Alternativas de Solución de Proyecto de Titulación

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1 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Alternativas de Solución de Proyecto de Titulación Diseño e Implementación del Sistema de Control para un Nuevo Espesador de Relaves HRT Presentado por: Rodrigo Alucema Vargas ROL USM: Profesor guía: Sr. Alejandro Suárez Sotomayor Fecha: 28/10/2014

2 INTRODUCCIÓN En el presente documento se darán a conocer las alternativas de solución consideradas para llevar a cabo el Proyecto Diseño e Implementación del Sistema de Control para un Nuevo Espesador de Relaves HRT, enfocándose en otorgar la mejor solución técnico-económica para el control del nuevo equipo en la planta concentradora Ujina de Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi (CMDIC). ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN Como fue descrito en el informe [1], el proyecto debe ser analizado, desde el punto de vista de la Ingeniería Electrónica, por distintos aspectos. Para el más importante, el sistema de control, tenemos tres alternativas referentes a la arquitectura de diseño y desarrollo de los equipos de control, a continuación se exponen estas alternativas. Los requisitos mínimos necesarios no excluyen a ninguna de las posibles alternativas, posteriormente en el trabajo de memoria se entregarán antecedentes más acabados para requisitos de hardware y software. Sin embargo, en las competencias del proyecto de título es importante definir las características técnicas mínimas: - Desde el punto de vista del hardware, este debe trabajar de forma normal a las condiciones de sitio existentes, principalmente la altitud (4.400 m.s.n.m.) y temperatura (máxima y mínima: 20 C y -20 C, respectivamente) en la que estarán expuestos. - Poseer tecnología compatible con el hardware y software existentes. - Protocolo de comunicación entre controladores debe ser Ethernet TCP/IP. - Comunicación entre controladores y equipos como: variadores de frecuencia (VDF), centro de control de motores (CCM), relés inteligentes y gateways por protocolo Profibus DP. - Toda instrumentación debe ser cableada como 4-20 [ma] para señales análogas y tipo relé 120 V para señales digitales. - Debe existir personal experto, por parte de los proveedores de los equipos e instrumentos, en la etapa de Puesta en Marcha (PEM). 1

3 CRITERIOS DE SELECCIÓN Para el sistema de control existes múltiples alternativas, en cuanto a equipos e instrumentos, pero en la etapa de Ingeniería de Detalles, cuando se licitó, solo dos Proveedores enviaron sus ofertas. A continuación se exponen estas alternativas. Recordar que se denomina DCS a los sistemas de control en que los elementos de control no están ubicados localmente, sino que se distribuyen en todo el sistema con cada componente o sub-sistema controlado por uno o más controladores. Todos los componentes del sistema están conectados a través de redes de comunicación y monitoreo. Las características que debe tener el DCS son: Flexibilidad y Capacidad Expansión: Capacidad de elegir o aumentar el número de variables de entrada, salida y del número de controladores debido a una amplia gama de aplicaciones expansibles y clientes específicos. Operaciones de Mantenimiento: Las configuraciones de control e interfaces de operador deben ser fáciles de mantener y modificar no solo por ingenieros profesionales. Apertura: Las variables y parámetros de control son leídos y escritos desde otras funciones de control. Operatividad: Funciones avanzadas de control se deben mostrar en las mismas ventanas de operación y debe ser leída por los operadores sin dar ninguna confusión. Portabilidad: Parte del algoritmo de control no depende del entorno de hardware y debe poder adaptarse a distintas tecnologías informáticas. Rentabilidad: Las ventajas de los algoritmos de control debe quedar claro. No sólo acerca de la controlabilidad, sino también acerca de las inversiones realizadas, antes y después de la implementación de DCS. Robustez/Redundancia: La redundancia en sistemas de control apunta a disponer elementos/componentes adicionales que garantizan la operación de las funciones que cumplen dentro del sistema de control frente a fallas del mismo. 2

