Análisis y validación del esquema de administración de procesos ISA-88 para el proceso de producción de azúcar

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(1)Proyecto de Grado. Análisis y Validación del Esquema de Administración de Procesos ISA-88 para el Proceso de Producción de Azúcar Por. Br. Karla R. Quintero G. Tutor: Prof. Edgar Chacón. Septiembre 2009. c 2009 Universidad de Los Andes Mérida, Venezuela.

(2) Análisis y Validación del Esquema de Administración de Procesos ISA-88 para el Proceso de Producción de Azúcar Br. Karla R. Quintero G. Proyecto de Grado — Control y Automatización, 144 páginas Resumen:. Este documento propone el desarrollo de un sistema administrador. del proceso de producción de azúcar rubio, basado en el estándar ISA-88.. Los. modelos propuestos por este estándar regirán el análisis de las funcionalidades que deben definirse para este sistema, dedicando especial atención a las actividades de administración de procesos y de receta de producción, aplicadas al proceso productivo. El desarrollo del sistema será simulado mediante una herramienta de software comercial y estará limitado a una unidad de producción del proceso. La validación de esta simulación se realizará mediante un conjunto de pruebas que permitirán comprobar su desempeño adecuado, tomando en cuenta fases de depuración. Palabras clave: Integración Empresarial, Estándar ISA-88, Sistema Administrador de Procesos Batch, Industria Azucarera..

(3) Índice Índice de Figuras. vi. 1 Introducción. 1. 1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Planteamiento del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. 1.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.3.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.3.2. Objetivos Especı́ficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.4. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.5. Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.6. Cronograma de Evaluaciones y Fechas de Entrega . . . . . . . . . . . .. 5. 1.7. Cronograma de Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2 Marco Teórico. 9. 2.1. Sistema Administrador de Procesos Batch . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 2.2. El Estándar ISA-88. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 2.3. Estándar ISA-88 Parte 1: “Modelos y Terminologı́a” . . . . . . . . . .. 13. 2.3.1. Modelo Fı́sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 2.3.2. Modelo de Control de Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 2.3.3. Modelo de Control de Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.3.4. Modelo de Actividades de Control . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. Ventajas del Estándar - Parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.4. iii.

(4) 3 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción 3.1. 3.2. 19. El Proceso de Producción de Azúcar Rubio . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 3.1.1. Insumos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 3.1.2. Molienda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 3.1.3. Tamizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 3.1.4. Sulfatación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 3.1.5. Alcalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 3.1.6. Calentamiento del Jugo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 3.1.7. Clarificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 3.1.8. Filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 3.1.9. Evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 3.1.10 Cristalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 3.1.11 Centrifugación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 3.1.12 Secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 3.1.13 Empaquetado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 3.2.1. Modelo Fı́sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 3.2.2. Modelo de Control de Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 3.2.3. Modelo de Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.2.4. Modelo de Actividades de Control . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 4 Análisis de Funcionalidades del Sistema Administrador de Procesos Batch. 56. 4.1. Alcance del Sistema Administrador de Procesos Batch. . . . . . . . . .. 4.2. Componentes Software Fundamentales de un Sistema Administrador de Procesos Batch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3. 56 61. Integración de los Componentes Fundamentales de un Sistema Administrador de Procesos Batch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 4.3.1. Administración de la Receta de Producción. . . . . . . . . . . .. 63. 4.3.2. Administración del Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.3.3. Administración de Información de Producción . . . . . . . . . .. 64.

(5) 4.3.4 4.4. Planificación y Programación de Producción . . . . . . . . . . .. 64. Herramientas Software Comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. 4.4.1. SIMATIC BATCH (Siemens, 2006) . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 4.4.2. 800xA Batch Management (ABB) . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67. 4.4.3. INBATCH (Wonderware, 2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 4.4.4. PROFICY BATCH EXECUTION (GE Fanuc Intelligent Platforms Inc., 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 Simulación del Sistema Administrador de Procesos Batch 5.1. Elaboración del Modelo de Proceso de Alto Nivel de InBatch . . . . .. 70 73 74. 5.1.1. Definición de Unidades y Conexiones . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 5.1.2. Definición de Clases de Proceso, Atributos y Fases . . . . . . . .. 77. 5.1.3. Definición de Clases de Transferencia y Fases de Transferencia .. 79. 5.1.4. Definición de Parámetros de Fases . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. 5.2. Definición del Tren de Producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 5.3. Definición de Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101. 5.4. Elaboración de la Receta de Producción . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. 5.5. Exportación de Información al SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120. 5.6. Ejecución de la Receta de Producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127. 5.7. Generación de Reportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135. 6 Conclusiones y Resultados. 139. Bibliografı́a. 142.

(6) Índice de Figuras 1.1. Cronograma de Evaluaciones y Fechas de Entrega . . . . . . . . . . . .. 7. 1.2. Cronograma de Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 2.1. Estructura Jerárquica del Modelo Fı́sico . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 2.2. Estructura Jerárquica del Modelo de Control de Procedimiento . . . . .. 15. 2.3. Estructura Jerárquica del Modelo de Proceso . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 2.4. Estructura del Modelo de Actividades de Control . . . . . . . . . . . .. 17. 3.1. Diagrama de Flujo de Producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 3.2. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Superior). . . . . . . . . . . . .. 30. 3.3. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’B’). . . . .. 31. 3.4. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’C’). . . . .. 32. 3.5. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’D’) . . . .. 33. 3.6. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’D’ continuación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 3.7. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’E’). . . . .. 35. 3.8. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’E’ continuación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.9. 36. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - Módulos de Equipo ’A’ y ’F’) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.10 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones ’A’ y ’F’) . . . . . .. 40. 3.11 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’B’) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.12 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’B’ - Continuación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi. 42.

(7) 3.13 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’C’) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.14 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’D’) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 3.15 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’D’ - continuación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 3.16 Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’E’) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 3.17 Mapeo entre el modelo de control de procedimiento y el modelo fı́sico para generar el modelo de proceso (ISA, a). . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 3.18 Fragmento del modelo de control de procedimiento de interés para la generación del modelo de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 3.19 Fragmento del modelo fı́sico de interés para la generación del modelo de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.20 Fragmento del modelo de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.21 Tipos de Receta (ISA, a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. 3.22 Categorı́as de Información de la Receta (ISA, a).. 53. . . . . . . . . . . . .. 3.23 Captura de pantalla de la implementación en BatchML de la receta Maestra del proceso de producción de azúcar rubio (Chacón et al., 2009). 55 4.1. Interacción del Sistema Administrador de Procesos con Sistemas de Menor Jerarquı́a (Wonderware, 2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.2. 57. Sistema Administrador de Procesos Batch inmerso en la Pirámide de Automatización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. 4.3. Interacción dentro del Modelo de Actividades de Control. . . . . . . . .. 60. 4.4. Componentes Software Fundamentales de un Sistema Administrador de Procesos Batch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. 5.1. Principales Actividades a Desarrollar en la Simulación. . . . . . . . . .. 73. 5.2. Unidades y Conexiones del Modelo de Proceso de Alto Nivel de InBatch. 76. 5.3. Bloque de Fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86.

