Cpi tema4

C. P. I. CONTROL DISTRIBUIDO 4.1

TEMA 4: CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES. CONTROL DISTRIBUIDO.

4.1.- INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS

La medición y el control en la industria son muy importantes, tanto desde el punto devista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuadoentre costes y producto final (relación calidad/precio).

El control automático de procesos industriales es hoy en día una actividadmultidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos (electrónica, informáticade sistemas, etc.), científicos (investigación de nuevos criterios y materiales, etc.) y económicos(mejora de los márgenes comerciales sin perder calidad y competitividad).

Los sistemas de control sofisticados del tipo de los instalados mediante complejoselementos de instrumentación, no se han creado de la noche a la mañana, aunque el auge queviven actualmente así lo pueda parecer. Son el resultado de más de cien años de trabajo defabricantes y usuarios, quienes no han de dejado de buscar las mejores soluciones al controlindustrial automatizado.

Estos esfuerzos aportaron algunos tipos de control, de acuerdo a la tecnología disponibleen cada época. Las soluciones que se mostraron efectivas, han sobrevivido y, por tanto,evolucionado, proporcionando de este modo a los usuarios de hoy un abanico de posibilidadesdonde elegir las necesidades que se plantean al control automatizado de procesos y todo lo quesignifica su implantación.

En la figura 4.1 podemos ver las diferentes soluciones tecnológicas a un problema decontrol automatizado, pudiéndose distinguir en ellas, de izquierda a derecha, la evolución quehan ido teniendo de acuerdo al desarrollo de las tecnologías en los diferentes instantes. Esteesquema no debe interpretarse como que la tecnología eléctrica haya reemplazado totalmentea la fluídica, ni que la primera haya sido desbancada por la solución programada, tan sólo comoque se está produciendo un complemento entre todas, que poco a poco irá situando a cada unade ellas en el papel que le corresponde.

Lo que no cabe duda es que el papel “dirigente” en cualquier solución a un problema deautomatización correrá a cargo de la informática industrial y que el microprocesador, encualquiera de sus formas o versiones, irá copando posiciones relevantes hasta estar presente entodos los niveles que constituyen un control distribuido.


Fig. 4.1.- Principales soluciones tecnológicas a un problema de control automatizado.

En todo caso, independientemente del tipo de control utilizado, los objetivos del controlde procesos pueden resumirse en:

a) Operar el proceso en forma segura y estable.b) Diseñar sistemas de control que el operador pueda vigilar, comprender y, cuando seanecesario, manipular en forma selectiva.c) Evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones de productos durantelas perturbaciones.d) Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consigna (valor dereferencia) sin perturbar indebidamente otras variables controladas.e) Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas que podríanincumplir restricciones de operación, o perturbar unidades integradas o situadas enescalafones inferiores.f) Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad de cada producto.Así, las desviaciones en la calidad podrían ser menos permisivas (mucho más costosas)en un producto que en otro.g) Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen su utilidad cuandose consideren índices y valores de productos y además, minimicen el consumo deenergía.


Estos objetivos se han ido incorporando al control de procesos paulatinamente, conformela técnica y el conocimiento lo han ido permitiendo.

Para ayudar a comprender estas posibilidades, las siguientes páginas proporcionan unbreve comentario de los diferentes tipos de control de procesos desarrollados, comparando lostipos de control disponibles hoy. Se analizan con más profundidad los componentes de unsistemas de control distribuido típico (DCS) por ser la estructura que más futuro ofrece en estecampo interdisciplinar.

4.1.1.- DEFINICIÓN DE CONTROL AUTOMÁTICO

El control automático de procesos es un caso particular del término automatización yengloba al control electrónico, por ser esta la rama técnica que ha permitido una evolucióncontinua de la automatización industrial. En la figura 4.2. podemos ver la estructura jerárquicacomentada.

Fig. 4.2.- Jerarquización del Control Automático. El Lazo de Control puede estar presente en varios niveles.


Podemos definir el control automático de procesos como: La elaboración o captación deun proceso industrial a través de varias etapas, con el uso libre de los equipos necesarios paraahorrar tiempo manual y esfuerzo mental.

Tal como se ha dicho, el control automático de procesos hace un uso exhaustivo delcontrol electrónico, valiéndose de éste para completar su esquema clásico, basado en el conceptode lazo o bucle de control de realimentación, cuya presencia en los distintos niveles del controlautomático es normal, tal como aparece reflejado también en la figura 4.2. y cuya estructuratípica se muestra en la figura 4.3.

Fig. 4.3.- Estructura típica de un lazo de control en un proceso.

El significado de los bloques dibujados en esta última figura es:

- CAPTACIÓN: En control de procesos, esto equivale a captar la variable a través de unelemento de medida (sensor/transductor, instrumento de medida). La captación está normalmenteformada por componentes locales, es decir, próximos al lugar físico donde se producen los datosde interés.

- EVALUACIÓN: Consiste en atribuir la importancia adecuada a la captación hecha, deacuerdo con el algoritmo de control del proceso, es decir, por comparación entre la variable deproceso captada y el valor deseado o punto de consigna. A partir de aquí, se obtendrá una señalde corrección.

- ACTUACIÓN: Va dirigida al elemento final de control, siempre y cuando dichaactuación sea requerida. El elemento final o actuador estará en consonancia con el tipo deproceso a controlar: motor, válvula, calefactor, etc.

Tanto la evaluación como la actuación, suelen llevarse a cabo mediante los componentesde panel del sistema de control y que actualmente vienen integrados en un equipo informático,sirviendo la pantalla como elemento de presentación (evaluación) y el teclado/puntero comointroductor de órdenes de actuación. En muchas ocasiones la actuación como consecuencia deuna evaluación es proporcionada automáticamente por el ordenador situado en el nivelcorrespondiente dentro de la jerarquía del control automático del proceso (control distribuido,DCS).


4.1.2.- HISTORIA DEL CONTROL DE PROCESOS

El control de procesos ha evolucionado históricamente hacia la consecución de un gradode automatización lo más elevado posible. Así, todo lo comentado en el punto anterior, ha estadopresente a lo largo de la historia del control de procesos, siendo implementado en cada época deacuerdo a las tecnologías existentes. Hagamos un repaso a esta evolución histórica.

4.1.2.1.- Control Manual

Al principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador.El operador observaba lo que sucedía (una bajada de temperatura, por ejemplo) y hacía ajustes(manipular una válvula) basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimientoque el operador tenía del proceso (figura 4.4). Este “lazo de control” (proceso v sensor voperador v válvula v proceso) ilustra un concepto básico en el control de procesos.

Fig. 4.4.- Control manual: un lazo de control que incluye el proceso, un sensor, el operador y un elemento final de control (válvula).

Con el control manual, por tanto, sólo la adecuada reacción de un operadorexperimentado mediaba entre una evolución normal del proceso y otra errática. Además, unoperador sólo podrá observar y ajustar unas pocas variables del proceso, limitando lacomplejidad de 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 unproceso controlado manualmente puede requerir una ardua labor, ya que el operador está,normalmente, demasiado ocupado para escribir “tiras de números”. Por todo ello, los datosrecogidos manualmente pueden ser inexactos, incompletos y difíciles de usar.

4.1.2.2.- Controladores Locales

Un controlador local permite a un operador llevar el control de varios “lazos” delproceso. Como un regulador de la presión del gas doméstico, un controlador local usa la energíadel proceso o el aire comprimido de la planta para ajustar la posición de una válvula de controlo 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 puedemanejar, como se dijo antes, varios lazos de control puesto que su función sería más supervisora,ya que siempre tendrá una visión más amplia y menos exclusiva que el control manual. Por otrolado, como los controladores locales atacaban directamente al proceso, debían estar repartidosa través de la planta. Esta distribución de los controladores ocasionaba pérdidas de tiempo enajustes, que se hacían de forma aleatoria y con más frecuencia de la deseada. Además, loscontroladores locales no hacían nada para eliminar la necesidad de la captación de datosmanualmente y las limitaciones que esto suponía.

Por todo lo anterior, podemos concluir diciendo que los controladores locales permitíanel control de un mayor número de variables del proceso, pero no solucionaban los problemas queplanteaba el hecho de la presencia física del operario en los lugares y momentos necesarios parahacer muchas de las operaciones.

4.1.2.3.- Control Neumático Centralizado

El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente, permitieron unnotable avance en el control de procesos. Con ésta tecnología, las variables del proceso podíanser convertidas a señales neumáticas y transmitidas hacia controladores remotos. Se entraba enla confección de los denominados “circuitos neumáticos”.

Usando combinaciones de orificios, palancas, amortiguadores y otros dispositivosmecánicos complejos, un controlador neumático puede hacer cálculos elementales basados enel punto de consigna y el valor de la variable a controlar, ajustando el elemento final de controlconsecuentemente.

Con controladores neumáticos analógicos, un solo operador puede controlar un grupo devariables (múltiples lazos) desde una habitación de control remota. Los puntos de consigna sonfácilmente cambiados y un técnico en instrumentación puede ajustar cada controlador para queaplique adecuadamente el algoritmo de control. Pero la integración de varios lazos de controlrealimentados (cerrados) en un simple e interactivo sistema de control es difícil.

La interface operador-proceso mejora en el control neumático respecto del método decontroladores locales. Así, se introducen pantallas que ofrecen información relevante sobre elproceso. Al tener que observar el operador varias pantallas, el número y complejidad de lazosde control que uno solo puede controlar queda limitado.

Además, éste modelo de control ofrece demasiadas dificultades para permitir unarespuesta rápida ante un desajuste del proceso o para llevar a cabo frecuentes cambios en laestrategia operativa. Cambios en el control o en el proceso, reajuste manual de los controladoresy actualización de los conocimientos del operador. Los errores de juicio y la mala interpretaciónde las instrucciones son frecuentes.

Con variables de proceso convertidas a señales neumáticas, se pueden usar bandasperforadas para automatizar la recolección de datos. Sin embargo, la recolección de datos engrandes sistemas que proporcionaban información sobre muchas variables se ha de seguir


haciendo manualmente.

