Actualización
de la Infraestructura de Hardware para el Control
Multivariable de la Refinería Cardón
Actualización
de la Infraestructura de Hardware para el Control
Multivariable de la Refinería Cardón
| Introducción
al Proyecto
|
INTRODUCCION
AL PROYECTO
Nuestra Industria Petrolera, para disponer de sistemas y computadores de apoyo a las actividades operacionales de los procesos de Refinación requiere de una infrestructura adecuada y enfrentar así los siguientes desafios: - Bajar costos de producción - Mejorar la calidad de los productos - Aumentar el rendimiento (carga / producción) - Cumplir con las normas y regulaciones ambientales - Confiabilidad y estabilidad en el proceso El objetivo del control de procesos es el de mantener dentro de valores preestablecido determinadas variable claves (presiones, temperaturas, flujos, apertura de válvulas) en un proceso industrial. Los sistemas de control deben tener la habilidad de arrancar, regular y parar un proceso en respuesta a la medición de variables monitoreadas dentro de él, con el objeto de obtener la salida deseada. El sistema de control ideal es aquel en donde los procesos responden instantáneamente a los cambios en los requerimientos de entrada. Para entender a que responde el control de procesos debemos entender el siguiente esquema de flujo de datos:
El objetivo del presente trabajo es explicar cual es la situación actual de la infraestructura de hardware e interfaces sobre las cuales se estan ejecutando herramientas de control de procesos multivariables, vista la necesidad de sustituir las herramientas de control y los equipos sobre las cuales ellas se ejecutan. La arquitectura actual de los sistemas de las Plantas de Control Avanzado del Complejo Refinador está compuesta de tres (3) componentes básicos:
Software de Base de Datos Tiempo Real Infoplus X Dos equipo de automatización industrial marca Honeywell (PLANET MODULES), interfaz entre el computador VAX y los sistemas de control distribuido Honeywell TDC 3000
Actualmente existen dos modalidades para control multivariable en la Refinería Cardón: 1- Para la planta Catalítica, se dispone de programación del control multivariable para control de las torres, fraccionadora, reactor y otros equipos de programas ejecutandose en el computador VAX de catalítica y controlando algunos de sus parámetros via el software optimizador de procesos de ASPENTECH GCS desde una aplicación gráfica instalda en una PC. 2- Para el resto de las plantas (Reformador, Destilación, DCU, HDT2, HDS, etc) icorporadas en las consolas TDC del sistema de control distribuido de las plantas. Se utiliza como herramienta para control avanzado de procesos SMCA, la cual es una herramienta poco fexible comparada con la evolución que se ha tenido en herramientas similares en los últimos años. Esta arquitectura entró en operación a comienzos de los años 90, y en esos años se programaron los modelos matemáticos para la toma de decisiones de control. Estos programas se han quedado desactualizados con los cambios en diseño que sufrido los equipos y plantas a través de los años, razón por la cual se hace impresindible el cambio de equipos, herramientas y migración de dichos modelos. Los computadores marca DEC (Digital Equipment Corporation , INC.) modelo VAX serie 4000-500 dejaron de ser fabricados a finales de 1999, cuando la empresa COMPAQ, (empresa que adquirió la firma DIGITAL) decidió oficialmente abandonar nuevos desarrollos y sacar fuera de sus líneas de producción los modelos de computadores VAX y todos sus periféricos y repuestos. Este anuncio fue oficializado mediante carta pública emitida por la Vicepresidencia de la compañía , a todos sus clientes y asociados. Existen nuevas tecnologias para la interface para la adquisición de datos de procesos de los TDC 3000 via protocolo OPC Server, API mas robustos y através de nodos APP NODE. Esta tecnologia vendria a sustituir a la existente para lo cual se requiere instalar un software de interface en los VAX que es el CM50, además de que la filosofia para los años 90 erá totalmente cerrada. Como consecuencia del crecimiento natural de las operaciones en las unidades de proceso de las Plantas del Complejo Refinador, la capacidad de procesamiento de la arquitectura antes descrita se encuentra saturada y se imposibilita la inclusión de nuevos desarrollos de estrategias de control requeridos para el proyecto de ampliación del Complejo Refinador. El mayor tiempo de procesamiento en estas unidades debe dedicarse a la resolución de las estrategias de control. Las actividades adicionales, pero necesarias, de soporte al sistema tal y como lo son los respaldos en línea de la información del sistema, hacen que a veces la corrida simultánea de las estrategias de control con las actividades de respaldo, saturen la capacidad de procesamiento del sistema alcanzándose usos del CPU de un 100%, lo cual causa interrupciones más largas y afecta el valor agregado de las estrategias de control al proceso, con la correspondiente pérdida de los beneficios cuantificables, por el tiempo en que las estrategias están "abajo" (paradas, sin procesamiento). La sustitución del hadware sobre el cual se ejecutarán las nuevas estrategias de control viene atada a la necesidad del uso de software y herramientas de adquisición de datos que han evolucionado significativamente en los años recientes y podemos notar su simplicidad a primera vista. Las nuevas herramientas utilizan interfaces modernas de windows para simplificar la configuración sin utilizar programación. Los equipos sobre los cuales se ejecutaran estas herramientas de control de procesos: PC para el software y equipos APP Node para comunicación con los computadores industriales o consolas TDC serán las alternativas sobre las cuales desarrollarremos el presente trabajo.
