Diseño de sistemas Scada para sistemas oleohidraulicos – Perú (página 2)

Enviado por José Steven Zegarra Sosa

Partes: 1, 2

Según Negron (2006), Proviene de las siglas Supervisory Control and Data Adquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos), son aplicaciones de software diseñadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia. Se basan en la adquisición de datos de procesos remotos.

Este tipo de sistema es diseñado para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde una computadora.

Además, envía la información generada en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la empresa, es decir, que permite la participación de otras áreas, como por ejemplo: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

Las tareas de supervisión y control generalmente están más relacionadas con el software SCADA, en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de éstas, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas sobre algún equipo lejano.

Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.

Un término clave en la definición, al que muchas veces no se le da adecuada atención, es el de supervisión, que significa que un operador humano es el que al final tiene la última decisión sobre operaciones, usualmente críticas de una planta industrial.

Componentes de un sistema scada

Se pueden ubicar a los componentes de un SCADA en dos grupos principales:

Hardware.
Software.

Hardware

Un sistema SCADA necesita ciertos componentes inherentes de hardware en su sistema para poder tratar y gestionar la información captada:

Unidad terminal maestra (MTU).
Unidad remota de telemetría (RTU).
Red de comunicación.
Instrumentación de campo.
Unidad terminal maestra (MTU)

La MTU

Es el computador principal del sistema, el cual supervisa y recoge la Información del resto de las subestaciones; soporta una interfaz hombre-máquina.

El sistema SCADA más sencillo es el compuesto por un único computador, el cual es la MTU que supervisa toda la estación.

Unidad remota de telemetría (RTU)

Una RTU es un dispositivo instalado en una localidad remota del sistema, está encargado de recopilar datos para luego ser transmitidos hacia la MTU.

Esta unidad está provista de canales de entrada para detección o medición de las variables de un proceso y de canales de salida para control o activación de alarmas y un puerto de comunicaciones; físicamente estos computadores son tipo armarios de control.

Una tendencia actual es la de dotar a los Controladores Lógicos Programables (PLC"s) la capacidad de funcionar como RTU.

Red de comunicación

El sistema de comunicación es el encargado de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el sistema SCADA, puede ser construida con cables o puede ser inalámbrica, haciendo uso de cualquier protocolo industrial existente en el mercado, como por ejemplo; CANbus, Fieldbus, Modbus, etc.

Instrumentación de campo

Los instrumentos de campo están constituidos por todos aquellos dispositivos que permiten tanto realizar la automatización o control del sistema (PLC"s, controladores de procesos industriales, y actuadores en general) y son los encargados de la captación de información del sistema.

Software

Es un programa que permite construir la interfaz humano -máquina (HMI, Human Machine Interface), debe ser capaz de restringir el acceso de las personas al sistema y generar señales de alarma en caso de fallas.

Permite el campo, como entre los niveles de supervisión, niveles gerenciales y administrativos. Algunos muy utilizados son: INTOUCH, WINCC, LabVIEW.

MEDIDORES DE FLUJO.

Según Negrón (2006), La medición de flujo constituye tal vez, el eje de más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de ésta, ya que sin las mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos.

Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Dentro de los métodos empleados para medir caudal tenemos:

Medición por Presión Diferencial.
Medidores de Área Variable.
Medidores Magnéticos.
Medidor a Turbina.
Medidor de Vórtice.
Medidores de Flujo Total.

Medición por presión diferencial

Utiliza dispositivos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto, es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción.

Presentan una reducción de la sección de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción equivalente, de acuerdo con el principio de conservación de la energía.

Entre los medidores de presión diferencial se destacan:

• Placas orificio.

• Tubos Ventura.

• Tubos Pitot.

Medidores de área variable.

Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variación de presión, mientras el área permanece constante. Aquí sin embargo, lo que permanece constante es la presión diferencial, gracias a la suficiente variación del área.

