Diseño de un sistema de automatización para la planta de alimento ensilado "Héctor Molina"

Design of an Automation System for the Silage Plant "Héctor Molina"

Lieter Javier Silva-Díaz^I, Ybrain Hernández-López^II, Arelys Vázquez-Peña^I, Osney Gerardo Pérez-Acosta^I, Duniet Pérez-Torres^I

^IInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.
^IIUniversidad Tecnológica de la Habana “José Antonio Echeverría” (CUJAE), Facultad de Ingeniería Eléctrica, Departamento de Automática y Computación, Marianao, La Habana, Cuba.

El trabajo se desarrolló en la planta “Héctor Molina” ubicada en San Nicolás de Bari, provincia Mayabeque, Cuba, con el objetivo de diseñar un sistema de automatización para el control del proceso de ensilado, que usa una tecnología desarrollada en el Instituto de Ciencia Animal (ICA) que aprovecha subproductos y desechos de la industria azucarera y excedentes de la agricultura para la alimentación animal y que obtuvo la patente cubana 2013-0122. En la actualidad esta planta carece de medios de control automático, lo que implica que la dosificación de las materias primas se realiza con poca precisión y no se existe un monitoreo adecuado del pH del ensilado. Se elaboró una propuesta de instrumentación, se configuró y programó el controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés), encargado de realizar el control lógico secuencial del proceso y se diseñó un sistema de control supervisorio y adquisición de datos (SCADA, por sus siglas en inglés), con fines de monitoreo y acciones elementales de supervisión y control.

Palabras clave: control, monitoreo, controlador lógico programable (PLC), sistema de Control Supervisorio y Adquisición de Datos (SCADA).

ABSTRACT

The work was carried out at “Héctor Molina” plant, located in San Nicolás de Bari, Mayabeque province, Cuba, with the aim of designing an automation system for the control of the silage process. It uses a technology developed at the Instituto de Ciencia Animal (ICA), which uses by-products and waste from sugar industry and agriculture surplus, for animal feeding, and obtained the Cuban patent 2013-0122. At present, this plant lait cks automatic control means, which implies that the dosing of raw materials is done with little precision and there is no adequate monitoring of the pH of silage. A proposal for instrumentation was developed, a programmable logic controller (PLC) was configured and programmed to perform the sequential logic control of the process and a supervisory control and data acquisition system (SCADA) was designed, to achieve monitoring and elementary actions of supervision and control.

Keywords: control, monitoring, programmable logic controller (PLC), supervisory control and data acquisition system (SCADA).

INTRODUCCIÓN

La automatización es el uso de los sistemas de control y las tecnologías de la información para reducir la necesidad del trabajo humano en la producción de bienes y servicios. Sus principales ventajas son: reemplazar a los operadores humanos en ambientes peligrosos, tareas monótonas, actividades que implican gran desgaste físico o que van más allá de las capacidades humanas de tamaño, fuerza, resistencia o velocidad, y el mejoramiento económico, ya sea de las empresas o de la sociedad en su conjunto (Muqeet, 2015).

En el Instituto de Ciencia Animal (ICA) se desarrolló una nueva tecnología que aprovecha subproductos y desechos de la industria azucarera y excedentes de la agricultura para la alimentación animal y que recibió la categoría de patente mediante la resolución 2013-0122 (Lezcano et al., 2016). Con el fin de producir industrialmente alimento animal con esta tecnología se construyó una planta industrial con capacidad de 45 t/8 h en el central Héctor Molina, Municipio San Nicolás de Bari, provincia Mayabeque. Posteriormente el Ministerio de Economía y Planificación (MEP) autorizó la construcción de 10 nuevas plantas industriales (Lezcano et al., 2017).

Estas plantas se concibieron para obtener el producto a escala industrial, pero sin la automatización de este proceso. Este trabajo se realizó en la planta de alimento ensilado “Héctor Molina”. En esta, la dosificación se realiza midiendo de forma manual, con una regla, el nivel de la mezcla en el tanque de mezclado, mientras se vierten las materias primas, lo que produce imprecisiones en el proceso, afectando la calidad del ensilado y la eficiencia en la producción. Para darle solución a este problema se propone la implementación de un sistema de automatización basado en PLC y SCADA para el control del proceso de ensilado en la planta. Con el objetivo de lograr esto es necesario realizar la propuesta de la instrumentación necesaria, incluyendo sensores, controlador y actuadores, diseñar una aplicación basada en autómatas programables para el control lógico secuencial del proceso y diseñar una aplicación SCADA para el control y el monitoreo de la planta.

