Diseño y aplicación de un sistema instrumentado de seguridad (SIS) para procesos de planta piloto simulados en un entorno de validación virtual-PLC

El propósito que se pensó al formular el presente proyecto fue validar el diseño de un sistema instrumentado de seguridad (SIS) para un proceso del laboratorio de planta piloto presente en la Universidad Autónoma de Bucaramanga. Esto usando modelos para el proceso conformado principalmente por una c...

Full description

Autores:
Amado Chinchilla, Jonatán
Rodríguez Mora, David Esteban
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2021
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/16337
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/16337
Palabra clave:
Mechatronic
Safety instrumented system
Pilot plant
Virtual validation-PLC
Production engineering
Mathematical models
Simulation methods
Electronic data processing
Mecatrónica
Ingeniería de la producción
Modelos matemáticos
Métodos de simulación
Procesamiento electrónico de datos
Sistema instrumentado de seguridad
Planta piloto
Validación virtual-PLC
Rights
License
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description El propósito que se pensó al formular el presente proyecto fue validar el diseño de un sistema instrumentado de seguridad (SIS) para un proceso del laboratorio de planta piloto presente en la Universidad Autónoma de Bucaramanga. Esto usando modelos para el proceso conformado principalmente por una caldera de generación de vapor, un intercambiador de calor de carcasa y tubos, una torre de enfriamiento, una válvula proporcional o de control, una motobomba, un tanque de condensados, entre otros. La simulación realizada con estos modelos integrados se quiso comunicar con un PLC donde se encuentre la lógica del SIS, y que este proceso se visualice en un entorno virtual 3D. Para este proyecto se realizo la simulación de los procesos donde se incluyeron switchs con los cuales se simulen dos fallas identificadas en el proceso de diseño del SIS, así mismo se configuro en los modelos la forma de implementar las acciones propuestas en el SIS. El SIS tuvo un diseño parcial, ya que se llegó hasta la selección del nivel instrumentado de seguridad, así mismo para el entorno virtual se llego hasta un diseño base para el desarrollo de un entorno que se pudiera usar en con la simulación. Así mismo se desarrollo un sistema de comunicación entre un PLC simulado presente en un PC y Simulink en otro PC, donde se usó Python y otras herramientas, así mismo se comunicó Simulink con un PLC físico por medio de OPC. Finalmente se simularon dos fallas en los procesos en Simulink, lo cual se comunico por medio de OPC con un PLC físico, con lo cual se identificaron mejoras y correcciones para las acciones propuestas en el diseño del SIS.
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Esto usando modelos para el proceso conformado principalmente por una caldera de generación de vapor, un intercambiador de calor de carcasa y tubos, una torre de enfriamiento, una válvula proporcional o de control, una motobomba, un tanque de condensados, entre otros. La simulación realizada con estos modelos integrados se quiso comunicar con un PLC donde se encuentre la lógica del SIS, y que este proceso se visualice en un entorno virtual 3D. Para este proyecto se realizo la simulación de los procesos donde se incluyeron switchs con los cuales se simulen dos fallas identificadas en el proceso de diseño del SIS, así mismo se configuro en los modelos la forma de implementar las acciones propuestas en el SIS. El SIS tuvo un diseño parcial, ya que se llegó hasta la selección del nivel instrumentado de seguridad, así mismo para el entorno virtual se llego hasta un diseño base para el desarrollo de un entorno que se pudiera usar en con la simulación. Así mismo se desarrollo un sistema de comunicación entre un PLC simulado presente en un PC y Simulink en otro PC, donde se usó Python y otras herramientas, así mismo se comunicó Simulink con un PLC físico por medio de OPC. Finalmente se simularon dos fallas en los procesos en Simulink, lo cual se comunico por medio de OPC con un PLC físico, con lo cual se identificaron mejoras y correcciones para las acciones propuestas en el diseño del SIS.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 14 1.1 Descripción breve del problema ................................................................. 14 1.2 Justificación del Problema .......................................................................... 14 2. OBJETIVOS................................................................................................................. 16 2.1 Objetivo general........................................................................................... 16 2.1.1 Objetivos específicos........................................................................................................16 3. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................... 17 3.1 Modelado matemático................................................................................. 17 3.1.1 Estudio del comportamiento dinámico del sistema caldera-intercambiador de calor del laboratorio planta piloto mediante modelamiento matemático...........17 3.2 Sistemas instrumentados de seguridad ..................................................... 