Sistema para el monitoreo y registro de variables en los fermentadores del CIGB de Camagüey

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA Sistema para el monitoreo y registro de variables en los fermentadores del CIGB de Camagüey. Autor: Yunierkis Nápoles Pérez Tutor: M.Sc. Fidel Hernández Lozano Consultante: Dr. Francisco Herrera Fernández. Santa Clara 2010 "Año 52 de la revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA Sistema para el monitoreo y registro de variables en los fermentadores del CIGB de Camagüey Autor: Yunierkis Nápoles Pérez E-mail: [email protected]. Tutor: M.Sc. Fidel Hernández Lozano Investigador adjunto CIGB-CMG E-mail: [email protected]. Consultante: Dr. Francisco Herrera Fernández Profesora Titular. Dpto de Automática. FIE E-mail: [email protected]. Santa Clara 2010 "Año 52 de la revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Habla poco de lo que sabes y nada de lo que ignoras, porque nadie habla bien de lo que no sabe..

(5) ii. DEDICATORIA. Este trabajo se lo dedico a todas aquellas personas que de una forma u otra han contribuido a que se realizara con éxito este trabajo, pero quisiera mencionar algunas que para mi son muy especial en mi vida, ellos son: A mi madre Marisol Pérez Hernández, que siempre me apoyó en todo y me guió por el buen camino. A mi papá que siempre me aconsejó estudiar mucho por difíciles que fueran las circunstancias y así convertirme en una persona valiosa. A mi hermano Jose Antonio y a mi sobrinito, a los cuales quiero mucho. A mis abuelos Elena Hernández y Amado Pérez, que aunque no están físicamente, siempre han estado en mi.

(6) iii. corazón y en mi mente. Les regalo este título con mucho amor. A mis abuelos Ebelio Nápoles y Evangelina Rodríguez, que aunque están lejos no los olvido A mis tías, tíos, primas y primos, que me apoyaron y dieron lo máximo de sí para ayudarme en todo. A mis amigos y amigas de la universidad, en especial a Ivón, a Danilo que aunque no está físicamente siempre lo recuerdo, a Lisbet, Dana, Cesar, Payan, Glenn, Carlitos, Raul A, Raul Días, Ciro, Rigoberto, Julio R, Yunior, Ismel. A Piloto y el Puma, amigos que pasaron buenos y malos momentos junto a mí. A Marta y Jorge, que mucho me aconsejaron. A Reynelda, Pipi y Dairon, nunca los olvidaré..

(7) iv. AGRADECIMIENTOS. A todos mis profesores en especial a mis tutores Fidel Lozano y Boris Luís, de los cuales aprendí muchísimo y les agradezco todo lo que aportaron a mi formación profesional. A mi consultante José luís, que me. aclaró muchas. dudas que tenía. A toda mi familia y amigos que siempre pensaron que yo si podía y tuvieron confianza en mí..

(8) v. TAREA TÉCNICA. 1.- Estudiar las generalidades de los procesos de fermentación, y sistemas de monitoreo. 2.- Hacer un estudio de las variables medidas en el proceso de fermentación. 3.- Estudiar las necesidades del centro respecto al monitoreo y registro de variables en fermentadores. 4.- Analizar el software FERMAC. 5.- Estudiar los elementos de un sistema de monitoreo y su disposición para obtener buenos resultados. 6.-Investigar acerca de los sistemas SCADA. 7.- Hacer un estudio de lo que es un servicio, y lenguaje de programación en el cual se pueda realizar. 8.- Hacer un estudio del puerto serie RS232.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(9) vi. RESUMEN. En el presente trabajo de diploma se diseñó un sistema capaz de monitorear y registrar las variables en un fermentador. Se estudiaron los procesos de fermentación y la influencia que tiene el comportamiento de las variables en la calidad del producto final. Se realizó un estudio de los sistemas de monitoreo SCADA. Para lograr una adecuada comunicación entre el autómata y el programa se identificó el protocolo utilizado en los sistemas SattCon de la Chemap, a través del puerto serie, utilizando la norma RS232. A partir de estos resultados se construyó un servicio encargado de colectar los datos de cada proceso. Los valores leídos del proceso son mostrados a los usuarios mediante una interfase gráfica donde se puede obtener además un registro del comportamiento de las variables durante el proceso..

(10) vii. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................iv TAREA TÉCNICA.................................................................................................................v RESUMEN ............................................................................................................................vi INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 Organización del informe................................................................................................4 El presente trabajo de Diploma constará de tres capítulos. .....................................4 CAPÍTULO 1. 1.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.................................................................5. Fermentación............................................................................................................5. 1.1.1. Tipos de Fermentaciones. .................................................................................6. 1.2. Fermentador o Biorreactor .......................................................................................8. 1.3. Descripción de las variables medidas en el proceso. ...............................................9. 1.4 Principales deficiencias del programa de monitoreo y registro que hay en la actualidad. (FERMAC) .....................................................................................................11 1.5 Registro y archivado ...................................................................................................12 1.5.1 Reportes ..............................................................................................................12 1.5.2 Tipos de reportes.................................................................................................12.

(11) viii 1.6 Necesidad de monitoreo de las variables del proceso................................................13 1.7 Monitoreo....................................................................................................................14 1.7.1 Elementos que permiten el monitoreo .................................................................14 1.7.2 Ejemplo de sistema de monitoreo, SCADA ........................................................19 1.8. Servicio ..................................................................................................................21. 1.8.1 El SCM ...............................................................................................................22 1.8.2 Lenguaje de programación...................................................................................22 CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO ........................................24. 2.1 Método de monitoreo distribuido ...............................................................................24 2.2.1 Sensores del fermentador....................................................................................26 2.2.2 SattCon 15...........................................................................................................28 2.2.3 Protocolo de comunicación COMLI....................................................................29 2.2.4 Áreas que se definen en un canal COMLI ...........................................................30 2.2.5 Comunicación física PC - Fermentadores ...........................................................31 2.3 Base de datos ..............................................................................................................31 2.3.1 Base de datos del sistema.....................................................................................32 2.4 ServiceFER .................................................................................................................33 2.4.1 Diagrama funcional del ServiceFER ...................................................................34 2.4.2 Ventajas que ofrece el ServiceFER dentro del sistema de monitoreo .................38 2.5 Interfase MMI FasCon...............................................................................................38 2.5.1 Requerimientos de PC ........................................................................................39 CAPÍTULO 3.. RESULTADOS DEL SISTEMA ............................................................40. 3.1. Visualización del estado de las variables ...............................................................40. 3.2. Panel principal........................................................................................................41.