MÉTODOS

Se realizó un estudio del proceso en el que se tuvo en cuenta las propiedades físicas de las materias primas y del producto, la estructura física de la planta y la ubicación espacial de los equipos y tanques, además el flujo productivo y la secuencia lógica de implementación de sus etapas.

Generalidades del proceso de ensilaje en la planta

El proceso de ensilaje en la planta comienza con la dosificación y mezcla de las materias primas, que son subproductos y desechos de la industria azucarera (miel B de caña de azúcar, crema de levadura Saccharomyces Cerevisiae termolizada y vinaza de destilería) y excedentes de la agricultura (viandas, raíces y tubérculos) (Lezcano et al., 2015). La dosificación se realiza según la fórmula seleccionada y el mezclado se realiza durante un tiempo determinado de acuerdo a la fórmula que se aplique. Luego se procede a enviar la mezcla a los silos para completar el proceso de ensilado. En los silos se realiza el monitoreo del pH del ensilado hasta que se estabilice dentro del rango establecido para posteriormente realizar los análisis de laboratorio: porcentaje de Materia Seca (MS), cenizas, Fibra Bruta (FB), Proteína Bruta (PB) y °Brix; con el fin de chequear su composición química y declarar el alimento apto para el consumo animal (García-Hernández et al., 2015).

Seguridad funcional

En toda planta industrial, los procesos o las máquinas que se operan suponen un cierto nivel de amenaza para la integridad de los operadores o del medioambiente. Esto obliga a adoptar medidas de seguridad con el fin de reducir eficientemente los riesgos.

La norma IEC 61508 describe métodos cuantitativos para realizar este análisis y calcular el nivel de riesgo de una instalación. Existe, además, un modo cualitativo para realizar el análisis de riesgos y la asignación del nivel SIL. Este modo cualitativo se muestra en la figura 1 y se basa en evaluar para cada uno de los peligros que se presenten en la instalación, cuál es el grado de daños que se pueden llegar a producir, la duración de la exposición al riesgo, las posibilidades de eliminarlo y la frecuencia/probabilidad con la que se presentan. A partir del nivel de riesgo se asigna el SIL necesario para el sistema de seguridad de la instalación. Para la planta objeto de estudio, según el método cualitativo, se determinó que el nivel SIL necesario para el sistema de seguridad de la instalación es SIL 1 (menor nivel de seguridad), por lo tanto los instrumentos que se seleccionen para la automatización tienen que cumplir con el nivel de seguridad SIL 1. Además se propone el empleo de zetas de emergencia, ubicadas en zonas estratégicas, con la finalidad de detener el proceso en caso de peligro para personas o la integridad de la planta.

Instrumentación

La instrumentación juega un papel fundamental en los sistemas de control, de ahí que la calidad de la misma sea uno de los elementos fundamentales para lograr un control eficiente del proceso (Creus-Solé, 2011; Olsson et al., 2014). Debido a que el control actualmente en la planta es manual, es necesario proponer todos los medios técnicos de automatización (sensores, actuadores y controlador). En la figura 2 se muestra la instrumentación necesaria en la planta para implementar la solución de automatización.

Para realizar el monitoreo del pH del ensilado se propone el uso de sensores transmisores de esta variable en los silos. Con el objetivo de conocer el volumen de las sustancias en los tanques de materias primas, en los silos y en el tanque de despacho, además de poder realizar la dosificación con mayor exactitud en el tanque mezclador, es necesario el uso de sensores de nivel continuo; además para detectar nivel mínimo y máximo de la vianda en la torva con estera se propone la aplicación de sensores de nivel discretos.

Como la necesidad de automatización se ha incrementado significativamente, un sistema de control necesita ser programable de forma sencilla, además, flexible, robusto y económico (Alphonsus y Abdullah, 2016). Estos requerimientos pueden ser cumplidos al utilizar los controladores lógicos programables. Para automatizar el proceso se propone la implementación de un PLC que se encargue del control lógico secuencial de la puesta en marcha, parada, condiciones de trabajo y de emergencia, así como de detectar fallos en la planta, adquirir la información proveniente de los sensores y proporcionarla para el sistema de monitoreo, de implementar la fórmula y de ejecutar un algoritmo para detectar cuándo se encuentra listo el ensilado según el comportamiento del pH.