4.1.2.4.- Controladores Electrónicos de Lazo Simple

En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazandoa los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eranprecisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos.

De este modo, la interface para su manejo y control ofrece mejoras respecto de loscontroles neumáticos, además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado deéstos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto de aquellos.

4.1.2.5.- Control Centralizado por Ordenador. (Control Digital Directo, DDC)

Poco después de la introducción de los sistemas de control electrónicos analógicos ycomo consecuencia de la gran expansión que la electrónica estaba teniendo, fueron apareciendoordenadores digitales capaces de llevar a cabo el control de procesos, añadiendo a éstos toda laflexibilidad que da una máquina programable.

Un sistema basado en este modo de control, estaba estructurado en torno a un ordenadorcentral que recibe todas las entradas del proceso (variables), ejecuta los cálculos apropiados yproduce salidas que se dirigen hacia los actuadores o dispositivos finales de control (figura 4.5).Así, nació el llamado Control Digital Directo o DDC. El ordenador puede controlar un elevadonúmero de lazos y variables temporales, además de ejecutar estrategias de control. Un tecladoy un monitor acoplados directamente al ordenador proporcionan una interface del usuario(operador) con el proceso.

Fig. 4.5.- Control centralizado por ordenador.


La introducción de un ordenador 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 decontrol del proceso; ahora pueden ejercer labores de administración, ya que el ordenador puedetambién recibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras que optimicen laestrategia de producción, y que junto a las consignas propuestas por el consejo deadministración, establezcan los criterios básicos para dirigir la producción en el sentidoadecuado.

Fig. 4.6.- Componentes de un Control Digital Directo (DDC).


Aunque el modelo DDC ofrece múltiples beneficios y significa un paso adelante muyimportante en los sistemas de control, la “aglomeración de responsabilidades” que se producealrededor de un solo elemento (ordenador) acarrea desventajas que habrán de tenerse en cuenta.Un desglose de los componentes de un DDC es el mostrado en la figura 4.6, en la cual puedeverse que no existe una estructura jerárquica sino que se trata de una configuración en estrella,en la cual el ordenador es el elemento principal y las “ramas” están constituidas principalmentepor elementos de conexión y acondicionadores de señal.

El manejo de todas las comunicaciones y de las funciones de control para cada uno delos lazos del proceso, impone unas estrictas condiciones a la capacidad de procesamiento delordenador, así como a su velocidad. Si lo anterior fuese poco, el ordenador central tambiéndeberá adquirir otros datos, visualizarlos en pantallas, ejecutar software que permita optimizarlos esquemas y otras tareas más. Como consecuencia de todo ello el control centralizadomediante ordenador requiere un equipo grande que ofrezca el compromiso entre respuesta entiempo real (velocidad) y capacidad de almacenamiento (análisis off-line).

Si el ordenador central falla, la totalidad del proceso se viene abajo, de ahí que los DDCtengan un ordenador redundante que opera simultáneamente (en paralelo) con el principal. Deeste modo, si el principal falla el secundario toma el control. El costo adicional de este segundoordenador hace que el control centralizado sea excesivamente caro y no siempre sea la soluciónóptima en la automatización de procesos.

Finalmente, la ampliación de un sistema de control DDC suele resultar costosa, de ahíque inicialmente se debe instalar un equipo sobredimensionado, ya que de otro modo prontohabría que adquirirse un ordenador mayor. Además, cada una de las entradas y salidas que seañadan habrán de ser cableadas hasta el ordenador central, o como mínimo hasta un puntopróximo a él; a todo ello habría que unir el hecho de que el software deberá reescribirse paraincorporar estas ampliaciones/modificaciones.

4.1.2.6.- Control Supervisor

Para dotar a los sistemas con ordenador centralizado del nivel de seguridad adecuado yevitar que una “caída” de éste paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar muchas vecescontroladores analógicos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados para lavariable que debían controlar. Estos controladores son ahora los que realmente controlan elproceso, dejando al ordenador central la función de los cambios de puntos de consigna, es decir,el valor de referencia con el que se ha de comparar la variable controlada para mantenerlasiempre optimizada.

Esta combinación de actuaciones recibe el nombre de control supervisor o control depuntos de consigna (SPC, Set Point Control) y una estructura típica sería la ofrecida en la figura4.7, en la cual puede observarse como es en la parte más próxima al proceso donde se materializala principal diferencia con el DDC.


Fig. 4.7.- Componentes de un Control de puntos de consigna (SPC).

El estado de la variable a controlar llega ahora tanto al ordenador como al controladoranalógico, que además recibe la consigna adecuada en cada instante y que será calculada por elordenador. Si se presenta cualquier avería (especialmente en el ordenador) el controlador regulala variable del proceso con respecto al último punto de consigna que recibió del ordenadorcentral. Toda esta actuación local formaría el Lazo de Control, tal como se muestra en la figura4.7, y proporciona un cierto grado de autonomía al proceso respecto del control centralizado.

Aunque el SPC permite que el control básico del proceso continúe a pesar del posiblefallo del ordenador central, sigue necesitando una ampliación del cableado y un softwareadicional en caso de querer ampliar el número de entradas y/o salidas.


4.2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES Y ASPECTOS HISTÓRICOS DELCONTROL DISTRIBUIDO

El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas de control quese han expuesto en el punto anterior. Así, en los sistemas centralizados, ya clásicos, su potenciade tratamiento se concentra en un único elemento (el ordenador central), mientras que en elcontrol distribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en elespacio. Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados paraproporcionar las ventajas del control por ordenador pero con más seguridad y flexibilidad.

En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolucióndel problema del control electrónico de fábricas con gran número de lazos (variables), y teniendoen cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y la “fuerte inercia” dela industria a los cambios por otro, se llegó a las siguientes conclusiones generales:

a) Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconvenientede la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlarindividualmente un cierto número de variables, para así “distribuir” el riesgo del controlúnico.

b) Cada controlador digital debía ser “universal”, es decir, disponer de algoritmos decontrol seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones decontrol y dieran así versatilidad al sistema.

c) La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia los actuadores debía seren “tiempo real”, lo que obligaba a utilizar la tecnología más avanzada enmicroprocesadores.

d) Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo (que suministrandatos), los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de planta,se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial instaladoen la planta, con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de control.

e) El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituirá por uno o variosmonitores CRT, en los cuales, el operador con la ayuda del teclado/puntero deberáexaminar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sinperturbar el control de la planta y con la opción de cambiar cualquiera de lascaracterísticas de control de las variables de proceso.

Como resultado de estos esfuerzos, el primer Control Distribuido para la industriaapareció en noviembre de 1975, bajo el nombre de TDC 2000 y pertenecía a la casa Honeywell.

En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararsea la existente entre una máquina cuya configuración se hace mediante el cambio de cables y otradonde cualquier modificación se hace por software. En este aspecto el ordenador personal esun elemento fundamental, tanto a nivel de planta como en escalafones superiores y permite lavisualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de control, el


acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores.

Asociando todas las ideas que se han expresado hasta ahora en este punto, podemosobtener una primera aproximación de lo que sería un esquema básico que vincule los diferenteselementos que forman un control distribuido. Tal esquema podría ser el mostrado en la figura4.8 y cuya descripción de los componentes que lo forman pasamos a ver.

Fig. 4.8.- Estructura y componentes de un control distribuido básico.

- Controlador básico (Regulador digital)

Es un módulo estructurado en torno a un microprocesador que permite realizar controlesPID (Proporcional-Integral-Derivativo) y otros algoritmos de control basados en sumas,multiplicaciones, divisiones, relaciones, raíces cuadradas, contadores, etc. Un controlador básicopuede controlar varios lazos, es decir, puede estar “pendiente” de múltiples variables de formasimultánea y proporcionar un control sobre ellas.

Estos algoritmos pueden configurarse, y en caso de avería en las unidades de controlsuperiores, el control que ejercerá el regulador digital será el correspondiente al último algoritmoconfigurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de señal de entrada (lineal, exponencial,etc.), alarmas a generar, sensores a muestrear, etc. Como vemos, en este controlador básico seestablece ya el primer paso en la dotación de cierta autonomía a los diferentes elementos de uncontrol distribuido.

La red de comunicación externa suministra los datos necesarios que definen elcomportamiento del regulador. Estos datos externos junto a los propios del proceso se optimizan,obteniéndose los parámetros que se introducen en el algoritmo de regulación y que unidos a laconsigna (referencia), permitirán enviar al proceso la actualización correspondiente.


Normalmente la optimización suele ser un acondicionamiento de señal más o menoscomplejo: ADC/DAC, conversión V/F, variación de nivel, comparación, etc.

En la figura 4.9 podemos observar el diagrama de bloques que define la estructura internade un regulador digital y nos muestra su modo de funcionamiento.

Fig. 4.9.- Diagrama de bloques de un regulador digital o controlador básico.

- Controlador multifunción

Utiliza en su programación un lenguaje de alto nivel y permite controlar procesoscomplejos en los que el regulador digital básico no puede:

* Control de procesos por lotes o discontinuos (batch). Un ejemplo puede ser una cadenade dosificación en la que no se fabrica siempre el mismo producto y hay que estarvariando la consigna de los dosificadores de acuerdo al producto o receta que se estéfabricando en el momento.

* Control en tiempo real. La complejidad de las ecuaciones y la dinámica del proceso nopueden ser encomendadas a un controlador básico.

El controlador multifunción suele estar constituido por un equipo basado en un ordenadorpersonal con elevada capacidad operativa y de comunicación.


- Estación de trabajo del operador

Proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador deproceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de lainformación a cada uno de ellos se realiza mediante programas de operación. De este modo:

a) El operador de proceso ve en la pantalla/s un gráfico/s del proceso (o parte de él) quele interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas detendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesantes, obtenercopias en impresora de las tendencias o de los estados de alarma, etc.

b) El ingeniero de proceso puede editar los programas de control del proceso, construirlas representaciones en pantalla de partes del proceso, etc. Tendrá un acceso al procesomucho más “crítico” que el operador y su actuación será más puntual que la de éste.

c) El técnico de mantenimiento se dedicará desde la estación de trabajo,fundamentalmente, a diagnosticar y resolver problemas en los elementos de controldistribuido de la planta.

