PLANTEAMIENTO DE CONTROL Y SUPERVISION PARA SISTEMA DE AGUA PURIFICADA
ANDRES FELIPE TAMAYO BELTRAN FREDY HERNANDO BERNAL SOCHA
FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD INGENIERIAS PROGRAMA INGENIERIA MECATRÓNICA BOGOTA D.C. 2014
Contenido INTRODUCCIÒN ....................................................................................................................... 1 OBJETIVOS ................................................................................................................................ 3 1. ANTECEDENTES ................................................................................................................. 4 2. DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE AGUA PURIFICADA ......................................... 5 3. COMPONENTES DEL SISTEMA DE AGUA PURIFICADA .......................................... 5 3.1. FILTRO MULTIMEDIOS ................................................................................................... 7 3.2. CARTUCHO DE FILTRACIÓN ........................................................................................ 7 3.3. FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO ................................................................................. 7 3.4. SUAVIZADOR .................................................................................................................... 8 3.4.1. DUREZA DE CARBONATOS ...................................................................................... 8 3.4.2. DUREZA DE NO CARBONATOS ............................................................................... 9 3.4.3. INTERCAMBIO IONICO................................................................................................ 9 3.5. LAMPARA DE DESINFECCION UV ............................................................................ 10 3.6. OSMOSIS INVERSA....................................................................................................... 11 3.7. EQUIPO DE DESIONIZACION ..................................................................................... 11 4. SISTEMAS DE AUTOMATIZACION DSC Y SCADA ................................................... 12 4.1. DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO .......................... 13 4.1.1 CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (DSC) .. 15 4.1.2 INTERFAZ AL PROCESO DE UN DSC .................................................................... 15 4.1.3 INTERFAZ AL OPERADOR DE UN DSC ................................................................. 16 4.1.4 VÍA DE DATOS DEL DSC ........................................................................................... 16 4.1.5 SEGURIDAD DEL SISTEMA DSC. ............................................................................ 16 4.1.6 EVOLUCIÓN DEL CONTROL DISTRIBUIDO (DSC) .............................................. 17 4.2 APROXIMACIÓN TEÓRICA A LOS SISTEMAS SCADA. ......................................... 17 4.2.1 DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA ........................................... 17 4.2.2 CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA SCADA ..................................................... 18 4.2.3 PRESTACIONES .......................................................................................................... 20 4.2.4 REQUISITOS ................................................................................................................. 21 4.2.5 COMO ELEGIR UN SISTEMA SCADA ..................................................................... 21 4.2.6 IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA FUNCIONAL............................... 22 4.2.7 ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE UN SOFTWARE SCADA ...................... 22 4.2.8 CONFIGURACIÓN ........................................................................................................ 22 4.2.9 INTERFAZ GRÁFICO DEL OPERADOR .................................................................. 23
4.2.10 MÓDULO DE PROCESO .......................................................................................... 24 4.2.11 GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS ......................................................................... 25 5 DIFERENCIA ENTRE SCADA Y DCS ............................................................................. 26 6 PLANTEAMIENTO DE UN SCADA EN EL SISTEMA DE AGUA PURIFICADA ....... 27 6.1 DESCRIPCIÓN ALTERNATIVA DE AUTOMATIZACIÓN ........................................ 27 6.2 COMPONENTES .............................................................................................................. 28 6.3 CONFIGURACIÓN DE PLC NECESARIO ................................................................... 32 6.4 USO DEL SCADA............................................................................................................. 33 6.5 ALARMAS SCADA ........................................................................................................... 35 7 RESULTADOS ..................................................................................................................... 37 8 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 38 9 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 39
INDICE DE FIGURAS.
Figura 1. Esquema grafico de sistema de agua purificada, Biochem……………6 Figura 2. Elementos fundamentales de sistema de control distribuido………...15 Figura 3. Consola de operación.....…………………………………………….…..16 Figura 4. Ejemplo interfaz gráfica SCADA …………...…………………………24 Figura 5. Ejemplo de gestor de alarmas: actuales e históricos del SCADA…...26 Figura 6. Esquema de la planta a automatizar, sistema de agua purificada, Biochem…………………………………………………………………………….....28 Figura 7. Ejemplo SCADA CXSupervisor de Omron……………………………..33 Figura 8. SCADA del sistema de agua purificada
……………………………..34
Figura 9. Comunicaciones en Wincc……………………………………………….35
INDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Descripción del funcionamiento general de cada uno de los equipos del sistema de agua purificada………………………………………………………6 Tabla 2. Posible solución en sistema de agua purificada………………….…….32
GLOSARIO
ALCALINIDAD: Adjetivo empleado para definir determinados elementos o compuestos químicos capaces de neutralizar los ácidos y sus efectos. Su Ph está comprendido entre 7 -14. AWL: (lista de instrucciones) es un lenguaje textual orientado a la máquina. BUS DE DATOS: es un dispositivo mediante el cual al interior de una computadora se transportan datos e información relevante. CLORITOS: El clorito es un anión inorgánico; es incoloro, inodoro, insípido y se disuelve fácilmente en el agua. El clorito es relativamente estable excepto si entra en contacto con otras sustancias químicas como el cloro libre. DRIVERS: Elemento software utilizado en diversos sistemas operativos, también llamado manejador de dispositivo, controlador de dispositivo. DSC: Sistema de control distribuido. ELECTROLITOS: Un electrolito o electrólito es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico. ETHERNET: Es un estándar de transmisión de datos para redes de área local. FUP: El lenguaje de programación FUP (diagrama de funciones) utiliza los símbolos gráficos del álgebra booleana para representar la lógica. También es posible representar en conexión directa con los cuadros lógicos funciones complejas, por ejemplo, funciones matemáticas. GRAFCET: Es un diagrama funcional que describe los procesos a automatizar, teniendo en cuenta las acciones a realizar, y los procesos intermedios que provocan estas acciones. HMI: Human Machine Interface. Interfaz Hombre Máquina. IÓN: En química, se define al ion o ión como un átomo o molécula que ha perdido su neutralidad por un defecto o exceso de su carga formal. El proceso de pérdida o ganancia de carga formal se llama ionización. KOP: Es un lenguaje de programación para PLC similar a la de los esquemas de circuitos. Los elementos de un esquema de circuitos, tales como los contactos normalmente cerrados y normalmente abiertos, se agrupan en segmentos. Uno o varios segmentos constituyen el área de instrucciones de un bloque lógico. NITRATOS: Sal que se obtiene por reacción del ácido nítrico con una base.
PROTOCOLO DDE: El protocolo de intercambio dinámico de datos DDE (Dynamic Data Exchange) es uno de los métodos de comunicación entre procesos que permite intercambiar datos entre aplicaciones de Windows. El protocolo DDE está basado en el sistema de mensajería construido por Windows. RTU: Remote Terminal Unit. Unidad Terminal Remota. UV: Ultra Violeta.
