UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN

ASIGNATURA: CONTROL DISTRIBUIDO

PREPARADO POR: GUILLERMO CAMACHO

Versión 13/09/2012

Sistemas de Control Distribuido - Ejemplo de Aplicación de la norma ISA

S88.01 al proceso de fabricación de jugo de manzana con Vitamina C

Esta guía ha sido preparada con el propósito de servir como referencia para el desarrollo del

módulo ISA S88 dentro de la electiva CONTROL DISTRIBUIDO. Se asume que la

información aquí contenida será complementada con las lecturas y las discusiones

desarrolladas durante las cátedras relacionadas.

1. Diseño del Modelo de Proceso. Levantar el modelo de proceso es el primer acercamiento que se puede tener con la línea de

producción. Este modelo se realiza teniendo un conocimiento general sobre la manufactura

de un producto específico, sin tener en cuenta los equipos con los que se cuenta para

realizarlo.

Este modelo debe contener tres elementos: (1) etapas de proceso, (2) operaciones de

proceso y (3) acciones de proceso. En el presente documento se resume la construcción de

dicho modelo para el proceso de fabricación de jugo de manzana con Vitamina C.

Proceso Etapa de proceso Operación del

proceso

(Actividad

Principal)

Acción del proceso

(actividad secundaria)

Fabricación de jugo de

manzana con vitamina C

Endulzar Jugo Cargar el tanque

de mezcla

Dosificar 476Kg de Jugo de

manzana primario

Dosificar 476Kg de solución

dulce

Mezclar Agitar el contenido del

tanque

Enfriar a 15ºC

Transferir jugo dulce a tanque

de combinación

Combinar Jugo dulce

con Vitamina C

Adicionar

Vitamina C

Dosificar 48Kg de Vitamina

C

Mezclar Agitar el contenido del

tanque

Enfriar a 10ºC

Transferir a embotelladora

Empacar Jugo Embotellar Ubicar botella de vidrio

Llenar botella con jugo

Tapar botella Tabla 1. Modelo de Proceso

Al seleccionar cada componente del modelo de proceso se tuvieron en cuenta las siguientes

definiciones:

Proceso: Secuencia de actividades químicas y físicas para la conversión del jugo de

manzana primario en jugo de manzana embotellado suplementado con vitamina C.

Etapa. El proceso tomado como ejemplo consiste de un conjunto de etapas, libres de ser

secuenciales o simultáneas, sin embargo, por claridad se ha optado establecer etapas

secuenciales. Cada etapa se ha elegido considerando su independencia funcional respecto a

las demás y previendo que su ejecución provocará una secuencia de cambios físicos y/o

químicos sobre el material que procesa.

Operación de Proceso. Cada etapa de proceso se ha sub-divido en operaciones de proceso

buscando representar mediante las mismas, las actividades de procesamiento principales

que provocan un cambio físico, químico o de localización sobre el material procesado.

Acciones de Proceso. A su vez, cada operación de proceso se ha dividido en acciones de

proceso que buscan representar las actividades de procesamiento secundarias que en

conjunto constituyen la actividad de procesamiento principal (operación).

Resumen de las operaciones identificadas:

La Figura 1 resume la relación entre las entidades del modelo de procedimiento

seleccionadas. En esta figura se ha utilizado el diagrama PPC (Process Procedure Chart)

definido en la parte 3 de la norma ISA 88. En este diagrama los círculos representan las

entradas al proceso o los materiales intermedios, dentro de los rectángulos están

representadas operaciones de proceso. Las anotaciones se utilizan para especificar

parámetros de operaciones y la tabla que acompaña el gráfico indica las cantidades de

materia prima para las cuales ha sido diseñado el modelo.

Figura 1. Operaciones identificadas [3]

2. Diseño del Modelo Físico.

Para identificar el modelo físico, se inicia con la segmentación de las unidades de equipo.

Partimos del hecho de que nuestro ejemplo solo cuenta con una célula de proceso que

identificaremos como CEL_JMVC. La segmentación adicional del modelo físico debe

realizarse con base en un diagrama P&ID de la célula de proceso como el ilustrado en la

siguiente Figura 2.

