Simulación dinámica de entrenamientos de operadores de panel en sala de control de un coquificador retardado

1. Marco teórico
2. Sistemas presentes en la operación de la planta
3. La simulación y los simuladores
4. Entrenamiento por medio de simuladores
5. Simulador de adiestramiento de operadores shadow plant
6. Métodos de evaluación incluidos en shadow plant™ para el entrenamiento de operadores
7. Coquificación retardada

MARCO TEÓRICO

1. 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.

2. 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:

   0. 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.

   1. Sistemas Avanzados de Control de Procesos (APC)
   2. Sistemas de control de procesos (supervisorio)
3. 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:

1. 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.

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   Figura 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]

2. Sistema SCADA
3. 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]

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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]

1. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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]

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 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.

1. 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:

1. 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.

1. 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.

1. 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

1. 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.

1. 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]

1. LA SIMULACIÓN Y LOS SIMULADORES

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:

1. 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)
2. 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)
3. 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.

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 Figura 2.6 Representación gráfica del simulador particular o completamente emulado.

3. ENTRENAMIENTO POR MEDIO DE SIMULADORES

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.

1. 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].

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.

3. SIMULADOR DE ADIESTRAMIENTO DE OPERADORES SHADOW PLANT™

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.

1. 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]

3. 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.

   0. Método de trayectoria
4. 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:

1. 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:

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    donde:

   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.

2. Medida de la Desviación
3. 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:

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 Donde:

Razón: es el porcentaje de desviación de la variable de acuerdo al tiempo.

1. 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

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Figura 2.8 Método de excursión.

1. 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:

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   donde:

   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.

2. Medida de la desviación
3. 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:

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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:

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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:

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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.

3. 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.

   0. 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)

   1. Descripción del proceso de coquificación retardada
   2. Reacciones de Craqueo térmico
4. 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:

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Olefina + Olefina Coque

1. 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.
• 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.

1. 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.

1. 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.

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