equipo didÁctico para simulaciÓn de una estaciÓn de bombeo

EQUIPO DIDÁCTICO PARA SIMULACIÓN DE UNA

ESTACIÓN DE BOMBEO.

CAMILO ANDRES JIMENEZ PINILLA

DANIEL DUARTE LOPEZ

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

BOGOTA

2016

Pontificia Universidad Javeriana – Facultad de Ingeniería - Departamento de Electrónica

31/Mayo/2016 Página 2 de 72

Tabla de contenido 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 6

2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................................. 6

2.1 Estación de bombeo ...................................................................................................................... 8

2.2 Interfaz Humano-Máquina (IHM) ................................................................................................ 9

2.3 Módulos de adquisición ................................................................................................................ 9

2.4 Modelos de tanques .................................................................................................................... 10

3. OBJETIVO DEL PROYECTO................................................................................................................... 12

4. DESARROLLO ...................................................................................................................................... 13

4.1 Funcionamiento de la estación de bombeo. ................................................................................ 14

4.2 Modos de operación ............................................................................................................... 15

4.3 Descripción general de la estación de bombeo ........................................................................... 17

4.3.1 Entrada de material (Bypass): ............................................................................................. 17

4.3.2 Filtrado: .............................................................................................................................. 17

4.3.3 Tanques de almacenamiento: .............................................................................................. 18

4.3.4 Medición de paso: ............................................................................................................... 18

4.4 Funcionamiento de la planta de la estación de bombeo. ............................................................. 19


4.4.2 Filtración ............................................................................................................................ 20

4.4.3 Tanques .............................................................................................................................. 21

4.4.4 Flujo de salida .................................................................................................................... 23

4.5 Funcionamiento del HMI para el estudiante. .............................................................................. 23


4.5.2 Filtración ............................................................................................................................ 25

4.5.3 Tanques .............................................................................................................................. 25

4.5.4 Flujo de salida .................................................................................................................... 26

4.5.5 Registro de eventos y alarmas ............................................................................................ 27

4.5.6 Gráficas de nivel ................................................................................................................. 27

4.6 Manual de operación .................................................................................................................. 28

4.6.1 Requerimientos iniciales ..................................................................................................... 28

4.6.2 Conexión PLC con el computador ...................................................................................... 28

4.6.3 Diagrama de conectividad NI a PLC .................................................................................. 29

4.6.4 Inicio de la herramienta de simulación ............................................................................... 31

4.6.5 Solución de problemas comunes ......................................................................................... 34

4.6.6 Selección de modos de operación, tablas y gráficas de resultados ...................................... 35



4.6.7 Fallas habilitadas por el instructor ...................................................................................... 41

4.6.8 Alarmas en la estación de bombeo ...................................................................................... 42

4.6.9 Calculo de FT gráficamente ................................................................................................ 45

5 PROTOCOLO DE PRUEBAS .................................................................................................................. 48

5.1 Desarrollo de modelo de la planta para definir el número de señales requeridas ........................ 48

5.2 Revisión de entradas y salidas y conectividad ............................................................................ 48

5.3 Análisis de funcionamiento de tanques ....................................................................................... 50

5.4 Funcionamiento de la etapa de filtrado ....................................................................................... 52

5.5 Integración de los modelos de control ........................................................................................ 53

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................................................................. 53

7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................. 57

8 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................................... 58

9 ANEXOS .............................................................................................................................................. 59

Contenido

Figura 1 Modelo inicial de la estación de bombeo ....................................................................................... 9 Figura 2 Modo de conexión entre módulos ................................................................................................ 10 Figura 3 Tanque de almacenamiento de la planta ....................................................................................... 11 Figura 4 Modelo diagrama de bloques de estación de bombeo .................................................................. 13 Figura 5 Diagrama P&ID de la estación de bombeo .................................................................................. 15 Figura 6 Bypass activado ........................................................................................................................... 15 Figura 7 Caminos de flujo llenado de tanques ............................................................................................ 16 Figura 8 Caminos de flujo salida de tanques .............................................................................................. 16 Figura 9 Entrada o Bypass ......................................................................................................................... 17 Figura 10 Filtración .................................................................................................................................... 18 Figura 11 Almacenamiento ........................................................................................................................ 18 Figura 12 Medición de paso ....................................................................................................................... 19 Figura 13 Planta de la estación ................................................................................................................... 19 Figura 14 Bypass de la planta ..................................................................................................................... 20 Figura 15 Filtro de la planta ....................................................................................................................... 21 Figura 16 Distribución de los tanques de la planta ..................................................................................... 22 Figura 17 Flujo de salida de la planta ........................................................................................................ 23 Figura 18 menú inicial para el operario ...................................................................................................... 24 Figura 19 HMI Estudiante .......................................................................................................................... 24 Figura 20 Bypass HMI estudiante .............................................................................................................. 25 Figura 21 Filtro HMI estudiante ................................................................................................................. 25 Figura 22 Distribución de los tanques HMI estudiante ............................................................................... 26 Figura 23 Flujo de salida HMI estudiante .................................................................................................. 26 Figura 24 Registro de eventos y alarmas HMI estudiante ......................................................................... 27 Figura 25 Registro completo de alarmas y eventos .................................................................................... 27 Figura 26 Gráficas de nivel HMI estudiante ............................................................................................... 28 Figura 27 Conexión entre módulos ............................................................................................................. 31 Figura 28 Pantalla principal HMI estudiante .............................................................................................. 32



Figura 29 HMI instructor ........................................................................................................................... 33 Figura 30 Opciones pantalla inicial .......................................................................................................... 35 Figura 31 Estación de bombeo inicial ....................................................................................................... 36 Figura 32 Botones Inicio de estación ......................................................................................................... 36 Figura 33 Gráfica simultánea de los dos tanques ...................................................................................... 37 Figura 34 Registro de alarmas................................................................................................................... 37 Figura 35 Gráfica tanque 1........................................................................................................................ 37 Figura 36 Gráfica tanque 2........................................................................................................................ 38 Figura 37 HMI instructor bypass activado ................................................................................................ 38 Figura 38 HMI estudiante bypass activado ................................................................................................ 39 Figura 39 Camino de flujo en pantalla del instructor - operario ............................................................... 39 Figura 40 Camino de flujo 2 HMI instructor- operario ............................................................................. 39 Figura 41 Camino de flujo 3 HMI instructor operario .............................................................................. 40 Figura 42 Camino de flujo 4 HMI instructor operario .............................................................................. 40 Figura 43 Camino de despacho 1 .............................................................................................................. 40 Figura 44 Camino de despacho 2 .............................................................................................................. 41 Figura 45 Camino de despacho 3 .............................................................................................................. 41 Figura 46 Brazo de filtro en mantenimiento .............................................................................................. 42 Figura 47 Falla válvula 12 V-12 ............................................................................................................... 42 Figura 48 Error brazos de filtros en simultáneo ........................................................................................ 43 Figura 49 Error válvulas V-1 y V-4 abiertas ............................................................................................. 43 Figura 50 Error válvula 10 y válvula 4 abiertas ........................................................................................ 44 Figura 51 Alarma bajo tanque 2 ................................................................................................................ 44 Figura 52 Información del proceso ............................................................................................................ 45 Figura 53 Función de transferencia tanque 2 HMI .................................................................................... 45 Figura 54 Botones FT TK2 ........................................................................................................................ 46 Figura 55 Gráfica FT tanque 2 .................................................................................................................. 46 Figura 56 FT Tanque 2 HMI Estudiante .................................................................................................... 47 Figura 57 FT tanque 2 ............................................................................................................................... 47 Figura 58 Datos gráfica Labview .............................................................................................................. 48 Figura 59 Estado estacionario TK2 modo 1 ............................................................................................... 51 Figura 60 Estado estacionario TK2 modo 2 ............................................................................................... 51 Figura 61 Funcionamiento del filtro ........................................................................................................... 52 Figura 62 Camino de flujo por brazo 1 y mantenimiento brazo 2 .............................................................. 53 Figura 63 Tabla de información del proceso .............................................................................................. 54 Figura 64 Alarmas de nivel ........................................................................................................................ 55 Figura 65 Control TK1 ............................................................................................................................... 55 Figura 66 Ganancias para modo de operación 1 ......................................................................................... 55 Figura 67 Casillas para ingresar los valores de ganancia del control PID .................................................. 56 Figura 68 Comportamiento control PID para el modo 2............................................................................. 56 Figura 69 Mantenimiento ........................................................................................................................... 57 Figura 70 Alarma mantenimiento HMI estudiante ..................................................................................... 57 Anexos Figura 1 Programación bypass caso 1 ........................................................................................................ 59 Figura 2 Programación bypass caso 2 ........................................................................................................ 59 Figura 3 Programación bypass caso 3 ........................................................................................................ 60 Figura 4 Programación bypass caso 3 ........................................................................................................ 60 Figura 5 Programación casos para el filtro ................................................................................................. 61



Figura 6 Programación casos para el filtro ................................................................................................. 61 Figura 7 Programación cambio del filtro .................................................................................................... 61 Figura 8 Ecuación diferencial para el tanque .............................................................................................. 62 Figura 9 Programación para el flujo de salida ............................................................................................ 63 Figura 10 Programación ruta de almacenamiento HMI estudiante ............................................................. 64 Figura 11 Programación Ruta de despacho HMI estudiante ....................................................................... 65 Figura 12 Programación Tanques ............................................................................................................... 66 Figura 13 Control PID ................................................................................................................................ 67 Figura 14 Programación válvula 12............................................................................................................ 68 Figura 15 Condiciones para abortar simulación ......................................................................................... 69 Figura 16 Rutina Principal ......................................................................................................................... 70 Figura 17 convertidor 5V a 24V .................................................................................................................. 72 Figura 18 circuito divisor de voltaje ........................................................................................................... 72



1. INTRODUCCIÓN

La industria requiere de personal certificado y con conocimientos de automatización en los diferentes

procesos industriales. Para que el personal esté debidamente calificado, es necesario que tenga cierto nivel

de experiencia, la cual no es fácil de adquirir, debido a que no cuentan con las herramientas de simulación

necesarias.

Estas situaciones se deben principalmente a que los técnicos y futuros operarios no tienen un buen

acercamiento práctico al proceso industrial a manejar, en este caso distribución de petróleo. Primero,

porque no cuentan con los equipos adecuados para realizar una simulación del proceso. Segundo, cuando

se cuenta con los equipos, estos no pueden estar conectados en línea con el proceso de distribución ya que

representa un costo muy alto. Finalmente, las empresas que se encargan de realizar el proceso de

distribución de petróleo solo informan acerca del funcionamiento de los equipos, sin embargo, no

permiten la interacción de los futuros operarios con los equipos porque esto puede implicar pérdidas

económicas cuando se cometan errores.

Es por esto que toda experiencia de aprendizaje requiere afianzar los conocimientos que se han adquirido

a través de experiencias prácticas. Éstas en algunos casos no son sencillas de hacer, ya sea porque son

muy complejos, o porque implica un costo muy elevado; por lo cual en determinadas situaciones es mejor

tener los elementos necesarios en un laboratorio y allí realizar los experimentos bajo un ambiente

controlado.

Por lo tanto, se requiere que se tengan los equipos apropiados para realizar la simulación del proceso, lo

que implica que estos sean fáciles de manipular y que no se puedan dañar fácilmente por malas

operaciones por parte de las personas que lo utilicen. Esto garantiza que las empresas pueden capacitar a

los futuros operarios sin que estos generen pérdidas económicas cuando están usando equipos de la

empresa.

Muchas de las empresas que realizan distribución de petróleo utilizan oleoductos para transportar el

producto, en donde el problema principal es la geografía cuando transportan más de un componente. Hoy

en día existe una gran diversidad de elementos con los cuales se pueden realizar simulaciones de procesos

industriales, por esta razón se vuelve una necesidad tener un software y hardware con el cual se puedan

realizar simulaciones de estos procesos con la finalidad de poder llegar a ser utilizado para entrenar

operarios.

Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente enfocamos nuestro trabajo de grado con el objetivo de

desarrollar e implementar una herramienta capaz de emular el funcionamiento y algunas fallas de una

estación de bombeo de petróleo con fines didácticos.

En el presente informe, se especifica el funcionamiento de una estación básica de bombeo de petróleo,

indicando las etapas y el funcionamiento de cada una. Además de esto definimos la arquitectura del

sistema de emulación que vamos a trabajar, teniendo en cuenta que una parte del hardware y software

utilizado es suministrado por la empresa Rayco Ltda, y la otra parte por el laboratorio de electrónica de la

universidad. También está descrito el desarrollo del modelo de la planta de la estación para la emulación

del proceso, el desarrollo de la interfaz hombre máquina (HMI) para el instructor y para el operario, la

integración entre la emulación del proceso y los dos HMI. Posteriormente se encuentra descrito el

protocolo de pruebas que se implementó para verificar el correcto funcionamiento del trabajo de grado, así

como el análisis de resultados de estas pruebas y finalmente las conclusiones correspondientes.

2. MARCO TEÓRICO

En el proceso de diseño de la estación de bombeo es importante tener en cuenta varios factores que

afectan el desempeño de la simulación, así como se debe comprender el funcionamiento de los equipos

que se desean utilizar, en este caso el controlador lógico programable (PLC) y los módulos de adquisición

de señales de National Instruments. Para los modelos de control y el modelo de la planta.



El grupo de investigación Pipeline Simulation Interest Group (PSIG) publicó un artículo en el año 2005

titulado “Simulating pipeline control systems for operator training” [7] que trata sobre la importancia de

tener una herramienta para simular procesos industriales relacionados con el petróleo para entrenamiento

de operarios. En el documento afirman la importancia de tener un modelo de simulación virtual, para el

entrenamiento de operarios, que responda en la misma forma que lo haría una estación de bombeo de

petróleo. Esto significa que los retrasos, limitaciones e interacciones con el sistema de control tienen que

ser modeladas incluyendo un modelo hidráulico de la estación de bombeo.

En una simulación normal de una estación de bombeo, si en la simulación se quiere abrir o cerrar una

válvula, lo hace. Pero en el mundo real si se le pide al operario que manipule una válvula, diversas

situaciones pueden ocurrir, como:

• La válvula se cierra o se abre, como fue requerido.

• La válvula puede que no se cierre porque la presión es muy baja para que el sistema lo permita.

• Una válvula en una ruta alternativa se abra.

• La válvula se cierre, y muchas válvulas a su vez se cierren.

Para cada caso el modelo de distribución tendrá una forma de reaccionar ante un cambio, por esto cuando

se están entrenando operarios en el manejo de estaciones de bombeo, es importante que el modelo de

entrenamiento pueda imitar el comportamiento real de la estación. El articulo propone un modelo de

simulación el cual tenga la opción de comunicarse vía plataforma abierta de comunicación (OPC) con

sistemas Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) que se utilizan en estaciones de bombeo

si están disponibles, permitiendo también que más de una persona este interactuando con la simulación

utilizando diferentes computadores.

Este mismo grupo, publicó otro documento titulado “Training tools to evaluate pipeline operator

performance and to validate pipeline operational procedures” donde resumen la realización de un

simulador para la empresa Oleoductos de Crudos Pesados (OCP) Ecuador S.A. [6] Un objetivo de este

proyecto de entrenamiento es que los operarios fueran totalmente capaces de operar una tubería real de

crudo al momento que se les fuera entregada. Para que esto fuera posible, PSIG afirma de la importancia

de un simulador, que es básicamente recrear el ambiente de trabajo del operario de la tubería con un alto

nivel de fidelidad, en donde la realidad que ellos tienen proviene del modelo de la tubería y de la interfaz.

Enfatizando el principio, una simulación la cual sea muy similar a la realidad. A su vez se describen los

componentes que posee esta aplicación de entrenamiento, los cuales están basados en cuatro elementos

principales que son: un modelo transiente completo, una interfaz para el instructor, una interfaz para el

operario y un modo de evaluación automático. El modelo transiente, calcula toda la hidráulica de la

tubería basada en los parámetros iniciales configurados por medio de la interfaz del instructor. El modelo

simula todas las medidas y los indicadores como si fueran recolectados por el sistema SCADA. La

interfaz del instructor permite al instructor configurar los diferentes escenarios, con cierto rango de

condiciones que pueden llegar a ocurrir en la vida real. También permite evaluar el desempeño de los

operarios por medio de metas y límites que deben cumplir con respecto a ciertas variables.

La interfaz del operario es una ventana en donde el operario podrá ver el sistema como si fuera el

verdadero sistema interfaz hombre maquina (HMI) de la tubería, lo utilizará para monitorear las variables,

interactuar con la tubería e ingresar los mismos comandos como si estuviera en el sistema real, además de

que puede ver las reacciones de la tubería como si en verdad la estuviera operando. El sistema de

evaluación sigue el desempeño del operario durante la simulación, pero los criterios de evaluación son

configurados por el instructor que le asigna tareas a cumplir durante la sesión.

Existen diferentes arquitecturas para realizar un modelo de simulación para oleoductos. El trabajo de

grado está enfocado en realizar una herramienta capaz de emular el funcionamiento de una estación de

bombeo, utilizando dos pantallas para que en una correspondiente al instructor se programa lo que es el

modelo de la planta en donde se pueden hacer variaciones en el proceso y la otra pantalla está dispuesta

para el operario quien podrá ver todo el proceso y tendrá que realizar las acciones pertinentes en la



estación de bombeo para su operación. Los dos equipos de simulación han sido conectados por medio del

módulo de National Instruments para adquirir y enviar señales de la planta, el PLC adquiere las señales

por el sistema SCADA de tal forma que el operario tendrá una interacción directa con el modelo de la

planta correspondiente al proceso de bombeo.

Se han tenido en cuenta el procedimiento para el arranque, almacenamiento, despacho y la simulación de

algunas fallas que puedan ocurrir, para lo cual se desarrolló un prototipo de bajo costo y simple de

implementar en comparación con los modelos expuestos anteriormente. En este capítulo se muestra el

conjunto de herramientas y conceptos que servirán para la realización de la simulación de la estación,

teniendo en cuenta como lo son los equipos que vamos a utilizados y las aplicaciones que se quieren llegar

a diseñar.

2.1 Estación de bombeo

Un oleoducto es un sistema de transporte de hidrocarburos de forma rápida, rentable y segura, que

consiste en ensamblar tubos de acero a lo largo de un trayecto determinado, ya sea sobre la superficie o

enterrada bajo tierra, desde el campo productor hasta el punto de refinación y/o de embarque. La

capacidad de transporte de los oleoductos varía y depende principalmente del diámetro de la tubería. Es

decir, cuanto más grande sea el diámetro, mayor la capacidad. Estas líneas de acero pueden ir aéreas en

puentes colgantes y sobre la superficie o bajo tierra y atraviesan la más variada topografía. [9]

El transporte se realiza en paquetes sucesivos denominados baches. Un oleoducto puede contener cuatro o

cinco productos diferentes en distintos puntos de su recorrido, que son entregados en las terminales de

recepción o en estaciones intermedias ubicadas a lo largo de la ruta.

En la parte inicial de un oleoducto una “estación de bombeo” impulsa el petróleo y, dependiendo de la

topografía por donde éste pase, se colocan estratégicamente otras estaciones denominadas de reimpulso o

refuerzo, necesarias para que le permitan superar sitios de gran altura, como las cordilleras en Colombia, y

transportar el petróleo hasta la estación terminal.

El modelo inicial de la estación de bombeo que vamos a trabajar se muestra en la Figura 1, para hacer esto

nos basamos en documentos relacionados con el tema de estaciones de bombeo, a su vez de los modelos

de control de nivel que se podían implementar en los tanques de almacenamiento. En la investigación se

tuvieron en cuenta aspectos importantes como los componentes de una estación de bombeo para poder

parametrizar esto a lo que se había planteado inicialmente en el trabajo de grado.

Una estación de bombeo está diseñada por lo general de cinco etapas, que son trampa de recibo, filtración,

medición a consignatarios, medición de paso y trampa de despacho. Esto nos permitió definir un modelo

básico de una estación de bombeo teniendo en cuenta algunos parámetros, como la etapa de recibo y

filtración, además se han tenido en cuenta parámetros de flujo y nivel en la estación de bombeo con los

respectivos modelos de control.



Figura 1 Modelo inicial de la estación de bombeo

El modelo de la estación desarrollado para este trabajo de grado está compuesto de cuatro etapas divididas

en entrada de material, filtración, almacenamiento y despacho de material, estas etapas de la estación

estarán desarrolladas en detalle a lo largo de este trabajo.

2.2 Interfaz Humano-Máquina (IHM)

La interfaz hombre- máquina (HMI por sus siglas en inglés) es donde el ser humano entra en contacto con

una máquina o un proceso que una máquina este desempeñando. Esta interfaz debe estar adaptada a los

requisitos y necesidades que tiene el usuario y el proceso [10] [11]

La interfaz permite que el operador pueda observar e intervenir en el estado de un proceso, para que esto

sea posible, se le presenta la información al usuario de una forma sencilla que es por medio de paneles de

control, señales luminosas, varios campos de visualización con botones entre otros, y se hace por medio

de un software que permite la visualización de la información de manera práctica y cómodo. En el trabajo

de grado, al consistir en la realización de una ayuda didáctica para operarios manejar una estación de

bombeo se hace necesario tener dos pantallas, una para el instructor y otra para el operario. En donde en la

pantalla del instructor este pueda estar al tanto de lo que hace el operario, seleccionar los modos de

operación y generar algunas fallas en el proceso para el entrenamiento del operario. El operario requiere

de su propia pantalla porque es el quien decide que válvulas abrir o cerrar para tener un proceso de

bombeo de almacenamiento o despacho de petróleo adecuado según los requerimientos del instructor.

En este proyecto se decidió utilizar el programa Factory Talk View debido a que es un programa que es

usado con frecuencia en los sistemas de monitoreo de procesos industriales. En el cual se ha programado

todo lo que tiene que ver con la interfaz del operario, tiene una amplia gama de alarmas de proceso que

sirven de indicación para el estudiante y saber que está haciendo mal. Se ha utilizado el software Labview

para hacer la programación de la planta para la estación de bombeo y a su vez para utilizar la interfaz

gráfica para que el instructor fácilmente asigne los parámetros iniciales sin tener que entrar a programar

nada dentro de la simulación.

2.3 Módulos de adquisición

Existen herramientas que permiten transferir información del mundo real al mundo virtual y viceversa, es

decir que puede cuantificar los fenómenos eléctricos o físicos como el voltaje y la corriente para

mostrarlos en la pantalla del computador. Estas herramientas son conocidas como módulos de adquisición

de datos (DAQ).



La adquisición de datos DAQ es el proceso de medir con un computador un fenómeno eléctrico o físico

como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware

de medidas DAQ y un computador con software programable para el caso de estudio Labview.

Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados programación por

software aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de

conectividad de los PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente,

flexible y rentable.

Para el trabajo de grado han sido seleccionados dos módulos DAQ, USB 6341 y USB 9162 el primero

cuenta con una amplia selección de entradas y salidas digitales y el otro modulo es específicamente para

salidas análogas, ya que el módulo 6341 cuenta con muy pocas señales de salida análogas. Las señales

analógicas adquiridas deben ser convertidas en digitales antes de ser manipuladas por el equipo digital

como un PC. Un ADC es un chip que proporciona una representación digital de una señal analógica en un

instante de tiempo. En la práctica, las señales analógicas varían continuamente con el tiempo y un ADC

realiza muestras periódicas de la señal a una razón predefinida. Estas muestras son transferidas a un PC a

través de un puerto serial, donde la señal original es reconstruida desde las muestras en software.

