3.3.2 Diagrama de cableado de tarjeta de salidas digitales 01 ............. 77 Diagrama 3.3.3Diagrama de cableado de tarjeta de entradas analógicas 01 ...... 78 Diagrama 3.4 Conexión Eléctrica de Platina. ........................................................ 80 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 17 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Resumen de funciones del Controlador ................................................ 35 Tabla 2.1 Secuencia de apertura y cierre de válvulas ........................................... 41 Tabla 3.1 Especificaciones del controlador [7] ...................................................... 58 Tabla 3.2 Selección del controlador [7] ................................................................. 59 Tabla 3.3 Características del CPU seleccionado: 1756-L71 [7] ............................ 60 Tabla 3.4 Características de Tarjeta de Entradas Digitales seleccionada 1756- IB16I [8] ................................................................................................................. 61 Tabla 3.5 Características de Tarjeta de Salidas Digitales seleccionada 1756-OB16I [9] .......................................................................................................................... 61 Tabla 3.6 Características de Tarjeta de Entradas Analógicas seleccionada 1756- IF8H [10]................................................................................................................ 61 Tabla 3.7 Características de Tarjeta de Comunicaciones Ethernet seleccionada 1756-EN2T [11] ..................................................................................................... 62 Tabla 3.8 Características de la Fuente de Alimentación Redundante seleccionada 1756-PA75R [12] ................................................................................................... 62 Tabla 3.9 Características del Panel View Plus 1250 Seleccionado [13] ................ 63 Tabla 3.10 Costo de Controlador ALLEN-BRADLEY® .......................................... 65 Tabla 3.11 Tarjeta de Entradas Digitales 01 PLC TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001...................................................................................... 68 Tabla 3.12 Tarjeta de Entradas Digitales 02 PLC TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001...................................................................................... 68 Tabla 3.13 Tarjeta de Salidas Digitales 01PLC TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001...................................................................................... 69 Tabla 3.14 Tarjeta de Entradas Analógicas 01 PLC TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001...................................................................................... 69 Tabla 3.15 Base de datos del PLC TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 .................................................................................................................. 70 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 18 Tabla 5.1 LED’S DE LA FUENTE REDUNDANTE 1 DEL PLC. .......................... 120 Tabla 5.2 LED’S DE LA FUENTE REDUNDANTE 2 DEL PLC. .......................... 120 Tabla 5.3 LED’S DEL CPU. ................................................................................. 120 Tabla 5.4 LED’S DE LA TARJETA ETHERNET .................................................. 121 Tabla 5.5 RESULTADOS DE COMUNICACIÓN DE TARJETA ETHERNET ...... 121 Tabla 5.6 RACK 0 SLOT 5 TB-04-AI ................................................................... 122 Tabla 5.7 RACK 0 SLOT 2 TB-01-DI ................................................................... 123 Tabla 5.8 RACK 0 SLOT 3 TB-02-DI ................................................................... 124 Tabla 5.9 RACK 0 SLOT 4 TB-03-DO ................................................................. 125 Tabla 5.10 RESULTADOS POR TIPO DE TARJETAS EN PLC ......................... 126 Tabla 5.11 RESULTADOS DE SIMULACIÓN DE FALLAS ................................. 126 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 19 Capítulo 1. Marco teórico. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 20 1 INTRODUCCIÓN La automatización de procesos industriales es más amplia que un simple sistema de control, ya que esta abarca la instrumentación industrial, sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos, así como, aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar operaciones de plantas. [9] Una planta de procesos industriales en la industria básica no solo se limita a mecanizar actividades en la extracción y transformación de las materias primas, tales como las minas en que se extraen los minerales usados en la siderurgia, el petróleo y la fabricación de la máquinaria necesaria para tales fines, entre otras, además, hoy en día las empresas buscan beneficios extras a corto, mediano y largo plazo en las áreas de producción y administrativa. La reducción de tiempos y costos sin olvidar factores importantes como la calidad, seguridad y cumplimiento de normas en la industria básica. Las industrias básicas son las industrias primarias. Es decir la industria que se dedica a la primera etapa de procesamiento de los recursos naturales a los que se les incorpora mínimos niveles de valor agregado (minería, petróleo, extracción forestal). También se le llama industria extractiva porque es la que tiene como insumo los bienes de la