Simulación dinámica de entrenamientos de operadores de panel en sala de control de un coquificador retardado
- Marco
teórico - Sistemas presentes en la
operación de la planta - La simulación y los
simuladores - Entrenamiento por medio de
simuladores - Simulador de
adiestramiento de operadores shadow plant - Métodos de
evaluación incluidos en shadow plant™ para el
entrenamiento de operadores - Coquificación
retardada
Por "Simulación" se denota, como la
representación de un proceso
o fenómeno mediante otras más simples, que
permite analizar sus características. La simulación de procesos
es una de las más grandes herramientas de la Ingeniería, la cual se utiliza para
representar un proceso mediante otro que lo hace mucho
más simple y entendible. Por consiguiente, el
término "Simulador de Proceso" es un sistema
independiente que se utiliza para señalar el montaje
en una computadora de los modelos
del proceso que funcionan en dicho montaje y se convierte
en un instrumento para experimentar y aprender de las
consecuencias de nuestras decisiones en el futuro o en
secciones de procesos distantes.[1]Desde el comienzo de la era informática los terminales de salida
de información de los ordenadores o
computadoras han ido mejorando
considerablemente. Al principio sólo
comprendían una simple impresora, luego aparecieron las pantallas
de visualización en las que los datos
aparecían con mucha mayor rapidez que en una
impresora. Pero estos primeros sistemas
de visualización presentaban numerosos
inconvenientes: el más grave consistía en lo
largo y tedioso de examinar un gran número de datos
expresados en forma de palabras y frases, es decir,
codificados en caracteres alfabéticos y
numéricos en continua sucesión temporal.
Éste sistema se utilizó primeramente en los
procesos en modo batch (procesos por carga). A partir de
entonces los grandes servidores
de los finales años 60 y principio de los 70, eran
muy costosos para la adquisición y operación,
el funcionamiento de programas
en estas máquinas se diseñó con
la suposición de que las computadoras con el
tiempo
eran más importantes que los ingenieros. Esto
significaba que el ingeniero era requerido para generar un
dato fijo de salida para la
computadora en un dispositivo independiente tal como
una tarjeta perforada o una cinta de papel perforada. La
entrada de información de los datos a la
simulación que resultaba entonces, fue sometida a un
procesador específico, el cual
leía la cubierta entera de la tarjeta o la cinta del
papel, ejecutando la simulación en un despliegue de
datos que luego imprimía. Hasta entonces, el sector
de los sistemas de
información habían dominado las
modalidades alfanuméricas. Pero la situación
fue cambiando y aparecieron, sobre todo en el mundo
industrial, planteamientos nuevos en los que se reclamaba
ver "información" y no simplemente "datos";
entendiendo por "información", las curvas de
tendencias o los gráficos de barras.
[2]Fue entonces, a finales de los años 70 y a
principio de los 80, cuando una nueva generación de
mini y microcomputadores, cambiaron drásticamente el
cuadro de simulación. Debido al bajo precio y
al alto desempeño de estas nuevas
computadoras, una nueva visión de la
operación de los procesos se desarrolló
alrededor de estás máquinas. Desde luego un
computador pudo estar dedicado al uso de un
individuo, así como la ventaja de
utilizar pantallas de mayor resolución, y la
disponibilidad de mejores programas de tratamiento de
imagen
permitieron nuevas formas de presentar la
información, con las que era posible que la pantalla
del ordenador mostrara imágenes analógicas de los
artículos disponibles. De esta forma se
permitía una interacción persona-máquina más natural,
en la que el usuario ve el proceso que siguen los datos que
maneja. Este ambiente
"interactivo" proporciona un más efectivo uso del
tiempo del ingeniero a costa de la eficiencia del computador[2].
Afortunadamente, las fuerzas promotoras para incrementar la
productividad de ingeniería
aparecieron simultáneamente con los progresos
notables en computadoras y software.
Consecuentemente, una nueva generación de software
de simulación de procesos se desarrolló para
servir al ingeniero en vez de la computadora; los
simuladores de procesos avanzan junto con la tecnología en computación, por lo tanto se espera
obtener resultados eficientes de los sistemas de
operación, de control, seguridad y ambiente, que están de la
mano del ingeniero en las distintas industrias.- ANTECEDENTE
Los sistemas que se encuentran disponibles en una
planta y se utilizan para mantener, controlar, monitorear
las actividades de operación de la misma, comprende
desde los sistemas Avanzados de Control de Procesos (APC),
los sistemas de
control supervisorio (DCS, SCADA), control
básico y por último un sistema de salvaguarda
(PLC,
FSC, Triconex) dispuestos para reaccionar en situaciones de
protección y seguridad, en función de la planta. A
continuación se describe brevemente cada uno de
ellos:El control de procesos se ocupa de regular
operaciones unitarias, procesos
unitarios y todos aquellos aspectos del control de
planta que se asocien con los objetivos y la eficacia del procesamiento. El control
de procesos no se ocupa directamente de decisiones a
nivel de planta, como el mantenimiento de la misma, la
sustitución del equipo, el envío de
productos y aspectos de esta
índole, excepto en lo que pueda afectar las
variables de funcionamiento de los
sistemas que estén por debajo de éste
(sistema supervisorio, sistemas de salvaguarda) ya sea
por la disponibilidad del equipo de procesamiento en
línea, de las reservas de materia
prima y de las instalaciones para el almacenamiento de los productos.
[3]Usa los métodos de regulaciones del
modelo predictivo, redes
neuronales, control difuso, etc. Se pueden observar
las características de los procesos
específicos (interacciones, sistema
multivariables, etc). Las estrategias de control se ubican y se
toman en cuenta en estos sistemas. A través del
uso de este sistema se busca incrementar el beneficio
de la producción total y la calidad ambiental, ahorrar
energía y material crudo, además de la
reducción de análisis de laboratorio de la planta.- Sistemas Avanzados de Control de Procesos
(APC) - Sistemas de control de procesos
(supervisorio)
- SISTEMAS
PRESENTES EN LA OPERACIÓN DE LA PLANTA
Los sistemas de control de procesos se definen como los
encargados de vigilar los procesos de la planta a través
de redes de
computadoras interconectadas que permiten mantener las
condiciones necesarias para que no ocurra ninguna
perturbación en los procesos de la misma. El sistema de
control es responsable de tareas tales como monitorización
y vigilancia para el cual existe un número de estaciones
de trabajo (GUS,
UWS, UxS, US, ver vocabulario) conectadas a través de una
o más redes de área local,
las cuales proveen acceso a un grupo de
servicios
distribuidos. La arquitectura
física del
sistema de control consiste en una serie de computadores, equipos
electrónicos, sensores y
actuadores interconectados.