Muchas de las estrategias de control se ejecutan en los servidores VAX-4500 con sistema operativo VMS, el cual cual esta siendo dejado de lado por un gran número de fabricantes de servidores. La poca diversidad de tecnológia de ese entonces (1991) y de la falta de soporte así como partes y repuestos para estos servidores que ocasionan una alta incidencia de fallas. Así mismo se requiere no solo la infraestructura de los sistemas control a nivel de hardware si no a nivel de las herramientas de utilidad, flexibilidad y de innovación tecnologica en un negocio que exige mayor productividad y optimización de los recurzos. El objetivo de realizar estos trabajos no solo se pinsa en reemplazar los equipos y herramientas obsoletos sino además generarle importantes beneficios a la industria y asu personal. Los beneficios provienen de la implantación
de software y equipos de alto rendimiento. Los beneficios comprenden las
siguientes categorias:
Definir una infraestructura básica suficientemente robusta y con la redundancia adecuada para centralizar allí todas las funciones de hardware incluidas en el computador VAX 4000-500, componente principal de la arquitectura actual de los sistemas de las Plantas de Control Avanzado del Complejo Refinador. Es importante destacar, que en esta propuesta no se contempla el análisis de la migración del software, requerido para complementar la funcionalidad de esta arquitectura y necesaria para la actualización de la infraestructura descrita.
Control de Procesos Se conoce como control de procesos la toma de decisiones para mantener dentro de valores prestablecidos los valores de determinadas variables en el proceso operacional de la planta. Los sistemas de control automatizados deben tener la habilidad de arrancar, regular y parar un proceso en respuesta a la medición de variables monitoreadas dentro de él, con el objeto de obtener la salida deseada. El sistema de control ideal es aquel en donde los procesos responden instantáneamente a los cambios en los requerimientos de entrada. En este sentido, el uso de computadores digitales para el control de procesos industriales tuvo sus orígenes en los años 50. Pero controladores análogos eran aún muy utilizados para implementar control continuo y tableros de relés eran instalados para realizar actividades de control discreto. Se conoce que el control continuo o análogo usa directamente señales tomadas de sensores y maneja salidas asociadas (actuadores) tales como válvulas, bombas, calefactores, etc. Estos actuadores pueden ser de variación continua o pueden ser simplemente elementos de Encendido/Apagado en tiempo proporcional. El procesamiento realizado por este tipo de control sobre la señal de entrada, depende del proceso involucrado, pero típicamente utiliza amplificación y alguna forma de funciones matemáticas, tales como integración, para desear el cambio deseado sobre los elementos de salida. Los controladores continuos pueden incluir sistemas electrónicos analógicos, computadores y microprocesadores. El control discontinuo (on/off) es muy común en la mayoría de las industrias, puesto que muchas máquinas y procesos están constituidos con unidades que sólo pueden estar en una de dos condiciones, controladas por un gran número de operaciones simples y pasos de una secuencia. Los controladores binarios pueden estar constituidos por relés, sistemas electromecánicos, sistemas lógicos neumáticos o hidráulicos, computadores o controladores programables. Estos métodos no pueden compararse, pero sí pueden integrarse, pues cada uno tiene su campo de aplicación y es más eficiente en su propia área. En todas las instalaciones industriales es necesario automatizar un proceso actuando sobre una o más salidas binarias. El sistema que realiza esta función se denomina controlador lógico, porque toma decisiones mediante la observación de variables binarias. Los medios de control establecidos, incluyendo relés, circuitos lógicos y sistemas de computadores, suministran control a los procesos industriales. Sin embargo, cada uno de los anteriores medios tiene sus limitaciones o desventajas y las soluciones que han resultado efectivas han sobrevivido y evolucionado, proveyendo a los usuarios de hoy con un rango de escogencias para conveniencia de las necesidades de control de procesos. En este ultimo rango se ubican los Controladores Lógicos Programables o PLC´s. Un PLC se define como un sistema electrónico digital diseñado para trabajar en ambientes industriales, que usa memorias programables para el almacenamiento de instrucciones, con las que implanta funciones específicas, (lógicas, secuenciales, temporizadas, de conteo y aritméticas) para controlar diversos tipos de procesos, a través de módulos de entrada/salida análogos o digitales. Los PLC se desarrollaron a comienzos de los 70`s y se usaron principalmente en la industria automotriz para reemplazar grandes bastidores de relés que suministraban el control. El incremento en la utilización de PLC en procesos industriales ha animado a sus fabricantes a desarrollar familias completas de sistemas basados en microprocesadores con diferentes niveles de desempeño. Las ventajas de los PLC se describen a continuación:
Requieren mucho menos espacio que otros dispositivos. Tienen mayor confiabilidad en el desempeño en largos periodos de tiempo. Presenta flexibilidad para cambiar secuencias de
control sin cambiar cables.
