INTEGRATED DESIGN IN AUTOMATION AND PROCESS. AN INDUSTRIAL EXAMPLE

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1 INTEGRATED DESIGN IN AUTOMATION AND PROCESS. AN INDUSTRIAL EXAMPLE Orlando Frola (2) Zanini Anibal (1) Francisco Pantano (2) Nuccetelli Hugo (2) ABSTRACT In the plant of Direct Reduction of Siderca, an important technological change of automation and control has been performed, in order to update their facilities and the operation of every process. The Direct Reduction plant supplies sponge iron to the electric arc furnaces. Its whole production capacity is, up to now, of 103 ton/hr. The project started in the year 2001 and it was divided in three stages. The first one consisted on to complete and to modernize the field instrumentation, to level of security and control. In the second stage was carried out the integration of the systems and commands. The third stage - at the moment in course - it consists on the implementation of an expert system, mathematical and technical models of advanced control in order to guarantee security and operative stability. The present work describes the main tasks but performed in each stage, the automation level and the obtained goals. This project is an example of integrated design where process itself, maintainance an automation are drawn in a shared and interactive way. Key words: Direct reduction; Automation; Expert systems (2) TenarisSiderca SAIC (1) Facultad de Ingeniería, UBA

2 DISEÑO INTEGRADO EN AUTOMATIZACIÓN Y PROCESO. UN EJEMPLO IDUSTRIAL Orlando Frola (2) Zanini Anibal (2) Francisco Pantano (2) Nuccetelli Hugo (2) RESUMEN En la planta de Reducción Directa de Siderca se ha realizado un importante cambio tecnológico en automación y control tendiente a modernizar sus instalaciones y la operación de la misma. La planta abastece de hierro esponja a la Aceria eléctrica de Siderca. Posee actualmente una capacidad horaria de producción de 103 ton/hr. El proyecto tuvo su inicio en el año 2001 y fue dividido en tres etapas. La primera consistió en completar y modernizar la instrumentación de campo, a nivel de seguridad y control. En la segunda etapa se realizó la integración de los sistemas y comandos. La tercera etapa actualmente en curso- consiste en la implementación de un sistema experto, modelos matemáticos y técnicas de control avanzado a fin de garantizar seguridad y estabilidad operativa. El presente trabajo hace descripción de las tareas más relevantes realizadas en cada una de las etapas, el nivel de automación y los logros alcanzados. Es un ejemplo de diseño integrado en donde el proceso propiamente dicho, el mantenimiento y la automatización se especifican en forma conjunta e interactuante. Palabras claves: Reducción Directa; Automación; Sistemas Expertos (2) TenarisSiderca SAIC (1) Facultad de Ingeniería, UBA