El control supervisorio es desempeñado por el
operador, quién debe conocer ampliamente el sistema de
control. Él debe tomar en cuenta:
- La distribución de la arquitectura del
sistema. - Los tipos de controles predominantes, tales como
lazos de control cerrados automáticamente por el
sistema, control secuencial, batch (por carga), algoritmos
avanzados, etc. - Tipos de variables acopladas.
- Las unidades de adquisición de datos del
proceso se representan por los controladores de lazos PID y
PLCs. - Medios de comunicación a través de redes de
área local, conexión directa. - Distribución de los datos.
Entre los sistemas de control más empleados por
la industria se
tienen:
Es el acrónimo de Supervisory Control And
Data Acquisition (Control Supervisorio y de
Adquisición de Datos). Un SCADA es un sistema basado
en computadores que permite supervisar y controlar a
distancia una instalación de cualquier tipo. Si el
computador del sistema de control, que centraliza las
actividades, falla, la planta sucumbe completamente. El
sistema se caracteriza como se observa en la
figura.Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superiorFigura 2.1 Esquema sencillo de
la red de
un sistema SCADA.El flujo de la información en los sistemas
SCADA se describe de la siguiente manera: El
Fenómeno físico lo constituye la
variable que deseamos medir (temperatura, flujo, potencia, intensidad de corriente, voltaje,
pH,
densidad, etc). Este fenómeno debe
traducirse a una variable que sea inteligible para el
sistema SCADA, es decir, en una variable eléctrica.
Para ello, se utilizan los sensores o transductores
que convierten las variaciones del fenómeno
físico en variaciones proporcionales de una variable
eléctrica (voltaje, corriente, carga, resistencia o capacitancia). Sin embargo,
esta variedad de tipos de señales eléctricas debe ser
procesada para ser entendida por el computador digital.
Para ello se utilizan los acondicionadores de
señal, cuya función es la de relacionar
estos cambios eléctricos a una misma escala
de corriente o voltaje. Además, provee aislamiento
eléctrico y la filtración de la señal
con el objeto de proteger el sistema de ruidos originados
en el campo. Una vez acondicionada la señal, la
misma se convierte en un valor
digital equivalente en el bloque de conversión de
datos. Generalmente esta función es llevada a
cabo por un circuito de conversión analógico/
digital. El computador almacena esta información, la
cual es utilizada para su análisis y para la toma de
decisiones. Simultáneamente, se muestra
la información al usuario del sistema, en tiempo
real. Basado en la información, el operador puede
tomar la decisión de realizar una acción de control sobre el proceso.
El operador comanda al computador a realizarla, y de nuevo
debe convertirse la información digital a una
señal eléctrica. Esta señal
eléctrica es procesada por una salida de control, la
cual funciona como un acondicionador de señal para
manejar un dispositivo dado: bobina de un relé,
punto de ajuste de un controlador,
etc.[4]- Sistema SCADA
- Sistema DCS (Sistema de control
distribuido)
Este sistema proporciona una trayectoria de
comunicación individual entre cada controlador y la
estación con el operador se mantiene en un alto grado de
aislamiento y facilidad de sustitución entre los
componentes. Los datos de control básicos pueden
trasferirse a través de la estación con operador o
por medio de una conexión redundante de medición. Todas las órdenes o
instrucciones emitidas por la estación con operador son
devueltas a cada operador para permitirle la actualización
del estado de las
mismas. No es necesario contar con destinos y códigos de
fuentes,
puesto que las direcciones son determinadas por la
conexión con cables.[3]
Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
Figura 2.2 Esquema sencillo de la red
de un DCS.
El High Performance Manager (HPM, Administrador de
Proceso de Alto funcionamiento) recibe la señal de las
variables (nivel, flujo, temperatura, etc.) donde el operador de
control maneja desde la consola de la estación de trabajo
del DCS (modelo que este disponible en la planta) y envía
una respuesta hacia los controladores. Éste conjunto de
actividades se realizan en una comunicación individual
entre el operador y la estación de trabajo el cual es
independiente de otra estación, por lo tanto si existe una
falla en el sistema, solo afectará aquella estación
involucrada, no implicará la caída de la planta, a
diferencia de lo que ocurre en el sistema SCADA. Se considera
también:
- Software del DCS. El programa de la
estación con operador permite que los datos malos de los
controladores sean anulados sólo con operaciones del
operador en el teclado. La
recepción de datos emitidos desde cualquier controlador
puede ser detenida también con una instrucción
del operador en el teclado. - Hardware del DCS. La estación manual de cada
controlador no necesita ser una pieza separada del equipo
(hardware), pero
sería conveniente que pudiera manipularse por medios
independientes del microprocesador. [3]
- Sistemas de salvaguarda
Es parte del sistema de control que emplea la planta, el
sistema de salvaguarda emplea controladores lógicos
programables (PLCs) y/o controladores a prueba de fallas (Fail
Safe Controller, FSC). Ambos realizan su labor por sí
solos.
El control de salvaguarda opera por su propia
cuenta, es decir, no requiere supervisión por operadores y además
mantiene relación con el control supervisorio. Aún
cuando el operador no se involucra en estos sistemas, el mismo
debe conocer las ventajas que ofrecen estos sistemas para el
control y protección de la planta. Para ello se
tiene:
- PLC: el controlador lógico programable
permite controlar máquinas e instalaciones utilizando la
lógica secuencial, que reemplaza a los
tradicionales sistemas electromecánicos, permitiendo,
por lo tanto, economizar relés, cronómetros y
contadores. Además, las principales ventajas de la
utilización de los PLC es su flexibilidad, puesto que
pueden ser reprogramadas las características
industriales, gracias a la posibilidad de utilizarlos en
ambientes con duras condiciones de trabajo. La fiabilidad y la
seguridad, típicas de la tecnología del estado
sólido no necesita contactos en movimiento,
así como la posibilidad de procesar señales
analógicas. Él controla parada/ arranque
de bombas,
apertura/ cierre de algunas válvulas.