naturaleza. Las industrias básicas se especializan en la transformación de la materia prima en múltiples productos que, a su vez, originan otras industrias que proporcionan a los mercados variados bienes de naturaleza comercial, para atender las necesidades de los mercados nacionales e internacionales, y se localizan cerca de los centros mineros y en los océanos en el caso del petróleo. Este proyecto está enfocado a una empresa de extracción de petróleo crudo, en donde la variable a controlar es el nivel de los condensados que se generan en la trampa neumática FA-001 y la variable manipulada es la secuencia de apertura y cierre de válvulas on-off involucradas en el proceso. Ya se utilizó un sistema de control el cual no es redituable para dicha empresa, haciendo que se tenga un consumo excesivo de energía eléctrica, desgastando y reduciendo la vida útil de los equipos, específicamente las válvulas, debido a los errores que se producen con la operación manual de éstas, además con el uso de este sistema, se ha comprobado que los tiempos de capacitación a empleados es muy grande, lo que genera demasiados tiempos muertos. Para ello se propone desarrollar un sistema en el que un controlador implemente la secuencia lógica para la apertura y cierre de las válvulas de acuerdo a la medición de alto/bajo nivel de condensados, utilizando una Interfaz Humano- Máquina–HMI- por sus siglas en inglés (Human Machine Interface) para la visualización, interacción y comunicación de datos entre el controlador y el usuario. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 21 El sistema automatizado realizará un censado del nivel de condensados en la trampa neumática FA-001 el cual podrá ser visible al operador mediante un sistema de visualización Panel View el cual mostrará ésta y las demás variables involucradas en el proceso en tiempo real, para obtener un seguimiento y supervisión del proceso y facilitando el mantenimiento. 1.1 AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Siendo la Automatización Industrial. (Automatización; del griego antiguo: guiado por uno mismo) el uso de sistemas o elementos computarizados para control a maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamentela necesidad sensorial y mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. [6] 1.2 SISTEMAS DE CONTROL Los sistemas de control según la Teoría Cibernética se aplican en esencia para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Estos sistemas fueron relacionados por primera vez en 1948 por Norbert Wiener en su obra Cibernética y Sociedad con aplicación en la teoría de los mecanismos de control. Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado. [6] 1.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL SEGÚN SU COMPORTAMIENTO Los sistemas de control, según la teoría cibernética, se aplican en esencia para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Estos sistemas fueron relacionados por primera vez en 1948 por Norbert Wiener en su obra Cibernética y Sociedad con aplicación en la teoría de los mecanismos de control. Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. [7] AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 22 Hoy en día los procesos de control son síntomas del proceso industrial que estamos viviendo. Estos sistemas se usan típicamente para sustituir un trabajador pasivo que controla un determinado sistema (ya sea eléctrico, mecánico, etc.) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho más grande que el de un trabajador. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a muchos parámetros y reciben el nombre de controladores de automatización programables (PAC). Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos: 1.- Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos. 2.- Ser eficientes según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales. Necesidades de la supervisión de procesos: • Limitaciones de la visualización de los sistemas de adquisición y control. • Control y monitoreo. • Control y programación mediante software. • Recoger, almacenar y visualizar información. • Reporte de alarmas. Clasificación de los sistemas de control según su comportamiento 1. Sistema de control de lazo abierto: Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada, y da como resultado una señal de salida independiente. Estos sistemas se caracterizan por: • Sencillos y de fácil concepto • Nada asegura su estabilidad ante una perturbación • La salida no se compara con la entrada • Afectado por las perturbaciones • La precisión depende de la previa calibración del sistema AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 23 2. Sistema de control de lazo cerrado: Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Sus características son: • Complejos, pero amplios de parámetros •La salida se compara con la entrada y la afecta para el control del sistema. •Estos sistemas se caracterizan por su propiedad de retroalimentación. • Más estable a perturbaciones y variaciones internas. [1] 1.2.2 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL Los sistemas de control son agrupados en tres tipos básicos: 1. Hechos por el hombre. Como los sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento. 2. Naturales, incluyendo sistemas biológicos. Por ejemplo los movimientos corporales humanos como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento o no, y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia. 3. Cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales. Se encuentra el sistema de control de un hombre que conduce su vehículo, este sistema está compuesto por los ojos, las manos, el cerebro y el vehículo. La entrada se manifiesta en el rumbo que el conductor debe seguir sobre la vía y la salida es la dirección actual del automóvil. 