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UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO.
FACULTAD DE INGENIERÍA
DPTO. ING. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
IMPLEMENTACION SISTEMA DE CONTROL
DISTRIBUIDO
MAURICIO EDUARDO VERA HERMOSILLA
SEMINARIO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO DE EJECUCION EN ELECTRONICA
CONCEPCION – CHILE 2008
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UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO.
FACULTAD DE INGENIERÍA
DPTO. ING. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
IMPLEMENTACION SISTEMA DE CONTROL
DISTRIBUIDO
AUTOR: MAURICIO EDUARDO VERA HERMOSILLA
DOCENTE: CRISTHIAN AGUILERA CARRASCO
CONCEPCION – CHILE 2008
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Tabla de contenido
Capitulo 1 ... 9
1.1 Historia del control de procesos. ... 11
1.1.1 Control manual ... 11
1.1.2 Controladores locales ... 11
1.1.3 Control neumático centralizado... 12
1.1.4 Controladores electrónicos de lazo simple ... 13
1.1.5 Control centralizado por computador, DDC ... 13
1.1.6 Control Supervisor... 14
1.2 Características generales y aspectos históricos del Control Distribuido. ... 15
1.2.1 Controlador básico (Regulador digital) ... 17
1.2.2 Estación de trabajo del operador ... 18
Capitulo 2 ... 19
2.1 Secciones y Niveles que forman un Control Distribuido ... 20
2.2 Elementos que participan en cada nivel. ... 21
2.2.1 Nivel 1 ... 21
2.2.2 Nivel 2 ... 22
2.2.3 Nivel 3 ... 23
2.2.4 Nivel 4 ... 23
2.3 Comunicación entre los diferentes niveles ... 23
Capitulo 3 ... 25
3.1 Redes LAN ... 26
3.1.1 Extensión de las redes de Área Local... 26
3.1.2 Tecnologías de transmisión ... 26
3.2 Topologías y métodos de acceso ... 26
3.2.1 Bus:... 27
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3.2.3 Estrella:... 27
3.3 Redes de Área Local en Aplicaciones Industriales ... 28
3.3.1 Entradas y salidas en el nivel inferior... 28
3.3.2 Buses de Campo. ... 29
3.4 Tipos de buses. ... 30
3.4.1 Bus de sensor ... 30
3.4.2 Bus de dispositivo... 30
3.4.3 Bus de campo (Fieldbus). ... 31
3.5 Fieldbus Foundation. ... 31
3.5.1 Ventajas de Fieldbus en el sistema de control... 32
3.5.2 Más datos disponibles... 33
3.5.3 Vista más amplia del proceso. ... 34
3.5.4 Distribución del control de procesos. ... 35
3.5.5 Ahorro en el cableado... 35
3.6 Tecnología Fieldbus Foundation. ... 36
3.6.1 Nivel Físico. ... 37
3.6.2 Señalización del Fieldbus H1. ... 38
3.6.3 Cableado del Fieldbus H1... 39
3.6.4 Aplicación de Usuario. ... 40
3.6.4.1 Bloque fuente... 40
3.6.4.2 Bloque de función... 40
3.6.4.3 Bloques Transductores. ... 41
3.6.5 Asignación de direcciones de dispositivos. ... 42
3.6.6 Descripciones de los dispositivos. ... 42
3.6.7 Configuración del sistema. ... 43
3.6.7.1 Diseño del Sistema. ... 43
3.6.7.2 Configuración de los Dispositivos... 44
Capitulo 4 ... 46
4.1 Implementación del Sistema DeltaV. ... 47
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4.3 Descripción de Equipos que Conforman el Sistema ... 49
4.3.1 Elementos de Campo ... 49
4.3.2 Estaciones del Sistema DeltaV ... 50
4.3.3 Software utilizado en las estaciones ... 51
4.4 Instalación del Sistema DeltaV... 53
4.4.1 Condiciones Ambientales ... 53
4.4.2 Tierras... 54
4.4.3 Controlador AC/DC y Fuentes de Alimentación de I/O. ... 55
4.5 Instalación y Configuración de las estaciones... 56
4.5.1 Instalación del Sistema Operativo ... 57
4.5.2 Propiedades del sistema... 58
4.5.3 Orden de Instalación de Drivers en la estación ... 59
4.5.4 Identificacion de Tajetas de Red ... 59
4.6 Instalación de DeltaV. ... 59
Capitulo 5 ... 69
5.1 Aspectos Importantes del sistema de control ... 70
5.2 Funciones, Campos y Parámetros de seguridad ... 70
5.3 Bloqueos DeltaV ... 72
5.4 Bloqueos asignados a los parámetros de bloques de función... 74
5.5 Bloqueos Asignados a las Funciones ... 75
5.6 Cuentas de usuarios. ... 78
Comentarios Finales. ... 86
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Introducción
El presente tema de seminario presenta las principales características de la arquitectura de control distribuido DeltaV, y desarrolla su implementación en la creación del sistema detallando su montaje conexiones y configuración de las estaciones, entregando una herramienta de docencia y estudio completamente actualizada y ampliamente utilizada en el sector de la industria nacional, lo que entrega una herramienta muy valiosa al momento de enfrentar el mundo laboral y de mucho aprendizaje, al ser una arquitectura de control amigable, de gran robustez y con muchas potencialidades, destacándose la amplia gama de buses de campo que integra este sistema de control.
Este trabajo se organiza en los siguientes capítulos tratando de dar a conocer las principales características de este sistema de control, ampliamente usado en las plantas de nuestro país.
El primer capítulo de este trabajo consiste en una introducción a las distintas formas que ha tenido el control de procesos a lo largo de la historia, sus constantes cambios y usos de acuerdo a la tecnología de cada época, llegando a las tecnologías de control digital utilizadas actualmente, observando las ventajas y desventajas de cada arquitectura de control, dando mayor énfasis a la arquitectura de Sistemas de Control Distribuido, detallando sus características principales, comunicación entre niveles y sus ventajas respecto a otras arquitecturas de control.
El segundo capítulo aborda el tema del sistema de control distribuido DeltaV, dando a conocer las características generales del sistema, su arquitectura, niveles de seguridad, interfaces de comunicación a buses de campo y señales tradicionales.
El tercer capítulo aborda la comunicación entre los diferentes sistemas, tanto la red de control como los buses de campo asociados a los dispositivos de terreno, dando especial énfasis al sistema de comunicación Fieldbus Foundation especificando sus detalles y sus principales características y ventajas.
El cuarto capítulo describirá la creación de la red de control, definiendo las características que el medio debe poseer para este tipo de aplicaciones, la arquitectura del
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sistema, el tipo de hardware que debe utilizarse y detallando el estándar y procedimiento de configuración de las estaciones que utilizara esta red de control
El quinto capítulo se aboca directamente a las barreras de seguridad en el sistema de control, la forma en que el sistema define los privilegios y la configuración de los diferentes niveles de usuarios del sistema, se generan dos perfiles de usuarios a modo de ejemplo, definiendo las características que cada perfil tiene, tema que es muy importante en las plantas, ya que define los privilegios de los usuarios que ingresaran al sistema, y hasta donde pueden llegar, dando seguridad a las áreas criticas y normando solo un cierto margen de trabajo que corresponde a cada usuario.