En cuanto a la adquisición de señales con el PLC, este ya cuenta con la opción de recibir y generar señales

análogas que corresponden al proceso que se desea controlar, pero si requiere de unos módulos

adicionales para generar y recibir las señales análogas, para hacer a programación respectiva de los

modelos de control. Para finalmente tener una conexión adecuada entre módulos de adquisición de tal

forma que hay dos computadores diferentes que en el proceso de bombeo interactúan enviándose

información uno a otro como se indica en la Figura 2

Figura 2 Modo de conexión entre módulos

La Figura 2 corresponde al diagrama de bloques de la conexión entre los dispositivos utilizados, para el

modelo de la planta, utilizando el software labview se generan los datos con los módulos DAQ que

corresponden a los datos del proceso que se observan y generan en la pantalla del instructor, estos datos

son enviados al PLC que se encarga de recibir información al dispositivo DAQ para ser observado en la

interfaz del instructor, el PLC también le envía datos al computador del estudiante en donde dependiendo

de lo que haga el operario enviara señales al PLC de forma serial para generar y enviar señales de control

al módulo DAQ y ser observadas también por el instructor.

2.4 Modelos de tanques

En esta sección se desarrolla el proceso matemático de un tanque de almacenamiento, que esta

implementado en la simulación de Labview, con la posibilidad de manipular algunos parámetros,

anteriormente mencionados.



Figura 3 Tanque de almacenamiento de la planta

En la Figura 3 se muestra uno de los tanques de almacenamiento, para el cual se tienen las siguientes

ecuaciones para realizar el modelo, basado en el balance de masa en estado no estable.

Para realizar el balance de masa se implementa la ley de conservación de la masa, y la ley de conservación

de energía. Para la simulación del modelo de tanques, se realizó a partir de la entrada del flujo, menos la

acumulación en el tanque y la salida a través del orificio de cada tanque implementado.

El balance de masa corresponde a:

𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ( 1)

Llevando la expresión anterior en una ecuación diferencial, que corresponde al proceso que se quiere

modelar. La ecuación de balance de masa es:

𝑑𝑉

𝑑𝑡𝜌 = 𝜌𝑄𝑖𝑛 − 𝜌𝑄𝑜𝑢𝑡

( 2)

𝑑𝑉

𝑑𝑡= 𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡

(2.1)

𝑉 = 𝐴𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 ∗ 𝐻

( 3)

El flujo de entrada corresponde a:

Qin = Ku ∗ U(t) ( 4)

El flujo volumétrico de salida a través de la válvula es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de

presión sobre la válvula.

Qout = Kv ∗ √(𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝐻(𝑡)

𝐺𝑓)

( 5)



Donde:

𝐾𝑣 corresponde a la apertura de la válvula V-12 teniendo un máximo de 0.01

𝜌 corresponde a la densidad del fluido, en este caso al ser petróleo es de 950 [Kg/𝑚3]

𝐻(𝑡) corresponde a la cantidad de material que hay dentro del tanque con respecto al tiempo.

𝐺𝑓 corresponde a la gravedad del fluido.

Finalmente se remplaza la ecuación 3,4 y 5 en la ecuación 2.1, que corresponde al balance de masa, de

esta forma se determina la cantidad de fluido al interior del tanque, para el modelo de operación de la

planta.

𝐴𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒

𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡= Ku ∗ U(t) − Kv ∗ √(

𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝐻(𝑡)

𝐺𝑓)

( 6)

Como hay una raíz cuadrada en la ecuación 6, es necesario linealizar el término para hallar la función de

transferencia aplicando series de Taylor. Para obtener la siguiente ecuación.

𝑄𝑜𝑢𝑡(𝑡) =𝑔𝜌𝐾𝑣

2𝐺𝑓(

ℎ𝜌𝑔

𝐺𝑓)

(−12

)

ℎ(𝑡) (7)

El flujo de salida se remplaza en la ecuación 6 y se obtiene, la ecuación linealizada del tanque


𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡= Ku ∗ U(t) −

𝑔𝜌𝐾𝑣

2𝐺𝑓(

ℎ𝜌𝑔

𝐺𝑓)

(−12)

ℎ(𝑡) (8)

Para finalmente hacer Laplace de la ecuación 8 y tener el resultado de la función de transferencia del

tanque.

𝐻(𝑠)

𝑈(𝑠)=

𝐾𝑝

𝑇 ∗ 𝑠 + 1 (9)

Donde

𝐾𝑝 =𝐾𝑢

𝑔𝜌𝐾𝑣

2𝐺𝑓(

ℎ𝜌𝑔𝐺𝑓

)(−

12)

Y

𝑇 =𝐴

𝑔𝜌𝐾𝑣

2𝐺𝑓(

ℎ𝜌𝑔𝐺𝑓

)(

12)

3. OBJETIVO DEL PROYECTO

El trabajo de grado comprende una simulación del funcionamiento de una estación de bombeo de petróleo,

con el fin de implementarlo como una ayuda didáctica para las personas interesadas en llegar a ser

operarios de una estación de bombeo, teniendo en cuenta elementos primordiales como lo es el flujo, el

nivel de tanques y modelos de control.

Para la simulación de la estación de bombeo con fines didácticos, es muy importante contar con dos

pantallas para mostrar el proceso de la estación de bombeo, ya que una pantalla es enfocada

exclusivamente al instructor de tal forma que pueda ver lo que el operario está haciendo y modificar

algunos parámetros de la simulación para analizar el comportamiento del operario ante diferentes



adversidades del proceso. La interfaz del operario es diseñada exclusivamente para realizar modelos de

control en la estación de bombeo para que el estudiante sea capaz de reaccionar frente a las alarmas que se

generan en el proceso como si estuviese controlando una planta real.

El modelo de la planta se realizó utilizando el software Lab View, que también corresponde a la interfaz

hombre máquina (HMI) del instructor. Las señales que genera este software fueron transmitidas al

controlador lógico programable (PLC) a través de módulos de adquisición análogos y digitales. El PLC

está conectado con el software Studio 5000 para realizar el control y manejo de información, además de

que permite el uso de esta información en otro software como lo es Factory Talk View para realizar el

HMI del operario.

En el HMI del operario se puede ver el funcionamiento de la planta si está dentro de los parámetros

esperados o si hay alguna anomalía, estas anomalías son representadas por alarmas sonoras y visuales. Es

posible para el operario manipular las válvulas del proceso para generar caminos de flujo y de

almacenamiento para cualquiera de los dos tanques existentes. En el HMI del instructor se pueden

establecer dos modos de operación, además de cambiar algunas variables para modificar las condiciones

iniciales de la simulación como por ejemplo simular una falla en una válvula en específico, o establecer un

estado de disponibilidad en las válvulas anteriores a los filtros indicando que un brazo de filtración está en

mantenimiento.

El control de la planta se hizo utilizando un controlador lógico programable (PLC), que recibe los

parámetros entregados por el HMI del operario, el modelo de la planta, y el HMI del instructor, para

evaluar el comportamiento del sistema y compararlo con las condiciones previamente establecidas para

activar cualquiera de las alarmas. Además de esto se utilizó un control PID para el tanque número dos,

para controlar el nivel del tanque, y un control ON-OFF para el tanque número uno con el mismo

propósito. Se maneja adicionalmente un visualizador de gráficas donde están ilustrados los niveles

actuales de los tanques y los sets points referentes a los tanques.

4. DESARROLLO

Para el trabajo de grado se realizó una simulación del funcionamiento de una estación de bombeo, de tal

forma que en un futuro se pueda implementar como una ayuda didáctica para las personas interesadas en

llegar a ser operarios de una estación de bombeo, teniendo en cuenta elementos primordiales como lo es el

flujo, la presión, el nivel entre otros.

Figura 4 Modelo diagrama de bloques de estación de bombeo



En la Figura 4 se detalla la interfaz hombre maquina (HMI) del operario en donde se podrá ver cómo está

funcionando el sistema, si está dentro de los parámetros esperados o si hay alguna anomalía, también

podrá manipular ciertos parámetros como abrir o cerrar válvulas, activar controles de nivel entre otros.

Mientras que en el HMI del instructor, se podrá realizar cambios en las variables del proceso para

modificar las condiciones de la simulación definiendo el tipo de simulación a realizar como encender o

apagar la estación de bombeo o simular una falla que puede ser un problema de mantenimiento en

válvulas del proceso o un problema con una de las válvulas del proceso.

Seguidamente se encuentra la unidad de control que se ha realizado utilizando un programador lógico

controlable (PLC), en donde recibe los parámetros entregados por el HMI del operario, el modelo de la

planta y los parámetros de una base de datos. En la unidad de control se realizarán los controles necesarios

para el correcto funcionamiento de la estación de bombeo. Para el caso se realizarán dos controles, uno

PID para el tanque 2 y otro ON-OFF para el tanque 1, los dos controlan el nivel en los tanques y los datos

obtenidos en la unidad de control serán continuamente almacenados para saber si el sistema está dentro

del rango esperado.

El modelo de la planta fue realizado utilizando el módulo de National Instruments (NI), que va a ser

controlado por el software Lab View que corresponde al HMI del instructor, el módulo entrega unas

señales en corriente que representan el modelo de la planta y que serán la entrada para la unidad de

control. Mientras que la base de alarmas maneja la información de los procesos de simulación, para el

caso aplica información de arranque de la estación de bombeo, información de parada de la estación de

bombeo y los límites permitidos en caso de presentarse una falla en la simulación.

La estación de bombeo a simular cuenta con etapas de filtración, almacenamiento y medición de paso de

material. Con algunos sistemas auxiliares de seguridad y control. Este proceso de simulación y control se

realizó implementando un software para la creación del modelo de la planta en la estación y el HMI del

instructor correspondiente a Labview, otro software, Studio 5000 para realizar el control del PLC que está

conectado a los módulos de National Instruments controlados por el programa Labview, y un último

software para realizar el HMI del estudiante, Factory Talk View, el cual permite una conexión con el

programa encargado del control del PLC que facilita el monitoreo de las señales para así poder hacer la

debida visualización de las señales enviadas por la planta en el HMI del estudiante. El diagrama 1 describe

el proceso que se realiza en la estación de bombeo.

Diagrama 1 Proceso estación de bombeo

La estación de bombeo está compuesta de cuatro etapas, entrada de material, en donde el operario al

iniciar, tiene dos opciones generar un camino de flujo para almacenar o dejar la estación fuera de línea, la

filtración elimina las impurezas que van en el material y mide la presión diferencial para indicar el

momento en que se requiere cambio de filtro, el almacenamiento, esta sección cuenta con dos tanques de

diferente tamaño los cuales también se les puede activar un control de nivel y mantenerlos en un nivel

especifico y finalmente la medición de despacho, que indica el flujo que está siendo despachado a la

siguiente estación

4.1 Funcionamiento de la estación de bombeo.

En la Figura 5 se muestra un diagrama P&ID (piping and instrumentation diagram/drawing) de la estación

de bombeo, diseñada para este proyecto, en el diagrama se representan las variables fundamentales del

proceso.



Figura 5 Diagrama P&ID de la estación de bombeo

4.2 Modos de operación

En la Figura 5 se representa la distribución general del sistema, el cual está compuesto de dos tanques

TK1 y TK2, válvulas y puntos específicos de medida de flujo y nivel, en donde son requeridos. La

estación de bombeo cuenta con 4 etapas dentro de la simulación, dos tamaños de tanques, dos modos de

operación y dos tipos de fallas. Las etapas corresponden al arranque de la estación de bombeo, filtración,

almacenamiento y finalmente distribución. Los modos de operación corresponden a cuando el sistema está

en línea o fuera de línea.

El modo 1 de simulación corresponde al inicio de simulación, en donde el bypass está activo por lo tanto

la estación de bombeo se encuentra fuera de línea, lo que quiere decir que el estudiante debe cerciorarse

que la válvula V-4 este abierta y las demás cerradas por lo tanto exista un camino de flujo por donde

pueda pasar el material en caso de que el instructor active un flujo de entrada, como se muestra en la

Figura 6.

