Artículo Congreso Tratermat Fecha : 23/04/03

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1 Artículo para El Congreso Tratermat Título: Control y Gestión de las instalaciones de Tratamiento Térmico. Flexicon: Una necesidad de la Ingeniería de Automatización. Autores: Javier Barandiarán Joseba Artolozaga Resumen. La mayoría de las instalaciones industriales de tratamiento térmico son susceptibles de ser controladas por equipos de control basados fundamentalmente en PLCs que desarrollan las funciones de control de maniobras y regulación, y paneles de operador o sistemas SCADA para realizar funciones de interface hombre-máquina(mmi). Las nuevas necesidades de los usuarios de este tipo de instalaciones demandan también una gestión integral del proceso productivo. Para ello es necesario unir el proceso productivo, en este caso células de Tratamiento Térmico con el sistema de Gestión de la Empresa y hacer que convivan los datos de gestión de la producción con el control convencional, recibiendo información de los niveles superiores con las órdenes a procesar, gestionando adecuadamente esta célula productiva y devolviendo la información de cómo se ha realizado el proceso para ser utilizada por los diferentes departamentos de la empresa. SPG tiene una amplia experiencia en este tipo de aplicaciones y propone en este artículo un sistema integral para el Control y Gestión de Instalaciones de Tratamiento Térmico con funciones que aseguran la trazabilidad del producto, presentan la información de una forma sencilla al usuario, gestionan las diferentes variables del proceso, genera informes para los niveles superiores y optimiza el proceso. Dado que se utilizan diferentes topologías de instalaciones de tratamiento térmico y más genéricamente de instalaciones industriales, y que existen diferentes opciones de fabricantes de equipos de control distribuido, es necesario disponer de herramientas para el desarrollo de la ingeniería de control y programación. SPG en colaboración con La Universidad de Sheffield, Rolls Royce, OAC y la Escuela de Ingenieros Industriales y Telecomunicaciones de Bilbao está desarrollando mediante el proyecto europeo Flexicon una herramienta que permita gestionar los proyectos de automatización de procesos industriales de una forma flexible y modular asegurando su mantenibilidad a lo largo de toda su vida. Como referencia de procesos industriales se ha tomado el control de una Línea de Tratamiento Térmico y una aplicación Marina. S.P.G Asesores, S.A Pág.1 de 11

2 Introducción. La aplicación de las tecnologías de automatización y control ha sufrido grandes cambios en los últimos años, desde el uso de la lógica eléctrica basada en relés a la implantación de autómatas programables en las instalaciones industriales, y más recientemente la utilización de sistemas de control distribuidos, que permiten a la ingeniería de automatización la implantación de sistemas de control integral, combinando las funciones elementales de maniobras y regulación con sistemas de control de producción, gestión de la trazabilidad del material, control estadístico de calidad y sistemas de mantenimiento preventivo. Estos sistemas de control se apoyan para desarrollar todas estas funciones en redes de comunicaciones que aseguran la conectividad entre todos los elementos de la célula productiva y de la propia célula con la línea general de proceso y con todos los departamentos de la fábrica: Administración, Ventas, Logística, Producción, Calidad, Mantenimiento. El mercado de los sistemas de automatización ofrece gran variedad de productos y herramientas al suministrador de equipos de control el cual, a la hora de preparar la mejor solución técnica, se ve frecuentemente en la necesidad de integrar elementos de hardware y software de diferentes fabricantes, lo cual puede llevar en ocasiones a equipos de control poco robustos y cuyo mantenimiento puede ser complejo. Todo esto, unido a la complejidad que pueda presentar la propia aplicación, obliga a los suministradores de sistemas de control a plantearse la necesidad de métodos de trabajo que permitan generar software de control bien diseñado, estandarizado y robusto. Problemática de la ingeniería de automatización: Los suministradores de equipos de control han adoptado las normativas de programación definidas por la norma IEC Sin embargo, dado que cada fabricante de equipos de control proporciona sus propias herramientas de programación y que habitualmente existen varias soluciones para una misma aplicación, es frecuente encontrar en muchas instalaciones industriales aplicaciones de software muy personalizadas y de gran complejidad, lo cual supone un gran inconveniente a la hora de realizar modificaciones por el personal de mantenimiento de la planta o incluso por el propio suministrador del equipo de control. A continuación se detallan las principales razones por las que se puede considerar que un software de control no ha sido correctamente diseñado: - Programación mal estructurada o poco documentada. - Utilización de técnicas de programación inapropiadas. - Personal no suficientemente preparado (Se trata de un sector con gran rotación de personal). - Mala coordinación entre los propios departamentos o compañías que toman parte en el proyecto. - Realización de grandes modificaciones durante la puesta en marcha, sin considerar posibles implicaciones en el resto del proyecto, debidas a errores en el diseño del proyecto. - En ocasiones, los equipos de control presentan gran complejidad de utilización y evolucionan rápidamente, con lo que el soporte técnico de los fabricantes no es suficiente para formar a un equipo cualificado capaz de conocer todas las posibilidades del mercado. - Diferenciación clara de responsabilidades cuando varios suministradores de equipos de control trabajan de forma conjunta en una instalación industrial. S.P.G Asesores, S.A Pág.2 de 11