Los controladores lógicos programables son dispositivos basados en computadoras, de estado sólido, de procesador simple, que simulan el comportamiento de un diagrama eléctrico ‘ladder’, capaz de controlar muchos tipos de equipos industriales y sistemas automatizados completos. Los PLCs son usualmente una parte principal de los sistemas automáticos en la industria. Son muy eficientes y confiables en aplicaciones que involucran control secuencial y la sincronización de procesos y elementos auxiliares en la manufactura, en la industria química y de procesos. Además de las ventajas tecnológicas de usar estos controladores, también disminuyen los precios en sistemas de control avanzados y complejos. Actualmente, la mayoría de los elementos de control usados para ejecutar la lógica de los sistemas fueron sustituidos por PLCs (Alphonsus y Abdullah, 2016).

Lashin (2014), plantea que el PLC es una forma especial de un controlador basado en microprocesador, que incluye una memoria programable para almacenar instrucciones y funciones lógicas, secuenciales, temporizadas, de conteo y aritméticas. Con la finalidad de controlar máquinas y procesos, los PLCs son diseñados para ser operados por ingenieros incluso con limitado conocimiento sobre computadoras y lenguajes de computación. Los PLCs pueden ser considerados como computadoras especiales para uso industrial.

En la actualidad existen muchos fabricantes de controladores lógicos programables y cada uno posee gran variedad de productos, así que es muy difícil conocer las características de todos los PLCs disponibles. Lo que comúnmente se hace es conocer de forma general los productos de algunas de las firmas más reconocidas y especializarse en una de ellas. Se cuenta con experiencia en el trabajo con productos del fabricante SIEMENS, por lo que se seleccionó este para el proyecto. De esta firma se trabaja con la familia de controladores lógicos programables SIMATIC S7 que consta del rango de prestaciones del micro PLC (S7-200), el rango bajo/medio de prestaciones (S7-300), el rango de prestaciones medio/alto (S7-400) y los más nuevos S7-1200 y S7-1500. De esta se seleccionó un S7-300, de rango medio de prestaciones, por cumplir una relación rendimiento/precio adecuada para la aplicación (SIEMENS, 2017).

Este satisface las necesidades actuales del proceso, por ser un PLC potente en cuanto a velocidad de procesamiento, memoria, entradas/salidas y capacidad de comunicación. Además permite en un futuro asumir otras funciones, esto es de especial interés para posibles ampliaciones y la posibilidad de encadenar el este proceso con otros procesos productivos. Específicamente se propone la CPU 313C-2DP COMPACT, que incluye 16 entradas y 16 salidas digitales y un puerto de comunicación PROFIBUS DP integrado. Posee una memoria de trabajo es de 128 KB y tiempos de ejecución de alrededor de 0,1 μs para operaciones de bits y 3 μs para aritmética en coma flotante (SIEMENS, 2014).

Con el fin de realizar el arranque y la parada adecuada de los motores de las bombas y del compresor se propone el uso de arrancadores suaves, específicamente el SIRIUS 3RW44, porque es capaz de manejar las potencias de los motores instalados y se integra fácilmente al sistema de control mediante el bus de campo PROFIBUS DP (SIEMENS, 2010a). Para el control adecuado de los motores de la estera de tablillas, la cinta transportadora, el tren de cuchillas, el molino de viandas y el agitador se propone el empleo de variadores de velocidad, específicamente el MICROMASTER 440, los que permiten regular la velocidad del motor (SIEMENS, 2006).

Todos los instrumentos propuestos cumplen, al menos, con el nivel de seguridad SIL 1, por lo que satisfacen los requisitos de seguridad funcional en la planta.

Programación y configuración del PLC

El software empleado para la realización del proyecto es STEP 7 (SIEMENS, 2010b). Este es el software estándar para configurar y programar los sistemas de automatización SIMATIC. Los lenguajes de programación integrados en STEP 7 cumplen con la norma DIN EN 6.1131-3. El software se ejecuta bajo los sistemas operativos Windows XP Professional, Windows Server 2003 y Windows 7 Business, Ultimate y Enterprise, estando adaptado a su funcionamiento gráfico y orientado a objetos.