(12) ix 3.3. Registro de las variables en los fermentadores del CIGB de Camagüey ...............44. 3.4. Otras Herramientas.................................................................................................47. 3.5. Comparación del FasCon con el FERMAC ...........................................................49. 3.6 Análisis económico.....................................................................................................50 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................52 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................53.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo científico alcanzado en Cuba, nos ha permitido reconocer y ubicar la biotecnología entre las principales ramas de la ciencia, siendo su máximo exponente el Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología. En este centro se han obtenido productos de uso vital en la medicina, la agricultura y la industria alimenticia y de forma incrementada en la química especializada, lo que tiene gran repercusión social y económica en nuestro país y para el mercado internacional. La producción constituye una etapa de mucha importancia, que permite convertir los resultados obtenidos en el laboratorio en un producto finalmente útil y comercializable. Los beneficios alcanzados en este proceso están directamente vinculados a la eficiencia con que se desarrolle, y en este aspecto la fermentación juega un papel determinante. Debido al aumento de la demanda de los productos biotecnológicos, y la necesidad de hacerlos más competitivos, sobre todo a nivel internacional, es necesario aumentar la capacidad de producción y disminuir los costos, mas aún cuando estos productos forman parte de uno de los mayores ingresos anuales del país. Los productos biotecnológicos son caros desde su inicio, por lo tanto disminuir el costo de producción es sumamente importante para lograr un mayor impacto en el desarrollo social. En la mayoría de los países industrializados la biotecnología está reconocida como una tecnología de importancia para el futuro. En la actualidad se utilizan en la medicina productos farmacéuticos compuestos preferentemente por proteínas recombinantes. La fermentación es uno de los pasos más importantes en la cadena de elaboración de una vacuna, donde las células convierten materia prima (substrato) en más células con el consecuente aumento del producto de interés..

(14) INTRODUCCIÓN. 2. Dado que el objetivo fundamental de la fermentación es la producción de biomasa y/o. producto. es. necesario. monitorear. este. proceso. para. conocer. su. comportamiento en todo momento y adoptar acciones tecnológicas oportunas según el estado del proceso. Cualquier sistema moderno de control o de monitoreo requiere de elementos de interfase con el mundo real. El monitoreo constante de las variables de un proceso de fermentación permite obtener un registro para evaluar su comportamiento, lo que constituye un factor necesario en la determinación de la calidad del producto final. La automatización de la lectura permite incrementar la densidad de datos y por ende obtener una representación más confiable del proceso. El proceso de fermentación en la planta de producción de vacunas del CIGB de Camagüey se lleva a cabo en instalaciones llamadas biorreactores o simplemente fermentadores, básicamente una unidad de este tipo esta constituida por un vaso de acero inoxidable donde se inoculan los microorganismos y el medio de cultivo (materia prima indispensable para el crecimiento de los microorganismos), sensores para la medición de los parámetros que determinan la calidad del proceso y un sistema de control que garantiza que estos parámetros se mantengan en niveles adecuados. Un proceso de fermentación exige condiciones para que el producto final tenga la calidad requerida. La principal tarea es mantener la temperatura, agitación y presión en el interior del vaso, pH del medio, nivel de oxígeno disuelto y C02 a valores establecidos para cada microorganismo a fermentar. Cada biorreactor incluye una unidad encargada de registrar el comportamiento en el tiempo de cada parámetro sin la posibilidad de alertar cuando ocurre una anomalía en el proceso de fermentación. Cada una de las instalaciones disponibles presenta un tiempo de explotación considerable, que ha conllevado a que ya no se disponga de ninguna de estas unidades registradoras. Para suplir esta demanda se diseñará un sistema sencillo que permita registrar de forma simultánea los parámetros de una batería de hasta cuatro fermentadores, el sistema incluye un pequeño software, simple y adecuado a las condiciones de trabajo. Sin duda hoy en día existen software potente como el SCADA y.

(15) INTRODUCCIÓN. 3. Registradores Virtuales que podrían enfrentar una labor como ésta, pero con la gran desventaja de los elevados precios de adquisición en el mercado, lo cual no justificaría la implementación en una tarea de poca complejidad. Este proceso está encaminado a la fermentación de células de levadura recombinadas para obtener la expresión de una proteína utilizada en vacunas con múltiples usos. Si el comportamiento de la fermentación fuese malo, la acción correctiva pudiera resultar tardía y desastrosa si se utilizaran los métodos tradicionales de medición fuera de línea (off-line). Estos métodos fuera de línea implican pérdida de densidad de información, retraso en la obtención de resultados y normalmente requieren más esfuerzo humano. Lo poco rentable de los equipos adecuados y la ausencia de métodos apropiados para la obtención de lecturas de todas las variables del proceso son fuertes obstáculos en esta tarea. En los procesos biotecnológicos se busca la producción de altas concentraciones de biomasa y/o producto. Estos procesos son afectados por muchas variables que tienen una influencia directa en el metabolismo de las células, tales como: la temperatura, pH, oxígeno disuelto, potencial reducción oxidación (redox), dióxido de carbono disuelto, velocidad de agitación entre otros. Para optimizar la producción es necesario controlar las variables más importantes del proceso. Muchas de estas variables pueden ser medidas en línea, como por ejemplo: el pH, la temperatura, la velocidad de agitación, DO2 etc.. Objetivos Generales 1.- Diseñar un sistema que permita monitorear y registrar las variables en los fermentadores del CIGB de Camagüey.. Objetivos Específicos 1. Resumir las características generales de un proceso de fermentación para la producción de vacunas por métodos recombinantes. 2. Caracterizar los sistemas SCADA..

(16) INTRODUCCIÓN. 4. 3. Construir una arquitectura distribuida que permita acceder a las variables del fermentador desde una computadora en red. 4. Diseñar un programa capaz de mostrar el comportamiento de las variables del proceso. 5. Comunicar el autómata del fermentador con el programa.. Organización del informe. El presente trabajo de Diploma constará de tres capítulos. En el Capítulo 1 llamado REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ofrece una descripción de los procesos de fermentación, así como los tipos de fermentaciones que existen. Se manejarán conceptos importantes de funciones que debe realizar un sistema de monitoreo. Se hará hincapié en el monitoreo y su necesidad en la industria biotecnológica, así como la importancia de monitorear las variables que intervienen en el proceso de fermentación. Se explicarán las limitantes del software que existe en la actualidad (el FERMAC), se dará a conocer la importancia del trabajo de forma general, entre otras cosas. En el Capítulo 2 llamado DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO, se identificará el protocolo de comunicación de los autómatas instalados en los fermentadores, se explicará el funcionamiento del sistema general y las características de cada elemento que conforma el sistema de monitoreo. Se diseñará un servicio para la lectura y escritura de datos entre la base de datos del FasCon y los PLC instalados en los fermentadores del centro. En el Capítulo 3 llamado RESULTADOS DEL SISTEMA se explicarán los resultados obtenidos, se hará una comparación entre el FERMAC y el FASCON, se mostrará un análisis económico y se darán a conocer las conclusiones, recomendaciones y las referencias bibliográficas..

(17) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 5. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.. En el siguiente capítulo se tratarán aspectos teóricos de los procesos de fermentación y su necesidad para las industrias biotecnológicas. Los sistemas de monitoreo en la actualidad son la garantía de calidad de un proceso, pues permiten operar rápidamente ante cualquier falla e incluso predecir el posible error, esto posibilita actuar antes de que ocurra. Existen varios tipos de monitoreo según la complejidad y necesidad del proceso en cuestión. A continuación se hablará del proceso de fermentación así como de la necesidad de su monitoreo, y de algunos elementos físicos que en su conjunto permiten que se pueda monitorear un proceso. 1.1. Fermentación.. Fermentación: Reacción de transformación/degradación de materia orgánica catalizada por enzimas producidas intro o exocelularmente, de forma controlada o no, para producir protoplasma celular, metabolitos deseados o no, o reproducción de microorganismos, en presencia o ausencia de aire (Smith 2008). Este proceso es realizado en un fermentador o biorreactor. Necesidad de las fermentaciones. Para los CIGB el proceso de fermentación es uno de los pasos más importantes en la cadena de elaboración de una vacuna. El objetivo fundamental del mismo es la producción de biomasa para de ahí obtener la expresión de las proteínas que luego serán utilizadas para la fabricación de las distintas vacunas. Durante este.

