Simuladores Dinámicos en la Industria Petroquímica

RESUMEN: Los simuladores dinámicos son herramientas utilizadas por el instructor de la planta para el entrenamiento de operadores. Utilizan modelos dinámicos encargados de generar una base de datos en tiempo real para simular la operación de la planta, luego esa información es procesada y enviada hacia una emulación real de los gráficos de operación del sistema de control distribuido (SCD). La emulación de los desplegados gráficos incluye la visualización de alarmas, tendencias y eventos para analizar las posibles fallas de operación. Adicionalmente se incluyen gráficos de campo para simular el accionamiento de dispositivos operados en campo, tales como válvulas, tableros locales de control, entre otros. Durante el diseño del modelo dinámico se realizan diferentes pruebas en conjunto con el instructor de la planta, para garantizar la fidelidad del modelo con la operación real de la planta. Los simuladores pueden ser utilizados bajo el esquema de una red local o una red WAN, por lo que se requieren métodos de seguridad para garantizar que la información no sufra ataques, al ser explotada alguna vulnerabilidad por un atacante interno o externo.

PALABRAS CLAVES: OTS, Simuladores Dinámicos, SCD, IHM.

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de la tecnología de computo en el incremento de capacidad de procesamiento de cálculo y expansión de memoria, permiten la utilización de simuladores dinámicos como una herramienta clave para el desarrollo de sistemas de entrenamiento de operadores.

Figura 1. Desplegado gráfico de Planta Petroquímica.

Los simuladores de entrenamiento de operadores “Operation Training Simulator” (OTS), están siendo utilizados en diferentes áreas, entre ellos destacan aplicaciones médicas cuando son utilizados para el entrenamiento de cirujanos, en la aviación para el entrenamiento de pilotos, en la industria automotriz para la simulación de choques de autos y también cabe mencionar su aplicación en el área petroquímica para el entrenamiento de operadores de plantas de refinación de crudo[1]. El objetivo de estos simuladores es presentar un ambiente familiar al operador con la interfaz humano maquina (IHM), con la cual el operador desempeña sus labores diarias y también para representar condiciones anormales de operación.

En el campo petroquímico se presentan escenarios de entrenamiento, sobretodo en presentación de fallas y situaciones anormales, tales como falla de energía eléctrica, falla de equipos dinámicos, falla de actuadores, falla de transmisores, manejo de alarmas, disparos, entre otros.

Figura 2. Desplegado gráfico de Planta Petroquímica.

Este software dinámico de entrenamiento proporciona las evidencias necesarias para la certificación de operadores a través de un estándar de competencia. Un estándar de competencia es el proceso mediante el cual las personas demuestran por medio de evidencias, que cuentan con los conocimientos, habilidades y destrezas necesarias para cumplir una función a un alto nivel de desempeño, tiene validez oficial en toda la república mexicana y el organismo encargado de proporcionar la certificación es el consejo nacional de certificación de competencias laborales (CONOCER) [2]. Con ello se logra dar cumplimiento a los requerimientos establecidos por las aseguradoras para la renovación de contratos de aseguramiento de las instalaciones.[3]

Figura 3. Gráfico de tendencias.

2. COMPONENTES PRINCIPALES

Los componentes principales de los simuladores dinámicos están listados a continuación:

  • Ecuaciones de estado
  • Lazos de control
  • Desplegados gráficos
  • Dispositivos operados en campo
  • Fallas genéricas
  • Alarmas
  • Tendencias
  • Escenarios
  • Evaluaciones

2.1. Ecuaciones de estado

Las ecuaciones de estado que utilizan los simuladores dinámicos para realizar la simulación dinámica, son ecuaciones termodinámicas que describen las propiedades de los fluidos bajo ciertas condiciones físicas tales como presión, volumen y temperatura. Entre las ecuaciones de estado que los simuladores dinámicos utilizan destacan las siguientes:

  • Antoine
  • ASME Steam
  • Grayson Streed
  • Kabadi-Danner
  • Lee-Kesler-Plocker
  • Margules
  • MBWR
  • NBS Steam
  • NRTL
  • Peng Robinson
  • Van Laar
  • Wilson
  • Zudkevitcj-Joffee

Siendo la ecuación de Peng Robinson, la más utilizada en los procesos petroquímicos, por su fidelidad de ajuste con los valores operativos de las plantas.