4. Un sistema de control puede ser neumático, eléctrico, mecánico o de cualquier tipo, y su función es recibir entradas, y coordinar una o varias respuestas según su lazo de control (para lo que está programado). [9] 1.2.3 CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA DE CONTROL Los sistemas de control tienen ciertas características, dependiendo de la naturaleza del mismo, mismas que se describen a continuación: • Señal de corriente de entrada: Considerada como estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 24 • Señal de corriente de salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada. • Variable Manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. • Variable Controlada: Es el elemento que se desea controlar. • Conversión: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable. • Variaciones externas: Son los factores que influyen en la acción de producir un cambio de orden correctivo. • Fuente de energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema. • Retroalimentación: La retroalimentación es una característica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables del sistema. Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, éste puede apoyar o no una decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una retroalimentación positiva. [7] 1.3 LA INGENIERÍA EN LOS SISTEMAS DE CONTROL Los problemas considerados en la ingeniería de los sistemas de control, básicamente se tratan mediante dos pasos fundamentales como son: 1. El análisis 2. El diseño En el análisis se investiga las características de un sistema existente. Mientras que en el diseño se escogen los componentes para crear un sistema de control que posteriormente ejecute una tarea particular. Existen dos métodos de diseño: 1. Diseño por análisis 2. Diseño por síntesis El diseño por análisis modifica las características de un sistema existente o de un modelo estándar del sistema y el diseño por síntesis en el cual se define la forma del sistema a partir de sus especificaciones. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 25 La representación de los problemas en los sistemas de control se lleva a cabo mediante tres representaciones básicas o modelos: 1. Ecuaciones diferenciales y otras relaciones matemáticas. 2. Diagramas en bloque. 3. Gráficas en flujo de análisis. Los diagramas y las gráficas de flujo son representaciones gráficas que pretenden el acortamiento del procesocorrectivo del sistema, sin importar si está caracterizado de manera esquemática o mediante ecuaciones matemáticas. Las ecuaciones diferenciales se emplean cuando se requieren relaciones detalladas del sistema. Cada sistema de control se puede representar teóricamente por sus ecuaciones matemáticas. [1] 1.4 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES Un Controlador Lógico Programable –PLC- (Programmable Logic Controller, por sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en la automatización Industrial. Su historia se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para remplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional. Hoy en día, los PLC’S no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como control Proporcional Integral Derivativo (PID). Los PLC’s actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido. Un ejemplo de un PLC se muestra en la figura 1.1 Controlador Lógico Programable. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 26 Figura 1.1 Controlador Lógico Programable –PLC- Los PLC´s y sus periféricos asociados están destinados a ser utilizados en un entorno industrial y puede ser proporcionado como equipo abierto o cerrado. Si un PLC o sus periféricos asociados son para uso en otros entornos, entonces, los requisitos específicos, normas y prácticas de instalación para esos otros entornos deben aplicarse, además, al PLC y sus periféricos asociados por ejemplo la Interfaz Humano-Máquina –HMI- por sus siglas en inglés (Human-Machine Interface). La funcionalidad de un controlador programable se puede realizar también en un hardware específico y la plataforma de software como en un ordenador de propósito general o un ordenador personal con características del entorno industrial. En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los más simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación multiprotocolo que le permitirían interconectarse con otros dispositivos. La principal diferencia con otros dispositivos son las conexiones especiales de entrada/salida. Estas conexiones conectan el PLC a sensores y actuadores. Los PLC leen interruptores, indicadores de temperatura y las posiciones de complejos sistemas de posicionamiento. Algunos incluso pueden llegar a utilizar visión artificial. En los actuadores, los PLC pueden operar motores eléctricos y neumáticos, cilindros hidráulicos o diafragmas, relés magnéticos y solenoides. Las conexiones de entrada/salida pueden estar integradas en un solo PLC o el PLC puede tener módulos de entrada/salida unidos a una red de ordenadores que se conecta al PLC. Los PLC fueron inventados como recambio para sistemas automáticos que podrían llegar a usar cientos o miles de relés y contadores a menudo, un solo PLC AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 27 puede