(8) 5.4. Interacción entre el Sistema Administrador de Procesos Batch y el Sistema de Supervisión del SCADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 5.5. Definición de Unidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.6. Definición de Clases de Proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 5.7. Definición de Conexiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 5.8. Definición de Clases de Transferencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91. 5.9. Definición de Estados de Equipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92. 5.10 Definición de una Fase de Proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 5.11 Definición de una Fase de Transferencia. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 5.12 Parámetros de Fórmula de una Fase de Proceso. . . . . . . . . . . . . .. 94. 5.13 Parámetros de Fórmula de una Fase de Transferencia. . . . . . . . . . .. 95. 5.14 Bits de Control y Estados de una Fase de Proceso. . . . . . . . . . . . .. 96. 5.15 Bits de Control y Estados de una Fase de Transferencia. . . . . . . . .. 97. 5.16 Definición del Tren de Producción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.17 Asignación de unidades al tren de producción. . . . . . . . . . . . . . . 101 5.18 Definición de Ingredientes (Agua Caliente). . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.19 Definición de Ubicación de Materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.20 Definición de Productos Intermedios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.21 Definición de Productos Terminados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.22 Partes de una Receta.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. 5.23 Fórmula de una Receta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.24 Elementos del Procedimiento de Receta definido por InBatch. . . . . . 110 5.25 Ubicación del Módulo de Equipo Molienda en el Modelo Fı́sico. . . . . 113 5.26 Transición del Modelo Fı́sico ISA-88 al Modelo de Proceso InBatch. . . 114 5.27 Transición del Modelo de Control de Procedimiento ISA-88 al Procedimiento de la Receta en InBatch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.28 Creación de la Receta de Producción - Parte 1.. . . . . . . . . . . . . . 118. 5.29 Creación de la Receta de Producción - Parte 2.. . . . . . . . . . . . . . 119. 5.30 Esquema de Interconexión entre InBatch e InTouch. . . . . . . . . . . . 121 5.31 Aplicación Tag Linker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.32 Selección de Equipos para Exportación de Tags. . . . . . . . . . . . . . 123.

(9) 5.33 Definición del path y nombre del archivo .csv que contendrá las tags. . 123 5.34 Funciones de exportación en la aplicación Tag Linker. . . . . . . . . . . 125 5.35 Utilidad DBLoad para cargar tags en InTouch. . . . . . . . . . . . . . . 126 5.36 Selección del archivo .csv a cargar en la aplicación de InTouch. . . . . . 127 5.37 Aplicación de Planificación de Producción (Batch Scheduler ). . . . . . . 129 5.38 Aplicación Batch Display. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.39 Batch contenidos en la aplicación Batch Scheduler.. . . . . . . . . . . . 132. 5.40 Ejecución de un Batch en el Batch Display. . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.41 Interfaz del Sistema de Reportes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5.42 Configuración de Reporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.43 Programación de Reporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138.

(10) Capı́tulo 1 Introducción 1.1. Antecedentes. Las publicaciones relacionadas con la aplicación del estándar ISA-88 a procesos de producción especı́ficos es bastante limitada. Esto se debe a que la aplicación del estándar involucra el modelado del proceso productivo, ası́ como de los recursos asociados al mismo.. Por consiguiente, los trabajos realizados para optimizar el. manejo de la producción, con base en el estándar, deben revelar la receta del proceso productivo. Ası́ pues, la divulgación de la receta de producción reveları́a información detallada asociada al producto generado por una empresa y esto representarı́a una desventaja para la misma con respecto a sus competidores. En (Shirasuna, 2007) se detalla un ejemplo de la aplicación del estándar en la industria de alimentos.. En este trabajo se describen los problemas, asociados al. manejo de la producción, solucionados en la Empresa Polar (Venezuela) a través de la aplicación del estándar. Se especifican fracciones de los modelos del estándar, aplicados al proceso de producción de cerveza (particularmente se detalla el área de cocimiento y fermentación). En esta publicación se exponen resultados sobre la eficiencia del manejo de la producción antes y después de la aplicación del estándar. A nivel internacional existen numerosas publicaciones relacionadas con la exitosa utilización de herramientas software que permiten implementar Sistemas Administradores de Procesos Batch.. Cada una de las casas desarrolladoras de.

(11) 1.2 Planteamiento del Problema. 2. estas herramientas libera estas notas descriptivas asociadas a procesos de producción especı́ficos. En estas notas se refleja, de manera general, las necesidades de la empresa que requiere optimizar el manejo de producción, las bondades de la herramienta a utilizar y los resultados obtenidos. Por ejemplo, en (ABB-Eutech, 2001), se hace referencia a la utilización de la herramienta RSBatch de Rockwell, y la aplicación del estándar ISA-88 al proceso de producción de suspensiones aditivas a ser utilizadas en la generación de fibras de poliester. Este tipo de publicaciones están enfocadas a la divulgación de la herramienta y no ofrecen un aporte en el análisis y estructuración de la información de un proceso productivo para implementar un Sistema Admministrador de Procesos. Dado que un Sistema Administrador de Procesos Batch parte de la receta de producción (que surge de la aplicación del estándar ISA-88), resulta escasa la información publicada acerca de su implementación. Con el transcurrir de los años, se ha propagado la aplicación del estándar a nivel mundial. Sin embargo, debido a las polı́ticas de confidencialidad (en cuanto a la divulgación de las recetas de producción) de las empresas, la documentación sobre su aplicación es muy escasa. Por consiguiente, tendrı́an que realizarse implementaciones en cada una de las herramientas para garantizar que realicen un seguimiento formal del estándar. Hasta el momento no se encuentra documentación que haga referencia a la aplicación del estándar por el sector azucarero para optimizar el manejo de la producción.. 1.2. Planteamiento del Problema. La necesidad de optimizar los procesos de producción en cualquier sector económico a nivel mundial ha exigido soluciones de automatización que, con el paso del tiempo, se han basado en lograr el mejor aprovechamiento de los recursos en función del conocimiento detallado del proceso de producción. Este enfoque de automatización surge de estándares internacionales como lo es, por.

(12) 1.3 Objetivos. 3. ejemplo, el ISA-88. Bajo esta perspectiva, se busca dejar en el pasado las metodologı́as de automatización que colocan en un plano principal la implementación de nuevas tecnologı́as y en uno secundario el análisis y estructuración adecuada del proceso productivo, garantizando el adecuado aprovechamiento de los recursos disponibles. El escaso seguimiento del estándar, la ausencia de implementaciones de Sistemas Administradores de Procesos Batch en Venezuela, asi como de referencias bibliográficas a nivel internacional sobre cómo aplicar el estándar a casos de estudio especı́ficos, crean una problemática a nivel académico. Dada la importancia del sector agroindustrial en Venezuela, y tomando en cuenta que, en general, el sector azucarero maneja sus procesos productivos fuera de los esquemas del estándar ISA-88 (de acuerdo a la documentación que se encuentra publicada), surge el interés de elegir este proceso productivo como caso de estudio. De esta forma, se genera la necesidad de desarrollar la simulación de un Sistema Administrador de Procesos Batch basado en el estándar ISA-88, aplicado al proceso de producción de un central azucarero. Los modelos propuestos por el estándar serán aplicados a todo el proceso de producción de azúcar rubio. El diseño del sistema de administración de procesos batch se limitará al planteamiento de las actividades de administración de la receta y del proceso de producción. La simulación del sistema estará dimensionada de acuerdo a una unidad de producción y se realizará a través de una herramienta de software comercial.. 1.3 1.3.1. Objetivos Objetivo General. Analizar y validar el esquema de administración de procesos propuesto por el estándar ISA-88, a través de la simulación de un Sistema Administrador de Procesos Batch aplicado al proceso de producción de azúcar rubio..