3 - Un insuficiente protocolo de pruebas del equipo de control, que puede originar una detección tardía de errores de diseño o del propio equipo, con soluciones complicadas. - Los equipos de control presentan una vida útil de aproximadamente 10 años, mientras que la vida útil de una instalación puede ser del orden de 20 a 30 años, de forma que una misma instalación puede ser reprogramada 2 ó 3 veces. Todas estas razones justifican la necesidad del desarrollo de una herramienta de programación de que sea flexible, independiente de los fabricantes de los equipos de control que se utilicen para las aplicaciones, y que permita el desarrollo y uso de librerías de funciones que puedan utilizarse como bloques estándar de programación, las cuales hayan sido previamente probadas y que estén trabajando en otras instalaciones similares. Esta herramienta permitirá generar software de control flexible, robusto, fiable y disminuir el tiempo de ejecución y puesta en marcha de los proyectos de automatización. SPG participa en un proyecto europeo, denominado Flexicon, junto con la Escuela de Ingenieros Industriales y de Telecomunicaciones de Bilbao, la Universidad de Sheffield y las empresas OAC y Rolls Royce para desarrollar una herramienta de programación de este tipo, la cual incluye módulos de programación, monitorización y simulación y que será probada en una aplicación marina y en una línea de tratamiento térmico. Requisitos deseables para el software de control. SPG aportará su amplia experiencia en instalaciones de tratamiento térmico para el desarrollo del proyecto Flexicon, desarrollando una herramienta basada en funciones independientes que serán aplicadas y probadas durante la fase final del Proyecto Flexicon, y que deben cumplir los siguientes requisitos: - Debe tratarse de funciones flexibles, adaptables a la filosofía de cada sector industrial, integrador de software o cliente final. - La librería debe contener funciones de diferentes niveles de complejidad, de forma que una vez probadas, puedan ser utilizadas en diferentes instalaciones. - Las funciones deben ser compatibles con diferentes equipos de control y diferentes fabricantes. - Posibilidad de compartir funciones entre diferentes equipos de trabajo u organizaciones. - Las funciones deben estar diseñadas de acuerdo a los estándares de programación. - Debe tratarse de software bien estructurado y de fácil comprensión para los departamentos de mantenimiento de los clientes finales. Proyecto Flexicon. La estrategia de control utilizada para una determinada aplicación será definida por el usuario mediante la conexión gráfica de bloques de diferentes niveles de complejidad. Estos bloques estarán ya definidos en las correspondientes librerías se seleccionarán e incluirán en la estrategia de control de una manera sencilla. A la hora de definir la estrategia de control, existirán 4 niveles de complejidad, según los elementos que se estén programando. Por ejemplo, para una línea de temple y revenido, los niveles pueden ser los siguientes: Nivel 0: Instalación. La línea de temple y revenido. Nivel 1: Sistemas independientes de la instalación, por ejemplo, el horno de temple. Nivel 2: Bloques de grupo: Por ejemplo, la regulación de temperatura de la zona 1 del horno de temple. Nivel 3: Bloques elementales: Por ejemplo, la lectura de una entrada analógica. S.P.G Asesores, S.A Pág.3 de 11