Se espera con la realización de este trabajo presentar las generalidades, funcionalidades y características de este sistema de control, creando una base actualizada, que permita posteriormente hacer estudios y estrategias de control más avanzados, y potenciar la investigación en el área del control de procesos.
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Capitulo 1
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Introducción.
El control automático de procesos industriales es hoy una actividad multidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos (electrónica, informática, etc.), cinéticos (investigación de nuevos criterios y materiales, etc.), y económicos (mejora de los márgenes comerciales sin perder calidad y competitividad).
Los sistemas de control sofisticados de tipo de los instalados mediante complejos elementos de instrumentación, no se han creado de la noche a la mañana, aunque el auge que viven actualmente así lo pueda parecer, son el resultado de años de trabajo de fabricantes y usuarios.
Independiente del tipo de control utilizado, los objetivos del control de procesos pueden resumirse en:
• Operar el proceso en forma segura y estable
• Diseñar sistemas de control que el operado pueda vigilar, comprender y cuando sea necesario, manipular en forma selectiva.
• Evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones de productos durante las perturbaciones.
• Permitir que el operador cambie un valor deseado o de referencia, sin perturbar indebidamente otras variables controladas.
• Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas que podrían incumplir restricciones de operación, o perturbar unidades integradas o situadas en escalafones inferiores.
• Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad de cada producto. Así las desviaciones en la calidad podrían ser mucho más costosas en un producto que en otro.
• Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen su utilidad cuando se consideren índices y valores de productos y además, minimicen el consumo de energía.
Estos objetivos se han ido incorporando al control de procesos paulatinamente, conforme la técnica y el conocimiento lo han ido permitiendo.
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1.1 Historia del control de procesos.
El control de procesos ha evolucionado históricamente hacia la obtención de un grado de automatización lo más elevado posible, siendo implementado en cada época de acuerdo a las tecnologías existentes.
1.1.1 Control manual
Al principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador. El operador observaba lo que sucedía y hacia ajustes basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimiento que el operador tenia del proceso.
Con el control manual, por tanto, solo la adecuada reacción de un operador experimentado mediaba entre una evolución normal del proceso y otra errática. Además, un operador solo podrá observar y ajustar unas pocas variables del proceso, limitando la complejidad del las estrategias de control que puedan ser usadas bajo control manual.
A todo lo anterior, habría que añadir el hecho de que la recolección de datos para un proceso controlado manualmente puede requerir una ardua labor, ya que el operador esta, normalmente demasiado ocupado para escribir tiras de números. Por todo ello, los datos recogidos manualmente pueden ser inexactos, incompletos y difíciles de usar.
1.1.2 Controladores locales
Un controlador local permite a un operador llevar el control de varios lazos del proceso. Un controlador local usa la energía del proceso o el aire comprimido de la planta para ajustar la posición de una válvula de control o cualquier otro elemento final de control. Los controladores locales eran muy utilizados como dispositivos de control robustos, aunque simples.
Con los controladores locales haciendo el control rutinario, un solo operador puede manejar varios lazos de control, ya que su función será más supervisora, ya que siempre tendrá una visión más amplia y menos exclusiva que el control manual. Por otro lado, como los controladores locales atacaban directamente al proceso, debían estar repartidos a través de la planta. Esta distribución de los controladores ocasionaba pérdidas de tiempo en ajustes, que se hacían en forma aleatoria y con más frecuencia que la deseada. Además, los
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controladores locales no hacían nada para eliminar la necesidad de captación de datos manualmente y las limitaciones que esto suponía.
Concluyendo, los controladores locales permitían el control de un mayor número de variables de proceso, pero no solucionaban los problemas que planteaba el hecho de la presencia física del operador en los lugares y momentos necesarios para hacer muchas operaciones.
1.1.3 Control neumático centralizado
El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente, permitieron un notable avance en el control de procesos. Con esta tecnología, las variables de proceso podían ser convertidas a señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos.
Con los controladores neumáticos analógicos, un solo operador puede controlar un grupo de variables desde una sala de control remota. Los puntos de referencia son fácilmente cambiados y un técnico en instrumentación puede ajustar cada controlador para aplique adecuadamente el algoritmo de control. Pero la integración de varios lazos de control realimentados en un sistema de control es difícil.
La interfase operador-proceso mejora en el control neumático respecto del método de controladores locales. Así, se introducen pantallas que ofrecen información relevante sobre el proceso.
Además este modelo de control ofrece demasiadas dificultades para permitir una respuesta rápida ante un desajuste del proceso o para llevar a cabo frecuentes cambios en la estrategia operativa. Cambios en el control o en el proceso, reajuste manual de los controladores y actualización de los conocimientos del operador. Los errores de juicio y la mala interpretación de las instrucciones son frecuentes.
Con variables de proceso convertidas a señales neumáticas se puede automatizar la recolección de datos, sin embargo la recolección de datos en grandes sistemas que proporcionaban información sobre muchas variables se ha de seguir haciendo manualmente.
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1.1.4 Controladores electrónicos de lazo simple
En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazando a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eran precisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos.
De este modo, la interfase para su manejo y control ofrece mejoras respecto de los controles neumáticos, además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado de estos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto de aquellos.
1.1.5 Control centralizado por computador, DDC
Poco después de la introducción de los sistemas de control electrónicos analógicos y como consecuencia de la gran expansión que la electrónica estaba teniendo, fueron apareciendo computadores digitales capaces de llevar a cabo el control de procesos, añadiendo a estos toda la flexibilidad que da una maquina programable.
Un sistema basado en este modo de control, estaba estructurado en torno a un computador central que recibe todas las variables del proceso, ejecuta los cálculos apropiados y produce salidas que se dirigen a los actuadores o dispositivos finales de control.
Así nació el llamado control digital directo o DDC. El computador puede controlar un elevado número de lazos y variables temporales, además de ejecutar estrategias de control. Un teclado y un monitor acoplados directamente al ordenador proporcionan una interfase del operador con el proceso.
La introducción de un computador como elemento que lleva a cabo toda la supervisión, adquisición y análisis de datos, permite a los sistemas de control avanzar más allá del lazo de control del proceso; ahora pueden ejercer funciones de administración, ya que el computador también puede recibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras que optimicen la estrategia de producción, que junto a las referencias propuestas por el consejo de administración, establezcan los sentidos básicos para dirigir la producción en el sentido adecuado.
Aunque el modelo DDC ofrece múltiples beneficios y significa un paso adelante muy importante en los sistemas de control, la aglomeración de responsabilidades que se produce al rededor de un solo elemento acarrea desventajas que han de tenerse en cuenta.
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No existe una estructura jerárquica, sino que se trata de una configuración en estrella, en la cual el computador es el elemento principal y las ramas están constituidas principalmente por elementos de conexión y acondicionadores de señal.
El manejo de todas las comunicaciones y de las funciones de control para cada uno de los lazos del proceso, impone estrictas condiciones a la capacidad de procesamiento del computador, así como a su velocidad. Si lo anterior fuera poco, el computador central deberá adquirir otros datos, visualizarlos en pantalla, ejecutar software que permitan optimizar los esquemas y otras tareas más. Como consecuencia de todo ello el control centralizado mediante computador requiere un equipo grande que ofrezca el compromiso entre respuesta en tiempo real y capacidad de almacenamiento.