Funcionamiento general del PLC:
- El usuario ingresa el programa a través del
dispositivo adecuado (un cargador de programa o PC) y se
almacena en la memoria
de la CPU. - La CPU, que es el "cerebro" del
PLC, procesa la información que recibe del exterior a
través de la interfaz de entrada y de acuerdo con el
programa, activa una salida a través de la
correspondiente interfaz de salida. Toma la decisión de
la base aplicada a la programación. - Las interfaces de entrada y salida se encargan de
adaptar las señales internas a niveles del la CPU. Por
ejemplo, cuando la CPU ordena la activación de una
salida, la interfaz adapta la señal y acciona un
componente (transistor,
relé, etc.). [5]
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Figura 2.3 Estructura de
un controlador.
El PLC permite la
comunicación entre las interfaces hombre-máquina o entre las distintas
máquinas (GUS). Además los procesadores de
comunicación se realizan a través de redes (redes
de control), en otros casos la conexión es punto a punto.
Ciertamente los PLC ofrecen una serie de ventajas que el operador
debe llegar a conocer. Estos sistemas se encuentran en un lugar
protegido y seguro, los
primeros a la mano del operador los segundos a la mano de los
ingenieros de control de procesos, los cuales mantienen la
supervisión del desempeño de los PLC y los FSC. En
la sección de redes de control se podrá ver como
estos sistemas se conectan en el área física de la
planta y además contribuirá al aprendizaje del
operador de control.
- FSC: el controlador de prueba de fallas,
controla las lógicas de arranque/ disparo. Su
función parecida a la del PLC, pero menos frecuentes que
los PLCs en la planta, mantiene la seguridad de la planta en
condiciones de emergencia.
- Redes de control
La conexión de los sistemas de control, se
realiza a través de las redes de control, los cuales
representan el espacio físico de las distintas unidades y
componentes de la planta. Las redes de control que posee la
planta proporcionan al operador conocimiento y
comprensión adicional a su preparación
teórica, para ello se tiene los siguientes
detalles:
- Red de Control Local (LCN)
Es una red netamente de
supervisión, que permite las interfaces
hombre-máquina o las estaciones de trabajo.
Características:
- Redundante (interruptores
automáticos). - Cable coaxial.
- Protocolo propiedad
de Honeywell, tipo trasmisión de señal (token
pass). En este protocolo
cada nodo tiene un tiempo definido para comunicarse (30
miliseg). - La velocidad
de la red es de 5 mbits/seg. - La longitud de la red es de 300 m de su ramal
principal (coaxial), sin embargo esta distancia puede ser
extendida por medio de tarjetas
extensoras. - Soporta hasta 40 nodos sin LCNE (tarjetas
extensoras de la LCN) y hasta 64 nodos con al menos un
LCNE.
Nodos disponibles de la LCN:
- Estación global de usuario
(GUS)
Es la ultima versión de interfase
humano-máquina del sistema TPS. Esta basada en Windows NT.
Provee una ventana nativa para toda la información de la
LCN y el proceso, además de conectarse a la PIN gracias
a las características que proporciona el Windows
NT.
Características:
- Tipo escritorio, mueble Z o mueble
clásico. - Diseñada para ambiente de oficina o
sala de control. - Emula unidades de cartuchos.
- Posee mouse o
trackball y touch screen. - Posee un teclado integrado.
- El cambio de
acceso (tipo de usuario en la consola: operador, supervisor o
ingeniero) es por software o llave física. - Soporta cualquier software que corra en ambiente de
Windows. - Posee software especializado.
- Módulo de historia
(HM)
Provee almacenamiento masivo de datos en un disco duro
el cual puede ser redundante. Este dispositivo permite
almacenar rápidamente largos bloques de
datos.
Datos que se pueden guardar o acceder:
- Alarmas de procesos.
- Cambios del operador.
- Mensajes del operador.
- Cambios del estado del sistema, etc.
- Tendencias y reportes de procesos de historia
continua. - Archivo de sistema de todo tipo (data requerida para
cargar diferentes nodos.) - Punto de referencia y datos de
mantenimiento. - Análisis e información de mantenimiento
en proceso.
- Módulo de aplicación
(AM)
Este módulo permite implementar estrategias de
control avanzado. Incluye algoritmos de control avanzados
estándares, además de permitir el desarrollo
de algoritmos avanzados propios por medio de un lenguaje de
programación llamado Lenguaje de Control
(CL).
- Red de Control Universal (UCN)
Es una red de control de alta velocidad y seguridad,
tiene capacidad de sofisticados esquemas de control
involucrando uno o más controladores.
Características
principales:
- Velocidad de la red 5 mbits/seg.
- Capacidad de hasta 64 nodos.
Módulo de interfase de la red
(NIM)
Es la interfase que permite conectar la red UCN a la
red LCN, generalmente es redundante.
- Controladores
- Administrador de proceso de Alto Funcionamiento
(HPM) se utiliza a partir de Release 500.
Proporciona las siguientes funciones:
- Secuenciador de eventos (SOE)
de 1 miliseg. - Dispositivos de control de puntos de procesos de
áreas de motores. - Conexión de equipos por puerto
serial. - Incremento de la memoria.
- Variable de tiempo y string (serie de variables
manipuladas en grupo) para programar en Lenguaje
de Control (CL). - Incrementa las unidades de procesamiento cinco
veces más que el APM (Advance Process
Manager) - La velocidad del barrido puede ser cambiada sin
necesidad. - Disminuye la cantidad de tarjetas del módulo
de control de 5 en el APM a solo dos en el HPM.
- Administrador de protección
(SM)
Es un PLC triple redundante usado para paradas de
emergencias, su operación es independiente del sistema
pero está conectado a éste, por medio de la UCN
que puede ser visualizado por el operador desde el sistema.
[6]
El nivel de detalle en un simulador puede variar desde
las relaciones de simple estática
hasta dinámica detallada. De hecho un simulador es una
reflexión casi completa del sistema de control de una
planta y del proceso subyacente, pero aún existen algunas
diferencias fundamentales. Por ejemplo, una presión de
un tanque que excede dramáticamente su presión de
diseño.
