Manual de Control

5/14/2018 Manual de Control

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INSTRUMENTACION Y}CONTROL DE PROCESOS

ANGEL GAYOSOTecnicas ReunidasINGENIERlA QUIMICA - JUUO/AGOSTO 1994

s.r, INTRODUCCIONBajo la denorninacion de "Sistemasde Control" se van a describir dis-tintos conjuntos de dispositivosorientados a la adquisici6n de da-tos, visualizaci6n, registro, actua-cion y regulaci6n que permiten elcontrol integral de un proceso. EIsistema de control engloba a todoslos dipositivos que sirven de inter-fase con e l u s ua r io y a todo el con-junto de elementos que sirven depuente entre los distintos elementosde campo (entre los elementos pri-marios 0 de medida y los finales)EI elemento fundamental de estossistemas de control sera el disposi-tivo eapacitado para la incorpora-ci6n de 16gica 0"inteligencia" paralas tareas regulatorias.La logica incorporada puede ir des-de la secuenciaci6n de operacionestodo-nada (habitual en proeesos deoperaciones discretas 0 disconti-nuas) hasta Ia aplicaci6n de algor it-rnos de control dentro de un lazo,simple 0multivariable (tipicamenteen proeesos continuos).EI algoritrno es la expresion mate-matica que efecnia, dentro de un la-

20 de control, la evaluaci6n de lamodificaci6n anal6gica requerida enIa variable manipulada para conse-gu ir r ed u ci r 0 eliminar el e r ror de lavariable controlada EI algoritrno esejecutado par un controlador, dispo-sitivo basico dentro del conjunto deelemento de un sistema de controlpara procesos continuos. Como yase ha definido en el capitulo prime-ro de esta serie, el controlador es eldispositivo 16gico que comparael valor de la variable a controlar,medido en campo, can eI valor de-seado, denominado punto de con-signa (0 set point); la diferencia en-tre ambos es el error a eliminar me-diante la actuaci6n en campo sobreuna segunda variable denominadavariable manipulada La magnitudde la actuaci6n sabre la variablemanipulada en funcion del error se-ra determinada mediante aplicaciondel algoritrno de control previamen-te seleccionado y ajustados sus pa-rametres (sintonizado):8.2. ANTECEDENTES DELOS SISTEMAS ACTUALESComo antecedentes se han eonsi-derado los sistemas tfpicamente

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Fig 1 Sola central de un Sistema de Control Distribuido

instalados entre los afios 60 Y 80,algunos de los cuales todavta per-viven en instalaciones actuales Deellos los tres primeros menciona-do s se orientaban a plantas de pro-ceso continuas mientras que el ul-timo, sistemas basados en reles, sedirigfa fundamentalmente a proce-sos con oper aciones discretas 0discontinuas8..2.1. SISTEMAS CONPANEL DE CONTROLCENTRALIZADOLa primera tendencia hacia la cen-tralizaci6n de los sistemas de con-trol se inicia con la instalacion depaneles de control centraIizados,que ubicaban, en grandes armariosIongitudinales, todos los elementosindividuales de indicaci6n, registroy regulaci6n de una planta 0 uni-dad ..Los elementos de indicacionson inicialrnente diales anal6gicos,incorporandose indicadores digita-les solo en los iiltimos tiempos deutilizaci6n de paneles. Los ele-mentos de memorizacion 0 regis-tro son sistemas graficos de repre-sentaci6n sobre un papel que semueve con el tiempo a cierta velo-cidad La impresion se efecnia me-diante plumillas de trazo continuoo mediante impresion discretapunto a punto, se utilizan diferen-tes colores para diferenciar cadavariable ..Los controladores, neu-maticos 0 con electr6nica anal6gi-ca, son siempre de una sola varia-ble controlada y de una sola mani-pulada (SISQ, segtin las siglas de100

las iniciales inglesas, single input,single output) ..Las enormes di-mensiones del panel, en plantas decierta importancia, exigen la pre-sencia de numeIOSOSoperarios (pa-nelistas) que atienden los valoresmostrados por los indicadores yacnian sobre las consignas de loscontroladores a la vez que anotanperi6dicamente los distintos valo-res de las variables principales enhojas de rnarcha El panel requiereuna atenci6n de personal importan-te (impuesta por su propia distribu-cion ffsica) y no facilita la gestionde datos, que se ha de efectuar rna-nualmente (prestandose a erroresde anotacion) y con una extensionlogicamente limitada. La opera-cion esta tambien limitada por lascaracterfsticas de los controladoresutilizados, con minima fIexibilidady limitacion de estrategias, estable-cidas pOI hardware y, por tanto, nofacilmente modificables ..8.2.2. SISTEMAS CONVIGILANCIA Y/OSUPERVISION DIGITALDesde el mas incipiente desarrollode los ordenadores digitales fuemanifestada la gran potencialidadde aplicacion de los rnismos comocomplemento de las prestacionesde la instrumentaci6n de panel entareas de supervision, desde aque-llas mas elementaIes (recopilacionde informacion, elaboracion de in-formes, realizaci6n de balances,etc.) hasta las de mayor nivel (su-pervision y control de puntos de

consigna) Estos sistemas mante-man fundamentalmente las tareasde control encomedadas a la ins-trurnentacion analogica de panel,de la que se extrafa informaci6n(vigiIancia) mediante una interfaseanalogica/digital (AID), siendo, engeneral, mfnimas las aplicacionesincluyendo actuaci6n sobre puntosde consigna (supervision) El altocoste de los orden adores en la epo-ca en que se comenzo a implemen-tar estos sistemas, su relativamentebaja fiabilidad y la, por desgracia,frecuentemente precaria prepara-cion del personal de produccion entemas informaticoscontribuyeronal abandono relativamente rapidode esta tecnica8..2.3. CONTROL DIGITALDIRECTOLa reduccion de costes (relativa ala epoca), la confianza creciente yla apuesta de futuro por la utiliza-cion de ordenadores en niveles deproducci6n desemboca en un nue-vo concepto de sistemas de con-trol: todas las tareas logicas se en-comendaran a un tinico ordenadorcentral que actuara como controla-dor de todos los lazos existentes,esta concepci6n se denomino Con-trol Digital Directo (DDC de lassiglas en Ingles Digital DirectControl). El ordenador centralizala recepci6n de todas las sefialesde medida, mediante los adecua-dos multiplexores y convertidoresAID, procesa los diversos algorit-mos de cada lazo de control y re-envfa a campo la sefial adecuada acada elemento final (valvula), me-diante convertidores D/A De estaforma se elimina la multiplicacionde dispositivos locales 0 de panelcubriendo la misma funcionalidad,perrnite una mejor gestion de in-formacion, con acceso a labores desupervision similares 0 superioresa las descritas anteriormente yofrece posibilidades de control demas alto nivel (algoritmos mascomplejos). Como contrapartidapresenta una serie de inconvenien-tes de los que pueden destacarse elvolumen, todavia muy elevado, delos ordenadores de la epoca, su al-to precio y, sobre todo, su escasafiabilidad como para hacer depen-der de un solo elemento todas laslabores de control de un proceso y,por tanto, la produccion en sf Lasposibilidades de redundancia pasa-

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ban, con la arquitectura descrita,por la necesidad de duplicar el or-denador central, 0 simultanearlocon instrumentacion analogicaconvencional, 10 que incurrfa encostes inabordables 0de rentabili-dad diffcil de justificar en la mayo-ria de los casos8..2 ..4. SISTEMAS ABASE DE RELESEI sistema paralelo, en procesosdiscretos 0discontinuos, a los pa-neles centrales de control utiliza-dos en procesos continuos, 10constituian los armarios de reles ..En estes se establecia, mediantecableado, la logica de actuacionestodo-nada para la apertura-cierrede valvulas, paro-marcha de moto-res, etc., con la cadencia y tempo-rizacion adecuadas, y con la incor-poracion ademas, siempre median-te cableado, de los enclavamientosadecuados8.3"SISTEMAS PARAPEQUENASINSTALACIONESDECONTROLBajo este eptgrafe se pretende unabreve descripcion de los sistemasutilizables cuando, ponderando sutamafio (reducido), eomplejidad ygrado de criticidad, no se conside-ra idonea la utilizacion de los sis-temas distribuidos descritos masadelante.8..3..l CONTROL DIRECTOPORPCLa creeiente capacidad de los PC'sposibilita la decision de encomen-darles directamente las labores decontrol y la actuacion sobre loselementos finales, mediante las in-terfases adecuadas Esta utiliza-cion del PC es similar a la descritacomo DDC entre los antecedentesde los sistemas de control moder-nos El soporte ffsico se constituyepar un PC con un software de ad-quisicion de datos y contr 01 0SCADA (de las siglas inglesasSupervisory Control and DataAdquisitiony y una adecuada inter-fase para las entradas y salidas(E/S) de las sefiales de campo, abase de multiplexadores y COllVeJ-tidores AID y D/A. Los procesosque utilizan esta solucion normal-INGENIERIA QUIMICA - JUlIO/AGOSTO 1994