Si el computador central falla, la totalidad del proceso se viene abajo, de ahí que los DDC tengan un computador redundante que opera simultáneamente con el principal. De este modo si el principal falla el secundario toma el control. El costo adicional de este segundo computador hace que el control centralizado sea excesivamente caro y no siempre sea la solución óptima en la automatización de procesos.
Finalmente, la ampliación de un sistema de control DDC suele resultar costosa, de ahí que inicialmente se debe instalar un equipo sobre dimensionado, ya que de otro modo pronto habría que adquirir otro computador mayor. Además cada una de las entradas, salidas que se añadan deberán ser cableadas al computador central, o como mínimo hasta un punto próximo a él, a todo ello habría que unir el hecho de que el software deberá reescribirse para incorporar estas modificaciones.
1.1.6 Control Supervisor
Para dotar a los sistemas DDC del nivel de seguridad adecuado y evitar que una caída de este paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar muchas veces controladores analógicos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados para la variable que debían controlar. Estos controladores son los que realmente controlan el proceso, dejando al computador central el cambio de puntos de referencia con el que se ha de comparar la variable controlada para mantenerla siempre optimizada.
Esta combinación de actuaciones recibe el nombre de control supervisor o control de puntos de referencia.
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El estado de la variable a controlar llega ahora tanto al computador como al controlador analógico, que además recibe la referencia adecuada en cada instante y será y que será calculada por el computador. Si se presenta cualquier falla, el controlador regula la variable de proceso con respecto al último punto de referencia que recibió del computador central. Toda esta actuación local forma el lazo de control y proporciona cierto grado de autonomía al proceso respecto del control centralizado.
Aunque el control supervisor permite que el control básico del proceso continúe a pesar del posible fallo del computador central, sigue necesitando la ampliación del cableado y un software adicional en caso de querer ampliar el número de entradas y/o salidas.
1.2 Características generales y aspectos históricos del Control
Distribuido.
El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas de control expuestos anteriormente. Así en el control centralizado, ya clásico, su potencia de tratamiento se concentra en un único elemento, mientras que en el control distribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el espacio. Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados para proporcionar las ventajas del control por computador pero con más seguridad y flexibilidad.
En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución de problemas del control electrónico de fabricas con gran numero de variables, y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y fuerte inercia de la industria a los cambios por otro, se llego a las siguientes conclusiones generales:
• Descartar el empleo de un único computador (control DDC), por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar cierto número de variables, para así distribuir el riesgo del control único.
• Cada controlador digital debía ser universal, es decir, disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema.
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• La velocidad de adquisición de los datos, y su salida a los actuadores debía ser en tiempo real, lo que obligada a utilizar la tecnología más avanzada en microprocesadores.
• Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo, los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de planta se adopto el empleo de una vía de comunicaciones.
• El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituiría por uno o varios monitores CRT, en los cuales el operador, con la ayuda del teclado/puntero deberá examinar las variables de proceso, características de control, alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta y con la opción de cambiar cualquiera de las características de control de las variables de proceso.
En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararse a la existente entre una maquina cuya configuración se hace mediante el cambio de cables y otra donde cualquier modificación se hace por software.
Asociando todas las ideas anteriormente expresadas, se puede obtener una primera aproximación de lo que sería un esquema básico que vincule los diferentes elementos que forman un control distribuido, tal esquema se muestra en la siguiente figura y la descripción de sus componentes a continuación.
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Figura Nº 1.1: Esquema control distribuido en planta
1.2.1 Controlador básico (Regulador digital)
Es un modulo estructurado en torno a un microprocesador que permite realizar controles PID y otros algoritmos de control. Un controlador básico puede controlar varios lazos de forma simultánea y proporcionar control sobre ellas.
Estos algoritmos pueden configurarse, y en caso de avería de las unidades de control superiores, el control que ejercerá el regulador digital será el correspondiente al último algoritmo configurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de señal de entrada (lineal, exponencial, etc.), alarmas a generar, etc. Como se puede apreciar en este controlador se establece ya el primer paso en la dotación de autonomía a diferentes elementos de un control distribuido.
La red de comunicación externa suministra los datos necesarios que definen el comportamiento del regulador. Estos datos junto a los de proceso se optimizan, obteniéndose los parámetros que se introducen en el algoritmo de regulación y que unidos a la referencia, permitirán al proceso enviar la actualización correspondiente.
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1.2.2 Estación de trabajo del operador
Proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información a cada uno de ellos se realiza mediante programas de operación. De este modo:
• El operador de procesos ve en la pantalla/s un grafico del proceso que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesante, obtener copias de tendencias, estados de alarmas, etc.
• El ingeniero de procesos puede editar los programas de control del proceso, construir las representaciones en pantalla de partes del proceso, etc. Tendrá un acceso al proceso mucho mas critico que el operador y su actuación será más puntual que la de este.
• El técnico en mantenimiento se dedicara desde la estación de trabajo, fundamentalmente a diagnosticar y resolver problemas en los elementos de control distribuidos en la planta.
Todos los componentes del control distribuido están perfectamente comunicados entre ellos, siendo esta la clave para conseguir una elevada eficiencia global.
El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas convencionales. El sistema es redundante y limita las consecuencias de un fallo, manteniendo el control del sistema y mejorando la fiabilidad.
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Capitulo 2
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2.1 Secciones y Niveles que forman un Control Distribuido
Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o más niveles de control, los cuales, están vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividad y una elevada optimización en el uso de los recursos.
Figura Nº 2.1: Niveles de un sistema de control
En la figura se muestra la relación existente entre los diferentes niveles de un DCS, sobre los cuales sería interesante hacer la siguiente acotación: en su definición original (clásica) eran los niveles 1, 2 y 3 los que realmente formaban el DCS, estando el restante más vinculado al sistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se habla de control distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de la figura, de ahí que se tienda a utilizar cada vez más el nombre de sistemas de información total.
En los niveles inferiores de un control distribuido estarán aquellos elementos que están en contacto con el proceso y, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el proceso suministra y que el DCS debe controlar.
En los niveles superiores, los computadores, estaciones de trabajo pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y optimización de unidades del proceso.
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A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la interfase del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir significativamente el costo del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso.
Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que haya de añadirse se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lugar. Esta modularidad proporciona una significativa mejora de costos durante todas las fases de un plan de automatización.
2.2 Elementos que participan en cada nivel.
Si bien hay una cierta ambigüedad en las fronteras que separan los distintos niveles de un DCS, todavía se pueden asignar ciertos elementos o componentes en determinados niveles, pues son característicos de ellos. En todo caso, no se puede cerrar un nivel con los elementos que se van a incluir en cada uno de ellos en los siguientes párrafos, dejando siempre abierta la posibilidad de una nueva incorporación, reflejando de este modo el carácter abierto y flexible que debe rodear a todo DCS.
2.2.1 Nivel 1
Este nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra en contacto con el entorno a controlar, tal como su nombre indica.
Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en el NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores e instrumental de campo y en el segundo los actuadores.
La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus de campo, bien mediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadores y sensores al resto del DCS se hará directamente al bus de comunicación o a los módulos de E/S, dependiendo de las posibilidades de comunicación que posean.
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2.2.2 Nivel 2
Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la interfase de operaciones de cada uno de los procesos controlados.