Figura 2 Diagrama P&ID de la célula de proceso CEL_JMVC (jugo de manzana con vitamina C) (Por facilidad se han

omitido los equipos de embotellado).

2.1 IDENTIFICACIÓN DE UNIDADES.

La identificación de unidades dentro de la célula de proceso puede basarse en múltiples

critérios. Si se cuenta con el diagrama PPC (Ver Figura 1) es posible utilizar el criterio de

los materiales intermedios. En este sentido, cada punto de generación de un material

intermedio va a definir el límite de una Unidad de proceso. Utilizando este criterio las

unidades identificadas fueron:

Unidad Material intermedio

UND_JUGOM Jugo de Manzana

UND_JUGOMVC Jugo de Manzana con Vitamina C

UND_JUGOMVC_EM Jugo de Manzana con Vitamina C embotellado Tabla 2. Resumen de unidades identificadas

Por facilidad, en adelante se omitirá la descripción de los aspectos relacionados con la

unidad UND_JUGOMVC_EM. En la Figura 3 se presenta la segmentación de unidades.

Figura 3. Limitación de las unidades dentro de la célula de Proceso CEL_JMVC

2.2 IDENTIFICACIÓN DE MÓDULOS DE EQUIPO Y MÓDULOS DE

CONTROL.

Para identificar los módulos de equipo, basta con reconocer dentro de cada unidad el

equipo o grupo de equipo que realiza una o más acciones (definiendo acciones dentro del

modelo de control de proceso). Las acciones identificadas en el proceso se resumen en la

Tabla 1.

Identificación de Módulos de equipo en la Unidad de Jugo de Manzana.

Esta unidad se encarga de ejecutar la etapa de proceso: “Endulzar jugo”, la cual se divide

en las siguientes operaciones:

Cargar el tanque

Mezclar

A su vez la operación “Cargar el tanque” se divide en las siguientes acciones:

Dosificar 476Kg de Jugo de manzana primario.

Dosificar 476Kg de solución dulce.

Y la operación “Mezclar” se divide en:

Enfriar a 15ºC.

Agitar el contenido.

Transferir jugo dulce a tanque de combinación.

En la siguiente figura se limita el equipo que se encarga de estas cinco acciones dentro de la

unidad de Jugo de Manzana:

Figura 4. Limitación de equipos que realizan actividades de proceso en la Unidad de Jugo de Manzana

Una vez agrupados los equipos e instrumentos relacionados con cada acción de proceso

pasamos a clasificar cada grupo. Los grupos que contengan lazos de control y otros equipos

o instrumentos serán clasificados como módulos de equipo. Con base en esto, los módulos

de equipo dentro de la unidad son:

Módulo de equipo Actividad secundaria realizada

ME_DOSIF_JM Dosificar 476 Kg de jugo de manzana primario

ME_DOSIF_SOLD Dosificar 476 Kg de solución dulce

ME_ENFRIAR1 Enfriar a 15ºC Tabla 3. Resumen de Módulos de equipo identificados en la unidad UND_JUGOM

Los grupos en donde existan lazos de control únicos o instrumentos independientes serán

clasificados como módulos de control. Estos son:

Dosificar

476 Kg de

solución

dulce

Dosificar

476 Kg de

jugo de

manzana

primario

Agitar el

contenido Enfriar a

15ºC

Transferir al

Tanque de

Adición

Módulo de Control Acción del proceso (actividad secundaria)

MC_AGITADOR1 Agitar el contenido (Agitador 1)

MC_INYECTOR1 Transferir al tanque de adición (CV15) Tabla 4. Resumen de Módulos de control identificados en la unidad UND_JUGOM (Parte 1)

También serán clasificados como módulos de control los lazos de control e instrumentos

independientes localizados dentro de los módulos de equipo. Estos son:

Módulo de Control Acción del proceso

(actividad secundaria)

Lazo de control de Flujo (FI11, FC11, CV11) dentro del

módulo de equipo Dosificador de jugo de manzana.

Dosificar 476 Kg de jugo de

manzana primario

Bomba B10 dentro del módulo de equipo Dosificador de

jugo de manzana

Laso de control de Flujo (FC12, CV12, FI12) dentro del

módulo de equipo Dosificador de solución dulce.