INTRODUCCIÒN Cuando nos referimos al término de “agua purificada” pensamos que el término hace referencia a un tipo de agua con un nivel de filtración muy alto al que normalmente no encontramos en el alcantarillado. Pero en realidad Purified Water (PW) o agua purificada es unos de los principales excipientes para la fabricación de productos del sector farmacéutico. Es por ello que el sistema de agua purificada es primordial para la industria farmacéutica. Es evidente la necesidad de producir medicamentos en distintos países bajo requerimientos de fabricación armonizados. Es por eso que en los últimos años se ha prestado atención a las normas que fijan la calidad del agua que se utiliza como ingredientes o participa en la fabricación de aquellos y la forma de cómo lograrla. El agua se usa como un excipiente en la producción de preparaciones oficiales, en aplicaciones farmacéuticas, tales como limpieza de ciertos equipos y en la preparación de algunos productos químicos farmacéuticos (materias primas). El agua purificada debe cumplir los requerimientos de pureza tanto inorgánica como orgánica y debe estar protegida de la proliferación bacteriana. Se prepara utilizando Agua Potable como agua de alimentación y se la purifica usando operaciones unitarias que incluyen desionización, intercambio iónico, ósmosis inversa, filtración u otros procedimientos adecuados. Las plantas de Agua Purificada, que producen, almacenan, y distribuyen agua bajo condiciones ambientales, son susceptibles a la formación de varios microorganismos. Estos sistemas requieren frecuentes sanitización y monitoreo para asegurar la apropiada calidad microbiológica en los puntos de usos. La ingeniería juega un papel fundamental en el proceso de control y adquisición de datos, además de encargarse de los mantenimientos de cada uno de los equipos del sistema de agua purificada, apoyando la supervisión en cada uno de los puntos de muestreo para garantizar la aprobación del agua por parte del departamento de control de calidad. Biochem farmacéutica de Colombia cuenta con un sistema de agua purificada, en el cual, la supervisión se realiza con instrumentos manuales como por ejemplo conductivimetro, test de dureza, test de trazas en otros, que miden variables como lo pueden ser presencia de microorganismos o conductividad alta, ente otras El presente trabajo presenta un estudio de las posibles opciones, ya sea sistema de control distribuido o la un sistema scada para tener un mayor 1
control y mejorar la eficiencia de cada uno de los equipos del sistema de agua purificada, así mismo ejecutar acciones de control más precisas, de esta manera se podrá garantizar la calidad e inocuidad de uno de los principales excipientes de la industria farmacéutica.
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OBJETIVOS
GENERAL Analizar y comparar dos opciones para el diseño de un sistema de control y adquisición de datos, aplicados al sistema de agua purificada con el que cuenta laboratorios Biochem
ESPECIFICOS Explicar el funcionamiento de un sistema de agua purificada paso a paso y equipo por equipo para que el lector se asocie con los elementos que se pretenden intervenir. Establecer la importancia del uso de un sistema de supervisión y control en la industria farmacéutica, detallando sus ventajas a la hora de implementar un trabajo de automatización. Evaluar pro y contras para el momento de elegir un sistema de supervisión y control de variables del sistema de agua purificada.
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1. ANTECEDENTES
Desde hace cientos de años el agua se usa ampliamente como materia prima o material principal para la fabricación, producción, procesamiento y formulación de muchos de los productos farmacéuticos. El agua excipiente principal de la industria farmacéutica tiene como particularidad propiedades químicas únicas como lo son disolver, absorber, o suspender a diferentes a diferentes componentes. Esto también incluye los múltiples microorganismos o focos de contaminación presentes que pueden generar alarmas ya sea en si mismos o por su reacción al contacto con otras sustancias, generando efectos negativos en la salud. A medida que pasan los años los entes reguladores exigen mayores controles sobre los diferentes tipos de agua, utilizados en la industria farmacéutica. Una gran fuente de recomendaciones sobre los diferentes tipos de agua es la Agencia Evaluadora de Medicamentos Europea (EMEA) en sus lineamientos sobre calidad de agua de uso farmacéutico (CPMP/QWP/158/01). El control de la calidad del agua a lo largo de los procesos de producción, almacenamiento y distribución, incluye rigurosos análisis sobre la carga microbiológica y química en esencia. Para asegurar la calidad del excipiente se han venido implementando prácticas, las cuales tiene como finalidad múltiples monitoreos para garantizar minimizar al máximo la carga microbiológica y química. Durante el proceso se llevan acabo rutinas se monitoreo constante siguiendo la normatividad europea, con instrumentos y equipos diseñados para maximizar la inocuidad y calidad del agua.
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2. DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE AGUA PURIFICADA
El agua se utiliza ampliamente como materia prima, ingrediente y disolvente, en diversas industrias, no solo de índole farmacéutico, además se utiliza para la limpieza de equipos y contenedores. El agua puede contener muchos solutos, como por ejemplo sales de calcio, magnesio, fluoruros, cloruros, cloro, carbonatos, sulfatos, entre otros, los cuales le proporcionan características especiales. El agua utilizada en la industria farmacéutica debe ser preparada a partir de agua potable. Su purificación debe generar agua que cumpla con requisitos fisicoquímicos y microbiológicos, tales como dureza (sales de calcio y magnesio), conductividad (electrolitos), pH, sólidos totales disueltos, ausencia de microorganismos patógenos, entre otros, los que contribuyen al buen funcionamiento de los equipos, tuberías, estanques de almacenamiento y aun más importante asegure la calidad de los productos ya sean materias primas o productos terminados. En la actualidad, los laboratorios farmacéuticos, buscan validar sus procesos pertenecientes a la línea de fabricación de sus productos, con la finalidad de establecer un alto grado de seguridad, dejando en evidencia que el proceso se efectuó uniformemente, en conformidad con los resultados esperados. El control de calidad químico y microbiológico del agua purificada, durante su producción, almacenamiento y distribución es de vital importancia por razones de salud y seguridad. (Ruíz, 2010) El presente trabajo detalla y describe las etapas para el proceso de obtención de agua purificada, almacenamiento y distribución del Laboratorio Biochem farmacéutica. Como seguimiento de la purificación del agua, se miden variables como: pH, conductividad, sólidos disueltos, cloruros, cloro, sales de calcio y magnesio, utilizando las técnicas tradicionales de la química analítica.
3. COMPONENTES DEL SISTEMA DE AGUA PURIFICADA
Biochem farmacéutica cuenta con diferentes equipos en el sistema de agua purificada los cuales cumplen con funciones específicas, que serán descritas para comprender el principio de operación.
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Figura 1.Esquema grafico de sistema de agua purificada de Biochem (Autores)
EQUIPO filtro de multimedios (FFM 14*55)
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Remoción de partículas en suspensión
caucho de filtración 5 micras (GX05-20)
Remoción de partículas menores a 5 micras con una eficiencia de 90%
filtro de carbón activado (FCA 14*65) Remoción de cloro y carga orgánica suavizador (SOF 14*65) caucho de filtración 1 micra (GX01-20) lámpara de desinfección U.V (DW-8) osmosis inversa (1230889) desionización de lecho separado (DI 12*54) desionización de lecho separado (DI 12*54) caucho de filtración 0.5 micras (FCDPF20S5)
Remoción de dureza Remoción de partículas menores a 1 micras con una eficiencia de 90% Destrucción de micro organismos trabajando a 254nm Reducción de materias iónico, orgánico, micro biológico en un 90%-95% Remoción iones por intercambio iónico de agua con resinas Columna Catódica Remoción iones por intercambio iónico de agua con resinas Columna Anionica Remoción de partículas mayores a 0.5 micras con una eficiencia del 90%
Tabla 1. Descripción del funcionamiento general de cada uno de los equipos del sistema de agua purificada (Grijal, 2008) 6
3.1.
FILTRO MULTIMEDIOS
El agua potable no siempre proviene con un nivel de pureza deseado, por lo general se encuentra contaminada con materiales orgánicos e inorgánicos y algunos minerales, lo cual puede llegar a ocasionar problemas con la calidad deseada del agua. El filtro multimedios está compuesto por varias capaz de medios filtrantes con diferentes densidades y tamaños acomodados uno sobre otro. Los materiales con las que se encuentra diseñado son antracita granate y arena acomodados en este orden de arriba hacia abajo, su principio de funcionamiento es retener partículas grandes en la parte superior, y las más pequeñas en la parte inferior a medida que hay un flujo de agua, este retiene partículas entre 3-15 micras generalmente son partículas precipitadas de metales oxidados y sedimentos. 3.2.
CARTUCHO DE FILTRACIÓN
Los cartuchos de filtración se encuentran alojados en los porta cartuchos, cuando estos se les somete a una presión de agua obliga a pasar el agua por medio del cartucho filtrante reteniendo partículas mayores a 5; 1 o 0.5 micras dependiendo del cartucho que sea instalado. Los filtros tipo cartucho son usados en la industria farmacéutica debido a que se usan para aplicaciones donde la calidad y seguridad exigida sean elevadas, pues se debe minimizar al máximo el paso de partículas orgánicas e inorgánicas. 3.3.