La interfase de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya que constará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interfase permite al operador observar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente si ello es necesario. Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más elevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de sus funcionalidades características. Por otro lado, los computadores irán equipados con tarjetas a modo de interfase, que permitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos extraen los datos más significativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados y los ponen a disposición de la interfase de operaciones.
La interfase de operaciones permite al operador ver datos del proceso en cualquier formato. Los formatos pueden incluir una visión global del estado del proceso, representaciones gráficas de los elementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado de alarmas y cualquier otro tipo de información. El operador usa el teclado/puntero para dirigir los controladores, requerir información del proceso, ejecutar estrategias de control y generar informes de operación. Esta interfase generalmente se ubica físicamente cerca del proceso o procesos controlados.
Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control y regulación en planta. Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo (NIVEL 1) son cada vez más sofisticados, arrebatando el campo a los controladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellos además de incluir varios elementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital), posee una interfase lo suficientemente potente como para comunicar directamente con niveles superiores. De hecho, la consola de operaciones del NIVEL 2 puede ser usada para interrogar o dirigir un controlador inteligente del NIVEL 1. Esta combinación de inteligencia, controladores independientes e interfase de operador, proporciona la seguridad, velocidad, potencia y flexibilidad que es la esencia de un DCS.
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2.2.3 Nivel 3
Este nivel es el conocido como de mando de grupos y que hoy en día suele conocerse como interfase para el control de la línea de producción.
Esta interfase de un DCS facilita la coordinación de las diferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda un área, permitiendo obtener una visión más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. También proporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta en marcha del sistema.
En el NIVEL 3 de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización, entendiendo por ello la concentración masiva de información, gracias a lo cual se pueden planificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivel se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir, la logística de aprovisionamiento.
2.2.4 Nivel 4
Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrategia de la producción en relación con el análisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones de producción a largo plazo. Sobre estas previsiones, se planifica la producción en el NIVEL 3. En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrategias de producción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados, además de establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos.
Los computadores en este nivel están especializados en gestión y almacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicación correspondiente a sus respectivas aplicaciones.
2.3 Comunicación entre los diferentes niveles
Como se ha podido ver, los sistemas de control distribuido (DCS) dependen de la comunicación entre los diferentes equipos y dispositivos, situados en muchos casos en varios niveles de control. Cualquier nivel debe ser capaz de interrogar y dirigir dispositivos de niveles inferiores y comunicarse eficazmente con dispositivos situados al mismo o superior nivel. Con todo ello, lo que se pretende es dar la sensación de que todos los
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componentes de un DCS están conectados sobre una única vía de comunicación, aunque en la realidad se haga uso de Gateway que comunican los distintos niveles y elementos.
Un sistema de control distribuido no tiene por qué constar siempre de la estructura de cuatro niveles comentada anteriormente, ya que su complejidad dependerá, esencialmente, de los procesos a controlar y de la complejidad de estos. El utilizar una o varias rutas de datos (redes de comunicación industrial) será condicionado por los aspectos comentados anteriormente y cuestiones tan obvias como la antigüedad de los equipos que deben coexistir, ámbito de cobertura del DCS, grado de automatización de la planta, etc.
Las ventajas de enlazar todos estos equipos en lo que constituye un DCS (o también denominado a veces CIM, sistema de fabricación integrada) son, esencialmente, las siguientes:
• Posibilidad de intercambio de información entre equipos y módulos electrónicos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso.
• Facilidad de comunicación hombre-máquina, a base de terminales inteligentes (PC’s) que permiten programar u observar el proceso en términos de lenguaje muy próximo al humano. El sistema admite la observación y la intervención del operador en forma interactiva a través de un terminal con teclado y pantalla.
• Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas al control de calidad, gestión, estadística u otros propósitos.
• Facilidad de cambios, o lo que es lo mismo, flexibilidad de las células de fabricación para adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos.
La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de comunicación potente y robusto, a la vez que flexible, que permita integrar en él productos de cualquier fabricante, siempre que cumpla con alguno de los estándares abiertos. Aparte de los sistemas de comunicación específicamente industriales, las redes de área local tienen mucho que decir en éste sentido.
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Capitulo 3
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3.1 Redes LAN
Las redes de área local son el punto de contacto de los usuarios finales. Su finalidad principal es la de intercambiar información entre grupos de trabajo y compartir recursos. Se caracterizan por tres factores: extensión, su tecnología de transmisión y su topología.
3.1.1 Extensión de las redes de Área Local
Su extensión va de unos cuantos metros hasta algunos kilómetros. Esto permite unir nodos que se encuentran en una misma sala, en un edificio, o una empresa mediana y grande ubicada en la misma localidad.
3.1.2 Tecnologías de transmisión
Las redes tradicionales operan con medios de transmisión tales como cable de par trenzado (UTP), cables coaxiales (ya casi obsoleto por que presenta muchos problemas), fibra óptica (inmune a la mayoría de interferencias), portadoras de rayo infrarrojo u láser, radio y microondas en frecuencias no comerciales. Las velocidades en las redes de área local van desde 10 Mega bits por segundo (Mbps) hasta 622 Mbps
Los estándares más comunes son el IEEE 802.3 llamado Ethernet y el IEEE 802.5 llamado Token Ring. Ethernet opera entre 10 y 100 Mbps En este estándar, todo nodo escucha todos los paquetes de esta red Broadcast (difusión), saca una copia y examina el destinatario. Si el destinatario es el nodo mismo lo procesa, y si no lo desecha para escuchar el siguiente. Para enviar un paquete escucha cuando el medio de transmisión este libre. Token Ring opera entre 4 y 16 Mbps y utiliza una ficha (Token) que permite enviar paquetes al nodo que las posee mientras los otros escuchan. Una vez que un nodo termina de enviar paquetes, pasa la ficha a otro nodo para que transmita.
3.2 Topologías y métodos de acceso
La configuración o topología de una red es el esquema básico con el que los componentes de la red se conectan entre sí. Básicamente existen tres topologías de redes locales.
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3.2.1 Bus:
Es la más simple y más usada de las topologías. Es una configuración lineal, con todos los componentes conectados por un solo cable. En el bus, las señales son enviadas a todas las computadoras en la red. Para evitar que la señal rebote indefinidamente a lo largo del bus, se usa un terminador en cada extremo. Un solo equipo puede enviar datos cada vez. Así, mientras más equipos haya en el bus la velocidad de transmisión será más lenta.
3.2.2 Anillo:
Una red de anillo conecta a los equipos en un círculo lógico. La señal, o token, pasa a través del anillo de un equipo a otro en la dirección de las manecillas del reloj. Un equipo toma el token libre y envía datos a la red. El equipo destino copia los datos y los marca como leídos. Finalmente, los datos continúan dando vuelta hasta el equipo que los origino, el cual remueve los datos del anillo y libera el token libre.
Las topologías de bus y anillo son ejemplos de compartición de espacios físicos, esto es, que todos los nodos utilizan el medio común de comunicación y cualquier señal que se genera en un nodo se propaga a todos los demás nodos activos. Sin embargo para que tenga efecto un intercambio de información confiable se debe establecer un enlace lógico entre los nodos involucrados. La red física proporciona el mecanismo para mover la información entre los nodos que han establecido una conexión lógica.
3.2.3 Estrella:
La topología estrella tiene conexiones de nodos hacia un controlador centralizado, se instrumenta en esquemas de comunicación punto a punto habilitando a cualquier nodo el intercambiar información con el nodo central. Este nodo central se conoce como HUB. Si el HUB falla, toda la red se cae.