Uno de estos es el rotámetro, el cual consta de un tubo cónico vertical que encierra un flotador; éste, dependiendo del caudal, toma una posición en el tubo que aumenta o disminuye el tamaño del área y así mantiene la presión constante. Una escala graduada dentro del tubo, estará calibrada en unidades de presión y así tener una lectura directa de la misma.

Los rotámetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plástico. Estos dos últimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o muy oscuro para permitir la colocación de una escala interna.

En esos casos se usa un seguidor magnético relacionado a un imán colocado en el flotador interno y así transmitir mecánicamente la variación del caudal a un indicador.

Medidores magnéticos

Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente.

En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido.

Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular al eje del cuerpo, cuyo voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presión.

Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales.

Medidores de turbina

Un instrumento de este tipo se compone de una rueda de turbina de precisión, montada en cojinetes de una porción de tubería, y una bobina electromagnética colocada en la pared de la tubería, causa el giro de la turbina a una velocidad que varía directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupción del campo magnético, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso eléctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido.

Medidores de vórtice

La forma de medición es parecida a la de la turbina. Sin embargo, aquí un dispositivo fijo a la entrada de la tubería similar a una hélice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilación de éste en el punto de medición, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el área, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje que son amplificados, filtrados y transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrónico.

Medidores de flujo total

Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos. Los medidores son fabricados de modo tal que cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada del volumen total que pasa a través del medidor. La mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánicos y usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birotor, etc.

Características y ventajas

Se van a tomar en cuenta las características y ventajas de los medidores de flujo de desplazamiento positivo más indicados para dicha aplicación.

Los medidores de desplazamiento positivo miden la cantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en volúmenes separados y sumando los volúmenes que pasan a través del medidor. En cada medidor, se pueden destacar tres componentes comunes:

Cámara, que se encuentra llena de fluido.
Desplazador, que bajo la acción del fluido circulando, transfiere el fluido desde el final de una cámara la siguiente.
Mecanismo (indicar o registrar), conectado al desplazador, que cuenta el número de veces que el desplazador se mueve de una parte a otra en la cámara de trabajo.

Diferentes tipos de medidores para líquidos se considerarán:

Medidores de tipo pistón: Utilizado en líquidos de baja densidad.
Medidores de paletas deslizantes: Usado en líquidos de baja a mediana densidad y flujos de 2 a 460 GPM.
Medidores de engranaje: Empleado en líquidos de alta densidad corrosivos.

MANÓMETROS DIGITALES.

Según WIKA (2012) El manómetro digital permite la medición y visualización de los valores de presión en un mismo instrumento. Este dispositivo combina la precisión de la tecnología de medición digital y la sencillez de un instrumento analógico.

Modelo CPG500

El CPG500 brinda una precisión del 0,25 % del valor final de escala en siete rangos de medida de presión. Los resultados pueden visualizarse en una de las cinco unidades estándar.

Su velocidad de exploración con una frecuencia de 100 mediciones por segundo, el CPG500 posee una enorme velocidad de medición. De esa manera pueden registrase picos y caídas de presión veloces. El indicador gráfico de barras integrado en la pantalla, con función de indicador de seguimiento y valores picos MÍN/ MÁX, permite un análisis efectivo del punto de medición.

Para prolongar la vida útil de las pilas, el CPG500 cuenta con una función de apagado automático. Con la función ZERO, el valor de visualización se puede poner a cero tan solo con pulsar un botón. Una función de filtro conmutable estabiliza presiones de fuerte fluctuación y permite una fácil lectura de la presión.

Servicio de calibración y mantenimiento
Laboratorios de medición y regulación
Control de calidad

CONTROLADORES LÓGICO PROGRAMABLE.

Según Negrón (2006), El Controlador Lógico Programable (PLC) es un dispositivo electrónico con una memoria programable para almacenar instrucciones e implementar funciones específicas. Consta de un procesador de 4 elementos principales:

a. Unidad central de procesamiento (CPU)
b. Memoria
c. Suministro de energía
d. Interface de entrada y salida (I/O).

