Diseño de un DCS para una Unidad de Destilación Atmosférica en una refinería de petróleo.

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1 TCA Diseño de un DCS para una Unidad de Destilación Atmosférica en una refinería de petróleo. Autores: Camilo Morales Corral, Ariel de Malas Quintana Resumen Este trabajo se realiza un análisis de los Sistemas de Control Distribuidos (DCS). Se comienza con el modelo piramidal de automatización y el concepto de integración, para llegar a definir la arquitectura de un DCS. Luego se realiza una comparación entre los sistemas ofertados por los fabricantes más conocidos de equipos para la automatización de procesos. Se realiza una comparación de los sistemas teniendo en cuenta funcionalidades y equipamientos, bajo la premisa que se trabaja para una industria de procesos de gran complejidad, como una refinería. También se define el uso de los sistemas de alta disponibilidad y la necesidad de un sistema integrado de seguridad y protección. Palabras Clave control automático de procesos, control distribuido, disponibilidad, seguridad. I. INTRODUCCIÓN En una planta de procesos, el sistema de control es el encargado de mantener los puntos de operación dentro de los valores adecuados, disminuyendo la intervención directa del operador. Para conseguir su objetivo debe contar, como mínimo, de un elemento que cuantifique el estado de cada una de las variables, un elemento inteligente que basándose en estos valores decida qué acciones realizar, un tercer elemento que materialice dichas decisiones, y por último un canal de comunicación entre ellos. La instauración de este tipo de sistema es de vital importancia ya que con él viene acompañado un aumento de la productividad y la calidad del producto terminado, lográndose además disminuir el consumo de energía y materiales. Teniendo en cuenta que los sistemas de producción continuos pueden ser vistos como una organización jerárquica en forma de pirámide con varios niveles, se hace lógico que el modelo piramidal de automatización sea el más difundido. Según la referencia [1], este modelo cuenta con cinco niveles: Nivel 0 Proceso, Nivel 1 Control, Nivel 2 Supervisión, Nivel 3 Planificación. Nivel 4 Empresa. Actualmente se requieren soluciones en las que se reduzca al máximo los tiempos empleados en el desarrollo de los sistemas; desde el diseño hasta la puesta en marcha. Además de esto se necesita que el sistema cuente con una mayor disponibilidad y flexibilidad. Estas son las causas que llevan al desarrollo del concepto de Automatización Totalmente Integrada (TIA), que no es más que lograr la máxima integración, en y entre, los diferentes niveles de la pirámide de control. La integración horizontal conlleva a que todo el proceso de producción utilice componentes de hardware y software regidos por estándares industriales bien definidos, tales como IEC, XML, PROFIBUS, Ethernet, TCP/IP, OPC, ISA. Lo cual facilita grandemente la selección de los componentes, reduce los costos en piezas de repuesto, posibilita futuras ampliaciones y sobre todo, aumenta la estabilidad del sistema. La característica de integración vertical es la comunicación de datos de forma transparente, desde el Nivel 0 hasta el Nivel 4. Aquí vale destacar, la creciente convergencia entre automatización y las TICs. En función de las necesidades concretas se puede elegir distintas arquitecturas para el sistema de automatización. Este modelo piramidal con gran integración es flexible y se ajusta a las necesidades del usuario. En los inicios de un proyecto, basta con cubrir los tres primeros niveles para que la planta pueda operar de forma automática. El objetivo que se persigue con el sistema y la envergadura del proceso tecnológico es entonces el que define la cantidad y distribución del equipamiento. II. MATERIALES Y MÉTODOS A. Las diferentes arquitecturas de los sistemas de automatización industrial. Una arquitectura, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para las diferentes partes del sistema. Para un sistema automático industrial existen diferentes elementos que diferencian una arquitectura de otra. Si se utiliza como base la uniformidad del equipamiento, las arquitecturas pueden ser divididas en heterogéneas y homogéneas. Las homogéneas usan elementos de un mismo tipo y un mismo fabricante, garantizando al máximo la compatibilidad a nivel de interconexión entre ellos, pero si este no abarca una función