3 1. INTRODUCCION La planta de Reducción Directa (REDI) de Siderca tiene como objetivo procesar mineral de hierro transformándolo en hierro metálico, obteniendo como producto lo que se denomina hierro esponja o DRI, el cual es enviado a los hornos eléctricos de la Aceria para la producción de Acero. El proceso básicamente consiste en reducir el mineral de hierro con un mezcla de gases reductores formada por hidrógeno y monóxido de carbono. Es un proceso continuo que se realiza en un reactor de lecho móvil no fluidizado. Por primera vez en la historia de la planta de Reducción Directa la carga metálica es un cuello de botella para la producción de Siderca, debido a la demanda de hierro esponja de la Aceria. Actualmente su capacidad horaria de producción es de 103 ton/hr. Se encuentran en curso dos proyectos, uno a implementarse durante el presente año para aumentar la producción horaria en aprox. 3 ton. Consiste en incrementar el caudal de gases reductores al Horno Reductor a través de combustión parcial con la inyección secundaria de gas natural y oxigeno. El segundo proyecto, es la ampliación del Horno de Reformación y acondicionamiento de equipos periféricos, servicios varios para elevar la capacidad horaria a 15 ton/hr, el cual se encuentra programado para el mes de julio Con estas inversiones se aspira a que la planta pase a producir aproximadamente 120 ton/hr. REDI, en el año 2001 recibió una inversión de U$S 1.8 millones para realizar un cambio tecnológico integral, a nivel de automación, a fin de mejorar el control del proceso y el de sus instalaciones. El proyecto tuvo su inicio en julio del 2001 y finalizará a fin del Se dividió en tres etapas. La primera consistió en completar y modernizar la instrumentación de campo, a nivel de seguridad y control. En la segunda se realizo un cambio tecnológico integral de los sistemas y comandos, con la instalación de computadoras y PLC (Controladores Lógicos Programables). En la tercera fase (actualmente en curso) se aprovecho la estructura de control para implementar un sistema experto para el arranque y operación de la planta que se denomina planta inteligente. Este sistema se alimenta también con resultados de modelos y genera reglas que luego el operador acepta o corrige, prácticamente sin intervención humana. El Proyecto se realizó mediante la conformación de un grupo interdisciplinario compuesto por personal de ingeniería, mantenimiento y operaciones. 2. DESARROLLO La Planta de Reducción Directa de Siderca, anteriormente a Junio del 2001, era manejada a través de un sistema híbrido consistente en un Control Distribuido, Controladores Programables y Sistema Scada. El limitante mayor era la falta de integración de los sistemas de control por su antigüedad y diversidad, lo cual no brindaba seguridad y confiabilidad operativa. Por tales motivos se decidió realizar un cambio tecnológico inte-

4 gral el cual consistió no solo en instalar equipamiento de control de ultima generación, sino también un nuevo centro control de motores. Respecto a la obra civil, se diseñó una nueva sala eléctrica, sala de control y oficinas para jefes de planta sea operativos como de mantenimiento además de un laboratorio para la instalación de equipos de manera de modernizar y hacer mas confortable el ambiente de trabajo. A continuación enumeramos los objetivos mas importantes alcanzados en cada una de las etapas de manera de poder clarificar el alcance de la inversión. Luego hablaremos específicamente de los niveles de automación alcanzado y haremos un somero detalle de las aplicaciones mas relevantes desarrolladas. Modernización y complemento de la instrumentación de campo Instalación transmisores ultrasónicos en silos Instalación de variadores de velocidad. Integración de nuevo equipamiento de análisis cromatográfico. REDI: Objetivos por etapa Primera etapa Segunda etapa Tercera etapa Acondicionamiento de la operación de la planta para situaciones de emergencia; Idle en emergencia; Idle extendido Independencia a nivel de potencia del sistema de envío de HE del control de proceso Modificación integral de los sistemas de control de proceso Remodelación de la sala de control Recursos por etapa Arranque de planta con reglas para guiar la operación del operador Cálculo a tiempo real, balance de masa y energía tendiente a analizar, evaluar y determinar el comportamiento de las diferentes variables que intervienen en el proceso Optimización de los diferentes lazos de control Optimización sistemas de alarmas por equipos Primera etapa Segunda etapa Tercera etapa HH de Ingeniería : 3000 HH de Montaje : 5500 HH Programación : 800 HH de Ingeniería : 9000 HH de Montaje : HH Programación : 9000 HH de Ingeniería : 200 HH de Montaje : 300 HH Programación: 10000