FILTRO DE CARBÓN ACTIVADO
El carbón activado en la industria farmacéutica es muy utilizado para filtrar microorganismos y algunos químicos presentes en el suelo o agua contaminados. Cuando el agua pasa a través del filtro los químicos se adsorben o adhieren a los gránulos que se encuentran en la superficie del filtro y dentro los múltiples microporos que posee. Los filtros de carbón son parte del sistema de agua purificada y son utilizados para la extracción y tratamiento de aguas no solo a nivel farmacéutico sino para aguas subterráneas, de rio, lago o poso, manantial, aguas municipales, etc. Por lo general se usan como tercera etapa en el sistema de agua purificada. Un filtro de carbón consiste en un recipiente o columna empacada o rellena de gránulos, su estructura y propiedades le permiten adsorber específicamente aquellos químicos peligrosos que se encuentran en el agua a tratar. (IWater, 2014 ) 7
El tratamiento con carbón activado proporciona excelentes resultados al eliminar cloro, mal olor, microorganismos y patógenos como virus y bacterias, mejora el sabor y color del agua, retiene una amplia gama de químicos como pueden ser combustibles, bifenilos policlorados, dioxinas y desechos radioactivos. Asimismo, puede eliminar ciertos tipos de metales como plomo, cadmio o mercurio, siempre que los metales pesados se encuentren presentes en pequeñas cantidades. (IWater, 2014 ) 3.4.
SUAVIZADOR
El suavizador es el encargado de remover la dureza es decir la concentración de compuestos minerales que hay en el agua, particularmente sales de magnesio y calcio. El principio de operación se hace por medio de una resina cationica contenida dentro del suavizador, acido fuerte en el sodio (Na + 1). Durante el proceso de “ablandamiento” es decir intercambio de agua, el catión sodio, los iones de sodio son intercambiados por las cantidades indeseables de calcio (Ca +2), magnesio (Mg +2), y el hierro (Fe +2). Los iones de sodio ya presentes en el agua, son ablandados para que pasen a través del proceso de intercambio 3.4.1. DUREZA DE CARBONATOS
Es causada por la combinación de carbonatos de calcio y magnesio con el dióxido de carbón para formar bicarbonatos de calcio y de magnesio. Se llama así porque la mayoría de los carbonatos se precipitan cuando el agua es hervida., sacando el dióxido de carbono, dejando los carbonatos que son insolubles. (Aquarent, 2014) La dureza de carbonatos es equivalente a la alcalinidad del anaranjado de metileno entre un pH de 3.1 y 4,4. Si la alcalinidad es mayor a la dureza total, las ppm de la alcalinidad total son iguales a las ppm de dureza de carbonatos. Ej. Si la alcalinidad total es de 50 ppm y la dureza total es de 75 ppm, la dureza de carbonatos es de 50 ppm. Si la alcalinidad y la dureza total son iguales, se entiende que solo hay dureza de carbonatos presente. Si la alcalinidad total es mayor a la dureza total, entonces la dureza de carbonatos es la totalidad del compuesto y la alcalinidad restante es debida al sodio. Una forma de ablandar, suavizar y acondicionar el agua cunado su contenido de dureza es alto es utilizando el óxido de calcio. (Aquarent, 2014)
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3.4.2. DUREZA DE NO CARBONATOS
La dureza no carbonatada o de no carbonatos es llamada dureza permanente, es debida principalmente a los sulfatos de calcio y de magnesio. El nombre común para el sulfato de calcio es “gypsum” y para el sulfato de magnesio” sales epsom”. Los cloritos y nitratos de calcio y magnesio también forman agua no carbonatada pero no son tan comunes como los sulfatos. Los compuestos que causan la dureza no carbonatada no precipitan al hervirse. (Aquarent, 2014) Si la dureza es mayor que la alcalinidad total, la diferencia entre la dureza y la alcalinidad es la dureza no carbonatada. El carbonato de sodio comúnmente llamado ceniza de sosa, es usualmente usado para suavizar aguas con alto contenido de dureza carbonatada. (Aquarent, 2014) 3.4.3. INTERCAMBIO IONICO
El intercambio iónico es un proceso de separación de iones. Un ion es la parte más pequeña de un átomo y se encuentra cargada eléctricamente. Estos iones se clasifican por su intercambio. Los iones cargados positivamente son llamados cationes, ya que estos se adhieren al cátodo o electrodo negativo. Los iones cargados negativamente son llamados aniones, ya que estos se adhieren al ánodo o electrodo positivo en una celda galvánica. (Aquarent, 2014) El calcio, magnesio, sodio, hierro, y manganeso son cationes comúnmente encontrados en el agua, adicional a ello se pueden encontrar bicarbonatos, carbonato, cloruro, sulfato y nitrato. (Aquarent, 2014) Los problemas de dureza son ocasionados por los cationes calcio y magnesio. Si leste tipo de cationes son removidos para remplazarlos por cationes de sodio, los problemas de la dureza pueden ser eliminados. (Aquarent, 2014) La columna de resina anionica es usada para la separación de los iones y el intercambio. La resina es mantenida neutra por iones de sodio. Al pasar el agua conteniendo los cationes, calcio, y magnesio, por la columna de resina, se adhieren a la resina y son reemplazadas por cationes de sodio. Los cationes de sodio. No producen problemas de dureza, así el agua suave es descargada a servicio. (Aquarent, 2014) La columna de resina puede suavizar el agua mientras contenga cationes sodio. Al lograr alcanzar el contenido de sodio, la resina se agota y debe ser regenerada con sal. (NaCl). (Aquarent, 2014)
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El proceso de intercambio es como sigue:
Dureza Resina Sodio Resina agotada Ca++ + Na2R ——————- 2Na+ + Ca R Mg++ + Na2R ——————- 2Na+ + Mg R (Aquarent, 2014)
Para regenerar el suavizador, una solución fuerte de salmuera es usada. La solución fuerte de salmuera forzara al calcio y al magnesio de regreso a la solución. Los cationes de sodio se adhieren a la resina para mantenerla eléctricamente neutra. (Aquarent, 2014)
Sodio Resina Agotada Resina Dureza 2Na+ + Ca R ——————- Na2R + Ca++ 2Na+ + Mg R ——————- Na2R + Mg++(Aquarent, 2014)
3.5.
LAMPARA DE DESINFECCION UV
La luz en una radiación electromagnética o energía radiante en forma de ondas. La energía UV es hallada en el espectro electromagnético entre la luz visible y los rayos X y puede ser mejor descripta como radiación invisible. La energía necesaria para el tratamiento de agua en el sistema de purificación es de 254 nm y 185 nm, donde nanómetro (nm) = 1/1000 de un micrón. Es usada para la destrucción de microorganismos. Por medio de las lámparas UV se logran eliminar amenazas latentes como lo son formación de microorganismos, cuando el flujo de agua pasa por medio de las lámparas estas son neutralizadas instantáneamente por la radiación de luz Ultra violeta. El agua no cambia en su composición química o contenido de oxigeno ya que no se añade más que luz U.V. y por lo tanto no tiene un impacto negativo, asegurando el cumplimiento de la normatividad
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3.6.
OSMOSIS INVERSA
Para comprender como trabaja el equipo de osmosis inversa primero se debe comprender en que consiste el proceso de osmosis natural. Cuando se ponen en contacto soluciones de diferentes concentraciones en un determinado soluto (por ejemplo sales), se genera un flujo de solvente (por ejemplo agua) desde la solución más diluida a la más concentrada, hasta igualar las concentraciones de ambas. En pocas palabras si ponemos en contacto dos soluciones una más saturada que la otra, obtendremos como resultado un equilibrio entre ambas. El agua que atraviesa la membrana "empujada" por la presión osmótica de la solución más saturada y el equilibrio del proceso se alcanza cuando la columna hidrostática iguala dicha presión osmótica. Ahora de aquí se puede deducir que es osmosis inversa, ahora el fenómeno se invierte pues la solución más saturada deberá atravesar una membrana semi-permeable venciendo la presión osmótica aplicándole una presión mayor En el equipo de osmosis inversa los sólidos totales disueltos (minerales, material orgánico e inorgánico, microorganismos) quedan retenidas sobre las membranas y rechazadas por la acción de autolavado. 3.7.
