"IMPLEMENTACIÓN DE PLANTA PILOTO CON SISTEMA DE GESTION DE LA INFORMACION BASADO EN WONDERWARE SYSTEM PLATFORM

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1 "IMPLEMENTACIÓN DE PLANTA PILOTO CON SISTEMA DE GESTION DE LA INFORMACION BASADO EN WONDERWARE SYSTEM PLATFORM GARCIA GUERRA, Juan Diego. Escuela Profesional de Ingeniería Industrial Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martin de Porres Perú juan_garcia6@usmp.pe ORMEÑO TERREROS, Ricardo Joaquín Escuela Profesional de Ingeniería Industrial Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de San Martin de Porres Perú ricardo_ormeno@usmp.pe

2 Resumen - El presente proyecto logra la inclusión de las herramientas informáticas de las TIC (Tecnologías dela Información y Comunicación) aplicadas a los tópicos de Automatización y Control de Procesos Industriales. Para ello se diseñó una planta piloto de un proceso industrial (a escala) para incluir en él un Sistema SCADA y un Sistema de Gestión de Información de la data proveniente del proceso mediante el uso de un software industrial, abarcando con ello cada uno de los niveles de la pirámide de la automatización desde los conocimientos básicos hasta el manejo de las herramientas de los niveles superiores de gestión y administración, potenciando con ello las habilidades adquiridas por los estudiantes en los diversos cursos de la rama tecnológica de la automatización y control de procesos industriales que llevan en su formación básica. La conclusión del proyecto ha permitido disponer de una herramienta customizable y escalable que le permita a los estudiantes mejorar sus capacidades tecnológicas y de gestión al estar en contacto con un proceso industrial similar a los existentes en las industrias de nuestro país. Palabras claves: SCADA Automatización PLC s Ingeniería Industrial Productividad Sistema de información. Abstract - This project achieved the inclusion of computer tools of ICT (Information and Communication) applied to the topics of Automation and Process Control. We designed a pilot plant of an industrial process (to scale) to incorporating therein SCADA System and Information Management System for the data from the process by using an industrial software, thereby covering each of the levels of the automation pyramid from basic skills to handle the tools of the higher levels of management and administration, thereby enhancing the skills acquired by students in the various courses of the branch automation technology and process control leading industrial in basic training. The conclusion of the project has enabled a customizable and scalable tool that allows students to improve their technology and management capacities to be in touch with an industrial process similar to those in the industries of our country. Keywords: SCADA Automation Information System. 1. INTRODUCCION Cada vez está más presente la necesidad de las empresas por apostar en tecnologías para automatizar su producción. El fin es obtener una alta competitividad en el mercado, ya que se reducen tiempos de ciclo, se aumenta la flexibilidad, así como la calidad del producto y la seguridad en la fabricación. En la actualidad las empresas están bajo un entorno competitivo constante, con el fin de lograr un posicionamiento y permanencia en el mercado; para ello recurren a indicadores y métodos de mejora continua que implementan a medida del avance de la tecnología para la mejora de procesos. En el área Industrial se recurre a lo que llamamos Automatización Industrial, la cual es una disciplina de la ingeniería que hace referencia al uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. Con el objetivo de incrementar las competencias de los futuros egresados de la Escuela Profesional de Ingeniería Industrial de la USMP y de acercarlos más a una realidad industrial a la cual estarán expuestos en su día a día profesional se llevó a cabo un sistema automatizado que controle un proceso productivo piloto y la gestión de la data del mismo, así pues, en este proyecto se introducirán los aspectos teóricos necesarios para ser posteriormente implementados en un proceso real y elevar el know - how de los alumnos, implementando un sistema SCADA en un proceso de automatización con fines de mejora de producción, reducción de tiempos ociosos, y otros indicadores de mejora que requieren las empresas del rubro. Dicho de esta manera y con lo descrito líneas arriba, la finalidad que persigue este proyecto es la de proporcionar una herramientas poderosa y útil para nuestra facultad para aprovechar al máximo el potencial tecnológico que se dispone (software, hardware y capital humano) en aras del desarrollo profesional de los alumnos de la escuela de Ingeniería Industrial. 