Mientras que esto puede conducir a un problema numérico
inofensivo con el simulador, las consecuencias para la planta
podrían ser desastrosas. [1]
Un simulador puede ser integrado con el sistema de
control de proceso, de una manera tal que sea posible utilizar el
mismo puesto del operador para la simulación y el control
de proceso, solamente cambiando entre el modo de la
"simulación" y el de "control". Los simuladores de proceso
se pueden utilizar de dos maneras: (1) un simulador se puede
utilizar para producir las situaciones del entrenamiento
para los operadores de planta; y (2) posibilidades de ofertas de
la simulación para hacer los experimentos que
no se pueden realizar en el proceso real. El propósito
puede ser ayudar como soporte de operación o en esfuerzos
de ingeniería. Esto resulta en tres básicos
diseños de simulador como:
- Simulador "Estimulado": utiliza los equipos
reales del sistema de control (DCS o SCADA) y la interfase
del operador junto con un modelo del proceso, éste
último destinado a simular la planta. El simulador
"Estimulado" es muy costosos de construir puesto que requiere
instalar los equipos de control reales, los cuales no
están diseñados para correr y congelarse
(están diseñados para operar un proceso en
"tiempo real") o para ser "salvado" y "cargado" haciendo
éste tipo de diseño de simulador muy limitado
en términos de uso práctico. (Figura
2.4) - Simulador "Genérico"
(Híbrido): este simulador usa la interfase real
del operador y un software de emulación del sistema de
control y un modelo del proceso. Como no utiliza el hardware
del DCS o SCADA resulta una solución más
viable. Algunos simuladores de este tipo incluyen
transductores automáticos de la configuración
del sistema de control, los cuales importan la
configuración del sistema de la planta hacia el
ambiente del simulador. (Figura 2.5) - Simulador "Totalmente Emulado": utiliza un
software de emulación del sistema de control, la
interfase del operador y el modelo de proceso. Siendo el
hardware requerido mucho más reducido,
consecuentemente el costo del
simulador es más bajo. Adicional a estas ventajas, el
diseño compacto y portátil brinda una alta
disponibilidad para el entrenamiento de los operadores de
control [7]. (Figura 2.6)
La idea de emplear o seleccionar un modelo de
simulación determinado, está basado en las
necesidades y los requerimientos de la planta, por ello es
importante reconocer las características que proporciona
el simulador de proceso. Junto con el tipo de simulador que se
emplea avanza el tipo de paquete de adiestramiento
que se va usar por ello en el Apéndice A se puede ver en
detalle, los paquetes que emplean estos modelos de
simuladores.
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Figura 2.6 Representación gráfica
del simulador particular o completamente emulado.
Los simuladores facilitan la enseñanza a los nuevos operadores antes del
proceso real, de igual manera prepara a los operadores
experimentados para el manejo de otras secciones de la planta.
Los simuladores de entrenamiento usualmente se integran a un
sistema de control de proceso para emular el entorno del control
de proceso. Igualmente, el aprendiz interactúa ampliamente
con el simulador en una sesión típica de
entrenamiento del proceso real de la planta.
Los simuladores pueden ser utilizados para proporcionar
de modo rápido operadores de planta con experiencias,
debido a que las situaciones de instrucción son más
frecuentes que en el proceso verdadero; el entrenamiento se puede
realizar bajo condiciones seguras puesto que no hay consecuencias
en el proceso verdadero; y la práctica puede ser dirigida
diseñando varias sesiones de entrenamiento, es decir,
panoramas específicos donde se simulan ciertas situaciones
(por lo menos bajo condiciones del entrenamiento). Esto se puede
utilizar para diseñar programas de entrenamiento
específicos y un sistema de certificación para los
operadores de planta. Otra característica del simulador de
entrenamiento, es que las situaciones de la operación de
planta se pueden reconstruir, un episodio del proceso real que
fue juzgado mal se puede repetir y examinar nuevamente para
cerrar el lazo de estudio. Esto puede ser útil para los
operadores involucrados en el episodio y otros con el
propósito de aprender. Por lo tanto, un simulador de
proceso puede apoyar los ambientes del entrenamiento para el
progreso en el
conocimiento evidente del operador en las actividades de
control, también como el desarrollo de las
habilidades.
Existen algunas razones por las cuales se recurre a un
simulador de entrenamiento para preparar a los operadores de
control de planta:
- Escasas situaciones de
aprendizaje
Los sistemas de control han mejorado la automatización de los procesos en la
operación de la planta, sin embargo han reducido las
situaciones de aprendizaje para que el operador gane
experiencia y habilidades. Si el operador no puede ver los
resultados de sus decisiones esto inevitablemente deteriora el
lazo de aprendizaje individual. Éste efecto es
frecuentemente observado en los operadores que trabajan por
turno. Para ayudar al aprendizaje bajo tales condiciones, puede
ser necesario establecer mecanismos complementarios para
alargar el lazo de aprendizaje a través de eventos
programados en el simulador.
- Experimentación limitada
En el entorno de la operación de una planta,
experimentar frecuentemente representa una amenaza de
seguridad, calidad del producto, y
economía
de la planta. Al menos, los experimentos con el proceso, las
estrategias de control, o hardware de la planta puede ser
coordinado de alguna manera. Esta falta de oportunidades para
los individuos de experimentar restringe el aprendizaje
y solo con el uso de simuladores se puede proporcionar las
fuentes de experimentación para la práctica de
los operadores de planta.
- Retroalimentación
inadecuada
El objetivo del
operador es el control de los parámetros tales como
calidad del producto, seguridad de la planta, energía y
material de utilización, ayudado por el sistema de
control que recolecta volúmenes considerables de datos
acerca de las condiciones del proceso físico
(temperatura, presión, flujo, etc.). Muchos sistemas
proporcionan la funcionalidad para computar los valores
y las pantallas de las tendencias del proceso, pero no pueden
proveer al operador de información clara acerca de la
calidad completa del proceso. Cuando el mensaje del sistema
esta limitado, la calidad de la comunicación es muy
dependiente en el entendimiento del operador de las
representaciones en el sistema. Solo si el operador tiene claro
los modelos mentales de la subyacente realidad para la
representación de la información en el sistema de
control, será capaz de interpretar la información
en el sistema y tomar las decisiones correctas.