Fig 2 Controtaaor indepen-diente mu/tilozo

mente no incluyen lazos de controlcontinuos sobre los que haya deejecutarse un algoritmo, pero, ensu caso, podrfa incluso ejecutarseeste, un mimero limitado, en elpropio procesador del PC EI pun-ta debil de este esquema radica enla debilitada fiabilidad del sistemaal hacerle depender del procesadarde un PC (unico y no muy robus-to). POI ello no resulta recomenda-ble, ni habitualmente utilizable,para la mayorfa de las plantas deproceso, con excepciones comoplantas pi loto 0 plantas confunciones de control de reducidaresponsabilidad En cualquier otrocaso la opcion a considerar deberfaser la utilizacion de PIC's para laslabores de control y la dedicaciondel PC a las tareas exclusivamentede monitorizacion, es decir, unasolucion que se describe en lospuntos siguientes8.3.2. CONTROLADORESINDEPENDIENTESMULTILAZOEste tipo de controladores consti-tuyen la nueva generacion del con-trolador de panel descrito comoantecedente Las posibilidades de

la electronica han logrado que estageneracion de controladores elec-tronicos (digitales, pOI supuesto)sea capaz de gobernar simultanea-mente un mimero de lazos superiora 1 (tipicamente 4, 8 0 16), razonpOI la que se construye normal-mente en dicha configuracion mul-tilazo, Hoy en dfa la utilizacion ha-bitual de estos dispositivos se re-duce a pequefias aplicaciones, nointegrales, en las que el ruimero desefiales es suficienternente reduci-do como para no justificar siste-mas mas complejos ..La visualiza-cion de las variables medidas y losparametres de control se puederealizar mediante una pequefiapantalla 0visor localizada sabre elpropio controlador, frecuentementeinstalado en campo La mayoria delas plantas qufrnicas 0 afines exigeun numero de sefiales superior alas que justificanan la seleccion deun sistema de las caracterfsticasmencionadas par 10que su empleono resulta demasiado frecuente enesos arnbitos, sal vo aplicacionesaisladas

8..4.INTRODUCCIONA LOS DCS YPLC'SComo herederos de los sistemasdescritos como antecedentes SUI-gen en los afios 70 (coincidiendocan el poderoso desarrollo de losprocesadores basados en semicon-ductores) los Sistemas de ControlDistribuido, orientados al controlde procesos continuos, y los Auto-matas L6gicos Programablesorientados al control de operacio-nes todo-nada, tanto en plantas deprocesos discretos como conti-nuos Ambos resuelven satisfacto-riamente la mayoria de los incon-venientes destacados de los siste-mas primitives. Los sistemas DeStienden esencialmente al controlglobal de un proceso mientras quelos PLC's se conciben, al menosinicialmente, desde una optica maslimitada para atender pequefiossistemas locales englobados 0 nojerarquicamente en otros mas com-plejos (par ejemplo, sistemas convarios PLCs 0PLC's encuadradosen un DCS). La clasificaci6nDCS/PLC, definida en funcion desu orientacion, estuvo c1aramentediferenciada en los origenes deambos sistemas, en los terminosanteriormente definidos En su

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evoluci6n posterior todo-nada, tra-tando de hacer innecesaria la com-binaci6n del DCS con PLC's. Porotro lado, los fabricantes de PLC'sincorporaron a sus equipos masavanzados funciones de control delazos analogicos, dotandoles deprestaciones recientemente equipa-rables a las del DCS, contribuyen-do a una cierta confusi6n en los If-mites de separaci6n entre ambossistemas ..A esta confusion no sonextrafios algunos fabricantes en suactual deliberada decisi6n de no de-nominal PLC's a sus sistemas decontrol mas avanzados, aunque sebasen en realidad en estes Par estasrazones en el presente articulo sehan tratado de definir, hasta dondeha sido posible, todos los elementoscomunes a ambos sistemas, hacien-do abstraccion del elemento base decontrol que pudiera diferenciarlosLas aplicaciones de PLCs a tareas"menores", como las especfficas desecuenciacion de operaciones todo-nada, posieionamiento, conteo 0do-sificacion, etc.. pero no sujetas a mo-nitorizacion ni integradas en sistemade control mas amplios, es decir, noincluidas en un sistema de controlintegral, quedan fuera del ambitoprincipal del presente articulo y semencionan solo colateralmente, aun-que no deje de resaltarse su impor-tancia en ruimero y nascendenciaAntes de continuar convendrfaaclarar el significado del atributo"distribuido", en realidad aplicableal contexto del presente articulotanto a los sistemas de DCS comoa aquellos basados en PLC's. Di-cho atributo surge de la idea claveque caracteriza a ambos sistemas:distribuir una aplicacion de controlde gran tamafio (gran panel, granordenador central) en diversos sub-sistemas (cada uno de los cualesejecuta una parte de la aplicacion),con capacidad de comunicarse en-tre sf, 10 que permite una central desupervision unica con acceso a in-formaci6n de los diversos subsiste-mas ..En la practice esta "distribu-cion" se manifiesta en una doblerealidad: una distribucion funcionalfrente al control centralizado(DDC), concretada en la utilizacionde multiples microprocesadores ca-da uno de los cuales atiende digi-talmente al control de un ntimeroIimitado de acciones; y una distri-buci6n geografica caracterizadapor la Iocalizacion de arrnarios que102

contienen conjuntos de elementosde control y adquisicion de datosmas proximos a la ubicacion delproceso controlado, con la conse-cuente reduccion del cableado en-tre campo y dichos arrnarios. Laconcepci6n "distribuida" no impidepor otra parte que los distintos ar-marios de control se comuniquencan una unica sala de control "cen-tralizada" Esta distribucion geo-grafica frecuentemente presentacomo inconveniente la localizacionde elementos electronicos en areasde proceso, no dotadas de los ade-cuados sistemas de climatizacion(control de temperatura, humedad,polvo) 10 que puede incrementarlos problemas de mantenimientoEsta contradicci6n hace quecuan-do los sistemas no e s tan su f ic ien te -mente adaptados para ambiente in-dustrial, esta distribucion geografi-ca no se lleva a cabo.8.5..CARACTERISTICASGENERALES DELOS DeS Y PLC'SJunto a la caractenstica de la dis-tribucion, los sistemas de controlmodernos basan su hegemonfa enlas siguientes caracterfsticas quedemostraron su supremacia frentea otras altemativas- Funcionamiento digital Frentelos sistemas de reles y a los con-troladores analogicos neumaticos 0electronicos el DCS 0 los PLC's(igual que anteriormente el DDC)presentan un funcionamiento digi-tal con todas las ventajas inheren-tes al tratamiento e intercambio deinformacion Sin embargo, intro-duce una preocupacion no presentecon los controladores anal6gicostradicionales: el tiernpo de ciclo,exploracion 0 muestreo. La serialana16gica de proceso, intrfseca-mente continua, se ha de desconti-nuar en sucesivas lecturas puntua-les, 10 suficientemente pr6ximascomo para inferir su valor, par in-terpolacion, entre dos Iecturas su-cesivas El tiempo de exploracion,tiempo entre lecturas consecutivasde la misma variable, dara indica-cion de la calidad del seguimientode la misma (que puede Ilegar aser fundamental en algunos valorescnticos de procesos continuos)- Caracteristicas configurables. Lautilizacion de microprocesadores

permite el diseiio de sistemas basa-dos en tarjetas universales, cuyascaracterfsticas (algoritmo de con-trol, topologfa dellazo, sintoniza-cion, definicion de entradas y sali-das) se definen en cada casu me-diante programacion ..Esta progra-maci6n puede efectuarse mediantecodigo (habitualmente en losPLC's) 0 basandose en la seleccionde las opciones deseadas de una bi-blioteca de posibilidades incluidaen el propio sistema po r el fabrican-te; esta ultima forma de programa-cion elemental (habitual en losDCS y denominada configuraci6n),facilita enormemente las labores demantenimiento, modificacion 0ac-tualizacion de la aplicacion en fun-cion de las nuevas necesidades 0caractensticas 0del progresivo me-jor conocimiento de las peculiar ida-des de cada unidad- F iab il id ad La distribucion de lastareas de control entre divers oselementos 0 subsistemas disminu-ye el riesgo de cafda global del sis-tema completo El mismo concep-to de distribucion permite seleccio-nar el grado de redundancia ade-cuado en funcion de la criticidadde la actividad controlada 0 auto-matizada- Facilidad de ampliacion Por supropia concepcion dividida en sub-sistemas se permite una facil am-pliacion de la aplicacion, al serfundamentalmente modular. Enefecto, la incorporacion de unanueva unidad puedehacerse sobreel mismo sistema afiadiendo elmismo bastidor las tarjetas adicio-nales necesarias. As! se permite sufacil adecuaci6n a las crecientes 0variables necesidades del proceso ..- Futura compaiibilidad La realcompatibilidad de unos equiposcon sus nuevas generaciones (aundentro de una misma rnarca co-mercial), siempre prometida y po-cas veces realmente efectiva, es laverdadera asignatura pendiente delos suministradores de sistemasde control. La velocidad de cambiode las herramientas de hardware ysoftware hacen esta caracterfsticafundamental como criterio de se-lecci6n y a la ve z dificilmente eva-luable a priori- Integracion Que se concibe enuna doble vertiente. L Integraci6nvertical: incorporacion en una solaestructura de los diversos niveles