El HUB, o concentrador, se usa para centralizar el trafico de la red a un solo punto de conexión. Si un cable de red que use un HUB se rompe esto solo afectara ese segmento y no afectara al resto de la red. Las redes pueden ser expandidas fácilmente usando HUB`s, ya que además permiten el uso de diferentes tipos de cables.
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3.3 Redes de Área Local en Aplicaciones Industriales
En cualquier sistema de automatización de la producción es imprescindible un intercambio de datos. En muchos casos, dicha comunicación es preciso realizarla siempre entre componentes de automatización con más o menos años a sus espaldas, y en la mayoría de los casos de diferentes fabricantes.
La tendencia actual se encamina hacia una integración de la automatización de forma que, en ningún momento, los equipos que la componen sean considerados como islas de automatización, sino que estén dotados de un poder de comunicación que revierta en la posibilidad de realizar análisis estadísticos de producción, horas de funcionamiento de cada una de las maquinas, realización de mantenimientos preventivos, etc.
Si el número de elementos que forman la planta no es muy elevado, probablemente no sea aconsejable recurrir a la estructura de niveles como la correspondiente a un sistema de control distribuido, y con una sola vía de comunicación baste entre ellos para conseguir óptimos resultados.
Pero para plantas con mayor control electrónico, la tendencia viene dada por la estructura de niveles en la que los computadores y equipos de producción y dirección están en los niveles superiores y en los niveles inferiores los elementos de campo y los módulos de E/S que realizan funciones más simples.
Las LAN (Redes de área local) industriales intentan que la comunicación entre niveles sea completa, es decir, que los puntos más altos puedan saber en todo momento que es lo que se está realizando en los puntos más bajos, y en caso necesario poder dar órdenes hacia ellos.
3.3.1 Entradas y salidas en el nivel inferior
La LAN resulta un sistema excesivamente complejo y caro para los elementos de niveles inferiores, cuyas exigencias de comunicaciones se centran, en la mayoría de los casos, en pequeñas tramas o incluso a nivel de bit. Por tanto para este tipo de elementos se requiere una red de nivel inferior, con protocolo ágil, cableado fácil y barato y que permita enlazar periféricos de bajo nivel a un control maestro. Esta red local de nivel inferior se denomina Bus de Campo.
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3.3.2 Buses de Campo.
Para sustituir cableado entre sensores - actuadores y los correspondientes elementos de control. Este tipo de buses debe ser de bajo costo, tiempo real. Además, deben gestionar mensajes cortos eficientemente, tener capacidad de manejar tráfico de eventos discretos, poseer mecanismos de control de error, transmitir mensajes prioritarios, tener bajo costo de instalación y conexión, poder responder rápidamente a los mensajes recibidos.
Según la cantidad de datos a transmitir, se dividen en buses de alto nivel, buses de dispositivos (pocos bytes a transmitir) y buses de sensor, pero en ningún caso llegan a transmitir grandes bloques de información.
Las ventajas principales que se obtienen en su utilización son: mejor calidad y cantidad en el flujo de datos, ahorro de costo de cableado e instalación, facilidad en la ampliación o reducción del número de elementos del sistema, reducción de errores en la instalación y numero de terminales y cajas de conexión.
Figura Nº 3.1: Instalación industrial, sin utilización de buses de campo, y con buses de campo
Para las comunicaciones a nivel de campo no existe una norma de comunicaciones que haya alcanzado algún grado de difusión y homogeneidad en los entornos industriales, esto hace que en algunos casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes. Varias normas intentan imponerse, destacándose entre ellas Profibus y Fieldbus Foundation, aunque no se deben descartar ASi, Devicenet, Modbus, Hart, etc.
También existe una tendencia a implantar tecnología como ETHERNET, muy probada en redes administrativas, de bajo costo y que comienzan a utilizarse en redes industriales de bajo nivel para sistemas en tiempo real. Otro aspecto importante es la seguridad, ya que al incorporarse sistemas de manera global, es decir, en redes administrativas y de control de procesos, los sistemas de control quedan más expuestos.
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3.4 Tipos de buses.
Como anteriormente se menciona, los buses de campo se agrupan en tres categorías, dependiendo del tipo de dispositivo y de la aplicación para la cual fue diseñado:
• Buses de sensor • Buses de dispositivo • Buses de campo (Fieldbus)
Figura Nº 3.2: Clasificación de los tipos de buses de campo.
3.4.1 Bus de sensor
Los buses de sensor son enlaces de comunicación de bajo costo para conectar aparatos industriales a una red y eliminar alambrados extensos y costosos, comunes en la industria discreta. Se usan con interruptores de proximidad, pulsadores, partidores de motores y otros dispositivos simples donde se necesita transmitir solo unos cuantos bits de información.
Estos buses están diseñados para detección y control sencillos, normalmente detectar un estado, o encender o apagar algo.
3.4.2 Bus de dispositivo.
Los buses de dispositivos están orientados a equipos más complejos, pueden manejar más información que los buses de sensor, no solo señales discretas, sino también
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señales analógicas, se pueden comunicar a altas velocidades en distancias cortas y más bajas para distancias mayores. Generalmente utilizados en la comunicación de variadores de frecuencia PLC, etc.
3.4.3 Bus de campo (Fieldbus).
Este es un sistema de comunicación más adecuado para control y diagnósticos en aplicaciones de procesos.
Este medio proporciona comunicación en dos sentidos entre equipos inteligentes y sistemas, es capaz de transportar mayor cantidad de información desde terreno al sistema, este sistema de comunicación puede ser un reemplazo a las comunicaciones analógicas de 4 -20 mA, tomando en cuenta como ventaja la gran cantidad de información que se puede obtener del proceso y del mismo instrumento o sistema.
3.5 Fieldbus Foundation.
Esta tecnología es la base de la nueva generación de control.
Fieldbus Foundation es un sistema de comunicación totalmente digital, serial y direccional, el cual corre a 31,25 Kbps, e interconecta dispositivos de campo como sensores, actuadores y controladores. Esta tecnología de comunicación es una red de área local para los instrumentos utilizados en la automatización, incorporando capacidad para distribuir la aplicación de control a través de la red.
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El entorno Fieldbus es el grupo de niveles base de las redes digitales en las jerarquías de redes de planta.
Figura Nº 3.4: Jerarquías de redes de planta
Además este sistema de comunicación conserva las características deseables del sistema analógico 4 – 20 mA.
• interfase física normalizada por cable.
• Dispositivos alimentados por bus sobre un par de cables.
Al hacer un uso completo de la inteligencia de campo, la gestión del proceso, ya no es más control de procesos. Ahora es también gestión de activos, recolectar y saber utilizar la gran cantidad de información generada por los activos (transmisores inteligentes, válvulas, analizadores, etc.). Incluye configuración, calibración, monitoreo, diagnósticos y registros de mantenimiento desde cualquier lugar de la planta mientras el proceso está en marcha.
3.5.1 Ventajas de Fieldbus en el sistema de control.
A través de la aplicación de la tecnología Fieldbus se pueden conseguir importantes ventajas en el ciclo de vida de un sistema de control.
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Figura Nº 3.5: Ciclo de vida de un sistema de control
• Menor número de tableros y cables de distribución. • Menor número de barreras de seguridad Intrínseca. • Menor número de convertidores de E/S.