Dosificar 476 Kg de solución

dulce

Bomba B12 dentro del módulo de equipo Dosificador de

solución dulce.

Lazo de control de temperatura (TIC13, CV13, CV14)

dentro del módulo de equipo Enfriador

Enfriar a 15ºC

Válvula de salida CV14 dentro del módulo de equipo

Enfriador Tabla 5. Resumen de Módulos de control identificados en la Unidad UND_JUGOM (Parte 2)

Identificación de Módulos de equipo en la Unidad de Jugo de Manzana con vitamina C.

Según el modelo de proceso definido (Ver Tabla 1) esta unidad se encarga de dos

operaciones:

Adicionar Vitamina C

Mezclar.

La operación “Adicionar Vitamina C” únicamente implica la acción:

Dosificar 48Kg de vitamina C

Y la operación “Mezclar” implica las siguientes acciones:

Agitar el contenido del tanque

Enfriar a 10ºC

Transferir a embotelladora

Figura 5. Limitación de equipos que realizan actividades de proceso en la Unidad de Jugo de Manzana con vitamina C

En la Figura 5 se limita el equipo que se encarga de las cinco acciones identificadas dentro

de la unidad de Jugo de Manzana con vitamina C. Luego, los grupos de equipo compuestos

por lazos de control y otros instrumentos serán clasificados como módulos de equipo. Los

módulos de equipo identificados son resumidos en la Tabla 6:

Módulos de equipo Actividad secundaria realizada

ME_DOSIF_VC Dosificar 48Kg de Vitamina C

ME_ENFRIAR2 Enfriar a 10ºC Tabla 6. Resumen de módulos de equipo en la unidad UND_JUGOMVC

Como se indica en la Tabla 7 Los grupos de equipo constituidos por instrumentos

independientes serán módulos de control.

Módulo de Control Actividad secundaria realizada

MC_AGITADOR2 Agitar el contenido (Agitador 2)

MC_INYECTOR2 Transferir a embotellado (CV24) Tabla 7. Resumen de módulos de control en la unidad JUGOM (Parte 1)

Finalmente, los lazos de control e instrumentos independientes dentro de los módulos de

equipo también serán módulos de control. Estos son:

Dosificar

48Kg de

Vitamina C

Enfriar a

10ºC

Agitar

Transferir a

embotelladora

Módulo de Control Actividad secundaria

realizada

Lazo de control de Flujo (FC21, CV21, FI21) dentro del módulo

de equipo Dosificador de vitamina C

Dosificar 48Kg de

Vitamina C

Bomba B20 dentro del módulo de equipo Dosificador de

vitamina C

Lazo de control de temperatura (TIC22, CV22, CV23) dentro del

módulo de equipo Enfriador

Enfriar a 10ºC

Válvula de salida CV23 dentro del módulo de equipo enfriador. Tabla 8. Resumen de módulos de control en la unidad JUGOM (Parte 2)

2.3 Resumen del modelo de equipos.

CEL_JMVC

UND_JUGOMVC

ME_DOSIF_VC

ME_ENFRIAR2

MC_AGITADOR1

MC_INYECTOR1

Indicador de Flujo FI21

Controlador de Flujo FC21

Válvula de control CV21

Controlador/Indicador TIC22

Válvula CV22

UND_JUGOM

ME_DOSIF_SOLD

Válvula de control de Flujo CV12

ME_DOSIF_JM

Válvula de control de flujo CV11

Bomba B10

Controlador de Flujo FC12

ME_ENFRIAR1

Válvula de control CV12

Controlador/Indicador TIC13

Indicador de Flujo FI11

Controlador de Flujo FC11

Indicador de Flujo FI12

Bomba de salida B12

Válvula de salida CV14

MC_AGITADOR2

MC_INYECTOR2

Válvula CV23

Célula de proceso

Módulo de equipo

Módulo de control

Unidad

3. Diseño del Modelo de Control de Procedimientos

Una vez hemos completado los modelos de control de procesos y físico, podemos pasar a

definir el modelo de control de procedimientos. Comenzamos por definir el Procedimiento,

el cual establece la estrategia para realizar un batch de producto [1], en nuestro ejemplo un

batch de jugo de manzana con vitamina C. El procedimiento asociado tendrá por nombre:

P_JUGO_MVC

3.1 Procedimiento de Unidad.

Se define como un conjunto ordenado de operaciones que provocan que una secuencia

consecutiva se lleve a cabo dentro de una unidad. Por tanto, a cada unidad le debe

corresponder por lo menos un procedimiento de unidad. Según los materiales intermedios

definidos en cada unidad (Tabla 2) y las etapas de proceso involucradas (Tabla 1), una

posible asignación es la siguiente:

Procedimiento de Unidad Unidad

PU_MEZCLA_JM UND_JUGOM

PU_ADICION_VC UND_JUGOMVC Tabla 9. Resumen de los Procedimientos de Unidad

Es importante destacar que aunque varios procedimientos de Unidad pueden estar

asociados con una única unidad, solo un procedimiento de unidad puede estar activo dentro

de la unidad en un instante dado.

3.2 Operación

Un procedimiento de unidad puede sub-dividirse en una o más operaciones, en el caso de

división en varias operaciones estas deben desarrollarse secuencialmente dentro de una

unidad, es decir, solo una operación puede estar ejecutándose en un instante dado dentro de

la unidad. Esto implica estructuras lineales en la representación de operaciones basada en

diagramas SFC (Sequential Function Charts).

Cada operación es un conjunto ordenado de fases que definen una actividad de

procesamiento principal. Para limitar el alcance de una operación, generalmente se

consideran los puntos o estados en donde el proceso puede ser detenido de manera segura.

Tomando tal consideración es posible proponer las siguientes operaciones:

Operación Procedimiento de Unidad

OP_DOSIFICAR PU_MEZCLA_JM

OP_ENFRIAR

OP_TRANSFERIR1

OP_ADICIONAR PU_ADICION_VC

OP_TRANSFERIR2 Tabla 10. Resumen de operaciones identificadas

3.3 Fases.

Esta entidad representa la parte más pequeñas del modelo de control de procedimientos y

está en capacidad de provocar una o más acciones de procesamiento [2].

Se debe prestar un especial cuidado al momento de la identificación de las fases del

proceso. Generalmente, se tiende a caer en el error de exagerar con la modularidad de las

fases y a convertir las partes de una fase dentro del PLC en fases; con esto se podría pensar

que se logra un alto grado de flexibilidad, pero gestionar dichas fases se puede volver muy

complicado y la flexibilidad se podría perder. Por ejemplo, el hecho de abrir una válvula no

debería ser señalado como una fase, encender una bomba tampoco. Pero, si por ejemplo, se

necesita calentar un líquido por transferencia de calor; y al encender la bomba se logra que

un fluido caliente empiece a circular por una tubería, y la abertura o no de la válvula va a

permitir el paso o no del fluido hacia otra tubería, entonces se podría pensar en una sola

fase que bien podría ser llamada calentar, la cual consistiría en encender una bomba y abrir

una válvula para la circulación de un fluido caliente en la tubería [2]. En la Tabla 11 se

resumen las fases identificadas para nuestro ejemplo.

Fase Descripción de fase Operación

DOSIFICAR_JMP Dosificar 476 Kg de jugo de manzana

primario

OP_DOSIFICAR

DOSIFICAR_SOLD Dosificar 476 Kg de jugo de solución dulce

AGITAR Agitar por 15 minutos

ENFRIAR Enfriar hasta llegar a 15ºC OP_ENFRIAR

INYECTAR Inyectar liquido hacia la unidad de adición de

vitamina C

OP_TRANSFERIR1

ADICIONAR_VC Dosificar 48Kg de Vitamina C OP_ADICIONAR

AGITAR Agitar durante 10 minutos

INYECTAR Inyectar liquido hacia la unidad de

embotellado

OP_TRANSFERIR2

Tabla 11. Resumen de fases identificadas

3.4 Resumen del modelo de control de procedimientos:

Procedimiento Procedimiento de Unidad Operación Fase

P_JUGO_MVC PU_MEZCLA_JM OP_DOSIFICAR DOSIFICAR_JMP

DOSIFICAR_SOLD

AGITAR

OP_ENFRIAR ENFRIAR

OP_TRANSFERIR1 INYECTAR

PU_ADICION_VC OP_ADICIONAR ADICIONAR_VC

AGITAR

OP_TRANSFERIR2 INYECTAR

4. Diseño del Modelo de Récipes.

Una vez especificado el modelo de control de procedimientos, pasamos a documentar el