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Fig3 Arquitectura tradicional de Honevwell. can red a nive/ de proceso DataHiwav VUCNVred de planta LCNfodas ellos con protocolo de propietario

AM: Modulo de apffcaclones.AMC, Control mulf ltunclooal AvARM: Modulo de orchlvo y revBe: Controlador boslco.80S: Estoclon operoclon bosCCC: Control ccrnpresorCG: Gateway can ordenadorClM: Modulo conexl6n coml.nlc

CMSON: Modulo conexlen vox redCM5OS: Modulo conexl6n vo xDPR: Reglstrador dlgijalEC: Ctrl extendldo.HG:Hlway gatewayHM: Modulo hlstorlcoLAN: Red area local .lCN: Red de confrot loccl.

MC: Controkrdor mu1flfunclonaf.NG: Gateway de redNfM, Modulo Interfase de redPC: Ordenador personal.PCNM: M6dulode red PCsPlC: Automata 100leo proqrornobtePlCG: Gateway para PlCPlNM: Modulo de red de planta

SAM: MOdulo apl leacl6n scanner.SCM: Medldor corlollslsSGC: CrotnGt6grafo gas smartST:Irosrnlsor presion smartSIT: Irosrnlsor temp smartUDC: Controlador digital universolUS: Estael6n universal (operoclon)

jerarquicos de control, nivel basicoo regulatorio, nivel de proceso, ni-vel de planta y nivel de negociocorporative. 2 Integraci6n horizon-tal: incorporacion en una sola es-tructura de control de los aspectosde control regulatorio, electricos, demantenimiento y de proceso (calcu-los, balances, optimizaci6n)8 " 6 , , ARQUITECTURALa definicion de la arquitectura delos sistemas de control se ha veni-do debatiendo en los uitimos afiosentre las opciones de propietario ylos sistemas abiertos Un sistemade control se denomina abiertocuando esta formado por elementosestandar: interfase con el operadormediante ordenador personal 0 es-tacion de trabajo, sistemas operati-vos estandar y protocolo de comu-nicaciones norrnalizado (par ejem-plo, UNIX y Ethernet, respectiva-mente). EI estereotipo hasta hacemuy poco conferta una mayor 10-INGENIERfA QUlMICA - JUUO/AGOSTO 1994

bustez, seguridad y fiabilidad a lossistemas de propietario (especffica-mente concebidos y construidospara control), per o los grandesavances de estos campos de los sis-temas estandar han hecho perdervalidez a esa concepcion, por 10que los sistemas de propietario sehan quedado practicamente sin ar-gumentos que los justifiquenHacia los sistemas abiertosLos sistemas abiertos se definenesencialmente como aquellos queperrniten (0 persiguen) la compati-bilidad de equipos y la compatibi-lidad de aplicaciones Los fabri-cantes de sistemas de control optanpor integrar en sus arquitecturaselementos estandar desarrolladospor otros, con 10que el esfuerzo desu actualizacion, que consume im-portantes recursos en investiga-cion, recae en esos otros, (f'abri-cantes de ordenadores, desanolla-dores de softwarei yes, ademas,cornpartido Mas en concreto los

sistemas abiertos permiten:- Facilidad de expansion, sustitu-cion e integracion sin problemasde equipos y software de diversosfabricantes:- Actualizacion de sistemas opera-tivos y del software estandar 50-porte de las aplicaciones de con-trol.- Iransferencia de datos en base aestandares.- Comunicacion de datos entre di-versos sistemas operativos: UNIX,VMS, DOS.Como ejernplo de arquitecturaabierta mas tipica en los sistemasactuales podrfa establecerse la 5i-guiente:Entomo: Windows, XWindowsSistema operativo: UNIXBase de datos: SQLComunicaciones: Ethernet conproto colo ICP/IPEstaciones de operacion: Estacio-

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Fig 4 Arquitectura del sistema Foxboro 1/A con /a filosotra de sistemas abierto.s

COO1plJ'til.dorp41~H P E S2 B B.C~().Hf"&J3.867 0 M B Disco d L l O o-1MB""'"MonII-crVGA

32001l1!1~osEJS,lio'ompor&Sptlesia2_5illSD6 Iocd6t p rimur i ~ kl '"32 en.lradas. 1 mS

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nes de trabajo RISe con procesa-dor a 32 bit, con disco duro y car-tucho/s de cinta8,,7..DESCRIPCION FISICAConceptualmente los componentesbasicos tanto de un DCS como deun sistema basado en Pl.C:s coin-ciden en los siguientes elementos:- 1. Estaciones de control y adqui-sicion de datos. Constituido esen-cialmente pOTun bastidor en el quese incorporan las tarjetas de con-trol (circuitos basados en micro-procesadores), tarjetas de entra-das/salidas (I/O), tarjetas auxilia-res y fuente/s de alimentaci6n- 2. Interfase/s hornbre/maquina(MMI- de las siglas Man MachineInterfasey. Constituidas esencial-mente por monitores y tecladosque permiten, respectivamente, larecepcion de informacion del pro-ceso pOI el operador y el envio deconsignas de este al proceso- 3. Red de comunicaciones. las104

DEC VAX b.ItoVMS~X WINDOW CA.F :RjERBAND l...I.Nk:oo: Ql: odot I~D:t,boIu nd ld l!o .y 5MBa Jd. TokooPm;:sir g,COAX CATV Fb"~~~opcfooaI

75 Ol'Im, IHEOO2.4,m&x. '2 Km

comunicaciones entre los distintoselementos que componen el siste-ma distribuido constituyen el au-tentico punto neuralgico de todo elsistema, por 10 que habitualmentese redundan po r motivos de segur i-dad La red de comunicaciones sir-ve tambien de nexo entre estarnen-tos jerarquicamente superiores ainferiores,4 ..Software de configuracion/pro-gramacion del sistema. Definicionde las I/O, estrategias y/o secuen-cias de control, seleccion de algo-ritmos y representacion en el MMI- 5. Estaciones auxiliares ..Bajo estadenominacion se ha pretendidoagrupar aquellas estaciones desti-nadas a funciones complementariascomo gesti6n de comunicaciones 0funciones de ingenierfa, que, de-pendiendo de la marca comercial,forman 0 no parte del sistema decontrol y son optativamente selec-cionadas por el usuarioEntre los criterios de seleccion en-tre las distintas ofertas del merca-

do ha de atender se al tamafio ma-ximo necesario para el sistema, esdecir el rnimero de estaciones decontrol y adquisicion de datos, nri-mero de estaciones de rnonitorizacion (MMI) y la velocidad de tras-mision de datos requerida8..7.1. ESTACIONESDECONTROLYADQUISICION DE DATOSBajo esta denominacion generic ase incluyen tanto los aut6matasprogramables como los arrnariosde tarjetas del DCS.8.7 J 1 PlC'sEn su concepto mas clasico, comoya se ha dicho, el PlCesta orien-tado a la automatizaci6n de proce-sos con predominio de sefiales to-do-nada Se conciben como ele-mentos muy robustos (casi siem-pre para soportar ambiente indus-trial), fiables (capaces de aplicarseen operaciones crfticas incIuso dealto riesgo) y autonomos (mantie-