2.2. Lazos de control

Los simuladores utilizan lazos de control para mantener las variables de control dentro de los límites de operación establecidos. Los lazos de control retroalimentados son la estructura de control más simple y más ampliamente utilizada en los procesos químicos.

El control de retroalimentación o de lazo cerrado, se logra al “retroalimentar” la información de la respuesta de la variable de proceso al controlador. El controlador utiliza la información actualizada sobre la variable de proceso para determinar qué acción tomar, para mantener la variable de proceso en el valor deseado.

El control de realimentación intenta mantener una variable de proceso (PV), en un valor definido por el usuario conocido también como punto de ajuste o “Set Point” (SP). Los pasos básicos que lleva a cabo el lazo de control para lograr esta tarea son:

  • Medir la variable del proceso (PV),
  • Comparar el valor medido de la PV, con el valor deseado, SP. Calcular el error, E(t), el cual es la diferencia entre los dos valores.
  • Aplicar la ecuación de control general al valor del error E(t) actual, obteniendo un valor deseado de la apertura porcentual de la válvula de control, el controlador calcula la salida OP% correspondiente.
  • El valor de operación (OP) expresado en porcentaje (%), aplica al elemento de control final (válvula de control), que incide al proceso U(t).
  • Se repite todo el procedimiento.

La ecuación general de control para un controlador PID, se indica a continuación:

Dónde:

OP(t) = Salida del controlador en el tiempo t.
E(t) = Error en el tiempo t.
Kc  = Ganancia proporcional del controlador.
Ti = Tiempo de integral (su inverso es el reajuste automático “reset”) del controlador.
Td = Tiempo de derivada (su inverso es el “rate”) del controlador.

2.2.1. Acciones directa e inversa

El error se usa como retroalimentación en la entrada del lazo de control cerrado (feedback). Este error es la diferencia entre el valor de la variable de proceso a la salida del sistema y el punto de ajuste. El error se define de manera diferente según si el Proceso tiene una ganancia continua, positiva o negativa.

Para un proceso con una ganancia positiva constante, el error debe definirse como de acción inversa.

Dónde:

SP(t) = Punto de ajuste.
PV(t) = Variable de proceso, medida corriente abajo del elemento final de control.

Es decir, si el PV sube por encima del SP, el OP disminuye. Si el PV cae por debajo del SP, el OP aumenta.

Para un proceso con una ganancia continuamente negativa, el error debe establecerse como de acción directa:

Es decir, si el PV se eleva por encima del SP, aumenta el OP o la entrada al proceso. Si el PV cae por debajo del SP, el OP disminuye.

Un ejemplo típico de un controlador de acción inversa está en el control de temperatura de un re-hervidor. En este caso, a medida que la temperatura en el recipiente se eleva más allá del SP, el OP disminuye, en efecto, cierra la válvula de vapor y reduce el flujo de calor[4].

Figura 4. Escenarios configurados.

2.3. Desplegados gráficos

Los desplegados gráficos que utilizan los simuladores dinámicos pueden adaptarse a las interfaces humano maquina (IHM) comunes de los diferentes fabricantes del SCD, de acuerdo al estándar ANSI/ISA 5.1[5], aunque actualmente los diferentes fabricantes de SCD´s están adaptando sus desplegados al estándar ANSI/ISA-101.01 [6]. En estos, es posible simular condiciones de alarma a través de sonidos audibles y de la representación visual de alarmas en los transmisores que a su vez están representados en un panel de alarmas. También se puede realizar una representación similar a los desplegados gráficos, para mostrar los dispositivos operados en campo así como la representación de tableros físicos de operación de equipos dinámicos; tales como bombas, compresores, aeroenfriadores, entre otros.

Figura 5. Evaluación de operadores.

2.4. Dispositivos operados en campo

Los dispositivos operados en campo pueden ser tableros físicos, manerales o accionadores físicos, donde el operador realiza funciones tales como la apertura y cierre de válvulas, encendido y apagado de bombas, compresores y ventiladores.

Algunos dispositivos operados en campo se encuentran ubicados en líneas de arranque y se utilizan, por ejemplo, para permitir el paso de flujo de los diferentes servicios auxiliares. También es posible alinear los tanques y bombas con fluidos de limpieza o bien con fluidos de arranque utilizados para incrementar los niveles de tanques y torres de destilación durante un arranque de la planta en frio, es decir, cuando la planta está sin carga.