• Menor número de fuentes de alimentación y gabinetes • Menor tamaño de salas de equipamiento.
• Configuración remota de los dispositivos. • Mayor información disponible para operaciones. • Mayor exactitud en las mediciones.
• Mayor sofisticación y flexibilidad en la instrumentación.
• Mayor tiempo de operación gracias a menos equipamiento, mejores auto diagnósticos y diagnósticos remotos.
3.5.2 Más datos disponibles.
Este sistema de comunicación permite recolectar al sistema de control, múltiples variables desde cada dispositivo, con fines de archivo, análisis de tendencias, estudios de optimización del proceso, y generación de reportes.
La mayor tecnología de la instrumentación y la comunicación digital, libre de distorsión y ruido, además de la alta resolución, permite datos más exactos y confiables que permiten mejorar la capacidad de control del proceso aumentando la eficiencia y productividad.
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Figura Nº 3.6: Cantidad de información entre el sistema tradicional y Fieldbus
3.5.3 Vista más amplia del proceso.
Al tener instrumentación con mayor tecnología integrada y mayor poder de comunicación, se puede tener visualización del proceso incluso dentro del instrumento, ampliando la visión de control y optimizando las mantenciones y revisiones que se le debe dar a la instrumentación, ya que es el instrumento el que se encargara de avisar al operador o al personal de mantención, si presenta alguna anomalía o requiere algún ajuste o mantención.
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3.5.4 Distribución del control de procesos.
La tecnología Fieldbus considera bloques de función estándar para implementar estrategias de control (AI, AO, PID, etc.), muchas de estas funciones están incorporadas en el propio dispositivo de campo, incluyendo este dentro de su electrónica estos bloques de control. La utilización de estos bloques dentro de los dispositivos permiten la disminución de hardware de sistema y la uniformidad de los bloques de función permiten una distribución del control en los equipos de campo de distintos fabricantes de una manera integrada, a su vez distribuyendo la estrategia de control al nivel de la instrumentación, pudiendo crear un lazo PID con solo un transmisor y una válvula por ejemplo.
Figura Nº 3.8: distribución del control a instrumentos de campo
3.5.5 Ahorro en el cableado.
El sistema Fieldbus permite conectar múltiples dispositivos al mismo par de cables, esto se traduce en menores costos de cableado, menor cantidad de tableros de distribución, menor cantidad de barreras de seguridad intrínseca, en resumen entrega importantes ahorros en los puntos antes señalados y a la vez facilita la mantención y diagnósticos de posibles fallas, ya que los tableros almacenaran menor número de cables ordenando y distribuyendo de mejor manera el espacio para cada cableado.
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Figura Nº 3.9: Comparación de cableado de sistema tradicional y Fieldbus
3.6 Tecnología Fieldbus Foundation.
La tecnología Fieldbus Foundation se divide en tres partes o bloques, de acuerdo al modelo OSI (Open Systems InterConnect):
• Nivel Físico.
• Stack de comunicaciones. • Aplicación de Usuario.
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El nivel fisco es el nivel 1 de OSI. El nivel de enlace de datos (DLL) es el nivel 2 del OSI. La especificación de mensajes de Fieldbus (FMS) es el nivel 7 del OSI. El Stack de comunicaciones se compone de los niveles 2 y 7 del OSI. El subnivel de acceso al Fieldbus (FAS) mapea la FMS en el DLL.
Cada nivel en el sistema es responsable de una porción del mensaje que se transmite en Fieldbus.
3.6.1 Nivel Físico.
El Nivel Físico recibe mensajes del stack de comunicaciones y los convierte en señales físicas dentro del medio de transmisión del Fieldbus y viceversa.
Las tareas de conversión incluyen agregado y remoción de preámbulos, delimitadores de comienzo y delimitadores de final.
Figura N 3.11: Nivel Físico del modelo Fieldbus
Las señales de Fieldbus son codificadas usando la conocida técnica Manchester Biphase-L. La señal se denomina serial sincrónica ya que la información de reloj se encuentra embebida en la corriente de datos serial.
Hay definidos caracteres especiales para preámbulo, delimitador de comienzo y delimitador de final.
El preámbulo es utilizado por el receptor para sincronizar su reloj interno con la señal de Fieldbus que ingresa.
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El receptor usa el delimitador de comienzo para encontrar el inicio de un mensaje Fieldbus. Después que encuentra el delimitador de comienzo, el receptor acepta los datos hasta que recibe el delimitador de final.
3.6.2 Señalización del Fieldbus H1.
El dispositivo transmisor entrega ±10 mA a 31,25 Kbit/s sobre una carga equivalente de 50 ohm para crear una tensión de 1,0 V pico a pico modulada en la parte superior de la tensión de alimentación de corriente continua (CC). La tensión de alimentación CC puede ser de 9 a 32 V.
Figura Nº 3.12: Formas de onda Fieldbus
Los dispositivos de 31,25 Kbit/s, pueden ser alimentados directamente del Fieldbus y operan sobre el cableado usado anteriormente para los dispositivos de 4-20 mA.
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3.6.3 Cableado del Fieldbus H1.
El Fieldbus H1 acepta Spurs (derivaciones).
La longitud del Fieldbus está determinada por la velocidad de comunicación, el tipo de cable, el tamaño del cable, la opción de alimentación por bus y la opción de seguridad intrínseca.
El tramo principal no puede exceder una longitud total de 1.900 m con un par de cables retorcidos y blindados. La longitud del cable se determina sumando la longitud del cable troncal y todas las longitudes de las derivaciones.
Los terminadores se encuentran ubicados en cada extremo del cable troncal principal.
La longitud del cable debe obedecer a la siguiente ecuación:
Longitud del cable = Longitud del troncal + Longitudes de todos los Spurs
Longitud del cable máx. = 1900 metros.
Figura Nº 3.13: Cableado de segmento Fieldbus
El número posible de dispositivos en el Fieldbus varía en función de distintos factores: el consumo de energía de cada dispositivo, el tipo de cable utilizado, el uso de repetidores, etc.
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3.6.4 Aplicación de Usuario.
Fieldbus Foundation ha definido una Aplicación de Usuario estándar basada en “bloques”. Los bloques son representaciones de los distintos tipos de funciones de aplicación.
Los tipos de bloques usados en una aplicación de usuario se describen en la Figura.
Figura Nº 3.14: Bloques de aplicación definidos por Fieldbus
3.6.4.1 Bloque fuente.
El bloque fuente describe características del dispositivo de Fieldbus tales como nombre del dispositivo, fabricante y número de serie. Hay un solo bloque fuente en un dispositivo.
3.6.4.2 Bloque de función.
Los bloques de función (FB) se encargan del comportamiento del sistema de control. Los parámetros de entrada y de salida de los bloques de función pueden ser
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conectados sobre el Fieldbus. La ejecución de cada bloque de función está precisamente programada.
Puede haber muchos bloques de función en una Aplicación de Usuario.
Fieldbus Foundation ha definido conjuntos de Bloques de Función estándar. Diez bloques de función para control básico están definidos por la especificación
Figura Nº 3.15: Bloques de función definidos para instrumentos Fieldbus.