- Entrenamiento para el conocimiento
explícito de los operadores
La introducción de simuladores de proceso no
reduce la importancia del conocimiento básico en los
operadores en los procesos de control de la planta. Un operador
que maneja y controla la planta por si mismo, sin el
entrenamiento elemental, usa un conjunto de propuestas acerca del
comportamiento
posible del proceso, el cual genera una estrategia a
probar, y podría incurrir en un error.
Hay por lo menos, dos buenas razones por las cuales los
modelos mentales individuales deben ser claros para crear el
conocimiento explícito, permitiendo las claves para
mejorar la operación de la planta:
- Si el conocimiento es productivo, debe ser compartido
para la aplicación extensa. Cuando el conocimiento se
hace explícito puede "ser difundido", por ejemplo, una
actividad colectiva por medio de un programa de
entrenamiento o de una red de ordenadores. - Si un operador lleva a cabo la creencia
errónea sobre la planta o el proceso y toma las
decisiones contraproducentes basadas en éstos, los
gastos para
corregir las suposiciones subyacentes puede ser significativo
[1].
- Entrenamiento para establecer habilidades en los
operadores
El entrenamiento para obtener habilidades puede resultar
muy útil, si ocurre una emergencia no hay tiempo para la
reflexión; la acción se debe tomar sobre el
reconocimiento de una situación habitual. Una
situación similar es hallada en el ejercicio repetitivo de
pilotos en simuladores de vuelo. Esta clase de
entrenamiento es un proceso de incorporar conocimiento
tácito en conocimiento explícito, es decir, hacer
que el conocimiento personal,
arraigado en el individuo a través de sus ideales,
valores o
emociones y
difícil de trasmitir o compartir con otros, se convierta
en un conocimiento expresable en lenguaje ordenado,
fácilmente trasmisible por medio de los individuos de una
manera formal, y que además puede ser procesado por un
computador.
El uso de simuladores, donde obtener habilidades es lo
esencial, es muy importante que la situación del
entrenamiento sea muy similar a la realidad. Por lo tanto, el
simulador debe proporcionar una reflexión real del sistema
de control de proceso y del proceso subyacente. Las reacciones
rápidas exactas se pueden aprender solamente en un
simulador de alta fidelidad.
Desafortunadamente, las habilidades físicas se
deterioran cuando no se utilizan. Por lo tanto, un operador
experimentado pierde sus capacidades en un cierto plazo. Esto
implica que las sesiones repetidoras del entrenamiento son
necesarias para mantener la capacidad de los operadores de planta
de ocuparse de situaciones infrecuentes. La degradación de
las habilidades es una facultad que se busca disminuir en los
operadores de control, y solo con el dominio y el
aprendizaje total de las habilidades hasta el punto de la
automaticidad podría mejorar esta situación hasta
el grado que el operador realice sus tareas con el menor esfuerzo
conciente y reducir de tal manera el adiestramiento frecuente
para reforzar los conocimientos de los mismos, por lo menos con
el uso de simuladores de entrenamiento se busca encontrar tal
propósito.
El simulador Shadow Plant™ es un sistema de
hardware y software para asistir el entrenamiento de operadores
de control en una consola similar a la de la sala de control que
representa la replica real de una planta. Éste sistema es
avanzado tecnológicamente y sofisticado para entrenar de
manera rápida y completa, reentrenando y calificando a los
operadores, en corto tiempo y gasto. El simulador representa el
proceso desde el punto de vista práctico de la
operación, con suficiente realismo para
el propósito de entrenar al operador.
El simulador permite al operador practicar las
operaciones normales, reconocer las fallas de los equipos, e
identificar y reaccionar a una situación anormal sin el
uso de la planta real. El aprendiz gana experiencia y habilidades
de la operación sin poner en peligro los equipos de la
planta o desfavorablemente afectar las operaciones de la
planta.
El sistema del Shadow Plant™ incluye las
siguientes unidades:
- Un microcomputador que funciona bajo el sistema
operativo Open VMS, - Una interfase para el computador del DCS,
- Consola del instructor,
- Varios dispositivos de conexiones para integrar el
hardware en un sistema funcional, - Un hardware adicional de apoyo y para otros
propósitos.
Estructura del software:
El software es un grupo de módulos de programas
proporcionado por Honeywell Hi-Spec Solutions. Los programas son
usados para realizar los cálculos de la simulación,
el cual se representa el comportamiento dinámico del
proceso y de los sistemas de control, proporciona la
funcionalidad de la consola del instructor y se comunica con la
consola del operador. Comprende:
- Base de datos de la simulación.
- Programa del modelo de interpretación,
- Programa de la simulación del
proceso, - Programa de interfase del DCS,
- Programa del lenguaje de control para el Shadow
Plant™, - SIMVIEW sistema opcional de
gráfica, - AUTOBUILDER configurador opcional de
gráfico, - Sistema TRANSLATOR (traductor) de
configuración opcional del DCS.
La eficacia del modelo de simulación del proceso
es proporcionar una "sombra" real de la planta para una variedad
de escenarios de operación e ingeniería, sin
riesgo de
dañar la planta. El modelo del simulador esta basado en
principios
rigurosos de ingeniería química y de termodinámica. Posee además un
subsistema de propiedades físicas de material industrial
amplio, proporciona una ecuación que calcula las
propiedades, y por último cuenta con un programa modular
usado para realizar cálculos dinámicos en tiempo
real de la simulación de un proceso y sistema de control
[8]. En el Apéndice A se hace referencia de los
distintos paquetes que se pueden manejar para el entrenamiento de
operadores, siendo el paquete basado en estaciones de
trabajo el más conveniente a utilizar en los
procesos de las plantas a gran
escala. Por otra parte en el Apéndice B y C se pueden ver
las distintas interfases que permiten el funcionamiento del
simulador junto con la planta de manera más detallada para
mayor comprensión del tema.
- Características del simulador a nivel de
entrenamiento (evaluación)
Las características de entrenamiento que estos
sistemas incluyen, facilitan los ejercicios de entrenamiento para
automatizar la inicialización de las condiciones del
modelo, la ejecución de varios tiempos basado en funciones
de perturbación de proceso y desempeño del
aprendiz, así como el monitoreo/ reporte.