(18) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 6. proceso las células convierten materia prima (substrato) en más células con el consecuente aumento del producto de interés. 1.1.1. Tipos de Fermentaciones.. x Fermentación Alimentada (fed-batch). En los procesos convencionales discontinuos, todos los sustratos se añaden al principio de la fermentación. Una mejora del proceso cerrado discontinuo es la fermentación alimentada que se utiliza en la producción de sustancias como la penicilina. En los procesos alimentados, los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación. La formación de muchos metabolitos secundarios está sometida a represión catabólica (efecto glucosa). Por esta razón en el método alimentado los elementos críticos de la solución de nutrientes se añaden en pequeñas concentraciones al principio del proceso y continúan añadiéndose en pequeñas dosis durante la fase de producción.. x Fermentación Discontinua. Una fermentación discontinua (en batch) puede ser considerada como un "sistema cerrado". Al inicio de la operación se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la incubación en condiciones óptimas de fermentación. A lo largo de toda la fermentación no se añade nada, excepto oxígeno (en forma de aire), un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el pH. La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la concentración de metabolitos cambia generalmente como resultado del metabolismo de las células observándose las cuatro fases típicas de crecimiento: fase de latencia, fase logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte. En los procesos comerciales la fermentación frecuentemente se interrumpe al final de la fase logarítmica (metabolitos primarios) o antes de que comience la fase de muerte (metabolitos secundarios)..

(19) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 7. x Fermentación Continua. En la fermentación continua se establece un sistema abierto. La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema. El objetivo fundamental de la industria de las fermentaciones es minimizar costes e incrementar los rendimientos. Este objetivo puede alcanzarse si se desarrolla el tipo de fermentación más adecuado para cada paso en particular. Si bien los procesos de fermentación continua no se utilizan de forma general en la industria, debido fundamentalmente al mayor nivel de experiencia que se tiene en el crecimiento de células en fermentación discontinua, el coste de producción de biomasa mediante cultivo continuo es potencialmente inferior al de cultivo discontinuo. De este modo se han instalado plantas de producción para la producción continua de proteína de origen unicelular a partir de n-alcanos, compuestos C1 y almidones. Aunque muchas fermentaciones para la producción de metabolitos funcionan bien como procesos continuos, sólo unos pocos procesos han resultado útiles para la aplicación práctica por varias razones: 1.- Muchos métodos de laboratorio operan continuamente durante un período de tiempo que está entre 20 a 200 horas; para que sea de utilidad industrial el sistema debe ser estable durante al menos 500 a 1000 horas. 2.- Mantener las condiciones estériles a escala industrial a lo largo de un largo período de tiempo es difícil. 3.- La composición de los sustratos debe ser constante a fin de obtener una producción máxima. La composición de las soluciones de nutrientes industriales son variables (líquido de maceración del maíz, peptona, etc.) lo que puede originar cambios en la fisiología de la célula y disminuir la productividad..

(20) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 8. 4.- Cuando se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados, los cuales pueden crecer en cultivo continuo más deprisa que las cepas de producción por lo que el rendimiento disminuye con el tiempo ya que cada vez son menos células las que sintetizan el producto de interés. 1.2. Fermentador o Biorreactor. Figura 1.1 Biorreactor. Recipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la que interviene un biocatalizador. Usualmente los biorreactores están equipados con un número de sensores Físicos como: Temperatura, Presión, Gas, Flujo líquido, Velocidad de agitación etc., o Químicos como: pH, DO2, redox, O2 y CO2. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores.

(21) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 9. son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados de acero inoxidable. Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celular. En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al elemento que se cultiva (Koshkin N. I. 2001). 1.3. Descripción de las variables medidas en el proceso.. Figura 1.2 Variables en un fermentador. Principales parámetros medidos en un fermentador. Temperatura (Temp.): La temperatura es otro de los parámetros esenciales para el éxito de una fermentación, es de importancia crítica en los procesos biológicos, la variación de hasta 1ºC, pues puede tener un gran efecto sobre las reacciones. Esto hace que el control de temperatura precisa y estable así como el monitoreo sean necesarios. Los microorganismos que crecen a una temperatura inferior a la óptima tienen retardado su crecimiento y por lo tanto reducida la producción celular, es decir su productividad. Por otro lado, si la temperatura es demasiado.

(22) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 10. alta, pero no letal, se puede inducir una respuesta de estrés al choque térmico con la consiguiente producción de proteasas celulares que ocasionan una disminución en el rendimiento de los productos proteicos (Stacy 1989). A fin de obtener rendimientos óptimos, las fermentaciones deben ser llevadas a cabo en un margen estrecho de temperatura y a ser posible constante. La velocidad de producción de calor debida a la agitación y a la actividad metabólica de los microorganismos no se ve compensada por las pérdidas de calor que resultan de la evaporación, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeración. Dentro de éstos, los más utilizados en las fermentaciones industriales son las camisas de agua. Tabla 1.1 Clasificación de los microorganismos de acuerdo a sus temperaturas. Microorganismos. Temp. Mínima (°C). Temp. Óptima (°C). Temp. Máxima (°C). Psicrófilo. -5 +5. 12 - 15. 15 - 20. Psicrótrofo. -5 +5. 25 - 30. 30 - 35. Mesófilo. 5 - 15. 30 - 45. 35 - 47. Termófilo. 40 - 45. 55 - 75. 60 - 90. Velocidad de agitación: La velocidad de agitación y sus variaciones durante el transcurso de una fermentación se traducen en modificaciones de las características del fluido, por tanto es una variable de gran interés, que además su conocimiento le permite a los especialistas hacer mediciones de viscosidad de forma indirecta. Oxígeno Disuelto (DO2): Uno de los factores más críticos en la operación de fermentación a gran escala es el suministro de un intercambio de gases adecuado. El oxígeno es el sustrato gaseoso más importante para el metabolismo microbiano, y el anhídrido carbónico es el producto metabólico más importante. El oxígeno no es un gas muy soluble ya que una solución saturada de oxígeno contiene aproximadamente 9 mg / L de este gas en agua. Debido a la influencia de.

(23) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 11. los ingredientes del cultivo, el contenido máximo de oxígeno realmente es más bajo de lo que debería ser en agua pura. El suministro se logra pulverizando aire en el fermentador durante el proceso. pH: La mayor parte de los microorganismos crecen óptimamente entre pH 5,5 y 8,5. Pero durante el crecimiento en un fermentador, los metabolitos celulares son liberados al medio, lo que puede originar un cambio del pH del medio de cultivo. Por lo tanto se debe controlar el pH del medio de cultivo y añadir un ácido o una base cuando se necesite para mantener constante el pH. Por supuesto que esta adición del ácido o base debe ser mezclada rápidamente de tal manera que el pH del medio de cultivo sea el mismo en todo el fermentador. El resultado deseado es la cantidad de proteína biológicamente activa expresada por el microorganismo, la que también se puede denominar biomasa activa, pues son aquellas proteínas que son capaces de levantar títulos de anticuerpos al ser suministrada a los organismos vivos. La medición de este resultado se obtiene mediante ensayos de ELISA. Esta técnica se implementa a nivel de laboratorio con un amplio margen de retardo por lo que sus resultados no permiten una acción de control oportuna y a pesar de estar establecidas no se lleva a cabo pues es una técnica cara cuyo resultado no influye en la calidad del proceso. Para tener una idea de cómo se comporta la producción se realizan mediciones periódicas de la densidad Óptica. Este parámetro guarda una relación no lineal e imprecisa con la variable de interés pero es el único medio con que se cuenta para definir el estado de la biomasa (Olesen 1999). 1.4 Principales deficiencias del programa de monitoreo y registro que hay en la actualidad. (FERMAC) Para monitorear y registrar las fermentaciones y los fermentadores, el CIGB de Camagüey cuenta con un programa el cual presenta un conjunto de dificultades para lograr el monitoreo y registro de las variables, entre las que se encuentran: es poco flexible, no permite el trabajo en red, poco seguro, datos incompatibles con los sistemas de procesamiento, trabaja sobre un sistema operativo de poco dominio, No es compatible con las nuevas tecnologías. Debido a las dificultades.