5 3. CRITERIO DE DISEÑO El diseño se realizó mediante la división del sistema a niveles bien definidos con base a los niveles jerárquicos establecidos en la pirámide de Automatización. Referente al nivel 1 (nivel de control) esta representado por PLC s Modicon y nivel 2 (nivel de control supervisorio y gestión) por PC con sistemas operativos QNX y Scada Ivision. En referencia al nivel 1 de automación, se diseño una topología especial para este tipo de planta. Las consideraciones mas importantes fueron que al ser procesos continuos, debíamos asegurar el funcionamiento con el mas alto nivel de seguridad y estabilidad operativa. A su vez el sistema debía ser flexible ante eventuales intervenciones de algún equipamiento de control o cambios de configuración. Por tales motivos la filosofía adoptada fue de redundar equipamiento de control y señales consideradas críticas, que generan parada de planta. Se realizó una distribución especial de equipos por PLC de manera de poder mantener en todo momento el funcionamiento de las instalaciones, independiente de que si la planta este produciendo o no. El sistema es manejado por 4 PLC s Modicon línea Quamtun en configuración Hot Standby. Las funciones para cada PLC son: PLC 1 Lazos de Control PLC 2 Servicios No Stop PLC 3 Servicios Generales PLC 4 Envíos a Aceria En el PLC lazo de control se encuentran la mayoría de los lazos de la planta que suman aproximadamente 60. El PLC de Servicio No Stop maneja los equipos esenciales que aseguran el mantenimiento de la planta en Idle, no produciendo (Horno Reformador y generación de gas inerte). En el PLC de Servicios Generales se procesan todos los equipos que no están involucrados en mantener la planta en Idle. Finalmente, el PLC de Envíos es el encargado de realizar el despacho de Hierro esponja y briquetas hacia la Aceria. El sistema esta preparado para mantener los equipos mas importantes de la planta con el PLC de Servicios No Stop. Si este PLC debiera parar por algún motivo, el PLC de Lazos de Control puede asumir las funciones del PLC de Servicios No Stop y asegurar el funcionamiento continuo de la planta. Para ello ambos PLC (Lazos de Control y No Stop) comparten las mismas señales de I/O. La lógica del PLC No Stop esta duplicada en el PLC de Lazos de Control y en la configuración de I/O del PLC de Lazos se encuentra declarado su propio I/O mas el I/O que pertenece al PLC de Servicios No Stop (Figura 1). De esta forma los equipos que comparten ambos PLC s tienen un respaldo instantáneo, (on line), en caso que el PLC de Servicios No Stop se detenga. Y los equipos que están cableados a los restantes PLC s tienen un respaldo no inmediato, (off line), que requiere de una única maniobra para que sean controlados por el PLC de Lazos.

6 PLC PLC LAZOS DE CONTROL Memoria SERVICIOS NO STOP Memoria Lógica Lazos de Control (Drop 3) Lógica Servicios No Stop (Drop 2,4,5,6) Lógica Servicios No Stop (Drop 2,4,5,6) DROP 2 FS 1320 A y B Compuertas Horno Control Aire Dilucion Quemadores Auxiliares Temperaturas Piso Reformador DROP 2 I/O DROP 3 DROP 4 Compresores Gas de Sello FS 1311 A y B Bombas Agua Sucia FS 1356 A/B/C/D Bombas Agua Sucia FS 1370 A/B Bombas Agua Limpia FS 1357 A/B Piletas Agua Limpia / Sucia Generador Gas Inerte Temperatura Lecho Horno Reductor Lavador Gas de Tope Sistema Sello Superior / Inferior DROP 5 DROP 6 I/O Figura 1 4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA. NUEVA SALA DE CONTROL Dada la arquitectura del Sistema de Control con cuatro PLC s interactuando entre sí, y teniendo en cuenta las condiciones de seguridad exigidas por la planta, se ha implementado una red de comunicación entre los PLC s y los sistemas auxiliares en la cual se ha dado mayor importancia al concepto de redundancia tanto en la comunicación con Nivel 2 como entre los PLC s. El sistema emplea MB+ y TCP-IP para la comunicación entre los elementos que la conforman: PC s, PLC s, Momentum. Por otra parte, cada PLC, cuenta con su red local (RIO) que lo comunica con los Drops definidos en su configuración La arquitectura del sistema de Nivel 2 está basada sobre el sistema operativo QNX 4.25, utilizándose Ivisión como sistema SCADA, mientras que para el almacenamiento de datos se montaron servidores de bases de datos relacionales SQL Sybase. El sistema de adquisición y comandos se encuentra redundado por dos redes físicas, ModBus Plus y TCP/IP. Los servidores de Ivisión tienen configurado como modo preferido de comunicación la red TCP/IP, mientras que PC de comandos, se comunican por MBP, como modo preferido, logrando así un balance de cargas entre las redes y también teniendo las dos redes activas y los datos ya adquiridos en el caso que se deba conmutar. En los servidores corre un proceso llamado IWD_PLC, que monitorea el estado de las redes y se comunica con todos los PLC. Este proceso es el encargado de conmutar el modo de comunicación, ante una falla en la red que esté configurada como preferida. También tiene la capacidad de regresar al modo preferido cuando se restablece la comunicación (Ver figura 2 Topología Típica)