Para el diseño del sistema de control se tuvo en cuenta las cuatro secuencias básicas de operación, que tienen en cuenta las posibles condiciones o estados en los que se puede encontrar el sistema de automatización:

Secuencia para el arranque: En esta se establecen y verifican las condiciones iniciales de operación. Las válvulas deben estar cerradas y las bombas y motores apagados. Prepara el proceso para pasar a condiciones de trabajo, pero si no es posible pasa a condiciones anormales. Esta secuencia permite iniciar el sistema y prepararlo para pasar con seguridad a la secuencia de condiciones normales de trabajo o para las condiciones anormales en caso de error.

Secuencia para condiciones de trabajo: Se realiza durante la ejecución del proceso en condiciones normales de operación, garantizando la ejecución de las tareas. Aquí se implementa la lógica secuencial para el control del proceso de ensilado. Supervisa los indicadores de operación y ante cualquier anomalía pasa a condiciones anormales.

Secuencia para la parada: Esta lleva a cabo la parada o finalización de las operaciones en el proceso. Establece y verifica las condiciones necesarias, pero si no es posible pasa a condiciones anormales.

Secuencia para condiciones anormales: Ante una avería, detectada en alguna de las secuencias anteriores, se pasa a esta secuencia que realiza las operaciones necesarias para llevar al proceso a un estado estable y seguro. Esta secuencia protege al equipamiento y al personal de operación e indica que ha ocurrido un fallo en el proceso.

Diseño de la aplicación para el monitoreo

Las exigencias que se imponen actualmente a los procesos productivos, en cuestión de vigilancia, hacen que sea necesaria la implementación de un sistema que monitoree y/o supervise los procesos industriales.

Un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), en español “Control Supervisorio y Adquisición de Datos”, es un sistema compuesto por un número de unidades terminales remotas, RTU por sus siglas en inglés, que recolectan datos de campo y los transmiten a una estación maestra (un ordenador o computadora personal) mediante un sistema de comunicaciones. La estación maestra muestra los datos adquiridos y permite al operador ejecutar tareas de control de forma remota (Bailey y Wright, 2003). También se denomina SCADA a la aplicación o conjunto de aplicaciones informáticas instaladas en la estación maestra que permiten mostrar los datos adquiridos, realizar el tratamiento de los mismos para auxiliar al operador en la toma de decisiones y realizar el control sobre la planta. Este permite la vigilancia y el monitoreo continuo de los procesos en tiempo real.

Los sistemas SCADA son ampliamente usados actualmente para monitorear y controlar componentes hardware espacialmente dispersos en instalaciones industriales (Grilo et al., 2014). El software empleado para el diseño de la aplicación SCADA en este proyecto es InTouch (Wonderware Invensys, 2005).

Una red de control industrial es un sistema de equipos interconectados usados para monitorizar y controlar equipamientos físicos en ambientes industriales. Estas redes difieren significativamente de las tradicionales redes de empresas debido a los requerimientos específicos de su operación (Galloway y Hancke, 2013). Al diseñarse el sistema de automatización se hace necesaria la implementación de una red industrial en la planta que garantice el intercambio de información de forma rápida, eficiente y segura entre los dispositivos de campo, el PLC y el sistema de monitorización SCADA. La comunicación entre el SCADA y el PLC se realiza a través de Ethernet Industrial. El PLC se comunica con las periferias descentralizadas y demás dispositivos de campo mediante el bus de campo PROFIBUS DP, en una topología en forma de bus.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Instrumentación propuesta

Para realizar la medición del pH en las condiciones de producción se requiere un sensor transmisor que sea robusto y sumergible para medir en el interior de los silos. Se propuso el uso de sensores transmisores pHix® Compacto de la compañía MJK, que poseen la capacidad de medir y transmitir pH, redox y temperatura. Este posee un diseño compacto completamente sumergible (MJK, 2003). En la medición de nivel en los tanques y silos se usaron los sensores transmisores de nivel VEGAPLUS 61, del fabricante VEGA, los cuales son sensores de radar (detección sin contacto) para la medida continua de nivel de líquidos. Estos sensores se pueden aplicar en tanques con agitador sin esto afectar su medición y en depósitos en forma de grandes silos (VEGA, 2014). La forma más económica de realizar la detección de nivel mínimo y máximo (medición de nivel de forma discreta) en el depósito o tolva de viandas es mediante foto-detectores o sensores ópticos. Se emplearon detectores fotoeléctricos de proximidad SIMATIC PXO400 de SIEMENS, específicamente el PXO400 (forma K30) por sus características; emplea radiación infrarroja por lo que no se ve afectado por la luz visible y tiene una zona de detección entre 12 m y 15 m, adecuado para la aplicación.