4 Un ejemplo de la estrategia de control que se propone es el siguiente: Temperature Temperature SP Temperature regulation Cooling system conexion Heating power demand signal Analogue Input Temperature PV In Out SP PID Output value AH Heating power demand (%) OR(Y) In Analogue Output F.Status Out F.Value Heating power demand signal AHH 0% Cooling system conexion Fig 1: Estrategia de control. Toda la estructura de gestión de un proyecto de control se apoyará en el programa Isagraf, que permite programar controladores abiertos, con los diferentes lenguajes para PLCs definidos por la norma IEC Descripción de diferentes instalaciones de Tratamiento Térmico. Línea Continua de Tratamiento Térmico. Las instalaciones de tratamiento térmico pueden ser clasificadas en 3 categorías, en función de las piezas a tratar, el tratamiento requerido y la funcionalidad de las mismas dentro del proceso productivo: - Líneas discontinuas (Tratamiento por lotes): Este tipo de líneas se caracteriza por tratar piezas normalmente de gran tamaño o lotes pequeños, las cuales sufren tratamientos térmicos con tiempos de ciclo elevados, lo cual impide el funcionamiento de la línea de forma continua. Este tipo de instalaciones se componen habitualmente de baterías de hornos en los que se realizan los tratamientos y sistemas de carga/descarga de las piezas a tratar, las cuales se manipulan individualmente. Se ajustan a esta descripción, por ejemplo, líneas de recocido de bobinas de acero, aluminio, etc., las cuales son entregadas a la línea de tratamiento directamente desde las líneas de proceso o almacenes intermedios, son tratadas en la línea y devueltas a los almacenes como producto final, siendo susceptibles de una cierta organización automática en dichos almacenes según criterios como el tratamiento recibido, el lote de producción al que pertenecen, material, cliente, tamaño, obsolescencia, etc... - Líneas continuas: Estas instalaciones se caracterizan por la existencia de un sistema de transporte de material de forma continua, el cual suministra la carga de trabajo a tratar. Normalmente se trata de instalaciones pensadas para tratar grandes lotes y sometidas a grandes productividades en kg/hora, y las piezas a tratar son de pequeño tamaño(tornillería, tuercas, ballestas, herramientas de mano, útiles de pequeña maquinaria, etc.). S.P.G Asesores, S.A Pág.4 de 11

5 Fig. 2: Línea Continua tratamiento(cortesía GHI Hornos Industriales). - Líneas híbridas: Este tipo de líneas es de utilidad para tratar materiales de pequeñomedio tamaño, susceptibles de ser transportados de forma continua, pero con tiempos de ciclo elevados o lotes pequeños, lo cual impide su funcionamiento como una línea de tratamiento continua. Las piezas son introducidas en los hornos de tratamiento de forma individual dispuestas sobre cestas o parrillas, conformándose un proceso de tratamiento térmico con tiempos de ciclo de tratamiento individualizados para cada lote. Se ajustan a este tipo de líneas, por ejemplo, instalaciones de tratamiento térmico diseñadas para un amplio abanico de productos a procesar. S.P.G Asesores, S.A Pág.5 de 11

6 Sistema de Control y Gestión de Líneas Continuas de tratamiento térmico. Habitualmente, las líneas continuas de tratamiento térmico son células dentro de un proceso productivo más grande, como puede ser el tratamiento de temple y revenido del producto final dentro del proceso productivo de una acería. Por lo tanto, el sistema de control de la línea de tratamiento debe proporcionar una conectividad total de la línea con el resto del proceso productivo, así como con el sistema de gestión de producción general de fábrica. Asimismo, dentro de la propia línea debe existir conectividad y traspaso de información constante entre cada uno de los elementos que la componen. Esta necesidad de traspaso de datos y órdenes de trabajo lleva a plantear una estructura de control jerarquizada de la forma siguiente: Nivel 5: Sistema de Gestión de Fábrica Nivel 4: Planta.Control Producción.Calidad Nivel 3: Célula Productiva. Línea Tratamiento. Nivel 2: Elementos: Hornos, tanques, lavadoras.. Nivel 1: Elementos de campo: Sensores, Actuadores.. Fig. 3: Niveles Automatización en la Empresa. La solución adoptada para una línea continuo pasa por la implantación de un sistema de control distribuido, cuya arquitectura típica puede observarse en la figura siguiente: S.P.G Asesores, S.A Pág.6 de 11