7 3Com 3Com 3Com Topológico de Redes - REDI Backbone Switch de Sistemas Al Switch Central de Aceria Operaciones Operaciones QNX DB QNX DB Servidores de Bases de Datos Server Phindows, impresion, etc. Switch Nivel 2 ETHERNET Comandos Comandos Adquisidores QNX Switch Nivel 1 ETHERNET Red de Nivel 2B Red de Nivel 2A (QNX) Ethernet Nivel 1 PLC PLC Red Modbus+ PPC s PPC s Red de Sistemas Fiber Optic cable MB+ Twisted Pair cable Figura 2

8 5. DESCRIPCION DE LOS PRINCIPALES DESARROLLOS IMPLEMENTADOS Sistema de Detección de Primera Alarma Sistema Automático de Control de Combustión de los Quemadores Principales Lógica de comando de los Compresores de Proceso. Flexibilidad en la operación de Planta y pruebas de equipos Sistema Experto para el control guiado de las operaciones Auto ajuste de Lazos de control Balance de Energía / Masa / Perdida de Carga 5-1. Sistema de Detección de Primera Alarma En este tipo de plantas, el número de señales que generan parada suman mas de 400. Por tales motivos fue necesario desarrollar un sistema que detecte la primera alarma causante de una parada. Una señal de parada puede ser generada a través de cualquiera de los PLC s que estén controlando el Proceso. Por tales motivos, en primer lugar fue necesario pensar en un sistema que sincronice los reloj de todos los PLC s con la mayor precisión. Nos referimos específicamente al tiempo de procesamiento del sistema. Esto significa mantener de algún modo una base sincrónica entre los PLC s para poder registrar eventos de cualquiera de ellos con un orden temporal. El sistema esta armado con módulos del tipo time stamping que sincronizan los reloj interno de cada PLC con una interface de receptor satelital GPS. Esta interfase es un módulo especial con demodulador. Gracias a dicho sincronismo, se desarrolló una lógica dedicada de manera de poder capturar la primera señal causante de parada de la Planta Sistema Automático de Control de Combustión de los Quemadores Principales El sistema de control de combustión de los Quemadores Principales permite operar el control de combustión del Horno Reformador en modo automático, desde la utilización de aproximadamente Nm3/h de aire a quemadores principales (motivado por la estabilidad y precisión de las lectura), durante las diferentes etapas de arranque de planta y estabilización de la operación. Utiliza como valor deseado la temperatura promedio de techo y como ajuste fino el porcentaje de oxigeno en humos, estima el Poder Calorífico del Gas de tope combustible para el cálculo de la equivalencia o el reemplazo de Gas Natural y un par de modelos matemáticos estequiometricos de relaciones aire/gas natural/ Gas Tope Combustible. Las condiciones básicas de operación del algoritmo es mantener en todo momento la relación deseada aire/gas; en los transitorios; imponer siempre un exceso de aire; quemar siempre la totalidad disponible de gas de tope combustible, adicionando metano solo en caso de que el Gas Tope Combustible no sea suficiente para alcanzar la temperatura deseada.

