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Implementación de una Interfaz Hombre Máquina para un Sistema de Gas y Fuego
en un Tanque de Almacenamiento de Hidrocarburos
Zósimo Ismael Bautista Bautista, Pedro Francisco Huerta González, Ivone Cecilia Torres Rodríguez *
* Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Departamento de
Control y Automatización. [email protected], [email protected], [email protected].
RESUMEN
Esta trabajo tiene como fin automatizar el sistema de gas y fuego
en un tanque de almacenamiento de hidrocarburos con una
capacidad 100 mil barriles, mediante la implementación de
instrumentos en campo capaces de enlazarse y comunicarse con un
controlador que estará conectado con una interfaz hombre maquina
(HMI) con el fin de que el operador de la red contra incendio
pueda visualizar el estado del sistema, y se ejecute de forma
automática o manual la manipulación de los instrumentos para la
neutralización del siniestro.
Palabras claves: Controlador Lógico Programable, HMI.
INTRODUCCIÓN
El almacenamiento constituye un elemento de sumo valor en la
explotación de los servicios de hidrocarburos, ya que actúa como
un parte importante entre producción y transporte para absorber las
variaciones de consumo. Y por ello es necesario que cuente con
todas las medidas de seguridad contra cualquier siniestro ya que,
por naturaleza, los procesos y operaciones que se realizan en los
tanques verticales de almacenamiento de hidrocarburos implican
riesgos y ocurrencia de incidentes industriales, ya sea directa o
indirectamente. Los sistemas de gas y fuego (F&G) son sistemas
de neutralización formados por sensores, lógica de control y
elementos finales; capaces de detectar la combustión de
substancias gaseosas, presencia de gases tóxicos, incendios y, en
consecuencia, generar una alarma; conducir el proceso a un estado
de seguridad y emprender acciones destinadas a mitigar las
consecuencias del suceso peligroso. Los sensores están formados
por detectores de gas, humo, llamas, junto con estaciones de
comunicación manuales.
Incendios y medios de extinción.
El incendio, producto de una combustión, es un fuego del cual se
ha perdido el control. La combustión es una reacción química entre
dos sustancias con fuerte generación de calor. Las sustancias en
juego son el combustible (sólido, líquido o gaseoso) y el
comburente (prácticamente el oxígeno del aire) que reaccionan en
presencia de un encendido o fuente de energía [1]
Tipos de fuego en función del combustible.
El CEN, Comité Europeo de Normalización ha dividido y
clasificado los fuegos según los materiales implicados en la
combustión.
Incendios de clase A: materiales sólidos, maderas, papel,
tejidos, gomas y derivados
Incendios de clase B: materiales líquidos como
alcoholes, disolventes, aceites minerales, éteres,
gasolinas
Incendios de clase C: gases inflamables como metano,
acetileno, propano
Incendios de clase D: sustancias químicas
espontáneamente combustibles (con esto se entiende que
no necesitan el oxígeno atmosférico para arder, porque
ya lo contienen); metales como sodio y potasio;
magnesio; uranio
Incendios de clase E: equipos eléctricos,
transformadores, alternadores, cuadros eléctricos.
Medios de extinción de incendios.
Si se dispusiera almacenar gas licuado de petróleo a presión
atmosférica, se requerirían tanques que mantuvieran una
temperatura de –42°C, con toda la complejidad que ello implica.
Por esto, se utilizan recipientes a presión con forma esférica o
cilíndrica que trabajan a una presión interior de 15 kg/cm2 aprox y
a temperatura ambiente, como se muestra en la figura 1.
TIPO USO IDÓNEO PARA CLASE
Agua, vapor dirigir el chorro
hacia la base de las
llamas
A C
Espuma hacer caer espuma
en el fuego desde
arriba
A B
Polvo dirigir el chorro
hacia la base de las
llamas
A B C
polvos
especiales
dirigir el chorro
hacia la base de la
llamas
D
Anhídrido
carbónico,
nitrógeno
dirigir el chorro lo
más cerca posible
del fuego, primero
hacia los bordes,
después hacia
adelante y arriba
A C E
gases
halogenados
dirigir el chorro
hacia la base de las
llamas
A B C
RVP-AI/2014 – AI-15 PONENCIA RECOMENDADA POR EL CAPITULO DE APLICACIONES INDUSTRIALES DEL
CAPITULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCION
MEXICO Y PRESENTADA EN LA REUNION INTERNACIONAL DE VERANO, RVP-AI/2014,
ACAPULCO GRO., DEL 20 AL 26 DE JULIO DEL 2014.
