Foro Electrónico Internacional AUTOMATIZACION de PROCESOS en la INDUSTRIA LACTEA

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AUTOMATIZACION de PROCESOS en la INDUSTRIA LACTEA

9 al 23 de Julio de 2007

Convocan:

INTRODUCCIONINTRODUCCION

El presente documento pretende dar una guía de los conocimientos básicos para automatizar una planta láctea.

Dicha información no trata acerca de aspectos químicos o bacteriológicos de los diferentes procesos de producción o de la materia prima en sí.

PAUTAS GENERALES PARAPAUTAS GENERALES PARAAUTOMATIZAR PROCESOSAUTOMATIZAR PROCESOS

a) Especificaciones y lógica

La primera pauta a tener en cuenta cuando se quiere describir un proceso es su modalidad. Es en este caso muy importante tener claro conceptos tan básicos como procesos en línea,por lotes,etc.

Con esta primer idea podemos especificar a la empresa contratada o al programador, con orden,sin redundancia y sin omisiones,y así evitar malos entendidos o futuros errores en el funcionamiento automático del proceso.


En general en la industria alimenticia y mas específicamente en la industria Láctea los procesos son por lote por lo tanto será de utilidad el buen manejo de parte del experto en procesos de:

� Diagramas tipo grafcet o� Diagrama secuencial

Actualmente este tipo de descripción es aplicable no solo a procesos de producción, limpieza en línea o acondicionamiento de líneas de envasado sino también a la envasadora propiamente dicha, lo que muestra el beneficio de su uso.


Diagramas secuenciales o grafcet:� Aplicaremos dicho standard a procesos en lote los

cuales poseen la característica de ser iniciados y detenidos por un operario mediante una interfaz (posteriormente se tratará este tema), o por algún evento en forma automática.

� Conceptos básicos: Los diagramas poseen por su naturaleza elementos gráficos que tienen un significado lógico,dichos elementos son:

� Paso� Transición� Acción.


Daremos un ejemplo para fijar ideas:Etapa o paso 1 corresponde a agregado de ingrediente y la Accion A corresponde a encender bomba,agitador y abrir valvulas involucradas.

Para pasar a la Etapa 2 antes se debe haber dado la transicion “a” que podria corresponder a cierto nivel de tanque que llegó a un valor optimo.Entonces en la etapa 2 se procede a calentar,abriendo valvulas de vapor o el sistema de calentamiento que se utilice(Accion B) y manteniendo el agitador encendido.

El inicio de este proceso se considera como etapa 0 y pudo ser desencadenada en forma manual por un operario o automática por otro proceso.El Fin del mismo será la etapa 3 desencadenado por la transición “b” temperatura optima de calentamiento, donde se desenergizan todos los equipos (Accion C).


Ejemplo Mezclas:Esquema de planta


� LógicaLa tecnología actual, en cuanto a hardware y software de control automático de procesos, permite implementar dichos diagramas directamente ya que poseen el editor de diagrama secuencial correspondiente. Si el equipo adquirido no posee software con este editor el programador igualmente tiene posibilidad de utilizar otros lenguajes e implementarlo cumpliendo con el standard .Los lenguajes mas comunes son: diagrama escalera, texto estructurado o bloques de funciones.Es importante inspeccionar que la lógica no pierda la estructura de la descripción funcional ya que esto va en detrimento de futuras modificaciones en los procesos.


b) Arquitectura Integrada� Procesos secuenciales

� Son aquellos procesos que se cumplen por etapas o pasos.� Las transiciones a diferentes etapas son por evento o por tiempo.� Pueden existir etapas en las cuales se realizan controles de

variables analógicas(temperatura,nivel,caudal,densidad,etc.)

� Lazos de Control


� Lazos de Control

� En general se utilizarán formas de control convencional del tipoProporcional Integral Derivativo o Proporcional Integral para elcontrol de variables como las nombradas en el punto anterior.

� Ejemplos: Lazo de Control de temperatura pasteurización, de dosificado de aditivos, de nivel de líquidos en tanques,etc.

� Variables de Proceso mas comunes: Temperatura, Nivel, Caudal,Presión, Densidad.