programarse para remplazar miles de relés. Los controladores programables fueron inicialmente adoptados por la industria del automóvil, donde la revisión del software remplazó a la reescritura o rediseño de los controles cada vez que cambiaban los modelos que se producían. Los primeros PLC funcionaban con lógica en escalera (LADDER) que tenía mucha similitud con los diagramas eléctricos. Los electricistas eran capaces de evitar los errores en los esquemas eléctricos utilizando lógica de escalera. Esta notación fue elegida para reducir las necesidades de aprendizaje de los técnicos existentes. La funcionalidad de los PLC ha evolucionado a lo largo de los años para incluir control de relés secuencial, control de movimiento, control de procesos, sistemas de control distribuidos y establecimiento de redes. El tratamiento de datos, el almacenaje, la energía del proceso y las capacidades de la comunicación de algún PLC moderno son aproximadamente equivalentes a las computadoras de escritorio. Una programación como la de los PLC combinada con hardware de E/S remota, permite a un ordenador de sobremesa igualar en ciertas aplicaciones a un PLC. Bajo el estándar IEC 61131-3, los PLC’s pueden ser programados usando lenguajes de programación estructurados, estos lenguajes de programación son: Lista de instrucciones (IL), Test estructurado (ST), y Esquema de contactos o escalera (LD). Aunque un tipo de lenguaje puede ser más ampliamente utilizado en una determinada región, la colección abarca todo el espectro de la tecnología de software y complementan entre sí en muchos casos Una notación de programación gráfica llamada Sequential Function Charts está disponible en determinados controladores programables. Un lenguaje más reciente, preferido por los informáticos y electrónicos, es el Diagrama por Bloques Funcionales –FBD- por sus siglas en inglés (Function Block Diagram) que emplea compuertas lógicas y bloques con distintas funciones conectados entre sí. [4] Los PLC están adaptados para un amplio rango de tareas de automatización. Estos son típicos procesos industriales en la manufactura donde el coste de desarrollo y mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto contra el coste de la automatización, y donde van a existir cambios en el sistema durante toda su vida operacional. Los PLC contienen todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia; se requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en expresar las operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las aplicaciones de PLC son normalmente hechos a la medida del sistema, por lo que el costo del PLC es bajo comparado con el costo de la contratación del diseñador para un diseño específico que solo se va a usar una sola vez. Por otro lado, en caso de productos de alta producción, los sistemas de control a medida se amortizan por si solos rápidamente debido al ahorro en los componentes, lo que provoca que puede ser una buena elección en vez de una solución "genérica". AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 28 Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC ya no tienen un precio alto. Los PLC actuales tienen todas las capacidades por algunos cientos de dólares. Diferentes técnicas son utilizadas para un alto volumen o una simple tarea de automatización, Por ejemplo, una lavadora de uso doméstico puede ser controlada por un temporizador electromecánico costando algunos cuantos pesos en cantidades de producción. Un diseño basado en un microcontrolador puede ser apropiado donde cientos o miles de unidades deben ser producidas y entonces el coste de desarrollo (diseño de fuentes de alimentación y equipo de entradas y salidas) puede ser dividido en muchas ventas, donde el usuario final no tiene necesidad de alterar el control. Aplicaciones automotrices son un ejemplo, millones de unidades son vendidas cada año, y pocos usuarios finales alteran la programación de estos controladores. (Sin embargo, algunos vehículos especiales como son camiones de pasajeros para tránsito urbano utilizan PLC en vez de controladores de diseño propio, debido a que los volúmenes son pequeños y el desarrollo no sería económico.) Algunos procesos de control complejos, como los que son utilizados en la industria química, pueden requerir algoritmos y características más allá de la capacidad de PLC dealto nivel. Controladores de alta velocidad también requieren de soluciones a medida; por ejemplo, controles para aviones. Los PLC pueden incluir lógica para implementar bucles analógicos, “proporcional, integral y derivadas” o un controlador PID. Un bucle PID podría ser usado para controlar la temperatura de procesos de fabricación, por ejemplo. Históricamente, los PLC’s fueron configurados generalmente con solo unos pocos bucles de control analógico y en donde los procesos requieren cientos o miles de bucles, un Sistema de Control Distribuido (DCS) se encarga. Sin embargo, los PLC se han vuelto más poderosos, y las diferencias entre las aplicaciones entre DCS y PLC han quedado menos claras. [2] 1.5 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA La Interfaz Humano-Máquina establece una comunicación sencilla entre el usuario y el sistema. El usuario puede consultar con el sistema a través de menús, gráficos, etcétera, y éste le responde con resultados. También es interesante mostrar la forma en que extrae las conclusiones a partir de los hechos. En sistemas productivos se cuida la forma de presentar al operador las órdenes obtenidas del sistema experto, debido