EQUIPO DE DESIONIZACION
Mediante resinas absorbentes se realiza la eliminación de iones inorgánicos presentes en el agua. Se usan de una manera sencilla y no requieren un gran aporte energético, pero con una de sus deficiencias y es la no eliminación de impurezas de tipo orgánico, lo cual implica limitar la producción de agua estéril, lo cual lo hace vulnerable a la contaminación por parte de cargas microbiológicas, particularmente en un medio caluroso. (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) Los Desionizadores contienen resinas insolubles de intercambio catiónico (RES–SO3H) y de intercambio Aniónico (RES – CH2N (CH3)3OH+). Estas se encuentran en columnas separadas o en una columna de lecho mixto. El agua fluye a través de las columnas de resina, que intercambian los electrolitos solutos por iones H+ y OH-. Las resinas de intercambio catiónico están cargadas negativamente para contener los iones cargados positivamente (Cationes) y las resinas de intercambio Aniónico están cargadas positivamente 11
para contener los iones cargados negativamente (Aniones). . (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) Se debe realizar el mantenimiento de las resinas cuando la conductividad de salida del equipo es mayor 20 mS/cm esto se hace regenerando con soluciones acidas o sustituyendo las resinas siguiendo las recomendaciones del fabricante por lo tanto debe realizarse un control muy riguroso para tener la seguridad de que no están saturadas y de que producen el suficiente nivel de pureza requerido. Este examen se realiza midiendo la conductividad eléctrica del agua tratada. (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) La conductividad eléctrica es la propiedad que tienen las sales inorgánicas en solución (electrolitos) para conducir la corriente eléctrica, es decir, el agua pura prácticamente no conduce la corriente eléctrica mientras que el agua con sales disueltas la conduce muy bien (agua de mar). Los iones cargados positivamente o negativamente son los que la conducen la corriente y la cantidad conducida depende del número de iones presentes y de su movilidad. (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) Unidades de conductividad Eléctrica: Siemens/cm y mS/cm (Microsiemens/cm) (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) Es importante anotar que entre más caliente esté el agua, mayor será la conductividad, por eso se mide de manera estándar a 25°C. (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) La regeneración o sustitución de las resinas depende de la cantidad de agua tratada y de su dureza (la dureza guarda relación con el contenido de calcio en el agua). La dureza del agua tratada por un desionizador es prácticamente nula. (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) El flujo de agua que pasa por los desionizadores debe ser continuo para minimizar la formación de microorganismos. El agua clorada puede “intoxicar” la resina del desionizador produciendo deficiencias en la calidad del agua. (Universidad Pontificia la Javeriana, 2014) 4. SISTEMAS DE AUTOMATIZACION DSC Y SCADA
Los sistemas de automatización son cada vez importantes o indispensables para los procesos industriales ya que a partir de ello se desarrolla procedimientos, electrónicos e informáticos y son utilizados usualmente para el control industrial.
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Para que los sistema de automatización funcione es esencial saber para qué tipo de actividades se utilizaran, por más mínima que sea se debe tener en cuenta unos paso importantes para la solución de ella:
Sistemas abiertos Dispositivo de campos Interfaz humana en los últimos avances tecnológicos Herramientas avanzadas en tecnología Bases de datos especializadas en tiempo real
Para el desarrollo de estas actividades se debe disponer de una planta con la tecnología necesaria que supla todas las necesidades futuras, se deben diseñar estándares de calidad de un producto donde pasaran por un proceso de supervisión. Los sistemas de automatización son magníficos por que brindan accesos de diversidad de sistemas, donde lo que pretende es generar un entorno más elaborado y flexible, mejora así en las operaciones, la eliminación de errores y procesos que entorpecen los tiempos, mantiene los suministros eléctricos en un menor consumo, eliminado así los fallos, reduciendo las perdidas y pedidos de los clientes a tiempo y con mejor calidad. Da la posibilidad que todos puedan conocer el estado de cortes en el sistema y el “accesos de datos operativos en línea”. A continuación se dará una descripción teórica de dos sistemas de automatización en donde se profundizara en cada de uno de ellos para conocerlos y poder encontrar cuál de estos es el más adecuado y dar una posible solución al problema en el sistema de agua purificada 4.1.
DESCRIPCION DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO
En 1975 aparece el denominado “sistema de control distribuido” o SCD más conocido por sus siglas en ingles DSC (Distributed Sistema Control), que cubre la necesidad de reducir el riesgo de averías. En este tipo de control, uno o varios microprocesadores se encuentran repartidos en varios puntos de la planta, donde están conectados a varias señales de proceso correspondiente, en general, a una parte homogénea de la planta. Estos microprocesadores se distribuyen de forma arquitectónica y están conectados entre si a través de una vía de una vía de comunicación, la cual comunica, a su vez, con el centro supervisor del control central, desde donde se tiene acceso de modo automático o manual a todas las variables de proceso de la planta. (Creus, 2010)
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La ventaja fundamental del control distribuido es la mayor seguridad y economía de funcionamiento, al ser los lazos de control de cada microprocesador de menor longitud (por estar situado en el centro óptimo de las variables de proceso captadas) y menos vulnerables al ruido o a los daños; por otro lado, ante la posible (pero poco probable) perdida de la vía de comunicaciones (que suele ser redundante) los controladores continúan operando localmente. Además el operador tiene acceso a todos los datos de los controladores (puntos de consigna, variables de proceso, señales de salida a válvulas, etc.) y puede visualizarlos a través de pantallas de televisión, ya que se halla en contacto con los mismo a través de la vía de comunicaciones. (Creus, 2010) En el control distribuido conviene que el usuario indique los tipos de presentación visual que le interesen, prestando su ayuda en el diseño de las pantallas para la representación del proceso, incluyendo la participación de los futuros operadores de la pantalla, para que ellos, aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta, pueden influir en la construcción o fabricación de los diagramas, con los que después van a controlar el proceso. (Creus, 2010) La presentación visual o mímica en las consolas puede configurarse incorporando, a voluntad del usuario, las formas (tuberías, tanques, bombas, etc.) disponibles en la librería grafica, situando colores diferentes y haciendo que el diagrama visualice los valores medidos en la pantalla y que el aspecto del proceso sea lo más real posible, por ejemplo, con tanques que se llenan o vacían con tuberías que cambian de color según el valor de la temperatura, etc. La llamada a la información puede agilizarse por medio de un sistema de infrarrojos que detecta la posición del dedo del operado, al tocar este la pantalla. De este modo, parte de las entradas por teclado, el operador, aunque no tenga experiencia, puede pedir al sistema menús de ayuda, diagramas de flujo, presentación de alarmas, etc., sin tener que preocuparse por la sintaxis de las órdenes. (Creus, 2010) Si se desea, puede acoplarse un computador al conjunto del sistema para resolver problemas complejos de la dirección de la planta, desde lo más sencillos como tendencias de variables y su interrelación, hasta los más complejos como la auditoria energética y la optimización de costos de las diversas secciones de la fábrica. La arquitectura distribuida de las funciones del computador permite analizar y comunicar entre si los valores de variables, tales como el estado del inventario y análisis de los productos (tanto materias primas como productos terminados), la automatización de la producción y el mantenimiento y la información necesaria para la dirección para una toma correcta de decisiones sobre la marcha de la planta (optimización de la producción, mejora de la calidad y ahorro de energía). (Creus, 2010)
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4.1.1 CARACTERISTICAS DISTRIBUIDO (DSC)
DE
UN
SISTEMA
DE
CONTROL
De forma simplificada, un sistema de control distribuido, consta de tres elementos fundamentales: (Acevedo, 2006)
Interfaz al proceso Interfaz al operador Vía de datos
Figura 2. Elementos fundamentales de sistema de control distribuido (Acevedo, 2006) 4.1.2 INTERFAZ AL PROCESO DE UN DSC
Suele haber dos tipos de equipos para realizar la interfaz con el proceso. Uno de ellos, denominado habitualmente controlador, se dedica al procesamiento de lazos de control con entrada, procedente de elementos de medida, y salida hacia elementos finales, mientras que otro modulo se dedica al procesamiento de entradas que no necesitan realizan funciones de control, tal como indicaciones. Entre los últimos suele haber equipos especializados en determinados tipos de entradas, siendo el más habitual el que se procesa temperaturas, conocido como multiplexor, Algunos módulos del sistema tienen la posibilidad de programación adicional en lenguajes de alto nivel, con 15
posibilidad de acceso directo a los parámetros de los bloques de control. Esta particularidad da una potencia considerable a los equipos, sobre todo si se va a realizar control avanzado. (Acevedo, 2006) 4.1.3 INTERFAZ AL OPERADOR DE UN DSC
El sistema proporciona un medio de supervisar y manipular las unidades de proceso desde la sala de control, a través de una consola de operación similar a la que aparece a continuación. Esta consola hace la función de interfaz entre el operador y las unidades. Todas las pantallas se encuentran unidas con los armarios de control a través de la vía de datos o vía de comunicación. (Acevedo, 2006)
Figura 3. Consola de operación (Acevedo, 2006) 4.1.4 VÍA DE DATOS DEL DSC
El sistema dispone de una vía principal para comunicación de datos y otra de reserva. Cada vía está compuesta por un cable coaxial y toda la electrónica asociada por donde fluye la comunicación a lo largo de todos los elementos del sistema de control. Ante un fallo en la vía principal, automáticamente entre la de reserva, sin afectar al control de la planta. (Acevedo, 2006) 4.1.5 SEGURIDAD DEL SISTEMA DSC.