Uno de los grandes sueños de todo ingeniero de proceso u operador es conocer a cada instante la situación de cada variable en el proceso, y cual será su comportamiento futuro si continúa la tendencia actual de la unidad operativa. Los controladores multivariables predictivos toman en cuenta el comportamiento de las variables en el pasado, para llevar a cabo movimientos en variables manipulables en el presente, de modo tal que en el futuro se alcance un punto operativo determinado y se mantengan dentro de límites todas aquellas variables que se desea controlar. El identificar el punto óptimo para operar
el proceso, llevarlo a tal región de operación, y mantenerlo
en esas condiciones, no es algo sencillo. Sin embargo, esta es una de las
características básicas en un controlador multivariable optimizante.
La determinación del punto óptimo de operación se
lleva a cabo mediante Programación Lineal. Una vez identificado
tal punto, el controlador calcula e implementa el programa de movimientos
necesarios en las variables manipulables, para que en un futuro (función
del tiempo que tarde el proceso en alcanzar su estado estable) el proceso
llegue a la condición de operación óptima deseada.
Tecnología
La tendencia mundial en la mayoría de las
empresas Químicas y Petroquímicas, es la instalación
de Sistemas de Control Distribuido (DCS). Lo que la experiencia ha mostrado
es que la mayoría de las empresas que llevan a cabo esta etapa,
la más costosa, detienen aquí su desarrollo y no progresan
hacia etapas en las cuales es posible obtener el mayor beneficio posible
del hardware instalado, con una menor inversión que la realizada
en la instalación original. Las etapas sucesivas en el aprovechamiento
del potencial que ofrecen los modernos DCS con sus computadoras de control
se puede apreciar en la figura 2:
Figura 2 En dicha Figura se indican cuatro etapas tecnológicas. La primera, como ya se ha mencionado, es la instalación del Sistema de Control Distribuido propiamente dicho, la cual consume alrededor del 70 % de la inversión en un proyecto de modernización, para darnos un beneficio de tan sólo el 15 % del total posible. Posteriormente se tiene la etapa de Control Avanzado Tradicional en la cual se hace un 10 % de inversión adicional y se obtiene un 10 % de beneficio extra. Como tercera etapa se encuentra la de Control Avanzado de Proceso, del tipo al que se refiere este trabajo, que con la inversión de otro 10 % aproximadamente, proporciona un beneficio extra del 35 %. La etapa final es la de Optimización en Tiempo Real, que con una inversión adicional equivalente a la anterior, da un beneficio extra del 40 %. Esa Figura está basada en la experiencia de mas de 20 años en el área de control avanzado de proceso y en la aplicación con éxito de más de 900 controladores multivariables en todo el mundo. En relación a la etapa de Optimización
en Tiempo Real, puede mencionarse que el punto más importante
radica en operar un optimizador que incluya un modelo riguroso, no lineal,
del proceso, como [DMO], en tiempo real y lazo cerrado, para obtener del
mismo el máximo beneficio posible. Operar en lazo cerrado significa
la recepción y envío de puntos de referencia, (set points),
o límites superior e inferior, directamente al nivel más
alto de controladores multivariables en plantas de proceso a gran escala.