(13) 1.4 Justificación. 1.3.2. 4. Objetivos Especı́ficos. • Aplicar las partes 1 y 2 del estándar ISA-88 al proceso productivo de un central azucarero como caso de estudio. • Analizar las actividades de administración de proceso y de receta de producción de un sistema administrador de procesos batch para el proceso de producción de azúcar rubio, con referencia en la aplicación del estándar ISA-88. • Desarrollar las actividades de administración de proceso y de receta de producción del sistema administrador de procesos batch basado en la simulación de una unidad de producción del proceso. • Evaluar el seguimiento formal y completo del estándar ISA-88 a través de pruebas y depuración de los modelos del estándar en el sistema simulado. • Proporcionar una herramienta bibliográfica a la comunidad universitaria sobre la elaboración de los modelos del estándar ISA-88 y su implementación mediante un Sistema Administrador de Procesos Batch.. 1.4. Justificación. El desarrollo de una aplicación simulada de un Sistema Administrador de Procesos Batch basado en el estándar ISA-88, representará un gran aporte en el ámbito académico e industrial. La escasa documentación a nivel internacional sobre la aplicación del estándar y su escaso seguimiento por parte del sector azucarero (en el caso de Venezuela), dificultan en gran medida el desarrollo de proyectos de implementación de Sistemas Administradores de Procesos Batch en los ingenios azucareros. De esta forma, este proyecto aportará una aplicación teórica y simulada del estándar ISA-88 en un sector productivo venezolano que actualmente no se rige por los lineamientos del estándar. Los resultados del proyecto permitirán esclarecer sustancialmente el panorama sobre la optimización del manejo de la producción en el sector agroindustrial a través de.

(14) 1.5 Metodologı́a. 5. Sistemas Administradores de Procesos Batch.. 1.5. Metodologı́a. El desarrollo del proyecto se llevará a cabo en 4 etapas. La primera etapa corresponde a la comprensión del proceso de producción del azúcar rubio y la elaboración de los modelos de recursos y procesos contemplados por las partes 1 y 2 del estándar ISA88. La segunda etapa corresponde al análisis de las actividades de administración de proceso y de receta de producción del Sistema Administrador de Procesos Batch. La tercera, se centra en la implementación simulada del sistema administrador de procesos batch, eligiendo previamente la herramienta de software comercial a utilizar para este fin. Por último, en la cuarta etapa, se validará el seguimiento formal del estándar por la aplicación simulada, a través de pruebas de desempeño.. 1.6. Cronograma de Evaluaciones y Fechas de Entrega. El cronograma de Evaluaciones y Fechas de Entrega asociado al desarrollo del proyecto de grado se muestra en la figura 1.1.. 1.7. Cronograma de Actividades. A continuación se describen las actividades asociadas al desarrollo del proyecto de grado: Actividad 1. Estudio del proceso de producción de azúcar rubio. Actividad 2. Recolección y análisis de información concerniente al diseño y desarrollo del proyecto.. Los temas principales son:. estándar ISA-88, Sistema de. Administración de Procesos Batch. Actividad 3. Elaboración de los modelos del estándar ISA-88 correspondientes al proceso de producción de azúcar rubio..

(15) 1.7 Cronograma de Actividades. 6. Actividad 4. Análisis de las funcionalidades del sistema de administración de procesos batch para el proceso de producción y evaluación de posibles herramientas de software que soporten su simulación. Actividad 5. Desarrollo de la simulación de una unidad de producción del proceso en la herramienta escogida. Actividad 6. Validación del sistema (evaluación del seguimiento completo y formal del estándar ISA-88 a través de pruebas y depuración). Actividad 7. Elaboración del documento final que contendrá una descripción detallada de la investigación realizada y del sistema simulado. Actividad 8. Defensa del Proyecto de Grado. El cronograma de actividades para el desarrollo del proyecto de grado se refleja en la figura 1.2..

(16) 1.7 Cronograma de Actividades. Figura 1.1: Cronograma de Evaluaciones y Fechas de Entrega. 7.

(17) 1.7 Cronograma de Actividades. Figura 1.2: Cronograma de Actividades. 8.

(18) Capı́tulo 2 Marco Teórico En el sector industrial, los procesos de manufactura se pueden clasificar en tres grupos: procesos continuos, procesos de manufactura discreta y procesos batch. La clasificación del proceso depende del manejo de los insumos transformados para la obtención de los productos y de la salida del producto final. En los procesos continuos los productos son fabricados transfiriendo los materiales a los diferentes equipos especializados en determinada tarea, donde cada uno de estos equipos opera idealmente en un solo estado y realiza solo una función dedicada del proceso. Por tanto, la producción continua tiene una salida permanente de producto, y sus paradas son muy eventuales y de forma programada. Como ejemplos de procesos continuos se pueden mencionar los que son llevados a cabo en plantas de tratamiento de agua, en fábricas de papel o en la generación de la energı́a eléctrica. En los procesos discretos los productos son elaborados en grupos que tienen en común las materias primas con las cuales son fabricados. En este tipo de procesos una cantidad especı́fica de producto es transportada como una unidad (grupo de partes) entre estaciones y cada parte mantiene su única identidad, por tanto la salida de los productos de un proceso discreto aparece una por una o en cantidades determinadas de partes. Como ejemplo de procesos discretos se pueden mencionar el ensamblaje de vehı́culos, computadores, motores de vehı́culos, circuitos integrados, etc. Los procesos batch no son ni continuos ni discretos, aunque tienen caracterı́sticas tanto de procesos continuos como de discretos, incluso pueden llegar a confundirse con.

(19) 2.1 Sistema Administrador de Procesos Batch. 10. éstos últimos. Los procesos batch consisten en la secuencia de una o más fases que describen los pasos para la elaboración del producto, las cuales deben ser desarrolladas en un orden especı́fico. Según (ISA, a), un proceso de tipo batch es aquel que induce la producción de cantidades finitas de material, sometiendo a las cantidades de material de entrada a un conjunto ordenado de actividades de procesamiento sobre un periodo finito de tiempo, usando uno o más recursos. El producto generado por un proceso de tipo batch es llamado un batch. Un proceso batch es discontinuo, no puede clasificarse como discreto ni como continuo; sin embargo, tiene caracterı́sticas de ambos.. 2.1. Sistema Administrador de Procesos Batch. Un sistema administrador de procesos batch implementa un medio de integración entre el control y supervisión del proceso de producción con la administración de actividades de manufactura. De este modo, el sistema administrador se encarga de ejecutar funcionalidades antes delegadas a los Sistemas de Ejecución de Manufactura (MES -Manufacturing Execution Systems) y a los Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition). Un sistema administrador de procesos batch debe su nombre a la forma de manejo de los productos terminados. Es decir, sea cual sea la naturaleza del proceso de producción, la planificación y ejecución se realiza en términos de un lote de producto terminado. Lo importante entonces es comprender que un sistema administrador de procesos puede ser implementado sin restricciones en cuanto a la naturaleza de procesamiento para generar un producto determinado. En términos generales y según (Wonderware, 2004), un sistema administrador de procesos batch permite construir y editar las recetas de producción, de modo que tengan como consecuencia, un impacto en las acciones de control ejecutadas sobre el proceso, partiendo de una estrategia de producción definida en el nivel de gestión de la empresa. Bajo este concepto, este sistema administrador gestiona el uso de recursos y coordina las tareas de producción..

(20) 2.2 El Estándar ISA-88. 11. Además de la administración de la receta de producción, un sistema administrador de procesos batch ofrece las siguientes funcionalidades: • Planificación de producción. • Asignación dinámica de equipos y recursos a lo largo de la ejecución del proceso de producción. • Seguimiento de materiales a lo largo del proceso de producción. • Generación de históricos. Este registro de datos incluye data del proceso, eventos, información de producción, utilización de materiales, observaciones y acciones de los operadores, y equipo utilizado. • Reportes de producción.. 2.2. El Estándar ISA-88. Durante la década pasada surgieron varias iniciativas con el propósito de proporcionar un criterio común acerca del problema de la automatización de los procesos batch y que lograra una estandarización de los sistemas. El más exitoso de estos intentos fue el desarrollo del estándar ISA-88 por parte de un comité de la División de Prácticas y Estándares (comité SP88) de la Sociedad Internacional de Automatización, ISA (International Society of Automation). La Sociedad ISA, fundada en 1945, es una organización sin fines de lucro que tiene como uno de sus objetivos principales, proponer y validar estándares que rigen las soluciones de automatización a nivel mundial. En 1988, el comité ISA-SP88 propone la primera versión del estándar ISA-88. El mismo, tiene como propósito recomendar prácticas apropiadas para el diseño y especificación de sistemas de control de procesos batch. (ISA, 2009b). El estándar ISA-88 se encuentra en constante desarrollo y actualización, por lo que los trabajos realizados en la actualidad deberán reflejar las modificaciones más recientes del mismo. El propósito inicial de ISA-88, era proveer estándares y recomendar prácticas apropiadas para el diseño y especificación de sistemas de control de procesos batch que.