(24) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 12. planteadas anteriormente se considera como problema la falta de la existencia de un programa sobre Windows capaz de cubrir todas estas necesidades para el mejoramiento y calidad del trabajo en el área de producción. 1.5 Registro y archivado Por registro (logging) se entiende el archivo temporal de valores, generalmente basándose en un patrón cíclico y limitado en tamaño. Por ejemplo, se puede definir un archivo histórico de alarmas de manera que almacene en el disco duro hasta mil alarmas de forma consecutiva. En el momento en el cual se produzca la siguiente alarma se escribirá sobre la primera que se guardó (registro de tipo rotativo). También será posible definir que, una vez el registro de alarmas esté lleno, se guarde una copia en un archivo (archivado) que no se borra, quedando a disposición del usuario que necesite recuperar esos datos. Los datos de alarmas y eventos que ocurren en el sistema suelen ir acompañados de más identificadores, tales como el momento en el cual ocurrieron (Time Stamp) o el usuario activo en ese momento (Estrada. 2004). 1.5.1 Reportes Permiten disponer de un resumen en papel o en soporte magnético de todo el estado del sistema en un determinado momento para su posterior análisis. En la realización de Reportes es muy importante antes de armar el formato y los datos que va a contener el mismo, definir a quien está dirigido para poder determinar cual dato conviene o no incluir. Se debe tomar como premisa que solo se debe colocar la información necesaria y útil. Los datos pueden ser generados en las unidades de adquisición de datos ya sea a través de cálculos o históricos o bien en el mismo sistema de supervisón, la primera opción tiene como ventaja que antes fallas de comunicación el reporte se podrá obtener una vez reestablecida la comunicación (Apontes 2003). 1.5.2 Tipos de reportes Existen diferentes tipos de reportes con relación a como son obtenidos los datos en función del tiempo, los mismos son:.

(25) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 13. REPORTE INSTANTÁNEO DE VARIABLES Permite sacar una “foto” de la información adquirida en un determinado momento, el mismo se puede realizar imprimiendo una pantalla definida como reporte o exportando a un archivo gráfico una pantalla para luego ser impreso o almacenado. La desventaja de este modelo es que solo se cuenta con la información de un instante sin saber como ha evolucionado. REPORTE HISTÓRICO Permite incluir información dentro de un periodo de tiempo. Se genera un archivo con formato texto separado por comas (CSV) el cual va incluyendo registros cada un cierto periodo. En este reporte generalmente se guardan la hora, fecha y los valores de las variables. Este almacenamiento debe ser programado dentro del software SCADA. Para su lectura y procesamiento se pueden usar planillas de cálculo como Excel, donde a través de macros se puede realizar la importación de los datos y su formateo para la presentación, ya que el archivo de texto no puede guardar ni formatos ni encabezados (Apontes 2003). 1.6 Necesidad de monitoreo de las variables del proceso. En la producción biofarmacéutica el proceso de fermentación se ha considerado tradicionalmente como una de las partes más críticas de la producción, en términos de efecto sobre la calidad y consistencia del producto. En términos generales los parámetros físicos (por ejemplo, pH, temperatura, presión, velocidad de agitación, etc.), pueden ser considerados parámetros críticos que generalmente determinan la cantidad y calidad del producto (Markku Känsäkoski 2006). Una fermentación no puede ser utilizada para la fabricación de un lote de vacunas sin un registro del comportamiento del proceso. Esto garantiza una calidad estable del producto, la cual es auditada por organizaciones internacionales de gran prestigio como la OMS. Poder observar varios procesos al mismo tiempo, poder utilizar los datos obtenidos en un análisis posterior con herramientas estadísticas para el.

(26) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 14. mejoramiento de la calidad y del desempeño del personal que labora en el centro son premisas que demuestran claramente la importancia y repercusión a nivel nacional de este trabajo. 1.7 Monitoreo. El monitoreo es el proceso de recoger y procesar información proveniente de determinadas fuentes, por ejemplo autómatas, los datos (temperatura, presión, velocidad…) son leídos en tiempo real y presentados a los operadores de planta. Esto permite conocer el comportamiento de cualquier tipo de proceso y tomar acciones correctivas a tiempo. El monitoreo puede realizarse a distancia o local (dentro del área), incluso por la red de redes, Internet. Esto garantiza gran flexibilidad, y mejora el desempeño de operadores y especialistas en su trabajo diario. Permite el conocimiento de la información y estado de la producción aún estando a grandes distancias del proceso. 1.7.1 Elementos que permiten el monitoreo Para lograr un monitoreo eficiente hay que tener un buen sistema en su conjunto, los sistemas de monitoreo de procesos industriales generalmente están formados por: sensores y transmisores, tarjetas de adquisición de datos o PLC, sistema de comunicación, PC industrial, PC de escritorio etc, interfaz MMI. 1- Los sensores son dispositivos de campo que generalmente convierten el valor de una variable física en una variación de resistencia eléctrica, este proceso lo realizan bajo determinados principios de funcionamiento, luego el transmisor se encarga de convertir la variación de resistencia en una señal eléctrica normalizada que generalmente es de 4 a 20 mA, 0 a 20 mA, 0 a 5 V, 0 a 10 V etc, los sensores se pueden clasificar en analógicos o digitales. 2- Un PLC es una computadora especializada que basada en un microprocesador se encarga de diferentes funciones de control de muchos tipos y niveles de complejidad. Su propósito general es monitorear parámetros cruciales de un proceso y ajustar las condiciones de operación del mismo de acuerdo a necesidades específicas (Ana Elizondo 2003). Estos dispositivos cuentan con un.

(27) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 15. número de entradas y salidas analógicas y digitales, puertos de comunicación, contadores, temporizadores, funciones predefinidas etc. El PLC tiene la ventaja de que puede ser programado, controlado y operado por una persona aunque esta no tenga habilidades en operación de computadoras. En esencia, el operador del PLC dibuja las líneas y los dispositivos en un diagrama de escalera en una pantalla, y ese dibujo resultante se convierte a lenguaje de máquina y se corre como un programa de usuario. Anteriormente al PLC se le denominaba PC (Controlador Programado), sin embargo, con la aparición de la computadora personal (PC), se le empezó a denominar PLC (controlador lógico programado) para evitar confusiones (Ana Elizondo 2003). Otras Ventajas del PLC son: Flexibilidad: un modelo de PLC puede controlar varias máquinas diferentes, cada una con su programa propio; no se requiere un controlador para cada una como sucedía anteriormente. Implementación de cambios y corrección de errores: cuando se decide cambiar un programa o parte de él, se puede realizar desde un dispositivo de entrada (teclado) en solo unos minutos; anteriormente se requería realizar de nuevo el alambrado del panel de control. Bajo costo: el incremento de la tecnología ha posibilitado introducir mayor cantidad de funciones en espacios más reducidos y más baratos. Prueba piloto: el PLC programado puede ser probado para evaluarlo en condiciones de laboratorio; de esta forma se realizan las modificaciones necesarias para que trabaje correctamente en el campo. Velocidad de operación: la velocidad de operación de un programa de PLC es bastante rápida, en general esta determinada por el tiempo de escaneo de los datos, que ronda los milisegundos. Seguridad: un cambio en el programa del PLC no puede hacerse a menos que éste sea debidamente intervenido; en los sistemas de relees se podían realizar cambios fácilmente sin documentación, que eran olvidados fácilmente..