9 5-3. Lógica de comando de los Compresores de Proceso. Flexibilidad en la operación de Planta y pruebas de equipos La planta esta equipada con tres compresores de proceso. Dos de ellos constituyen la primera etapa, mientras que un tercero, de mayor capacidad que los anteriores, conforman la segunda etapa. El sistema esta equipado con un par de válvulas de 30 pulgadas que permiten separar del sistema a los compresores de primera y segunda etapa respectivamente. Estas válvulas están acompañadas por otras de menor diámetro cuya función principal es controlar por medio de su apertura la presión diferencial de la etapa correspondiente según el lazo de control respectivo Esta configuración hace mas robusto el sistema ante problemas que afecten a sus compresores de proceso dado que permite trabajar con distintas combinaciones de ellos según su disponibilidad, brindando además la oportunidad de cambiar la combinación en servicio sin detener la planta. Otra ventaja importante esta asociada a la lógica de pruebas, la que permite desarrollar distintos controles de equipos sin afectar al resto de la planta. El sistema prevé la realización de cuatro tipo de pruebas que involucran las distintas partes de los equipos, pudiendo ejecutarse las mismas sobre cualquier compresor que se encuentre fuera de servicio. Los tipos de prueba disponibles son: - Prueba de Comando: En este caso se prueba el accionamiento en el CCM para lo cual deberá desconectarse la tensión de potencia al mismo. Al no ponerse en marcha el equipo no se exigen condiciones de seguridad. - Prueba de Motor: Para estas pruebas se considera que el reductor y compresor no se encuentran acoplados al motor, por lo que solo se tienen en cuenta las protecciones propias a este ultimo y se descartan las demás. - Prueba de Reductor: Para estas pruebas se considera que el compresor no se encuentra acoplado al motor y reductor, por lo que solo se exigen las protecciones de estos últimos, descartando las del compresor. - Prueba Completa: En este caso se prueba todo el equipo, por lo que se tiene en cuenta para habilitar su funcionamiento la totalidad de las protecciones del mismo. La configuración del sistema permite trabajar en servicio con hasta cinco combinaciones diferentes de los compresores de proceso. A cada una de estas combinaciones se las ha denominado Niveles de Marcha. Estos niveles de marcha están contemplados en la lógica del PLC y en las pantallas de comando de los compresores de proceso, de manera que no existe la posibilidad de trabajar con alguna combinación no permitida. Es posible arrancar los compresores de proceso desde Nivel 0 llevándolos a cualquiera de los niveles de marcha. De igual forma, están permitidos algunos comandos de arranque/parada que llevan de una combinación a otra, pasando por etapas intermedias siempre en automático y bajo el control del PLC.

10 Todos los comandos permitidos, así como el posicionamiento manual de las válvulas, responden a un procedimiento, el cual es guiado desde las pantallas de manera de simplificar las tareas del panelista Sistema Experto para el control guiado de las operaciones El programa empleado para el desarrollo de la aplicación se denomina T-Expert desarrollado en el grupo Techint. Es un sistema experto de tiempo real interactivo orientado al ingeniero de proceso, con herramientas gráficas que le permiten escribir la lógica que el usa para resolver o analizar un problema en un lenguaje familiar como lo es un diagrama de flujo. Este sistema basado en reglas, se combina con los hechos que vienen de campo para formar la base de conocimiento. Esta base de conocimiento es evaluada por un motor de inferencia, que realiza inferencias lógicas. Las inferencias pueden comprender la generación de acciones o la creación de nuevos hechos. La planta tiene en funcionamiento dos nodos de T-Expert. Uno dedicado al Sistema de Envíos Automáticos de hierro esponja hacia la Aceria. El sistema realiza automáticamente mas de 60 envíos diarios atendiendo los cuatro silos de almacenamiento de HRD de los dos hornos de fusión de la Aceria, analizando los pedidos en orden de prioridades y el avance de fusión de cada horno. El otro, es el T-Expert de proceso de la Planta de Reducción Directa. Por el momento funcionan 5 de los 10 módulos especificados. Ello son: Sistema guiado para el arranque de la inyección del metano al proceso y la temperatura del gas reductor; temperatura Horno Reformador lo cual incluye quemadores auxiliares, principales y el lazo de combustión como el monitoreo de las principales variables del proceso con planta. A futuro se adicionará el análisis de los resultados de modelos y datos estadísticos de las principales variables de proceso. El sistema en todos los casos verifica y aconseja al operador de las posibles acciones a tomar Sintonización de controladores PID El algoritmo desarrollado permite sintonizar los valores de ganancia de un controlador PID. Desde manera se pueden ajustar las constantes proporcional, integral y derivativa en forma directa. Posteriormente a los trabajos presentados por Ziegler y Nichols aparecieron una gran variedad de métodos para el ajuste de controladores PID que pueden dividirse en: métodos directos y métodos indirectos. Los métodos directos no requieren de un modelo de la planta, mientras que los métodos indirectos calculan los parámetros del controlador a partir de una identificación de la planta.