AI-15
PON 180
Figura 1 Tanques de almacenamiento.
INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA.
La sigla HMI es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre
Maquina. Los sistemas HMI podemos pensarlos como una
"ventana" de un proceso. Esta ventana puede estar en dispositivos
especiales como paneles de operador o en una computadora. Los
sistemas HMI en computadoras se los conoce también como
software HMI (en adelante HMI) o de monitoreo y control de
supervisión. Las señales del procesos son conducidas al HMI por
medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en la
computadora, PLC's (Controladores lógicos programables), RTU
(Unidades remotas de I/O) o DRIVE's (Variadores de velocidad de
motores). Todos estos dispositivos deben tener una comunicación
que entienda el HMI. Ver figura No. 2[2]
Figura No. 2 Esquema de interfaz hombre máquina.
Tipos de HMI
Desarrollos a medida. Se desarrollan en un entorno de
programación grafica como VC++, Visual Basic, Delphi,
etc.
Paquetes enlatados HMI. Son paquetes de software que
contemplan la mayoría de las funciones estándares de los
sistemas SCADA. Ejemplos: son FIX, WinCC,
Wonderware, etc.
Funciones de un Software HMI.
Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos
de la planta en tiempo real. Estos datos se pueden
mostrar como números, texto o gráficos que permitan
una lectura más fácil de interpretar.
Supervisión. Esta función permite junto con el
monitoreo la posibilidad de ajustar las condiciones de
trabajo del proceso directamente desde la
computadora.
Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos
excepcionales dentro del proceso y reportarlo estos
eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites
de control pre- establecidos.
Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que
ajustan los valores del proceso y así mantener estos
valores dentro de ciertos límites. HistóricosTareas de
un Software de Supervisión y Control.
Permitir una comunicación con dispositivos de campo.
Actualizar una base de datos "dinámica" con las
variables del proceso.
Visualizar las variables mediante pantallas con objetos
animados (mímicos).
Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso,
mediante botones, controles ON/OFF, ajustes continuos
con el mouse o teclado.
Supervisar niveles de alarma y alertar/actuar en caso de
que las variables excedan los límites normales.
Almacenar los valores de las variables para análisis
estadístico y/o control.
Controlar en forma limitada ciertas variables de
proceso.
REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL.
Red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para
conectar distintos procesos de aplicación con el propósito de
asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión,
mantenimiento y gestión).
Sistema de comunicación que provee servicios bajo
restricciones temporales y está constituido por protocolos
capaces de gestionar estas restricciones.
Garantiza que las restricciones de tiempo serán
respetadas con cierta probabilidad Ver figura No. 3.
Figura No. 3 Redes de comunicación industrial.
SELECCIÓN DE MODULOS DEL SLC 500.
El PLC SLC 500 de Allen Bradley es una pequeña familia basada
en un chasis modular que ofrece flexibilidad en la configuración
del sistema en estradas y salidas discretas, analógicas y
dispositivos periféricos especiales La familia SLC 500
proporciona potencia y flexibilidad con una amplia gama de de
comunicaciones , configuraciones, características y opciones de
memoria. Utiliza el software de programación RSLogix 500
basado en una lógica de escalera.[3]
Entradas y Salidas del SLC 500
Se pueden elegir entre más de 60 módulos de control
discreto, digitales, analógico, señales de temperatura,
digitales y módulos especializados de terceros.
Los módulos Digitales (E / S) están disponibles con 4, 8,
16 ó 32 canales, en una amplia variedad de voltajes
(incluyendo AC, DC, y TTL). Módulos de combinación
con 2 entradas / 2 salidas, 4 entradas / 4 salidas y 6
entradas / 6 salidas están también disponibles.
Los módulos de salida están disponibles con CA, DC , y
el tipo de contacto relé de salida. Los módulos de alta
corriente, del catálogo 1746-OBP16, - y OVP16 y
OAP12-, proporcionan protección electrónica de corto
circuito y las condiciones de sobrecarga.
Para la selección de los módulos, los requerimientos son:
un modulo de entradas digitales, y uno de salidas
digitales. Tipo Relé.
SELECCIÓN DE MODULOS DEL SLC 500.
El PLC SLC 500 de Allen Bradley es una pequeña familia basada
en un chasis modular como se muestra en la figura 4 que ofrece
flexibilidad en la configuración del sistema en estradas y salidas
discretas, analógicas y dispositivos periféricos especiales La
familia SLC 500 proporciona potencia y flexibilidad con una
amplia gama de de comunicaciones , configuraciones,
características y opciones de memoria. Utiliza el software de
programación RSLogix 500 basado en una lógica de escalera.