a que información excesiva o confusa dificulta la actuación en tiempo real [3]. Dentro de las interfaces de usuario se distinguen básicamente dos tipos: AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 29 • Una interfaz de hardware, a nivel de los dispositivos utilizados para ingresar, procesar y entregar los datos: teclado, ratón y pantalla visualizadora. • Una interfaz de software, destinada a entregar información acerca de los procesos y herramientas de control, a través de lo que el usuario observa habitualmente en la pantalla, por ejemplo la figura 1.2 Interfaz Humano- Máquina, que se muestra a continuación. Figura 1.2 Interfaz Humano-Máquina–HMI- Al diseñar interfaces de usuario deben tenerse en cuenta las habilidades cognitivas y de percepción de las personas, y adaptar el programa a ellas. Así, una de las cosas más importantes que una interfaz puede hacer es reducir la dependencia de las personas de su propia memoria, no forzándoles a recordar cosas innecesariamente (por ejemplo, información que apareció en una pantalla anterior) o a repetir operaciones ya realizadas (por ejemplo, introducir un mismo dato repetidas veces). El objetivo principal del Panel View en este proyecto es que el programador lleve a la pantalla del Panel, las instalaciones, el proceso, las tuberías e instrumentación de manera gráfica y lo más cercanamente posible a la realidad, de tal forma que el operador tenga en dicha pantalla el proceso que él conoce, sin la necesidad de estar presente frente al patín de medición, evitando de esta forma, en primera instancia, el riesgo de estar presente junto a los instrumentos y en el proceso en AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 30 sí, además se estaría minimizando el tiempo de supervisión de las diferentes variables medidas en los instrumentos de campo, ya que no será necesario acudir al lugar en donde se tienen instalados los instrumentos de campo, si no que la medición de las variables ya se podrán visualizar en el Panel View del patín de medición, dando como resultado una medición más eficiente de las variables del proceso. Es de vital importancia mencionar que el estándar internacional que regula y establece las características para la selección, aplicación de controladores lógicos programables y su periferia asociada, como en este caso la Interfaz Humano- Máquina, es la Comisión Electrotécnica Internacional –IEC- (Por sus siglas en inglés) International Electrotechnical Commission, IEC-6113-1, de la cual hablaremos en el siguiente apartado. [4] 1.6 LA COMISION ELECTROTÉCNICA INTERNACIONAL. 1.6.1 INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. La IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) es una organización mundial para la estandarización que comprende todos los comités electrotécnicos nacionales (Comités Nacionales de la CEI). El objeto de la IEC es promover la cooperación internacional en todas las cuestiones relativas a la normalización en los campos eléctricos y electrónicos. A este fin, y además de otras actividades, la IEC publica Normas Internacionales. Su preparación es confiada a los comités técnicos; cualquier Comité Nacional IEC interesado en el tema tratado puede participar en este trabajo preparatorio. Las organizaciones internacionales, gubernamentales y no gubernamentales que sirven de enlace con la IEC también participan en esta preparación. La IEC colabora estrechamente con la Organización Internacional de Normalización (ISO), de conformidad con las condiciones determinadas por acuerdo entre las dos organizaciones. Las decisiones o acuerdos de la IEC sobre cuestiones técnicas formales expresan, tan cerca como sea posible, un consenso internacional de opinión sobre los temas relevantes ya que cada comité técnico, tiene la representación de todos los Comités Nacionales interesados. Los documentos producidos tienen la forma de recomendaciones para uso internacional y se publican en forma de normas, especificaciones técnicas, informes técnicos o guías y que sean aceptados por el Comité Nacional en ese sentido. Con el fin de promover la unificación internacional, los Comités Nacionales de la IEC se comprometen a aplicar Normativas Internacionales de forma transparente AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 31 en la medida de lo posible en sus normas nacionales y regionales. Cualquier divergencia entre el estándar IEC y la norma nacional o regional correspondiente deberá ser claramente indicada. La IEC no establece ningún procedimiento de marcado para indicar su aprobación y no se puede representar responsable de cualquier equipo declarado estar en conformidad con alguna de sus normas. [4] 1.6.2 IEC 61131-1 CONTROLADORES PROGRAMABLES Esta parte de la norma IEC61131 se aplica a los Controladores Lógicos Programables (PLC) y su periferia asociada como herramientas de programación e Interfaces Humano-Máquina (HMI), etcétera, que tienen como su uso previsto el control y mando de las máquinas y procesos industriales. [4] TÉRMINOS Y DEFINICIONES GLOSARIO Programa de aplicación o programa de usuario. Conjunto de lógica de todos los elementos de lenguaje de programación y constituye lo necesario para el procesamiento de la señal destinada requerida para el control de una máquina o proceso por un sistema. Sistema automatizado. Sistema de control más allá del alcance de la norma IEC61131, en el que los sistemas de PLC se incorporan por o para el usuario, pero que también contiene otros componentes, incluyendo sus programas de