Un controlador lógico programable es una computadora cuyo hardware y software ha sido diseñado, fabricado y adaptado para la optimización del control de procesos industriales.

El PLC como toda computadora está basado en una Unidad Central de Procesamiento (CPU). Este aparato utiliza un módulo de memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones empleadas para implementar funciones específicas tales como operaciones lógicas, aritméticas, temporizaciones, secuencias, conteo y control de procesos a través de módulos de entrada y salida tipo digital o analógico.

El PLC es capaz de escalar las variables analógicas del proceso, captadas a través de su módulo analógico y las variables pulso a través de su módulo tipo pulso. El equipo es preciso, estable, y de operación continua, con capacidad de comunicación para funciones de programación, re-configuración, diagnóstico, transmisión y recepción de datos a través del protocolo de comunicación industrial comercial. Cuenta con capacidad para trabajar en conjunto con Interfaces Hombre Máquina.

Características

Permite controlar procesos en el campo (Planta).
Contiene funciones pre-programadas como parte de su lenguaje (lista de instrucciones, escalera o "ladder", lenguaje literal o bloques de función)
Permite el acceso a la memoria de entradas y salidas (I/O).
Permite la verificación y diagnóstico de errores.
Puede ser supervisado.
Empaquetado apropiado para ambientes industriales.
Utilizable en una amplia variedad de necesidades de control.

Ventajas

Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido.
Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación consiste en operaciones de lógica y de programación.

Existe en realidad una gran gama de equipos llamados PLC"s en el mercado: desde los llamados micro PLC, con capacidad de manejo de menos de 50 puntos, todos discretos, y sin ningún tipo de redundancia; hasta PLC"s con capacidad de 500 o más puntos analógicos y discretos, de ejecutar lazos (PID) proporcional integral derivativo, monitoreo de variables analógicas, matemáticas relativamente complejas, y alguna redundancia.

Hipótesis

HIPÓTESIS GENERAL.

Se podrá mejorar la calidad en los sistemas oleohidráulicos mediante el diseño del software de mantenimiento para de los equipos de servicio de Pozos Petroleros"

HIPÓTESIS ESPECIFICAS.

Con el análisis y la determinación de los problemas del sistema hidráulico se podrá mejorar la calidad de los Equipos de servicio de Pozo mediante el diseño del software de mantenimiento
Con el análisis y selección de la instrumentación industrial se podrá mejorar la calidad de los Equipos de servicio de Pozo mediante el diseño del software de mantenimiento
Con el diseñar el programa de mantenimiento se podrá mejorar la calidad de los Equipos de servicio de Pozo mediante el diseño del software de mantenimiento.

IDENTIFICACIÓN Y OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES.

edu.red

Identificación y operacionalización de las variables. Tabla 1.6.

Metodología

TIPO DE INVESTIGACIÓN.

Según la intervención del investigador será Experimental.

Según la planificación de la toma de datos por ser planeado será prospectivo.

Según la cantidad de ocasiones que se mide la variable de estudio será longitudinal.

Según el número de variables de interés, y al tener una sola variable de estudio que es la disponibilidad será a investigación de tipo Descriptivo, en razón que está basado en la descripción de las partes necesarias para el diseño de un software de mantenimiento mediante un sistema SCADA para mejorar la disponibilidad de los Equipos de Pozo.

EL MODELO TEORICO.

Se utilizará el método empírico – analítico que caracteriza a la ciencias descriptivas y dentro de estos al método de observación científica, la predicción e identificación de las relaciones que existen entre la presión y caudal de los Equipos de Pozo, lo que nos permitirá extraer generalizaciones significativas que contribuyan al conocimiento de diseñar un Software de mantenimiento mediante un sistema SCADA.

EL DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.

Asume un diseño no experimental de tipo longitudinal, pues busca la solución puntual de un problema que se presenta actualmente.

METODOS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN.