(28) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 16. 3- La comunicación con los dispositivos de campo, los cuales a su vez adquieren datos del proceso y realizan control del mismo es otro de los componentes fundamentales del sistema de monitoreo, ya que es a través de este componente de donde se nutren de información en tiempo real. En estas comunicaciones, como en cualquier otra, dos aspectos son fundamentales, el medio físico y el lenguaje o protocolo a utilizar (Apontes 2003). Puerto serie como medio físico de comunicación: El puerto RS232, existente en todos los ordenadores, actualmente es el sistema más común para la transmisión de datos entre ordenadores. Todos los ordenadores como mínimo poseen uno (módem, ratón,…). El RS232 es un estándar de comunicaciones propuesto por la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA) y es la última de varias versiones anteriores. Antiguamente se utilizaba para conectar terminales a un ordenador Host. Se envían datos de 7, 8 o 9 bits. La velocidad se mide en baudios (bits/segundo) y sólo son necesarios dos cables, uno de transmisión y otro de recepción. Lo más importante del estándar de comunicaciones son las funciones específicas de cada ping de entrada y salida de datos. Se encuentran básicamente dos tipos de conectores los de 25 pines y los de 9 pines, es probable que se encuentre más la versión de 9 pines aunque la versión de 25 permite mucha más información en la transferencia de datos. Las señales con las que actúa el puerto son digitales (0 - 1) y la tensión a la que trabaja es de 12 Voltios. La interfaz RS-232 está diseñada para distancias cortas, de unos 15 metros o menos, y para velocidades de comunicación bajas, de no más de 115.2 [Kb/s]. La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half duplex o full duplex. En un canal simplex los datos siempre viajarán en una dirección, por ejemplo desde DCE a DTE. En un canal half duplex, los datos pueden viajar en una u otra dirección, pero sólo durante un determinado periodo de tiempo; luego la línea debe ser conmutada antes que los datos puedan viajar en la otra dirección. En un canal full duplex, los datos pueden viajar en ambos sentidos simultáneamente..

(29) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 17. Lenguaje o protocolo a utilizar: Dado que los tipos de Dispositivos de Adquisición de Datos o DAD (RTU, PLC, Controlador, etc.) son muy variados y los protocolos que ellos pueden manejar son muchos, se utilizan tres modelos. x. El más antiguo de ellos se basa en utilizar un intérprete, el cual habla el lenguaje del Dispositivo de Adquisición de Datos o DAD y lo interpreta, convierte la información y la transfiere a la base de datos del SCADA, estos interpretes son denominados comúnmente DRIVERS y se requiere uno por cada tipo diferente de protocolo.. x. El otro modelo es utilizar un lenguaje común y estándar, forzando a los fabricantes de dispositivos de adquisición de datos a tener un intérprete de ese lenguaje común o protocolo estándar dentro de su dispositivo, como sería el caso del protocolo MODBUS.. x. Una variación a este último modelo lo constituye el Driver OPC (OLE for Process Control) donde se utiliza la tecnología OLE (Object Linking and Embedding) de Windows.. Un Driver es un intérprete y por tanto se requiere de uno por cada tipo diferente de protocolo o lenguaje, en un inicio existían tantos protocolos como dispositivos de adquisición de datos, lo cual complicaba el desarrollo del software SCADA ya que debían desarrollar un driver por cada dispositivo que se creaba.. Figura 1.3 Un intérprete por cada DAD.

(30) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 18. En general en la mayoría de los drivers se utiliza el método de direccionamiento a través de identificación de dispositivo, mediante un Nº de dispositivo y de una identificación del dato a través de un registro. Los drivers además de generar la conversión de la información que se envía y se recibe de los dispositivos de campo, informan sobre el estado de estas comunicaciones y en algunos casos sobre estadísticas de los mismos. Existen drivers que funcionan solo bajo el modelo de Punto – Multipunto con el sistema de encuesta o Polling basado en tiempo (por Ejemplo MODBUS, DF1) y otros que permiten utilizar tanto en modo Polling o por Excepción, es decir los dispositivos esclavos pueden enviar mensajes en caso de alarmas o eventos importantes (por ejemplo ROC, MODSCAD, BISAP, DNP3). Por otro lado también hay drivers que utilizan modelo Cliente – Servidor (DATA HIGHWAY+) (Apontes 2003). 4- Un PC industrial es un equipo fabricado específicamente para operar bajo condiciones extremas, entiéndase por extrema, altos niveles de ruido, humedad, vibraciones, campos magnéticos etc. 5- El MMI (Man Machine Interface) Interfase Hombre-Máquina, comprende los sinópticos de control y los sistemas de presentación gráfica. La función de un Panel Sinóptico es la de representar, de forma simplificada, el sistema bajo control. En un principio los paneles sinópticos eran de tipo estático, colocados en grandes paneles plagados de indicadores y luces. Con el tiempo han ido evolucionando, junto al software, en forma de representaciones gráficas en pantallas de visualización (PVD, Pantallas de Visualización de Datos). En los sistemas complejos suelen aparecer los terminales múltiples, que permiten la visualización, de forma simultánea, de varios sectores del sistema. De todas formas, en ciertos casos, interesa mantener la forma antigua del Panel Sinóptico, pues la representación del sistema completo es más clara para el usuario al tenerla presente y no le afecten los eventuales fallos de alimentación de componentes o de controladores gráficos. En la actualidad los sistemas más clásicos de monitoreo son los SCADA (Estrada. 2004)..

(31) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 19. 1.7.2 Ejemplo de sistema de monitoreo, SCADA SCADA proviene de las siglas Supervisory Control And Data Acquisition. Es una aplicación software de control de producción diseñada especialmente para trabajar sobre ordenadores, que se comunica con los dispositivos de campo y controla el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador (CASTELLANOS 2008). Proporciona información del proceso a diferentes usuarios:. operadores,. supervisores. de. control. de. calidad,. supervisión,. mantenimiento etc. Una de las funciones específicas es la explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción, gestión administrativa y financiera (LOZANO 2009). El control directo lo realizan los controladores autónomos digitales y/o autómatas programables que están conectados a un ordenador que realiza las funciones de diálogo con el operador, tratamiento de la información y control de la producción, utilizando el SCADA, este en su vertiente de herramienta de interfase hombremáquina, comprende toda una serie de funciones y utilidades encaminadas a establecer una comunicación lo más clara posible entre el proceso y el operador. Todos los sistemas HMI/SCADA típicamente se ejecutan en los sistemas operativos Windows XP y ahora, Windows Vista. Sin embargo, con Windows CE y Windows XP ganando popularidad debido a sus menores costos y huellas de software más pequeños, manufactureros de pantallas táctiles han desarrollado infinidad de productos para soportar estos sistemas operativos. Una gran opción para mantener los costos totales del sistema al mínimo es utilizar este software de bajo costo cada vez que sea posible. En los sistemas de monitoreo el intercambio de información casi se generaliza bajo el concepto de Base de Datos (DB), donde se considera un modelo organizado y estructurado de datos. Se trata de un fichero de datos en el cual se realizan consultas y actualizaciones. Se puede agregar, extraer, actualizar o realizar operaciones diversas por medio de un lenguaje adecuado. En general las bases de datos elementales se pueden considerar como una tabla formada por varias filas y columnas donde cada fila corresponde a un registro y cada columna a una característica de ese registro. En el caso de la base de datos SCADA, las.