- Los escenarios son secuencias de eventos
automatizados que pueden ser registrados y remplazados en forma
de ejercicios de entrenamiento consistentes. - El monitor de
eventos captura las acciones
constantes del instructor, el aprendiz y el operador del
exterior junto con las condiciones de alarmas del proceso para
mostrar, reportar y guardar registros. - Perturbación del proceso está
opción se emplea para crear fallas a los equipos,
válvulas y de los instrumentos, con el objetivo de poner
a prueba las habilidades de los operadores. En el
Apéndice D se amplía en detalle los
malfuncionamientos que se encuentran disponibles. - El monitor de proceso proporciona al usuario
una descripción rápida del estado
actual de las variables claves en el modelo, en un formato
tabular. Esta ventana de visión general muestra al
usuario los valores actuales de las variables con
relación a su objetivo o valores ideales. Ésta
permite a su vez al instructor precisar las áreas del
modelo que requiere más atención del aprendiz. - Tabla de desempeño del aprendiz
monitorea las variables claves de la operación de la
planta, asignando la valoración conforme a las
habilidades del operador en responder a los escenarios de
entrenamiento y genera los reportes para guardar el registro. - Las fotos
automáticas permiten que las condiciones del proceso
sean almacenadas automáticamente en los intervalos dados
durante la sesión de la simulación. Estas
condiciones almacenadas se convierten en las condiciones
iniciales salvadas que pueden se utilizan en las sesiones
futuras o simplemente pueden ser sustituidas. - Retroceder (backtrack) permite al simulador
ser restaurado a una parte previa de las condiciones salvadas
durante la sesión de simulación
actual. - Las tendencias de tiempo real proveen
pantallas de tendencias multivariables de cualquier variable
simulada para ver, reportar y guardar registros. - Las gráficas de tiempo real proveen al
instructor de gráficas de operación y objetivos
de control de todo el DCS, así como las variables de
operación de campo. [9]
A continuación se explicarán los
métodos que se utilizan para la evaluación
del aprendiz durante una sesión de adiestramiento y
lograr a través de ellos una medición de la
habilidad del operador en manejar situaciones frecuentes y
no tan frecuentes en los procesos operativos de la planta,
y que los mismos se encuentran disponibles en el simulador.
Además las ecuaciones que se plantean, favorecen el
cálculo de las puntuaciones que el
aprendiz proyectará en su
desempeño.- Método de trayectoria
- MÉTODOS DE EVALUACIÓN
INCLUIDOS EN SHADOW PLANT™ PARA EL ENTRENAMIENTO DE
OPERADORES
Es usado para evaluar un valor de la variable del
proceso con relación a una curva de operación
idealizada. La evaluación se realiza de la siguiente
manera:
- Se establece una curva de operación,
definiendo las coordenadas de tiempo y el valor de la variable
del proceso bajo examen. - Se define una banda muerta, para introducir una
medida de la tolerancia
asociada con cada punto de la curva. - La variable del proceso es medida contra el tiempo;
esto permitirá una evaluación bidimensional de
cada evento de medición, específicamente, la
cantidad y la duración del tiempo de una variable que se
encuentra alejada del límite de la banda
muerta. - Por último, a cada paso del tiempo, la
diferencia entre el valor de la variable se compara con la
banda muerta. Sí el valor está fuera de este
límite, la diferencia entre el valor de la variable y la
banda muerta se retine como una medida de la desviación
de la curva de operación.
El área total asociada con cada desviación
puede ser calculada por integración de cada elemento de
desviación sobre el correspondiente tiempo de
duración. Durante este intervalo, el área del
estado de la desviación también se calcula. Este
valor es la diferencia entre el límite de la variable del
proceso y el límite de la banda muerta sobre el curso del
tiempo de la desviación.
El simulador se encarga de calcular la siguiente
información:
- Área de la desviación alta,
- Área de la desviación baja,
- Área de la desviación total alta y
baja, - Tiempo total de la desviación
alta, - Tiempo total de la desviación
baja, - Tiempo total de la desviación total alta y
baja.
a) Parte inferior de la curva ideal. b) Parte
superior de la curva ideal.
Figura 2.7 Método de
trayectoria.
Estos valores son usados en los escenarios de
desviación y puntuación del tiempo fuera de los
límites
de alarma de la variable del proceso, para evaluar la
puntuación neta asociada con la variable del proceso
especificada. A su vez permite el cálculo de:
Es la razón usada para calcular la
puntuación neta resultante del grado de
desviación de la curva de operación durante
un ejercicio de entrenamiento. La razón es calculada
como sigue:Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superiordonde:
Razón: es el porcentaje del grado de
desviación de la variable de acuerdo a la
curva.El cálculo de la razón de la medida
de desviación es genérico para los valores de
la razón de la desviación alta,
desviación baja y desviación total. La
puntuación neta es calculada por
multiplicación de la razón de la medida de
tiempo fuera por el total de puntos.- Medida de la Desviación
- Medición del "tiempo fuera" de la banda
muerta
Es la razón usada para calcular la
puntuación neta resultante de la cantidad de tiempo de
desviación acumulado durante un ejercicio de
entrenamiento. La razón es calcula como sigue:
Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
Donde:
Razón: es el porcentaje de desviación de
la variable de acuerdo al tiempo.
- Método de
excursión
Es usado para medir la habilidad de un aprendiz para
mantener una variable del proceso análoga seleccionada
dentro de los límites de operación fijados. El
siguiente procedimiento es
usado para llevar acabo esta evaluación.
- Se definen los límites de alarma alta y baja
para la variable del proceso. Estos límites de alarmas
establecen la región de operación esperada para
la operación normal del proceso. - El valor de la variable del proceso es función
del tiempo de simulación. - A cada paso del tiempo, el valor de la variable del
proceso se compara con los límites de las alarmas
especificados. Sí el valor esta fuera de los
límites, la diferencia entre el valor de la variable y
el límite de la alarma se retiene como una medida del
elemento de excursión.