Los bloques de función pueden ser incorporados en los dispositivos de Fieldbus según necesidad para alcanzar la funcionalidad deseada del dispositivo. Por ejemplo, un simple transmisor de temperatura puede contener un bloque de función AI. Una válvula de control podría contener un bloque de función PID como así también el esperado bloque de AO.
3.6.4.3 Bloques Transductores.
Los bloques transductores desacoplan los bloques de función de las funciones locales de entrada/salida requeridas para leer sensores y comandar hardware de salida. Estos bloques contienen información como fecha de calibración y tipo de sensor. Normalmente hay un bloque transductor para cada bloque de función de entrada o de salida.
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3.6.5 Asignación de direcciones de dispositivos.
Cada dispositivo de Fieldbus debe tener una dirección de red única y un TAG de dispositivo físico para que el Fieldbus pueda operar correctamente.
Para evitar la necesidad de switches de dirección en los instrumentos, la asignación de direcciones de red puede ser realizada automáticamente por la administración del sistema.
3.6.6 Descripciones de los dispositivos.
Una característica crítica que se requiere de los dispositivos de Fieldbus es la interoperabilidad. Para alcanzar la interoperabilidad se usa la tecnología DD (Device Description) junto a definiciones de parámetros y de comportamiento de bloques de función estándar.
DD proporciona una descripción ampliada de cada objeto del VFD (Dispositivo virtual de campo), tal como se muestra en la siguiente figura.
Figura 3.16: Definición del Device Descriptor
También ofrece la información necesaria para que un sistema de control o host comprenda el significado de los datos en el VFD, incluyendo la interfase humana para
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funciones como calibración y diagnósticos. De esta manera, la DD puede ser considerada como un "driver” para el dispositivo.
3.6.7 Configuración del sistema.
La configuración de un sistema de Fieldbus consiste de dos fases: diseño del sistema y configuración de los dispositivos.
3.6.7.1 Diseño del Sistema.
El diseño de los sistemas basados en Fieldbus es muy similar al diseño de los sistemas de control distribuido (DCS).
La primera diferencia es en el cableado físico donde el cambio del cableado analógico 4-20 mA punto a punto al cableado de bus digital permite conectar numerosos dispositivos a un solo cable.
Cada dispositivo en el Fieldbus debe tener un único TAG de dispositivo físico y una correspondiente dirección de red.
La segunda diferencia es la capacidad de distribuir algo del control y de las funciones de los subsistemas de entrada/ salida del sistema de control a los dispositivos de Fieldbus.
Lo anterior puede reducir el número de controladores para montaje en rack y el equipamiento de E/S para montaje remoto que se necesita para el diseño del sistema.
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3.6.7.2 Configuración de los Dispositivos.
La configuración de los dispositivos se realiza conectando juntas las entradas y salidas de los bloques de función de cada dispositivo, tal como lo requiere la estrategia de control.
Figura Nº 3.18: Esquema de control utilizando bloques de un transmisor y una válvula
Después de haber ingresado todas las conexiones de los bloques de función y otros ítems de configuración tales como nombres de dispositivo, TAG de lazo y velocidad de ejecución del lazo, el dispositivo de configuración genera información para cada dispositivo de Fieldbus.
Un lazo autónomo puede ser configurado si existe un dispositivo de campo que sea Link Master. Este permite la operación continuada del lazo sin el dispositivo de configuración ni una consola central.
El sistema se torna operacional después que los dispositivos de Fieldbus hayan recibido sus configuraciones.
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Capitulo 4
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4.1 Implementación del Sistema DeltaV.
Este capítulo define la red de control a implementar, especifica la instalación del sistema y sus principales aplicaciones, comenzando por la implementación de la arquitectura del sistema, montaje físico, y software asociado, detallando los pasos seguidos en la construcción del sistema de control.
4.2 Arquitectura del sistema
Los sistemas de la automatización con DeltaV son escalables con una amplia gama de tamaños. Un sistema DeltaV puede clasificarse eficientemente para resolver los requisitos de control del proceso.
Un sistema DeltaV incluye, por lo menos:
• Red del control que proporciona comunicación entre estaciones de trabajo (PC) y controladores.
• Estación Professional PLUS que proporciona una interfaz para utilizar gráficos y funciones de configuración del proceso y del sistema.
• Un Controlador que realiza control y maneja comunicaciones entre el subsistema de I/O y la red de control.
• Un subsistema de I/O usa información de los procesos a y desde los dispositivos del campo.
• Fuente de alimentación del sistema DeltaV
• Fuente de alimentación (24 VDC de energía de la planta) para los dispositivos de campo conectados con el sistema DeltaV.
• Riel Din para instalar las bases portadoras que proporcionan las conexiones de energía y de comunicaciones para el controlador y el subsistema de I/O.
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Figura Nº 4.1: Esquema de configuración DeltaV
El sistema más simple de DeltaV que consiste en una estación de trabajo y un controlador pueden utilizar un solo cable para conectarse. La mayoría de los sistemas pequeños de DeltaV son más grandes que el más simple, y utilizan los cables de un solo hub de interconexión. Sistemas más grandes de DeltaV pueden utilizar múltiples hubs y switchs con una variedad de cables para ampliar el sistema.
En cuanto a las consolas, esta arquitectura, consta de un PC con licencia Professional Plus Workstation, y otro con licencia Operator Workstation; para el control y
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supervisión. Las consolas en general poseen la característica de visualizar, controlar y manejar todos los parámetros y datos de proceso de la unidad asociada, todas las estaciones regulan su acceso mediante password
De lo anterior, la arquitectura tiene por objetivo realizar una base de datos diseñada para adquisición de datos en tiempo real, almacenamiento de datos históricos, recuperación de datos e integración (administración de la información).
4.3 Descripción de Equipos que Conforman el Sistema
4.3.1 Elementos de Campo
Controlador MD:
Controlador con procesador Motorola MPC8260, operando a 166 MHz, con capacidad de 14 Mbyte en memoria RAM, capacidad de manejo de 500 puntos I/O y capacitor de respaldo de aproximadamente 30 días como características principales. Este controlador tiene la particularidad de comunicarse vía Ethernet TCP/IP a una velocidad de 100 Mbps, en forma redundante. Este dispositivo es el encargado del control de las variables de proceso, almacenar las estrategias de control (algoritmos PID, Fuzzy Logic, Redes Neurales, etc.…).Fuentes de Poder
: Existen en el sistema básicamente 2 tipos de fuentes, las System Power Supply y las Bulk Power. Las primeras alimentarán la electrónica de los controladores y las tarjetas I/O del sistema DeltaV y las segundas, proporcionarán alimentación en 12 Vdc para las fuentes del sistema y 24 Vdc a la instrumentación de campo, a los segmentos Profibus DP, Devicenet y segmentos Fieldbus.Tarjeta Comunicación Serial:
Se consideró interfaz de comunicación serial. Esta tarjeta tiene la capacidad de manejar dos puertos de comunicación seriales RS232, estos puertos puede comunicarse con dispositivos en topología punto a punto para la comunicación con sistemas externos (PLCs, Drivers, etc.…) que soporten protocolos, tales como Modbus ASCII/RTU, Siemens 3964R, entre otros.Control Network:
Esta red de control trabaja a una velocidad de 100 Mbps (HSE - High Speed Ethernet) en topología bus, bajo protocolo TCP/IP (estándar IEEE802.3). Su medio físico de comunicación puede ser cable coaxial, par trenzado (UTP/STP) o fibra50
óptica. Se considera la red en forma redundante y con cable del tipo par trenzado y dispositivos concentradores de red del tipo switch.