Todos los componentes del control distribuido están perfectamente comunicados entreellos, siendo ésta la clave para conseguir una elevada eficiencia global.

El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas de controlconvencionales. El sistema es redundante y limita las consecuencias de un fallo, manteniendoel control del sistema y mejorando la fiabilidad.

4.3.- SECCIONES Y NIVELES QUE FORMAN UN CONTROLDISTRIBUIDO

Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistemade control distribuido (DCS) consta de uno o más “niveles” de control, los cuales, estánvinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividady una elevada optimización en el uso de los recursos.

En la figura 4.10 se muestra la relación existente entre los diferentes niveles de un DCS,sobre los cuales sería interesante hacer la siguiente precisión: en su definición original (clásica)eran los niveles 1, 2 y 3 los que realmente formaban el DCS, estando el restante (4) másvinculado al sistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se habla decontrol distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de la figura 4.10, de ahí que setienda a utilizar cada vez más el nombre de sistemas de información total.

En los niveles inferiores de un control distribuido estarán aquellos elementos que estánen contacto con el proceso y, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el procesosuministra y que el DCS debe controlar.


Fig. 4.10.- Niveles, conexiones y elementos que intervienen en un sistema de control distribuido (DCS).

En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómataspueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis yoptimización de unidades (plantas o divisiones corporativas con cierto grado de autonomía) delproceso. La adición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integrar actividadesrelacionadas con una división o una planta, tal como compras, recepción de material, control deinventario, facturación, control de calidad y servicios al cliente o usuario.

Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de unsistemas de control centralizado, mientras conservan la flexibilidad, seguridad y rapidez derespuesta de los controladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallode cualquier componente de un DCS afecta sólo a una pequeña parte del proceso, si acaso. Porotro lado, si un elemento de un nivel superior falla, los controladores del NIVEL 1 continuaránel control del proceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la última laborencomendada (programada).

A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a lasentradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre loscontroladores y la interface del operador. Esta distribución física en varios niveles de controlpuede reducir significativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimientopueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso.

Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que haya de añadirsese comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lugar. Esta modularidadproporciona una significativa mejora de costes durante todas las fases de un plan deautomatización.


4.3.1.- ELEMENTOS QUE PARTICIPAN EN CADA NIVEL

Si bien hay una cierta difuminación en las fronteras que separan los distintos niveles deun DCS, todavía se pueden enclavar ciertos elementos o componentes en determinados niveles,pues son característicos de ellos. En todo caso, no se puede cerrar un nivel con los elementos quese van a incluir en cada uno de ellos en los siguientes párrafos, dejando siempre abierta laposibilidad de una nueva incorporación, reflejando de este modo el carácter abierto y flexibleque debe rodear a todo DCS.

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.

Para maximizar los beneficios de un DCS, en este nivel se utilizan sensores, actuadoresy módulos de E/S de los denominados “inteligentes” y que generalmente están basados enmicroprocesadores (regulación digital). Este tipo de elementos son muy flexibles, permitiendomodificar tanto el control como los cambios requeridos en el proceso, además de ofrecer unafácil ampliación en caso necesario. Inclusive, los módulos de E/S pueden manejar varios lazosde control, ejecutar algoritmos específicos, proporcionar alarmas, llevar a cabo secuenciaslógicas y algunos cálculos y estrategias de control altamente interactivas.

Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en elNIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por unlado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las ordenes recibidas desde el sistema decontrol, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductorese instrumental de campo y en el segundo los actuadores.

La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus de campo, bienmediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadores y sensores al resto del DCS sehará directamente al bus de comunicación o a los módulos de E/S, dependiendo de lasposibilidades de comunicación que posean. A su vez, los módulos de E/S pueden ser unidadesde pequeños autómatas, siendo estos los que integrarán las comunicaciones necesarias.

La instalación de todo lo relacionado con este nivel de control se lleva a cabo porpersonal altamente especializado, ya que el mismo elemento (sobre todo transductores yactuadores) unos centímetros adelante o atrás no mide o actúa con igual fidelidad. Estoscomponentes, sobre todo los transductores, son muy sensibles y precisan unas condiciones detrabajo muy definidas, por lo tanto es fundamental elegir el dispositivo adecuado para evitarmultitud de problemas “sin lógica aparente”.

NIVEL 2:Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la

interface de operaciones de cada uno de los procesos controlados.

La interface de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya queconstará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interface permite al operadorobservar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente siello es necesario. Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más

C.P.I. CONTROL DISTRIBUIDO 4.17

elevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de susfuncionalidades características. Por otro lado, los ordenadores irán equipados con tarjetas a modode interface, que permitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos “extraen” losdatos más significativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados(gateway o bridge) y los ponen a disposición de la interface de operaciones.

La interface de operaciones permite al operador ver datos del proceso en cualquierformato. Los formatos pueden incluir una visión global del estado del proceso, representacionesgráficas de los elementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado de alarmasy cualquier otro tipo de información. El operador usa el teclado/puntero para dirigir loscontroladores, requerir información del proceso, ejecutar estrategias de control y generarinformes de operación. Esta interface se ubica físicamente cerca del proceso o procesoscontrolados.

En este segundo nivel nos encontramos con las celdas o células, vinculadas a losdiferentes procesos (cada una a uno, normalmente) y en ellas se pueden producir los primerosdescartes de productos a raíz de las anomalías detectadas.

Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control y regulación enplanta. Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo (NIVEL 1) son cada vezmás sofisticados, arrebatando el campo a los controladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellosademás de incluir varios elementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital),posee una interface lo suficientemente potente como para comunicar directamente con nivelessuperiores. De hecho, la consola de operaciones del NIVEL 2 puede ser usada para interrogaro dirigir un controlador inteligente del NIVEL 1. Esta combinación de inteligencia, controladoresindependientes e interface de operador, proporciona la seguridad, velocidad, potencia yflexibilidad que es la esencia de un DCS.

NIVEL 3:Este nivel es el conocido como de mando de grupos y en él se sitúa la denominada en su

día “interface del ingeniero” y que hoy en día suele conocerse como “interface para el controlde la linea de producción”.

Esta interface (con cualquiera de sus nombres) de un DCS facilita la coordinación de lasdiferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda una área,permitiendo obtener una visón más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. Tambiénproporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta enmarcha del sistema.

Para mejorar la productividad, una “interface de ingeniero” deberá ser fácil de usar,rápida y eficiente. Menús de operaciones y bases de datos ayudan a mejorar el uso y laproductividad. De ahí que en este nivel se incluyan, sobre todo, ordenadores con software muyespecífico.

En este nivel se produce también un análisis pormenorizado de los datos generados enniveles inferiores y se producen los descartes definitivos. Además se aplican los criterios másexigentes de control de calidad y se planifica la producción a medio y corto plazo.


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 puedenplanificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivelse deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir,la logística de aprovisionamiento.

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 previsionesde 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 deproducción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados (diseño, I+D, etc), ademásde establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos.

Es un nivel con enfoques más mercantiles, por lo que no profundizaremos más en él ytan sólo añadiremos que los ordenadores en este nivel están especializados en gestión yalmacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicacióncorrespondiente a sus respectivas aplicaciones.

4.3.2.- COMUNICACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES NIVELES

Como se ha podido ver a lo largo de los puntos desarrollados hasta aquí, los sistemas decontrol distribuido (DCS) dependen de la comunicación entre los diferentes equipos ydispositivos, situados en muchos casos en varios niveles de control. Cualquier nivel debe sercapaz de interrogar y dirigir dispositivos de niveles inferiores y comunicarse eficazmente condispositivos situados al mismo o superior nivel. Con todo ello, lo que se pretende es dar la“sensación” de que todos los componentes de un DCS están conectados sobre una única vía decomunicación (figura 4.11), aunque en la realidad se haga uso de gateways que comunican losdistintos niveles y elementos.

Fig. 4.11.- El DCS debe aparecer como un conjunto de elementos perfectamente comunicados.

Un sistema de control distribuido no tiene por qué constar siempre de la estructura decuatro niveles comentada anteriormente, ya que su complejidad dependerá, esencialmente, delos procesos a controlar y de la complejidad de estos. El utilizar una o varias rutas de datos


(redes de comunicación industrial) va a estar condicionado por los aspectos comentadosanteriormente 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.

En todo caso, no debemos olvidar las ventajas de enlazar todos estos equipos en lo queconstituye un DCS (o también denominado a veces CIM, sistema de fabricación integrada) y queson, esencialmente, las siguientes:

A) Posibilidad de intercambio de información entre equipos y módulos electrónicos quecontrolan fases sucesivas de un mismo proceso global.

B) 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 alhumano. El sistema admite la observación y la intervención del operador humano enforma interactiva a través de un terminal con teclado y pantalla que sustituyen al yaobsoleto sinóptico.

C) Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas al controlde calidad, gestión, estadística u otros propósitos.

D) Facilidad de cambios, o lo que es lo mismo, flexibilidad de las células de fabricaciónpara adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos. Como ejemplotípico basta pensar en la industria del automóvil, sometida a una continua evolución demodelos y variantes. La poca facilidad de cambios haría cuestionar el nombre de “célulasflexibles” que se da a estas estructuras.

E) Posibilidad de utilizar lenguajes de alto nivel, que permitan tratar bajo un mismoentorno todas y cada una de las islas automatizadas, desde la fase de diseño (CAD/CAE)hasta la fase de explotación y gestión.

La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de comunicaciónpotente y robusto, a la vez que flexible, que permita integrar en él productos de cualquierfabricante, siempre que cumpla con alguno de los estándares abiertos. Aparte de los sistemas decomunicación específicamente industriales, las redes de área local tienen mucho que decir enéste sentido.