La complejidad de operación de un sistema de Optimización
en Tiempo Real es muy grande, típicamente debe ser capaz de resolver
aproximadamente 100.000 ecuaciones algebraico/diferenciales nolineales
que describen el proceso completo, en el menor tiempo posible (usualmente
en menos de media hora). La información que emana de la figura anterior,
indica que si se detiene el desarrollo tecnológico en la instalación
del DCS, se dejan de recibir la mayoría de los posibles beneficios
del sistema, después de haber realizado lo más cuantioso
de la inversión. Los proyectos incrementales posteriores a la compra
del DCS tienen, usualmente, tiempos de pay-back muy atractivos. La tecnología
en control avanzado de proceso se vale de los controladores multivariables
predictivos para el logro de sus objetivos. En una Planta típica
de la Refinería, es usual encontrar lazos de control que no se comunican
entre sí y que en muchas ocasiones tratan de llevar al proceso en
direcciones opuestas, interactuando entre sí.
Sistema de Control Distribuído TDC 3000 En la figura 3 se muestra, los componentes principales
de un Sistema de Control Distribuido.
Red Local de Control (LCN)
Se reciben las solicitudes de los operadores a través de las estaciones de trabajo. Los datos de proceso provenientes de las redes conectadas al proceso están disponibles para la operación, control, historia, y funciones administrativas. En ella se puede realizar estrategias de control avanzando y un manejo centralizado de la información.
El uso de cables redundantes y la verificación de cada mensaje recibido, hace a ésta una red muy segura. Cualquier error detectado puede ser corregido solicitando una retransmisión del mensaje. Cada nodo está diseñado para que frente
a una falla en sus circuitos, la comunicación en la red no se vea
alterada.
comunicación. La Data Hiway se comunica al LCN a través de una interfaz de comunicación llamada Hiway Gateway. Tiene una velocidad de transmisión de datos
de 256 Kbits/seg.
El control avanzado, hoy día, ha colaborado en el desarrollo de por ejemplo sistemas de guía de proyectiles, sistemas de piloto automático de aeronaves, sistemas robóticos, control numérico de las máquinas herramientas de la industria manufacturera y otros.
Open VMS (virtual memory operating system) es un
sistema operativo de memoria virtual desarrollado en sus inicion por la
empresa DIGITAL Equipment Corporation que fue funcionada años despues
en la empresa Compaq y posteriormente con HP. Cuando el usuario se conecta
al sistema interactivamente ejecuta comandos en codigo DCL (Digital command
Languaje).
Procesador Intel Itanium 2
El procesador Intel® Itanium® le ofrece la
protección de su inversión gracias a su desempeño,
escalabilidad, alta disponibilidad y opciones. Es el primero de una familia
de procesadores basados en la nueva arquitectura Itanium. Esta nueva familia
de procesadores potentes extiende la computación basada en estándares
abiertos a la empresa, ofreciendo más flexibilidad, opciones y mejor
valor que las soluciones propietarias.
El procesador Itanium 2 con 6 MB de caché
es la evolución del procesador Itanium 2 pero mantiene la compatibilidad
con el zócalo, lo que ofrece la protección de la inversión
de los OEM y los usuarios finales. Además, ofrece la compatibilidad
binaria con el software existente para Itanium y puede brindar una mejora
del rendimiento del 30 al 50 por ciento o más sobre el procesador
Itanium 2 original.1
Computación de alto desempeño. Planificación de recursos empresariales, Administración de cadenas de suministro. Ingeniería mecánica asistida por computadora (MCAE), Automatización de diseño electrónico (EDA), Aplicaciones personalizadas de computación intensiva (financieras, petróleo, otras). Inteligencia comercial. Transacciones de seguridad.
La familia de procesadores Itanium está diseñada específicamente para aplicaciones empresariales de alto desempeño y ofrece un nivel líder de rendimiento para soluciones de inteligencia de negocios, bases de datos, planeación de recursos empresariales, administración de la cadena de abastecimiento, cómputo de alto desempeño, ingeniería asistida por computadora y transacciones seguras. El procesador Itanium 2 permite el procesamiento de grandes volúmenes de transacciones, cálculos complejos y vastas cantidades de datos y usuarios. El diseño Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC) y la memoria caché Level 3 (L3) integrada de 3 MB del procesador hacen posibles altos índices de procesamiento y desempeño para agilizar el procesamiento de transacciones en línea, análisis de datos y simulación y generación. Asimismo, el procesador ofrece características de confiabilidad avanzadas, incluidas detección y corrección de errores avanzadas en todas las estructuras de datos principales del procesador y una avanzada Machine Check Architecture (arquitectura de revisión de la máquina) para la administración inteligente de errores y la recuperación de complejos errores de plataforma para prevenir la pérdida, daño e interrupciones en los datos. El procesador Intel Itanium 2 contará con
el respaldo del chipset Intel E8870, programado próximamente, que
puede admitir sistemas con dos a 16 procesadores, y más procesadores
por sistema utilizando switches personalizados de OEMs. El chipset E8870
ofrece recursos de confiabilidad, disponibilidad y escalabilidad (RAS,
por sus siglas en inglés) de alto rendimiento e importantes innovaciones
como el Scalability Port (puerto de escalabilidad), bus punto a punto bidireccional
de alta velocidad con ancho de banda de 6,4 GB/s. Además, varios
OEMs planean la producción de sus propios chipsets personalizados
para el procesador Itanium 2, que estarán disponibles en los próximos
meses y con incrementos de productos durante todo el año.