Figura 6 Bypass activado

El segundo modo de simulación, corresponde al proceso realizado en la estación de bombeo, en este modo

el instructor puede decidir entre dos tamaños para los tanques en la simulación, lo cual altera los valores

de la función de transferencia que son requeridos para hallar las ganancias en caso de usar el control PID



del tanque 2 (TK2). Adicionalmente el estudiante deberá abrir las válvulas requeridas para tener un

camino de flujo de lo contrario se activarán alarmas de error, también cuenta con cuatro opciones para

almacenar el material de entrada, como se muestra en la Figura 7, cabe resaltar que solo puede llenar un

tanque a la vez. En esta sección el instructor cuenta con la posibilidad de poner las válvulas del filtro en

mantenimiento, el estudiante se enterará por medio de alarmas que podrán observar en su HMI.

Figura 7 Caminos de flujo llenado de tanques

En la sección de despacho de material correspondiente a la Figura 8 el estudiante tiene la posibilidad de

habilitar tres opciones de caminos de flujo de salida distribuidos de la siguiente manera: puede ser

despachando material solo del tanque 1, solo del tanque 2 o de los dos tanques en simultáneo. La

particularidad de esta sección, es que el instructor puede simular el fallo de la válvula de salida del tanque

1, y el estudiante al tener una válvula bloqueada tendrá que realizar un plan de contingencia mientras es

solucionado el problema.

Figura 8 Caminos de flujo salida de tanques



4.3 Descripción general de la estación de bombeo

4.3.1 Entrada de material (Bypass):

Se encarga de recibir el producto que llega desde la estación anterior. Para realizar la operación, en caso

de que el estudiante decida ingresar el producto por la estación, deberá manipular las válvulas de entrada y

salida de la etapa de filtración para generar un camino de flujo, también podrá manipular el cierre del

bypass de la estación para mantenerla en línea o fuera de línea, todo esto lo hace desde la interfaz hombre

maquina (HMI) del estudiante.

Si no se activa la alarma de recibo de material en el HMI del estudiante que es generada por el instructor,

el sistema se mantendrá fuera de línea, las válvulas de entrada que indican un camino de flujo para

almacenar inicialmente estarán cerradas y la válvula V-4 abierta que indica que el bypass está abierto por

lo tanto la estación se encuentra fuera de línea.

Figura 9 Entrada o Bypass

4.3.2 Filtrado:

La etapa de filtrado se encarga de realizar la retención de contaminantes sólidos en el producto que ingresa

a la estación. Este proceso consta de dos brazos, de los cuales solo uno puede ser utilizado a la vez de tal

forma que, en caso de llenarse el filtro, siempre estará uno disponible para que no se tenga que frenar el

proceso, pues implicaría graves consecuencias.

La lógica de selección del brazo de filtración opera de manera secuencial. En condiciones normales de

operación, las válvulas de entrada a cada brazo de filtración siempre podrán estar una abierta y una

cerrada. Se debe verificar el correcto funcionamiento del brazo activo y el inactivo, a su vez el estudiante

se debe cerciorar que el brazo inactivo se encuentre disponible y será decisión del operario realizar las

acciones respectivas para cambiar el brazo de filtración.

Una vez el brazo se encuentre en funcionamiento, está definido un tiempo de cambio de filtro, que

corresponde a la medición de la presión diferencial en el filtro, que hace que sea necesario el cambio de

brazo. Si el tiempo de cambio de filtro es superado se genera una alarma que indica una alta presión

diferencial, es ahí cuando el estudiante debe generar el comando para cambiar el brazo de filtración.



Figura 10 Filtración

4.3.3 Tanques de almacenamiento:

La estación cuenta con dos tanques de almacenamiento, los cuales podrán ser usados tanto de

almacenamiento como de paso. De ser requerido estos tanques pueden almacenar el material por un

tiempo determinado. Se realiza un monitoreo continuo de nivel de llenado en los tanques y se informa si el

nivel es alto o bajo debido a que estos son momentos críticos en el proceso. Para los dos tanques se

pueden activar controles de nivel, pero no en simultáneo, porque no es posible tener las válvulas de

llenado de los tanques abiertas al mismo tiempo. De igual forma el operario tendrá que tomar la decisión

de en qué tanque va a almacenar el material que llega a la estación.

Para la salida de los tanques se requieren válvulas neumáticas las cuales tendrán una relación directa entre

el flujo de salida y el porcentaje de apertura, que se mostrará en el HMI del PLC y en el HMI del

instructor. El operario tendrá que seleccionar el tanque que va a llenar o desocupar dependiendo del nivel

en el que se encuentra cada uno.

Figura 11 Almacenamiento

4.3.4 Medición de paso:

Se efectúa la medición de la cantidad de material que será despachado (sensor que mida la cantidad de

material despachado), dependiendo la cantidad de material en el tanque de residencia el estudiante tiene

que estar al tanto del nivel en el momento de despachar material, para no estar por debajo de los límites

permitidos en cada tanque.



Figura 12 Medición de paso

4.4 Funcionamiento de la planta de la estación de bombeo.

En la Figura 13 está la planta de la estación de bombeo simulada en la herramienta LabView, que está

compuesta de cuatro etapas, entrada de material, filtración, almacenamiento y medición de paso de

material. El modelo de la planta está diseñado de tal forma que el instructor pueda manipular algunos

componentes de la estación de bombeo y escoger entre los modos de operación para la simulación de la

estación. Los parámetros que pueden ser manipulados por el instructor son; la entrada del material, la

cantidad de material inicial de los tanques, el porcentaje de apertura de algunas válvulas, además toma la

decisión de en qué momento se presenten fallas en la planta.

Las variables que se puedan manipular estarán debidamente mencionadas en una tabla indicando los

valores y tiempos esperados para los parámetros ingresados de cada modelo de simulación que se desee

realizar.

Figura 13 Planta de la estación




El bypass a la entrada de la estación como se muestra en la Figura 14, cuenta con 2 válvulas y dos

alarmas, una alarma corresponde a la alarma de inicio de operación que ocurre en el instante en el que el

instructor da inicio al proceso de la estación de bombeo, esta alarma será la indicación en el PLC con la

cual el estudiante será consiente de que inicio el proceso y tendrá que abrir diferentes válvulas para lograr

el debido funcionamiento, que corresponde a abrir las válvulas adecuadas para dejar la estación en línea y

con camino de flujo para almacenar o despachar material.

Figura 14 Bypass de la planta

La alarma de error que puede ser visualizada tanto por el instructor como por el estudiante, ocurre en el

momento en que se abran las válvulas V-1 y V-4 simultáneamente, debido a que el proceso no puede estar

fuera de línea y almacenando en los tanques simultáneamente. Si la válvula V-4 está abierta quiere decir

que la estación se encuentra fuera de línea y lo que reciba será despachado sin ser almacenado. Si la

válvula V-1 está abierta es un primer paso para dar inicio al proceso de almacenamiento o despacho

realizado por la estación de bombeo. En el anexo A se hace una explicación de la programación realizada

en Labview correspondiente a la entrada de material.

4.4.2 Filtración

El filtro que se observa en la Figura 15, se encarga de realizar la retención de contaminantes sólidos en el

producto que ingresa a la estación. Este proceso consta de dos brazos, de los cuales uno estará

funcionando mientras que el otro se encuentra en espera.



Figura 15 Filtro de la planta

La etapa de filtración cuenta con cuatro alarmas distribuidas de la siguiente forma: dos alarmas “cambio

de brazo” que indica cuando la presión es alta y es necesario cambiar de brazo de filtración, la alarma de

“solo un brazo a la vez” se activa si el estudiante abre las válvulas V-3 y V-2 simultáneamente lo cual es

un error grave dentro del funcionamiento del proceso y finalmente la alarma para abortar que se activa si

el estudiante no cambia el brazo de filtración. También cuenta con la opción de poner las válvulas V-3 y

V-4 en mantenimiento, el instructor manipula la opción de mantenimiento y el estudiante no puede abrir

las válvulas si estas se encuentran en este estado de mantenimiento. Si pasados 20 segundos después de

haberse activado la alarma de presión alta en el brazo este continúa activo, se procederá a abortar la

simulación por el error cometido. La descripción detallada de la programación del filtro esta descrita en el

anexo B.

4.4.3 Tanques

La etapa de los tanques corresponde al almacenamiento de material, el instructor puede definir el nivel

inicial de los tanques y el estudiante es quien toma la decisión tanto, sobre en qué tanque almacenar, como

de que tanques despachar, o si mantendrá el control de nivel activado o no. En el anexo C, esta detallada

la programación de las ecuaciones diferenciales para los tanques.



Figura 16 Distribución de los tanques de la planta

4.4.3.1 Descripción del diagrama de simulación.

La sección de almacenamiento está compuesta por dos tanques cilíndricos lineales, de los cuales se

pueden manipular algunas variables esenciales, como el contenido inicial, el tamaño de apertura de las

válvulas de flujo de salida. Los parámetros están definidos dos modos de operación que el instructor

puede seleccionar, definidos en la tabla 1, indican de acuerdo a los valores ingresados de entrada, el

tiempo de simulación que corresponde al tiempo de llenado del tanque en estado estacionario, para cada

caso.

Tabla 1 Parámetros de entrada

Modelo Tanque Área tanque[m^2]

Altura

tanque[m] u entrada[m/s] Ku[m^2] Llenado tanque[min]

1 1 7 15 1.5 0.7 16.7

2 1 6 15 2 1 7.5

1 2 6 10 1.5 0.5 13.3

2 2 3 10 2 0.2 12.5



En la tabla 1, se especifica el modelo a utilizar y el tiempo de simulación para el caso seleccionado

correspondiente al llenado de los tanques, el instructor deberá seleccionar el modo de simulación e

ingresar el nivel inicial de los tanques antes de iniciar con la simulación.

4.4.4 Flujo de salida

Como se puede ver en la Figura 17, el flujo de salida está compuesto de dos fuentes, una corresponde a los

tanques y la otra corresponde al bypass. Este flujo de salida es enviado por medio de una señal analógica

al PLC e indica la cantidad de flujo que ha salido de la estación con el cual se puede a su vez saber el

número de barriles que habrán salido en la simulación. Cuenta con una alarma que se activara en el caso

en que la válvula V-4 y V-10 estén abiertas, ya que no puede estar fuera de línea la estación y

despachando material almacenado simultáneamente.

Figura 17 Flujo de salida de la planta

4.5 Funcionamiento del HMI para el estudiante.

La interfaz hombre maquina (HMI) se desarrolló utilizando el software de Facktory Talk View de Rockell

Automation, en conjunto con el software Studio 5000 que proporciona las señales análogas y digitales

correspondientes a los valores del PLC para que sean ilustradas en el HMI. La interfaz consta de una

pantalla de inicio, en la que el operario tendrá la opción de ir al proceso de la planta o a la opción de

calcular la función de transferencia como se indica en la Figura 18



Figura 18 menú inicial para el operario

La interfaz del operario, al igual que la del instructor está compuesta de cuatro etapas: entrada de material,

filtración, almacenamiento y medición de paso de material. La interfaz como se muestra en la Figura 19

está diseñada de tal forma que el operario pueda manipular la totalidad de las válvulas que se muestran en

la pantalla, además de que puede visualizar las gráficas de nivel y el flujo de salida, por otro lado existe un

registro de alarmas, donde aparecen las alarmas que se van generando durante el transcurso del proceso,

además cuando se activa una alarma estas se generan un sonido que depende de la severidad de cada

alarma, es decir que entre mayor severidad tenga la alarma, mayor frecuencia y volumen va a tener la

alarma sonora. También es posible activar o desactivar los controles de nivel de cada tanque, además de

ajustar el set point de cada uno.

Figura 19 HMI Estudiante


El bypass como se muestra en la Figura 20, cuenta con 2 válvulas y una indicación que aparece cuando el

instructor activa la entrada material a la estación de bombeo, esta será la indicación con la cual el



estudiante será consiente de que inicio el proceso y tendrá que abrir diferentes válvulas con el fin de lograr

el debido funcionamiento. Puede ser que decida abrir el bypass (oprimiendo la válvula cuatro) o abriendo

un camino de flujo para llenar cualquiera de los dos tanques disponibles (oprimiendo la válvula uno) y

después las necesarias para hacer el camino de flujo, o ruta de almacenamiento. La descripción detallada

de la programación de la ruta de almacenamiento esta descrita en el anexo E.