4.3.2.1.- Redes de Área Local en Aplicaciones Industriales

En cualquier sistema de automatización de la producción es imprescindible unintercambio de datos. En muchos casos, dicha comunicación es preciso realizarla siempre entrecomponentes de automatización con más o menos años a sus espaldas, y en la mayoría de loscasos de diferentes fabricantes.

La tendencia actual se encamina hacia una integración de la automatización de formaque, en ningún momento, los equipos que la componen sean considerados como islas deautomatización, sino que estén dotados de un poder de comunicación que revierta en laposibilidad de realizar análisis estadísticos de producción, horas de funcionamiento de cada una


de las máquinas, realización de mantenimientos preventivos, etc. Dicho de otra forma, hoy endía ya no se concibe un automatismo, por pequeño que sea, que no tenga como elementoadicional un PC o una pequeña pantalla en la cual se puedan visualizar los datos antesmencionados.

Si el número de elementos que forman la planta automatizada no es muy elevado,probablemente no sea aconsejable recurrir a una estructura de niveles como la correspondientea un sistema de control distribuido y, simplemente, con una sola vía de comunicación entre ellosbaste para conseguir óptimos resultados.

Pero, si hablamos de automatismos un poco más complejos y por tanto de plantasextensas y con elevado control electrónico, la tendencia vendrá dada por la famosa estructura deniveles de control distribuido (figura 4.10). En dicha estructura tenemos que los nivelessuperiores eran ocupados por los ordenadores y equipos de producción y dirección y los másbajos por los elementos de campo y aquellos módulos de E/S que realizarían los trabajos mássimples.

Pues bien, las LAN (Local Area Network) industriales intentan que la comunicación entretodos los niveles sea completa, es decir, que los puntos más altos puedan saber en todo momentoqué es lo que se está realizando en los puntos más bajos y, en caso necesario, poder dar ordeneshacia ellos, al ser posible sin la intervención de los “gateways”, en lo cual cada vez se avanzamás. Para ello es necesario una red única que recorra todos los niveles implicados.

En la figura 4.12 se muestra la solución aportada en éste sentido por la firma alemanaSiemens mediante su red Ethernet TCP/IP desarrollada para facilitar la interconexión tanto deequipos propios como de otros fabricantes dentro de los niveles superiores de un DCS.

Aunque importante, la solución para las comunicaciones de Siemens no es la única,existiendo otras que, aunque más localizadas, están funcionando en plantas con mucha entidad,tanto desde el punto de vista productivo como tecnológico, por lo que tienen su sitio propio enlas comunicaciones industriales. Tal es el caso del protocolo MAP (Manufacturing AutomationProtocol). Este protocolo para la automatización de la fabricación persigue, como EthernetIndustrial, la uniformidad de las comunicaciones en el máximo número de niveles posibles.

El MAP fue un primer intento de estandarización a nivel global impulsado por GeneralMotors, y que a la larga se convirtió en un modelo que han ido adoptando múltiples fabricantesde equipos de automatización. Las razones de esta iniciativa fueron que G.M. preveía (en losaños 80) que para finales de los 90 debía integrar en red unos 400.000 sistemas automáticos, máso menos dedicados, y que el coste de los gateways/bridge necesarios era, en muchos casos, delmismo orden de magnitud o superior al de los propios equipos o niveles que se deseaba unir.Dada la entidad y el poder de compra de la firma americana y de otras del sector que lesiguieron, muchos fabricantes de PLC, CNC y robots incorporaron el protocolo MAP a susproductos de gama alta, alcanzando rápidamente altos niveles de estandarización.


CNCPC/VME

VME/PCPLC DCS

ControladorArea

Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

Nivel de fábrica

Tiempos deciclo bus < 1000 ms

Nivel del celda


Nivel de campo

Tiempos de ciclo bus < 10 ms

CNCCNCPC/VMEPC/VME

VME/PCVME/PCPLCPLC DCSDCS

ControladorArea

ControladorArea

Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

Nivel de fábrica


Nivel del celda


Nivel de campo

Tiempos de ciclo bus < 10 ms

Fig. 4.12.- Estructura de comunicaciones entre los niveles de un DCS propuesta por SIEMENS.

Las características básicas de una red basada en el protocolo MAP son:

Enlace físico: Cable coaxial/UTP-STP/FOCodificación: Modulación banda anchaEstructura: Bus físico IEEE 802.4Velocidad: 10 - 50 - 100 Mbits/sProtocolo acceso: Paso de testigo (Token Passing Bus)

El MAP es un protocolo pensado para redes más o menos grandes, pero sobre todoLAN's, resultando excesivamente caro y complejo para aplicaciones de pequeña y medianaenvergadura, sobre todo para la interconexión de los pequeños controladores. En vista de estose creó un subjuego del protocolo totalmente compatible denominado MINIMAP pensado parala interconexión de elementos en los niveles inferiores, abaratando costes, ganando en “agilidad”y sin perder robustez y fiabilidad.

4.3.2.2.- Entradas y Salidas en el Nivel Inferior: Buses de Campo

Aunque existan protocolos como el MINIMAP que pretenden bajar el uso de la red localhasta los niveles inferiores de un sistema de control distribuido, no dejan de ser (sobre todo elMAP) protocolos que manejan grandes volúmenes de datos para la transmisión de ficheros y noresultan apropiados para trabajar en tiempo real, como lo exige el nivel de mando de lasmáquinas con tiempos de reacción muy cortos o en la utilización de transductores y actuadores.

Efectivamente, la LAN (MAP o MINIMAP, Ethernet, etc.) resulta un sistemaexcesivamente complejo y caro para los elementos de los niveles inferiores, cuyas exigencias decomunicación se centran, en la mayoría de los casos, en pequeñas tramas o incluso a nivel de bit


(cerrado/abierto, activo/no activo). Por tanto, para este tipo de elementos se requiere una red denivel inferior, con protocolo ágil, cableado fácil y barato y que permita enlazar periféricos debajo nivel a un control maestro. Este, a su vez, puede disponer de un interfaz de enlace con unaLAN y a través de ésta a redes WAN. Esta red local de nivel inferior se denomina bus de campo(fieldbus).

El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de laestructura de comunicaciones industriales. Está basado en procesadores simples y utiliza unprotocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Como veremos a continuación, este últimohecho no le resta la fiabilidad y posibilidades de expansión necesarias a este nivel, pues dehecho, los buses propuestos más recientemente contemplan la posible integración del bus a unaestructura de comunicaciones jerárquicamente superior y más potente, tal como se requiere, porejemplo, en los sistemas de control distribuido.

Antes de que apareciesen los buses de campo, la comunicación tradicional en este ámbitose basaba casi exclusivamente en tecnología de señal analógica de lazo de corriente 4-20mA conconexiones punto a punto, es decir cada elemento de campo se conectaba directamente a sucontrolador o terminal específico de éste. Así, una topología tradicional a nivel de campo podríapresentar un aspecto como el mostrado en la figura 4.13.

Fig. 4.13.- Topología de un sistema tradicional en el nivel de planta o proceso.

Sin embargo, la automatización del control de procesos ha generado unas necesidadesde comunicación entre equipos y sistemas que no pueden ser cubiertas satisfactoriamente porcomunicaciones del tipo 4-20mA o similares. Así, en un primer paso aparecen las uniones puntoa punto entre determinados equipos: autómatas, controladores, centrales de medida, etc. Estaforma de comunicación no se considera basada en bus de campo, ya que muchas de estas unionescarecen de protocolo y se basan simplemente en compartir ciertas áreas de memoria de loscitados equipos a través de lo que se denominan variables comunes. Así pues, la característicabásica para que una red de comunicación pueda denominarse propiamente bus de campo es quepermita intercambiar órdenes y datos entre productos de un mismo o de distintos fabricantes a


través de un protocolo reconocido por cada uno de los nodos.

Con la aparición de los buses de campo el esquema se simplifica considerablemente yel añadir un nuevo elemento de campo tan sólo supone efectuar una simple conexión a dicho bus,que normalmente estará próximo al citado elemento. Esto puede observarse en la figura 4.14.

Fig. 4.14.- Topología de un bus de campo (nivel de planta o proceso).

El bus de campo aporta a la estructura de comunicaciones de cualquier sistema de controlun amplio conjunto de ventajas:

* Reparto de la capacidad de proceso a nivel de planta, facilitando la comunicación dedatos entre dispositivos de elevada funcionalidad (autómatas, controladores, etc.)

* Un sistema digital de transmisión de señal que incrementa la seguridad y fiabilidad antepequeñas señales procedentes de transductores y que están sometidas al ruido eléctricotípico de los ambientes industriales.

* Una interface que unifica la heterogeneidad de dispositivos, bien por su naturaleza,bien por su procedencia. Una especificación de bus soportada por distintos fabricantes,permitirá la interconexión de sus equipos.

A las ventajas anteriores se pueden añadir otras que resultarán más o menos tangiblespara el usuario, pero que si el bus de campo es seleccionado correctamente para adecuarse a laaplicación, se manifestarán siempre de forma positiva, tanto en términos productivos como decostes:

* Reducción de la complejidad del sistema de control en términos de necesidades dehardware, ya que el número de controladores lógicos, autómatas, módulos de E/S, etc.se verá reducido, arrastrando ello una disminución de cuadros y montajes deinterconexión.


* Instalación y mantenimiento. Al reducirse los requerimientos de hardware también sereducen los costes y tiempos de instalación, mantenimiento y mano de obra. Afrontarnuevas instalaciones es mucho más rápido, sencillo y seguro, así como las tareas dediagnóstico y verificación de errores de conexión.

* Proyecto y diseño. Como consecuencia de la disminución de la complejidad del sistemade control, el proyecto y diseño resulta mucho más sencillo, rápido y barato,reduciéndose drásticamente el número de elementos que aparecen en los diagramas yesquemas: instrumentos, cajas de conexión y terminales, cableados, etc.

* Posteriores modificaciones, ampliaciones y rediseños se llevan a cabo con mayorfacilidad y economía.