2. JUSTIFICACION La propuesta de proyecto final de carrera busca dar una solución a una carencia en la facultad, la baja cantidad de proyectos de automatización industrial y control de procesos industriales. La implementación de este proyecto va a dejar una herramienta de trabajo y estudio vital para poder aumentar nuestras capacidades como alumnos en temas tan vitales en la industria nacional como lo es la automatización. El prototipo de planta de mezclado de materias primas (2) contará con la última tecnología en cuanto a instrumentación, control y manejo de datos, es decir, al contar con un prototipo físico, se podrá experimentar in situ las diversas situaciones que presenta un proceso real y a la vez poder controlarlo en forma remota con la ayuda de un sistema SCADA integral, el cual también va a permitir realizar prácticas sobre el manejo y procesamiento de los datos del piso de planta y así aplicar herramientas que ayuden a visualizar y diagnosticar la eficiencia de un proceso industrial y a la vez se contará con una versión simulada del procesos en un software que podrá interactuar con el sistema SCADA en forma similar al prototipo físico. Este proyecto finalmente busca agilizar la iniciativa a la investigación en temas referentes a la

3 automatización y control de procesos industriales para incrementar las competencias de los egresados de nuestra facultad. 3. MARCO TEORICO 3.1. Procesos a automatizar Por proceso se entiende aquella parte del sistema en que, a partir de una entrada de material, energía e información, se genera una transformación sujeta a perturbaciones del entorno, dando lugar a una salida de material en forma de producto. Los procesos industriales se dividen en procesos continuos, procesos discretos y procesos por lotes o batch. En este apartado se darán a conocer los dos tipos de proceso que intervienen en el proceso productivo de la planta piloto. (Dorantes, 2004) Modelo de Automatización Piramidal Es el modelo más difundido en el ambiente de producción continua por la ISO (International Organization for Standardization), consta de cinco niveles que abarcan las diferentes funciones de una planta coordinada de manera jerárquica, cubriendo desde los aspectos de control de los procesos físicos en su nivel más bajo, hasta los niveles donde se realizan las funciones corporativas de la planta. Cada nivel se caracteriza por un tipo de información y de procesamiento diferente, siendo necesaria la integración del proceso automatizado para incluir la comunicación interna en cada nivel, y entre niveles, con el fin de lograr sistemas que permitan ejecutar las diferentes tareas de control existentes en una empresa. La Pirámide de Automatización Industrial relaciona en forma explícita la parte de control y operación industrial en los niveles 1, 2 y 3 y la parte de producción en los niveles 4 y 5. (Ogata, 2003) 3.3. Comunicaciones Industriales: PROFINET Es el estándar Ethernet abierto que cumple la especificación IEC (Comunicación digital de datos para la medición y control - Bus de campo para su uso en Sistemas de Control Industrial) para la automatización industrial. PROFINET permite conectar equipos desde el nivel del campo (PLC's y otros dispositivos) hasta el nivel de gestión (sistemas informáticos e internet). PROFINET permite una comunicación homogénea con la ingeniería cubriendo toda la planta industrial y de gestión apoyando las tecnologías de la información hasta el nivel del campo. (Rodriguez, 2008) Sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Los sistemas SCADA proveen de una perspectiva integrada de todos los recursos de control e información de la planta. De esta manera, los ingenieros, supervisores, u operadores pueden visualizar e interactuar con los procesos mediante representaciones gráficas de los mismos. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros sectores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc., en un marco de modelo de automatización piramidal. (Rodríguez, 2012) 3.5. Tecnología Wonderware Tecnología ArchestrA ArchestrA es una arquitectura de software de información y automatización diseñada para integrar y extender la vida de los sistemas heredados, aprovechando las tecnologías de software y los estándares abiertos más avanzados de la industria. ArchestrA ha industrializado a Microsoft.NET y otras tecnologías de Microsoft con el fin de suministrar un conjunto de herramientas aún más productivas para construir soluciones de software de gestión de operaciones