� Variables de Control mas comunes: Posición en válvulas de suministro de vapor,agua fría,velocidad de bombas o ventiladores(deben poseer equipos para variar velocidad),etc.


� Lazos de Control� En los casos mas sencillos el valor de consigna o setpoint es

suministrado por el operador vía alguna interfaz maquina-humano.� En otros casos la variable de control de un lazo podría ser la consigna de

otro lazo. Esto se suele llamar lazos en cascada.

En general los controladores automáticos de proceso poseen un conjunto de instrucciones que incluyen una instrucción llamada “PID” que contiene la ecuación con sus parámetros a sintonizar yvariables correspondientes. Inclusive hay tecnologías que permiten mediante algunas condiciones, la auto sintonización de dichos lazos.

� En conclusión: el concepto de arquitectura integrada engloba básicamente ambas formas de control, es decir, se trata de hardware y/o software que permite considerar Procesos Secuenciales y Lazos de Control, ya sea por separado o en combinación.


Ejemplo: DiagramaSecuencial Pasteurizador combinando Control de Variables Analogicas


c) Sistemas de supervisión y monitoreoLlamaremos sistema de supervisión y monitoreo al conjunto de controlador o controladores automáticos de procesos integrados auna o mas interfases de operación.Dichas interfases pueden variar desde mímicos de lámparas con botones y pulsadores de mando, al mas sofisticado sistema de software con arquitectura cliente-servidor, pasando por terminales de campo gráficas o alfanuméricas.Es importante tener claro que existe dependencia entre los controladores y las interfases, es decir,estas últimas no son autónomas, debido a que es el controlador el que le suministra los datos, ya sea para comando o monitoreo.


d) Nivel MES (Manufacturing Execution System)� Qué interrelaciona?

� Es el nivel intermedio entre el sistema de control de la planta y la capa de gestión de la empresa (aplicable solo si esta última ya existe o se va a implementar a futuro) comúnmente operada mediante un sistema ERP.

� Qué nos ofrece?� Mejorar el seguimiento de la materia prima, del producto

intermedio y final,y de esta manera reducir costos y mejorar el manejo con los proveedores.

� Manejo controlado de los pedidos de tal manera que la gestión de operaciones de la planta sea realimentada en forma permanente.


d) Nivel MES (Manufacturing Execution System)

Control por Lotes

Control por Lotes

ControlDiscreto

ControlDiscretoControl

continuo

Control continuo

EquiposEquipos

Dispositivos de campoDispositivos de campo

FabricaciónFabricación

Logistica y operaciones

Logistica y operaciones

MES

NIVEL DE PLANTA

ERP


d) Nivel MES (Manufacturing Execution System)Aspectos a tener en cuenta a la hora de implementar dicha solución.� El nivel de automatización de la planta si bien no tiene porque ser

el mas actual que provea el mercado tampoco debe ser obsoleto. Es importante recordar que este es el origen de la información que posteriormente se va a procesar y que va a desencadenar una serie de decisiones.

� Se debe estudiar la compatibilidad del ERP existente o futuro con el proveedor de la solución a nivel MES que se vaya a adquirir.

� Hay que prever cierta preparación de la información para compatibilizar con las nuevas fuentes, es decir, es posible y tal vez se debería considerar como óptimo que los proveedores de todos los niveles trabajen en conjunto.

� En conclusión, la implementación de un sistema de este tipo si bien dará a la empresa beneficios a mediano plazo nos obliga a considerar una preparación previa para que la puesta en marcha del mismo sea lo mas rápida y ordenada posible.

ARQUITECTURAS DE SISTEMAS DE ARQUITECTURAS DE SISTEMAS DE CONTROLCONTROL

a) Controladores ProgramablesDefinimos controladores programables como equipos industriales que tienen la capacidad de procesar programas que se sirven de datos de planta que llegan mediante señales eléctricas (sensores, transmisores, estados en gral, etc) y dan mando sobre equipos (valvulas, motores,etc), respetando dicho programa.

