Sistema de control basado en PC para la ejecución de la arquitectura abierta NAMUR (NOA) en Bayer

La tecnología analítica de procesos (PAT) desempeña un papel crucial en la industria química. Bayer AG, por ejemplo, está mejorando la eficiencia y pasando de un mantenimiento basado en tiempo a un método basado en las condiciones, a través del vanguardista concepto NOA. Esto es posible gracias a la perfecta integración de un dispositivo de entrada compacto con un PC CX8110 embebido, terminales EtherCAT HART EL3182 y el servidor TwinCAT OPC UA de Beckhoff, sin ninguna alteración de la tecnología de control existente.

Bayer es una empresa de renombre mundial especializada en biociencias, especialmente en los ámbitos de la salud y la nutrición. Sus productos y servicios están diseñados para beneficiar a la humanidad y proteger el medioambiente, y abordan los principales retos que plantea una población mundial en constante crecimiento y envejecimiento. En la actualidad, Bayer explota una planta de formulación y seis instalaciones de ingredientes activos en el emplazamiento de Chempark Dormagen, donde emplea a unas 1230 personas. Su gama de productos incluye 35 ingredientes activos y diez productos intermedios en el ámbito de los fungicidas, herbicidas e insecticidas; entre sus marcas destacan, respectivamente, Luna, Laudis y Movento.

Control de los dispositivos de campo para garantizar la calidad

A la hora de garantizar que los procesos de producción se desarrollen con el nivel de calidad requerido, es crucial efectuar mediciones en diversos puntos de los flujos de trabajo del proceso. Es en este punto donde la tecnología analítica de procesos (PAT) permite evaluar en tiempo real la calidad del producto en línea durante el proceso, con el suministro de información directa a los operarios de producción sobre el control posterior. Una medición analítica clásica de la calidad en este contexto es la determinación del valor de pH del medio. Dado que la PAT desempeña un importante papel en el control de la calidad durante la producción, garantizar su correcto funcionamiento es un aspecto de suma importancia. Por este motivo, en el pasado, se ha consolidado el mantenimiento preventivo para PAT en la industria química, por lo general con arreglo a programas de mantenimiento basados en tiempo. Muchos dispositivos de PAT suministran simultáneamente una gran cantidad de información sobre el estado de salud que, actualmente, sigue sin aprovecharse en gran medida. Esto se debe a la falta de normalización de la información sobre las condiciones, lo que impone la necesidad de un laborioso trabajo preliminar para interpretar los datos. Por otra parte, la información normalizada sobre el estado de las instalaciones genera oportunidades para transformar el mantenimiento basado en tiempo en mantenimiento basado en las condiciones, lo que permite aumentar aún más la eficiencia de las operaciones PAT.

Ventajas de la NOA para las plantas industriales antiguas

Extraer datos adicionales de vitalidad o información sobre el estado de las instalaciones plantea un reto especialmente difícil, sobre todo en las plantas antiguas. En la actualidad, la arquitectura de automatización existente captura casi exclusivamente los datos de medición relevantes para el control del proceso y no está concebida para su alteración mediante la integración de nuevas tecnologías. Precisamente esto es lo que impulsó a la Asociación de Usuarios de Tecnología de Automatización en las Industrias de Procesos (NAMUR) a desarrollar la Arquitectura Abierta NAMUR (NOA). El concepto descrito en la Recomendación NE175 de la NAMUR amplía la arquitectura de automatización sin alterar el sistema de control existente. Así pues, la tarea principal de la NOA es ofrecer información desde el nivel de campo a las aplicaciones de nivel superior con el fin de supervisar los dispositivos de campo y optimizar el proceso (supervisión y optimización, M+O). El tipo de datos que se transmiten desde el nivel de campo depende de los dispositivos de campo utilizados y de las respectivas herramientas de análisis. En este caso, nos centramos en los parámetros cíclicos, que contienen información sobre las condiciones del dispositivo o la calidad del proceso. El mundo de la automatización de procesos abarca una amplia gama de protocolos y tecnologías de comunicación. Para la aplicación inicial del concepto NOA en Bayer, el equipo de proyecto de Beckhoff, formado por el Dr. Roger Rossmann, ingeniero de planificación de Bayer, junto con Lennart Winkler y Sebastian Böse, directores de industria de procesos en Beckhoff, optó por utilizar el protocolo HART. Esta opción ofrece tres ventajas significativas para el proyecto:

• El protocolo se utiliza ampliamente y, por tanto, se implanta en muchos dispositivos de campo de distintos fabricantes.
• La superposición de una señal digital al valor medido real de  4-20 mA facilita la transmisión de otros datos, como las condiciones del dispositivo de campo.
• Se puede abrir un segundo canal con un esfuerzo mínimo con la  ayuda de aisladores de alimentación especiales, que ya forman  parte de la arquitectura de automatización de muchas plantas. Esto implica que la conexión con el dispositivo de campo se divide  en la señal de 4-20 mA, la comunicación HART y la tensión de  alimentación, lo que supone que no se interrumpe la conexión existente con el sistema de control de procesos. Por tanto, los datos correspondientes pueden recibirse a través del segundo  canal y utilizarse para los procesos de M+O.

Beckhoff ofrece una forma de conectar dos dispositivos de campo a través del protocolo HART en un espacio de instalación muy compacto, en forma del terminal de entrada analógica EtherCAT EL3182. En combinación con un PC embebido (como un CX8110) y el software de automatización TwinCAT, se puede construir un dispositivo de entrada modular y ampliable sin necesidad de un hardware desarrollado específicamente. Su capacidad funcional puede dividirse en tres operaciones: 

• Recepción de datos de vitalidad a través del protocolo HART;
• Conversión y traducción de los datos;
• Suministro de información para herramientas de análisis de nivel 
• superior.

Es necesario enviar comandos desde el dispositivo de entrada para leer los datos de vitalidad a través del protocolo HART. Los datos que deben leerse y los comandos con los que se almacenan en el dispositivo de campo dependen del tipo de dispositivo (pH, oxígeno, temperatura, etc.) y del fabricante. Beckhoff ha desarrollado una base de datos para almacenar la información necesaria para la lectura de los datos de vitalidad. El archivo correspondiente se lee en TwinCAT, lo que facilita la comunicación con todos los dispositivos de campo almacenados en la base de datos. Si se conecta un dispositivo de campo al dispositivo de entrada, este se detecta automáticamente, se envían los comandos HART correspondientes y los datos recibidos se pueden convertir mediante funciones TwinCAT y tablas de traducción almacenadas.

Los datos de vitalidad almacenados en el PLC en este momento deben estar disponibles para otras aplicaciones de análisis en el siguiente paso. Es en este punto en el que NAMUR recomienda el uso de OPC UA. La cartera de Beckhoff ofrece diversos productos, incluido el servidor TwinCAT OPC UA. Se basa en un modelo de información almacenada y se rellena con datos de vitalidad procedentes directamente del PLC. El modelo de información se basa en el sistema PA-DIM (automatización de procesos, modelo de información de dispositivos), ampliado con los datos de vitalidad de los dispositivos de campo PAT. Los usuarios también tienen la opción de configurarlo para incluir más parámetros. En función del tipo de dispositivo de campo detectado, se pueden eliminar o añadir automáticamente nodos OPC UA individuales.

Éxito de la implantación en Bayer

Según el Dr. Roger Rossmann, la solución de Beckhoff se caracteriza por su facilidad de implantación. Y añade: “En lo que respecta a la obtención de datos normalizados de vitalidad, el planteamiento de gestión de la biblioteca no solo es abierto, sino que Beckhoff lo perfecciona de manera constante. Otro aspecto positivo a largo plazo es que la solución de Beckhoff puede detectar automáticamente los cambios de dispositivo de campo, lo que suprime la necesidad de una nueva configuración. Por último, cabe destacar que el dispositivo de entrada es fácilmente escalable y, por lo tanto, permite una expansión continua en las instalaciones de más antigüedad. La cartera de productos con terminales de E/S con compatibilidad Ex también admite el uso de una segunda salida de los dispositivos de campo para la adquisición de información HART, de conformidad con los requisitos Ex”.

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Este artículo aparece publicado en el nº 554 de Automática e Instrumentación págs. 69 a 71.