* La selección de un bus de extendido reconocimiento y aceptación, permiteintercambiar equipos de planta entre catálogos de distintos suministradores, sinnecesidad de conocer cuestiones técnicas de bajo nivel, sobre todo referentes a conexióny compatibilidad.

* Los tiempos de mantenimiento y pérdidas de producción son reducidos, debido a laexistencia de procedimientos y herramientas de alto nivel para diagnóstico y búsquedade errores.

Bus de campo: definición y características generales

El bus de campo (fieldbus, en inglés) es la suma de un protocolo y una tecnología decomunicación cuyo resultado es una red industrial de carácter digital y que transportainformación, generalmente, en banda base. El protocolo, la corta longitud de los datos y lavelocidad de transmisión que alcanza (1 Mbit/s), le hace ideal para comunicar dispositivos yequipos de campo en tiempo real. Así, inicialmente era utilizado como medio de comunicaciónentre sensores, actuadores, controladores digitales básicos y autómatas de clase baja; pero debidoa la mejora en la velocidad de transmisión y la ínfima tasa de errores, el bus de campo ha pasadoa ser considerado como una red local en los entornos de planta, por lo que suele verse haciendofunciones que antes correspondían exclusivamente a las LAN (Local Area Network).

Dando por hecho que un bus de campo aporta a las comunicaciones industriales todo loanteriormente citado, se le debe exigir, además:

- Interconectividad: equipos de diferentes fabricantes pueden ser conectados físicamentea un mismo bus.

- Interoperabilidad: posibilidad de intercambiar con éxito información entre equipos dediferentes suministradores.

- Intercambiabilidad: equipos de cualquier procedencia pueden ser reemplazados porequipos funcionalmente equivalentes de otras procedencias.

El mínimo común denominador de estos tres requisitos será la interconectividad, pero

1El conjunto de todas estas tareas es lo que muchas veces se conoce en las redes locales como“protocolo”, aunque hay quien prefiere decir que el protocolo es esto más algunas funciones desarrolladas anivel de hardware.


por si sola no ofrecerá beneficios significativos. Si la interoperabilidad no puede ser lograda,la implementación del bus de campo carece de valor y es inútil. Aunque no debemos prescindirde la intercambiabilidad, ésta se establece más como una última meta y solo podrá ser logradasi las especificaciones del bus son completas, además de arbitrarse los pertinentes sistemas decomprobación y validación de los criterios anteriores.

El mejor aval para que un bus de campo cumpla con los requisitos anteriores será elrespeto a la estructura de niveles OSI (Open Systems Interconnection), que aunque pensada paraotros tipos de redes de más entidad, es perfectamente asumible por los protocolos de este tipode redes industriales.

Hasta el momento han sido varios los intentos de crear un estándar para el bus de campo,pretendiendo siempre conseguir un enlace multipunto entre elementos cuya principal finalidadson las tareas de control y que suelen tener una capacidad de comunicación limitada, por lo cualno permiten implementar un protocolo al estilo de las grandes redes. Todo ello no debe suponeruna perdida importante de velocidad, ni tampoco un incremento de precio y complejidad nojustificables.

Las característica generales más comunes de los buses de campo son las siguientes:

- Los estándares de comunicación a nivel de bus de campo suelen cubrir sólo una partedel modelo OSI, concretamente los niveles 1 (físico), 2 (enlace) y en algunos casos el 7(aplicación). El resto de niveles no son imprescindibles para una red de tipo muy local,donde los medios de conexión son de uso exclusivo y la estructura lógica es única. Sóloalgunas funciones que se podrían considerar propias de los niveles 3 (red) y 5 (sesión)se añaden a los niveles 2 y 7 para enlazarlos entre sí. (Figura 4.15)

- En general, las especificaciones de un determinado bus admiten más de un tipo deconexión física de entre las normalizadas. Sin embargo, la más común es un bussemiduplex, comunicación en bada base, tipo RS-485. Se encuentran también opcionesque trabajan con RS-422 y conexiones en bucle de corriente.

- Lo que realmente define el tipo de bus y le da nombre, son los dos grupos en que sedividen las tareas asignadas al nivel de enlace de datos1 del modelo OSI (nivel 2): MAC(Control de Acceso al Medio) y LLC (Control de Enlace Lógico). Dicho protocolo sueleincluir también un soporte, más o menos rudimentario, para la capa o nivel de aplicación(7), que consiste en la definición de una serie de funciones y servicios de la red mediantecódigos de operación estándar.

- El nivel de aplicación (7), dirigido al usuario, suele ser propio de cada fabricante,apoyándose en las funciones estándar antes mencionadas para crear programas de gestióny presentación casi siempre dedicados a una gama específica de productos. A lo sumo,el software de aplicación es abierto y permite la programación en un lenguaje estándar


para que cada usuario pueda configurar el nivel de presentación a su conveniencia,basándose en librerías estándar.

- Salvo rara excepción (BITBUS, por ejemplo), todos los buses de campo suelen utilizarcomunicación serie asíncrona, con un rango definido de velocidades que permitan acotarlos tiempos de repuesta (funcionalidades determinísticas).

- En la mayor parte de los buses de campo, el protocolo está previsto para gestionar unared con estructura lógica de tipo maestro-esclavo, donde el control de la red lo tienesiempre el maestro. Existen, sin embargo, algunos buses más recientes que proponen unaestructura con la posibilidad de maestro flotante o multimáster.

- Aunque la mayor parte del tráfico es periódico, gestionan el tráfico aperiódico de formamuy eficiente y su capacidad para gestionar mensajes está orientada a mensajes cortoso de pequeño tamaño.

- Poseen mecanismos de control de errores muy optimizados y redundancia para evitarfallos que dejen al bus fuera de servicio.

NIVEL 7

APLICACIÓN

Funciones y Librerías estándar.

Microprocesador / Microcontrolador.

NIVELES 3-6

NIVEL 2

ENLACE DE DATOS

LLC: Control de Enlace Lógico.

MAC: Control de Acceso al Medio

NIVEL 1

FÍSICOTipos de conectores, Niveles de tensión,Medios de transmisión, etc.

Fig.4.15.- El bus de campo según el modelo de niveles o capas ISO/OSI.

4.3.2.3.- Clasificación de los buses de campo

Al ser el control de procesos industriales un mercado que genera unas grandesexpectativas económicas, todos los fabricantes de equipos para este sector intentan acaparar untrozo de dicho mercado para, posteriormente, intentar mantenerlo e incrementarlo por (casi)cualquier medio. Precisamente una de las formas de evitar la pérdida de clientes es creando unsistema de comunicaciones propio en el entorno industrial, optimizado perfectamente para sus


equipos y prestando unos servicios excelentes: fiabilidad, rendimiento, etc. Todo lo anterior nossitúa ante un mercado con más de cien buses de campo, prácticamente incompatibles unos conotros, lo cual ha llevado a plantear la necesidad de crear un bus de campo estándar onormalizado. Para ello, un primer paso importante es clasificar los buses de campo enpropietarios y abiertos.

Los buses de campo propietarios reciben este nombre por ser propiedad intelectual deuna compañía particular, por lo cual no se puede hacer mucho con ellos a no ser que se adquierauna licencia, las cuales son controladas a discreción del propietario, sometidas a restriccionesde uso y a elevados pagos de derechos.

Los buses de campo abiertos se caracterizan por seguir criterios opuestos a los anteriores:

- Sus especificaciones completas deben estar publicadas y disponibles a preciosrazonables para cualquiera que desee adquirirlas.

- Sus componentes críticos deben estar disponibles en las mismas condiciones.

- Los procedimientos de validación y homologación deben estar bien definidos y abiertosa cualquiera.

Todo ello se traduce en un bus de campo que cualquiera puede utilizarlo o desarrollarproductos basados en él, a un coste y esfuerzo razonables.

Esta primera clasificación de los buses de campo ha sido tenida en cuenta por todosaquellos organismos que han realizado alguna vez el intento de crear un estándar. El más seriode estos intentos de normalización, por parte de un organismo internacional de reconocidoprestigio, ha sido el emprendido por el IEC (Comité Electrotécnico Internacional), cuyo comitéTC65C-WG6 ha definido unas reglas marco bastante genéricas, constituyendo esto un punto departida importante para acercarse al tan deseado estándar. Las condiciones fijadas como marcopor el IEC son las siguientes:

1.- Nivel físico. Bus serie controlado por un maestro, comunicación semiduplextrabajando en banda base.

2.- Velocidades. Dos alternativas: 1 Mbit/s para distancias cortas o valores inferiores,entre 250 Kbits/s a 64 Kbits/s, para distancias largas.

3.- Longitudes. Dos alternativas: 40 m para la máxima velocidad y 350 m paravelocidades más bajas.

4.- Número de periféricos. Máximo de 30 nodos, con posibles ramificaciones hasta unmáximo de 60 elementos.

5.- Tipo de cable. Pares de cables trenzados y pantalla (STP).

6.- Conectores. Bornes de tipo industrial o conectores tipo D9 o D25.


7.- Conexión/desconexión “on line”. La conexión y/o desconexión de algún nodo oderivación no debe interferir el tráfico de datos.

8.- Topología. Bus físico con posibles derivaciones hacia los nodos o periféricos.

9.- Longitud de ramificaciones. Máxima longitud de las derivaciones de 10 m.

10.- Aislamientos. 500 Vc.a. permanentes entre elementos de campo y bus. Tensión deprueba 1500 Vc.a./1 min.

11.- Seguridad intrínseca. Opción a conectar elementos de campo con tensionesreducidas para atmósferas explosivas.

12.- Alimentación. Opción de alimentar los elementos de campo a través del bus.

13.- Longitud de mensajes. Mínimo 16 bytes por mensaje

14.- Transmisión de mensajes. Posibilidad de dialogo entre cualquier par de nodos sinrepetidor. Esto no excluye, sin embargo, la posibilidad de que la comunicación se hagaa través de un maestro ni tampoco excluye el empleo de repetidores “transparentes” paraincrementar las distancias de transmisión.