Figura 20 Bypass HMI estudiante

4.5.2 Filtración

La etapa de filtración cuenta con dos válvulas que son manipuladas por el operario, estas son V-2 y V-3,

mientras que V-5 y V-6 se abren simultáneamente cuando se abren V-2 y V-3, respectivamente, todas

estas válvulas son tipo ON-OFF, que son abiertas dependiendo del brazo que decida utilizar el operario,

además de esto existen dos alarmas de cambio de brazo que indica que la presión es alta y es necesario

cambiar de brazo de filtración y también se encuentra la alarma de “solo un brazo a la vez” que se activa si

el operario abre las válvulas V-3 y V-2 simultáneamente lo cual es un error grave dentro del

funcionamiento del proceso. Además existe la posibilidad que el instructor determine que uno de los dos

brazos de filtrado esté en mantenimiento, cuando esto ocurre, aparece un mensaje que indica cuál de los

filtros está en mantenimiento, además de que el operario no puede manipular la válvula correspondiente a

este brazo.

Figura 21 Filtro HMI estudiante

4.5.3 Tanques

En esta parte del HMI se encuentran los dos tanques de almacenamiento, cada tanque tiene su respectiva

válvula de entrada y de salida, además de un indicador de porcentaje de llenado de nivel en el tanque, y un

cuadro numérico al lado derecho de cada tanque, para saber el valor exacto de llenado. Cada válvula tiene

funcionamiento tipo ON-Off y es manipulable independientemente.



Está determinado un control independiente para cada tanque, el tanque uno (TK1) tiene control ON-OFF,

y el tanque dos (TK2) tiene un control PID, cada uno se activa con su respectivo botón, y se introduce en

cada uno el set-point deseado, como se observa en la Figura 22. Es necesario mencionar que los dos

controles no pueden ser usados al mismo tiempo. Además de esto el instructor puede simular la falla de la

válvula 12, que es la válvula de salida del tanque 1, es decir que si hay falla la válvula 12 (V-12) no se

puede manipular manualmente y tampoco con el control de estar activado, solo el instructor puede

manipularla. La descripción detallada de la programación del control PID esta descrita en el anexo H,

mientras que la del control ON-OFF está en el anexo I.

Figura 22 Distribución de los tanques HMI estudiante

4.5.4 Flujo de salida

Como se puede ver en la Figura 19, el flujo de salida está compuesto de dos posibles salidas, una

corresponde a los tanques y la otra corresponde al bypass. Este flujo de salida indica la cantidad de flujo

como se observa en la Figura 23, que ha salido de la estación con el cual se puede a su vez saber el

número de barriles que habrán salido en la simulación. Cuando exista una ruta de despacho se indicará en

la pantalla, ya sea por los tanques o por el bypass.

Figura 23 Flujo de salida HMI estudiante



4.5.5 Registro de eventos y alarmas

En la parte inferior del HMI se encuentra el registro de eventos y alarmas, como se observa en la Figura

24 aparecen los eventos que ocurren durante la simulación, además de las alarmas que se pueden presentar

durante el proceso, esta parte indica la severidad de la alarma, la fecha y hora en que se presentó, la fecha

y hora en que se reconoció la alarma y por último el nombre de la alarma, en esta sección solo aparecen 3

alarmas, por eso fue necesario añadir una ventana donde se puedan observar todas las alarmas que se han

generado, como en la Figura 25 .La descripción detallada de la programación de las alarmas de los

tanques esta descrita en el anexo G mientras que la programación para el resto de alarmas que aparecen en

este log están descritas en el anexo J.

Figura 24 Registro de eventos y alarmas HMI estudiante

Figura 25 Registro completo de alarmas y eventos

4.5.6 Gráficas de nivel

Para acceder a esta pantalla de gráficas, se oprime el botón de gráficas en la pantalla principal, en esta

pantalla (Figura 26) se muestran los niveles de cada tanque, además del set point de cada uno de los

tanques para poder analizar el nivel de los tanques con respecto al tiempo, y así poder evaluar el

comportamiento de los controles. Adicionalmente se encuentra el log de eventos y alarmas para poder

monitorear el funcionamiento de la estación mientras no se está en la pantalla principal.



Figura 26 Gráficas de nivel HMI estudiante

4.6 Manual de operación

4.6.1 Requerimientos iniciales

El sistema de simulación de la estación de bombeo cuenta con:

1. Computador con el software Labview.

2. Computador con software Studio 5000 y software Factory Talk Studio.

3. PLC Compact Logix.

4. Módulo de adquisición National Instruments NI-6341

5. Módulo de adquisición National Instruments NI-9265

6. Tarjetas de conversión de voltaje.

Todo lo anterior se encuentra cableado como se indica en el numeral 6.3 para que solo sea empezar a usar.

4.6.2 Conexión PLC con el computador

Para iniciar la conexión del PLC con el computador se debe:

1. Ir al inicio de Windows

2. Seleccionar el programa Studio 5000.

3. Seleccionar el programa Control_estacion



4. Seleccionar en la parte superior izquierda de la pantalla la flecha al frente de la opción Offline

5. Seleccionar Go online

6. Verificar que se realizó la conexión

4.6.3 Diagrama de conectividad NI a PLC

Para hacer la conexión inicial entre el PLC y los módulos National Instruments es necesario conectar los

terminales como indica la tabla 3.



Tabla 3. Puertos de conexión

Señales entrantes Diagrama NI IN NI OUT NI

Aout

PLC

OUT PLC IN

Válvula motorizada bypass V-4 D por0/line3

Válvula entrada a la estación V-1 D por0/line0

Alarma inicio de recibo Entrada material D port1/line2 0

Válvula motorizada IN Brazo 1 V-2 D port0/line1 1

Válvula motorizada OUT Brazo 1 V-5 D

Válvula motorizada IN Brazo 2 V-3 D port0/line2 2


Válvula salida filtrado V-7 D port0/line4

Alarma presión Brazo 1 Cambio de brazo

1 D port1/line3

mantenimientoV_2 D port1/line7 4

mantenimientoV_3 D port2/line2 6

Alarma presión Brazo 2 Cambio de brazo2 D por1/line4

solo un brazo a la vez D port2/line0 4

Válvulas ingreso tanque 1 V-8 D port0/line5 8

Válvulas ingreso tanque 2 V-9 D port0/line3 9

Válvulas salida tanque 1 V-12 D port1/line1 12

Válvulas salida tanque 2 V-11 D por1/line0 11

Sensor de nivel tanque 1 h[m] A ao0 p1/line0

Sensor de nivel tanque 2 h[m] A ao1 p1/line1

control PID D port2/line4 14

falla activada V-12__ D port1/line6 3

modo auto o manual Auto D port2/line1 5

Set point TK1 A ai7 p4line0

Set point TK2 A ai6 p3/line1

salida control PID A ai4 p3/line0

Medidor de flujo q_out A ao2 p2/line0

Válvula motorizada salida V-10 D port1/line5 10

ruta de flujo de entrada D port2/line6 13

ruta de flujo de despacho D port2/line5 6

Abortar D port0/line7 5

Abortar D Port2/line3 15

Como el PLC y los módulos NI no trabajan con los mismos rangos de voltaje, es necesario tener en cuenta

que para enviar señales digitales del PLC al módulo hay que disminuir el voltaje a 5 V, y viceversa hay

que aumentar el voltaje a 24V como se muestra en la Figura 27.



Figura 27 Conexión entre módulos

De acuerdo con lo ilustrado en la Figura 27, fue necesario diseñar dos tarjetas para la conexión de voltaje para las señales digitales entre módulos. Los circuitos realizados se especifican en el anexo O.

4.6.4 Inicio de la herramienta de simulación

Para abrir el HMI del estudiante se deben seguir los siguientes pasos después de haber iniciado el

computador:

1. Ir al inicio de Windows

2. Seleccionar el programa Factory Talk View Studio Site Edition Client.

3. Seleccionar el programa cuyo nombre está finalizado con Estacion.cli



4. Seleccionar la opción Run en el costado derecho de la ventana.

De tal forma que aparezca la siguiente interfaz en la pantalla:

Figura 28 Pantalla principal HMI estudiante



Para abrir el HMI del instructor se deben seguir los siguientes pasos después de haber iniciado el

computador:

1. Abrir la carpeta que corresponde al modelo de la planta

2. Seleccionar el proyecto correspondiente a la estación de bombeo

3. Seleccionar la entidad principal de nombre “Modelo_planta.vi”

4. Debe aparecer la siguiente interfaz

Figura 29 HMI instructor



5. Ingresar el nivel inicial de los tanques TK1 y TK2

6. Iniciar la simulación con el botón de la esquina superior izquierda.

7. Seleccionar el modo de simulación.

8. Dar inicio al proceso.

4.6.5 Solución de problemas comunes

4.6.5.1 Conexión con el PLC

Cuando la conexión no es inmediata con el PLC puede aparecer la siguiente ventana:

Cuando esto ocurre, se procede a oprimir el botón Download, y se muestra lo siguiente:



Finalizado esto se debe establecer la conexión con el PLC que aparece de la siguiente manera:

4.6.6 Selección de modos de operación, tablas y gráficas de resultados

4.6.6.1 Pantalla de inicio

Después de haber realizado los procedimientos anteriores y haber establecido la conexión entre los

dispositivos, el estudiante debe seleccionar una de las dos opciones que aparecen en la pantalla principal

como se muestra en la Figura 30

Figura 30 Opciones pantalla inicial

El estudiante entonces selecciona la opción de Iniciar Estación de bombeo y debe aparecer la pantalla que

se muestra en la Figura 31



Figura 31 Estación de bombeo inicial

En esta pantalla se reinicia la estación y todas las válvulas se cierran, además de que los controles de los

tanques se apagan y aparece un menú de botones en la parte izquierda de la pantalla como se muestra en la

Figura 32

Figura 32 Botones Inicio de estación

Estos botones son para volver a la pantalla principal (Figura 28), ver y modificar el comportamiento de la

estación (Figura 31), observar las dos graficas de nivel de los tanques simultáneamente (Figura 33), un

registro de alarmas (Figura 34), observar el tanque uno y su grafica de nivel (Figura 35 ), y observar el

tanque dos y su grafica de nivel (Figura 36). Estos botones sirven para navegar entre las diferentes

pantallas y se mantienen siempre y cuando no se vuelva a la pantalla principal.



Figura 33 Gráfica simultánea de los dos tanques

Figura 34 Registro de alarmas

Figura 35 Gráfica tanque 1



Figura 36 Gráfica tanque 2

La simulación empieza cuando el PLC recibe la señal indicando que hay material entrando a la estación.

En este momento el estudiante debe estar pendiente para revisar cuando se active la señal de entrada de

material, para así establecer el modelo de operación que es necesario, ya sea llenar los tanques si es

posible o no activar el bypass de la estación para que esta quede fuera de línea.

4.6.6.2 Planta fuera de línea

El modo inicial de simulación corresponde a la planta fuera de línea, como se observa en la Figura 37 el

instructor tiene activada la entrada de material con la señal de inicio, y está activado el modo 1 para el

tamaño de los tanques. Para que la planta este fuera de línea únicamente la válvula 4 (V-4) debe estar

abierta.

Figura 37 HMI instructor bypass activado

El estudiante tiene la opción de decidir qué camino de flujo usar, para el caso en el que la planta está fuera

de línea, se debe cerciorar que la válvula 4 esté abierta como se muestra en la Figura 38



Figura 38 HMI estudiante bypass activado

4.6.6.3 Planta en línea (inicio de operación), caminos de flujo para almacenamiento y control de nivel

La estación de bombeo cuenta con cuatro caminos de flujo diferentes de entrada a los tanques, el primero

corresponde a V-1, V-2, V-7 y V-8 abierto como se muestra en la Figura 39 el lado derecho

correspondiente al HMI del operario, abriendo estas válvulas, se activará una indicación de que hay un

camino de flujo.

A su vez el instructor en su HMI podrá ver que está haciendo el estudiante, ya en la pantalla se observa lo

mismo que ve el operario como en la Figura 39, con la diferencia que el instructor no puede manipular las

válvulas.