específica no es posible implementarse. Entonces la solución que más se apega al concepto de total integración, es el de maximizar el empleo de la tecnología de un fabricante y sólo recurrir a otros para funciones puntuales. No cubiertas por el primero o mejor cubiertas por otros. Por otra parte, si se utiliza como elemento diferenciador la morfología de las conexiones se agrupan en: Centralizada. En este existe un único elemento donde radica la lógica de control, y a él se conectan directamente todas las señales de entrada - salida del proceso. Descentralizada. En estas las diferentes señales están conectadas a módulos de entrada salida que no se encuentran físicamente unidos al equipo de control. Esta

2 TCA solución es transparente al programa ya que las señales se direccionan como si fueran centralizadas. Híbrida. Como su nombre lo indica es una mezcla de los dos anteriores. Distribuida. Según [2], las características más importantes de esta arquitectura son: 1) Distribución de funciones. Existen diversos procesadores, cada uno de ellos especializado en una misión concreta, por ejemplo: control, interfaz, visualización, históricos, etc. Este es el concepto básico de esta arquitectura. 2) Rapidez de ejecución de las funciones. Es una consecuencia del concepto antes expuesto y es necesaria para que el sistema actúe con periodos de segundos o fracciones de segundos. 3) Distribución física de equipos. Brinda la posibilidad de ubicar cerca de los sensores las interfaces de entrada/salida, con el consiguiente ahorro de cableado. Permiten alcanzar unos niveles de automatización más jerarquizados y mejor estructurados. 4) Gran flexibilidad de configuración y programación. Lo que facilita su mantenimiento, su reutilización y su ampliación. Para plantas grandes, con un gran número de puntos de medición y variables a manipular, y que además abarcan una extensa área físicamente, se ha convertido en un estándar el empleo de los Sistema de Control Distribuido (DCS). B. Arquitectura de un Sistema de Control Distribuido actual En la actualidad cada uno de los fabricantes más importantes en lo que a sistema de automatización se trata, ha desarrollado el equipamiento necesario para poseer una arquitectura distribuida. Brindando equipos inteligentes que usan igualmente buses de comunicación, que transmisión a corriente. Esta modularidad y amplia gama de equipamiento hacen que los sistemas sean escalables desde una pequeña aplicación, hasta complejos sistemas de alta disponibilidad. Honeywell desarrolló el Experion PKS, mientras que FOXBORO tiene su I/A, YOKOGAWA el CENTUM VP, y SIEMENS el PCS7. Todos estos sistemas cuentan con la configuración típica de un DCS que se muestra en la figura 1. Donde: EA: Estación de automatización. Puede incluir la fuente de alimentación (PS), la unidad central de procesamiento (CPU), el procesador de comunicaciones (CP) y módulos de entrada/salida. EI: Estación de ingeniería. En ella se crean los proyectos, ya que está equipada con las herramientas de ingeniería y tiene acceso a todas las estaciones de automatización y operador. ESO: Estación servidor de operación. Tienen comunicación con las EA y estación cliente de operación (ECO). Almacenan los datos del proyecto, como las imágenes y archivos de datos y los ponen a disposición de los clientes. Siguiendo la jerarquía de la planta se pueden conectar varios servidores en caso de que se necesite. En este nivel puede existir Fig. 1. Configuración típica de un DCS. redundancia, dos servidores conectados con uno en espera. ECO: Estación cliente de operación. Disponen de una conexión de red con los ESO. No disponen de ningún acceso directo al bus del sistema y a las EA. Su acceso a los datos del proyecto es mediante los servidores ESO. BI: Bus de instrumentación. Permite una comunicación bidireccional entre un maestro de bus y los instrumentos de medición. Al mismo tiempo, el conductor blindado de dos hilos suministra energía eléctrica para el funcionamiento de los instrumentos. BP: Bus de periferia. Generalmente, en un sistema de automatización varios ramales de BI están conectados a través de unidades de acoplamiento al BP, por ser este más rápido. Al mismo está conectado también el sistema de control. BS: Bus de sistema. Este bus se emplea para conectar las diferentes unidades de control que pueden existir en una planta de procesos a los servidores. La estación de ingeniería se conecta a este bus. BE: Bus de estaciones. Interconecta las diferentes estaciones clientes de operación a los servidores. A él también se conecta la estación de ingeniería. C. Sistemas automáticos de alta disponibilidad Los fallos del sistema ocasionan por un lado paros improductivos, normalmente costosos, y, por otro, fuertes gastos para la reanudación del servicio. La presión que ejercen