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Componentes del PICen el control de la operacioncon independencia de poten-ciales fallos en el resto de loselementos del sistema -red, vi-sualizacion-). Dentro de laenorme diversidad de modelosde PLC's pueden abstr aersecomo caracteristicas comunesla utilizaci6n de un bastidorque aloja una fuente de alimen-tacion y una serie de tarjetascon diversas funcionalidades,entre las que siempre ha de fi-gural, al menos, una tarjeta ba-sica dotada con la unidad cen-tral de proceso (CPU) que PIO-porciona la capacidad de pro-gramar el sistema ..(Los mode-los mas elementales puedenenglobar los elementos citadosen un paquete compacto, es de-cir, fijo 0no ampliable).En el terrene de la autornatiza-ci6n de procesos discretos(manufacturing) el PlC no tie-ne competencia y su utiliza-cion es universal. En el mundode la industria quimica y afindestaca su aplicacion en aque-110sprocesos, tfpicamente porcargas 0 mixtos, en los que elconjunto de acciones de con-trol, el ruimero y, sobre todo,complejidad de tratamiento delas sefiales continuas (analogi-cas) no resuItan excesivos, sibien como se ha indicado anterior-mente la frontera resulta cada vezmas bonosa .. Como ejemplos deutilizacion npica de sistemas decontrol basados en Pl.C's puedencitarse las f ab r i ca s de pulpa y papel,acerias, polfmeros (PE, PP, PS), ga-ses, alimentacion y bebidas, azuca-reras, qufrnica fina y farmacialas funciones encomendadas alPlC (recepcion y envfo de sefialesa campo, calculos, disparo de alar-mas, etc.) se programan, medianteuna maleta auxiliar de programa-cion (en realidad un ordenador) quese conecta temporalmente al siste-ma. El tiempo requerido po r el PlCpara ejecutar secuencialmente elconjunto de ordenes programadasse denomina ciclo. EI tiempo de ci-cIo maximo aceptable dependera dela criticidad de las medidas 0 com-probaciones exigidas En un proce-so continuo, en el que las variablespueden cambiar rapidamente y pue-den originar situaciones peligrosas,los tiempos de ciclo maximos reco-mendables deberian situarse en eIINGENIERIA QUIMICA - JULIO/AGOS TO 1994

Fig 5 PLC de Siemens ..Simotie

entorno de los 300-500 ms (sirnila-res a los de exploracion de un siste-ma de control distribuido, que sedescribe mas adelante) Para con-trol 0 supervision de operacionesque involucren sistemas rapidos(movimientos de rnaquinas, potejemplo) los tiempos han de sermucho mas COItOS, para 10 que sehan de utilizar tarjetas especialesque se cornentan a continuacion EItiempo de cicio depende tanto de facomplejidad como del mimero deinstrucciones programadas El mi-mero maximo de sefiales de entra-da/salida digitales y/o analogicasoscila desde ocho en los modeloscompactos hasta 5.000 en los maspotentes: Con objeto de estableceruna referencia que suva de compa-racion entre los distintos modelos 0fabricantes se suele hablar de tiem-po de ejecuci6n por cada 1 kb deinstrucciones binarias, que puedeoscilar desde 0,5 a 100 ms: Paraadecuar dicho tiempo de ciclo al re-querido se debera conjugar adecua-damente la seleccion de la potenciay velocidad del modelo de CPU

- Tarjeta centralIntegrantes tfpicos de esta tar-jeta son: eI microprocesador(en los modelos mas avanza-dos de 32 bits), modules dememoria EPROM y RAM(des de 8 kb hasta algunosMb), reloj calendario con ba-teria y conectores de conexi6ncon perifericosOtras opciones ofrecidas pOIdistintos modelos son copro-cesadores booleanos y/o depunto flotante- Tarjetas de entradas (E) y sali-das(S)Se encargan de la comunica-cion con campo mediante la re-cepcion y/o envfo de sefiales.Cada tarjeta puede ser s610 deE, solo de S 0 E/S pudiendoser, en cualquiera de los trescasos, sefiales analogicas (ter-mopar, termorresistencia, 4-20rnA, 0 - 10 V, etc) 0 digitales(246 48 V de, 24-230 V acetc.). Suelen diferenciarse dostipos de sefiales, las normales ylas de interrupcion ..Estas tilti-mas interrurnpen la ejecuciondel cicIo para su procesamientoinrnediato, disparando una ruti-

na preestablecida, por 10que resultade gran interes en acciones relacio-nadas con Ia seguridad. Dado que laoperacion interna del PLC es siem-pre digital, las entradas 0 salidasanalogicas han de pasar por unaconversion A ID 0D/A, respectiva-mente, normalmente a traves de unmultiplexador- Iarjeta de comunicacioneslas comunicaciones entre PLC-spueden efectuarse punto a punto 0por medio de una red local. EI pri-mer caso afectara a aquellas apli-caciones mas sencillas en las quela necesidad de intercambio de in-formacion resulte inmediata- HIIjetas inteligentesBajo este epfgrafe gener ico seagrupan aquellas que van dotadasde un microprocesador auxiliarque efecnia un preprocesamientode las sefiales, reduciendo la cargadel microprocesador de la tarjetabasica Esta arquitectura perrniteademas independizar el tiempo deexploracion de estas tarjetas del

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tiempo de ciclo del conjunto delsistema, permitiendo su adaptaciona las necesidades del pr oce so.Dentro de este grupo figuran tfpi-camente las siguientes: Iarjetas de regulacion. Para lazosde control con, par ejemplo, PID,control todo-nada de 2 0 3 puntos;con entrada de termopares, terrno-rresistencias, 4 - 20 rnA, etc, Salidasdigitales 0analogicas, segun la apli-cacion El rnimero de lazos atendi-dos por cada tarjeta varia segrin elsuministrador pero suele ser lirnita-do (1 - 4) Como alternativa a la uti-Iizacion de este tipo de tarjetas, paraun rnimero limitado de lazos, puedeprogramarse el algoritmo de controldentro de la CPU, ejecutandose con1afrecuencia deseada mediante inte-nupciones del ciclo. (E1 tiempo deejecuci6n del algaritmo es mini-mo, pOI 10 que estas interrupcionesno son especialmente gravosas parael tiempo de ciclo total) Tarjetas de posicionamiento rapi-do Orientadas al control de reco-rrido y coordenadas de un elemen-to movil dotado de algiin dispositi-vo de lectura de posicion, parejemplo, captores de posicion (en-coders) absoJutos 0 relativos: Tarjetas para dosificaci6n Den-tro de las diversas posibilidades deeste tipo de tarjeta puede describir-se la tfpica de dcsificacion, quepermite sucesivamente un controlbasto y otro fino, accionando lasvalvulas 0motores adecuados Semonitorizan asimismo cierto mi-mew de sefiales de advertencia so-bre anornalfas, disponibilidad,cumplimentaci6n de objetivos, etc Otras tarjetas Tarjetas de conteode pulsos, de control anal6gico develocidad, de prepr ocesamientode E/S (Para el procesamiento ra -pido de sefiales de E/S con inde-pendencia de la CPU), etc- Tarjetas auxiliaresEntre estas podrian mencionarse lasampliaciones de memoria, sistemasde diagn6stico (tanto para puesta enmarcha como para operacion nor-mal) y ampliacion (interconexi6nde distintos bastidores), etcLa redundancia por exigencias dedisponibil idad y/o seguridad sesuele establecer sobre la base de laduplicacion del bastidor y fuente yde, a1 menos, la tarjeta basica La106

Fig 6 Armaria de tarjetas decontrol y adquisicion de datosde Honeywell (Advanced Pro-cess Manager)

duplicacion (total 0 parcial) 0 node las tarjetas perifericas depende-ra de su grado de criticidad para elproceso. Mediante la programa-cion adecuada se establecer a lasustitucion automatic a de la uni-dad averiada por su redundante,sin intenupcion de Ia operaci6n8712 DCS'sLas estaciones de control y adqui-sicion de datos de un DCS se con-figuran igualmente mediante unbastidor que aloja la fuente ali-menracion y una seria de tarjetasEn el caso mas tipico las tarjetasson iinicamente de dos tipos: tarje-tas de control y tarjetas de E/S Tarjetas de control En su con-cepto mas amplio se trata de unatarjeta universal con capacidad pa-ra programar funciones tanto regu-latorias, de logica, de secuencia-cion, posicionamiento y especifi-cas (programas de usuario de cal-culos, optimizacion ....). Cada tarje-ta incorpora junto a una CPU con,normalmente, algunos Mb, las ne-cesarias interfases de conexi6n conla red de comunicaciones y con lastarjetas E/S La vocaci6n en origendel DCS hacia el control de proce-