críticas para las operaciones industriales, de producción y de instalaciones. (Invensys Inc., 2008) Wonderware System Platform Wonderware System Platform ofrece una plataforma única y escalable para todas las necesidades de información y automatización industrial relacionadas con soluciones de Software SCADA, HMI de Supervisión, MES y EMI. En el centro de la Wonderware System Platform se encuentra el "modelo de la planta", que es la representación lógica de los procesos físicos que están siendo controlados y supervisados. La tecnología de objetos ArchestrA hace que la configuración, el registro de datos, la entrega y el mantenimiento de información histórica y en tiempo real sean tan sencillos como apuntar y hacer clic. (Invensys Inc., 2008)

4 4. PROPUESTA DE SOLUCIÓN La propuesta de este proyecto se basa en contar con una instalación industrial real a escala (planta piloto) la cual va a permitir trabajar un proceso industrial típico existente en la mayoria de plantas industriales, la etapa de dicho proceso a implementar es el mezclado de las materias primas para su respectiva homogeneización y posterior despacho como subproducto o producto final según sea el requerimiento de planta. Luego de ello y al tener un sistema estable, se procederá a la inclusión de un sistema SCADA con ayuda de la tecnología Wonderware System Platform, la cual nos habilitará de herramientas para el manejo de la data adquirida del nivel de planta y así poder colaborar con la automatización en la elaboración de reportes de producción, indicadores y toma de decisiones en tiempo real respecto al proceso productivo analizado. Fig. 2. Distribución de Sala de Control. Fuente: Elaboración Propia Desarrollo de HMI Pantalla de Control de Usuarios al sistema, aquí es donde se da los niveles de seguridad para el acceso al sistema SCADA. Fig. 1. Propuesta Implementada. Fuente: Elaboración Propia. 5. DESARROLLO DEL PROYECTO 5.1. Distribución de Servidores y Clientes en la Sala de Control Fig. 3. Pantalla de Logueo. Fuente: InTouch 2012.

5 Pantalla Overview, la cual nos da una vista general de la planta piloto. Fig. 4. Pantalla Overview. Fuente: InTouch Pantalla Suministro, aquí se ve en detalle los equipos y componentes del ingreso de materias primas al proceso. Pantalla Descarga, aquí es donde se detallan los equipos y estado del producto terminado. Fig. 7. Pantalla de Descarga. Fuente: InTouch Pantalla Alarmas, en esta pantalla se mantiene una supervisión constante de los eventos y alarmas que se susciten a lo largo de la producción. Fig. 5. Pantalla de Suministro. Fuente: InTouch Pantalla Proceso, aquí se detalla cómo es que se procesan las materias primas y se monitorea en tiempo real las variables del proceso como temperatura y nivel. Fig. 6. Pantalla de Proceso de Mezclado. Fuente: InTouch Fig. 8. Pantalla de Alarmas. Fuente: InTouch Pantalla Histórico, se observa el comportamiento histórico de las variables temperatura y nivel: Fig. 9. Pantalla de Históricos. Fuente: InTouch 2012.

6 Pantalla Receta, aquí en donde se configuran todos los parámetros necesarios para lanzar una producción en batch. Se ingresan parámetros como tipo de receta, setpoint de temperatura, parámetros SPC, cantidad de batch. Pantalla SPC de Grafico de Pareto. Fig. 13. Diagrama de Pareto. Fuente: InTouch Pantalla SPC de Grafico de Histograma. Fig. 10. Pantalla Recetas. Fuente: InTouch Pantalla SPC, contiene los datos más importantes del control estadístico de procesos como sus límites de control y especificación además de botones de navegación para gráficas. Fig. 14. Histograma. Fuente: InTouch Resultados 6.1. Capacidades Potenciadas con la Ejecución del Proyecto. Fig. 11. Pantalla SPC. Fuente: InTouch Pantalla SPC para la Gráfica de Control X R. Como se pudo apreciar en el gráfico anterior, lo que se busca en este proyecto es la concepción de una planta piloto que cuente con la tecnología esencial que se usa en la industria actual. Este proyecto es una inmejorable oportunidad de que los alumnos apliquen los diversos conocimientos adquiridos a lo largo de su estancia en la universidad y de esta manera estén preparados para poder emular a escala estas actividades en su vida profesional. Teniendo en cuenta la propuesta de solución se evaluarán los conocimientos que el alumno alcanzará a nivel teórico y práctico para el desarrollo de sus capacidades en la automatización y control de procesos industriales en función de los niveles de la pirámide de la automatización y podrá aplicarlos en los cursos de formación que lleva en la universidad. Fig. 12. Carta de Control X - R. Fuente: InTouch 2012.