11 El método que hemos desarrollado es indirecto y se basa en el criterio de Magnitud Optima, el cual determina para un sistema a lazo cerrado una respuesta relativamente rápida y sin oscilaciones. Si bien este método alcanza un buen desempeño en el seguimiento de la referencia del controlador, posee la desventaja de ser pobre al rechazo de ruido o perturbaciones para algunas plantas. El criterio de magnitud óptima mantiene como objetivo para la respuesta a lazo cerrado de la magnitud (o módulo), una curva plana lo mas cercano a 1 con un ancho de banda lo mas grande posible El método de auto ajuste de lazos de control, esta disponible en cada estación de control de todos los lazos de la Planta y tiene como ventaja operativa sintonizar los lazos en función de los niveles de producción de la planta, dependiendo de las curvas característica de control u operación de cada válvula y sensibilidad de las mismas Balance de Masa y Energía La aplicación integra Balances de Masa y Energía que corren a tiempo real. La información es obtenida a través de los datos de proceso y principalmente de un cromatógrafo capaz de analizar cinco corrientes gaseosas de diferentes gases del proceso. Los balances a los que nos referimos son los siguientes: Balance de Masa para la combustión del horno Reformador (calculo del oxigeno en humos) Balance de Energía en los trenes recuperadores de calor (calculo de la eficiencia por mazo y global de cada recuperador) Balance de Masa y Energía en el horno Reformador (análisis de la reformación) Calculo de la perdida de carga en el circuito de gases de proceso Balance de Masa en el horno Reductor

12 CONCLUSIONES El nivel de seguridad de marcha que ha aportado la automación de la planta junto con la gestión en conjunto realizada por el personal de producción y mantenimiento, se ha logrado en este último semestre aumentar la productividad efectiva y utilización disponible de la planta. La producción fue un 19 por ciento mas que el mejor semestre de su historia ( segundo semestre de 1996). La planta de Reducción Directa de Siderca tiene el Horno Reductor con la productividad más alta entre las 48 plantas del mundo que utilizan el proceso Midrex. En REDI lo mas importante es mantener la estabilidad de los parámetros operativos y el sistema lo esta controlando muy bien. Son 60 lazos de control que funcionan en automático que hacen que el proceso y la calidad del hierro esponja producido se estabilicen en niveles óptimos. Con la inserción de conocimientos de proceso y técnicas de control avanzado a través de las nuevas herramientas de programación, estamos desarrollando nuevos sistemas de control de manera de poder incrementar aun mas la seguridad de operación y estabilidad operativa. La tendencia es de incrementar la inteligencia de los sistemas. Estos nuevos desarrollos harán que no solo guiemos a los operadores en sus funciones, sino también que se tome acciones de control directas evitando posibles inestabilidades operativas. BIBLIOGRAFIA Goodwin, Graham C., Graebe S.F & Salgado, M.E. Control System Design Pretince Hall, 2001 Astrom, Karl & Wittenmark, B. Computer Controlled System, Pretince Hall, 1997 Viale Mariana, Sistema Experto Tiempo Real Interactivo, Autocon, Siderar