aplicación. Dispositivo de campo. Catalogado como parte del sistema o interfaces de entrada y /o salida o para proporcionar datos de pre-procesamiento/ post-procesamiento para el sistema de automatización. Un dispositivo de campo a distancia puede funcionar de forma autónoma desde el sistema de automatización. Se puede conectar al sistema de automatización con un bus de campo. Esquema de contactos o diagrama de escalera de relés. Una o más redes de contactos, bobinas, funciones representadas gráficamente, bloques de función, elementos de datos, etiquetas y elementos conectores, delimitado en el lado izquierdo y (opcionalmente) al lado de los carriles de alimentación. Controlador Lógico Programable (PLC). Sistema electrónico operado digitalmente diseñado para su uso en un entorno industrial, que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario para la aplicación de funciones específicas tales como la lógica, la secuenciación, el momento, el conteo y la aritmética, para AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 32 controlar, a través de entradas y salidas digitales o analógicas,varios tipos de máquinas o procesos. Ambos el PLC y sus periféricos asociados están diseñados para que puedan ser fácilmente integrados en un sistema de control industrial y utilizado fácilmente en todas las funciones previstas. Sistema de controlador programable o PLC. Configuración construida por el usuario, que consiste en un controlador programable y los periféricos asociados, que es necesario para el sistema automatizado previsto. Se compone de unidades interconectadas por cables o conexiones de enchufe para la instalación permanente y por cables u otros medios para periféricos portátiles y transportables. Herramienta de programación y depuración (PADT). Catalogado como periferia para ayudar en la programación, pruebas, puesta en servicio y solución de problemas de la Aplicación del PLC, la documentación y el almacenamiento de programas y, posiblemente, para ser utilizado como HMI. PADT se dice que son conectables y que pueden conectarse o desconectarse en cualquier momento con su interfaz asociada, sin ningún riesgo para los operarios y la aplicación. 1.6.3 ESTRUCTURA FUNCIONAL BÁSICA DE UN SISTEMA DE CONTROLADOR PROGRAMABLE La estructura general con los principales componentes funcionales en un sistema de controlador programable se ilustra en las Figuras 1.3 Estructura funcional básica de un PLC y 1.4 Modelo de hardware del Controlador Lógico Programable. Estas funciones se comunican entre sí y con las señales de la máquina/proceso a controlar. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 33 Fuente De Poder Fuente Principal OTROS SISTEMAS FUNCIONES DE COMUNICACIÓN FUNCIONES DE INTERFAZ HUMANO- MÁQUINA FUNCIONES DE PROGRAMACIÓN, DEPURACIÓN, PRUEBAS FUNCIONES DE SISTEMA OPERATIVO FUNCIONES DE APLICACIÓN Y PROGRAMACIÓN ALMACENAMIENTO DE DATOS FUNCIONES DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES FUNCIONES DE APLICACIÓN DE PROGRAMA OPERADOR APLICACIÓN DEL PROGRAMADOR FUNCIÓN DE INTERFAZ CON SENSORES Y ACTUADORES MÁQUINA/PROCESO Figura 1.3 Estructura funcional básica de un PLC (IEC 61131) AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 34 PERIFERIA I/O REMOTAS UNIDAD DE PROCESAMIENTO PRINCIPAL MEMORIA (AS) Y UNIDAD(ES) DE PROCESO MÓDULOS DE ENTRADA MÓDULOS DE SALIDA MÓDULOS DE COMUNICACIÓN(ES) FUENTES DE ALIMENTACIÓN SUBSISTEMAS ESPECÍFICOS Figura 1.4 Modelo de hardware del Controlador Lógico Programable (IEC 61131) Función de la interfaz de sensores y actuadores. La función de interfaz para sensores y actuadores convierte: • Las señales de entrada y/o datos obtenidos de la máquina/proceso de señal apropiada niveles de procesamiento; • Las señales y/o datos de salida de la función de procesamiento de señal a señal apropiada para impulsar actuadores y/o pantallas. Las señales de entrada/salida a las funciones de la interfaz pueden ser procedentes de módulos especiales que las señales del sensor externo pre- proceso de acuerdo a las funciones definidas contenidas en los propios módulos especiales. Ejemplos de tales módulos especiales incluyen módulo de PID, módulo de control difuso, módulo de contador de alta velocidad, los módulos de movimiento y otros. [6] Función de la comunicación. La función de comunicación ofrece el intercambio de datos con otros sistemas (de terceros dispositivos), como otros sistemas PLC, controladores de robots, ordenadores, etc. Función de Interfaz Humano-Máquina (HMI). La función de HMI proporciona para la interacción entre el operador, el procesamiento de la señal la función y la máquina/proceso. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 35 Funciones de programación, depuración, pruebas y documentación Estas funciones proporcionan la generación del programa de aplicación y la carga, control, pruebas y la depuración, así como para la documentación del programa de aplicación y el archivo. Funciones de fuente de alimentación. Las funciones de la fuente de alimentación proporcionan para la conversión y el aislamiento del PLC de alimentación de la red eléctrica. 