18 3.2.1 Diseño de un sistema de administración de alarmas y control avanzado para los módulos de los procesos térmicos ubicados en la planta piloto a través del software delta V.................................................................................................................................18 3.2.2 Aplicación del enfoque del Sistema instrumentado de seguridad (SIS) en centrales nucleares más antiguas ...............................................................................................19 3.3 Sistema de comunicación y entorno virtual .............................................. 20 3.3.1 La fábrica virtual: explorando mundos 3D como entornos industriales de colaboración y control.....................................................................................................................20 3.3.2 Estudio e implementación en Matlab de un entorno de comunicación basado en protocolos del Internet de las Cosas para clientes de Teleoperación en Robótica................................................................................................................................................20 4. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 22 4.1 Sistema de Control Básico de Proceso (BPCS)........................................... 22 4.2 Sistema instrumentado de seguridad (SIS) y conceptos relacionados ... 22 4.2.1 Función instrumentada de seguridad (SIF)..............................................................24 4.2.2 Nivel integrado de seguridad (SIL)..............................................................................24 4.2.3 Probabilidad de fallo en demanda media (PFDavg).............................................25 4.2.4 Ciclo de vida de seguridad (SLC) .................................................................................26 4.3 Unidades de trabajo en planta piloto y modelos matemáticos de los equipos principales ............................................................................................... 28 4.3.1 Generación de vapor........................................................................................................28 4.3.2 Intercambiadores de casco y tubos............................................................................33 4.4 Sistema de comunicación ............................................................................ 36 4.4.1 Protocolo TCP/IP................................................................................................................36 4.4.2 Arquitecturas de comunicación....................................................................................37 4.4.2.1 Maestro-Esclavo: ...........................................................................................................37 4.4.3 Tecnología de comunicación protocolo web socket ...........................................38 4.4.4 Python....................................................................................................................................40 4.4.5 Estandar OPC.......................................................................................................................41 5. MODELOS MATEMÁTICOS....................................................................................... 46 5.1 Intercambiador de calor de carcasa y tubos.............................................. 46 5.1.1 Ecuaciones dinámicas.......................................................................................................46 5.1.2 Ajuste de parámetros y simulación.............................................................................46 5.2 Caldera de generación de vapor................................................................. 53 5.2.1 Ecuaciones dinámicas.......................................................................................................53 5.2.2 Ajuste de parámetros y simulación.............................................................................54 5.2.3 Modelo para temperatura..............................................................................................55 5.2.4 Modelo para la presión ...................................................................................................59 5.2.5 Modelo para el nivel.........................................................................................................60 5.3 Modelo matemático de la motobomba ..................................................... 62 5.4 Modelo matemático del conjunto torre de enfriamiento – tanque de agua 63 5.5 Modelo matemático del tanque de condensados..................................... 64 5.6 Modelo matemático de la válvula proporcional ....................................... 65 5.7 Integración de modelos matemáticos........................................................ 69 5.7.1 Revisión del modelo comparado con datos experimentales de una prueba donde ocurrió una falla...................................................................................................................73 6. DISEÑO DEL SISTEMA INSTRUMENTADO DE SEGURIDAD .................................. 77 6.1 Análisis de riesgos ........................................................................................ 77 6.1.1 Bajo nivel de agua en la caldera ..................................................................................77 6.1.2 Alta presión dentro de la caldera ................................................................................78 6.1.3 Alta presión dentro del tanque de condensados..................................................79 6.2 Asignación del índice SIL ............................................................................. 