15.- Maestro flotante. Posibilidad de maestro flotante entre diversos nodos.

16.- Implementación de protocolo. Los circuitos integrados que implementen elprotocolo deben estar disponibles comercialmente y ser de dominio público (noprotegidos por patentes de exclusividad).

Obsérvese que las especificaciones son bastante detallistas a nivel físico, pero deja muyabierto los niveles de enlace y aplicación (no se especifica la trama del mensaje ni las funcionesdisponibles), con lo cual y desde el punto de vista del usuario, es probable que dos nodos quecumplan las recomendaciones marco del IEC no puedan siquiera intercambiar caracteres entresí y casi seguro que no serán capaces de intercambiar información, a menos que la estación“maestra” ejerza las funciones de pasarela. Esto es algo parecido a lo que ocurre con dosdispositivos con sendos canales RS-232 que se intercambian bits a nivel físico, pero que sonincapaces cada uno de interpretar los mensajes del otro.

Las condiciones marco propuestas por el IEC admiten varios posibles candidatos a busde campo estándar. Hay que tener en cuenta además, que muchos buses comerciales disponiblesen la actualidad nacieron antes de la normativa IEC y, por tanto, no cumplen algunos de losrequisitos. Con estas consideraciones, el comité SP50 de ISA/IEC comenzó a elaborar lo que sepretendía que fuera el bus de campo estándar y que fuese siendo adoptado poco a poco por losprincipales fabricantes de equipos, sistemas y demás componentes orientados al control deprocesos, el Fieldbus. Sin embargo, aunque el número de equipos y usuarios de este pretendidoestándar ha aumentado en los últimos años, los resultados obtenidos están muy lejos de lopretendido, pues ninguno de los fabricantes de entidad ha evolucionado desde su propio bus decampo hacia el Fielbus, y lo que han hecho ha sido rediseñar parte de la línea de productos queya poseía para ofertarla con este nuevo bus de campo. El resultado es que se sigue estando ante


una auténtica “torre de Babel” en lo que se refiere a compatibilidad de productos a este nivel.

Atendiendo a esta última afirmación y para no quedarnos en una descripción vaga de losbuses de campo, hemos creído conveniente analizar aspectos variados de algunos de los queactualmente están más extendidos, procurando que no sean exclusivos de una sola marca. Elestudio lo hemos concretado en los siguientes: PROFIBUS, FIP, HART, Y FIELDBUS.

4.3.2.4.- Buses de Campo en el Mercado

Vamos a ofrecer en éste apartado una breve visión de los buses de campo másrepresentativos, bien por su volumen de implantación, bien por sus características y usosparticulares. Cada uno de ellos lo vamos a describir desde los aspectos que más le caracterizafrente a los demás: modos de trabajo, tipos de conexión, tratamiento de la información, etc.

4.3.2.4.1.- Profibus

Profibus (PROcess FIeld BUS) fue un proyecto conjunto financiado por el MinisterioFederal de Investigación y Tecnología de Alemania en el que participaron 18 empresas alemanaspara especificar, desarrollar y probar un nuevo bus de campo digital para instrumentos ydispositivos de control en el nivel más bajo de la jerarquía de automatización y control.

Sin embargo, hoy en día Profibus es un modelo de comunicación industrial de carácterinternacional, estando presente en multitud de plantas distribuidas por todo el mundo. Por ellose hace necesario una gestión eficaz y rigurosa de todo lo referente a este bus de campo. Sin dudaalguna, la entidad que más peso tiene para el desarrollo de éste estándar de comunicación esProfibus Internacional, que reúne a todas las asociaciones de usuarios de Profibus y haestablecido una certificación cualificada de los sistemas y equipos mediante un test deinteroperatividad. (interconectividad + interoperabilidad + intercambiabilidad). Todo productocertificado aparece en la guía de productos Profibus con su número de certificado.

Veamos a continuación los aspectos más destacados de Profibus repartidos en dosbloques: datos técnicos y perfiles de Profibus.

En el primero de ellos veremos de forma esquemática un resumen de los aspectos mástangibles del bus, los métodos de acceso y las técnicas de transmisión que se utilizan. En elsegundo bloque nos dedicaremos a conocer los diferentes perfiles que éste sistema decomunicación ha desarrollado con la finalidad de dar cobertura a todas las necesidades que elcontrol en planta exige: Profibus FMS, Profibus DP y Profibus PA.

Datos técnicos, métodos de acceso y técnicas de transmisión en Profibus.

En los datos técnicos podemos observar la versatilidad de Profibus y el abanico deposibilidades que cubre para adaptarse a las necesidades de la comunicación industrial.


Estándar PROFIBUS según EN 50 170

Método de acceso Paso por testigo con maestro-esclavo

Velocidad de transmisión 9.6 kbit/s - 12 Mbit/s

Medio de transmisión eléctrico: cable de dos hilos apantallado óptico: cables de FO (cristal y plástico)

sin hilos: infrarrojos

Máx. nº de nodos 127

Tamaño de la red eléctrica: máx. 9.6 km (depende de velocidad)óptica: 150 km (depende de velocidad)

Topologías Bus, árbol, estrella, anillo, anillo redundante

Aplicaciones Comunicación de proceso, campo o datos

Datos técnicos de PROFIBUS

Método de acceso al bus

PROFIBUS

Estaciones activas, equi.maestros

Estaciones pasivas, los esclavos son consultados

PLCPLCPC

Fig.4.16.- Esquema que muestra los dos métodos de acceso al medio de Profibus.

En el método de acceso podemos distinguir entre dos casos: en el primero, mediantetramas especiales (testigos) en el bus, las estaciones tipo master se van pasando el turno deocupación de éste, por lo que entre ellas se forma un anillo lógico, ya que físicamente latopología es siempre en bus. El segundo caso es cuando una estación principal o master se hacecon el bus. Durante este tiempo, se encargará de consultar a sus estaciones esclavas a la máximavelocidad posible.


Técnicas de transmisiónPROFIBUS, RS 485

Transmisión asíncrona NRZ según RS 485Velocidad desde 9.6 kBit/s hasta 12 MBit/s seleccionable en escalonesCable de par trenzado y apantallado (9,6 Km) o FO (aprox. 150 Km)32 estaciones por segmento, máx. 127 estaciones permitidasDistancia: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 mDistancia ampliable mediante repetidores hasta 10 km (caso de cable)Conectores sub-D de 9 pines

PROFIBUS PA, IEC 1158-2Codificación síncrona Manchester, 31.25 kBit/s en corrienteCable de par trenzado apantallado o sin apantallarDistancia hasta 1.900 m por segmento, ampliable mediante repetidoresmáx. 127 estaciones (sin Enlace DP/PA), 10-32 por segmento (dependiendo deque sean zonas clasificadas y el consumo)

Perfiles de Profibus

Profibus nos ofrece tres perfiles, cada uno de ellos adaptado a unas necesidades concretasde comunicación en la planta. Así, tenemos:

‘ Para tareas universales de comunicación: Profibus-FMS< Comunicaciones Multimaster< Amplia gama de comunicaciones

‘ Para intercambio de datos rápido y cíclico: Profibus-DP< Plug & Play< Eficiente y rentable

‘ Para automatización de procesos en áreas con riesgo de explosión: Profibus-PA< Alimentación vía bus< Seguridad intrínseca

Cada uno de los perfiles anteriores se estructura según la pila de protocolos OSI y estánsoportados en el estándar EN 50170, excepto el nivel (no OSI) de usuario, el cual es específicodel protocolo, con el fin de aprovechar al máximo sus prestaciones. La arquitectura de cada unode los perfiles se muestra en la siguiente figura 4.17.


Arquitectura del protocolo

Perfiles PAFMS

DeviceProfiles

IEC Interface*

FMS

IEC 1158-2

Usuario

Niv

el

(3)-(6)

Aplicación(7)

Enlace(2)

Físico(1)

No usado

PA

EN 50 170 Perfiles PROFIBUS

DP

DP-Extensiones

Fieldbus Data Link (FDL)

Fieldbus MessageSpecification (FMS)

Perfiles DP

RS-485 / Fiber óptica

Funciones básicas DP

Un sistema típico de PROFIBUS-FMSestá compuesto por varios equipos de automatización inteligentes:

PC PLC como sistema de control Terminales de operador inteligentes

Configuración PROFIBUS-FMS

Fig.4.17.- Perfiles de Profibus según la pila de protocolos OSI.

A continuación se ofrecen distintas figuras que muestran las configuraciones básicas delas redes Profibus, de acuerdo con los perfiles comentados anteriormente, pudiéndose observarlos elementos o equipos típicos que suelen formar parte de ellas.

Fig.4.18.- Configuración típica de una red Profibus-FMS.


MaestroUn sistema típico PROFIBUS-DP consiste en:

Un PLC o PC como sistema de control Varios dispositivos E/S como:

E/S digitales o analógicas Accionamientos AC o DC Válvulas magnéticas o neumáticas

Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo

Configuración PROFIBUS-DP

Configuración PROFIBUS-PA

"SpliTConnect como hub"

SegmentoPROFIBUS-PA

DP/PA Link

24 V

εx+

PROFIBUS-DP

"SpliTConnectconresistencia decierre"

Fig.4.19.- Configuración típica de una red Profibus-DP.

Fig.4.20.- Configuración típica de una red Profibus-PA.

Aunque con las figuras y comentarios que se han dado a lo largo de este punto podría sersuficiente para saber el posicionamiento y uso de los distintos perfiles de Profibus, acontinuación se ofrece un cuadro que nos muestra, de forma resumida, los parámetros máscaracterísticos de estos.


PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

Aplicación Nivel de célula Nivel de campo Nivel de campo

Estándar EN 50 170/IEC 61158 EN 50 170 /IEC 61158 IEC 1158-2

Dispositivos PLC, PG/PC, PLC, PG/PC, Dispositivos de campoconectables Dispositivos de Dispositivos de campo para áreas con riesgo de

campo binarios y analógicos, explosión y 31.25 kbit/saccionamientos, OPs

Tiemp. respuest. < 60 ms 1 - 5 ms < 60 ms

Tamaño red <= 150 km <= 150 km Máx. 1.9 km

Velocidad 9.6 kbit/s - 9.6 kbit/s - 31.25 kbit/s12 Mbit/s 12 Mbit/s

Fig.4.21.- Resumen de las prestaciones básicas de los tres perfiles Profibus.