(21) 2.2 El Estándar ISA-88. 12. pudiesen ser implementadas en las industrias de control de procesos (ISA, 2009b). Sin embargo, el alcance del estándar se ha extendido para reportar beneficios a industrias con ambientes de producción continua y discreta, lı́neas de empaquetado y otras aplicaciones de manufactura. Entre los aportes importantes realizados para extender el alcance del estándar y lograr la total integración de las actividades de manufactura y de empaquetado, se encuentra el proyecto Make2Pack, actualmente en desarrollo (ISA, 2005). El comité de ISA-88 (ISA-SP88) ha publicado, hasta la actualidad, 4 partes del estándar, denominado “Control de Procesos Batch”, que según (ISA, 2009b) son las siguientes: • La primera parte, denominada “Modelos y Terminologı́a” establece modelos y terminologı́a estándar para definir los requerimientos de control de plantas de manufactura tipo batch. • La segunda parte: “Estructuras de Datos y Pautas para Lenguajes”, define modelos de datos que describen el control de procesos batch aplicados en sistemas de automatización industrial.. En general, se definen formatos y pautas de. intercambio de información, con el fin de facilitar las comunicaciones en una, o entre varias implementaciones de control de procesos batch. • La tercera parte: “Modelos y Representación de la Receta General y de Sitio” define modelos de datos para estas recetas y precisa las actividades que describen el uso de una receta general o de una receta de sitio en una compañı́a. • La cuarta parte: “Registros de Producción Batch” define de forma detallada un modelo de referencia para desarrollar aplicaciones para el almacenamiento e intercambio de estos registros. Las implementaciones basadas en esta parte del estándar permitirán la recuperación, análisis y reporte de la data seleccionada del registro de producción batch. • La parte 5 del estándar se encuentra actualmente en desarrollo y se denomina: “Implementación, Modelos y Terminologı́a para Control con Recursos.

(22) 2.3 Estándar ISA-88 Parte 1: “Modelos y Terminologı́a”. 13. Modulares”, en conjunto con el proyecto Make2Pack, que busca integrar las soluciones ya presentadas para la manufactura y/o transformación de materia con el proceso de empaquetado. Para efectos del desarrollo del proyecto, se aplicarán las partes 1 y 2 del estándar al proceso productivo escogido como caso de estudio.. 2.3. Estándar. ISA-88. Parte. 1:. “Modelos. y. Terminologı́a” Con esta parte del estándar se busca modelar el proceso productivo en términos tanto de su procedimiento cronológico de producción como de los recursos asociados, utilizando la terminologı́a establecida por el estándar. De esta forma se definen: el modelo fı́sico, el modelo de control de procedimiento, el modelo de proceso y el modelo de actividades de control.. 2.3.1. Modelo Fı́sico. Este modelo se utiliza para describir los activos fı́sicos de una empresa, jerarquizándolos de acuerdo al nivel de inteligencia y complejidad de los mismos. Los activos en niveles inferiores se combinan para formar activos de niveles superiores, como se señala en la figura 2.1. El modelo consta de 7 niveles. Los 3 niveles superiores ayudan a identificar de forma adecuada la relación entre los niveles mas bajos con la empresa de manufactura como un todo, y los 4 niveles inferiores hacen referencia a equipos, o grupos de equipos, de naturaleza especı́fica. Para clasificar los equipos de un proceso productivo en términos de esta jerarquı́a, se analiza la complejidad de las tareas realizadas por los equipos y la inteligencia asociada a ellos, agrupando equipos con dinámicas sencillas para tratarlos como piezas de equipamiento de mayor jerarquı́a. El modelo fı́sico puede ser presentado en cualquier tipo de diagrama que indique de forma clara la jerarquı́a de cada uno de sus componentes..

(23) 2.3 Estándar ISA-88 Parte 1: “Modelos y Terminologı́a”. 14. Figura 2.1: Estructura Jerárquica del Modelo Fı́sico. 2.3.2. Modelo de Control de Procedimiento. Permite modelar la estrategia de ejecución de tareas de producción. Es decir, las secuencias de acciones que deben ejecutarse en orden cronológico para llevar a cabo las tareas asociadas al proceso de producción. El control de procedimiento está constituido por elementos procedimentales combinados en una estructura jerárquica. Esta jerarquı́a se muestra en la figura 2.2. Este modelo se elabora haciendo uso de herramientas de modelado de sistemas a eventos discretos. Una de éstas es el GRAFCET (GRAFico de Control de Etapas.

(24) 2.3 Estándar ISA-88 Parte 1: “Modelos y Terminologı́a”. 15. de Transición), en donde se representan como etapas cada una de las acciones del procedimiento de producción y el modelo como un todo describe su orden cronológico de ejecución.. Figura 2.2: Estructura Jerárquica del Modelo de Control de Procedimiento. 2.3.3. Modelo de Control de Proceso. Esta actividad de control combina el control de procedimiento con la plataforma fı́sica sobre la cual serán ejecutadas las acciones de control. De este modo, el modelo de control de proceso resulta de establecer una correspondencia entre el modelo de control de procedimiento y el modelo fı́sico. Por lo tanto, la estructura de este modelo es la misma de la del modelo de control de procedimiento (en términos de la herramienta de modelado: GRAFCET), pero se pueden incluir aspectos más detallados como, por ejemplo, parámetros de producción. La estructura jerárquica del modelo de control de proceso se muestra en la figura 2.3..

(25) 2.3 Estándar ISA-88 Parte 1: “Modelos y Terminologı́a”. 16. Figura 2.3: Estructura Jerárquica del Modelo de Proceso. 2.3.4. Modelo de Actividades de Control. Este modelo refleja las diferentes funciones de control que deben ser implementadas para administrar de forma exitosa el proceso de producción y cómo se encuentran relacionadas. Estas funciones de control definen la forma en que serán controlados los equipos (ya estructurados en el modelo fı́sico) en la planta. Como se ilustra en la figura 2.4, las actividades de control se relacionan mediante el flujo de información que intercambian para lograr la integración del proceso productivo. Para efectos del desarrollo de este trabajo, las actividades de control que se abordan en detalle son las de administración de receta y administración de procesos. Una receta es una entidad que contiene la mı́nima cantidad de información que es necesaria para definir los requerimientos de manufactura de un producto especı́fico. Las recetas proveen una forma de describir productos y cómo estos productos son elaborados. Las recetas de producción se especifican en términos de los modelos ya realizados del proceso productivo, haciendo uso de la información ya estructurada de.

(26) 2.4 Ventajas del Estándar - Parte 1. 17. Figura 2.4: Estructura del Modelo de Actividades de Control los recursos y procedimientos de producción para generar un producto especı́fico. La ventaja fundamental de la aplicación práctica de las recetas de producción se basa en la necesidad de asegurar una automatización integral del proceso. Diferentes partes de una empresa pueden necesitar información sobre el proceso de manufactura de un producto en diversos grados de detalle para poder integrar todos los componentes jerárquicos de una empresa, de modo que puedan trabajar en consonancia y ası́ logren obtener resultados óptimos. De esta forma, más de un tipo de receta es necesaria en una empresa. La receta de producción se descompone en otros tipos especı́ficos de receta que están destinadas a servir a diferentes entes organizacionales de la empresa. De forma jerárquica las recetas se clasifican en: Receta General, Receta de Sitio, Receta Maestra y Receta de Control.. 2.4. Ventajas del Estándar - Parte 1. Según (ISA, a), esta parte del estándar define modelos y terminologı́a que permiten:.