Los sockets o zócalos para el procesador Itanium 2 son compatibles con dos generaciones futuras de procesadores de la familia Itanium para permitir su reemplazo sin problemas en sistemas existentes basados en Itanium 2. Esto incrementa el valor y la longevidad de inversiones de OEMs y clientes en plataformas basadas en Itanium 2. Además, Intel tiene cinco productos futuros de la familia de procesadores Itanium en desarrollo, con diseños ya en proceso que llegarán antes de la segunda mitad de esta década. Intel ofrecerá también una plataforma de módulos de construcción basada en el procesador Itanium 2 a fabricantes de sistemas e integradores de productos. La SR870BN4, que estará disponible en la segunda mitad de este año, será una plataforma de servidor 4U de 4 vías con un diseño altamente modular en un paquete denso para los mercados empresarial y de soluciones de cómputo de alto desempeño. Los procesadores Itanium 2 tendrán 3 y 1,5
MB de memoria caché L3 integrada y velocidades de frecuencia de
1 GHz y 900 MHz con precios, en los Estados Unidos, que irán de
los 1.338 a los 4.226 dólares.
APP NODE
En el proceso de investigación de la tecnología presente en el mercado, que cubra con los requerimientos de hardware que demanda la actualización de la infraestructura existente para el control de procesos multivariable existen dos alternativas de solución las cuales describimos a continuación: 1. Propuesta ASPECTECH Se basa en instalar los equipos APP Node (en total 5) para las 5 plantas existentes (en relación con los TDC existentes), estos APP Node adquieren la data de los DCS de cada una de las plantas via interfaces con API de Honeywell. Asi mismo se instalará un computador HP en Cluster Itanium 2 en el cual se instalará el software para control de procesos multivariable DMC+ propiedad de ASPECTECH.
2. Propuesta de HONEYWELL La popuesta de Honeywell es similar a la descrita con anterioridad con la diferencia que no hace falta el computador cluster Hp para ejecutar el software de control de procesos que para este caso no será DMC+ si no RMPTC distribuido por Honeywell y el cual se ejecutará en los DCS de Honeywell.
Se seleccionó la alternativa 1 basado en los siguientes criterios de selección:
Se realizó un estimado de costos referencial realizado por nosotros tomando en cuentas las horas hombres que por experiencia de proyectos similares se toman para ejecutar cada una de las actividades del proyecto. para lo cual se disponen de metricas registradas en PDVSA para este tipo de proyectos. Luego se solicitó a los dos suplidores sus oertas técnicas y económicas y se evaluaron las propuestas a través de la siguiente matriz de opciones:
1. Se grarantiza la continuidad del funcionamiento de los controles de procesos multivariables existentes, con posibilidad de incorporar otros. 2. Con la infraestructura planteada, existe la posibilidad de incorporar nuevos modelos de optimización, lo cual permite obtener un mayor margen de refinación por optimización de las estrategias de control. 3. Mediante esta actualización de infraestructura se disminuyen los costos del mantenimiento y soporte del sistema. 4. La alternativa de solución seleccionada involucra a dos fabricantes; por un lado a HP para el suministro del computador donde se ejecutarán las estrategias de control y por otro lado a Honeywell para el sumisitro de los equipos de comunicación APPNode para la adquisición de los datos de los DCS.
1. Infoplus-X Process Control - Manual Aspentech 1998 2. Revistas Tecnología Hoy - Grupo Editorial Hoy 3. www.honeywell.com 4. Propuesta de Migración de Control Avanzado de Procesos, Asesoría y Adiestramiento - Propuesta Aspentech PDV-125 Rev1.>
|