El área total es asociada con una
excursión puede ser calculada por integración de
cada elemento de excursión sobre el tiempo de
duración de la excursión. Durante este intervalo,
el área del estado de la alarma es también
calculada. Este valor es la diferencia entre el límite de
la variable del proceso y el límite del estado de la
alarma sobre el curso del tiempo de la
excursión.
Durante el curso del ejercicio, también la
siguiente información es calculada:
- Área de excursión alta,
- Área de excursión baja,
- Área de excursión total alta y
baja, - Tiempo total de excursión alta,
- Tiempo total de excursión baja
- Tiempo total de excursión alta y
baja.
Estos valores son usados en los escenarios de
desviación y puntuación de tiempo de los
límites de la "banda muerta" fuera para evaluar la
puntuación neta con el proceso de la variable
especificada. Figura 2.8
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Figura 2.8 Método de
excursión.
La medida de desviación es la razón
usada para calcular la puntuación neta resultante de
la cantidad de excursión acumulada durante el
ejercicio de entrenamiento. La razón es calculada
como sigue:Para ver
el gráfico seleccione la opción "Descargar"
del menú superiordonde:
Razón: es el porcentaje del grado de
excursión de la variable de acuerdo a la
excursión.El cálculo de la razón de la medida
de desviación es genérico para las
áreas de excursión alta, baja y total. En
cada caso, las áreas asociadas con la
excursión de alarma alta, excursión de alarma
baja y excursión de alarma total pueden ser usadas
para calcular los correspondientes valores de la
razón de la desviación alta,
desviación baja y desviación total. La
puntuación neta se calcula por multiplicación
de la razón de desviación por el total de
puntos.- Medida de la desviación
- Medición de "tiempo fuera" de la banda
muerta
Es la razón usada para calcular la
puntuación neta resultante de la cantidad de tiempo de
excursión acumulado durante el ejercicio de entrenamiento.
La razón es calculada como sigue:
Para ver
el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Donde:
Razón: es el porcentaje de excursión de la
variable de acuerdo al tiempo.
El cálculo de la razón de la
medición del tiempo fuera es genérico para el
tiempo de excursión alto, bajo y total. En cada caso, el
tiempo asociado con la excursión de alarma alta,
excursión de alarma baja y excursión de alarma
total puede ser usada para calcular los correspondientes valores
de tiempo fuera alto, el tiempo fuera bajo y el tiempo fuera
total. La puntuación neta es calculada por
multiplicación de la razón de la medición
del tiempo fuera por el total de puntos.
Método de objetivo
Es usado para especificar el valor del proceso digital
o análogo que una variable puede lograr dentro de una
cantidad de tiempo de simulación especificado. Este
método de evaluación muestra una perfecta
puntuación cuando el valor objetivo especificado o el
tiempo objetivo se alcanza. A este punto, la puntuación
neta se calcula de acuerdo al método de tiempo fuera o
la desviación seleccionada. Cuando el ejercicio de
entrenamiento se cumple antes del tiempo objetivo, el aprendiz
obtiene una puntuación perfecta.
Medida de desviación
Es la razón usada para calcular la
puntuación neta resultante de la posición
relativa de la variable análoga del proceso para un
valor de objetivo definido. El cálculo se realiza una
vez que el valor del objetivo o tiempo objetivo es alcanzado.
La razón se calcula como sigue:
Para ver
el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
donde:
Razón: es el porcentaje de la posición
relativa de la variable al valor objetivo.
Valor objetivo: es el valor que la variable del
proceso debe alcanzar.
Valor inicial: es el valor base de la variable del
proceso.
La razón usa la distancia relativa del valor de
la variable actual y arranca el valor de la variable desde el
valor objetivo como una base para el cálculo. Se tiene
dos restricciones para está ecuación: Primero,
una puntuación neta de cero es aplicada en situaciones
donde la distancia del valor actual es más grande que la
distancia del valor de inicial. En segundo caso, una
puntuación neta igual a la puntuación
máxima es aplicada a situaciones donde el valor inicial
es igual al valor del objetivo. La puntuación neta se
calcula por multiplicación de la razón de la
medida de desviación por el total de puntos.
Medición del tiempo fuera de los
límites de la banda muerta
Es la razón usada para calcular la
puntuación neta resultante del actual tiempo del proceso
relativo al tiempo objetivo. La razón de la
medición del tiempo fuera es genérico para los
escenarios de desviación alta, baja y total. El
cálculo es realizado una vez que el valor del objetivo o
el tiempo objetivo es alcanzado. La razón como
sigue:
Para ver
el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Donde:
Razón: es el porcentaje del tiempo fuera de la
variable del proceso.
La razón usa el tiempo relativo transcurrido del
tiempo actual del proceso y el valor del tiempo de inicio hasta
el tiempo objetivo como una base para el cálculo. Dos
limitaciones se reservan para está ecuación:
Primero, una puntuación neta de cero es aplicada en
situaciones donde la distancia del valor actual del tiempo es
más grande que la distancia del valor inicial. En segundo
caso, una puntuación neta igual a la puntuación
máxima es aplicada a situaciones donde el valor inicial es
igual al valor del objetivo. La puntuación neta es
calculada por multiplicación de la razón de la
medida de desviación por el total de puntos.
[10]
Las unidades de las ecuaciones dependen de las variables
del proceso escogida, para: temperatura en °C, para
presión en Barg, para niveles en %, para flujos en Ton/D y
por último el tiempo en minutos. Ciertamente el simulador
proporciona la libertad al
instructor de escoger la unidad de la variable.