Figura No. 4 PLC SLC 500 Allen Bradley.
Entradas y Salidas del SLC 500
Se pueden elegir entre más de 60 módulos de control
discreto, digitales, analógico, señales de temperatura,
digitales y módulos especializados de terceros.
Los módulos Digitales (E / S) están disponibles con 4, 8,
16 ó 32 canales, en una amplia variedad de voltajes
(incluyendo AC, DC, y TTL). Módulos de combinación
con 2 entradas / 2 salidas, 4 entradas / 4 salidas y 6
entradas / 6 salidas están también disponibles.
Los módulos de salida están disponibles con CA, DC , y
el tipo de contacto relé de salida. Los módulos de alta
corriente, del catálogo 1746-OBP16, - y OVP16 y
OAP12-, proporcionan protección electrónica de corto
circuito y las condiciones de sobrecarga.
Para la selección de los módulos, los requerimientos son:
un módulo de entradas digitales, y uno de salidas
digitales. Tipo Relé.
El módulo de salidas más conveniente es el 1746-OW8,
cuenta con 16 salidas, 8 puntos de acción ordinaria,
tensión de funcionamiento de 5-125volts en CD y de 5 –
265 volts en CA, un Backplane con corrientes de 170
(mA) a 5V y 180 (mA) a 24v. Y una señal máxima de
retardo de 10 microsegundos.
Tipos de Comunicación.
Rockwell Automation ofrece un control de muchos medios de
comunicación y productos a ayudarle a integrar las operaciones de
planta. El SLC 500 funciones de comunicación familiar módulos y
dispositivos de apoyo a las diferentes redes incluyendo Ethernet IP
Control Net, Device Net, DH +, DH-485, Control Remoto
Universal I / O y las redes de serie.
Software de Programación.
El SLC 500 usa una lógica escalera de programación en el
software de programación RSLogix 500. RSLogix 500, Software
Flexible, fácil de utilizar las características de edición, da la
oportunidad de crear programas de aplicación sin tener que
preocuparse acerca de cómo obtener la sintaxis correcta.
El paquete RSLogix 500 lógica de escalera de programación fue la
primera programación de PLC software para ofrecer la
productividad inigualable con una interfaz de usuario de la
industria. RSLogix 500 es compatible con los programas creados
con DOSbased Rockwell Software los paquetes de programación
para el SLC 500 y MicroLogix familias de procesadores, hacer el
mantenimiento del programa a través de plataformas de hardware
cómodo y fácil. RSLogix 500 se puede utilizar con Windows
2000, Windows XP o Windows Vista.[4]
3.2 Estructura de programación.
•
El RSLinx es un sistema operativo de red (Network Operating
System) que se encarga de regular las comunicaciones entre los
diferentes dispositivos de la red. Proporciona el acceso de los
controladores Allen-Bradley a una gran variedad de aplicaciones
de Rockwell Software.
Primeramente se debe configurar la red de comunicaciones de
nuestros dispositivos. Para ello se debe configurar el controlador
óptimo, que en este caso se trata de una red con dispositivos
conectados a DH+ como se muestra en la figura No.5.
Figura No.5 Elección de controlador
Una vez está bien configurada se obtiene la siguiente imagen, de la
red funcionando (figura No.6). Donde el software a detectado el
controlador SLC500.
Figura No. 6 Pantalla principal de RsLinx
RSLogix 500
RSLogix 500 es el software destinado a la creación de los
programas del autómata, en lenguaje de esquema de contactos o
también llamado lógica de escalera (Ladder).
Existen diferentes partes dentro de la aplicación, las más
importantes son: el editor Ladder, el panel de resultados (donde se
genera la lista de errores por medio del verificador de proyectos) y
el árbol de proyectos mediante el cual se manejan todas las
posibilidades existentes.
Este producto se ha desarrollado para funcionar bajo el sistema
operativo Windows.
Ver figura No. 7.
Figura No. 7 Pantalla principal del RSLogix 500.
Al iniciar un nuevo proyecto con el RSLogix 500 se debe
especificar el tipo de procesador, de Rack, Fuente, entradas y
salidas. Como se muestra en las siguientes figuras No. 8, y 9.
Figura No. 8 Entorno de programación RsLogix500.
Figura No. 8 Editando un programa con RsLogix500.