La medida básica de la fiabilidad de un sistema se mide por el tiempo entre fallos. Para aumentar este tiempo medio entre fallos se utilizan las técnicas de redundancia. Se considera que un sistema es redundante cuando, ante un fallo en una parte del mismo sigue funcionando correctamente, ya que el elemento que falla es sustituido por otra de reserva. Antes de continuar 16
conviene decir que existen dos tipos de diseño para asegurar el control: (Acevedo, 2006)
Conexión en paralelo redúndate. Conexión de un sistema activo y otro de reserva.
Con el primer procedimiento existen dos sistemas que procesan simultáneamente las entradas y salidas, comparando continuamente los resultados. La salida la proporciona uno solo de ellos. El segundo procedimiento se comporta de forma que solo el controlador principal está procesando las entradas y salidas. Si falla este controlador considerado como reserva, encargándose este ultimo de procesar las entradas y salidas a partir del momento del fallo. (Acevedo, 2006) 4.1.6 EVOLUCIÓN DEL CONTROL DISTRIBUIDO (DSC)
Controladores multifunción para uso en procesos discontinuos en la modificación fácil y repetitiva de operaciones, incluyendo control lógico y secuencial, paros de emergencia, compensadores y diversos algoritmos de control. Sistemas de optimización de plantas coordinando múltiples controladores programables. Aplicaciones crecientes en el área de modernización de plantas. Microprocesadores cada más rápidos. Apoyo cada vez más perfeccionado al operado, a producción y a mantenimiento, en su integración en el manejo de la planta (consolas, control avanzado, módulos históricos, etc.) Perfeccionamiento en las vías de comunicaciones utilizando cables coaxiales y fibras ópticas, así como nuevos protocolos de comunicaciones. (Creus, 2010)
4.2 APROXIMACIÓN TEÓRICA A LOS SISTEMAS SCADA. 4.2.1 DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA El nombre SCADA significa: Supervisor Control And Data Adquisition, Control Supervisor y Adquisición de datos. Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos, etc). Aunque 17
inicialmente solo era un programa que permitía la supervisión y adquisición de datos en procesos de control, en los últimos tiempos han ido surgiendo una serie de productos hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para éste tipo de sistemas. La interconexión de los sistemas SCADA también es propia, se realiza una interfaz del PC a la planta centralizada, cerrando el lazo sobre el ordenador principal de supervisión. (Mc Donald, 1993) El sistema permite comunicarse con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, sistemas de dosificación, etc.) para controlar el proceso en forma automática desde la pantalla del ordenador, que es configurada por el usuario y puede ser modificada con facilidad. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios. (Boyer, 2010) Los sistemas SCADA se utilizan en el control de oleoductos, sistemas de transmisión de energía eléctrica, yacimientos de gas y petróleo, redes de distribución de gas natural, subterráneos, generación energética (convencional y nuclear). [11] No todos los sistemas SCADA están limitados a procesos industriales sino que también se ha extendido su uso a instalaciones experimentales como la fusión nuclear o los colisionadores nucleares donde, la alta capacidad de gestionar un número elevado de entradas y salidas (E/S), la adquisición y supervisión de esos datos es elevada. [12] 4.2.2
CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA SCADA
Los sistemas SCADA, en su función de sistemas de control, dan una nueva característica de automatización que realmente pocos sistemas ofrecen: la de supervisión. Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferenciativa es la característica de control supervisado. De hecho, la parte de control viene definida y supeditada, por el proceso a controlar, y en última instancia, por el hardware e instrumental de control (PLC, controladores lógicos, armarios de control) o los algoritmos lógicos de control aplicados sobre la planta los cuales pueden existir previamente a la implantación del sistema SCADA, el cual se instalará sobre y en función de estos sistemas de control. (Otros sistemas SCADA pueden requerir o aprovechar el hecho que implantamos un nuevo sistema de automatización en la planta para cambiar u optimizar los sistemas de control previos.) (Boyer, 2010) En consecuencia, supervisamos el control de la planta y no solamente monitorizamos las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, podemos actuar y variar las variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad intuitiva que dan los sistemas SCADA. (Boyer, 2010)
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Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección superior en Determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de ésta acción depende en gran medida garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto tenemos una toma de decisiones sobre las acciones de últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario. (Mc Donald, 1993) Esto diferencia notablemente los sistemas SCADA de los sistemas clásicos de automatización donde las variables de control están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta y dificulta mucho una variación en el proceso de control, ya que estos sistemas una vez implementados no permiten un control a tiempo real óptimo. La función de monitorización de estos sistemas se realiza sobre un PC industrial ofreciendo una visión de los parámetros de control sobre la pantalla de ordenador, lo que se denomina un HMI (Human Machine Interface), como en los sistemas SCADA, pero sólo ofrecen una función complementaria de monitorización: Observar mediante aparatos especiales el curso de uno o varios parámetros fisiológicos o de otra naturaleza para detectar posibles anomalías (Definición Real Academia de la Lengua) Es decir, los sistemas de automatización de interfaz gráfica tipo HMI básicos, ofrecen una gestión de alarmas en formato rudimentarias mediante las cuales la única opción que le queda al operario es realizar una parada de emergencia, reparar o compensar la anomalía y realizar un reset. En los sistemas SCADA, se utiliza un HMI interactivo el cual permite detectar alarmas y a través de la pantalla solucionar el problema mediante las acciones adecuadas en tiempo real. Esto otorga una gran flexibilidad a los sistemas SCADA. En definitiva, el modo supervisor del HMI de un sistema SCADA no solamente señala los problemas, sino lo más importante, orienta en los procedimientos para solucionarlos. (Mc Donald, 1993) A menudo, las palabras SCADA y HMI inducen cierta confusión en los usuarios (frecuentemente alentada por los mismos fabricantes en su afán de diferenciar el producto o exaltar comercialmente el mismo). Cierto es que todos los sistemas SCADA ofrecen una interfaz gráfica PC-Operario tipo HMI, pero no todos los sistemas de automatización que tienen HMI son SCADA. La diferencia radica en la función de supervisión que pueden realizar estos últimos a través del HMI. (Boyer, 2010)
Algunas funciones que puede ofrecer un sistema SCADA son:
Adquisición y almacenado de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida, en forma continua y confiable. (Boyer, 2010).