4.3.2.4.2.- WorldFIP

En 1985, bajo la coordinación del Ministerio de Investigaciones Francés, un grupo deusuarios publicó un documento describiendo una visión de las necesidades futuras deinterconexión de dispositivos en plantas tanto de proceso continuo como discreto (por lotes), quefue la base conceptual sobre la que se desarrolló posteriormente el protocolo FIP (FactoryInformation Protocol). El resultado de dichos trabajos adoptó la forma de estándar nacionalfrancés, quedando registrado en las normas NFC-46-601/2/3/4/5/6/7, siendo reemplazadasposteriormente por el estándar europeo WorldFIP EN 50170, volumen 3. La diferenciafundamental entre el nuevo estándar europeo y el francés es la adopción, por parte del primero,del estándar internacional IEC 1158-2 para el nivel físico. Esto va a permitir la migración deWorldFIP al estándar internacional FF (Fieldbus Foundation), o sea, al tan pretendido bus decampo estándar y unificado.

WorldFIP es un protocolo diseñado para enlazar dispositivos de bajo nivel (sensores,actuadores) con dispositivos de más alto nivel (PLC’s, controladores industriales, etc) ensistemas de automatización en los que se pretende un control distribuido de los procesos.Además se puede utilizar con diferentes tipos de arquitecturas: centralizada, descentralizada(síncrona o asíncrona) o maestro-esclavo. WorldFIP permite, igualmente, distribuir lainteligencia, el control y los datos entre las distintas unidades presentes en la red, es decir, unalgoritmo puede estar ubicado en una única unidad de procesamiento, o distribuirse entre varias.Esto es posible gracias al mecanismo de distribución de datos de WorldFIP, que garantiza laconsistencia espacial y temporal de los mismos.

Debido al manejo simultáneo de información crítica y no crítica, la red WorldFIP utilizaun protocolo determinista, el cual garantiza al usuario que cada bloque de información setransmitirá en un intervalo de tiempo predeterminado.


AArbitraje del Bus

ID_DAT_A

Esta

ción

Esta

ción

Esta

ción

Esta

ción

Est

ació

n

1 2 3 4 5PRODUCTORCONSUMIDOR

CONSUMIDOR

CONSUMIDOR

Modo de Operación de WorldFIP

En WorldFIP, una red está formada por estaciones con dos tipos de funcionalidad. Unade ellas es la función de arbitraje del bus, que se encarga de gestionar el acceso al medio detransmisión. La otra es la función de productor-consumidor.

Cualquier estación WorldFIP puede realizar simultáneamente estas dos funciones; peroen un instante de tiempo dado, sólo una única estación puede estar realizando la función dearbitraje del bus. La estación que arbitra el bus dispone de una tabla que contiene una lista deidentificadores que circula a través del bus: es la denominada tabla de arbitraje del bus queveremos posteriormente.

El trabajo de la estación que arbitra el bus es relativamente simple. Utiliza la petición deconsulta ID_DAT para difundir sobre el bus el nombre de un identificador (en la figura 4.22, A).Esta consulta se registra simultáneamente por todos los niveles de enlace de datos de todas lasestaciones conectadas en el bus. Una y sólo una de dichas estaciones se reconoce a sí mismacomo la productora de dicho identificador (estación 5). Por el contrario, una o más del resto delas estaciones, entre ellas la que arbitra el bus, reconoce que son consumidoras de la variable encuestión (figura 4.22).

Fig.4.22.- Petición de consulta lanzada al bus por el árbitro. La estación 5 se reconoce como productora delidentificador (ID_DAT_A).

El productor de la variable (estación 5) difunde entonces el valor del identificadormediante una respuesta del tipo RP_DAT. Este valor se captura simultáneamente por todas lasestaciones consumidoras del identificador A. En la figura 4.23 dichas estaciones son la 1, 3 y elárbitro del bus. La estación encargada del arbitraje realiza, de nuevo, el mismo procedimientocon el siguiente identificador de la tabla de rastreo, iniciándose de nuevo el ciclo decomunicación ya comentado.

Una ventaja que añade este sistema productor-consumidor es que cuando se conectennuevas estaciones consumidoras al bus, no se necesita un tiempo adicional para suministrardichas variables a las nuevas estaciones.

El árbitro del bus es el “director de la orquesta” formada por los elementos enganchadosa la red. Cuando se configura el sistema, se define en el árbitro del bus la lista de variables adifundir y las periodicidades asociadas con cada una de ellas. A partir de esta información se


Arbitraje del Bus

RP_DAT_A

Esta

ción

Esta

ción

Esta

ción

Esta

ción

Est

ació

n

1 2 3 4 5

PRODUCTORCONSUMIDOR

CONSUMIDOR

CONSUMIDOR

confeccionan las tablas de arbitraje. Si esta configuración se valida correctamente y se respetanlas restricciones de tiempo para el intercambio de las variables listadas, el árbitro del bus repiteindefinidamente el mecanismo descrito anteriormente (figuras 4.22 y 4.23). Esta es una de laslabores más delicadas en la planificación del sistema.

Fig. 4.23.- Respuesta enviada por el productor y capturada por los consumidores.

El rastreo de una variable es determinista, es decir, WorldFIP garantiza que una variablecon una periodicidad dada se rastrea en el instante adecuado. Para ello, se deben conocer de cadavariable aspectos temporales tales como:

< Periodicidad: Tiempo máximo que debe transcurrir entre dos rastreosconsecutivos de una variable. Normalmente se da en milisegundos.

< Tiempo total necesario para realizar una transmisión elemental: nº de bits dela trama, multiplicado por el tiempo de duración de un bit, teniendo en cuenta lavelocidad de transmisión del medio (normalmente 1Mbit/s). Su valor se da en:segundos.

La figura 4.24 muestra una posible distribución en el tiempo de los identificadores a, b,c y d, en función de la frecuencia de llamada.

Cada periodo de tiempo constituye un ciclo elemental. En el primer ciclo elemental, elárbitro del bus rastrea todas las variables, mientras que en el segundo sólo lo hace con la variablea. Un macrociclo consiste en la yuxtaposición de ciclos elementales. El número de cicloselementales que forman un macrociclo se obtiene dividiendo el mínimo común múltiplo de lasperiodicidades entre el máximo común divisor de estas. Por ejemplo, si asignamos unos valoresde periodicidad (en milisegundos), tales como: a = 5, b = 10, c = 15 y d = 20, tendremos un mcm= 60 y un MCD = 5, por lo que su cociente nos dará 12, siendo ese el número de cicloselementales que componen el macrociclo.

El ejemplo anterior también nos dice que entre el inicio de dos ciclos elementalesconsecutivos, no deberá transcurrir más de 5ms, ya que esa es la menor de las periodicidades.

El tiempo asignado a un ciclo elemental en WorldFIP, se debe repartir entre los tres tiposde tráfico que el árbitro puede ejecutar sobre el bus:

2Debemos entender que llamar a una variable puede suponer tanto conocer su valor (temperatura) comoactuar sobre el elemento que la “contiene” (apertura de una válvula, giro de un motor, etc.).


- Tráfico cíclico o periódico: es el más simple y eficiente y su modo de operación hasido comentado anteriormente con detalle. Recordemos que en este ciclo el árbitro llamaconsecutivamente a una serie de variables por su nombre2 (identificador), de acuerdo con unorden preasignado en la tabla de rastreo. Pueden existir varias tablas e ir cambiando de una aotra. Esto resulta de gran utilidad, por ejemplo, en procesos batch multifórmula.

- Tráfico aperiódico para las variables de proceso: en este tipo de tráfico, el árbitrollama a diversas variables que le han sido previamente solicitadas por un consumidordeterminado en una operación anterior. En su momento, el árbitro pondrá dichas variables adisposición de los receptores pertinentes, previa solicitud al productor.

- Tráfico aperiódico para mensajes: este es un caso sensiblemente excepcional conrelación a los dos anteriores. Cuando una estación desea transmitir un determinado mensaje auna o varias estaciones, el árbitro le concede un derecho de emisión, con lo que, en un espaciode tiempo del ciclo elemental, puede proceder a ejecutar la operación de transmisión. Al finalizareste derecho, una trama de finalización le comunica al árbitro que tome de nuevo el mando delbus. Ejemplos representativos de este tráfico podrían ser un mensaje para el operador que estáen una estación de trabajo, la carga de un programa de autómata programable en su memoria (elautómata solicita a un PC dicho programa) o la parametrización íntegra de un sensor inteligente(se han anulado los parámetros anteriores, voluntaria o involuntariamente).

Fig. 4.24.- Llamada (rastreo) y distribución en el tiempo de los identificadores en World FIP.


Tal como queda reflejado en la figura 4.24, el tráfico aperiódico deberá adaptarse siempreal tiempo del ciclo elemental que quede, una vez finalizado el tráfico periódico o cíclico.

Para finalizar el apartado dedicado a éste bus de campo, se ofrece un resumen de susaspectos técnicos más relevantes.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

ORGANISMO CREADOR / PROPIETARIO DEL BUS Club WorldFIP

AÑO DE INTRODUCCIÓN 1985, 1988

TIPOS DE APLICACIÓN Enlace de dispositivos de bajo nivel con dispositivos demás alto nivel en sistemas de control distribuido

A DESTACAR Protocolo abierto y diversos fabricantes de chips.Acuerdo con FF para la migración a IEC.