� Arquitectura centralizadaConsta de un controlador central que maneja señales conectadas en la estructura local que éste posee. Esta estructura puede ser modular o compacta.

UNIDAD

CENTRAL

SEÑALES

EN PLANTA


� Arquitectura DistribuidaLa señales de planta llegan al controlador en forma remota ya sea por la expansión de la estructura local o gracias a la existencia de una estructura remota. Las unidades remotas pueden o no poseer controlador autónomo.

UNIDAD

REMOTAUNIDAD

REMOTA

UNIDAD

REMOTA


b) Redes Industriales� Generalidades

� Las redes industriales son un conjunto de sistemas de comunicación protocolarizada que interconectan señales de planta con un controlador, y/o un controlador con una terminal de operación, etc. El medio físico que en general utilizan es un único cable de datos que transporta lainformación.

� Redes de uso común disponibles actualmente:� DeviceNet – Básicamente apunta a la conexión de dispositivos al sistema de

control. Ejemplo: Sensores, actuadores de válvulas, variadores de velocidad de motores, etc. que poseen electrónica adecuada para pertenecer a la red.

� FieldBusFoundation-Conexión de instrumentos. Ejemplos: Caudalimetros, Medidores de Nivel, densidad, pH, conductividad, etc.

� Ethernet Industrial Protocol-Conexión de unidades remotas, algunos dispositivos, terminales de operación.

� ControlNet-Conexión de unidades remotas, algunos dispositivos, terminales de operación.

� ProfiBus-Conexión de unidades remotas, algunos dispositivos, terminales de operación.

� ModBus-Conexión de unidades remotas, algunos dispositivos, terminales de operación.


b) Redes Industriales

INTERFASES HMIINTERFASES HMI

a) Conceptos generales de sistemas SCADAUn sistema SCADA como lo dice su sigla (Supervisory Control and Data Acquisition) es un paquete de software diseñado para operar y supervisar una planta industrial. Como ya dijimos esto es posible una vez establecida la comunicación con el controlador. Una vez desarrollada una aplicación a medida este sistema proporcionará información del proceso en tiempo real mediante objetos animados.


i) Como especificar sistemas SCADA. En general se debe proporcionar al desarrollador los siguientes datos:� Cantidad de pantallas con vista completa de sectores de la planta.� Cantidad de indicaciones y mandos por equipo y por proceso que se pretenden.� Normativa de colores en las indicaciones y mensajes. (Si se utiliza alguna en

particular, sino el desarrollador debe proporcionar un standard).� Manejo de fallas de equipos, alarmas y prioridades.� Normativa de simbología en objetos que representan válvulas on-off o modulantes,

bombas, intercambiadores de calor, resistencias, botones, pulsadores, sensores, instrumentos en gral, etc.. (Si se utiliza alguna en particular, sino el desarrollador debe proporcionar un standard).

� Sistema operativo licenciado actual o futuro, de tal forma de descartar incompatibilidades.

� Capacidad de los computadores personales y/o servidores actuales o a adquirir para la implementación.

� Cantidad de puestos de operación.� Tipo de arquitectura de la red de datos local (LAN). (Switches, controladores de

dominio, etc)� Condiciones ambientales en sala de control o en planta.


� En especial en la industria láctea se debe tener en cuenta los siguientes puntos:� Tratamiento de los datos históricos, periodicidad, respaldo, etc.� Formato de las gráficas, colores de plumas, escalas ,etc.� Tratamiento de las actividades de operación según identificación

con usuario y contraseña.� Pantallas auxiliares con recordatorios para los operarios

desplegadas por evento.� Permisos para operación y acceso según diferentes niveles de

seguridad.� Flexibilidad del sistema para adaptarse al cumplimiento de

normas internacionales.


ii) Características generales de estaciones de operación en campo. � Deben ser del tipo industrial con protección frontal contra agua,

fluidos corrosivos (sin exposición permanente), etc.� En general se pueden utilizar paneles industriales gráficos,

monitores industriales, mouse y teclado industrial con extensor a la CPU o inclusive que todo el equipo sea industrial. Estos últimos solo en los casos que se requiera imágenes a color de alta resolución.