7 TOPOLOGIA DEL SISTEMA DE CONTROL I n Touch PROFIBUS FMS CPU315-2DP CPU315-2DP CPU314IFM CPU314IFM CPU315-2DP HORNO TEM PLE MANIPU- LADORES PREN SA CUBA HORNO REVEN IDO Profibus DP MPI MPI Profibus DP Profibus DP Reguladores Z1...Z5 Regulador Seguridad OP OP OP Regulador Temperatura OP Fig. 4: Arquitectura sistema control distribuido. En el caso de la figura, el equipo de control está compuesto por cinco diferentes autómatas programables, dedicados cada uno de ellos a las diferentes máquinas existentes en la instalación: horno de temple, sistema de transferencia, prensa, cuba de aceite y horno de revenido. Estos autómatas están comunicados mediante una red local a reguladores externos, los cuales realizan el control de temperatura de las diferentes máquinas de la instalación. A su vez estos autómatas están conectados mediante una red de nivel superior con el ordenador de monitorización y gestión. Este ordenador puede estar conectado a la red de comunicación general de la planta para de este modo facilitar el control y la gestión de la línea de un modo conjunto con el resto de la planta. Los PLCs realizan las funciones de control de maniobras, control de quemadores, seguridades del equipo de combustión, control de los elementos de transporte, etc. El planteamiento del sistema de control de una instalación de tratamiento continuo completamente automática debe proporcionar un alto nivel de fiabilidad, lo cual revertirá en aumentos de productividad y del nivel de seguridad de la instalación. Para ello, se deben tener en cuenta una serie de aspectos importantes: - Diseño de las secuencias automáticas utilizando el menor número de elementos de campo posible. - Elaboración de una colección racional de alarmas, estando prevista la actuación automática correcta ante cada una de ellas, llevando al sistema en todo caso a condiciones de seguridad. - Previsión de una gestión de alarmas que permita realizar análisis posteriores que colaboren al mantenimiento preventivo de la planta, presentando consultas de incidencias por prioridades, accesos a informes de históricos en un determinado intervalo de tiempo, consultas acerca de incidencias más repetitivas, etc. - Diseño del sistema de control con la posibilidad de modos de trabajo alternativos ante un determinado fallo en los casos en los que sea posible, siendo posible realizar los cambios con facilidad. La regulación de temperatura se encuentra implementada habitualmente en los PLCs de control de cada uno de los hornos de la instalación para cada una de sus zonas, así como la regulación de los tanques de temple, etc. S.P.G Asesores, S.A Pág.7 de 11

8 También existe la posibilidad de realizar la regulación de temperatura mediante reguladores externos a los PLCs, conectados mediante una red de comunicaciones local, permitiendo la lectura y escritura de todas las variables de regulación desde los diferentes PLCs. Cualquiera de las dos alternativas de control es válida y resuelve correctamente la problemática de este tipo de instalaciones. Trazabilidad, control de proceso y gestión de la información. Además de realizar el control tradicional de la instalación, los PLCs que controlan cada una de las máquinas realizan la función de gestionar la trazabilidad de datos del sistema. Los ordenadores de control de producción contienen el plan de fabricación para cada una de las células productivas de la planta, y van enviando ordenes de fabricación de diferentes lotes a cada una de estas células a medida que se van culminando los lotes anteriores. Este modo de trabajo es posible gracias a una retroalimentación de datos desde los PLCs de control hacia los niveles superiores. De este modo, la línea de tratamiento es conocedora de las características de las piezas que va recibiendo en la zona de carga y realiza un seguimiento de esas piezas a lo largo de cada una de las posiciones de la instalación, de forma que es posible conocer en todo momento las características de entrada a la línea y los datos más significativos que incorpora el tratamiento que se está realizando, tales como temperaturas de las zonas de los hornos, temperaturas de entrada y salida, potencial de carbono, velocidades de transporte y tiempos de estancia, etc. En el caso de líneas de tratamiento continuo estos datos se llevarán de forma individual para cada una de las unidades de carga (Cestas, parrillas, etc.) dentro de cada lote de producción y en el caso de líneas de tratamiento por lotes o híbridas los datos se llevarán para cada pieza o lote de piezas de forma individual. De este modo, en la zona de salida de la línea de tratamiento se dispone de todos los datos asociados a cada unidad de tratamiento, los cuales se componen de información referente al proceso anterior a la línea de tratamiento y la información correspondiente a las principales variables del proceso asociado a cada unidad de tratamiento dentro de la línea. Estos datos son susceptibles de uso para unidades de proceso posterior, como puede ser el envío de órdenes a empaquetadoras, marcadoras, y para ser tomados como base a la hora de abordar una organización automática de zonas de almacenamiento. El sistema permite monitorizar los datos de todas las posiciones del sistema en tiempo real, pudiendo realizar una estimación del porcentaje de tratamiento de cada uno de las unidades o lotes existentes y la posición de la cabeza y cola de esa unidad dentro de la instalación. S.P.G Asesores, S.A Pág.8 de 11