(32) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 20. filas de la misma pudieran ser Variables de la planta o proceso y las columnas representarían diferentes características de esa variable. Para identificar cada variable de una manera organizada e inequívoca se utilizan lo que se denomina “TAG”, cuya identificación está normalizada por la Sociedad Americana de Instrumentación ISA (Instrument Society off American), la cual es un estándar internacional, que se adecua generalmente a las diferentes aplicaciones, la cual indica como se debe representar cada TAG de acuerdo a la variable que representa, asociado a este TAG se encuentra una descripción de la variable. El funcionamiento de la base SCADA, generalmente es a través de un sistema cliente – servidor, donde esta base de datos funciona tanto como cliente, pidiendo datos a los módulos de comunicaciones y como servidor de datos para los módulos de visualización, alarmas e históricos (Apontes 2003). Los primeros SCADA eran simples sistemas de telemetría que proporcionaban reportes periódicos de las variables de campo, vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones del estado de la planta desde ubicaciones generalmente remotas (lugares geográficamente aislados). En muchos casos su función era imprimir o registrar en papel la información de las variables de la planta, llevando un histórico de los eventos que ocurrían durante la operación del proceso. Estos sistemas ofrecían prestaciones muy simples de monitoreo y control, sin proveer funciones de aplicación de ningún género. La visión del operador del proceso estaba dada en instrumentos y señalizaciones lumínicas montadas en paneles llenos de indicadores (CHACÓN 2001). La supervisión es el hecho de monitorear a distancia los procesos industriales, de forma remota y computarizada. Un usuario o una máquina controlan los diferentes procesos que se originan o desarrollan en una fábrica. La principal función de la supervisión y el control es la centralización del proceso fuera del área de producción o fuera de la máquina a controlar. En la supervisión actúan tanto las personas como las máquinas. De esta separación del control hombre - máquina se pueden ver las dos diferencias claras de la supervisión, la supervisión activa o control manual donde el hombre a través de una pantalla controla los procesos que se están realizando en mayor o menor grado. También esta la supervisión pasiva o.

(33) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 21. automática, es decir el computador o PC a través de su aplicación controla las variables del sistema y solo avisa al operario cuando encuentra un error (CHACÓN 2001). Tiempo real: Se refiere a la capacidad del ordenador en programas de procesamiento de datos para que siempre esté listo para procesar y proporcionar los resultados dentro de un tiempo especificado. En este contexto "estrictamente en tiempo real" significa que un sistema reacciona a los eventos externos dentro de un tiempo especificado en un 100% de los casos (AMBROSE 2004). Por todo lo antes dicho se puede decir que los SCADA son sistemas de monitoreo muy potentes que permiten hacer muchas cosas en aras de optimizar la calidad de un proceso desde cualquier punto de vista. 1.8 Servicio Hoy en día lo que más se desea es que la adquisición de datos para cualquier sistema no dependa de un usuario en específico, esto se logra fácilmente con un servicio. Un servicio es una aplicación controlada por el sistema operativo que se está ejecutando constantemente, no importa que no exista una sesión de usuario abierta. Su uso primario es para mantener en ejecución procesos que no dependen de la interacción con el usuario o cuyo tiempo de vida es contínuo, por ejemplo: x. Plug and Play. x. Messenger. x. Internet Information Server. x. Microsoft SQL Server. x. Manipuladores de dispositivo (device drivers). El tipo de arranque puede ser: x. Manual (al invocar la función StartService ( ) ). x. Automatic (automáticamente durante la carga de Windows).

(34) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. x. 22. Disabled (el servicio sólo puede ser habilitado por un administrador).. 1.8.1 El SCM El Service Control Manager es el repositorio centralizado de Windows donde está contenida toda la información acerca de los servicios actualmente instalados. Pasos para ejecutar un servicio en Windows: 1. Cuando se tiene un fichero ejecutable (*.EXE) que representa a una aplicación de servicio, esta debe registrarse ante el SCM (instalarse). 2. Una vez instalada se procede a arrancarla si su tipo de arranque es manual. 3. Cuando por algún motivo no se desee continuar ejecutando el servicio, debe detenerse. 4. Finalmente, debe desinstalarse del SCM. ¿Cómo acceder al SCM? 1. Directamente, de la siguiente forma: Inicio -> Programas -> Herramientas administrativas -> Servicios 2. Ejecutando “services.msc” en una consola. 3. Indirectamente, interactuando con él mediante las funciones API que existen para tal propósito. Para instalar y desinstalar un servicio se debe utilizar un programa con ese fin, si es preciso se debe desarrollar este programa empleando las funciones que brinda la API con ese fin. 1.8.2 Lenguaje de programación Actualmente existe una gran cantidad de lenguajes de programación orientados al desarrollo de diversas aplicaciones (C++, JAVA, Delphi, Pascal, CChart, C, entre otros) con diversas características disponibles para que el programador valore cual de ellos es la opción más adecuada al momento de desarrollar una aplicación y que permita un mejor desempeño de sus objetivos. “El problema a resolver debería determinar el lenguaje de programación a utilizar”. Para programar servicios un lenguaje muy sencillo y potente es el C++. Este lenguaje es uno de.

(35) CAPÍTULO 1 REVISION BIBLIOGRAFICA. 23. los más empleados en la actualidad. Se puede decir que C++ es un lenguaje híbrido, ya que permite programar tanto en estilo procedimental (como si fuese C), como en estilo orientado a objetos, como en ambos a la vez. Además, también se puede emplear mediante programación basada en eventos para crear programas que usen interfaz gráfico de usuario. El nacimiento de C++ se sitúa en el año 1980, cuando Bjarne Stroustrup, de los laboratorios Bell, desarrolló una extensión de C llamada “C with Classes" que permitía aplicar los conceptos de la programación orientada a objetos con el lenguaje C. Stroustrup se basó en las características de orientación a objetos del lenguaje de programación Simula, aunque también tomó ideas de otros lenguajes importantes de la época como ALGOL68 o ADA (Fraga 2006). Durante los siguientes años, Stroustrup continuó el desarrollo del nuevo lenguaje y en 1983 se acuñó el término C++. En 1985, Bjarne Stroustrup publicó la primera versión de “The C++Programming Language”, que a partir de entonces se convirtió en el libro de referencia del lenguaje. Las principales ventajas que presenta el lenguaje C++ son: Difusión: al ser uno de los lenguajes más empleados en la actualidad, posee un gran número de usuarios y existe una gran cantidad de libros, cursos, páginas Web, etc. dedicado a él. Versatilidad: C++ es un lenguaje de propósito general, por lo que se puede emplear para resolver cualquier tipo de problema. Portabilidad: el lenguaje está estandarizado y un mismo código fuente se puede compilar en diversas plataformas. Eficiencia: C++ es uno de los lenguajes más rápidos en cuanto a ejecución. Herramientas: existe una gran cantidad de compiladores, depuradores, librerías, etc..