1.6.4 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS FUNCIONES DEL CPU. Las capacidades de los controladores programables están determinadas por las funciones programables que se resumen en la Tabla1.1 Resumen de funciones del Controlador, se subdividen para la facilidad de uso en aplicación orientada a grupos. Tabla 1.1 Resumen de funciones del controlador FUNCIÓN DE GRUPO EJEMPLOS Lógica de control - Lógica - Temporizadores - Contadores Elementos de programación: Compuertas AND, OR, NOT. Ondelay, Off delay. Contadores descendentes y ascendentes, pulsos. Señales y procesamiento de datos - Funciones matemáticas - Manejo de datos - Manejo de señales analógicas Aritmética básica: Suma, resta, multiplicación, división. Aritmética avanzada: Raíz cuadrada, funciones trigonométricas. Comparadores: Mayor que, menor que, igual, PID, movimiento de datos, filtros. Funciones de interfaz - Entradas/Salidas - Otros sistemas - HMI - Impresoras Módulos de Entradas/Salidas digitales y analógicos. Conversión BCD. Protocolos de comunicación. Display, comandos. Mensajes, reportes. Ejecución del control Ejecución periódica de eventos. Configuración del sistema Chequeo del estado del sistema. 1.6.5 SISTEMA OPERATIVO La función del sistema operativo es el responsable de la gestión de las funciones interdependientes (control de configuración, diagnóstico, gestión de memoria, la aplicación gestión de la ejecución del programa, la comunicación con los periféricos y con la interfaz con los sensores y actuadores, etc. Después de un apagado o una distorsión, el PLC puede reiniciar de tres maneras diferentes. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 36 Arranque en frío. Reinicio del PLC y por las aplicaciones después de todo, los datos dinámicos (variables de imagen de E/S, tales como, registros internos, temporizadores, contadores, etcétera, y los contextos de programa) se restablecerán en un estado predeterminado. Un arranque en frío puede ser automático (por ejemplo, después de un apagón, una pérdida de información en la memoria, etc.) o manual (por ejemplo, pulsador de reinicio, etc.) Arranque en caliente. Reinicio después de un fallo de alimentación con un conjunto predeterminado programado por el usuario de los datos remanentes y un contexto del programa de aplicación del sistema predeterminado. Un arranque en caliente se identifica por un indicador de estado o medios equivalentes a disposición del programa de aplicación que indica que se detectó la falla de energía de apagado del sistema- PLC en el modo de ejecución. Rearranque. Reinicio después de una pérdida de la alimentación que se produce dentro del tiempo máximo en dependencia del proceso permitido para el PLC de recuperar como si no hubiera habido ningún fallo de alimentación. Todas las I/O de la información y otros datos dinámicos, así como el contexto del programa de aplicación se restauran sin cambios. La capacidad del Hot-restart requiere un reloj de tiempo real alimentado por separado o temporizador para determinar el tiempo transcurrido desde que se detectó la falta de energía eléctrica y un medio de fácil acceso a programar el tiempo máximo permitido en dependencia del proceso. 1.6.6 CARACTERÍSTICAS DE LA FUNCIÓN DE COMUNICACIÓN La función de comunicación representa los aspectos de comunicación de un PLC. Sirve para hacer posible el intercambio de datos entre el controlador programable y dispositivos u otros controladores programables o cualquier dispositivo externo en un sistema automatizado. Proporciona funciones como la verificación del dispositivo, la adquisición de datos, generación de informes de alarmas, el programa de ejecución y control de I/O, la transferencia del programa de aplicación y gestión de la conexión a la unidad de procesamientode señales de PLC desde o a un dispositivo externo. La función de comunicación se lleva a cabo generalmente por la transmisión de datos en serie en redes de área local o enlaces punto a punto. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 37 1.6.7 CARACTERÍSTICAS DE LA FUNCIÓN DE LA INTERFAZ HUMANO- MÁQUINA (HMI). La función de HMI tiene dos propósitos. • Para proporcionar al operador la información necesaria para controlar el funcionamiento de la máquina/proceso. • Para permitir que el operador interactúe con el PLC y su programa de aplicación y de esta forma poder tomar decisiones y ajustes más allá de su ámbito de usuario individual. Las funciones a las que se hizo mención referente a la HMI y PLC, fueron implementadas como una solución integral del sistema en la Trampa Neumática FA-001, cumpliendo sus objetivos particulares para los que fueron diseñados. En el Capítulo 2, se detalla la filosofía de operación que deberá cumplir el sistema. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 38 Capítulo 2. Descripción del Proceso AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 39 2.1 FILOSOFÍA DE OPERACIÓN El contar con un “Tanque Acumulador de Condensados” totalmente instrumentado, permitirá la acumulación y el desalojo de los condensados de manera automática. En el nuevo Tanque acumulador de Condensados FA-001 (Trampa Neumática) contará con instrumentación local de presión, temperatura y nivel; así como Transmisores que permitirán visualizar las Condiciones Operativas del “Tanque Acumulador de Condensados” que serán controladas por el Controlador Lógico Programable (PLC). Para una Operación Automática de almacenamiento y desalojo de Condensados a partir de los niveles de operación (Alto y Bajo), el “Tanque Acumulador de Condensados” cuenta con la siguiente instrumentación: • LI-001 Indicador de Nivel. • LIT-001 Indicador Transmisor de Nivel. • PI_001A Indicador de Presión. • PIT-001A Indicador Transmisor de Presión. • TIT-001 Indicador Transmisor de Temperatura. • FE-001 Elemento de Flujo tipo Placa de Orificio. • FIT-001 Indicador Transmisor de Flujo. • LSLL-001 Interruptor por Bajo Bajo Nivel. • LSHH-001 