En la línea uno se muestra un contacto cerrado direccionado con el
bit auxiliar del Estado energizado de la alarma, cuya función es la
de estar abierto siempre y cuando el bit auxiliar este encendido, de
lo contrario el contacto se cierra y se pone el aviso de falla en la
conexión con la alarma. Ver figura No.8
Figura No. 9 Programa para el sistema de alarmas.
Como se muestra en la figura No 13 en cuando el Timer de la
alarma de siniestro haya agotado el tiempo, la bobina auxiliar (DN)
permite energizar todas las salidas que van a mandar la señal de
apertura de cada una de las válvulas del sistema como son: la
válvula de los anillos de enfriamiento, la válvula del concentrado
espumante, el dosificador del concentrado espumante, las válvulas
de las cámara de espuma y las válvulas de inyección subsuperficial
[5]. El contacto abierto de la línea seis tiene un enclavamiento con
la bobina de los anillos de enfriamiento para permitir la
energización de todas las salidas a las válvulas. Ver figura No. 10
Figura No.10 Enclavamiento con la bobina de los anillos de
enfriamiento.
Una vez energizadas todas las salidas de las válvulas, un Timer va
a contar tres segundos, tiempo necesario para que las válvulas se
abran completamente y puedan ser arrancadas las bombas
eléctricas y no exista el riesgo de que choque el flujo del
concentrado espumante y el agua con las válvulas automáticas.
El sistema cuenta con la opción de arrancar el sistema de forma
automática por el operador, en caso de que los sensores térmicos
no hayan funcionado y no mandaran la señal al PLC. Con esta
opción un operador puede mandar a arrancar el sistema desde un
botón en el HMI (Interfaz Hombre Maquina. En la primera figura
se muestra el botón de arranque del sistema para encender un bit
auxiliar que va a permitir hacer los enclaves en de contactos
abiertos en la línea de arranque de bombas (Figura 10) y apertura
de válvulas (Figura 11).
Figura No.11 Arranque de bombas.
Figura No.12 Apertura de válvulas.
Panelview.
Las terminales PanelView 1000 fig. No. 13 usa componentes
modulares adicionales que permiten flexibilidad en la
configuración, la instalación y las actualizaciones. Los equipos
pueden pedirse como componentes independientes o pueden
ensamblarse en fábrica de acuerdo a su propia configuración.
Las pantallas a color planas de 6.5”, 10.4”, 12.1” y 15.1” son
reemplazables, en el campo contienen entradas de teclado, pantalla
táctil analógica o de teclado/pantalla táctil. Hay un módulo de
pantalla de alto brillo de 12.1 pulgadas y otras opciones con
revestimiento de conformación, disponibles para satisfacer
condiciones ambientales más específicas. También puede pedirse
con un recubrimiento antideslumbrante incorporado.
El módulo lógico estándar cuenta con las siguientes características.
Puertos de comunicaciones RJ45 Ethernet y RS-232
integrados
Dos puertos USB para mouse y teclado
Entrada de alimentación, CA o CC
Interface de red para módulo de comunicaciones
opcional
Figura No. 13 PanelView Plus 1000.
Comunicación.
Todos los terminales PanelView Plus se cuentan con los puertos
RJ45 Ethernet y RS-232 en serie. El puerto Ethernet acepta las
opciones EtherNet/IP y Ethernet usando los drivers KEPServer. El
puerto RS-232 es compatible con DF1 en serie, DH-485 en serie y
drivers en serie de múltiples suministradores. Un módulo de
comunicaciones opcional ControlNet, DeviceNet, o DH+/DH-
485/E/S remotas puede añadirse o cambiarse después de la
instalación. O se puede pedir un terminal con ControlNet o
DH+/DH-485/E/S remotas como opción previamente ensamblada.
Figura No. 14. Entorno Panel Builder.
En la figura 15 se muestra una pantalla de trabajo/pantalla, donde
nos muestra cómo se verá en nuestra Panelview. Seleccionando las
aplicaciones de nuestra pantalla 1 (screen 1), con un click derecho
podemos cambiar propiedades de ella como color de fondo,
nombre y descripción y también crear nuevas pantallas. En este
caso nuestro sistema gas & fuego requiere 4 pantallas, menú,
alarmas, válvulas y bombas como se muestra a continuación en la
figura No. 16
Figura No. 15 Panel View.
Figura No. 16 Pantalla de Configuración Gas y Fuego.
A continuación en la figura No. 17, se muestra cómo se crea el
menú, mediante un mensaje de bienvenida, con fecha y creación
de hipervínculos (goto) que nos direccionaran a las siguientes
pantallas.