(27) 2.4 Ventajas del Estándar - Parte 1. 18. • Hacer énfasis en la aplicación de buenas prácticas para el diseño y operación de plantas con ambientes de producción de tipo batch, continuos o discretas (o una combinación de las anteriores), incluyendo las actividades realizadas en las lı́neas de empaquetado. • Optimizar el control de estas plantas de manufactura. • Aplicarlo independientemente del grado de automatización de la planta. • Optimizar la comunicación entre los entes involucrados, que consecuentemente genera, entre otras ventajas: reducción el tiempo del usuario para generar nuevos productos, permite que los vendedores suministren herramientas apropiadas para implementar el control de procesos batch, permite que los usuarios identifiquen de forma más clara y rápida sus necesidades y reduce el costo de automatizar procesos batch..

(28) Capı́tulo 3 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción 3.1. El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. En general, los ingenios azucareros generan diversos productos, entre ellos se encuentran diferentes tipos de azúcar (según su calidad), melaza y bioetanol. Para efectos del desarrollo de este trabajo, se considera el proceso de producción de azúcar rubio como caso de estudio. De forma general, las actividades que aportan valor agregado al proceso de producción de azúcar rubio se señalan en la figura 3.1. Dada la esquematización de las actividades de producción señaladas en el diagrama de flujo de producto del proceso (figura 3.1), a continuación se presenta una descripción general del proceso de producción de azúcar rubio con referencia en: (Coorporación San Diego, 2009), (Cooperativa Victoria, 2009), (Chacón et al., 2007), (Ingenio Pichichı́ S.A., 2009), (Loo, 2002), (Tabacal Agroindustria, 2009), (Gorostiaga) y (Smar, 2003).. 3.1.1. Insumos. El insumo fundamental es la caña de azúcar. La recepción, descarga y alimentación de la caña se realiza en un área denominada batey. Las cañas a moler provenientes del ingenio son transportadas por diversos medios.

(29) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 20. Figura 3.1: Diagrama de Flujo de Producto (remolques, camiones, vagones de ferrocarril y otros), éstas son pesadas en básculas anexas a la fábrica denominadas romanas. Adicionalmente, pueden realizarse pruebas de laboratorio con pequeñas muestras de caña para determinar su calidad y por ende, estimar su precio. Posteriormente, las cañas se descargan a través de diferentes medios: grúas cañeras, grúas puente o volteadores laterales. La caña es almacenada en el patio de caña. Desde este lugar se lleva hasta la mesa alimentadora de caña, en donde es colocada lateralmente. La mesa consiste de un conductor ancho y relativamente corto, accionado por un motor de velocidad variable. Sobre la mesa se hace un lavado a la caña con el fin de eliminar la arena y tierra proveniente del campo. De la mesa alimentadora la caña pasa al conductor principal cuya función principal es llevar la caña a la fábrica con una velocidad variable..

(30) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 3.1.2. 21. Molienda. Sobre el conductor de caña y a continuación de las mesas alimentadoras, muchos centrales (ingenios) azucareros implementan niveladores de caña cuyo trabajo consiste en distribuir y nivelar la caña en el conductor. Éste es el primer elemento que interviene en el proceso de molienda. El nivelador posee un eje colocado transversalmente al conductor, sobre el cual van brazos curvos que giran en sentido inverso a este conductor. La uniformidad del colchón de caña en el conductor permite variaciones mı́nimas de velocidad para la alimentación de la misma a los molinos. A continuación, la caña pasa a través de las cuchillas picadoras. Éstas se encuentran colocadas sobre el conductor de caña y después del nivelador, las mismas ejecutan dos funciones importantes en la fábrica: 1. Favorecen la capacidad de los molinos transformando la caña en una masa homogénea y compacta. Esto quiere decir que la densidad de la caña al pasar por las cuchillas aumenta desde un 75% a un 100% según la instalación particular a su ajuste. 2. Mejoran la posterior extracción de jugo en los molinos. El ajuste de las cuchillas se hace por medio del posicionamiento a una distancia especı́fica entre las puntas de las mismas y la superficie del conductor de caña. Según sea la separación, la preparación de la caña se verá afectada y el producto de salida tendrá diferente contextura. Algunos centrales azucareros cuentan con desmenuzadoras y desfibradoras a continuación de las cuchillas picadoras. Sin embargo, esto no es muy común dado que en general uno o dos juegos de cuchillas picadoras logran una preparación de la caña bastante aceptable para ser molida posteriormente. La caña, una vez preparada según los pasos anteriores, pasa por el primer molino, seguidamente es llevada a un segundo molino a través de un conductor intermedio y ası́ sucesivamente atraviesa hasta el último molino (la cantidad de molinos depende de las caracterı́sticas de la caña, de las especificaciones de los molinos y de los requerimientos de la empresa)..

(31) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 22. La misión de los molinos es la extracción del jugo de la caña. Un molino consta normalmente de 3 cilindros (2 inferiores y 1 superior entre y arriba de los dos primeros) dotados de ranuras para ayudar a la extracción y al agarre del bagazo. Las ranuras varı́an en su paso y en su altura. Para el mejoramiento de la extracción de jugo de caña se adopta, generalmente antes del último molino, la adición de agua caliente con una temperatura entre 155-170◦ F al bagazo. A esta técnica se le conoce como imbibición. La imbibición puede causar problemas debido a que resulta más difı́cil para el molino tomar el bagazo imbı́bito que seco. Esto ocasiona atascamientos y es cuando los operadores tienden a disminuir la cantidad de agua de imbibición. La imbibición aumenta la extracción de sacarosa en aproximadamente un 15%. Para aprovechar al máximo la técnica de imbibición se suele seguir el siguiente procedimiento en los centrales azucareros. Para un arreglo de ’n’ molinos dispuestos en serie, se recolecta el jugo obtenido por el primer molino y se bombea al tanque de almacenamiento de jugo de caña. Para cada molino ‘i’, se recolecta el jugo obtenido, que luego es bombeado hacia la entrada del molino “i - 1”, el jugo resultante de este molino es enviado al molino “i - 2”, y ası́ sucesivamente hasta llegar al primer molino. Este procedimiento permite que el jugo obtenido por todos los molinos sea enviado al recolector asociado al primer molino y de esta forma, todo el jugo es almacenado en el tanque principal de jugo de caña. Este procedimiento de realimentación del jugo de caña, llamado maceración, permite que los molinos anteriores se beneficien de la técnica de imbibición realizada en la entrada del molino ‘n’. El bagazo es transportado de un molino a otro a través de los conductores intermedios. Éstos están provistos de un mecanismo llamado clutch que detiene el conductor intermedio cuando cuerpos extraños como metal o piedras pasan a través del mismo o cuando se produce atoramiento o atascamiento en los molinos. Por tal razón, su funcionamiento debe ser óptimo. Las piedras y los metales causan daños en los cilindros, deteriorando los dientes, lo que ocasiona problemas en la extracción de jugo de caña y elevadı́simos costos de reparación. El bagazo que sale del último molino en el ingenio es el principal combustible para.