7 1er. Nivel de la Pirámide: Nivel de Conocimiento Primer nivel de la pirámide de automatización en el abarca el conocimiento de tecnologías y cursos básicos en términos generales. Tabla 1. Capacidades adquiridas por curso en el 1er. Nivel de la pirámide de automatización. Comentario: El alumno adquirirá conocimientos básicos sobre las diversas tecnologías usadas en la industria así como el manejo de software para el correcto diseño y elaboración de planos y las herramienta necesarias contar con un amplio panorama de opciones en el desarrollo de un proyecto de automatización y control de procesos, dichos conocimientos básicos proporcionarán una base sólida para el desarrollo de capacidades tales como: El anticipo de posibles respuestas mediante al cálculo matemático, una correcta representación de los diseños mediante software de ingeniería y una adecuada distribución de planta según los requerimientos que se dispongan. 2do. Nivel de la Pirámide: Nivel de Proceso Segundo nivel de la pirámide de automatización el cual abarca todo equipo en planta relacionado directamente con el proceso que se quiere realizar. Tabla 2. Capacidades adquiridas por curso en el 2do. Nivel de la pirámide de automatización. Instrumenta ción Industrial Ingeniería de Procesos Ingeniería Eléctrica Capacidades Adquiridas Reconocimiento de los sensores digitales y analógicos. Conocimiento de las normas (ISO DIN, ISA, etc.) para la elaboración de planos P&ID. Circuitos de control-mando neumáticos y electro-neumáticos. Reconocimiento de actuadores que intervienen en un proceso industrial. Circuitos eléctricos y lectura de planos. Comentario: El alumno adquirirá conocimientos sobre sensórica industrial, actuadores y todo hardware que se usa comúnmente en las industrias de nuestro país para estructurar un proceso automatizado, así mismo lograra poder elaborar e interpretar planos P&ID (Pipe and Instrument Design) mediante el uso de la norma ISA s5.1, todos estos conocimientos le servirán de base para la adquisición de capacidades de vital importancia en la automatización y control de procesos industriales, competencias que las industrias de nuestro país requieren y demandan, tales como discernir que instrumentación es la más adecuada para un determinado proceso, que tipo de actuadores, lectura e interpretación correcta de planos P&ID lo cual es un cimiento importante para poder entender en su totalidad el funcionamiento y alcance de un proceso. 3er. Nivel de la Pirámide: Nivel de Control Tercer nivel de la pirámide de automatización el cual abarca Capacidades Adquiridas Manejo de modelos Física matemáticos que ayuden a predecir sucesos futuros. Diseño Manejo de software de Industrial por ingeniería (AutoCADComputador Inventor). Mecánica Selección de materiales y Aplicada sus dimensiones para el Resistencia de diseño. Materiales Ingeniería de Disposición de planta. Métodos Capacidades Adquiridas Reconocimiento de los sensores digitales y analógicos. Programación de Automatización equipos PLC a nivel Industrial básico e intermedio. Conocimiento sobre protocolos de comunicación y redes industriales. equipos de control (PLC), protocolos de comunicación (buses de campo) en el proceso que se quiere realizar. Tabla 3. Capacidades adquiridas por curso en el 3er. Nivel Pirámide de automatización. Comentario: El alumno adquirirá conocimiento teórico-práctico de la conexión de las señales de campo (instrumentación) hacia los equipos de control (PLC) mediante señales estándares, programación de equipos PLC, protocolos de comunicación PLC-PC, dichos conocimientos servirán como base para el desarrollo de capacidades tales como: Una adecuada interpretación del proceso a programar lo cual le permitirá tener un nivel cada vez más competitivo en la programación de equipos PLC, escoger el adecuado protocolo de comunicación para los diversos equipos PLC en el mercado, discernir entre señales de campo