Las válvulas de mariposa propuestas son las ISORIA 10, acompañadas de actuadores neumáticos ACTAIR 1000 y unidades de control ON-OFF AMTRONIC del fabricante KSB para manipular los flujos en la planta. Se propone el uso de actuadores neumáticos para ejercer la fuerza necesaria para accionar las válvulas. Los arrancadores suaves usados son los SIRIUS 3RW44 y los variadores de velocidad son los MICROMASTER 440, ambos del fabricante SIEMENS. Los primeros permiten arranques sin picos de par, al limitar la corriente de arranque, lo que protege y alarga la vida útil de la instalación y del propio motor, y los segundos permiten, además de estas ventajas, regular la velocidad de giro de los motores, lo que garantiza el comportamiento adecuado de los mismos en el sistema. El empleo de estos elementos brinda otras ventajas como la protección de la red eléctrica, al limitar el consumo de corriente en el arranque, protección del motor por sobretensión / tensión mínima, sobre-temperatura y cortocircuito, además que se integran al sistema mediante un módulo de comunicación PROFIBUS DP.

Para la implementación del control lógico secuencial del proceso se propuso la CPU 313C-2 DP Compacta de la serie S7-300 de la gama media de la familia SIMATIC S7 del fabricante SIEMENS. Después de realizar un análisis en el que se tomó en consideración la disposición física de los tanques de materias primas, los silos, las bombas y otros elementos del proceso de ensilado, el alto costo del cableado tradicional 4 a 20 mA y la influencia de la interferencia electromagnética, se determinó que era necesario utilizar periferias descentralizadas en la solución de automatización. Se propuso el uso de dos periferias descentralizadas ET 200M, que poseen un diseño modular, con módulos estándar SIMATIC S7-300 en grado de protección IP20 para armarios eléctricos. La comunicación con el sistema de automatización se realiza mediante bus PROFIBUS DP.

Programación y configuración del PLC

Para la realización de este proyecto se hizo uso de la programación estructurada, en la que las funciones complejas de automatización se dividen en tareas más pequeñas para reutilizar el código, simplificar la organización del programa, el test del mismo, y la puesta en marcha. También se hizo uso de la programación simbólica, en la que las direcciones, los parámetros y los nombres de los bloques se indican en forma de símbolos y no de forma absoluta, lo cual facilita la legibilidad del programa y la corrección de errores.

Diseño de la aplicación para el monitoreo

Con el objetivo de brindarle al operario una herramienta que le permita el control, la vigilancia y el monitoreo de la planta se diseñó una aplicación SCADA. Entre las funcionalidades de la aplicación diseñada se encuentran adquisición y almacenamiento de datos, representación gráfica y animada de las variables del proceso, monitorización de estas por medio de alarmas, control actuando sobre el autómata y supervisión del estado del proceso asistiendo al operador en la toma de decisiones. En la figura 3 se muestran dos pantallas de la aplicación diseñada.

La aplicación diseñada tiene las siguientes características:

Red de control y monitoreo

La comunicación entre el SCADA y el PLC se implementó a través de Ethernet Industrial. El PLC se comunica con las periferias descentralizadas ET 200M, los arrancadores suaves y los variadores de velocidad, mediante PROFIBUS DP. Los sensores con salida 4 a 20 mA se comunican por pares de conductores trenzados tipo A con la periferia descentralizada. Se seleccionó el cable par trenzado como medio físico para Ethernet Industrial y para PROFIBUS DP el medio de transmisión seleccionado es RS-485 sobre par trenzado apantallado.

Los elementos se conectan a PROFUBUS DP con una topología en bus. En la figura 4 se muestra la estructura y topología de la red propuesta.

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Recibido: 26/03/2017.

Aceptado: 11/09/2017.

Lieter Javier Silva-Díaz, Investigador, Instituto de Ciencia Animal, km 47½ de la Carretera Central, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. E-mail: lieter@ica.co.cu