9 Fig. 5: Ejemplo control trazabilidad. Series de producción. Este seguimiento de las órdenes de fabricación permite eliminar las separaciones entre diferentes lotes dentro de la instalación, lo cual revierte en aumentos de productividad y optimización del proceso. La necesidad de flexibilidad de las líneas automáticas de tratamiento provoca la existencia de diferentes topologías de funcionamiento, de forma que es posible realizar tratamientos parciales de determinadas cargas en la línea debido a averías o a la recepción/envío de excedentes de producción a otras líneas. La trazabilidad del sistema debe permanecer invariable a estas modificaciones en las zonas de carga o descarga de material en la línea, intercambiando la información con diferentes interlocutores. S.P.G Asesores, S.A Pág.9 de 11

10 Fig. 6: Topología de instalación tratamiento térmico. El sistema de control permite realizar el seguimiento en tiempo real de varios lotes de producción, incluso con diferentes procedencias que existan en la instalación al mismo tiempo. Estos datos pueden ser consultados de forma inmediata en los ordenadores de supervisión de la instalación y enviados a niveles superiores mediante el uso de bases de datos en formato Access, SQL, etc. Todos los datos se van almacenando en el servidor en tiempo real, pudiendo realizarse a posteriori consultas en forma de informes de forma individualizada para cada una de las unidades de producción por los diferentes departamentos de la fábrica, implementando funciones de control estadístico de calidad, productividad, análisis de fallos más frecuentes de cara a la gestión del mantenimiento preventivo, etc. S.P.G Asesores, S.A Pág.10 de 11

11 Fig. 7 Ejemplo de generación de informes del tratamiento. El sistema de control permite al usuario crear recetas para cada tipo de producto, las cuales contienen los consignas de las variables más importantes para cada tipo de tratamiento: Temperaturas, potencial de carbono, velocidades, tiempos de estancia, etc. Estas recetas se pueden crear y volcar a la instalación desde los ordenadores de supervisión de la línea, desde paneles de operador o incluso desde los ordenadores de control de producción. La productividad de una línea de tratamiento térmico en la cual se producen varios productos con diferentes tratamientos, está claramente condicionada a la flexibilidad que presente la línea de cara a estos cambios de producto, la cual viene dada por la posibilidad de realizar el cambio de recetas de las variables más importantes del proceso de forma automática para cada una de las máquinas de la instalación de forma individual, con una intervención mínima del operador. De esta forma, se consigue realizar una gestión óptima del proceso productivo, minimizando tiempos muertos en los cambios de producto, realizando un uso racional de los elementos de la instalación y aumentando la fiabilidad del sistema. El sistema de control completa su funcionalidad mediante la instalación de la comunicación vía modem, la cual permite monitorizar desde las oficinas de SPG en Bilbao el estado de la instalación, así como realizar modificaciones tanto en los ordenadores de supervisión como en los PLCs de control de la instalación. También es posible realizar conexiones a la instalación mediante páginas web creadas para establecer vínculos con los ordenadores de supervisión de la línea de tratamiento térmico. Ventajas y beneficios. - Mejoras de productividad, basadas en disminución de tiempo muertos y gestión eficiente de la producción. - Conocimiento de la información de la instalación en tiempo real, incluso de forma remota desde diferentes departamentos de la empresa o incluso a través de Internet. - Generación de informes, funciones de control estadístico, de cara a la optimización del proceso, análisis de fallos, mantenimiento preventivo. - Utilización de funciones estándar chequeadas y probadas en otras instalaciones. S.P.G Asesores, S.A Pág.11 de 11