3 TCA estos costos, junto con requisitos en cuanto a la seguridad del personal, la maquinaria, el medio ambiente y el proceso, confieren una importancia creciente a la disponibilidad de los sistemas en uso. Algunos de los principales campos de aplicación de los sistemas de automatización de alta disponibilidad son los siguientes: generación y distribución de energía, química y petroquímica, petróleo y gas, refinerías, industria farmacéutica, centrales abastecedoras y depuradoras de aguas, entre otros. La alta disponibilidad en los sistemas de automatización se consigue mediante una estructura redundante, que hace posible que se pueda seguir controlando el proceso de producción incluso si se presenta una avería. Para lograr que la redundancia sea lo más completa posible es necesario que abarque cada uno de los elementos del sistema. La alimentación eléctrica existente en la industria normalmente es de VAC, o superior, y la tensión necesaria para los diferentes equipos es de 24 VDC. Por esta razón se hace necesario conectar fuentes de alimentación. Para lograr la redundancia a este nivel se debe conectar una fuente más, en paralelo a las fuentes necesarias. Con esto se logra suministrar la corriente necesaria en caso de que una fuente falle. Además se debería conectar un banco de baterías de respaldo (back up) para alimentar los armarios en caso de que falle la alimentación eléctrica. En el equipo donde se realiza el control, las modalidades se diferencian en la duración del tiempo de conmutación. Esto no es más que el tiempo en que se pasa del sistema maestro a la estación de reserva, y pueden ser: tiempo de conmutación largo (Warm-Stand-by, 1 s) y tiempo de conmutación corto (Hot-Stand-by, <100 ms). El más empleado es este último. En él, ambos subsistemas están siempre trabajando, y si se produce un fallo, el equipo intacto sigue controlando el proceso. El sistema operativo es el encargado de realizar autónomamente todas las funciones complementarias, tales como: intercambio de datos, reacción ante fallos (conmutación al equipo de reserva), sincronización de ambos subsistemas, y autochequeo. El sistema debe contar con dos vías de comunicación: una principal y otra de reserva. Cada vía debe estar compuesta por un cable independiente, y en cada equipo se debe contar con una interfaz capaz de atender cada vía. La estación de operación también debe poder seguir en funcionamiento ante un fallo por lo que deben instalarse varias, y cada una debe contar con una vía de datos independientes. Aunque estos sistemas de alta disponibilidad reducen al máximo la posibilidad de una posible emergencia, siempre queda un pequeño margen para que esta ocurra. Por esta razón [2] plantea que independientemente del sistema de control, el proceso debe ser vigilado por otro sistema que lo mantenga dentro de los parámetros de seguridad. D. Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS) Lograr llevar la unidad a condiciones seguras, sin tener en cuenta las condiciones que esté enviando al proceso el DCS, es responsabilidad del sistema de enclavamiento. Este sistema de acuerdo a los nuevos estándares equivale al Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS). Este sistema cuenta con: Iniciadores (presostatos, interruptores de nivel, detectores de gases, etc) o sensores que detecten variables críticas del proceso, independientes a los utilizados por el DCS. Elementos de acción final (válvulas de corte, válvulas automáticas actuadas por medio de electroválvulas, etc). Solucionador lógico (Logic solver). Elemento de hardware y aplicaciones de software, que desarrollan la lógica del sistema. Consola de operación. En ellas el operador puede acceder a los sistemas de enclavamiento o funciones instrumentadas de seguridad y actuar sobre ellas). Pueden existir elementos tales como pulsadores, conmutadores y lámparas de señalización. Además de estos elementos básicos, en ocasiones es necesario disponer de una derivación (by-pass) para iniciar la operación. Esto se debe a que existen elementos iniciadores que impiden la puesta en operación de un equipo si no se dispone de un medio para anularlo temporalmente. Como ejemplo: un equipo que esté fuera de servicio que va a ser puesto en operación va a dar señal de bajo caudal y no lograría arrancar nunca. Debe existir también un botón de paro de emergencia, el cual debe estar accesible al operador, pero protegido para evitar activación por accidente. Su función es abrir el circuito de alimentación eléctrica a los elementos de acción final, por lo que lleva la planta a una posición segura. Este prevalece sobre cualquier derivación. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A. Descripción del proceso de destilación atmosferica La figura 2 muestra un esquema típico para una Unidad de Destilación Atmosférica (UDA), en una refinería de petróleo. En ella el crudo es precalentado (1), desalado (2) y entra al tren de precalentamiento (3) donde adquiere calor de otros reflujos más calientes. De aquí pasa a un horno (4) donde eleva su temperatura hasta los 675 a 725 F necesario. Esta corriente caliente entra en la torre de destilación atmosférica (5) donde los componentes más ligeros se vaporizan y asciende. La torre cuenta con recirculaciones laterales para garantizar el intercambio liquido-gas necesario en cada una de sus zonas. Los productos que se obtienen, empezando por el tope, son: nafta virgen ligera y pesada, varsol, keroseno y diesel; además se obtienen gas de baja presión y residuo atmosférico, que pasan a ser carga para otras unidades. Cada uno de los productos terminados pasa al despojador correspondiente (7, 8, 9, 10). Los vapores son devueltos a la torre principal por debajo del plato superior al de extracción, mientras que los fondos pasan a enfriarse y son bombeados a tanque.

4 TCA y módulos periféricos duplicados. Se logra la sincronización entre ambos CPU por medio de un enlace de fibra óptica, y de esta se encarga por completo el sistema operativo. En la periferia se empleara una conexión conmutada, en la cual se conectan dos interfaces de comunicación de bus de periferia por bastidor. Dejando los módulos de entrada salida sin duplicar. D. Red de comunicación industrial Cada uno de los componentes seleccionados anteriormente por sí solo no puede realizar el control de la unidad, es la unidad de todos ellos en una red de comunicación industrial lo que consigue esta meta. El esquema de esta red se muestra en la figura 3. Fig. 2. Esquema funcional de una Unidad de Destilación Atmosférica. B. Medios técnicos de automatización Dentro del sistema de automatización los elementos básicos son los sensores, que son los encargados de convertir las magnitudes físicas en una magnitud comprensible al resto del sistema, por esta razón sobre ellos descansan la pirámide de control. Manteniendo un esquema de control típico para este tipo de procesos, las variables que son necesarias medir en el proceso de destilación son: temperatura, presión, nivel y caudal. Los elementos más comunes para la medición de temperatura son los termopares y las termorresistencias. La opción más adecuada para este caso son los termopares ya que tienen un mayor rango de medida y las temperaturas con las que trabaja son altas, además son más robustos. Teniendo en cuenta la facilidad de instalación y los costos, la solución más factible para la medición de los niveles es el método de presión hidrostática para instalación en depósito presurizado. En la industria los caudales se miden para dos propósitos fundamentales: contabilidad y control. Para el segundo propósito, como la exactitud necesaria es menor, el principio más empleado, alrededor de un 40%, es el de presión diferencial [3]. Otro motivo a lo que se debe es que es el más económico. A nivel de proceso, en consecuencia de la selección de los diferentes principios de medición y las diferentes posiciones que se necesitan cubrir en la unidad, son necesarios 31 sensores de presión diferencial, 26 de presión, 57 temperaturas y 23 posicionadores electroneumáticos para válvulas de control. C. Sistema de alta disponibilidad. Esquema de redundancia La modalidad de redundancia que se empleará será Hot- Standby, ya que existen proceso críticos en los cuales no puede existir pérdida de información. La estación de automatización empleada utilizará un bastidor con bus de fondo segmentado, por lo que consta de los siguientes componentes: un bastidor, dos fuentes de alimentación, dos unidades centrales de procesamiento (CPU) Fig. 3. Esquema de la red de comunicación industrial. En campo, zona sombreada de amarillo en la figura 3, se instalan 80 equipos con comunicación por bus de instrumentación y 57 termopares conectados con alambre de