Figura No. 13 Menú del Sistema Gas y Fuego.
Para la pantalla 1 de alarmas se implementan indicadores y
botones, los cuales se seleccionan del menú “objects”, donde se
seleccionan los botones a usar según la filosofía de programación
del programa del PLC RSLogix, como se describe y se muestra en
la figura No. 14.
Figura No. 14 Pantalla principal del sistema de Gas y Fuego.
Un indicador de alarma preventiva.
Un indicador que muestra los 10 segundos para la
respuesta del operador.
Un indicador que alarma que el accionamiento del
sistema se encenderá de manera automática.
Un indicador que muestra que arrancó el sistema de
forma automática.
Un push button el cual se activa de forma manual por el
operador, para arrancar el sistema.
Un push botton que abortara y restablecerá el sistema en
caso de una falsa alarma.
Al igual de contar con los hipervínculos (goto) para la
siguiente pantalla ”válvulas” y un regreso (return) que
me regresara al menú.
Cabe mencionar que cada elemento tiene que cumplir con la
filosofía de operación del programa realizado en RSLogix, al igual
de direccionar y configurar nuestras entradas y salidas, para que
sea sincronizado correctamente con el PLC como se muestra a
continuación en la figura No. 15. Y esto se logra mediante la
edición de nuestro tag en cada componente.
Nota: Esto se hace en todas las pantallas con todos los
componentes
Figura No.15 configurando los elementos.
Para la pantalla tres de válvulas, contaremos con accionamiento
manual de las válvulas en caso de mantenimiento, al igual de
contar con un indicador que monitorea la apertura de las válvulas y
también contar con hipervínculos que nos direccional al menú y a
la siguiente pantalla. Figura No. 16
Figura No. 16 Pantalla de válvulas.
CONCLUSIONES
Los sistemas de seguridad para la protección de instalaciones o
procesos industriales son de mucha importancia por la integridad
del personal y de los operarios del sistema y el medio ambiente.
Estos sistemas no forman parte del control de proceso y son
independientes del mismo, teniendo como finalidad hacer segura la
instalación en caso de mal funcionamiento. Con este trabajo se
logra un método más técnico y científico para la formulación de las
especificaciones y para el diseño de los sistemas de prevención y
menos costosas. Con la utilización de la tecnología de los
controladores lógicos programables y las HMI´s se logra diseñar
cualquier proceso para que al operador se le facilite el monitoreo y
el control del proceso. Con esto se cumple la finalidad de resolver
una problemática en el sistema de seguridad de gas y fuego para un
tanque de almacenamiento de hidrocarburos.
REFERENCIAS
[1]. Gil Pablo, Pomares Jorge, Candelas Francisco, Redes y
transmisión de datos. Publicaciones de la Universidad de
Alicante, España 2010.
[2]. Manual de Allen Bradley PLC SLC 500.
[3]. Behrouz A. Forouzan, Transmisión de datos y redes de
comunicaciones, 2da. Edición, Ed. McGraw Hill.
[4]. Manual RSLogix 500 Español
http://es.scribd.com/doc/38566296/1747-Manual-RSLogix-
500-Es-p.
[5] Corripio, Armando, Control Automático de Procesos. 1ª
ed., Editorial Noriega Limusa, 1991.
INFORMACIÓN ACADÉMICA
Pedro Francisco Huerta González: Profesor Titular B
de la Carrera de Ingeniería en Control y automatización. Ingeniero Electricista del Instituto Politécnico Nacional.
Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica opción
Control de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación ESIME Zacatenco. Sus áreas de interés
son: Control de Movimiento, Redes Industriales, Control
de Maquinas Eléctricas y Sistemas Digitales.
Ivone Cecilia Torres Rodríguez: Profesor Titular B de
la Carrera de Ingeniería en Control y Automatización. Ingeniero en Control y Automatización del Instituto
Politécnico Nacional. Maestra en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de la Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación ESIME Zacatenco. Sus áreas de interés
son: Sistemas Digitales, Redes Industriales.
Zósimo Ismael Bautista Bautista: Profesor Titular B de
la Carrera de Ingeniería en Control y Automatización.
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica del Instituto Politécnico Nacional. Candidato a Maestro en Ciencias
en Ingeniería Eléctrica de la Sección de Estudios de
Posgrado e Investigación ESIME Zacatenco en la Ciudad de México. Sus áreas de interés son: Sistemas
Digitales, Sistemas de Adquisición de Datos y
Electrónica Lineal.