� Los paneles y monitores pueden ser tipo “touch screen”, con teclado o combinados.

� Si la aplicación SCADA en campo debe contener la misma información que la de planta es conveniente que la capacidad de procesamiento sea de considerable importancia.


iii) Características generales de estaciones de operación en sala. � En sistemas distribuidos: Servidor o servidores de datos

conectados a clientes (estaciones remotas de operación tipo computadores personales)

� Es importante que sean equipos confiables y robustos en cuanto a su performance.


ControladoresTerminales Graficas

Ejemplo:Sistema distribuido


b) Seguridad en la operación� Las políticas de seguridad deberían ser definidas por la

Gerencia de producción de la planta.� En su defecto pueden ser heredadas de la seguridad ya

implementada en el acceso a la red de datos.� Se deben definir diferentes niveles de acceso pero es

deseable que los usuarios posean contraseñas individuales.

� La seguridad en la operación, implementada correctamente, es de gran utilidad para evitar accidentes, perdidas de producto y da valor agregado sobre todo en plantas que están certificadas o en proceso de certificación.


c) Registros históricos.i) Datos de proceso.

La información sobre el proceso que puede ser registrada históricamente es toda aquella que es procesada por el controlador y que de alguna manera es enviada a un sistema SCADA o un a software específico para tratamiento de datos en forma masiva.Ejemplos: captura de medidas en ciertos partes de un proceso, estado de equipos a lo largo de un período con el propósito de contabilizar las horas de funcionamiento para posterior mantenimiento, etc.

ii) Acciones de operaciónEs posible registrar actividades del tipo inicios y/o fines de procesos por parte de los operadores o supervisores, accionamientos manuales de válvulas, motores, etc., apagado y encendido de estaciones SCADA, para determinar períodos de corte de energía eléctrica, etc.

Aplicación en áreas de serviciosAplicación en áreas de servicios

Las herramientas de hardware y software anteriormente descriptas pueden ser aplicadas en casi todas las áreas industriales mientras cumplan los requisitos de certificaciones correspondientes a las zonas donde van a ser instaladas, el área de servicios de una planta es un ejemplo.Los sectores de la misma a incluir en la automatización pueden ser:� Suministro de agua blanda� Suministro de aire comprimido.� Áreas de manejo de amoníaco.� Suministro de vapor (Calderas)� Control y monitoreo de combustibles.� Cámaras y túneles de congelado, áreas de expedición y

paletizado.

Aplicación en tratamientos de Aplicación en tratamientos de efluentesefluentes

Integrar señales de esta zona a la automatización de la planta es importante no solo para mejorar aspectos ambientales sino también para detectar perdidas de producto mediante mediciones con instrumentos en línea para análisis de fluidos: pH, conductividad, cloro libre, oxigeno disuelto, etc. El consumo de agua es un tema importante en la producción láctea, su reducción es un desafío y una fuente de reducción de costos interesante. La automatización hecha adecuadamente, junto a un diseño adecuado de las líneas de procesos puede tener un impacto significativo para disminuir los índices de consumo de agua por Kg. de leche entrada a planta.

Integración de actuadores y Integración de actuadores y sensores al sistema de control sensores al sistema de control

Los accionamientos o pre-accionamientos que se integran al sistema de control son los siguientes:

� Bombas, motores y ventiladores( pre-accionamientos �contactores, arrancadores de estado sólido, variadores de frecuencia,)

� Válvulas (pre-accionamientos � solenoides, motores, etc)� Resistencias� Los sensores: Detectores Inductivos (ej. posición del vastago de la

válvula), capacitivos, vibrónicos (ej. desborde de un tanque), ultrasónicos, detección de metales,etc.

� Las realimentaciones: estado de térmicos y contactores, velocidad y estado de parada o arranque de un motor.

� Las variables analógicas: Caudal Inst., Volumen, Masa, Densidad,Nivel, Presión, Temperatura, pH, conductividad, Humedad, MateriaGrasa, etc.

Como dijimos anteriormente con tecnología apropiada esta información puede comunicarse mediante algún protocolo industrial.

PreguntasPreguntas

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