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Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de éstas por medio de alarmas. (Boyer, 2010)
Ejecutar acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas. (Boyer, 2010) Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación. (Boyer, 2010)
Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación. (Boyer, 2010)
Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control. (Boyer, 2010)
Transmisión, de información con dispositivos de campo y otros PC. (Boyer, 2010)
Base de datos, gestión de datos con bajos tiempos de acceso. (Boyer, 2010)
Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador o HMI (Human Machine Interface). (Boyer, 2010)
Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción y gestión administrativa y financiera. (Boyer, 2010)
Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis. (Boyer, 2010)
4.2.3
PRESTACIONES
Las prestaciones que puede ofrecernos un sistema Scada eran impensables hace una década y son las siguientes:
Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del ordenador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. (Ayza, 2003)
Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. (Ayza, 2003)
Creación de informes, avisos y documentación en general. (Ayza, 2003)
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Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso el programa total sobre el autómata (bajo unas ciertas condiciones). (Ayza, 2003)
Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador, y no sobre la del autómata, menos especializado, etc. (Ayza, 2003)
Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco o impresora, control de actuadores, etc. (Ayza, 2003)
4.2.4
REQUISITOS
Estos son algunos de los requisitos que debe cumplir un sistema Scada para sacarle el máximo provecho:
Deben ser sistemas de arquitecturas abiertas, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. (Ayza, 2003)
Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta (“drivers”) y con el resto de la empresa (acceso a redes locales y de gestión). (Ayza, 2003)
Los programas deberán ser sencillos de instalar, sin excesivas exigencias, y fáciles de utilizar, con interfaces amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas táctiles, etc.). (Ayza, 2003)
4.2.5 COMO ELEGIR UN SISTEMA SCADA
Para evaluar si un sistema SCADA es necesario para manejar una instalación dada, el proceso a controlar debe cumplir las siguientes características:
El número de variables del proceso que se necesita monitorear es alto.
El proceso está geográficamente distribuido. Esta condición no es limitativa, ya que puede instalarse un SCADA para la supervisión y control de un proceso concentrado en una localidad.
Las información del proceso se necesita en el momento en que los cambios se producen en el mismo, o en otras palabras, la información se requiere en tiempo real.
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La complejidad y velocidad del proceso permiten que la mayoría de las acciones de control sean iniciadas por un operador. En caso contrario, se requerirá de un Sistema de Control Automático, el cual lo puede constituir un Sistema de Control Distribuido, PLC's, Controladores a Lazo Cerrado o una combinación de ellos. (Ayza, 2003) 4.2.6
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA FUNCIONAL.
Cuando una empresa decide implementar un sistema SCADA sobre su instalación hay 5 fases básicas a tener en cuenta para llevar a cabo el proceso: Fase1: El diseño de la arquitectura del sistema. Esto incluye todas las consideraciones importantes sobre el sistema de comunicaciones de la empresa (Tipo de BUS de campo, distancias, número de E/S, Protocolo del sistema y Drivers...). También se verán involucrados los tipos de dispositivos que no están presentes en la planta pero que serán necesarios para supervisar los parámetros deseados. (Massachusetts Institute of Technology, 2014) Fase2: Equipación de la empresa con los RTUs necesarios, comunicaciones, Equipos HMI y Hardware en general. Adquisición de un paquete software SCADA adecuado a la arquitectura y sistemas de la planta. (Massachusetts Institute of Technology, 2014) Fase3: La instalación del equipo de comunicación y el sistema PC. (Massachusetts Institute of Technology, 2014) Fase4: Programación, tanto del equipamiento de comunicaciones como de los equipos HMI y software SCADA. (Massachusetts Institute of Technology, 2014) Fase5: Testeo del sistema o puesta a punto, durante el cual los problemas de programación en comunicaciones como en el software SCADA son solucionados. (Massachusetts Institute of Technology, 2014) 4.2.7
ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE UN SOFTWARE SCADA
Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: 4.2.8 CONFIGURACIÓN Permite al usuario definir el entorno de trabajo de su aplicación según la disposición de pantallas requerida y los niveles de acceso para los distintos usuarios. Dentro del módulo de configuración el usuario define las pantallas gráficas o de texto que va a utilizar, importándolas desde otra aplicación o generándolas desde el propio SCADA. Para ello, se incorpora un editor gráfico que permite dibujar a nivel de píxel (punto de pantalla) o utilizar elementos estándar 22
disponibles, líneas, círculos, textos o figuras, con funciones de edición típicas como copiar, mover, borrar, etc. (Ayza, 2003) También durante la configuración se seleccionan los drivers de comunicación que permitirán el enlace con los elementos de campo y la conexión o no en red de estos últimos, se selecciona el puerto de comunicación sobre el ordenador y los parámetros de la misma, etc. En algunos sistemas es también en la configuración donde se indican las variables que después se van a visualizar, procesar o controlar, en forma de lista o tabla donde pueden definirse a ellas y facilitar la programación posterior. (Ayza, 2003) 4.2.9
INTERFAZ GRÁFICO DEL OPERADOR
Proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso a supervisar se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación de uso general (Paintbrush, DrawPerfect, AutoCAD, etc.) durante la configuración del paquete. (Ayza, 2003) Los sinópticos están formados por un fondo fijo y varias zonas activas que cambian dinámicamente a diferentes formas y colores, según los valores leídos en la planta o en respuesta a las acciones del operador. (Ayza, 2003) Se tienen que tener en cuenta algunas consideraciones a la hora de diseñar las pantallas: Las pantallas deben tener apariencia consistente, con zonas diferenciadas para mostrar la planta (sinópticos), las botoneras y entradas de mando (control) y las salidas de mensajes del sistema (estados, alarmas). (Ayza, 2003) La representación del proceso se realizará preferentemente mediante sinópticos que se desarrollan de izquierda a derecha. La información presentada aparecerá sobre el elemento gráfico que la genera o soporta, y las señales de control estarán agrupadas por funciones. La clasificación por colores ayuda a la comprensión rápida de la información. Los colores serán usados de forma consistente en toda la aplicación: si rojo significa peligro o alarma, y verde se percibe como indicación de normalidad, éste será el significado dado a estos colores en cualquier parte de la aplicación. (Ayza, 2003)
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Previendo dificultades en la observación del color debe añadirse alguna forma de redundancia, sobre todo en los mensajes de alarma y atención: textos adicionales, símbolos gráficos dinámicos, intermitencias, etc. (Ayza, 2003)
Figura. 4 ejemplo interfaz gráfica SCADA. (fultek, 2014) 4.2.10 MÓDULO DE PROCESO
Ejecuta las acciones de mando pre programado a partir de los valores actuales de variables leídas. Sobre cada pantalla se puede programar relaciones entre variables del ordenador o del autómata que se ejecutan continuamente mientras la pantalla esté activa. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (C, Basic, etc.). (Boyer, 2010) Es muy frecuente que el sistema SCADA confíe a los dispositivos de campo, principalmente autómatas, el trabajo de control directo de la planta, reservándose para sí las operaciones propias de la supervisión, como el control del proceso, análisis de tendencias, generación de históricos, etc. (Mc Donald, 1993) Las relaciones entre variables que constituyen el programa de mando que el SCADA ejecuta de forma automática pueden ser de los tipos siguientes:
˗˗ Acciones de mando automáticas pre programadas dependiendo de valores de señales de entrada, salida o combinaciones de éstas. (Ayza, 2003) 24
˗˗ Maniobras o secuencias de acciones de mando. (Ayza, 2003) ˗˗ Animación de figuras y dibujos, asociando su forma, color, tamaño, etc., a valor actual de las variables. (Ayza, 2003)
˗˗ Gestión de recetas, que modifican los parámetros de producción (consignas de tiempo, de conteo, estados de variables, etc.) de forma pre programado en el tiempo o dinámicamente según la evolución de planta. (Ayza, 2003) 4.2.11 GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS
Se encarga del almacenamiento y procesado ordenada de los datos, según formatos inteligibles para periféricos hardware (impresoras, registradores) o software (bases de datos, hojas de cálculo) del sistema, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Pueden seleccionarse datos de planta para ser capturados a intervalos periódicos, y almacenados con un cierto, como un registro histórico de actividad, o para ser procesados inmediatamente por alguna aplicación software para presentaciones estadísticas, análisis de calidad o mantenimiento. Esto último se consigue con un intercambio de datos dinámico entre el SCADA y el resto de aplicaciones que corren bajo el mismo sistema operativo. Por ejemplo, el protocolo DDE de Windows permite intercambio de datos en tiempo real. Para ello, el SCADA actúa como un servidor DDE que carga variables de planta y las deja en memoria para su uso por otras aplicaciones Windows, o las lee en memoria para su propio uso después de haber sido escritas por otras aplicaciones. (Boyer, 2010) Una vez procesados, los datos se presentan en forma de gráficas analógicas, histogramas, representación tridimensional, etc., que permiten después analizar la evolución global del proceso.