(32) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 23. la generación de vapor en las calderas. Éste es llevado desde los molinos hasta las calderas a través de los conductores de tablilla. La fibra de la caña es suficiente para poderse utilizar como combustible y generar vapor en las calderas. Éste es utilizado para el movimiento de maquinaria de la fábrica (por ejemplo, turbinas de cuchillas, molinos, generadores y bombas) y además suministra energı́a térmica en la fase de evaporación del jugo de caña. La generación de vapor en las calderas es primordial para el óptimo funcionamiento de un ingenio.. 3.1.3. Tamizado. Inicialmente, el jugo de caña se somete a uno o preferiblemente a dos tamizados (uno grueso y otro fino), de esa forma se elimina la mayor cantidad de sólido en suspensión. Posteriormente, el jugo es enviado por una bomba a un tanque para su almacenamiento. Cuando sea necesario, o cada ciertos intervalos de tiempo, se extraen muestras de este jugo filtrado para pesarlo, determinar su densidad y realizar otras pruebas de laboratorio que determinen su calidad.. 3.1.4. Sulfatación. El jugo extraı́do de los molinos, es ácido, turbio y de color verde oscuro. Para la purificación del jugo se implementan técnicas como la alcalización y en muchas ocasiones, previamente a ésta, se realiza la sulfatación.. Éste último, es. un procedimiento auxiliar que consiste en la preparación de ácido sulfuroso que, al mezclarse con el jugo, elimina las materias colorantes que éste contiene. El azufre es quemado en un horno rotativo, el gas resultante sube por la columna de sulfatación y atraviesa un sublimador y una chimenea de doble pared con circulación de agua. La mezcla resultante es luego combinada con el jugo de caña.. 3.1.5. Alcalización. La alcalización es una técnica de purificación del jugo mediante la adición de cal suficiente para neutralizar los ácidos orgánicos. La cal se prepara en un tanque con.

(33) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 24. agua caliente y esta lechada de cal es añadida al jugo. A esta técnica se le conoce también como defecación. La adición de una cantidad correcta de cal es la base que permitirá, en fases posteriores, una buena clarificación del jugo.. 3.1.6. Calentamiento del Jugo. En algunos centrales azucareros puede considerarse como una etapa del proceso inmersa dentro de la alcalización. Previamente agregada la lechada de cal al jugo frı́o, se procede a calentar este guarapo alcalinizado hasta la temperatura final, que corresponde a la temperatura de ebullición. Para ello se utiliza un intercambiador de calor entre el jugo y el vapor de escape. Estas tuberı́as son normalmente de cobre por su alto coeficiente de transferencia de calor y deben ser limpiados periódicamente a través de cualquier medio quı́mico, mecánico o manual para restablecer su eficiencia.. 3.1.7. Clarificación. Es el proceso de separación del jugo precipitado del jugo claro. Un clarificador consiste de un tanque que recibe el jugo de caña proveniente de los calentadores. La meta es lograr en este equipo la decantación del fluido para separar el jugo claro del precipitado. Al inicio de la operación, el clarificador es llenado hasta desbordar por las tuberı́as de evacuación del jugo claro. El jugo claro que se obtiene sale por la parte superior del clarificador, asimismo el sedimento, lodo o cachaza lo hace por la parte inferior o a través de bombas especiales. Un clarificador está dividido en varios compartimientos o niveles, con desniveles hacia el eje central del mismo, éste gira lentamente y por medio de rastrillos colocados en los brazos del eje central se empuja la cachaza hacia el centro. En este punto, la cachaza cae por medio de un orificio anular al fondo del clarificador, donde es evaluada para posterior filtración. El proceso de clarificación es de tipo batch, tardando alrededor de 70 minutos para.

(34) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 25. completarse; por lo tanto, para garantizar la eficiencia del proceso de producción, es necesario hacer uso de mas de un clarificador, de forma tal que siempre exista flujo de entrada a la red de clarificadores y flujo de salida de la misma. En general, la red de clarificadores que debe ser implementada en un central azucarero, depende de los requerimientos de producción y de las especificaciones de los equipos, como factores principales. El jugo claro pasa directamente a los evaporadores, mientras que la cachaza es filtrada a fin de separar de la misma el jugo precipitado, las sales insolubles y el bagazo fino (bagacillo) que arrastra.. 3.1.8. Filtrado. El filtrado de la cachaza se puede hacer a través de filtros de prensa, mecánicos y de filtros rotativos continuos al vacı́o (los más usados en la actualidad) con una operación casi automática. El filtro rotativo continuo al vacı́o consiste de un tambor rotativo de láminas perforadas de cobre, al cual se zambulle un baño que contiene cachaza. La torta de cachaza resultante se remoja con agua caliente y luego se separa del tambor antes de comenzar un nuevo ciclo. El jugo filtrado resultante de esta operación pasa generalmente de nuevo al clarificador o es bombeado hasta los tanques de jugo próximo a alcalinizar debido a su turbiedad.. 3.1.9. Evaporación. El jugo claro obtenido en la etapa de clarificación, pasa a los evaporadores, en los cuales se elimina alrededor de dos terceras partes del agua contenida en el jugo. El resultado de esta operación es conocido como meladura. La evaporación del agua se lleva a cabo en dos etapas. La primera, en donde a través de evaporadores de múltiples efectos, se evaporan aproximadamente las dos terceras partes de agua, obteniéndose el lı́quido conocido como meladura, y la segunda, denominada la etapa de cocimiento..

(35) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 26. Un evaporador de múltiple efecto al vacı́o, consiste en un conjunto de intercambiadores de calor, comúnmente denominados celdas o cuerpos de ebullición, dispuestos en serie. El jugo entra primero en el pre-evaporador (cuerpo ‘i’) y, a causa de la circulación de vapor proveniente de las calderas, este jugo se calienta hasta el punto de ebullición. Al comenzar a hervir, se generan vapores que son utilizados para calentar el jugo en e cuerpo ‘i-1’ y ası́ sucesivamente hasta llegar al primer cuerpo, logrando ası́ un punto de ebullición menor en cada evaporador y evitando consecuentemente que el jugo se caramelice. Es importante mantener entonces la temperatura de ebullición del jugo dentro del rango permitido en función de su nivel de concentración, ya que si se supera este rango se produce la caramelización del jugo. Generalmente se utilizan evaporadores de 4 o 5 cuerpos. El jugo fluye a través de los diferentes cuerpos de evaporación a causa de la diferencia de presión existente entre ellos. En la evaporación es importante considerar el grado de concentración del jugo de caña; es decir, la concentración de sacarosa que posee esta solución. Esta concentración se expresa en grados brix (◦ Bx). La concentración del jugo entrante del primer cuerpo depende de la etapa anterior (clarificación) y la concentración del producto saliente del último cuerpo depende del punto de cristalización del azúcar, que se encuentra alrededor de 78 y 80◦ Bx. Por lo tanto, se suele colocar como lı́mite superior entre 50 y 60◦ Bx. Para lograr un máximo aprovechamiento de todos los recursos, el vapor resultante del último cuerpo de evaporación puede ser condensado para ser utilizado en el lavado de la caña al inicio del proceso de producción. Los cuerpos o celdas de evaporación también son denominados tachos. Dependiendo de la infraestructura del ingenio azucarero estos tachos pueden estar inmersos en equipos de mayor complejidad que realizan las actividades de evaporación, cristalización y centrifugación. Sin embargo el proceso de cristalización se describe en el siguiente apartado. Al igual que se explicó en la etapa de clarificación, la red de tachos que es implementada en el central azucarero depende de los requerimientos de producción y las especificaciones de los equipos..