(36) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 24. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. Hoy en día se hace necesario mantener el control y la supervisión de cualquier proceso, para ello se necesita de un sistema que se comunique con los diferentes dispositivos de campo o equipos. En este capítulo se abordarán los puntos que permiten lograr tener un sistema eficiente, tales como protocolo de comunicación, medios físicos y capacidad de los mismos. El sistema de monitoreo estará formado en su totalidad por sensores que medirán la variables físicas, autómata que procesará los valores medidos, PC, equipo a donde llegarán todos los datos, un servicio el cual leerá los registros del autómata y los pondrá en una de datos del FasCon, y una interfase MMI mediante la cual el operador observará el comportamiento del proceso. 2.1 Método de monitoreo distribuido. Figura 2.1 Sistema de monitoreo.

(37) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 25. Un sistema de monitoreo distribuido es el conjunto de elementos de hardware y paquetes de software que de forma conjunta permiten lograr toda la funcionalidad requerida para realizar el monitoreo y la adquisición de datos de una planta o proceso dado. Se caracterizan por el empleo de la computación distribuida (inteligencia distribuida), redes de comunicación, interfaces gráficas, etc. El conocimiento del estado del proceso es visible desde cualquier punto de la red. El sistema está formado por sensores, un PLC en cada fermentador, un servicio que atiende la lectura y escritura de datos, una base de datos y una interfaz MMI. 2.2 Fermentador, características En el CIGB de Camagüey hay fermentadores de diferentes capacidades, 75L y 300L, estos equipos pertenecen a la firma Chemap. Están equipados con varios sensores que miden algunas de las variables que caracterizan el proceso. Incluido en el biorreactor hay un PLC el SattCon 15 que se encarga de controlar y almacenar el estado de las variables. Tabla 2.1 Características de las variables en los fermentadores. Nombre. Mínimo. Máximo. Manual. Lineal. Unidad. Temperatura. 20. 35. 0. 1. ºC. pH. 4.5. 6. 0. 1. O2. 0. 100. 0. 1. %. Speed. 0. 1000. 0. 1. rpm. PesoH. 0.1. 1000. 1. 0. Kg. Temperatura2. 20. 35. 0. 1. ºC. pH2. 4.5. 6. 0. 1. O22. 0. 100. 0. 1. %. Speed2. 0. 1000. 0. 1. rpm.

(38) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 26. Nombre. Mínimo. Máximo. Manual. Lineal. Unidad. PesoH2. 0.1. 1000. 1. 0. Kg. Temperatura3. 20. 35. 0. 1. ºC. pH3. 4.5. 6. 0. 1. O23. 0. 100. 0. 1. %. Speed3. 0. 1000. 0. 1. rpm. PesoH3. 0.1. 1000. 1. 0. Kg. Espuma3. 1. 100. 1. 1. %. 2.2.1 Sensores del fermentador Los sensores que miden algunas de las variables en el fermentador tienen determinadas características algunas de ellas son: Temperatura Un termómetro de resistencia pt-100 conectado al amplificador medidor en un sistema de dos o de tres alambres, es utilizado como elemento de medición. La señal de salida del convertidor de temperatura es linealizada. La señal de salida del amplificador medidor es expresada en miliamperios y en un rango de 0-20 mA o 4-20 mA, determinado por un selector. El suministro de fuerza del amplificador es eléctricamente aislado de la señal de aporte y señal de salida (Volketswil 1990). Datos técnicos: Fuente de Voltaje ------------- 18 – 22 V, 50 Hz Elemento de medición ------- pt-100 Rango de medición------------- 0 – 150 °C.

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 27. Valor de salida------------------- 0/4 – 20mA Carga de salida----------------- máx 600 Precisión de la medición----- 0.5 °C Tabla 2.2 Equivalencia °C – mA (Salida 0 – 20 mA). °C. 0. 15. 30. 45. 60. 90. 120. 150. mA. 0. 2. 4. 6. 8. 12. 16. 20. Tabla 2.3 Equivalencia °C – mA (Salida 4 – 20 mA). °C. 0. 15. 30. 45. 60. 90. 120. 140. 150. mA. 4. 5.6. 7.2. 8.8. 10.4. 13.6. 16.8. 18.93. 20. Nivel de oxígeno El sensor de DO2 está formado por un electrodo el cual comprende un ánodo Ag/AgCl y un cátodo de platino, los cuáles son eléctricamente conectados por un electrólito. El espesor de la película de electrólito entre ánodo y cátodo tiene que recaer sobre tolerancias muy pequeñas para mantener buena linealidad. A través de un voltaje apropiado de polarización entre ánodo y cátodo, el oxígeno diseminando atraviesa la membrana de teflón. Por consiguiente la corriente generada es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno reducido. Datos técnicos: Cátodo----------------------Platino Ánodo----------------------- Ag/AgCl Membrana----------------- Teflón/Silicón reforzado por una malla acerada Rango de medición------------ 0 a 100% Compensación de temperatura del electrodo--Incorporado en el electrodo, 0-50 °C Tiempo de polarización------Varias horas.

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 28. Velocidad El transductor del tacómetro transforma el voltaje en una corriente, esta señal esta en el rango de 0/4-20mA según la posición de un selector. El suministro de fuerza del transductor es eléctricamente aislado de la señal salida (Volketswil 1990). Datos técnicos: Fuente de Voltaje-------------- 18-22 V, AC o DC Rango de medición------------- acorde a las especificaciones Resistencia de entrada-------- >100 K Valor de salida------------------- rango de 0/4-20mA seleccionado por un selector Carga de salida------------------ máx. 600 Precisión de la medición------ < 1% del valor final 2.2.2 SattCon 15 El SattCon 15 es un autómata para el control completo, fabricado por la Chemap, está diseñado para el control de máquinas y pequeños procesos. Este equipo presenta control digital y analógico independientemente y puede controlar en combinación con otros sistemas de control. x. Posee 256 registros de 16 bits. (Rn Donde n va desde 0 hasta 255).. x. Presenta 128 entradas analógicas y 64 salidas analógicas.. x. Cuenta con 64 temporizadores y 64 contadores.. x. Tiene 1024 celdas de memoria en la I/O RAM.. x. Se alimenta con 220V AC.. x. Comunicación a través del RS232.. x. Tiene un reloj que puede ser controlado por:. 1-Un cristal oscilador interno. 2-Frecuencia principal de 50Hz. 3-Frecuencia principal de 60Hz..

(41) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. x. 29. Permite implementar controladores P, PI, PD, PID con salidas digitales o analógicas.. x. Permite conectarse con otros autómatas en forma de cascada. x. Permite el seteo y cambio de valores por software o de forma manual en un display.. 2.2.3 Protocolo de comunicación COMLI El SattCon 15 puede comunicarse con otros sistemas usando el protocolo de comunicación COMLI. Los datos pueden ser transmitidos a otro autómata o sistema que tenga implementado este protocolo. La transmisión está basada en la filosofía master – esclavo. Se permiten hasta 32 estaciones de salida conectadas a un canal master en una configuración multipunto (Volketswil 1990).. Transmisión de un Master. Type ASCII 0. 30. Transferir estado de celdas de memoria o valores de registros. 2. 32. Preguntar por valores de registros o estados de celdas de memoria. 3. 33. Transferir el estado de una celda de memoria. 4. 34. Preguntar el estado de una celda de memoria. 9. 39. Preguntar por valores de entrada analógicas.