8 discretas/analógicas y así poder customizar un proceso industrial a los requerimiento que se necesiten. 4to. Nivel de la Pirámide: Nivel de Visualización Cuarto nivel de la pirámide de automatización el cual abarca sistemas de control, supervisión y adquisición de datos (SCADA), interfaces de comunicación (Profinet y Profibus), protocolos de comunicación OPC (Ole for Process Control, tecnología de Microsoft) en el proceso que se quiere realizar. Tabla 4. Capacidades adquiridas por curso en el 4to. Nivel de la Simulación y Control de Procesos industriales Automatizac ión Industrial Capacidades Adquiridas Reconocimiento de controladores PID. Simulación de procesos customizados. Diseño de pantallas SCADA a partir de una simulación o un proceso real. Reconocimiento de las interfaces de comunicación Profinet. Conocimiento del protocolo de comunicación OPC. Diseño de pantallas SCADA a partir de una simulación o un proceso real. pirámide de automatización. Comentario: El alumno adquirirá conocimiento teórico-práctico sobre la conexión de los dispositivos de planta mediante interface Profinet (hardware) a los sistemas SCADA por medio del protocolo OPC (software), diseño de pantallas de SCADA en una plataforma única de adquisición de datos mediante un software industrial, conocimientos específicos que servirán para el desarrollo de capacidades tales como: Escoger la interface más adecuada para la conexión PLC PC, involucrar las TIC s a los procesos industriales, adecuada comunicación PLC-SCADA. 5to. Nivel de la Pirámide: Nivel de Administración. Quinto nivel de la pirámide de automatización el cual consta de 2 etapas las cuales permitirán la aplicación de herramientas de mejora continúan en base a una adecuada gestión de la información en la industria en general. Tabla 5. Capacidades adquiridas por curso en el 5to. Nivel de la pirámide de automatización. Comentario: Este nivel consta de 2 partes la primera referida a sistemas de gestión de la información como los sistemas MES (Manufacturing Execution System) los cuales recaban información del nivel de visualización para poder analizarla, la segunda parte está referida a herramientas de gestión tales como ERP y mejora continua aplicando 5S, Poka Yoke, BSC, etc. En el primera etapa es necesario los conocimientos teóricos adquiridos por parte del alumno en los cursos de Mantenimiento Industrial y Control de Calidad son de vital importancia para el conocimiento del estado actual del proceso productivo y así poder tomar una decisión concreta sobre este. El software industrial (Wonderware System Platform) que se utiliza en el control del proceso y gestión de la información de los mismos requiere gran parte de estos conocimientos adquiridos de los cursos mencionados para una correcta elaboración e interpretación de indicadores de eficiencia del proceso productivo y de los equipos a través de reportes de producción estandarizados que nos permitirán decidir sobre la planeación y control de la producción, el seguimiento de los inventarios de la materias primas y producción alcanzada en el proceso, la capacidad del mismo y una correcta trazabilidad para la detección de anomalías en el trabajo que repercute directamente en el funcionamiento de la planta. 7. COSTOS DEL PROYECTO Se cuenta con la siguiente estructura en la inversión del presente proyecto: Resumen: Tabla 6: Resumen de Costos de Proyecto. Fuente: Elaboración. Etiquetas de fila Sensórica Actuadores Mantenimie nto Industrial Control de Calidad Capacidades Adquiridas Manejo de indicadores OEE de los equipos de proceso como ayuda a una planificación del mantenimiento. Manejo de graficas de control para los producto y variables del proceso. Manejo de la capacidad del proceso (Cp. y Cpk). S/. 1, S/ Estructura S/. 1, Tablero de Control S/. 2, Mano de obra Otros Total general Suma de Sub Total S/. 12, S/ S/. 17, CONCLUSIONES Fig. 15. Distribución Porcentual de los Costos. Fuente: Elab. Propia.