(36) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 3.1.10. 27. Cristalización. Existen diferentes tipos de cristalización, entre otras se encuentran la cristalización por evaporación, la cristalización por enfriamiento y la cristalización mixta, que combina las dos anteriores. En la etapa de evaporación se explicó la evapo-cristalización realizada por el tacho, ésta es la primera fase de la cristalización mixta. En la segunda fase se realiza entonces la cristalización por enfriamiento, en la cual se mezcla la masa cocida por cierto tiempo después de caer del tacho, en aras de disminuir su temperatura. Los aparatos en los que se lleva a cabo esta última fase se denominan cristalizadores de enfriamiento. Éstos son intercambiadores de calor en los que se hace circular aire frı́o para disminuir la temperatura de la masa cocida que está siendo mezclada. En algunas ocasiones, se agregan cristales pequeños de azúcar en el cristalizador para favorecer el proceso de cristalización de la masa. Esta cantidad de cristales de azúcar suministrada se denomina semilla.. 3.1.11. Centrifugación. Esta operación, frecuentemente llamada purgado, consiste en separar los cristales en la templa suministrada por cada cristalizador, para obtener el azúcar en forma comercial. Una centrı́fuga consiste de una canasta cilı́ndrica diseñada para recibir la masa cocida por tratar. Esta canasta tiene en su perı́metro de dos a tres mallas con orificios perforados que permite el paso de la masa. El operador inicia el funcionamiento de la máquina y carga la canasta, es decir, introduce la cantidad deseada de masa cocida. La fuerza centrı́fuga hace que la masa cocida suba por la pared exterior de la canasta y, mientras que la malla detiene al azúcar, expulsa el licor madre. Éste escurre hacia la envoltura y se recoge del fondo de ella dirigiéndose a un canal ubicado en la parte trasera inferior. El azúcar atrapado en las mallas se lava con vapor y agua caliente, creando ası́ el cristal o cristales de azúcar limpios. Las centrı́fugas trabajan a altas velocidades y poseen varios ciclos, estos ciclos incluyen lavados con agua y/o vapor en intervalos de tiempo determinados de acuerdo a la clase y calidad de la templa. Las centrı́fugas son, en la actualidad, completamente automáticas y dependiendo.

(37) 3.1 El Proceso de Producción de Azúcar Rubio. 28. de la masa por purgar, autoajustan los tiempos de paso de la materia en la máquina. La miel resultante del centrifugado se conoce como melaza, la cual pasa a ser enfriada y secada. De la melaza se originan otros productos del central azucarero. Como fué mencionado en el apartado de evaporación, existen hoy en dı́a equipos cuya estructura incluye subsistemas que se encargan de realizar las actividades de evaporación, cristalización y centrifugado; es decir, combinan las funcionalidades de tachos, cristalizadores y centrı́fugas.. 3.1.12. Secado. El azúcar húmedo, producto de las centrifugadoras, pasa a través de bandas transportadoras para alimentar las secadoras. Estos aparatos consisten de tambores rotatorios en los cuales el azúcar se coloca en contacto con aire caliente que entra en contracorriente. Se carga la canasta de la secadora y posteriormente el azúcar se seca con una temperatura cercana a los 60◦ C. Seguidamente, se pasa por los enfriadores rotatorios inclinados que llevan aire frı́o en contracorriente, en donde se disminuye la temperatura del azúcar. Este tipo de secado es discontinuo. En este punto del proceso ya se ha obtenido azúcar rubio comercial. Para la generación de productos como azúcar refinado y/o extrafina es necesaria la adición de otros procesos de transformación.. 3.1.13. Empaquetado. En esta fase, el azúcar rubio pasa de las secadoras a una tolva de almacenamiento que permite el llenado de los envoltorios que la contendrán para su venta. El azúcar seca y frı́a se empaqueta en sacos de diferentes pesos y presentaciones dependiendo del sus caracterı́sticas y se despacha al almacén de producto terminado para su posterior venta y comercialización..

(38) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 29. 3.2. Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio. Como se mencionó en el capı́tulo anterior, el estándar ISA-88 propone prácticas apropiadas que definen qué hacer, en términos del modelado del proceso de producción, más no cómo hacerlo.. Desde este punto de vista, se evidencia que existe gran. flexibilidad en el proceso de aplicar los modelos definidos por el comité ISA-S88. Sin embargo, es necesario tener siempre en consideración que, según las estructuras jerárquicas de los modelos, se debe definir cada elemento de esa ordenación dependiendo de su rol, nivel de complejidad e inteligencia dentro del proceso productivo. La estrategia de modelado debe ser tal que logre presentar una versión estructurada y representativa del proceso de producción. El nivel de detalle debe ser tal que permita asignar los elementos de la estructura jerárquica de los modelos de forma óptima a los elementos del proceso de producción, evitando el exceso tanto en la generalización como en el detalle del proceso. En este trabajo, se ha tomado como estrategia definir las estructuras jerárquicas de mayor a menor complejidad (de arriba hacia abajo). Una vez establecido el elemento de mayor jerarquı́a, se derivan los siguientes componentes del modelo.. 3.2.1. Modelo Fı́sico. De acuerdo a los modelos propuestos por el estándar ISA-88, el modelo fı́sico de la empresa se elabora a partir de todo el conjunto de activos que la constituyen. El nivel de abstracción utilizado para la determinación del modelo es tal que permite concebir a toda la planta de producción de azúcar como una sola célula y a partir de ésta, se identifican los componentes inferiores. La figura 3.2 ilustra lo expuesto y los módulos de equipo se denotan como: M.E.i.j. = Módulo de Equipo ’j’ perteneciente a la unidad ’i’..

(39) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 30. Figura 3.2: Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Superior)..

(40) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 31. Figura 3.3: Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’B’)..

(41) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 32. Figura 3.4: Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’C’).

(42) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 33. Figura 3.5: Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’D’). Observación: Para cada clarificador una bomba envı́a jugo claro hacia el tanque ’I’ y la otra envı́a la cachaza obtenida hacia el tanque ’H’..

(43) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 34. Figura 3.6:. Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’D’. continuación) Observaciones: • Las 3 bombas señaladas en el filtro de cachaza corresponden a la bomba que envı́a la cachaza ya filtrada hacia el depósito deseado, para luego ser utilizada como abono, y las bombas que envı́an el jugo obtenido hacia la etapa de alcalización o clarificación, dependiendo de la pureza del jugo. • Las bombas del módulo de evaporación se encargan de enviar la meladura del cuerpo 5 al tacho y desde cada tacho a un cristalizador..

(44) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 35. Figura 3.7: Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’E’).. Observación: En este esquema y en el de la figura anterior se especifican los equipos para evaporación, cristalización y centrifugado para ilustrar con mas detalle cada una de estas actividades. Sin embargo, como ya se ha mencionado en la descripción del proceso de producción, existe una tendencia a implementar equipos que integran las 3 funcionalidades..

(45) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 36. Figura 3.8: continuación). Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - UNIDAD ’E’.

(46) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 37. Figura 3.9: Modelo Fı́sico (Elementos de Jerarquı́a Inferior - Módulos de Equipo ’A’ y ’F’). Observación: Los módulos de equipo A y F son tratados de forma general. No es el fin primordial de este trabajo detallar el proceso de siembra y transporte de la caña al central azucarero ni el proceso de empaquetado, clasificación y almacenamiento del azúcar en forma comercial..

(47) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 38. 3.2.2. Modelo de Control de Procedimiento. En este modelo se refleja la secuencia de actividades que debe llevarse a cabo para generar el producto deseado (en este caso, azúcar rubio). Los esquemas se elaboran a través del modelado de sistemas a eventos discretos, utilizándose como lenguaje el GRAFCET. De forma general, se considera que la ejecución de cada procedimiento de unidad se mantendrá activa desde el momento en que se proporciona la orden de arranque de procedimiento de unidad hasta que, en algún instante en el hilo de ejecución de todo el proceso, se dicte una orden para detenerla. Lo anterior asegura que mientras cierta cantidad de caña está siendo procesada en alguna etapa, otras porciones de caña están sufriendo trasformaciones en etapas anteriores y posteriores. Las consideración anterior, especificada para unidades, es válida para las tareas que se ejecutan en elementos de niveles más bajos en el modelo fı́sico, como módulos de equipo y módulos de control. Por ejemplo, un motor funcionará indefinidamente desde su activación inicial a menos que se suministre una orden de parada por algún motivo especı́fico. Los factores no modelados, como por ejemplo la falta de insumos, corresponden a una visión más detallada del proceso, en donde se deben tener en cuenta actividades de producción previas a la célula de proceso, como por ejemplo, siembra y transporte entre otros, y actividades de planificación de la producción en función de los proveedores, que se llevan a cabo en niveles superiores de la pirámide de automatización.. Para efectos de este trabajo, se realiza la aplicación el estándar ISA-88 al proceso ya definido en la figura 3.1. Sin embargo, el estándar permite, debido a su flexibilidad de aplicación, la incorporación futura de otras actividades de forma sencilla dentro de los modelos del proceso de producción.. El modelo de control de procedimiento se desarrolla en las figuras 3.10, 3.11, 3.12,. 3.13,. 3.14,. 3.15 y 3.16. En estas figuras se especifican simultáneamente. los parámetros (en forma genérica; es decir, sólo precisando las unidades de medida) asociados a cada una de las fases del modelo, en aras de relacionarlos a éstas de forma.