El método de recolección de datos será utilizando los formatos de Reporte de fallas del Equipo, inspección de partes hidráulicas de los equipos y Programa de control de mantenimiento de los equipos, que nos permita conocer el funcionamiento de los Equipos de pozo, y los elementos necesarios para la realización del diseño del Software de mantenimiento mediante un sistema SCADA.

TIPOS Y TÉCNICAS DE MUESTREO.

La técnica que realizare es el método de la observación y recolección de datos.

edu.red

Técnicas de Instrumentos: Tabla 1.7

METODOS DE ANALISIS DE DATOS.

Luego de realizado el trabajo de campo se procederá a la limpieza de datos, seriación de instrumentos. Se procederá a tabular los datos y a elaborar los cuadros estadísticos. Los resultados obtenidos serán organizados en cuadros y gráficos para su mejor análisis. Se utilizara la "t" de Student como método estadístico para la verificación de las hipótesis.

Cronograma de actividades

edu.red

Cronograma de actividades. Tabla 1.8.

Diagrama de Gantt

edu.red

Tabla 2.8.

edu.red

Tabla 3.8.

Continuación del Cuadro

edu.red

Tabla 4.8.

edu.red

Tabla 5.8.

Presupuesto

RECURSOS HUMANOS.

Se dispondrá del asesor del proyecto, así como la ejecución del anteproyecto por el autor.

RECURSOS MATERIALES.

Documentos necesarios para la ejecución del proyecto (solicitudes, consentimiento informado, fichas de recolección de datos).

Biblioteca personal del autor y equipo informático para la búsqueda online de información.

RECURSOS FINANCIEROS.

El trabajo de investigación será financiado con recursos propios del autor.

El presupuesto se ha desagregado en los rubros siguientes:

edu.red

Presupuesto. Tabla 1.9.

Bibliografía

Libro con autor

Jiménez, D. (1968). Manual del operador petrolero. Perú: Primera Edición

Libros en versión electrónica.

De Jovanny Rafael, D. (2007). Electrohidráulica.

[Versión Scribd]. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/106369973/-JRD-Modulo-Electrohidraulica-Students-pdf-

De Mendiburu Díaz, H. (2008). Sistemas Scadas

[Versión Galeon]. Recuperado de

http://www.galeon.com/hamd/pdf/scada.pdf

Artículos

Manómetros digitales. (s.f.). Manómetros Modelo CPG500. Hoja técnica de Wika.com.ar. Recuperado de http://www.wika.com.ar/upload/DS_CT0901_es_es_46902.pdf

Pistones hidráulicos. (s.f.). Cilindros hidráulicos y Componentes. Hoja técnica de hidraulicaeltorito. Recuperado de http://www.hidraulicaeltorito.com.ar/downloads/CILINDROS_EL_TORITO.pdf

Informe técnico

Duran, C. H. (2 000), Manual de Equipos de Servicio de Pozos (Informe Núm.1) Talara

FARR C. (Ed.). (2000). Tenazas hidráulicas de potencia (Informe Núm.1) EE.UU.

Tesis

Negron Nima, D. (2006). Sistema de monitoreo de la medición de flujo para la recepción de combustible para la planta de venta Piura – Petroperú. (Tesis de grado)

Universidad Nacional de Piura, Piura.

Escobar león, J. (2012). Diseño de un sistema automático para el llenado y pesado de harina en sacos de 50 kg para el proceso de harina de pescado. (Tesis de grado)

Universidad Nacional de Piura, Piura.

Tesis en la Web

Hernández Cevallos, M; Ledesma Marcalla, D (2010). Desarrollo de un sistema scada para la medición de voltajes con sistemas embebidos para el laboratorio de mecatrónica de la facultad de mecánica. (Tesis de grado, Escuela Superior Politécnica De Chimborazo). Recuperado de http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/1137/1/25T00140.pdf

Flores Roldán, M. (2004). Guía para el control de contaminación de un fluido en los sistemas oleo-hidráulicos (Tesis de grado, Universidad De San Carlos De Guatemala). Recuperado de http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0418_M.pdf