4 ALTERNATIVA N 1: SISTEMAS DE CONTROL - ABB La solución del DCS ofrecido por ABB es el Industrial IT System 800xA 5.0 SP2. Este DCS está conformado por múltiples servidores de conectividad encargados de concentrar la información proveniente de los controladores AC800M, distribuidos en las distintas salas eléctricas de la planta. Por otra parte, se encuentran los servidores de aspecto HMI encargados del despliegue de la información en pantalla y operación. Para la validación técnica de la oferta, se ponderó la descripción de la solución (que se adjunta en Anexo 1) según la cual se presenta una clara integración con el sistema existente en cuanto al hardware de comunicaciones, tanto para el Controlador del Nuevo Espesador de Relaves 187-TK-3001, como para el nuevo Cluster en el Área de Reactivos y para la ampliación en la Estación de Operación en la Sala de Control Mineroducto. En el listado de suministros considerados se incluye la totalidad de los módulos de Entrada y Salida (E/S), digitales y análogas, requeridos para conectar las señales de terreno al DCS. A solicitud de CMDIC se sustituyeron las fuentes de poder individuales Acopian 120VDC/200mA por una de mayor capacidad 120VDC/2 A, en reemplazo de las anteriores. Se consideró una fuente de poder adicional para la puesta en marcha. Además de lo anterior, se ha considerado la totalidad del suministro necesario para los enlaces de comunicación a VDF s, CCM s, Equipos Inteligentes de Medidas (IED), y Sistema de Control del Mecanismo de Tracción De La Rastra del Espesador HRT. Considerando tanto los módulos de comunicación propios del DCS, como también los equipos adicionales requeridos para la conectividad, como switches Ethernet, conversores de medio y gateways. En cuanto al enlace de comunicaciones, con el Sistema de Control del Mecanismo de Tracción de la Rastra del Espesador HRT, el suministro de ABB contempla la realización de un estudio de las comunicaciones, analizando distintos escenarios de falla y estrategias de configuración en la comunicación, de manera a minimizar el impacto en caso de presentarse alguna falla. Esto apunta a conseguir un correcto funcionamiento del enlace DCS-PLC Espesador HRT. Los Servicios ofertados contemplan diseño, implementación, pruebas y puesta en servicio de la Ampliación al Sistema de Control de la Planta. Desde los Gabinetes de Control hasta la programación de Lógicas y Configuración de Pantallas de Operación. 3

5 OFERTA DE ABB La oferta contempla la provisión de servicios, software y hardware para el proyecto Nuevo Espesador de Relaves, perteneciente a CMDIC. La cotización se basa principalmente en: Expansión de licencias para System 800xA (CLP s, TAG s, etc.) para el DCS existente. Suministro de un (1) gabinete de control y cuatro (4) gabinetes de E/S local (187-CO- 821). Suministro de un (1) gabinete de I/O (montado en sala eléctrica 160-ER-01). Servicios de configuración en Santiago (incluye pruebas FAT y CAT). Servicios para Puesta en Marcha. Según los antecedentes entregados, en término de Ingeniería de Sistemas (servicios de configuración de lógicas, señales y gráficos HMI) se solicita lo siguiente: Servicio de configuración y comisionamiento de señales, las cuales son en total: - Entradas Análogas : 40 - Salidas Análogas : 18 - Entradas Discretas : Salidas Discretas : 88 Ampliación y diseño de HMI y ambiente de trabajo: - Gráficos HMI (proceso) : hasta 10 - Señales históricas : hasta 60 puntos Integración con equipos de terceros: - VDF : 4 equipos Profibus DP (2 en área 187 y 2 en área 168) - CCM : 1 equipo Profibus DP (en área 187) 4

6 - IED/RTU : 8 equipos Modbus RTU - PLC Espesador : 1 equipo Ethernet IP más 1 gateway Modbus TCP Figura 1: Arquitectura de Sistema DCS Industrial IT de ABB Ventajas: 1. Integración total con el hardware existente. 2. Rápida expansión de despliegues y gráficos, en estaciones de operación. Dado la compatibilidad en software. 3. No es necesario capacitar a personal de mantención, equipos son de la misma línea. Desventajas: 1. Proveedor ofrece hardware y software actuales, pero es sabido que pronto aparecerá nueva línea y podría existir bajo stock en repuestos. 5

7 ALTERNATIVA N 2: DCS SCHNEIDER ELECTRIC La solución del DCS ofrecido por Schneider Electric es el Modicon Quantum. Este DCS está conformado por CPU redundantes, con comunicación Ethernet hasta los módulos de E/S periféricos. Asimismo, la comunicación con equipos mayores o drives existentes es a través de comunicación de bus de camp o Profibus DP. La solución que entrega Schneider Electric es apta para el control del Espesador, se debe analizar la integración con el sistema existente en cuanto al hardware de comunicaciones, tanto para el Controlador del Nuevo Espesador de Relaves 187-TK-3001, como para el nuevo Cluster en el Área de Reactivos y para la ampliación en la Estación de Operación en la Sala de Control Mineroducto. En el listado de suministros considerados se incluye la totalidad de los módulos de Entrada y Salida (E/S), digitales y análogas, requeridos para conectar las señales de terreno al nuevo controlador. A solicitud de CMDIC se hizo un requerimiento de las fuentes de poder individuales de 120VDC/2 A (las del sistema actual entregan menores valores de corriente eléctrica). Además, se considera una fuente de poder adicional para la puesta en marcha. Por otra parte, se ha considerado la totalidad del suministro necesario para los enlaces de comunicación a VDF s, CCM s, Equipos Inteligentes de Medidas (IED), y Sistema de Control del Mecanismo de Tracción De La Rastra del Espesador HRT. Se ha considerado el suministro del nuevo controlador con tarjetas de comunicación Modbus TCP y Ethernet. OFERTA DE SCHNEIDER La oferta contempla: Suministro de un (1) gabinete de control (140-CPU ) y cuatro (4) gabinetes de E/S (modelo 140-CRP ). Suministro de Estación de Operación dedicada para Nuevo Espesador, incluye paquete de licencias UNIT PRO XL v7.1 para el DCS. - Gráficos HMI : más de 10 depliegues - Señales históricas : al menos 60 puntos 6