(42) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. I. 49. Preguntar por fecha y hora. J. 4A. Transferir fecha y hora. ]. 5D. Preguntar por tiempo de eventos. [. 5B. Transferir tiempo de eventos. 30. Recepción de un Esclavo. Type ASCII 0. 30. Transferencia de datos de registros o estados de celdas de memoria. 2. 32. Preguntar por datos de registros o estados de celdas de memoria. 3. 33. Transferencia del estado de una celda de memoria. 4. 34. Preguntar por el estado de una celda de memoria. 9. 39. Preguntar por valor de entrada analógica. D. 44. Transferir a modo Terminal. I. 49. Preguntar por fecha y hora. J. 4A. Transferencia de hora y fecha. W. 57. Preguntar por dato DUMP. X. 58. Transferencia de dato LOAD. Y. 59. Transferencia de dato VERIFY. ]. 5D. Pregunta por tiempo de evento. [. 5B. Transferencia de tiempo de evento. ^. 5E. Pregunta por información del sistema. _. 5F. Transferencia de información del sistema. 2.2.4 Áreas que se definen en un canal COMLI COMLI ON/OFF Master/Slave.

(43) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 31. Identity (número entre 1 y 247) Baudrate (desde 300 a 19200) Baudrate 300 - 600 -. 1200 - 2400. -. 4800 - 9600. -. 19200. MODEM delay Clear error counters (Volketswil 1990) 2.2.5 Comunicación física PC - Fermentadores La comunicación PC - fermentadores estará dirigida por los puertos serie RS232 de la PC conectados a los autómatas programables PLC (SattCon 15) que se encuentran en los fermentadores o biorreactores. Esta comunicación permitirá que el autómata presente en el fermentador mediante el puerto serie le suministre el estado de las variables que intervienen en el proceso a la base de datos del programa FasCon, almacenándolas de forma consecutiva para luego procesarlas y mostrarlas. 2.3 Base de datos En este sistema se emplean bases de datos relacionales. Las bases de datos relacionales (Relational Data Base) permiten reflejar estructuras de datos, independientemente de los tipos de programas que accedan a los datos o de las estructuras de éstos. Una base de datos relacional no es más que un conjunto de tablas de datos que contienen campos que sirven de nexo de unión (relación) y que permiten establecer múltiples combinaciones mediante la utilización de estos nexos. Las combinaciones posibles son prácticamente ilimitadas, sólo hay que configurar el método de búsqueda (el query) o el tipo de datos que se quiere consultar y aplicarlo a los datos. Este tipo de organización permite la aparición de las arquitecturas del tipo Cliente-Servidor, simplificando la administración de los datos y los programas que trabajan con estos (Estrada. 2004).

(44) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 32. 2.3.1 Base de datos del sistema La Base de Datos está diseñada en SQL, formada por cuatro tablas que están interrelacionadas entre sí, cada una con características particulares para su uso y actualizadas por un servicio que se encarga de poner los datos del fermentador ya filtrados en la tabla Datos. Las 3 primeras tablas de la base de datos (ver Figura 2.2) son configuradas por el operador desde el software FasCon.. Figura 2.2 Diagrama relacional de la base de datos. Ventajas que ofrece la Base de datos: x. Garantiza un sistema de seguridad utilizando mecanismos de control de acceso de usuario con sus propios componentes SQL..

(45) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 33. x. Posibilita el uso de puertos seguros definibles.. x. Permite la realización de fermentaciones colaborativas entre los centros biotecnológicos del país y del mundo.. x. Brinda la posibilidad de acceso desde la red protegiendo el área de producción a ser expuesta a constante contaminación producto del acceso de personas.. x. El jefe de turno no tiene necesariamente que estar en el área para la supervisión del proceso de fermentación.. De esta forma el sistema mediante la Base de Datos. garantiza un mejor. funcionamiento y eficiencia en el trabajo. Relaciones que se establecen entre las tablas: Fermentaciones---------Fermentadores: Relación uno a uno Fermentadores----------Variables: Relación uno a muchos Variables------------------Datos: Relación uno a muchos 2.4 ServiceFER El ServiceFER es el servicio que se ha creado para la lectura y escritura de datos entre el PLC del fermentador correspondiente y la base de datos. El servicio ha sido creado en C++, y correrá sobre el sistema operativo Windows, solo leerá las entradas analógicas del SattCon 15 que están cableadas a los diferentes sensores, pues conocer el estado de las variables medidas por estos dispositivos es el único interés de la empresa. En el diseño del servicio para la comunicación con el PLC se utilizó el protocolo COMLI en las instrucciones que conforman el procedimiento de comunicación con el equipo, a través de este el ServiceFER puede leer los datos necesarios que se encuentran en el autómata..

(46) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 2.4.1 Diagrama funcional del ServiceFER. Figura 2.3 Esquema de funcionamiento del ServiceFER. 34.

(47) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 35. 1- Después de iniciado el ServiceFER, lo primero que hace es leer la base de datos con el objetivo de encontrar alguna fermentación activa. 2- Como la empresa cuenta con 3 fermentadores, se pregunta hay alguna fermentación. No: Esperar 10 segundos y lee la B.D nuevamente. Las variables son leídas cada 10 segundos aproximadamente, con este período de muestreo y para el caso de los procesos de fermentación que se llevan a cabo en el CIGB de Camagüey, los cuales tienen una dinámica muy lenta se demuestra que los datos se están adquiriendo en tiempo real según el teorema de Nyquist, el cual plantea que la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima con que varía la señal en el dominio del tiempo. Además los expertos del centro con gran experiencia en el proceso afirman que muestreando incluso cada 15 segundos se considera que los datos han sido tomados en tiempo real. Por tanto la B.D se actualiza cada 10 segundos. Sí: Toma la primera fermentación que a su vez da a conocer a que fermentador está asociada y que variables se están pidiendo. 3- Conformar la palabra digital que encuestará al SattCon 15, utilizando en su conformación el protocolo de comunicación COMLI. La palabra digital está conformada por 13 bytes, a continuación se explica el significado de cada uno. Tabla 2.4 Palabra digital. Bytes. Significado. 1. Inicio del mensaje siempre es 02H. 2. Número del PLC que se. 3. va a encuestar (ASCII).

(48) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO. 4. Número 30H siempre. 5. Tipo de mensaje (Lo que. 36. se va a pedir al PLC) Ej: 39 ent analógica 6. Dirección del registro a. 7. leer (ASCII).. 8 9 10. Cantidad de bytes a leer.. 11 12. A partir de este byte se escriben los datos que se reciben o envían finalizando con 03 (Fin del mensaje). 13. Chequeo de errores. 4- Inicializar el puerto serie correspondiente para lograr un enlace seguro y eficiente, la configuración tiene en cuenta los valores de velocidad de transmisión, paridad, chequeo de errores, bits de datos, bits de parada. 5- La palabra de encuesta ya conformada es enviada al SattCon 15 a través de un procedimiento de escritura en el puerto serie. 6- Se esperan 100ms. 7- Mediante un procedimiento de lectura se lee el puerto para obtener los datos pedidos..