proceso con el modelo de récipes. Los récipes son entidades contenedoras de la

información básica para definir los requerimientos de fabricación de un producto en

términos del proceso. Debido a la variedad de consumidores de la información en los

récipes dentro de la empresa resulta necesario definir cuatro tipos de récipes que son:

Récipes Generales

Récipe de Sitio

Récipe Maestro

Récipe de control

Los dos primeros tipos de récipe (General y de Sitio) son de nivel empresarial y se diseñan

en términos del modelo de proceso. Estos no serán tomados en cuenta dentro del presente

ejemplo. Los dos últimos (Maestro y control) apuntan hacia la célula de proceso y

contienen información específica del producto que se está fabricando. Estos récipes se

definen en términos del modelo de control de procedimientos.

Los récipes se dividen en cuatro secciones que se especifican a continuación:

Encabezado: Contiene información de gestión del récipe como: identificación del producto

fabricado, identificación del récipe, versión, fuente, fecha de edición, aprobados, estado,

autor y otra información.

Fórmula. Esta sección se divide en tres sub-secciones que son:

Entradas: Identifican la cantidad de materia prima u otros recursos necesarios para

realizar el producto. Generalmente se específican nombre y cantidad de los

recursos necesarios para fabricar una cantidad específica de producto.

Ocasionalmente se especifican substitutos permitidos para las entradas, expresados

en un formato común. El contenido de esta sección suele fundamentarse en el

modelo de materiales ISA S95 desarrollado para materiales primarios [4]. Una

alternativa de Entradas para la fórmula de jugo de manzana con vitamina C es la

siguiente:

Material Cantidad Unidad

Jugo de Manzana primario 476 Kg

Solución dulce 476 Kg

Vitamina C 48 Kg

Parámetros: Detallan información como temperatura, presión, o tiempo de

procesamiento del producto, sin caer en la clasificación de entradas y salidas.

Generalmente se definen parámetros de entrada y parámetros salida para cada una

de las fases del modelo de control de procedimientos. Los parámetros de entrada

resultan útiles para enviar información de consignas de proceso desde el sistema de

gestión del Batch hacia el Dispositivo que almacena las rutinas de las fases (PLC).

Algunos ejemplos de esta información son: Cantidades a dosificar, Temperaturas,

Caudal Requerido, etc. De otro lado, los parámetros de salida se emplean para que

el Controlador o PLC envíe información actual de proceso hacia el sistema de

gestión del Batch, según los requerimientos específicos de cada proceso.

La definición de estos parámetros puede fundamentarse en los parámetros

identificados para cada uno de los segmentos en los modelos de definición del

producto y proceso de ISA 95. Con fines de ejemplificación, se han definido

parámetros de entrada y salida para cada una de las fases involucradas obteniendo la

siguiente tabla de referencia:

Parámetros

Fase Entrada Salida Min Max Defecto Unidades

DOSIFICAR_JMP CANT_A_DOS CANT_DOS 0 500 476 Kg

DOSIFICAR_SOLD CANT_A_DOS CANT_DOS 0 500 476 Kg

AGITAR TIEMPO -- 0 30 15 MIN

ENFRIAR A_TEMP TEMP_R 5 20 15 ºC

INYECTAR CANT_A_INY CANT_ INY 0 1000 952 Kg

DOSIFICAR_VC CANT_A_DOS CANT_DOS 0 60 48 Kg

ENFRIAR A_TEMP TEMP_R 5 20 10 ºC

AGITAR TIEMPO -- 0 30 15 MIN

INYECTAR CANT_A_INY CANT_ INY 0 1500 1000 Kg

Salidas. Identifican la cantidad de material y/o energía que se espera de la ejecución

del récipe. Nuevamente, esta definición se basa en el modelo de materiales ISA S95

identificado, caso específico de materiales terminados. Una alternativa será:

Material Cantidad Unidad

Jugo de Manzana 1000 Kg

Requerimientos de Equipo. Condicionan la selección de equipos que eventualmente se

emplearán para implementar un procedimiento específico. La especificación puede llegar a

un nivel en el que se caractericen de manera inequívoca los equipos permitidos en la célula

de proceso indicando fabricantes y referencias puntuales. Si se han definido trenes en la

célula entonces, es posible que el récipe maestro se base en el equipo que conforma el tren

en lugar del equipo que conforma toda la célula. Esta información no se empleará dentro de

este ejemplo, sin embargo, debe ser considerada para el caso de estudio propuesto en la

materia Control Distribuido.

Procedimiento de Récipe. Es una definición de la estrategia para ejecutar el proceso,

generalmente documentada mediante SFCs (sequential function charts). La persona

encargada de editar el récipe está limitada por los elementos procedimentales que han sido

definidos en el diseño del modelo de control de procedimientos. Él editor podrá emplear

cualquier combinación de estos elementos procedimentales (Unidades de procedimientos,

Operaciones y/o Fases) para definir el procedimiento. La selección de cual o cuales

elementos procedimentales serán parte del procedimiento es específica de la aplicación y se

justifica en varios factores incluyendo las capacidades de los controles y los grados de

libertad del creador del récipe dentro de la aplicación. Una alternativa de procedimiento

basada en el modelo de control procedimental establecido es la siguiente:

Respecto al medio en que se documenta el récipe la norma no realiza ninguna

especificación, algunas empresas prefieren llenar formatos establecidos en forma manual,

otras utilizan hojas de datos electrónicas basadas en Excel o aplicaciones semejantes. Con

el fin de documentar el Récipe Maestro de nuestro ejemplo se define el siguiente formato:

ENCABEZADO

ID RPM_JMANZVC

Nombre del Producto Jugo de Manzana

Características Jugo de Manzana dulce y suplementado con vitamina C

Autor Guillermo Camacho

FÓRMULA (Para un batch de 1000Kg )

Entradas

Material Cantidad Unidad

Jugo de Manzana Primario 476 Kg

Solución Dulce 476 Kg

Vitamina C 48 Kg

Salidas

Material Cantidad Unidad

Jugo de Manzana 1000 Kg

Parámetros

Fase Entrada Salida Min Max Defecto Unidades

DOSIFICAR_JMP CANT_A_DOS CANT_DOS 0 500 476 Kg

DOSIFICAR_SOLD CANT_A_DOS CANT_DOS 0 500 476 Kg

AGITAR TIEMPO -- 0 30 15 MIN

ENFRIAR A_TEMP TEMP_R 5 20 15 ºC

INYECTAR CANT_A_INY CANT_ INY 0 1000 952 Kg

DOSIFICAR_VC CANT_A_DOS CANT_DOS 0 60 48 Kg

ENFRIAR A_TEMP TEMP_R 5 20 10 ºC

AGITAR TIEMPO -- 0 30 15 MIN

INYECTAR CANT_A_INY CANT_ INY 0 1500 1000 Kg

PROCEDIMIENTO

5. Bibliografía.

[1] Committee SP88. ISA-S88.01, Batch Control Part 1: Models and Terminology

ANSI/ISA S88.01 Batch Standard, The Instrumentation System and Automation Society,

1995.

[2] AVILA, Rubén Andrés e IDROBO, Brigitte Eliana. “Norma ISA S88 aplicada como

caso de estudio a un sistema de procesamiento UHT”, Proyecto de Grado. Universidad del

Cauca 2007.

[3] KAZUMI, Izu et al. “Introduction to S88. For the improvement of the design of batch

systems JBF”. Translated Version. 2007, JBF.

[4] Committee SP88. ISA-S88.03, Batch Control Part 3: General and site recipe models and

representation, The Instrumentation System and Automation Society, 2003.