sos con gran mimero de lazos re-gulatorios se mater ializa en unacada vez mas amplia oferta de al-goritmos y funciones La posibili-dad de establecer estrategias decontrol mas sofisticadas y de au-mental las prestaciones del DeS serelaciona directamente can la va-riedad de algoritmos y funcionesdisponibles "de oficio" En el Ifmi-te actual entre PLC's y DCS's po-drfan situarse aquellos sistemasque disponen sabre cada bastidorde una un ica tarjeta de control(siendo el resto E/S 0 alimenta-cion) capaz para efectuar la fun-cion regulatoria de un mimero ele-vado de lazos (hasta 64 e inclusomas) y participa del resto de carac-terfsticas atribuidas a los DCS co-mo diferenciacion de los PLC's, Tarjetas de E/S Constituidas pOIlas diferentes posibilidades de se-fiales anal6gicas y digitales (tantode entrada como de salida), de se-cuencia, de pulsos, de trasmisoressmart , etc, Toda s e lla s se sometena un tratamiento previa que inclu-ye Ia contrastacion de lfrnites derango superior e inferior, velocidadde cambio, posibilidad de f'iltra-dos, evacuaci6n de alarmas, ere.La redundancia en eI caso de unDeS se establece sobre la base dela duplicaci6n de un ntimero Iimi-tado de tarjetas de control y de E/S,10 que disminuye el r iesgo de "cat-da" global del sistema y posibilitauna facil redundancia sin duplicarel sistema completo. La estrategiahabitual consiste en destinar unatarjeta de reserva por cada ciertornimero de tarjetas operativas (unapar cada tres 0 cada diez, pOIejem-plo), sobre las que automaticamen-te se efectria Ia copia (hack up) dela funcionalidad de la tarjeta en fa-lIo. .El sistema de tarjetas de reser-va se complementa normalmentecon un sistema de diagnostico y vi-gilancia del estado de cada ta r [eta.Hasta hace relativarnente pocotiempo la mayoria de los suminis-tradores disponian de una gama deproductos con menores 0mayoresprestaciones, por ejemplo, los con-troladores basicos, extendidos ymultifuncional de Honeywell. Sinembargo, ultimamente coincidien-do con eI abaratamiento de la e1ec-tronica y la demanda generalizadade sistemas mas avanzados 0 sofis-ticados de control, muchos surni-

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nistradores de DCS parecen habetoptado par establecer un modeloiinico, en la gama alta de presta-ciones, aunque en muchos casasno se utilicen mas que algunasComo sistemas diferenciados, tantopara los sistemas basados en PLC'scomo para los basados en DCS, pa-recen mantenerse los especifica-mente destinados a procesos porcargas a discontinuos, cuyaspeculiaridades aconsejan su discri-rninacion En estos tiltimos los sis-temas se configuran especificamen-te para atender al control de recetasde fabricacion, planificacion de laproduccion, gestion de las materiasprimas, control de inventarios, se-guirniento de cada carga: tamatio,caractensticas, volumen producido,materiales usados, seguimiento dela ruta de produccion, etc.Desde un punto de vista de mante-nimiento resultan importantes lassiguientes consideraciones: 1. Ase-gurar la capacidad de sustitucionde tarjetas sin problemas de inte-rrupcion del sistema ..2 . Existenciade led's de indicacion de estado 1Disponibilidad de sistema de diag-nostico inteligente 0 de ayuda aldiagnostico de averfas, tanto paralas fuentes como para las E /S ytarjetas de controllos sistemas de almacenamientode datos historicos frecuentementese encuentran fuera de la estacionde control y adquisicion, constitu-yendo un modulo independientebasado en soporte magnetico (dis-co duro y disquetes 0 cartuchosextrafbles), soporte optico (CDROM), cinta digital (DAT), etc.,conectado a naves de la red de co-municaciones con el resto de com-ponentes del sistema8.7, ,2. INTERFASEHOMBRE - MAQUINALa importancia de esta faceta delsistema de control radica en la ne-cesidad de acceder en tiempo reala gran cantidad de informacion,para su visualizacion y control Laeficacia de un determinado sistemase condiciona a la cali dad de estainterfase que canaliza el flujo deinformacion desde el proceso alusuario y per mite a este gobernarel proceso enviando consignas almismo. Una concepcion modernadel MMI debe orientarse a] con-IN G E NT ER IA Q UT M IC A - JU LIO /A G O S TO 1 99 4

Fig 7 Pontollo grot/co del MMI de ABB

cepto de ventana unica, conceptoque radica en la posibilidad de ac-ceso a la informacion requeridapor cada usuario a traves de un sis-tema iinico de monitorizacion, sibien cada usuario recibe solo la in-formacion que necesita y esta au-torizado a obtener, y la obtiene, enel formate mas adecuado para suutilizacion La ventana iinica per-mitira, por ejemplo, al operador eIacceso a datos en tiempo real ehistoricos, al ingeniero Ie dara Iaposibilidad de configurar las basesde datos, construir graficos 0 pre-parar programas, mientras que eltecnico de mantenimiento podraevaluar prestaciones de cada equi-po 0 acceder al diagnostico de fa-llos ..EI permiso para acceder a ca-da nivel podra estar establecidomediante un mecanismo de Have 0mediante una clave 0passwordLa interfase can el operador puedeestablecerse tinicamente a nivel deplanta, teniendo el operador accesodesde su consola a la totalidad delas unidades 0 secciones de la plan-ta en cuestion 0 fraccionarse esta-bleciendose un eslabon intermedioen la cadena de control normal-mente denominado estacion localEn cuanto al soporte fisico en elque se materializa la interface latendencia es hacia la utilizaci6n determinales estandar tipo estacionde trabajo u ordenador personal,frente a las estaciones de opera-cion de propietario antes usado. Lavisualizacion se establece median-te un monitor calm de alta resolu-cion (en Ia actualidad tfpicamente

de 21") Como sistemas operativosla rnayorfa de usuarios (y, pOI en-de, de suministradores) parecendecantarse pOI S.O UNIX can en-torno X Windows Esta seleccionno deja de ser un tanto polemicapor Ia lentitud inherente al sistema,que requiere, para su buen funcio-namiento en tiempo real, la ayudade algtin tipo de acelerador (copro-cesador adecuado) que dinamice lagestion del sistemaComo caracterfsticas principales atener en cuenta al seleccionar unainterfase de operacion podrfan re-saltarse las siguientes:- Grafica dinarnica interactiva (vi-sualizacion grafica en tiempo real;por ejemplo, el nivel de cada reci-piente se percibe graficamente deacuerdo con su valor real), calidadde alta resolucion (pantallas de se-leccion 3D), facilidad de genera-cion/modificacion de graficos y vi-sualizacion orientada a objetos (lase1ecci6n de un objeto en pantallapermite el acceso a sus atributos).- 1 a posibilidad de acceso a dia-gramas generados con sistemas deCAD estandar (Autocad, pOIejern-plo) ofrecido pot algunos sistemaspuede resultar una opcion intere-sante- Facilidad de utilizacion: rapidoaprendizaje- Capacidad de jerarquizacion dela informaci6n (priorizaci6n enfuncion de la criticidad)- Discriminacion de informaciony/o alarmas criticas (filtrado dealarrnas 0 informacion entices).- Capacidad de visualizacion mul-tiple (multiventana) en tiempo real(multiproceso) - todas las ventanaspermanecen simultaneamente acti-vas - Capacidad de definici6n delas caracteristicas (tamafio, posi-cion, etc.) de cada ventana. Aun-que en principio cuantas mas ven-tanas simultaneamente activas per-mita el sistema mejor, en la practi-ca podrfa considerarse que cuatroes un mimero suficientemente ade-cuado, ya que un mimero superiorresulta dudosamente utilizable- Gestion de aplicaciones auxilia-res Generacion de informes, estu-dio paralelo de historicos/tiemporeal can seleccion de esealas inde-pendientes, control estadistico deproceso 0 SPC (de las siglas en in-

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gles S ta iistic al P ro ce ss C 0/1-troh, gestion de laboratorio,registro de eventos, etc- Integracion de sistemas deautodiagnostico tanto delproceso como del sistema(para mantenimiento pOIpersonal de prcduccion).preferiblemente a nivel decomponente (discr imina-cion de problemas en E/S,comunicaciones, secuen-cias electricas, etc.)- Base de datos del procesoen SQL (Structured QueryLanguajei para perrnitir suintegracion con otras basessin necesidad de paquetesde adquisicion de datos adi-cionales- Integracion con hoja eiectronicapara visualizacion dinamica de

Fig 8 Ejemplos de pontalia: del MMI de Fisher& Porter.