(48) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 39. más directa y sencilla. Sin embargo, es importante precisar que el modelo de control de procedimiento como tal solo abarca las actividades señaladas en el GRAFCET y los parámetros asociados a las fases forman parte de la fórmula del proceso de producción..

(49) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 40. Figura 3.10: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones ’A’ y ’F’).

(50) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 41. Figura 3.11: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’B’).

(51) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 42. Figura 3.12: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’B’ - Continuación).

(52) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 43. Figura 3.13: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’C’).

(53) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 44. Figura 3.14: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’D’) Observación: De la decantación del jugo se obtienen la cachaza y el jugo claro, éste último pasa a la operación E 4.2. Por otro lado, la cachaza es filtrada, obteniéndose jugo nuevo que debe ser realimentado a etapas anteriores para su debido tratamiento. El filtrado de la cachaza se coloca en la realimentación para ilustrar este flujo de producto. Esto es un abuso de notación en la herramienta GRAFCET, ya que de no precisarse esta observación, se asumirı́a que la ejecución del proceso sigue la vı́a 1 o la 2; es decir, serı́an mutuamente excluyentes..

(54) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 45. Figura 3.15: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’D’ - continuación).

(55) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 46. Figura 3.16: Modelo de Control de Procedimiento (Operaciones del Procedimiento de Unidad ’E’). Observación:. En otros procesos productivos de esta ı́ndole se realizan varias. purgas (centrifugados), con lavados intermedios, para obtener azúcar de mejor calidad (extrafina). Éste no es el caso..

(56) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 47. 3.2.3. Modelo de Proceso. En este modelo se definen las actividades que deben ejecutarse en la planta para llevar a cabo la producción de azúcar, especificando los equipos en los cuales deben implementarse. En función de los activos de los cuales dispone la empresa, se realizan los ajustes necesarios en el procedimiento de producción, de modo que se puedan aprovechar al máximo los recursos de la organización, sin recurrir a cambios forzosos en la infraestructura. En otras palabras, el modelo de control de procedimiento deberı́a adaptarse al modelo fı́sico en primera instancia y no viceversa. Según la parte 1 del estándar ISA-88 (ISA, a), la correspondencia entre el modelo de control de procedimiento y el modelo fı́sico para obtener el modelo de proceso es la señalada en la figura 3.17.. Figura 3.17: Mapeo entre el modelo de control de procedimiento y el modelo fı́sico para generar el modelo de proceso (ISA, a)..

(57) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 48. En las figuras 3.18 y 3.19 se especifican las porciones del modelo de control de procedimiento y del modelo fı́sico que generarán la porción del modelo de proceso de interés. Este segmento del modelo de proceso se estructura en la figura 3.20, donde se ilustra la generación de una parte del modelo de proceso para el procedimiento aplicado a la Unidad B y especı́ficamente la operación aplicada al módulo de equipo: Molienda. La técnica para elaborar los demás componentes del modelo de proceso es análoga a la presentada en la figura 3.20. Para efectos de dimensionamiento de este trabajo, se desarrolla una porción del modelo de procesos que posteriormente será objeto de simulación. Bajo este mismo esquema, en la figura 3.20 se especifican las relaciones existentes entre el modelo de control de procedimiento y el modelo fı́sico para la generación del modelo de proceso de producción de azúcar..

(58) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 49. Figura 3.18: Fragmento del modelo de control de procedimiento de interés para la generación del modelo de proceso Observación: El código de colores utilizado pretende facilitar la comprensión de la relación que se establece entre el modelo de control de procedimiento y el modelo fı́sico..

(59) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 50. Figura 3.19: Fragmento del modelo fı́sico de interés para la generación del modelo de proceso.

(60) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 51. Figura 3.20: Fragmento del modelo de proceso Observación: en aras de generalizar en la medida de lo posible, la aplicación del estándar al proceso de producción, en la figura se ilustra, por ejemplo, el mapeo de la fase: rotar motor picadora con el modulo de control: picadora para generar la acción de proceso: picar caña de azúcar. Esta relación se repetirı́a tantas veces como picadoras se tengan en una empresa particular y asimismo se aplica para los demás elementos..

(61) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 52. El modelo de proceso formalmente se describirı́a a través de GRAFCET, al igual que el modelo de control de procedimiento. Nótese que, en este caso, se identificarı́an acciones de proceso en lugar de fases, operaciones de proceso en lugar de operaciones, etapas de proceso en lugar de procedimientos de unidad y en general, se describirı́a el proceso en lugar del procedimiento. Al adoptar esta terminologı́a (del modelo de proceso) e identificar que ahora cada elemento de la jerarquı́a es mucho más rico en términos de la información contenida, se procede a elaborar el GRAFCET asociado al modelo de proceso. Sin embargo, es de gran importancia destacar que la estructura de este diagrama serı́a exactamente igual a la ya reflejada en el modelo de control de procedimiento, teniendo en consideración que cada etapa contendrı́a mucha mas información. Es por esta razón que resulta redundante repetir estas estructuras para ahora asociarlas a la terminologı́a del modelo de control de procesos. Resulta más provechoso entonces, reflejar la información asociada a este modelo en términos de la receta de producción, es decir, en el modelo de actividades de control.. 3.2.4. Modelo de Actividades de Control. En el capı́tulo 1 se especificaron las áreas de interés fundamentales para la realización de este trabajo en términos del modelo de actividades de control. Estas áreas son especı́ficamente la administración del proceso de producción y la administración de la receta. La estrategia que conducirá a la administración del proceso de producción será discutida en el próximo capı́tulo. En lo inmediato, se procederá a definir la receta de producción. Los tipos de recetas que se deben generar en el modelo de actividades de control se muestran en la figura 3.21. El área comprendida dentro de la elipse en la figura 3.21 abarca los puntos de interés para efectos de los cometidos de este trabajo, puesto que que la receta de sitio y la receta general aportan información no vital para el mismo. La receta maestra hace uso de toda la información asociada a la célula de proceso; es decir, en este caso, información asociada al proceso de producción de azúcar rubio..

(62) 3.2 Modelos del Estándar ISA-88 aplicados al Proceso de Producción de Azúcar Rubio 53. Figura 3.21: Tipos de Receta (ISA, a). De la receta maestra pueden generarse recetas de control que posean información aún más especı́fica sobre el procesamiento de un batch, necesaria para su adecuada gestión. El contenido que abarca la receta de producción se refleja en la figura 3.22.. Figura 3.22: Categorı́as de Información de la Receta (ISA, a). Partiendo de los modelos del proceso de producción del central azucarero se procedió a elaborar el documento de la Receta Maestra, respecto a las definiciones dadas por la parte 2 del estándar ISA-88: “Estructuras de Datos y Lineamientos para lenguajes” . Este documento busca garantizar una eficiente comunicación entre los.