Figura 39 Camino de flujo en pantalla del instructor - operario

El camino de flujo 2 corresponde abrir a las válvulas V-1 V-3 V-7 y V-8 en el HMI del operario como se

muestra en la Figura 40

Figura 40 Camino de flujo 2 HMI instructor- operario





Figura 41 Camino de flujo 3 HMI instructor operario



Figura 42 Camino de flujo 4 HMI instructor operario

4.6.6.4 Opciones de despacho

La estación cuenta con tres opciones de despacho de los tanques que corresponden a:

Camino despacho 1: V-12 V-10 abiertas

Figura 43 Camino de despacho 1



Camino despacho 2: V-11 y V-10 abiertas


Camino de despacho 3 corresponde a tener V-12, V-10 y V-11 abiertas, es decir que se puede despachar

material de los dos tanques simultáneamente.


La parte izquierda de las imágenes anteriores corresponde a lo que ve el instructor y la parte derecha lo

que ve el estudiante.

4.6.7 Fallas habilitadas por el instructor

En la pantalla del instructor, tiene la potestad de activar fallas en la estación de bombeo, que para la

simulación corresponden a dos tipos. Falla por mantenimiento en alguno de los brazos del proceso de

filtración correspondiente a la Figura 46 y falla en la válvula de salida del tanque 1 correspondiente a la

Figura 47



Figura 46 Brazo de filtro en mantenimiento

Figura 47 Falla válvula 12 V-12

4.6.8 Alarmas en la estación de bombeo

La estación de bombeo cuenta con algunas alarmas que indican que hay algo mal en el proceso y

dependiendo la gravedad de error será igualmente informado al operario, el instructor también tendrá la

posibilidad de ver las alarmas para estar enterado si la simulación falla en algún punto y de esta forma

saber rápidamente en que fallo el estudiante.

La alarma de “solo un brazo a la vez” se activa si la valvula 2 y 3 estan estan abiertas simultaneamente

como se observa en la Figura 48, ya que no es permitido dentro de la simulación pues es necesario

siempre mantener un filtro en espera.



Figura 48 Error brazos de filtros en simultáneo

Para el caso en que se abre V-1 y V-4 como se observa en la figura 14, corresponde a un error porque la

estación no puede estar con el bypass activado y recibir material simultáneamente.

Figura 49 Error válvulas V-1 y V-4 abiertas

Si el estudiante no corrige el error después de 20 segundos de ser alertado, se envía una señal desde el

PLC a Labview para abortar la simulación.

La falla indicada en la Figura 50 ocurre cuando la válvula 10 y la válvula 4 del bypass están abiertas al

mismo tiempo



Figura 50 Error válvula 10 y válvula 4 abiertas

Si el estudiante no corrige el error después de 20 segundos de ser alertado, se envía una señal desde el

PLC a Labview para abortar la simulación.

También hay alarmas de indicación de nivel en los tanques correspondientes que se activan cuando hay

nivel alto, super alto y bajo o super bajo.

Figura 51 Alarma bajo tanque 2



Figura 52 Información del proceso

El instructor al igual que el operario puede ver una tabla que indica el estado de la planta a lo largo del

proceso de simulación.

4.6.9 Calculo de FT gráficamente

Existe la posibilidad de obtener la función de transferencia del tanque número dos para que el estudiante

pueda calcular las ganancias de un control PID que se ajuste a la necesidad y a la velocidad de respuesta

que necesita. Para hacer esto el estudiante después de haberse iniciado la simulación y desde la pantalla

principal debe seleccionar la opción Función de transferencia Tanque 2 como se muestra en la Figura 53

Función de transferencia tanque 2 HMI:

Figura 53 Función de transferencia tanque 2 HMI

Donde automáticamente se vacía el tanque dos, se establece un camino de flujo de entrada y salida en el

tanque número dos, además de que se abre la válvula de salida del tanque y la válvula de salida de la

estación como se muestra en la Figura 56 para el HMI del estudiante y en la Figura 57 para el HMI del

instructor.

Además, aparecerán los siguientes botones:



Figura 54 Botones FT TK2

Estos botones son para volver a la pantalla inicial, ver la estación, y observar la gráfica de nivel de este

tanque (Figura 55), respectivamente. En estas pantallas el estudiante no puede modificar el

funcionamiento de la estación, es decir que no puede abrir o cerrar ninguna válvula, solo puede observar

el comportamiento de la estación y el nivel del tanque dos hasta que se estabilice.

Figura 55 Gráfica FT tanque 2

De esta manera se puede obtener la gráfica de estado estable del sistema, es decir puede medir el tiempo

en que el tanque llega a un nivel estable con la válvula de entrada y de salida abiertas, además de conocer

este nivel. A partir de esto el estudiante obtiene la función de transferencia y procede a calcular las

variables Ki, Kp y Kd del control PID que se tiene para este tanque, habiendo hecho esto introduce estas

ganancias en los campos establecidos, y procede a probar el control.



Figura 56 FT Tanque 2 HMI Estudiante

Figura 57 FT tanque 2

Una vez el tanque 2 de la estación se estabiliza el instructor debe exportar la gráfica a Excel como se

indica en la Figura 58



Figura 58 Datos gráfica Labview

Estos datos son entregados al operario para que pueda calcular las ganancias del controlador y

sintonizarlo.

5 PROTOCOLO DE PRUEBAS

Es importante cerciorarse que lo que se ha realizado durante el trabajo de grado este dentro de los

parámetros iniciales que se plantearon en el anteproyecto, esto se puede corroborar como se cumple tanto

el objetivo general del proyecto como los objetivos específicos.

5.1 Desarrollo de modelo de la planta para definir el número de señales requeridas

Finalmente se realizó un estudio de módulos de adquisición de señales (DAQ) de National Instruments

con el fin de conocer la capacidad de generar una cantidad de señales que cumplieran con los

requerimientos del proyecto o similar, además que estuviesen disponibles en el laboratorio de electrónica.

Se llegó a la decisión de utilizar dos módulos de adquisición el NI-6341 con 8 entradas análogas

diferenciales y 24 puertos que pueden ser utilizados como entrada o salida de señales digitales, el otro

modulo seleccionado fue el NI-9265 con la posibilidad de generar 4 señales análogas en corriente de 0 a

20 [mA], Al mismo tiempo se revisó en detalle el manual de usuario del CompactLogix 5370 L1

correspondiente al PLC suministrado por la empresa Rayco ltda, para aprender los modos de conexión y

programación. El PLC cuenta con 32 puertos de entrada y salida digitales y tiene la posibilidad de agregar

módulos para adquisición y generación de señales análogas, fueron agregados dos módulos de entradas

cada uno con dos entradas análogas y dos módulos de salidas análogas, cada uno con dos salidas.

5.2 Revisión de entradas y salidas y conectividad

Teniendo definido el modelo de estación de bombeo, se realizó un análisis de todas las señales que se

necesitaban en la estación teniendo en cuenta para no sobrepasar el límite permitido por los equipos

utilizados. En la tabla 2. Se especifica el tipo de señal (Análogíca o Digital) de los módulos de National

Instruments y en la tabla 3 se indica el tipo de señal (Análogo o Digital) del PLC Allen Bradley. Separado

por etapas cada proceso de la estación; etapa 1 corresponde a la entrada de material, etapa 2 corresponde a

la filtración, etapa 3 corresponde a los tanques de almacenamiento o despacho y finalmente la etapa 4 de

salida o medición de paso.



Tabla 2 Señales de entrada y salida del módulo de National Instruments

MODULO NI

Etapa Señales entrantes Diagrama Señales in Señales out

1

Válvula motorizada bypass V-4 D 1

Válvula entrada a la estación V-1 D 1

Alarma inicio de recibo Entrada material D 1

2

Válvula motorizada IN Brazo 1 V-2 D 1




Válvula salida filtrado V-7 D 1

Alarma presión Brazo 1 Cambio de brazo 1 D 1

mantenimientoV_2 D 1


Alarma presión Brazo 2 Cambio de brazo2 D 1

solo un brazo a la vez D 1

3

Válvulas ingreso tanque 1 V-8 D 1


Válvulas salida tanque 1 V-12 D 1


Sensor de nivel tanque 1 h[m] A 1


control PID D 1

falla activada V-12__ D 1

modo auto o manual para falla D 1

setpoint TK1 A 1

setpoint TK2 A 1

salida control PID A 1

4 Medidor de flujo q_out A 1

Válvula motorizada salida V-10 D 1

ruta de flujo de entrada D 1

ruta de flujo de despacho D 1

abortar D 1 1

Total entrante (A) Total saliente (A) Total entrante (D) Total saliente (D)

3 3 15 8

Tabla 3 Señales de entrada y salida del PLC

PLC Allen Bradley

Etapa Señales entrantes Diagrama Señales in Señales out

1 Válvula motorizada bypass V-4 D 1

Válvula entrada a la estación V-1 D 1



Alarma inicio de recibo Entrada material D 1

2





Válvula salida filtrado V-7 D 1

Alarma presión Brazo 1 Cambio de brazo 1 D 1



Alarma presión Brazo 2 Cambio de brazo2 D 1

solo un brazo a la vez D 1

3







control PID D 1

falla activada V-12__ D 1

modo auto o manual para falla D 1

setpoint TK1 A 1

setpoint TK2 A 1

salida control PID A 1

4 Medidor de flujo q_out A 1

Válvula motorizada salida V-10 D 1

ruta de flujo de entrada D 1

ruta de flujo de despacho D 1

Abortar D 1 1

Total entrante (A) Total saliente (A) Total entrante (D) Total saliente (D)

3 3 8 15

En esta etapa fue necesario fue necesario realizar circuitos para conectar los módulos, sin ocasionar daños

en los mismos, ya que no funcionan con los mismos rangos de voltaje. El PLC funciona con rangos de

voltaje de entrada y salida a 24 V y el módulo de National instruments proporciona y recibe señales

digitales de 5 V.

5.3 Análisis de funcionamiento de tanques

En esta etapa del proyecto se verificó el correcto funcionamiento en Labview de las ecuaciones

diferenciales definidas para los tanques que serían usadas en la simulación, además se verificó que los

controles de nivel diseñados e implementados en el PLC funcionaran de forma correcta y mantuviesen el

set point establecido. En primera instancia se realizó una simulación en Labview con un tanque, y con el

cálculo del tiempo de llenado en estado estacionario y el nivel alcanzan los tanques en equilibrio, las



ecuaciones se detallan en el anexo L, Seguidamente se verificó que los resultados obtenidos fueran los

mismo de la simulación.

Procedimos a realizar la conexión de señales correspondientes al nivel y válvulas de entrada y salida del

tanque entre los módulos de NI y el PLC, hecho esto se verificó que las válvulas fueran controladas por el

HMI del PLC y se procedió a verificar que las unidades de nivel para los tanques coincidieran en la

interfaz de programación del PLC. Posteriormente se obtuvieron las gráficas del estado estable Figura 59

y Figura 60 para el tanque 2, con unos parámetros de área y flujo de entrada definidos.

Figura 59 Estado estacionario TK2 modo 1

Figura 60 Estado estacionario TK2 modo 2

De la Figura 59 y la Figura 60 se pueden obtener las funciones de trasferencia para cada caso de la

siguiente forma:

𝐻(𝑠) =𝑘

𝑇 ∗ 𝑠 + 1

Donde K corresponde a la ganancia de estado estacionario de la gráfica y T corresponde a la constante de

tiempo, la cual indica el tiempo en el cual el sistema tiene un 63.2% del valor del estado estacionario. Se

obtienen las siguientes funciones de transferencia para cada caso:

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07

0.09

0.11

0.13

0.15

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Am

plit

ud

[m

]

time[s]

Modo 1 TK2

Nivel

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Am

plit

ud

[m

]

time[s]

TK2 modo 2

Nivel



Modo 1

𝐻(𝑠) =0.143

14 ∗ 𝑠 + 1 (10)

Modo 2

𝐻(𝑠) =0.041

3 ∗ 𝑠 + 1 (11)

Por último, se verifico la programación de los controles de nivel para los dos tanques, para lo que fue

necesario en el caso del tanque 2, que se hizo un control PID usar la función de transferencia utilizando

los parámetros que se van a manejar de entrada y tamaño del tanque, para hallar las ganancias

diferenciales integrales y proporcionales, y asegurar que el controlador programado en el PLC funciona de

forma adecuada.