Interruptor por Alto Alto Nivel. • PI_001B Indicador de presión. • PIT-001B Transmisor indicador de presión. • PI_001C Indicador de presión. • PIT-001CTransmisor de presión. • PSH-001 Switch de alta presión. • PIT-001D Transmisor de presión. Para el monitoreo de la presión en el Tanque FA-001, se contará con instrumentación local de presión mediante un indicador de presión PI-001A, un Transmisor Indicador de Presión PIT-001A y de manera configurada se contará con la indicación de la presión mediante la señal PI_001A con una alarma por muy alta presión PAHH-001. Como instrumentación de temperatura se tendrá un Transmisor Indicador de Temperatura TIT-001 y de manera configurada en el PLC del Tanque un indicador de temperatura TI_001, esto con el objetivo de indicar y monitorear la presión y la temperatura en el FA-001. Así mismo, se tienen instalados los siguientes transmisores indicadores de presión: en la línea 4”-CM- 908-A51A, el PIT-001C, que indicará la presión del condensado enviado hacia el Separador N° 9 de estabilizado; en la línea 4”-CM-908-A51A, el PIT-001D, que indicará la presión de condensado enviado hacia el Separador TL-13. AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 40 Para el monitoreo y automatización del Tanque Acumulador, se cuenta con la siguiente instrumentación local de Nivel: Un indicador de nivel LI-001 y un Transmisor Indicador de Nivel LIT-001 que enviará una señal al PLC del Tanque FA-001, el cual tiene configurados Interruptores por Alto y Bajo Nivel (LSH- 001/LSL-001) y las alarmas (LAH-001/LAL-001), para el inicio y paro de la secuencia automática de desalojo de condensado en el FA-001. Al Cabezal general de Gas Combustible de 4”, se interconecta la línea de 2”-GC- 905-B34A, con el propósito de inyectar gas combustible al Tanque FA-001 (como gas de pateo) y aumentar la presión para el desalojo de los condensados; esta línea cambia de especificación de B34A a A30A, debido a que la presión que se tiene de Gas Combustible en el cabezal de 4” es de 17.5 kg/cm² man., La presión de Gas Combustible es regulada mediante la PCV-001 a una presión de 9.5 Kg/cm2 m. Para la medición local de la presión en la línea de suministro de gas combustible se cuenta con el Indicador de Presión PI-001F (de lado de alta presión) y con el Indicador de Presión PI-001C (lado de baja presión), el Transmisor Indicador de Presión PIT-001B y de manera configurada el Indicador de Presión PI_001B con alarma por Alta Presión (PAH-001B) ajustada a 10.0 kg/cm² m. Para protección del Sistema, se tiene instalado en la Línea de Gas Combustible, un Interruptor por Alta Alta Presión (PSH) ajustado a 10.5 kg/cm² m. Por Alto y Bajo Nivel en el FA-001 se desencadenara la siguiente secuencia de apertura/cierre de las Válvulas de Corte XV. El Transmisor Indicador de Nivel LIT- 001 envía una señal al PLC, mismo que contiene configurados los Interruptores por Alto y Bajo Nivel LSH-001/LSL-001. En la Tabla 2.1 Secuencia de apertura y cierre de válvulas, se indica la secuencia de apertura y cierre de válvulas para los diferentes escenarios: AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 41 Tabla 2.1 Secuencia de apertura y cierre de válvulas VÁLVULA POR ALTO NIVEL POR BAJO NIVEL LÍNEA EN LA QUE SE LOCALIZA XV-001A CERRADA ABIERTA 4”-CB-904-A51A CONDENSADO A FA-001 XV-001E ABIERTA CERRADA 4”-CM-908-A51A CONDENSADO A SEPARADOR N° 9 DE ESTABILIZADO XV-001D ABIERTA CERRADA 4”-CM-907-A51A CONDENSADO A SEPARADOR TL-13 XV-001B ABIERTA CERRADA 2”-GC-906-A30A ALIMENTACIÓN DE GAS COMBUSTIBLE XV-001C CERRADA ABIERTA 2”-GC-909-A51A VENTEO DE GAS XV-001F CERRADA ABIERTA 4”-CB-904-A51A CONDENSADO A FA- 001 Los Interruptores por Alto y Bajo Nivel tienen los siguientes puntos de ajuste: • LSH-001: 898 mm. • LSL-001: 204 mm. Las Alarmas por Alto y Bajo Nivel tienen los siguientes puntos de ajuste: • LAH-001: 948 mm. • LAL-001: 152 mm. Las Alarmas por Alto Alto Nivel y Bajo Bajo Nivel, tendrán los siguientes puntos de ajuste: • LAHH/LSHH-001: 998 mm. • LALL/LSLL-001: 102 mm. El operador podrá decidir en el PLC a donde enviar los condensados, hacia el Separador TL-13 o al Separador No. 9 de Estabilizado. Cuando el operador decida enviar los condesados al Separador TL-13: Una vez alcanzado el Nivel Máximo de Operación en el Tanque FA-001 (LSH-001 @ 898 mm medidos desde la base del Tanque) censado por el Transmisor Indicador de Nivel LIT-001, las válvulas XV-001A y XV-001C cerrarán para impedir la alimentación de condensados y el venteo del Tanque FA-001 respectivamente; posteriormente, la válvula XV-001B abrirá para permitir la entrada de Gas Combustible (gas de pateo) al Tanque FA-001. Cuando la Presión en el interior del Tanque FA-001 medida mediante PIT-001A se incremente y sea mayor 2.0 AUTOMATIZACIÓN DE TRAMPA NEUMÁTICA DE CONDENSADOS FA-001 42 Kg/cm2 m a la presión censada en el PIT-001D localizado en la línea de salida de condensados al TL-13, la válvula XV-001D abrirá y permitirá el desalojo de los Condensados por medio de la línea de 4”-CM-907-A51A, misma que se interconectará con el cabezal existente de media presión de 6” que conduce los condensados al Separador TL-13. Cuando se alcance el Nivel Bajo de Operación (LSL-001 @ 204 mm) en el Tanque FA-001 censado por el Transmisor Indicador de Nivel LIT-001, se cerrarán las Válvulas XV-001D y XV-001B impidiendo el desalojo de condensados y la alimentación de Gas Combustible respectivamente; posteriormente, se abrirá la válvula XV-001C
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