2.5. Fallas genéricas

Las fallas genéricas normalmente están relacionadas a los equipos dinámicos, que por la misma operación se van desgastando o bien por las condiciones de proceso pueden llegar a perder su eficiencia de operación, entre ellos están la falla total de la bomba, el atascamiento del vástago de una válvula de control, la desviación de la medición de la indicación de un transmisor debido a una mala calibración, entre otras.

2.6. Alarmas

Las alarmas pueden ser del tipo audible y se pueden configurar con los mismos sonidos con los que están familiarizados los operadores. Se representan a través de un panel de alarmas, donde es posible visualizar los eventos principales ordenados por la fecha y hora de aparición.

2.7. Tendencias

Las tendencias se utilizan para representar los cambios de las variables con respecto al tiempo, para que el operador pueda visualizar gráficamente el comportamiento de las principales variables de operación y poder realizar acciones correctivas para evitar condiciones de emergencia, que resulten en la afectación de la seguridad del personal, de los equipos y del medio ambiente.

2.8. Escenarios

Los Escenarios son configurados por el operador, entre ellos destacan el arranque en frio de la planta, paro programado de la planta (circuitos de reflujo operando en espera de un arranque de la planta), falla de aire de instrumentos, falla de energía eléctrica y las combinaciones de operación que puedan realizarse en conjunto con las fallas de los equipos de proceso.

Es posible realizar un cambio de bomba de relevo debido a una falla de la bomba principal y también es posible generar eventos críticos comunes para que los operadores puedan conocer los motivos por los cuales se generan dichos eventos.

2.9. Evaluaciones

El propósito de las evaluaciones es evaluar el desempeño del operador ante un escenario previamente programado en el que se espera que el operador realice las actividades principales para que la planta se mantenga en condicione normales de operación.  Las evaluaciones pueden ser configuradas con diferentes métodos de evaluación desde los más sencillos hasta los más drásticos, donde el operador puede llegar a fallar si no pone especial atención en la actividad que tiene que realizar para corregir la desviación.

CONCLUSIONES

Los simuladores surgen debido a la necesidad de capacitación de los operadores de las plantas petroquímicas, derivado de la rotación de personal con experiencia y la llegada de nuevos operadores sin práctica. Los operadores requieren ser entrenados por instructores certificados para desempeñar sus actividades rutinarias y poder dar respuesta oportuna ante eventos de emergencia que afectan al personal, a los equipos de la planta y al medio ambiente. Su principal función es analizar el comportamiento de variables críticas de proceso tales como presión, flujo, nivel, temperatura, entre otros, y simular fallas de equipos tales como bombas, compresores, transmisores, actuadores, válvulas de control e intercambiadores.

Una vez detectada la condición anormal de operación los simuladores se utilizan como una herramienta para representar los desplegados gráficos que utiliza el operador en el sistema de control distribuido (SCD) y en forma gráfica los dispositivos operados en campo para que el operador realice las acciones necesarias, para llevar la planta a condiciones normales de operación.

REFERENCIAS

[1] T. I. Malik, “Modeling, identification and control”. p. Vol. 10, No.4, 185-202, 1989.

[2] “CONOCER”, 2019. [En línea]. Disponible en: https://conocer.gob.mx.

[3] E. Salas y C. S. Burke, “Simulation for training is effective when …”, Quality and Safety in Health Care, vol. 11, núm. 2. pp. 119–120, 2002.

[4] B. Jones, “UniSim® Design Dynamic Modeling Reference Guide”, 2015.

[5] ANSI/ISA-5.1, “Instrumentation Symbols and Identification”, 2009.

[6] ANSI/ISA-101.01, “Human Machine Interfaces for Process Automation Systems”. p. 64\, 2015.

ACERCA DEL AUTOR

Sergio Loera Arroyo es Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica, graduado en el Instituto Politécnico Nacional, en el 2017, ha participado en el laboratorio de fotónica, en la detección de compuestos contaminantes (principalmente hidrocarburos aromáticos) en agua de mar. Tiene 18 años de experiencia en el área de instrumentación y control en el Instituto Mexicano del Petróleo, desarrollando ingeniería básica y de detalle para los diferentes organismos subsidiarios de PEMEX. Actualmente labora en el proyecto de simulación dinámica para entrenamiento de operadores de las plantas de refinación a nivel nacional.

 

 

 

 

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