En el caso del control ON-OFF para el tanque 1, se controla la válvula 12 (V-12) que dependiendo del set

point estará completamente abierta o cerrada.

5.4 Funcionamiento de la etapa de filtrado

La etapa de filtración en una estación de bombeo es para extraer componentes que se adhieren al producto

al pasar por las tuberías o al extraer el material, estos filtros funcionan con normalidad hasta cumplir un

máximo de presión diferencial y es necesario cambiar el brazo de filtrado y limpiar el filtro que estaba en

uso.

La programación para simular el filtro consiste en una rampa de tiempo que se activa en el momento de

abrir la válvula V-2 o V-3 como se muestra en la Figura 61 en el HMI del instructor está indicado que hay

mantenimiento de V-3 y V-2 está abierto, por lo tanto, está contando el tiempo para que se cumpla el

cambio de filtro en el recuadro de nombre “elapsed time”.

Figura 61 Funcionamiento del filtro

En la Figura 62 se observa la alarma en el HMI del estudiante que está en mantenimiento V-3 razón por

la cual no puede ser usada.



Figura 62 Camino de flujo por brazo 1 y mantenimiento brazo 2

Dependiendo del modo de simulación seleccionado el cambio de filtro es en 800 o 600 segundos, cuando

se alcanza este tiempo se informa al operario para que realice el cambio de filtro en el proceso. Después

de realizar las pruebas en simulación, el filtro funciona de acuerdo a lo esperado y la programación se

detalla en el anexo B.

5.5 Integración de los modelos de control

Después de completar la conexión entre los módulos de NI y el PLC se estableció la jerarquía de cada uno

de estos dependiendo de la función que cumplían dentro del proceso, es decir que se conocía que el PLC

iba a controlar la manipulación del comportamiento de las válvulas las alarmas de los tanque y el control

de los tanques entre otros, mientras que Labview iba a realizar el proceso de la planta, como lo es el

llenado de los tanques, la entrada de material y el cambio de brazo de filtración entre otros. Sabiendo esto

se hicieron las pruebas y las modificaciones necesarias para establecer si estaba bien hecha la distribución

de jerarquías. Esto se hizo probando que el HMI del instructor no pudiera modificar el estado de las

válvulas en la estación, que no pudiera controlar los niveles de los tanques y tampoco el reconocimiento

de las alarmas que se presentaran durante el proceso, además de esto el HMI del estudiante no podía

manipular el flujo de entrada de material, el tiempo en que se llenara un tanque o los niveles iniciales de

estos.

Cuando estaban establecidas las jerarquías dentro de los modelos de control, se empezó a evaluar las

distintas formas en las que se puede controlar la estación de la forma ideal, se empezó por evaluar los

caminos de flujo para el llenado de tanques y también para el despacho, se revisó también qué condiciones

eran necesarias para establecer una alarma, entre ellas estaban el abrir válvulas que no eran necesarias para

el buen funcionamiento del proceso, el nivel de los tanques entre otras. También se empezó a implementar

los controles para los niveles de los tanques, primero se implementó el control ON-OFF para el tanque

uno, y al mismo tiempo se decidió agregar la falla a la válvula 12, esta falla determinaba que el instructor

era capaz de modificar el estado de la válvula y el estudiante no. Después se prosiguió a implementar el

control PID al tanque número 2, se calcularon las ganancias para un controlador y se predeterminaron,

pero después agregamos una posibilidad donde el estudiante después de conocer el funcionamiento del

tanque, puede calcular y establecer las ganancias que le parezcan adecuadas. Por último, se realizó la

visualización de los niveles y los sets points en ambos HMI.

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Al ser una herramienta didáctica el instructor puede demostrarle al estudiante las posibles fallas que se

puedan presentar en una estación de bombeo, y hacer esto de una forma en la que no hay pérdidas



económicas o materiales, demostrándole al estudiante cuales son las alarmas y señales que debe evitar que

aparezcan en el sistema de control. Pero si en algún caso no es posible prevenir estos incidentes, el

estudiante ya está preparado para tomar las decisiones necesarias para hacer que el proceso de la planta

vuelva a la normalidad, y de la misma forma el sistema de control. De esta manera es posible reducir el

número de incidentes que se pueden presentar en una estación real, además de los costos que estos

incidentes implicarían para la compañía.

El desarrollo de un modelo de planta por sí solo no es lo suficientemente robusto para ser usado como

herramienta didáctica ya que no hay ninguna indicación sobre las variables o fallas del proceso, pero al

integrar un PLC para programar todo tipo de controles, alarmas y contingencias sobre el proceso que se

está realizando la herramienta de simulación se hace más robusta y útil para el destinatario final.

Para este proyecto, se programó tanto la planta que da la información de lo que está pasando en cada etapa

del proceso en la estación, como el control encargado de controlar el proceso realizado en la planta y

generar las alarmas pertinentes teniendo en cuenta factores como rutas de flujo, alarmas de nivel o

mantener un nivel deseado en los tanques. Esta información resulta de vital importancia en el proceso de

aprendizaje ya que el estudiante puede interactuar con la herramienta de simulación y tendrá que tomar

decisiones respecto a lo que tiene que hacer en determinada situación, por ejemplo cuando se está

manipulando los filtros descritos en el numeral anterior, si el operario no presta atención de las alarmas

que ocurren en el proceso y la presión diferencial del brazo de filtro utilizado es muy alta, y por cualquier

motivo el operario no cambia de filtro implica que cometió un error que al final del ejercicio el instructor

podrá ver que el operario falló en la operación. El instructor viendo la tabla de operación de la Figura 63,

fácilmente podrá informar al operario cual fue el problema de la simulación y el estudiante a su vez podrá

aprender de la falla cometida para ser más cuidadoso en el futuro

Figura 63 Tabla de información del proceso

En la etapa de almacenamiento el estudiante tiene dos opciones, almacenar el material que llega a la

estación de bombeo o despachar el material almacenado, en cualquiera de los casos el operario debe estar

atento a los niveles críticos en los tanques que, en el momento de llegar a niveles altos o bajos, serán

mostradas las alarmas correspondientes como se muestra en la Figura 64.



Figura 64 Alarmas de nivel

Además de las dos opciones descritas anteriormente el estudiante puede activar controles de nivel para los

dos tanques, en uno es un control ON-OFF, el cual al ser activado mantiene el nivel requerido como se

muestra en la Figura 65.

Figura 65 Control TK1

Es claro que al utilizar este control no es posible obtener un nivel en 30% preciso ya que la válvula de

salida estará completamente abierta o completamente cerrada.

Para el tanque 2 puede ser implementado un control PID en el cual el estudiante después de calcular la

función de trasferencia, en este caso para el modo 2, se calculan las ganancias del PID para obtener lo que

se muestra en la Figura 66, grafica o teóricamente, ingresara los valores de ganancia en las casillas

indicadas, como se muestra en la Figura 67

Figura 66 Ganancias para modo de operación 1

-3

2

7

12

17

22

27

32

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

% N

ivel

tiempo[s]

Control ON-OFF

Nivel

set point



Figura 67 Casillas para ingresar los valores de ganancia del control PID

Para finalmente obtener un control de nivel mucho más preciso ante el set point ingresado como se

observa en la Figura 68

Figura 68 Comportamiento control PID para el modo 2

Es importante que los estudiantes que están siendo entrenados, no solo trabajen bajo condiciones normales

de operación descritas anteriormente, si no también sean entrenados ante posibles fallas que pueden

ocurrir en una estación de bombeo, son muchos los componentes que pueden fallar a momento de

enfrentarse a un proceso de una estación real. Para el caso de este trabajo de grado, se permitió en el HMI

del instructor ocasionar fallas en la planta para que el estudiante tome las precauciones necesarias al

memento de que estas ocurran, basado en el documento “Simulating pipeline control systems for operator

training” [7] en el que expresan la importancia de hacer simulación de fallas para el entrenamiento.

Para la simulación del trabajo de grado se permite en el HMI del instructor inducir dos tipos de fallas, una

en la etapa de filtración que al activar “mantenimiento V-3” o “mantenimiento V-2” como se muestra en

la Figura 69.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250 300 350

% N

ivel

Tiempo [s]

Control PID TK2

Nivel Tanque

Salida control

Set Piont



Figura 69 Mantenimiento

Esta señal es enviada al PLC para que el estudiante sepa en su HMI que hay una falla en uno de los filtros

como indica la Figura 70

Figura 70 Alarma mantenimiento HMI estudiante

El estudiante tendrá que mantener usando el filtro, hacer saber al instructor que hay una válvula en

mantenimiento para evitar fallas en la simulación.

La segunda falla que está siendo simulada es la válvula 12, uno de los errores más frecuentes en una

estación de bombeo, son las válvulas neumáticas. Si el instructor activa la falla en la válvula 12, el

estudiante no podrá manipular el estado de la válvula desde el HMI debido a que el instructor es el que

tiene el control de la válvula decidiendo si está abierta o cerrada. El estudiante será quien toma la decisión

si cambia de tanque de almacenamiento o continúa usando el tanque en falla. Para una herramienta

didáctica de entrenamiento de operarios es muy importante incluir no solo el funcionamiento normal de la

planta si no también retar al estudiante a posibles fallos de la estación haciendo que lo realizado en este

trabajo sea un buen acercamiento al proceso.

7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La estrategia de simulación que se utilizó para realizar la estación de bombeo fue muy útil debido a que se

pudo separar la planta para el instructor y el sistema de control del proceso para el operario, que era uno

de los objetivos iniciales, de esta forma en el proceso de desarrollo de la simulación se evaluó cada etapa

individualmente siendo la detección y corrección de fallas, un proceso más sencillo. Esto también facilito



la creación de los dos HMI que eran necesarios para el simulador, cada interfaz cumple con una función

específica, el instructor asigna los parámetros iniciales del proceso y el operario controla el proceso,

también se tuvo en cuenta que la distribución de los componentes para el desarrollo de la estación fueran

similares, para que el instructor no tuviera dificultades al momento de cambiar parámetros de la interfaz

para guiar al estudiante sobre el procedimiento del proceso.

La conexión que se hizo entre los dos sistemas, el sistema de control y el sistema encargado de simular la

planta de la estación no fue por medio de un protocolo de comunicación como lo es OPC, sino que se hizo

por medio de la generación y recepción de señales análogas y digitales entre los módulos de adquisición y

el PLC. Esto facilita que las señales que entran al PLC puedan ser generadas de una manera diferente o

con otro programa, dejando así la puerta abierta para poder modificar el funcionamiento del control o de la

planta.

La simulación diseñada cumple el objetivo servir como herramienta didáctica para mostrar a estudiantes el

comportamiento de una estación básica de bombeo de petróleo y como pueden manipularla para lograr el

funcionamiento adecuado. Además, permite que un instructor supervise el desempeño del estudiante a

partir de un HMI hecho especialmente para este propósito, en este HMI también se encuentran opciones

que son útiles al momento de simular las fallas para que el estudiante reaccione y se enfrente a problemas

que pueden llegar a ocurrir en una estación. En el momento en que se presentan estas fallas aparecen

alarmas de la misma forma que en una estación de bombeo real, el operario deberá reconocerlas y actuar

frente a ellas.

Por supuesto todas las fallas que se presentan en una estación de bombeo no están presentes en esta

herramienta, es necesario decir que existen condiciones anormales en el proceso y que podrían ser

simuladas en la herramienta, estas condiciones pueden ser fugas, que no afectan el funcionamiento del

proceso de control, pero al ser tenidas en cuenta se puede evidenciar una perdida de material y

contaminación ambiental.

Esta herramienta didáctica es bastante útil para las empresas portadoras de servicios de manejo de

petróleo, pero no se debe quedar solamente en un proceso, es conveniente que no solo se maneje el crudo,

sino también sus refinados, para que los estudiantes se den cuenta que una estación de bombeo no maneja

únicamente petróleo.