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Figura 5. Ejemplo de gestor de alarmas: actuales e históricos del SCADA (fultek, 2014)
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DIFERENCIA ENTRE SCADA Y DCS
Hoy en día con las tecnologías abiertas, sistemas DCS tienen precios competitivos con los PLC. De hecho, si se tiene en cuenta el costo de la implementación del sistema y el costo de hacer cambios en el sistema a través del tiempo, además del precio de compra inicial, la DCS puede ser mucho menos costosa. Los costos totales del proyecto se incluyen todos los gastos necesarios para construir una solución de trabajo que cumple con el objetivo a largo plazo de control de procesos eficaces. Uno debe considerar el mantenimiento y cambios para acomodar el crecimiento en el tiempo. Estos costos totales son inferiores a la aplicación de los PLC porque las funciones integradas y la integración inherente disponible en un DCS permiten la implementación y mantenimiento de un sistema más eficaz con menos mano de obra. Un DCS trabaja con una sola Base de Datos integrada para todas las señales, variables, objetos gráficos, alarmas y eventos del sistema, lo cual obliga al usuario a usar el protocolo del fabricante; mientras que un SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) más un PLC tienen cada uno su base de forma independiente y de tal modo poder 26
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comunicarse entre sí mediante algún protocolo común que en muchos de los casos se obtienen de manera gratuita y que son fácilmente intercambiables con otras marcas. En el DSC se realizan configuraciones de etiquetas, utilizando bloques de funciones que se encuentran en bibliotecas, necesarias para conectarlo a un punto de campo y aplicar la lógica de alarma, la historia, el control de versiones y otras funciones. Por su parte en el SCADA permite crear una lógica de control desde cero creando lógicas para alarmas, configurar un historiador independiente y otras funciones. Los DSC se caracterizan por realizar las acciones de control en forma automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema SCADA realizando labores de control automático en cualquiera de sus niveles, aunque su labor principal sea de supervisión y control por parte del operador.
PLANTEAMIENTO DE UN SCADA EN EL SISTEMA DE AGUA PURIFICADA
Con el sistema SCADA se asumirá un mayor control de las variables que determinan la aprobación de agua purificada, ya que el sistema Scada fue diseñado sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos de medida y actuadores esto indicara en tiempo real alguna posible anomalía o alarma que pueda llegar a presentarse en el sistema de purificación, así mismo se minimizara labores de mantenimiento por paradas no programadas de producción. 6.1 DESCRIPCIÓN ALTERNATIVA DE AUTOMATIZACIÓN
Se propondrá una solución innovadora de un sistema autómata que tenga la intervención poca o nula por parte del hombre para la adquisición de datos en cada uno de los puntos de muestreo, ya que como se sabe al agua se le hace un monitoreo continuo para validar si es apta o no para ser utilizada en los procesos de fabricación, en la Tabla 2 se muestra los procesos a controlar y la innovación que se pretende instalar y en la Figura 6. La organización del sistema para realizar la automatización.
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Figura 6. Esquema de la planta a automatizar, sistema de agua purificada [Autores]
6.2 COMPONENTES
En cada uno de los equipos del sistema de agua purificada se sugiere instalar diferentes sensores y actuadores para realizar los muestreos de manera automatizada y al mismo tiempo la adquisici贸n en tiempo real.
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PRINCIPIO DE IMPLEMENTACION IMAGEN OPERACIÓN SCADA Se sugiere realizar el montaje de 2 presostatos una a la entrada y otra a la salida de agua, esta señales digitales serán enviadas al Remoción de Filtro scada, en caso de partículas en multimedios aumentar la suspensión diferencia de presión mayor a 10 psi el scada enviara una alarma la cual indicara que está saturado el equipo y se debe regenerar Se propone realizar el montaje de 2 presostatos una a la entrada y otra a la salida de agua, esta Remoción de señales digitales partículas serán enviadas al Cartucho de mayores a 5 scada, en caso de filtración 5 micras con una aumentar la micras eficiencia del diferencial de 90% presión mayor a 10 psi el scada enviara una alarma la cual indicara que está saturado el equipo y se debe regenerar EQUIPO
Suavizador
Remoción dureza
Se podría instalar un medidor de dureza a la salida de agua del equipo, este sensor de será el encargado de enviar al scada, si detecta una lectura superior a 50 ppm, en caso de hacerlo se debe regenerar con una solución de cloruro de sodio
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Filtro carbón activado
Se sugiere instalar un medidor de cloro libre a la salida de agua del equipo, este sensor será el encargado de enviar de Remoción de al scada, si detecta cloro y carga presencia de cloro cationica libre, en caso de hacerlo se debe reemplazar los gránulos de carbón activado por unos nuevos
Remoción de partículas Cartucho de mayores a 1 filtración 1 micras con una micra eficiencia del 90%
Se propone realizar el montaje de 2 presostatos una a la entrada y otra a la salida de agua, esta señales digitales serán enviadas al scada, en caso de aumentar la diferencia de presión mayor a 10 psi el scada enviara una alarma la cual indicara que está saturado el equipo y se debe reemplazar el cartucho
Se sugiere instalar destrucción de un temporizador el Lámpara de microorganism cual indicara que desinfección os trabajando finalizado a las 8000 UV horas serán a 254 nm reemplazadas las lámparas
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reducción de material iónico, orgánico y microbiológico en un 90 - 95%
Se propone instalar un medidor de sólidos totales disueltos (TDS) en caso de ser mayor 2.0 ppm debe ser regenerado el equipo
Remoción de iones por Desionizador intercambio de de lecho agua con separado resinas (Columna cationica) Remoción de iones por Desionizador intercambio de de lecho agua con separado resinas (Columna anionica)
Se sugiere realizar el montaje de un conductivimetro, si el scada detecta un anomalía que supere los valores mínimos permitidos de conductividad, se debe proceder a regenerar la columna anionica y cationica del equipo
Remoción de partículas Cartucho de mayores a 0.5 filtración de micras con una 0.5 micras eficiencia del 90%
Se podría realizar el montaje de 2 presostatos una a la entrada y otra a la salida de agua, esta señales digitales serán enviadas al scada, en caso de aumentar la diferencia de presión mayor a 10 psi el scada enviara una alarma la cual indicara que se debe reemplazar el cartucho
Osmosis inversa
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Se sugiere realizar el montaje de 2 sensores de nivel alto y bajo, para mantener un flujo constante de agua y Contiene el lograr abastecer las agua Tanque de necesidades de purificada, recirculado producción. capacidad de 2000L
Tabla 2. Posible solución en sistema de agua purificada (Autores)
6.3 CONFIGURACIÓN DE PLC NECESARIO
Como requerimientos técnicos mínimos se debe utilizar la siguiente periferia integrada:
16 entradas digitales, 24 Vcc
16 salidas digitales, 24 Vcc 0,5 A
8 entradas analógicas, 0-10 V
1 salida analógica, 0-10 V o 0-20 mA
1 puerto de comunicación serie para programación y entrada/salida de datos
Adicional a ello, el PLC de elección, debe emplear diferentes lenguajes de programación para facilitar las labores de programación, tales como:
Lista de instrucciones (AWL). Esquema de funciones (FUP): se representa gráficamente con símbolos lógicos. Esquema de contactos (KOP): se representa gráficamente con símbolos eléctricos. GRAFCET, (GF) Diagrama funcional normalizado. 32
Se podría usar como referencia los autómatas programables de la serie SIMATIC S5 de SIEMENS, y en concreto el S5-95U. Adicional a ello y en caso de ser requerido se adaptaran módulos E/S para adaptar mayor número de entradas y salidas. 6.4 USO DEL SCADA
Existen gran variedad de productos scada en el mercado, los cuales se pueden dividir en dos grupos principalmente. Especifico: es decir que es exclusivo del fabricante, solo funciona con sus productos, como por ejemplo, SCS de Omron, CXSupervisor de Omron, WinCC o Prosimax de Siemens, etc. Genérico: es utilizado para gran variedad de fabricantes, pero se requiere de un software adicional para la realización de comunicaciones, por ejemplo, InTouch , labView o Prosimax de siemens . Un SCADA constará de una ventana de edición, desde la cual se va realizando la programación de todas las ventanas de la aplicación con todos sus condicionantes, y de el programa de RUNTIME que hace “correr” la aplicación en comunicación con los distintos dispositivos de campo.