operaciones- Capacidad de redundancia al ni-veladecuado- Pantalla sensible Caltacto, a lapiz6ptico 0 a otro dispositive), 0posi-cionamiento mediante raton, sonlas opciones mas frecuentes parauna rapid a seleccion de las opera-ciones de los menus de pantallaCada uno de eIlos tiene sus defen-sores y detractores, a este respectosolo apuntar que cualquier dudarespecto a la capacidad de los ope-radores a acostumbrarse al uso delraton ha de set totalmente descarta-da en base a las experiencias de losiiltimos sistemas que 10utilizan.8.7 . . 3 . . COMUNICACIONESLa propia concepcion de la distribu-cion, tanto geografica como funcio-nal, de los sistemas de control hacenecesaria, y de capital importancia,la comunicacion entre los distintoselementos de los rn ismos como me-dio de acceder a la informacion ne-cesaria para cada dispositivo8 7.3 L NIVELESLa comunicaci6n se establece tra-dicionalmente en cuatro niveles:nivel de campo, de proceso, deplanta y corporativo- Comunicacion a nivel de campo(nivel 0): Los diversos elementosde campo (transmisores, motores,valvulas, etc.) necesitan enviar 0re-cibir informacion de los sistemaslogicos 0 de control. Las sefiales108

continuas en este ambiente se hanregido tradicionalmente, desde laaceptacion universal de la normaISA S501 (en los 70), por la cornu-nicacion analogica, punto a punto,de 4 - 20 rnA Tras la aparicion, yexito, de los trasmisores inteligen-tes (smart) la necesidad de aprove-char al maximo sus potencialesprestaciones (dotandolos de capaci-dad de funciones de diagnostico,control y mantenimiento), junto conel anacronisrno de disponer de tras-misores y controladores digitalesconectados mediante comunicacio-nes analogi cas y el deseo de reducirel coste del cableado punto a punto,ha potenciado los esfuerzos po r en-contrar un nuevo estandar, digital,de comunicacion: el bus de campo(jieldbus) Este sistema se orienta ala comunicacion multiple (por unsolo hilo) y bidireccional (de cam-po a sistema de control y vicever-sa) Actualmente coexisten variosproyectos de desarrollo de un estan-dar para el bus de campo. Entre losmas significativos pueden destacar-se los siguientes: ISP (Inter Operable System Pro-ject): Se trata del proyecto mas re-ciente que aglutina a mas de 100cornpafifas, entre las que puedendestacarse Fisher-Rosemunt, Yoko-gawa, Siemens, Poxboro y ABE..Este protocolo nace con vocacionde convertirse en un estandar inter-nacional, tornando como punto departida la tecnologia PROFIBUS(PROcess FIeld BUS), estandar ale-man DIN 19245, que, por otra par-te, prosigue su propia implantacion WorldFip: Basado en el Factory

Instrumentation Protocol(FIP), usado en Europadesde el 89, y estandar enFrancia, un consorcio devar ias compafiias entreotras Honeywell, Bailey yAllen-Bradley, trabaja enuna version evolucionadadel mismo ..Las expectativas a medioplaza parecen apuntar alacapacidad de coexistenciade ambas tecnologfas enuna misma instalacion, as-pecto realmente relevantedesde un punto de vista deusuarioExiste tambien un protoco-10 de tr ansicion para pel-mitir la combinacion de se-fiales analogi cas 4 - 20 rnA y digi-tales, de gran interes en el presente

debido a las posibilidades de apro-vechar las oportunidades que brin-dan los trasmisores smart aiin an-tes de que se generalice la trasmi-sian digital de las sefiales de con-trol Este es el denominado proto-colo HART- Comunicacion a nivel de proceso(nivell): Adernas de la comunica-cion entre dispositivos de campo yelementos logicos 0 de control serequiere hacer accesible la infor-maci6n intercambiada a los ele-mentos de interfase hombre - rna-quina (acceso a las estaciones deoperacion) y dejarla accesible a losniveles de supervision jerarquica-mente superiores Tradicionalmen-te este nivel de informacion ha es-tado reservado a los sistemas depropietario, es decir, protocolos noabiertos, can interfases especfficas(gateways 0bridges) de comunica-cion entre este nivel y los superio-res (nivel de planta) 0 inferioresLa tendencia, sin embargo, comoya se ha comentado, es hacia lossistemas abiertos tambien en estenivel, incorporando redes de proto-colo estandar.- Cornunicacion a nivel de planta(nivel 2): Actualmente, po r la pro-pia presion de los usuarios y la ob-via necesidad de permitir la comu-nicaci6n con dispositivos (ordena-dores) de otros fabricantes, la rna-yoria de los sistemas de comunica-cion han optado por una platafor-ma estandar para este nivel, siendola red Ethernet segiin estandar IE-EE 802 3 Ia especif'icacion mas

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utilizada, con diferencia En elcaso de redes de propietariodebe prestarse la maxima aten-ci6n a la funcionalidad de lassoluciones aportadas a la inter-comunicaci6n con otros perife-ricos (PlC's de terceros, orde-nadores). En concreto la facili-dad de conexi6n de ordenado-res perrnitira su incorporaci6nen labot es tanto de control 0supervisi6n como auxiliares:- Comunicacion a nivel corpo-rativo (nivel 3): la tendenciahacia la integraci6n de los sis-temas de control con los degesti6n obliga a hacer llegar lossistemas de comunicacioneshaste el vertice de la piramidejerarquica de control Este ter-cer nivel, denominado frecuen-temente por las siglas MIS (dela denominaci6n de Ingles:Management Information Sys-tem), requiere frecuenternenteIa trasmisi6n a grandes distan-cias, porlo que resulta frecuen-te la utilizacion de comunica-ciones pOI satelite, fibra optic aa a naves de Ia red telefonica8 .7 . 3 .2 VELOCIDADDE TRASMISIONLa capacidad de la red de co-municaciones para trasmitiradecuadamente el numerosocaudal de informacion entre losdistintos elementos que compo-nen el sistema debe ser cuida-dosamente evaluado al selec-cionar las caracterfsticas de lared. En esta selecci6n intervienentanto el ruimero de variables a tras-mitir como la capacidad de la redpara vehicular estas sin saturacio-nes A este respecto conviene eva-luar no s610 la velocidad de la reden 5 1 (que puede estar en eI ordende 1 0 Mbaudios) sino un punto fre-cuentemente cuello de botella enestas trasmisiones: los gateways 0bridges entre los distintos nivelesde red y la capacidad del software87.33 SEGURIDADLa seguridad y fiabilidad de losdatos trasmitidos a naves de la redse fundamenta en los siguientesconceptos:- Redundancia El camino ffsico deconexi6n entre los distintos dispo-sitivos se encuentra duplicado, canINGENJERlA QUlMICA - JUliO /AGOSTO 1994

Fig9 Arquftecturas clasicas y con busde cam-po en efnivef de comunicaciones

Red Local de nivel .:>uperior. .

Si~tcm;.l de Control

T opologia de un sis tem a tradicionalRw Local de nivel ,,;uperior

. . .

. . c . , . .t . JpCn

. . .

EC

Hement,o deCamp:!EC

Topolog!a de II!1 Bux de Campo

cambio automatico al cable en re-serva en caso de faIlo del sistemaactivo, como medida de precaucionante potenciales roturas del ele-menta material de comunicaci6n- Control de fiabilidad en la recep-cion de la sefial EI sistema com-prueba los datos recibidos y de-vuelve un mensaje aI originador, sidetecta enores, demandando unanueva emisi6n, alternativamentecorrige los errores si pOI sus carac-terfsticas dicha correccion es sus-ceptible de efectuarse automatica-mente Tarnbien puede descartar elenvio, situaci6n que sena detecta-da par el ernisor, que reiniciarfa latrasmisi6n- Control watchdog de asegur a-miento del funcionamiento: Perio-dicamente se emite una sefial dedemanda de status de cada disposi-

tivo de Ia red. Si alguno deellos no responde ala deman-da se interpreta como una des-conexi6n 0 fallo y se procedeen consecuencia segiin 10esta-blecido873 4. SOPORTE FISICOEI medio a traves del cual sepropagan las seiiales puedeser:- Cable de pares trenzados: deuso frecuente en campo- Cable coaxial: el mas utiliza-do en nivel de planta y proce-so.- Fibra 6ptica: mas apropiadapara grandes distancias- Inalambrico: de utilizaci6nentre estaciones remotas pOIradiofrecuencia (microondas,comunicaci6n por satel ite ,etc)La selecci6n depende de lasdistancias necesarias, los nive-les de seguridad requer idos(tanto frente a inter ferenciascomo en cuanto a fiabilidad enIa comunicaci6n) y, par su-puesto, coste asumible.8.7.3.5. TOPOLOGIAActualmente la topoIogfa enbus (pOI ejemplo, Ethernet) 0en anillos (pot ejemplo, TokenRing) constituyen las opcionesmas habituales87 3 6 . ES TANDARIZACION

En cualquiera de los niveles de co-municaciones descritos la tenden-cia parece se r hacia la progresivaadopcion de normas 0protocolosuniver sales par a algunos de lossiete nivele s de la torre OS1(Open System Interconexioni, a sa-ber, niveles fisico, de enlace, red,transporte de datos, sesi6n, presen-taci6n y aplicacion. Por ahora s610en los niveles interiores existe unestandar suficientemente reconoci-do, as f para los dos primeros el co-mentado Ethernet can norma IEEE8023 Y el TCPjIP para el transpor-te de datos El pr6ximo paso po-drfa sella adopci6n de un protoco-10 internacional para el nivel 7(aplicaci6n), que es el tercero re-querido (junto con los niveles 1 y2) pOI los buses de campo