Pero del mismo modo en que se piensa en un proceso industrial en específico como en este caso el

petróleo, se debería ampliar el rango de alcance de la herramienta didáctica, para que apoye otros procesos

industriales en los que son necesarios un operador y de esta forma fomentar la formación de los operarios

para que conozcan si es posible todos los posibles escenarios que se puedan presentar, y que no solo los

conozcan por medio de textos o manuales.

8 BIBLIOGRAFÍA

[1]https://www.lucidchart.com/pages/p-id-symbols-legend

[2]http://www.processtechacademy.com/isa-symbols-are-tell-tale-signs/

[3] Smith, Carlos A. and Corripio, Armando B. Principles and Practice of Automatic Process Control.

[4] Segunda edición. s.l. : John Wiley & Sons, Inc., 1997.

ISA The Instrumentation, Systems, and Automation Society. Instrumentation Symbols and

Identification. ISA-‐5.1-‐1984 (R1992). [ISA STANDARD]. North Carolina, EE.UU. Formerly

ANSI/ISA-‐5.1-‐1984 (R1992).

[5] J. L. David Basnett, «Simulating pipeline control systems for operator training,» 2005.

[6] A. M. Jackeline Córdova, «Training tools to evaluate pipeline operator performance and to validate

pipeline operational procedures,» PSIG, 2005.

[7] Operator Training Simulator, Invensys Systems Inc., Lake Forest, CA, 2014.

https://www.lucidchart.com/pages/p-id-symbols-legend

http://www.processtechacademy.com/isa-symbols-are-tell-tale-signs/



[8] Intermountain Power Service Corporation, Invensys Systems Inc., Plano, TX, 2010.

[9] http://www.bicentenario.com.co/index.php/quienes-somos-2/el-oleoducto.html

[10] https://www.copadata.com/es-es/soluciones-hmi-scada/interfaz-hombre-maquina-hmi/

[11] http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/hmi.pdf

9 ANEXOS

Anexo A

El primer caso que se observa en la Figura 71 el análisis cuando las válvulas V-1 y V-4 están abiertas, lo

que significa un error de simulación por lo tanto no puede haber flujo de salida que va a la planta la planta

ni flujo de salida si la estación está fuera de línea

Figura 71 Programación bypass caso 1

El segundo caso es el de la Figura 72 que es cuando solo V-4 está abierta, en esta opción la planta se

encuentra fuera de línea, lo que quiere decir que el material que entra sale sin pasar por la estación de

bombeo y se multiplica por 0.8 ya que se tiene en cuenta el Kv de apertura de la válvula V-4


http://www.bicentenario.com.co/index.php/quienes-somos-2/el-oleoducto.html

https://www.copadata.com/es-es/soluciones-hmi-scada/interfaz-hombre-maquina-hmi/

http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/hmi.pdf



El siguiente caso Figura 73 solo la válvula V-1 está abierta, este es el primer caso para generar camino de

flujo, por lo tanto, se permite al material pasar a través de V-1


El siguiente caso Figura 74 ninguna de las válvulas V-1 V-4 está abierta, por lo tanto, no puede haber

ningún flujo así que la salida de este bloque está en cero


Anexo B

La programación del filtro está dividida en dos etapas, una corresponde a la lógica de la apertura de las

válvulas y la segunda corresponde al tiempo de cambio de filtro en representación a la presión diferencial

alta.

Primera etapa:

La Figura 75 muestra está el primer caso que es cuando V-2 y V-4 abiertos en simultaneo, para el caso al

ser un error se activa y se muestra la alarma de solo un brazo adquirida del PLC, para que el instructor

sepa que hay un error en el filtro, el flujo de salida del filtro para este caso permanecerá en cero



Figura 75 Programación casos para el filtro

El siguiente caso mostrado en la Figura 76es que una de las dos válvulas este abierta, lo que significa que

una de las dos tendrá flujo mientras que la otra no.

Figura 76 Programación casos para el filtro

Segunda etapa:

Esta etapa corresponde a los temporizadores mostrados en la Figura 77 para cambiar de filtro cuando la

presión diferencia es alta.

Figura 77 Programación cambio del filtro



Cada vez que uno de los brazos del filtro es activado, inicia el temporizador correspondiente al brazo en

uso y dependiendo el modo de simulación el tiempo de cambio de filtro varía. Si el tiempo es completado

y el estudiante no realizo el cambio de filtro se genera una señal para abortar la simulación.

Anexo C

Una vez realizado el análisis matemático para un tanque lineal se obtiene la siguiente ecuación diferencial.


𝑑𝐻(𝑡)

𝑑𝑡= Ku ∗ U(t) − Kv ∗ sqrt (

𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝐻(𝑡)

𝐺𝑓)

La cual es modelada en Labview como se muestra en la Figura 78

Figura 78 Ecuación diferencial para el tanque

De este modelo se adquiere el porcentaje de nivel de los tanques para ser graficado, a su vez te tiene en

cuenta cuando es activado el control de nivel.

Anexo D

El flujo de salida de la estación de bombeo tiene que cumplir ciertos requerimientos que fueron

programados en Labview como se muestra en la Figura 79, en cuanto a la apertura de válvulas, el primer

caso corresponde a si V-10 y V-4 están abiertas lo que significa un error de simulación por lo tanto el flujo

de salida será cero, esta información error será mostrada por medio de alarmas y el instructor podrá saber

que el estudiante está cometiendo un error. El segundo caso es cuando solo una de las dos válvulas esta

activada, lo que significa un funcionamiento adecuado de camino de flujo de salida.



Figura 79 Programación para el flujo de salida

Anexo E

En la Figura 80 se encuentra la programación del control de la ruta de almacenamiento, es decir cuando el

estudiante genera un camino de flujo desde la entrada hasta alguno de los dos tanques de almacenamiento

que se activa cuando se abren las válvulas V1, V2, V7 y V8, o V1, V2, V7 y V9, o V1, V3, V7 y V8, o

V1, V2, V7 y V8, o V1, V3, V7 y V9, mientras la válvula V4 esté cerrada. Cuando alguno de estos

caminos es generado se le indica al estudiante mediante una señal visual que es generada en el HMI.



Figura 80 Programación ruta de almacenamiento HMI estudiante

Anexo F

En la Figura 81 se encuentra la programación del control de la ruta de despacho de la estación, es decir

cuando el estudiante genera un camino de flujo desde alguno de los dos tanques de almacenamiento hasta

la salida de la estación, que es la válvula 10, esta se activa cuando se abren las válvulas V10, V12

mientras V11 y V4 están cerradas, o V10, V11 están abiertas mientras V12 y V4 están cerradas. Cuando



alguno de estos caminos es generado se le indica al estudiante mediante una señal visual que es generada

en el HMI.

Figura 81 Programación Ruta de despacho HMI estudiante



Anexo G

En la Figura 82 se encuentra la programación de las alarmas de los tanques, es decir que se monitorea el

nivel actual del tanque, se parametriza esta señal entre un 0 y 100 %, y posteriormente este nivel

parametrizado es comparado con los niveles establecidos para la generación de alarmas.

Tabla 4 Parámetros de alarmas

Figura 82 Programación Tanques

Anexo H

En la Figura 83 se encuentra la programación del control PID que es implementado en el tanque 2, como

se puede ver existe un bloque PID que debe ser ajustado introduciendo las ganancias Kp, Ki, y Kd del

controlador. Este control es implementado para el nivel del tanque, y manipula únicamente el porcentaje

de apertura de la válvula de salida (V-11) del tanque. También está el control que sirve para el manejo de

la válvula, es decir que esta es solo manipulable cuando el control PID está apagado, de lo contrario el

estudiante puede manipular la válvula libremente. Además de esto se encuentra un comparador para poder

manipular el color de la válvula para saber el estado en que se encuentra.

Nivel Alarma de nivel

<10% Bajo-Bajo

<20% Bajo

>80% Alto

>90% Alto-Alto



Figura 83 Control PID

Anexo I

En la Figura 84 se encuentra la programación del control ON-OFF que es implementado en el tanque 1,

como se puede ver existe una comparación entre el nivel actual y el nivel que se desea tener en el tanque.

Al ser un control ON-OFF la apertura y cierre de la válvula son totales. Este control también sirve para el

manejo de la válvula, es decir que esta solo es manipulable cuando el control ON-OFF está apagado, de lo

contrario el estudiante puede manipular la válvula libremente. Además de esto se encuentra un

comparador para poder manipular el color de la válvula para saber el estado en que se encuentra. Existe

también la programación de la falla, es decir cuando se genera una falla en esta válvula y el estudiante no

la puede manipular, solamente el instructor.



Figura 84 Programación válvula 12

Anexo J

En la Figura 85 se encuentra la programación de los casos en los cuales la simulación puede llegar a

abortar, es decir los casos o las condiciones que se deben evitar para que el proceso se detenga, cuando se

presenta alguna de estas condiciones se genera una alarma visual en el HMI del estudiante, para que él se

dé cuenta de que generó una condición que no es permitida para el desarrollo del proceso, después de ser

generada esta alarma, el estudiante tiene 20 segundos para modificar esta condición, y hacer que el

proceso vuelva a su normalidad.



Figura 85 Condiciones para abortar simulación



Anexo K

En la Figura 86 se encuentra la rutina princial del proceso donde estan todos los bloques que fueron

generados individualmente, debido a que solo son bloques, estos solo tienen señales de entrada y salida, es

decir que evitamos hacer toda la programación en la rutina principal, para facilitar la visualización y la

comprension del sistema ademas de simplificar el proceso de deteccioón de fallas.

Figura 86 Rutina Principal



Anexo L

Ecuación correspondiente al tiempo de llenado de los tanques con la válvula de salida cerrada.

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 =𝐴[𝑚2] ∗ ℎ[𝑚]

𝑄_𝑖𝑛 [𝑚3

𝑠]

El resultado de esta ecuación es en segundos e indica lo que tarda el tanque en ser llenado, esta ecuación

fue implementada en Labview para que el instructor sea consiente del tiempo de llenado, con los valores

de la Tabla 1 del tanque que a su vez corresponde al tiempo estimado de simulación.

Tabla 5 Parámetros de entrada

Modelo Tanque Área tanque[m^2]

Altura

tanque[m] u entrada[m/s] Ku[m^2] Llenado tanque[min]

1 1 7 15 1.5 0.7 16.7

2 1 6 15 2 1 7.5

1 2 6 10 1.5 0.5 13.3

2 2 3 10 2 0.2 12.5

Ecuación de equilibrio, los tanques están en equilibrio cuando no hay variación en el nivel de los tanques,

es decir el flujo de entrada es igual al flujo de salida, la ecuación 6 correspondiente a la ecuación

diferencial de los tanques es igualada a cero y despejado h para saber cuál el nivel del tanque en

equilibrio, de la siguiente forma.

Ku ∗ U(t) − Kv ∗ sqrt (𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝐻(𝑡)

𝐺𝑓) = 0

ℎ =(𝐾𝑢 ∗ 𝑈)2

𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝑘𝑣2

Para el modo 1 descrito en la tabla 1 de los tanques se obtienen los siguientes valores de nivel:

ℎ𝑇𝐾1 = 0.28[𝑚]

ℎ𝑇𝐾2 = 0.147[𝑚]

Para el modo 2 descrito en la tabla 1 de los tanques se obtienen los siguientes valores de nivel:

ℎ𝑇𝐾1 = 1.02[𝑚]

ℎ𝑇𝐾2 = 0.041[𝑚]

Los cuales concuerdan con los valores de la simulación.

Anexo O

Debido a que los módulos de NI y el PLC no utilizaban los mismos valores de voltaje fue necesario

realizar dos tarjetas, una para incrementar el voltaje de el modulo NI a 24V que se muestra en Figura 87



Figura 87 convertidor 5V a 24V

y otra para disminuir el voltaje del PLC de 24 V a 5 V como se muestra en la Figura 88.

Figura 88 circuito divisor de voltaje

equipo didÁctico para simulaciÓn de una estaciÓn de bombeo

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