5 TCA extensión a dos concentradores. Del cuarto de control, zona sombreada un gris, salen 15 cables de bus de instrumentación que se distribuyen por toda la Unidad y cuatro cables de bus de periferia sobre 485 IS para la comunicación con los concentradores. Los cables de BI están conectados a acopladores BP/BI que conforman tres Enlaces BP/BI, que su vez se conectan al BP del sistema anterior a las barreras de seguridad intrínseca. Este bus parte de las tarjetas de comunicación BP que se agregaron en la AS con este fin. También se agregaron las tarjetas de comunicación para BS, cada una de estas se conectan a un switch, los cuales están interconectados en doble anillo mediante fibra óptica. A estos se conectan los servidores, estableciendo una conexión entre la tarjeta de BS y otro puerto del switch. El bus de estaciones se conforma con otros dos switch interconectados del mismo modo. A ellos se conectan, usando la tarjeta de red de la placa base, los servidores, los clientes y la estación de ingeniería. Esta última también emplea una tarjeta de BS, para conectarse el bus del sistema. IV. CONCLUSIONES En el desarrollo de este trabajo se ejecutaron todas las tareas concebidas para el cumplimiento de su objetivo general, diseñar un Sistema de Control Distribuido para la Unidad de Destilación Atmosférica en una refinería de petróleo. Para conseguirlo se utilizaron como base los conceptos del modelo piramidal de automatización, el de automatización totalmente integrada y las diferentes arquitecturas para sistemas de automatización industrial. Se realizó un estudio de los Sistemas de Control Distribuido ofertados por cuatro fabricantes, en el cual: se definió una configuración típica para este tipo de sistema. Se seleccionó todo el equipamiento necesario, comenzando por los sensores y actuadores en el nivel de proceso, hasta las estaciones clientes de operación, en el nivel de supervisión. La elección fue realizada garantizando al máximo la integración entre dispositivos en un mismo nivel y de este con el superior. Todos estos equipos se interconectaron en la red de comunicación industrial que da vida al sistema de control. Se optó por un sistema redundante debido a la necesidad de maximizar el tiempo de funcionamiento de la unidad, ya que las pérdidas económicas existentes durante un periodo de no refinación son cuantiosas. REFERENCIAS [1] L.C. Pérez Rivas, Modelos de automatización, FONACIT, Mérida, [2] J. Acedo Sánchez, Instrumentación y control básicos de procesos. España : Díaz de Santo, 2006, pp [3] J. Acedo Sánchez, Control Avanzado de Procesos. Teoría y Práctica. España: Díaz de Santo, 2003, pp [4] D. M Considine, Process Instruments and Control Handbook. Tomo II. Cuba: Ediciones Revolucionaria, [5] Experion Platform CEE-based Controller Specifications and Technical Data, Honeywell, [6] I/A Series System DIN Rail Mounted Subsystem User s Guide, Foxboro, [7] CENTUM VP System Overview, Yokogawa, [8] Sistema para control de procesos SIMATIC PCS7, Siemens, [9] Seguridad contra fallos mediante PLC SIMATIC S7 de alta disponibilidad, Siemens, [10] Sencillo, Flexible y Fiable. Process Safety con SIMATIC Safety Integrated, Siemens, Alfredo Tablada Crespo y los otros autores pueden incluir sus biografías al final de la última versión de la ponencia, no en la primera versión a ser enviada a los revisores. La biografía puede contener lugar y/o fecha de nacimiento, educación del autor, grados científicos (en qué campo, institución, ciudad o país, y año en que se ganaron). Además, puede listar experiencias de trabajo, incluyendo estancias posdoctorales; mencione la ubicación de su trabajo actual. Información sobre publicaciones anteriores puede ser incluida. Los intereses de investigaciones actuales y anteriores, membresías en sociedades profesionales, y premios también deben ser incluidos. Por favor, proporcione su dirección postal y/o correo electrónico para permitir el contacto. Si se incluye una fotografía, la biografía se colocará alrededor de ella. La fotografía se coloca en el extremo superior izquierdo de la biografía. Intente igualar las dos columnas en la última página

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