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8~,7.4"SOFTWARE DEPROGRAMACION/CONFIGURACIONY AUXILIAREn los sistemas de control modernospracticamente toda la definicion decaracterfsticas del sistema se efecniamediante software Este software po-d ra c or re r sabre rnaquinas que for-men parte del sistema de control 0sobre ordenadores ajenos al mismoutilizados temporalmente. Dado elgran rnimero de caractensticas a de-finir, el software involucrado es nu-meroso y complejo. La fragrnenta-cion de este software en mayor 0menor mimero de paquetes de pro-gramacion dependera de la polfticade cada fabricante, aunque la ten-dencia es hacia una amplia particionque permita a cada usuario adquiriro utilizar solo los modules que leson necesarios para su aplicacion ynecesidades , Esta tendencia se mani-fiesta especialmente en los PlC's,cuya amplia gama de fabricacion -aplicacion can muy diferentes capa-cidades y prestaciones exige unaadecuacion del software a estas.En lfneas generales la program a-cion de los Pl.C's se lleva a caboen lenguajes de mas bajo nivel, conmayor flexibilidad para efectuar untrabajo a medida, pero a la vez conmayor dificultad (mayor tiernpo dedesarrollo de la aplicacion): En losDCS la tonica general es la de dis-poner de un software programableen lenguaje de alto nivel, mediantela seleccion de opciones de una lis-ta predefinida (rellenando los hue-cos de una tabla), es decir, 10 quese ha dado en llamar configuracionDe esta forma la definicion de laaplicacion resulta mucho mas rapi-da, pero se ha de cefiir a las opcio-nes di spuestas pOl el fabricantePOI estas razones se va a discrimi-nar las caracterfsticas y funcionali-dad de los software orientados aPlC's de los destinados a DCS, sibien no deja de insistirse en la cadavez mas confusa linea de divisionentre ambos que hace que cada unotienda a incorpor ar parte de lasprestaciones y caracteristicas delotro, software apJicado incluido874 1 SOFTWARE PARA PlC'sLos distintos tipos de software em-pleados pueden englobarse en lossiguientes grupos:110

- Software para la programacion delogica Sistema de programacioncon instrucciones Iogico-aritmeti-cas, orientado a la definicion de losesquemas de contactos y funciones,lista de instrucciones y, en general,secuenciacion de acciones de con-trol (rnotores, valvulas todo-nadaetc.). Para ello se manejan selecto-res, temporizadores, comparadores,contadores, integradores, puntos dedisparo. Dentro de la logica se in-cluyen sincronizaciones, funcionesde pulso, etc Resulta de importan-cia Lafacilidad de indicacion de fa-llos , ejecucion condicionada deprogramas, seleccion del tiempo decicIo para subprogramas, etc ..Porultimo, deben facilitar el manejo demimeros enteros 0 reales yalgebrabooleana Paralelamente al sistemade programacion se requiere un sis-tema de representacion grafica quepermita la impresion de los diagra-mas 16gicos y un sistema que faci-lite la generacion de documenta-cion de operacion y puesta en mar-ch a de los sistemas- Software de p ar ar netr iz ac io n. B a-jo este nombre se hace rnencion alos paquetes que faciJitan la ade-cuada programacion de las tarjetasde comunicaciones, los sistemasde redundancia y las tarjetas de pe-rifericos (posicionamiento, regula-cion, pesado, etc)- Software de comunicacionesTanto entre dispositivos del siste-mas como interfaces con otros sis-temas de programacion (visualiza-cion bajo MS-DOS, pOI ejemplo)- Software de visualizacion Paraatender las labores de vigilancia ysupervision se requiere una visua-lizacion correcta del proceso. Estose consigue en parte en funcion delas buenas practicas de ingenienaempleadas en su desarrollo, perotambien par Ia capacidad del siste-ma para generar pantallas suficien-temente "elocuentes": EI coste deun buen disefio se ve tambien con-dicionado por la calidad yampli-tud de las bibliotecas de elementosy simbolos disponibles, paleta decolores, facilidad de cam bios yampliaciones de informacion, in-cIuso on line, todos estos elemen-tos deberfan considerarse a la horade seleccionar el sistema mas ade-cuado Ademas, dado que la com-plejidad de los sistemas goberna-dos pm PLC's es muy variable, de-

be buscarse el adecuado a cada ca-so. En el lfrnite, es decir la opcionmas compleja, las caracterf sticasde la interfase a desanollar com-partirfa los criterios y necesidadesque se mencionan para los DeS's8.742 SOFTWARE PARA DesIgual que para software de Pl.C'sse pueden establecer ciertas clasifi-caciones:- Software de configuracion ..Parala definicion de los lazos de con-trol y del algoritmo a aplicar en ca-da uno resulta de utilidad la dis po-nibilidad de las siguientes utilida-des (que se citan sin animo de ex-c1usividad): Definicion de los puntos de en-trada y sus respectivas interfacesde entrada: terrnopar, termorresis-tencia, sefial de I, serial de V, tre-nes de impulsos, etc, Capacidad de tratarniento de lasefial de entrada: filtrado, lineari-zacion, escalado, comprobacion deIfmites, seleccion individual deltiempo de exploracion, funcionesde verificacion, calibracion y si-rnulacion, congelacion de la senalpor fallo de trasmisor, conversiona unidades de ingenierfa, etc. Capacidad de tratamiento ade-cuado de alarmas: visualizaci6n enpantalla e impresora, discrirnina-cion del tipo de alarma, capacidadde jerarquizacion y priorizacion,facilidad de soportar aplicacionesde ayuda a la toma de decisiones 0de diagnostico inteligente, etc Seleccion de algoritmos, atribu-tos y funciones de control:En procesos continuos:Algoritmos de control: PID, PID concascada, PID con control en adelan-to 0 FF (del ingles Feed-Fordwardy,Control de relacion), etcAnibutos asignados: Modos (ma-nual, auto-cascada, or denador ),inicializaci6n, seguimiento (0tt acting) saturac ion integr al ,bumpless, parada urgente, SP ENrarnpa, limitacion de velocidad decambio, etc,Funciones de calculo: Compensa-cion de caudal, totalizador, suma-dor, selectores, funciones dinarni-cas: tiempo muerto (D T, del InglesDead Time) 0 Lead-Lag (L/L),rnodulo/s abierto/s

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En operaciones discretas, disfrutande una serie de atributos para defi-nir la Iogica de las relaciones entrevariables,Descripcion de enclavamientosDefinicion de logicas (Ienguajeladder u otros).Control de accionamientosEn procesos pOI cargas tienen suspropios mecanismos de definicion,que se apoyan en utilidades paradefinir:Ternporizadores y acceso a tiemporeal.Secuenciacion de operacionesEl tiempo de exploracion debe serconfigurable de forma que se puedaadaptar a la criticidad de cada lazoregulatorio 0de cada insnuccion 10 -gica. Cada tarjeta de control t iene ca-pacidad para el tratamiento de un mi-mero muy elevado de lazos y/o ins-trucciones, combinandose de formaque el tiempo de exploracion globaldel conjunto de acciones de controlatendidos pOIcada tarjeta sea del or-den de 0,1 - 1 s (aun para un mimeroelevado - cientos - de E/S)- Software de representacion 0 vi-sualizacion Paquete de ayuda a larepresentacion grafica del sinopti-co de operacion, presentacion enpantalla de la informacion requeri-da mediante zonas interactivas,configuracion de grupos de varia-bles y de tendencias, pantalJas deletalle, de alarmas, de mensajes,gestion de informes, y en generaltodo 10necesario para personalizarlas estaciones de operaciones y ad-quisici6n de datosCon los sistemas anteriores se cu-bren las necesidades basic as deprogramacion/configuracion delDCS La mayoria de los fabrican-tes incorpora, no obstante, en susofertas recientes el acceso a 10 queen el eptgrafe de este punto se hadenominado software auxiliar Ba-jo este concepto se engloban diver-sos paquetes destinados a facilitaro mejorar las tareas de control,puesta en tuncionamiento y mante-nimiento. Entre otros pueden men-cionarse los siguientes:- Software de sintonizacion Parala rapida sintonizaci6n de lazos decontrol en la puesta en marcha- Software de ayuda a la configura-INGENIERIA QUfMICA - JUUO/AGOSro 1994