9 Se ha logrado implementar de manera adecuada el prototipo de planta piloto en las instalaciones de la FIA USMP, siendo las instalaciones del laboratorio de automatización industrial el lugar que ha sido acondicionado como Sala de Control de Procesos SCADA. La tecnología utilizada en el presente proyecto, tanto en software como en hardware, ha sido implementada de manera satisfactoria y con carácter escalable, esto le da la capacidad de poder incrementar la potencialidad del sistema y del prototipo en cualquier momento debido a su flexibilidad tecnológica que ofrecen Siemens y Wonderware. Se ha logrado utilizar toda la capacidad en cuanto a comunicaciones industriales que ofrece la Sala de Control de Procesos SCADA (Laboratorio de Automatización Industrial), ello implica una correcta fluidez de los datos del proceso a través de la arquitectura de control desplegada en el presente proyecto y que es uno de los pilares del sistema desarrollado. La implementación tal como se ha venido dando ha contribuido enormemente en el conocimiento y experiencia de manejo de estas tecnologías a los alumnos gestores del proyecto. El manejo integral de la planificación, logística, contingencias, desarrollo y puesta en marcha contribuyen enormemente a que el know how de los alumnos ejecutores se incremente y le sirva para insertarse con éxito en empresas donde se maneje este tipo de soluciones tecnológicas. 9. BIBLIOGRAFIA Baltiérrez, O. (2 de Agosto de 2012). Scribd. Recuperado el 21 de Abril de 2013, de Introducción a la Planeación de la Automatización: aneacion-de-la-automatizacion Dorantes, J. (2004). Automatización y Control. Mexico: McGraw-Hill. Invensys Inc. (20 de Enero de 2008). InTouch HMI Recuperado el 12 de Abril de 2013, de Invensys Operation Management: hhmi.asp Invensys Inc. (12 de Enero de 2008). Tecnología ArchestrA. Recuperado el 22 de Abril de 2013, de Invensys Operation Management: hnology.asp Invensys Inc. (20 de Enero de 2008). Wonderware Historian Server. Recuperado el 12 de Abril de 2013, de Invensys Operation Management: n.asp Invensys Inc. (20 de Enero de 2008). Wonderware Information Server. Recuperado el 12 de Abril de 2013, de Invensys Operation Management: tionserver.asp Invensys Inc. (20 de Enero de 2008). Wonderware System Platform. Recuperado el 12 de Abril de 2013, de Invensys Operation Management: Platform.asp Invensys Inc. (1 de Junio de 2012). Dream Reports. Recuperado el 20 de Abril de 2013, de Invensys Operation Management: PID=279 Ogata, K. (2003). Ingeniería de Control Moderna. Mexico DF: Pearson Education. Piedrafita, R. (2004). Ingeniería de la Automatización Industrial (Segunda ed.). Madrid, España: Ra-Ma Editorial S.A. Ponsa, Pere; Vilanova, Ramon. (2005). Automatizacion de procesos mediante la guía GEMMA. Barcelona: Univ. Politèc. de Catalunya. Rodriguez, A. (2008). Comunicaciones Industriales. Barcelona: Marcombo. Siemens. (12 de Diciembre de 2010). PLC S7 1200: Portal. Recuperado el 23 de Abril de 2013, de Siemens Industrial: matización/simatic/ Villajulca, J. C. (15 de Enero de 2012). InstrumentacionyControl.NEt. Recuperado el 20 de Abril de 2013, de Instrumentacion y Control: itemlist/category/14-sistemas-de-medici%c3%b3n.html