4.3.2 Estaciones del Sistema DeltaV
Professional Plus Station
: Estación de Configuración y Operación del sistema DeltaV, habilitado como estación de ingeniería, además de servir como una eventual estación de operación. Tiene la particularidad de ser la estación que posee la base de datos de proceso única del sistema. En resumen es un PC, comunicándose a través de una red de área local Ethernet 100Bt redundante y está basada en un PC de alto rendimiento, de última generación tecnológica marca DELL y sistema operativo Windows XP Professional SP1 o Windows 2003 server, con las siguientes características, dependiendo del tamaño del sistema:• Pentium III 450 MHz mínimo, Pentium III 933 MHz recomendado.
• Para Sistemas con 2000 DST: Pentium III 667 MHz mínimo, Pentium 4 1,4 GHz recomendado.
• Para Sistemas con 30000 DST: Dual XEON 550MHz mínimo, Dual XEON 2.0GHz recomendado.
• Memoria del sistema: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado.
• Para Sistemas con 2000 DST: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado.
• Para Sistemas con 30000 DST: 1GB de RAM mínimo, 2GB de RAM recomendado.
• Espacio del Disco Duro: La instalación de DeltaV en Windows XP o Windows 2003 Server, requiere un mínimo de 9,1 GB de disco duro. Un tamaño de 18GB es recomendado, de ese tamaño un mínimo puede ser alojado en el disco C: se recomienda la instalación de un nuevo disco D: especialmente en sistemas de bases de datos y configuración de gran tamaño.
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• Si la versión de control es instalada en un sistema DeltaV nuevo, se deben sumar 4GB de espacio mínimo sobre las siguientes instalaciones.
• Para Sistemas de 10000 DST o menos 9GB de espacio mínimo. • Para Sistemas de 10000 DST a 20000DST 13GB de espacio mínimo. • Para Sistemas de 20000 DST a 30000DST 17GB de espacio mínimo.
Engineering Workstation
: Estación de Configuración y Operación del sistema DeltaV, habilitado como estación de ingeniería, permite ejecutar tareas de ingeniería, diagnósticos, configuración, registros y análisis de eventos y además de servir como una eventual estación de operación.• Pentium III 450 MHz mínimo, Pentium III 933 MHz recomendado.
• Memoria del sistema: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado.
• Disco Duro: En C:, 2GB con la instalación de DeltaV Operate.
Operator Station:
Estación de Operación del sistema DeltaV, habilitado como estación de operación. En resumen es un PC, comunicándose a través de una red de área local Ethernet 100Bt redundante y está basada en un PC de alto rendimiento, de última generación tecnológica marca DELL y sistema operativo Windows XP Professional SP1.• Pentium III 450 MHz mínimo, Pentium III 933 MHz recomendado.
• Memoria del sistema: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado.
• Disco Duro: En C:, 2GB con la instalación de DeltaV Operate.
4.3.3 Software utilizado en las estaciones
En las siguientes tablas se especifica el software utilizado por cada tipo de estación, esto define la aplicación de cada estación, y permite seleccionar cual tipo de estación es requerido de acuerdo a las necesidades de la planta
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Figura Nº 4.3: Software utilizado en las estaciones DeltaV
4.4 Instalación del Sistema DeltaV
4.4.1 Condiciones Ambientales
El sistema DeltaV debe operar bajo condiciones ambientales controladas, ya que la mayoría de los dispositivos que integran los sistemas son diseñados para trabajar bajo ciertos rangos de humedad, temperatura y clasificación ambiental.
Polvo y vapores corrosivos pueden causar daños a los componentes electrónicos de los equipos. Los ambientes en los cuales se encuentra el equipo pueden ser clasificados desde G1 hasta Gx, si desea ver la clasificación, descripción y condiciones usted puede
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consultar la norma ISA-S71.04, Condiciones ambientales para medición de procesos y sistemas de control.
Si la temperatura ambiente, de los lugares donde está instalado el equipo, está fuera de los rangos de operación permitidos será necesario el uso de sistemas de aire acondicionado. Las necesidades del uso de estos sistemas son determinadas a través del cálculo de la carga de calor causada por el sistema, el personal, luces y otras fuentes de calor. Cualquier sistema de aire acondicionado o ventilación deberá tener la capacidad para manejar la carga de calor generada en los cuartos de control.
La humedad relativa deberá mantenerse dentro de los rangos de operación permitidos. La humedad relativa baja permite la creación de cargas y descargas electrostáticas, lo cual puede dañar el equipo. La humedad relativa alta puede terminar en la condensación de agua en los equipos. Vapores corrosivos en la atmósfera terminarán en condensación y formación de ácidos, la humedad relativa debe ser controlada para prevenir la formación de ácidos, los cuales pueden dañar de forma permanente los equipos.
4.4.2 Tierras
La tierra y la red de tierras son una consideración importante para cualquier sistema de control, ya que éste puede eliminar los efectos causados por potenciales deficiencias en el suministro de las fuentes de alimentación. Pobres o deficientes sistemas y redes de tierras son la causa principal de las fallas presentadas en un sistema de control. Una buena tierra conduce corrientes eléctricas, causadas por fallas, a tierra y puede reducir considerablemente el ruido eléctrico, lo cual causa problemas en las señales de control.
El mejor sistema de tierras es aquel que utiliza varios electrodos de tierra (mayor número de electrodos mejor sistema), y las razones son las siguientes:
Las resistencias de contacto del electrodo a tierra son efectivamente puestas en paralelo, la adición de más electrodos reduce la resistencia del sistema de tierra.
Un electrodo provee un elemento de seguridad. El contacto a tierra no depende de un sólo electrodo.
- En caso de utilizar un sistema de tierra de varios electrodos, la distancia entre los mismos deberá ser de dos veces la profundidad a la que están enterrados los electrodos. La siguiente figura muestra un ejemplo de una malla de tierras en una planta.
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Figura Nº 4.4: Sistema de mallas de Tierra para conexión del DeltaV en Planta
Si la malla existente está accesible, y la resistencia de la malla de tierra hacia la tierra física cumple con los requerimientos, la malla existente puede utilizarse para la tierra del sistema y la instrumentación, en caso de no cumplir será necesaria la implementación de un nuevo sistema de tierras dedicado al sistema de control.
Nota: La resistencia máxima permitida para un sistema de tierras conectado al Sistema DeltaV no deberá exceder tres ohm, idealmente Deberá ser menor a un ohm.
Es recomendable que el sistema de tierra tenga un ohm o menos entre el sistema de tierras de instrumentación y la tierra real. Una resistencia de un ohm o menor reduce los errores fantasma provocados por caídas de voltaje en los sistemas de tierra. La red de tierras es un sistema organizado de cables de tierras que terminan en un sólo punto dedicado al sistema de tierras.
Al tener un solo punto de tierras se tendrá una referencia más limpia para el control de las señales dentro del sistema de automatización, esto incrementa la confianza sobre los sistemas que contienen un pobre diseño de red de tierras.
4.4.3 Controlador AC/DC y Fuentes de Alimentación de I/O.
En el esquema se muestra la forma de conexión de tierras para un sistema que utiliza un controlador AC/DC y su fuente de alimentación del I/O.