cion, Se refiere a ciertas utilidadesde programacion sobre PC de laconfiguracion del DCS con posibi-lidad de transferencia directa delfichero desde el PC al DCS,- Software de programacion deaplicaciones avanzadas: Para la in-clusion de calculos dentro de las ta-leas de control, por ejemplo, con-trol inferido, cornpensacion de pre-sion - temperatura, control de va-riables no medibles (carga terrnica,entalpia, reflujo interno, etc). Ladisponibilidad del sistema de unlenguaje de programacion adecua-do para estas funciones puede eli-minar la necesidad de acudir a unordenador de proceso en la mayo-ria de los casos, 10 que significauna mayor sencillez y econornfa- Software de operacion Aunquesin entrar en detalle, merece la pe-na mencionar la utiIidad de paque-tes de control estadfstico de proce-so, de utilidad para optirnizacion,de control multivariable 0de siste-mas expertos de ayuda a la tom ade deeisiones 0 al diagnostico inte-Iigente, aunque estas ultimas apli-caciones tradicionalmente corrensobre un ordenador de procesosconeetado al DCS mediante un in-terfase adeeuada (si bien, como secomentara posteriormente, la ten-dencia de futuro se orienta a su in-tegracion sobre la propia platafor-rna del DCS).Desde el punto de vista del usuarioresulta de gran importancia la po-tencialidad de acceso a las fuentesde los modules estandar proporcio-nados por los fabricantes Esto per-mite, adem as de un mejor conoci-miento de la funcionalidad de cadauno y de sus posibilidades, la per-sonalizacion de las prestaciones(aunque esta decision pueda resul-tar en conflicto con el tambien de-seado acceso a nuevas versionessin requerir modificaeiones en laaplicacion). Lamentablemente encontadas ocasiones el suministra-dor permite el comentado acceso alas fuentes, obligando en ocasionesa caIOS desarrollos externos paraadeeuar el software estandar a losrequerimientos especificos

8.7.5, ESTACIONESAUXILIARESAunque siempre como optativasresulta frecuente la existencia de

estaciones complementarias de lasbasicas de control ya definidasEntre estas se pueden destacar lassiguientes:8 ..7.5 .1. ESIACION DECOMUNICACIONESEl establecimiento de cornunica-ciones en tiempo real entre los dis-tintos niveles de proceso, planta ycorporative puede establecerse enbase a un hardware espectfico defabricante (gateways, bridges] 0,dentro de la filosoffa de sistemasabiertos, mediante la disposicionde un servidor (ordenador PC 0 es-tacion de trabajo) destinado tinica-mente a esta tarea, que puede resu-mirse en la obligacion de facilitarla informacion requerida en el mo-mento deseado y en la forma ade-cuada ..Cuando existe, esta estaci6nsuele engloblar la realizaci6n delas siguientes funeiones:Funciones basicas:- Elaboraclon de historicos- Gestion estadfstica de procesos,- Elaboracion de informes:- Elaboracion de calculos avanza-dos:- Interfase con otras aplicaciones- Gestion de back up's de los datosde cada node del sistema- Gestion de la base de datos co-munFunciones avanzadas:- Plataforma para aplicaciones adi-cionales.- Cornunicacion con los sistemasde informacion de Ia gerencia- Enlace con sistemas expertos deayuda a la toma de decisiones 0dediagnostico inteligente ..- Conexion con sistemas de opti-mizacionEn los sistemas de aqueJlos fabri-cantes que no contemplan la dedi-cacion exclusiva de estaciones decomunicaciones, parte de las ante-rimes atribuciones pueden incor-porarse a las de la plataforma deinterfase de operador y/ o ala pro-pia estacion de control y adquisi-cion de datos ..875.2. ESIACIONDE INGENIERIAUn interesante complemento a lossistemas de control 10 constituyenla inter conexion de estaciones

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(PC's 0 estaciones de trabajo) des-tinadas a correr aplicaciones de de-sarrollo de ingenierfa y/o manteni-miento, que al encuadrarse en lossistemas de control permiten la uti-lizaci6n de una iinica base de datosy su acceso en tiempo real. En esteambito se encuadran las utilidadessoporte de actividades de ingenie-rfa electrica, de instrumentaci6n yde control, que mejoran la consis-tencia de las distintas actuaciones,proporcionando mayor eficiencia yeconorma Entre las tareas de rna-YOIutilidad, tanto durante el comi-sionado como para mantenimiento,pueden destacarse las siguientes:- Gesti6n conjunta de pIanos deproceso, de control y electricos(frecuentemente con disposici6n debiblioteca de sfmbolos de equipos,instrumentos, sistemas E /S yele-mentos dinamicos): Lo que permitela edicion actualizada de cualquierdiagrama, de cualquier tipo, encualquier memento .- Gestion de documentaci6n (acce-so y capacidad de actualizaci6n dedescripciones funcionales, manua-les de operacion y puesta en mar-cha, etc.).- Utilidades para la programacionde logica.En todas estas aplicaciones resultaespecialmente interesante la posi-bilidad de efectuar la programa-ci6n en forma orientada a objetos,caracterfstica a apreciar entre lasdistintas alternativas,8,,8. EL DCS COMOSOPORTEDELCONTROL AVANZADOLa implementacion de aplicacio-nes de control avanzado 0APC(de las siglas en Ingles AdvancedProcess Control, cuya definici6n ycomentarios sera el objeto de suce-sivos capftulos de esta serie, re-quieren la disponibiJidad de ciertasfuncionalidades dentro del DCS.Tradicionalmente (hasta hace 2 6 3afios) dichas aplicaciones reque-rfan obligatoriamente la existenciade un ordenador, con la adecuadainterfase con el sistema de controldistribuido Esta interfase se refie-re tanto a su interconexi6n ffsicacon el hardware del DCS, median-te las tarjetas 0puertas adecuadas(dentro de un sistema abierto habi-112

tualmente mediante su conexi6ncon la red de planta), como a ladisposicion de un software SCA-DA para el acceso en tiempo realdel ordenador a la base de datosdel DCS El progresivo incrementodela capacidad de procesamientode las unidades del DCS (segiin seha descrito al comentar las estacio-nes de control y adquisici6n de da-tos) ha detr afdo de los sistemasSCADA gran parte de sus origina-les funciones de control avanzado,complementarias de las facilitadaspor el propio DCS, que han pasadoa poder ser soportadas directamen-te pOI el mismo De hecho puededecirse que hoy en dfa practica-mente todas las funciones histori-camente denominadas de controlavanzado, excepto algunos siste-mas de control multivariable pre-dictivo, pueden ser soportados di-rectamente pOI la mayona de losDCS Los sistemas SCADA pier-den asf mayoritariamente su com-ponente de control para mantenerfundamentalmente la de supervi-si6n (hasta su utilizaci6n en lossistemas de informacion del nivelcuatro, tambien objeto de capitulossucesivos)8.9" TENDENCIASDE FUTUROIras el esfuerzo desarrollado desdelos afios 60 por centralizar los ele-mentos de control indicadores, re-gistradores y controladores, poten-ciando inicialmente su inclusi6n enpaneles de control y posteriormen-te su incorporaci6n como elemen-tos del DCS, parece llegado el mo-mento de poner el foco de atenci6nnuevamente en la instrumentaci6nde campo ..En efectc, la tendencia,ya plenamente implantada, hacia lautilizaci6n de trasrnisores inteli-gentes (smart) la reciente incorpo-raci6n de funciones de control PlDsobre la propia valvula 0 sobre el

trasmisor y la apuesta pOI elfield-bus, pendiente de su definitivo des-pegue de la solucion de los proble-mas de estandarizaci6n, no sonmas que ejemplos que dernuestranla tendencia hacia la recuperacionde la importancia de los elementosde campo en detIimento de las fun-ciones encomendadas anteriormen-te al DCS ..Los anteriores ejemplosson principalmente sustentados porlas crecientes capacidades y presta-ciones de los microprocesadores,es decir, se deben a mejoras en lacapacidad del hardware utilizado:En conjunto podrfan aparecer co-mo una tendencia a la desaparici6ntotal 0 parcial del DCS 0 a la dis-minuci6n de su importancia comoconstituyente del hardware delcontrol de un proceso Sin embar-go, el fen6meno descrito en el pun-to anterior (aplicaci6n de tecnicasde APC sobre el propio DeS) con-trarresta la tendencia negativa, pro-moviendo una impor tanc ia c rec ien -te del DCS en funci6n de sus nue-vas prestaciones, sustentado en unaarquitectura de sistemas abiertos yprescindiendo del ordenador auxi-liar de procesos, como soporte deun software cada vez mas sofistica-do: las mencionadas APC's, as! co-mo la previsible plena incorpora-ci6n de controladores multivaria-bles predictivos, programas de op-timizacion, control estadistico deprocesos, sistema de informaci6nde la direccion corporativa y nue-vas aplicaciones (corriendo entiempo real), basadas en sistemasexpertos, redes neuronales 0 logicadifusa

INGENIERlA QUIMICA - JULIO/AGOSTO 1994

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