8 Suministro de un (1) gabinete de I/O (modelo 140-CRP ), en sala eléctrica 160- ER-01). Servicios de configuración (pruebas FAT y CAT). Servicios para Puesta en Marcha. Servicio de configuración y comisionamiento de señales, las cuales son en total: - Entradas Análogas : 40 - Salidas Análogas : 18 - Entradas Discretas : Salidas Discretas : 88 Integración con equipos de terceros: - VDF : 4 equipos Protalk Q PDMP V1 Profibus DP (2 en área 187 y 2 en área 168) - CCM : 1 equipo Protalk Q PDMP V1 Profibus DP (en área 187) - IED/RTU : 4 tarjetas de comunicación NOE Modbus RTU - PLC Espesador : 1 equipo Ethernet IP más módulo de comunicación con protocolo Modbus TCP 7

9 Figura 2: Arquitectura de Sistema DCS Modicon Quantum. Ventajas: 1. Proveedor ofrece hardware y software actuales, tecnología no obsoleta en los próximos 10 años. Desventajas: 1. Mayor complejidad para una integración total con el hardware existente. 2. Programación completa en HMI - Estaciones de Operación proyectadas. 3. Se necesita capacitar a personal de mantención y operaciones en uso de nueva tecnología. 8

10 ALTERNATIVA N 3: DCS HONEYWELL La solución del DCS ofrecido por Honeywell es el Experion serie C200. Todos los dispositivos Honeywell 200 se encuentran diseñados para ser conectados en un solo chasis, permitiendo optimizar el espacio dentro de gabinetes y la comunicación interna. La comunicación entre los controladores y la supervisión es a través de un protocolo abierto y propietario, llamado ControlNet. El cual cuenta con sus propios requerimientos si la comunicación es por medio de cable coaxial o fibra óptica (restricciones de distancia máxima de comunicación). Este DCS está conformado por CPU redundantes, con comunicación ControlNet. Cada dispositivo que quiera comunicarse a ella debe estar conectado como un nodo, es decir, requiere una dirección de red única, luego de configurar cada dispositivo se puede establecer la comunicación. La solución que puede entregar Honeywell es apta para el control del Espesador, al igual que la solución de Schneider Electric, se debe analizar la integración con el sistema existente en cuanto al hardware de comunicaciones, tanto para el Controlador del Nuevo Espesador de Relaves 187-TK-3001, como para el nuevo Cluster en el Área de Reactivos y para la ampliación en la Estación de Operación en la Sala de Control Mineroducto. En el listado de suministros considerados se incluye la totalidad de los módulos de Entrada y Salida (E/S), digitales y análogas, requeridos para conectar las señales de terreno al nuevo controlador. Por otra parte, se ha considerado la totalidad del suministro necesario para los enlaces de comunicación a VDF s, CCM s, Equipos Inteligentes de Medidas (IED), y Sistema de Control del Mecanismo de Tracción De La Rastra del Espesador HRT. Se ha considerado el suministro del nuevo controlador con tarjetas de comunicación Modbus TCP y Ethernet. 9

11 Figura 3: Arquitectura de Sistema DCS Experion serie C200. Ventajas: 1. Proveedor ofrece hardware y software actuales, tecnología no obsoleta en los próximos 10 años. 2. Solución presenta robustez de comunicación, al individualizar cada dispositivo con una dirección. Desventajas: 1. Gran complejidad para la integración total con el hardware existente. Se requiere un cambio de protocolo de comucación. 2. Programación completa en HMI - Estaciones de Operación nuevas. 3. Se necesita capacitar a personal de mantención y operaciones en uso de nueva tecnología. 10

12 CONCLUSIONES El presente documento muestra las diferentes alternativas, para el desarrollo del proyecto de título Diseño e Implementación del Sistema de Control para Nuevo Espesador HRT. Se presentan las alternativas que se barajan para la implementación. El siguiente paso, corresponde a la selección de las alternativas, basado en los requerimientos del cliente, viabilidad técnica y económica. La etapa siguiente, en Ingeniería de Detalles, se denomina evaluación técnicoeconómica. Cabe destacar que dentro de la etapa de Ingeniería de Detalles también se evaluaron técnicamente la instrumentación de terreno, y los gabinetes de control y comunicaciones. Pero para efectos del Proyecto de Título se enfatiza mayormente lo referente al Sistema de Control, pues es ahí donde converge toda la automatización y control del Espesador. REFERENCIAS [1] Rodrigo Alucema, informe Estado del Arte de Proyecto de Titulación. Sistemas de Control DCS implementados en la Industria. [2] JRI Ingeniería S.A., documento Lista de Requerimientos y Hoja de Datos Sistema de Control. [3] ABB, información técnica DCS Sysstem 800xA. [4] Schneider Electric, información técnica DCS Modicon Quantum. [5] Honeywell, información técnica DCS Experion. https://www.honeywellprocess.com/en- US/explore/products/control-monitoring-and-safety-systems/integrated-control-and-safetysystems/experion-pks/pages/default.aspx 11

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