80 7. SISTEMA DE COMUNICACIÓN................................................................................. 83 7.1 SISTEMA DE COMUNICACIÓN A TRAVES DE PYTHON ............................ 83 7.1.1 Diagrama de arquitectura...............................................................................................83 7.1.2 DIAGRAMAS DE FLUJO....................................................................................................86 7.1.3 Resultados de ejemplo....................................................................................................89 7.2 COMUNICACIÓN A TRAVES DE UN SERVIDOR OPC................................. 91 7.2.1 Diagrama de conexión.....................................................................................................91 7.2.2 Configuración de las variables a comunicar por medio del servidor OPC KEPServerX 6.......................................................................................................................................92 7.2.3 Configuración en Simulink para la comunicación por medio de OPC..........94 7.3 Diseño base del entorno 3D ........................................................................ 98 8. INTEGRACIÓN DEL SIS CON LOS MODELOS MATEMATICOS ............................ 101 8.1 Configuración de los modelos matemáticos en Simulink para simular fallas y acciones del SIS ...................................................................................... 101 8.1.1 Falla de nivel de agua ................................................................................................... 101 8.1.2 Falla del flujo de combustible.................................................................................... 104 8.1.3 Configuración de las acciones del SIS .................................................................... 106 8.2 Pruebas de integración del modelo en MATLAB con el SIS programado en TIA Portal ............................................................................................................. 109 8.2.1 Pruebas con sistema Socket de Python ................................................................. 109 8.2.2 Pruebas con comunicación por OPC....................................................................... 110 8.2.3 Revisión de resultados en pruebas de los sistemas de comunicación....... 117 8.2.4 Análisis de resultados sobre el SIS y la simulación de los procesos ........... 117 9. TRABAJOS FUTUROS .............................................................................................. 119 9.1 Simulación y modelos matemáticos......................................................... 119 10. CONCLUSIONES....................................................................................................... 120 11. REFERENCIAS........................................................................................................... 123 12. ANEXOS.................................................................................................................... 126 12.1 Análisis de riesgos What if?....................................................................... 126PregradoThe purpose that was thought when formulating this project was to validate the design of a safety instrumented system (SIS) for a process of the pilot plant laboratory present at Universidad Autónoma de Bucaramanga. This using models for the process consisting mainly of a steam generation boiler, a shell and tube heat exchanger, a cooling tower, a proportional or control valve, a motor pump, a condensate tank, among others. The simulation carried out with these integrated models was intended to communicate with a PLC where the SIS logic is located, and for this process to be visualized in a 3D virtual environment. For this project, the simulation of the processes was carried out where switches were included with which two faults identified in the SIS design process were simulated, likewise, the way to implement the proposed actions in the SIS was configured in the models. The SIS had a partial design, since the selection of the instrumented security level was reached, likewise for the virtual environment, a base design was reached for the development of an environment that could be used in the simulation. Likewise, a communication system was developed between a simulated PLC present in a PC and Simulink in another PC, where Python and other tools were used, likewise Simulink communicated with a physical PLC through OPC. Finally, two faults were simulated in the processes in Simulink, which was communicated through OPC with a physical PLC, with which improvements and corrections were identified for the actions proposed in the SIS design.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño y aplicación de un sistema instrumentado de seguridad (SIS) para procesos de planta piloto simulados en un entorno de validación virtual-PLCDesign and application of a safety instrumented system (SIS) for simulated pilot plant processes in a virtual-PLC validation environmentIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicSafety instrumented systemPilot plantVirtual validation-PLCProduction engineeringMathematical modelsSimulation methodsElectronic data processingMecatrónicaIngeniería de la producciónModelos matemáticosMétodos de simulaciónProcesamiento electrónico de datosSistema instrumentado de seguridadPlanta pilotoValidación virtual-PLCBurbano, L. 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