La coquificación retardada es un proceso de
craqueo térmico. En este proceso, los fondos de la
unidad de vacío, o residuales, se calientan a
496°C en un horno a gas, y
luego se desintegran térmicamente en un tambor de
coquificación. La coquificación retardada es
un proceso endotérmico, mediante el cual la
energía de fraccionamiento y las pérdidas de
calor de
la superficie expuesta reducen la temperatura del tope del
tambor de coque a 466°C. Hay dos reacciones primarias
de coquificación: Condensación, la cual
produce el coque, y Fraccionamiento, la cual genera
productos que van desde gasóleos pesados hasta
nafta e
hidrógeno. El coque formado se
deposita en el tambor de coquificación y los
productos fraccionados fluyen en forma de vapor fuera del
tope del tambor de coquificación al fraccionador
principal donde se enfrían y se separan en
líquido y productos de vapor.El residuo de vacío y el reciclo van
desde los tubos del calentador del coquizador hasta uno
de los tambores de coquificación; las altas
temperaturas, además de las altas velocidades
posponen la formación de coque. El hecho de que
el hidrocarburo quede retenido en el tambor de coque,
permite que el proceso de craqueo y coquización
sea más extenso y controlado.La alimentación hacia el coquizador
se calienta, luego se envía al fondo del tambor
de coquificación. El producto craqueado
más liviano sube hasta la parte superior del
tambor para luego ser retirado. El producto más
pesado permanece dentro del tambor y debido al calor
retenido, se craquea para convertirse en coque, una
sustancia sólida similar al carbón. Los
vapores que salen de la parte superior del tambor son
enviados al fraccionador para su
separación.El proceso de extraer el coque del tambor
constituye un problema especial debido a que se forma
una especie de torta. La descoquificación es un
proceso rutinario que se logra por medio de la
inyección de un chorro de agua
a alta presión. Primero se perfora un hueco en
el coque que va desde la parte superior hasta el fondo
del tambor. Luego se introduce una varilla giratoria a
través del hueco, que rocía chorros de
agua hacia los lados. La alta presión del chorro
corta el coque en pedazos, los cuales son retirados por
el fondo del tambor. Todo el proceso de cambio de
tambor de coquificación, enfriamiento,
descoquificación y vaciado del tambor dura 36
hrs, tiempo durante el cual otro tambor estará
siendo llenado.Los componentes más livianos de la
alimentación del residuo de vacío y
aquellos provenientes del craqueo térmico se
separan posteriormente en el sistema de
fraccionamiento. A partir de este proceso se obtienen
varios gasóleos del coquizador, así como
otras corrientes que son enviadas a otras unidades
dentro de la planta para su posterior procesamiento.
(La figura 2.9 muestra el diagrama de proceso de dicha
unidad)- Descripción del proceso de
coquificación retardada - Reacciones de Craqueo
térmico
- COQUIFICACIÓN
RETARDADA
- Formación del radical
libre:
C10H2
C8H17° +
C2H5°
Hidrocarburo Radicales libres
- Captura de átomos de hidrógeno
(radical pequeño):
C2H5° +
C6H14 C2H6 +
C6H13°
RL1 Hidrocarburo RL3
- Formación de olefinas (radical
grande):
C8H17°
C4H8 +
C4H9°
RL2 Olefina RL4
- Terminación de las reacciones de los
radicales libres:
C8H17° + H°
C8H18
RL2 Hidrógeno o
Metales
- Formación de coque:
Para ver la
fórmula seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Olefina + Olefina Coque
- Variables de operación
La presión de operación del tambor de
coquificación tiene poco efecto en la proporción de
las reacciones de fraccionamiento a condensación. Las
presiones más bajas en el tambor favorecerán las
reacciones de fraccionamiento y la subsiguiente producción
de volumen
líquido. La presión de operación del tambor
es determinada durante el proceso de diseño, teniendo las
operaciones un pequeño rango de control de la
presión del tambor de coque (0.21-0.34 Barg).
La segunda variable de operación con algún
rango de control es la temperatura de salida del horno. La
temperatura de salida del horno puede modificarse en ±
9°C de la temperatura de diseño de 496°C. Los
cambios en la temperatura de salida del horno afectan la dureza
del coque que se forma en el tambor y el posterior grado de
dificultad de cortar el coque de fuera del tambor. Las
temperaturas más altas producen coque más duro y
las temperaturas más bajas producen coque más
blando. [10]
- Presión: afecta la calidad del coque y
el rendimiento de productos livianos y
gasóleos.
Cuando la presión es alta ocurre:
- Mayor producción de coque.
- Aumenta la cantidad de gases
producidos más livianos que C5. - Menor producción de productos líquidos
más pesados. - Mejora la calidad del coque: densidad y VCM (Cloruro
de vinilo). - Disminuye el punto final de gasóleo
pesado. - Temperatura: en general un incremento en
la temperatura conlleva a un menor rendimiento de coque y
aumento en destilados. También la temperatura sirve
como referencia para el control de VCM.
- Temperatura: en general un incremento en
- Tiempo de residencia: indica que tan completa
se puede estar llevando las reacciones de
polimerización.
A tiempo de residencia alto:
- Mejor es la estructura del coque.
- Menor contenido de VCM.
- Una polimerización más
completa.
- Alimentación
Característica de la carga de residual (Gasoil
al vacío, VGO):
- Gravedad: -0.10 API,
- Punto de Corte: 537.80 °C,
- Contenido Azufre: 4.40 wt %,
- Carbón Conradson : 29.50 wt %,
- Nitrógeno: 1.03,
- Vanadio: 767.00 ppm,
- Níquel: 159.00 ppm.
El Carbón Conradson: es una función
directa de los rendimientos de coque, gases y productos
líquidos.
- Productos
Esta unidad de coquificación retardada ofrece
seis productos: Gas combustible, líquido
C3/C4, nafta, gasóleo de coque
liviano, gasóleo de coque pesado, y coque. Todos los
productos del fraccionamiento contienen un alto porcentaje de
hidrocarburos
parafínicos y olefínicos. La nafta y los
gasóleos contienen cantidades moderadas de compuestos de
azufre y nitrógeno. La nafta y los gasóleos
requieren procesamiento adicional antes de mezclarse en productos
vendibles [9].
Tabla 2.1 Límites de
batería.
Productos | BPSD | Temperatura | Presión |
Gas agrio | -/26400 | 43.30 | 0.69 |
Nafta | 7948/54.10 | 43.30 | 18.30 |
LCGO | 8498/67.20 | 217.80 | 4.10 |
HCGO | 8870/- | 232.00 | 5.20 |
FZGO | – | 387.80 | 4.80 |
Residuo de fondo | 62500/496 | 343.30 | 3.10 |
BPSD: Barriles de producción
diaria.
Disposición de los productos:
- El gas ácido y la nafta serán enviados
a la Planta Recuperadora de Gas. - Preparación del crudo sintético liviano
LCGO. - HCGO-FZGO preparación del crudo
sintético pesado y producto del
gasóleo.
Cesar Flores Rodriguez