Figura 7. Ejemplo SCADA CXSupervisor de Omron. (fultek, 2014)
Para este caso es recomendado el entorno de WinCC de siemens ya que en capítulos anteriores se recomienda usar un PLC de esta misma gama. WinCC está diseñado para la visualización y manejo de procesos, líneas de fabricación, máquinas e instalaciones. El volumen de funciones de este moderno sistema incluye la emisión de avisos de eventos en una forma 33
adecuada para la aplicación industrial, el archivo de valores de medida, recetas y el listado de los mismos.
Figura 8. SCADA del sistema de agua purificada (Autores)
Al emplear el SCADA las ventajas son claras: mayor realismo, sencilla determinación de errores de programación, flexibilidad, economía, complemento de las rígidas y costosas maquetas, rapidez de operación y fácil aprendizaje. También se eliminan el uso de botoneras empleando banderas para la comunicación del PLC con una interfaz grafica o HMI (Human Machine Interface) ; Sólo se utiliza el cable serie suministrado por el fabricante para comunicar el SCADA (Wincc) con el programa de control que se ejecuta en el autómata, lo que facilita la prueba del automatismo. Sin embargo, como resulta evidente se necesita establecer la comunicación y por tanto modificar ambos participantes (Wincc y programa en el PLC) para la correcta sincronización.
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Figura 9. Comunicaciones en Wincc (Autores) 6.5 ALARMAS SCADA
Todo scada posee un sistema de notificación para informar las condiciones del proceso y del sistema. Dicho sistema permite la visualización, registro y control de alarmas para el proceso, notificando cualquier evento o alarma del sistema. Las alarmas permiten representar avisos que facilitan al usuario cualquier evento anormal de la planta, por otra parte los eventos representan mensajes normales del estado de la planta. Existen dos sistemas de alarmas: local y distribuida. El sistema local se utiliza para mostrar y reconocer alarmas del dispositivo local conectado al SCADA. El sistema distribuido se utiliza para mostrar y reconocer alarmas de cualquier dispositivo, cuando el SCADA está conectado a un sistema en Red (mediante un Bus de datos). Para visualizar las alarmas es preciso disponer de un VISOR en el cual, cuando se active la alarma, aparecerá toda la información relativa a la misma (hora y fecha, tipo de alarma, nombre, grupo, valores limites, etc.) en dicho visor. Será necesario disponer de pulsadores de “enterado” para que el color del texto cambie indicando dicho reconocimiento de la alarma. Cuando se normalice el estado el mensaje dejará de visualizarse.
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6.6 RED DE PLANTA SCADA La red de planta pretende interconectar los módulos entre sí con los sistemas de calidad del proceso. Esta información será dominada por el sistema SCADA; ya dependiendo de la arquitectura del sistema sea centralizado o distribuido. En esta red se puede manejar complejidad de procesos en los cuales los operarios pueden estar involucrados interactivamente y tan sencillos como simples mensajes de pequeñas órdenes de ejecución. Es empleada la Ethernet por su gran velocidad de trasferencia de datos del 90%-95% de eficiencia, esto es una grandísima ventaja en los costos y mayor facilidad de implementación para forma inmediata. (Ayza, 2003) Características de esta red:
El tamaño de los mensajes pueden ser de cualquier tamaño Capacidad de procesar errores para una eficiencia en la trasmisión Grandes distancias para poder cubrir Priorización de los mensajes Disponibilidad de banda ancha
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RESULTADOS
La industria farmacéutica es uno de los sectores empresariales que requiere mayor meticulosidad a la hora de realizar labores de fabricación o producción de medicamentos por lo que requiere un control y monitoreo minucioso, de alli la importancia de la investigación de este proyecto. El Scada y el sistema DSC permite optimizar el proceso reduciendo los tiempos de muestreo, maximizando la disponibilidad, confiabilidad y minimizando los tiempos de mantenibilidad de los equipos del sistema de agua purificada, siendo este mas eficiente y preciso, adicional a ello se obtendrán resultados en tiempo real. El proyecto busca acercar al lector al sistema de agua purificada asi mismo plantear dos opciones para su adquisición y control de datos para la planta con el fin de garantizar con total seguridad la calidad de los productos, esto beneficiara enormemente a la empresa ya que ahorrara gastos innecesarios por mantenimiento a corto plazo, mejorando también los recursos humanos y siendo más eficaz en los tiempos de producción. Durante la investigación se observo que una de las funciones del scada y que aplica para el proceso es la supervisión remota de los equipos, de esta forma permite al operador conocer el estado y desempeño de los equipos alojados en el sistema de agua purificada, lo que permite dirigir las tareas de mantenimiento y estadística de fallas. El Scada planteado para automatizar el sistema PW permite la visualización grafica dinámica; de esta forma será capaz de brindar imágenes en movimiento que representan el comportamiento del proceso, dándole al operador la impresión de estar presente en la planta. La representación de señales de alarma es parte fundamental del estudio para el planteamiento del sistema de agua purificada, ya que a través de señales de alarma se logra informar, sobre una posible falla o la presencia de una condición anormal en el sistema. Una de las ventajas de la automatización es el almacenamiento de información histórica, recopilando los datos obtenidos, esta información puede analizarse posteriormente para su respectivo estudio.
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CONCLUSIONES
El sistema de aguas necesita de un control muy preciso de sus diferentes variables; de ahí depende la calidad del agua, que en la industria farmacéutica es de mucho control y rigor. Implementando un sistema scada en el sistema de agua purificada se podrian controlar y supervisar las múltiples variables del purificador, así mismo facilita la visualización en tiempo real del estado de cada uno de los equipos de la planta. Los sistemas de control distribuido presentan muchos problemas con el software que a diferencia del sistema SCADA no muestra, debido a que el DSC posee bibliotecas con algunas funciones del entorno grafico limitadas que a diferencia del sistema scada se pueden llegar a crear. Los lenguajes de programación son muy adecuados para estos sistemas como una solución fácil de implementar como C, Pascal, o Basic, lo cual otorga una gran versatilidad El SCADA permite al operador definir el entorno de trabajo adaptándose a la aplicación particular que desea desarrollar. Almacena y procesa ordenadamente los datos de forma que otro dispositivo pueda dar informe o tener acceso a ellos sin darle datos de seguridad innecesarios El SCADA es un sistema más flexible no presenta perdidas de mensajes por saturación en el tráfico de datos así el usuario tendrá que hacer justo lo necesario para poder operar el sistema sin complicaciones sin tener que saber demasiado del mismo La arquitectura abierta del sistema de agua purificada permite combinaciones con aplicaciones estándar y de usuario, que permitirán a los integradores crear soluciones de mando y supervisión optimizadas, con la posibilidad de crear paneles de alarma manteniendo un registro de incidencias. Alguno de los beneficios que posee la automatización del sistema PW es optimizar y facilitar las operaciones de la planta, así como también aumento de la efectividad de la producción y mejorando los niveles de seguridad de los diferentes equipos. La ingeniería mecatrónica juega un papel fundamental para los diferentes procesos a nivel industrial ya que gracias a ello se puede controlar y monitorear los procesos industriales facilitando la retroalimentación en tiempo real con los dispositivos de campo tales como sensores y actuadores. La investigación de este trabajo permitió un acercamiento más profundo al sistema de agua purificada, planteando una solución innovadora para la supervisión, monitoreo y generación de indicadores de alarma de la planta. 38
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