REDUNDANCIA Admite redundancia en el canal de transmisión y en laestación que arbitra el bus

SEGURIDAD INTRÍNSECA No. Alimentación y señal por pares independientes.Fiabilidad elevada ante EMI

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

TOPOLOGÍA DE RED Bus (a árbol)

MEDIO FÍSICO Par trenzado y apantallado. Fibra óptica

Nº MÁXIMO DE NODOS 256: 64 nodos por segmento y un máximo de 4 segmentos mediante eluso de repetidores

LONGITUD MÁXIMA DEL BUS750 m/segmento a 1Mbit/s, 1900 m/segmento a 31'25 Kbits/s y 500m/segmento a 2'5 Mbits/s. Hasta 3'75 Km en total, conectando unmáximo de 4 repetidores.

INTERFACE ELÉCTRICA Compatible FF, según IEC 1158-2

MECANISMOS DE TRANSPORTE

MÉTODOS DE COMUNICACIÓNPunto a punto, productor/distribuidor/consumidor con gestiónmediante polling centralizado y redundante mediante intercambioperiódico y aperiódico de variables y mensajes, o, conducido poreventos

PROPIEDADES DE LA TRANSMISIÓN31'25 Kbits/s, 1Mbit/s, 2'5 Mbits/s Sobre par trenzado concodificación Manchester5 Mbits/s Sobre fibra óptica

TAMAÑO DEL PAQUETE DE DATOS Variables de hasta 128 bytes y mensajes de hasta 256 bytes. Hasta64000 identificadores de mensajes y variables

MÉTODO DE ARBITRAJECentralizado. Mensajes punto a punto o multipunto, mediantedireccionamiento de 24 bits (segmento y nodo de destino).Identificadores de variables de 16 bits

DIAGNÓSTICOS Para comprobar: Mensaje caducado, intento de monopolizar la redpor parte de un nodo y validación de variables


TEMPORIZACIÓN Y CONTROL DE ERRORES

CONTROL DE ERRORES CRC de 16 bits. Detección de un error en el busredundante

TIEMPO DE CICLO: 256 señales discretas (16 nodoscon 16 E/S) 2 ms a 1 Mbit/s

TIEMPO DE CICLO: 128 señales analógicas (16nodos con 8 E/S)

5 ms a 1 Mbit/s

TRANSFERENCIA DE UN BLOQUE DE 128 BYTES 5 ms a 1 Mbit/s

4.3.2.4.3.- Hart

El bus de campo, en cualquiera de sus estándares actuales, ofrece interesantísimasperspectivas. Sin embargo, el modo de operación y la implantación que tienen algunos de ellosles augura una larga vida y una estimable aportación a lo que podría ser un bus de campoestándar. Entre estos, probablemente, estará el protocolo o bus de campo HART (HighwayAddressable Remote Transducer).

Este protocolo nace con la idea de compatibilizar modelos tradicionales en lacomunicación de campo (4÷20mA) con modelos más actualizados que permiten llevar a caboun control distribuido de los procesos, es decir, buses de campo. Así, aun sabiendo que estosofrecen las máximas perspectivas en el futuro, los usuarios de numerosas plantas que todavíautilizan señales analógicas 4÷20mA no contemplan la posibilidad de grandes cambiosestructurales, o bien, los harán paulatinamente, sin prisas.

Ante esta situación y sin perder de vista que el futuro pasa por el control distribuido anivel de campo, los usuarios se preguntan: ¿cómo podrían aprovecharse las ventajas de lacomunicación digital (bus de campo) sin renunciar bruscamente al modelo analógico?. Larespuesta la dio en su momento (1986) Rosemount con el protocolo Hart. Éste es un protocoloque permite la utilización simultánea e independiente de la comunicación digital con laanalógica convencional, sustituyendo los instrumentos de medida y control convencionales porlos inteligentes tipo Hart (denominados por Rosemount, Smart), tal como se aprecia en la figura4.25.

De este modo se obtienen importantes beneficios:

‘ Se mantienen las estrategias de control actuales y los lazos de controlconvencionales (generalmente 4÷20mA). Esto último permite mantener elcableado existente.

‘ La información digital adicional transmitida a través de este protocolo: variablesmedidas, rango del instrumento, información del producto, diagnosis, etc., sepuede utilizar durante las fases de instalación, calibración, mantenimiento yoperación.


Fig. 4.25.- Protocolo Hart: permite trabajar con señales analógicas y digitales simultáneamente.

Supongamos el siguiente caso:

Una planta tiene un medidor de presión analógico conectado mediante un par de hilosa “su” controlador (también analógico). En un instante determinado se toma la decisión deactualizar el control electrónico de la planta, empezando por los transductores, por lo que elmedidor de presión analógico se cambia por uno tipo smart. Este nuevo medidor seguirácomunicándose con el controlador analógico mediante 4-20mA pero ahora tendremos dosventajas añadidas:

- Mediante un terminal de mano “enganchado” al bus Hart y de forma digital podremoscomunicarnos con el transmisor smart sin interferir en el controlador analógico (ni enel proceso general). Figura 4.26.

- En un futuro se podrá cambiar el controlador analógico por otro digital o mixto(compatible Hart), con el aumento de posibilidades que ello implica.


Fig. 4.26.- El terminal portátil Hart permite un total control y supervisión del bus, independientemente del tipo decontrolador.

Cuando la planta esté automatizada plenamente, no se necesitará un controlador por“lazo”, sino que un solo controlador digital será capaz de proporcionar el control necesario paravarios dispositivos de campo tipo smart. Con todo ello nos podríamos encontrar con una nuevaestructura, figura 4.27, que alcanza máximos niveles de fiabilidad, flexibilidad y capacidad deprocesamiento.

Fig. 4.27.- Estructura altamente automatizada con protocolo Hart en el nivel de campo.


20mA

4mAt

Señal Analógica

Señal con informaciónDigital

“1”

“0”

Señales eléctricas y modos de operación en el protocolo Hart

Tal como se ha dicho anteriormente, el protocolo Hart conserva el estándar 4-20mAcomo señal para el control de procesos, añadiendo simultáneamente la posibilidad de transmitirdatos digitales sobre el proceso.

La comunicación digital se lleva a cabo sobre el mismo lazo analógico (figura 4.28), sinverse alterada ninguna de las señales que conjuntamente “viajan” por el par de hilos Hart. Estopermite mantener la rapidez de comunicación que proporciona la señal analógica en un controlde procesos, a la vez que da acceso al usuario a una extensa variedad de diagnósticos digitalese información de mantenimiento sobre los equipos vinculados al bus (protocolo) Hart.

Fig.4.28.- Señales eléctricas presentes en el bus Hart. Simultaneidad de ambas. La representación no está hecha aescala

¿Cómo se puede mantener la compatibilidad analógico-digital sobre un mismo par dehilos?

El protocolo Hart utiliza para la comunicación digital la transmisión de “1” y “0”mediante la técnica FSK (Frecuency Shift Keying, codificación por desplazamiento enfrecuencia), compatible además con el estándar Bell 202.

Tal como puede observarse en la figura 4.29, cuando se desea transmitir un cero lógico,se envía durante el tiempo prefijado una señal senoidal de valor 2’2 KHz y cuando la transmisiónse corresponde con un uno lógico la frecuencia de la señal senoidal es de 1’2 KHz. En amboscasos el valor medio de las señales senoidales es cero por lo que no añaden componente continuaa la señal analógica 4-20mA, pudiéndose hablar de verdadera comunicación simultánea sininterrupción de la señal que informa sobre el proceso (variable de proceso).

Con todo lo expuesto sobre la compatibilidad de señales en el protocolo Hart, podemoshablar de que los instrumentos compatibles con este bus de campo pueden operar en dos modos:


Fig. 4.29.- Señales eléctricas presentes en el bus Hart. El valor medio de la señal digital es siempre cero y por tanto noafecta a la señal analógica.

- Modo híbrido o Comunicación punto a punto: por el bus “circulan” datos analógicosy digitales combinados. Tal es el caso mostrado en la figura 4.30, en la que podemos distinguirlos siguientes elementos:

* Smart Device: transmisor inteligente enviando el valor de la variable medida,en este caso, en modo analógico (4-20mA) al Control System.

* Pantalla: visualizador actuando en modo digital.* Hand-held Communicator: terminal de mano inteligente trabajando en modo

digital que permite conocer variables del proceso, hacer la calibración de dispositivossmart, almacenar datos tanto en los instrumentos como en el propio terminal de mano,etc.

* Control System: es la unidad central que junto a su terminal controla el busHart; ejerce de maestro primario.

* Gateway-Computer: además de los elementos descritos, se puede conectar otroequipo de proceso y/o control con un protocolo de comunicaciones diferente al Hart o,simplemente, integrar este nivel de información con otro de superior nivel. En estos casosse utilizaría una pasarela de comunicación o Gateway que proporcionaría el cambio deprotocolo entre ambos lados de la comunicación. El Gateway básico viene implementadosobre una tarjeta para slot PC.

Por último para el modo híbrido, señalar que pueden estar actuando dos dispositivosmáster (primario y secundario) en el bus Hart. Así, en la figura 4.30 el Control System (maestroprimario) y el Hand-held Communicator (maestro secundario) pueden comunicarse con eldispositivo de campo (Smart Device).


Fig. 4.30.- El protocolo Hart funcionando en el modo híbrido: comunicación analógica y digital.

- Modo digital: este modo, también denominado multidrop o comunicación multipunto,permite la conexión de hasta 15 dispositivos smart en un solo bus (par de hilos).

Con el protocolo Hart, varios dispositivos pueden conectarse en red mediante una simplelínea de comunicación, tal como muestra la figura 4.31. Este modo de trabajo está especialmenterecomendado para aplicaciones de monitorización remota. Puesto que el protocolo Hart usa elsistema de comunicación Bell 202 (estándar para modem), permite a los dispositivos smartoperar sobre líneas telefónicas (normalmente alquiladas). Así, dichos dispositivos pueden serconectados directamente a la línea alquilada y comunicarse con un punto central situado adecenas o cientos de kilómetros. En este caso sólo sería necesario una fuente de alimentaciónlocal, sin más accesorios o elementos de comunicación que los modem que permiten el accesoa las líneas telefónicas. En este modo de actuación se pueden conectar a la red (telefónica)cualquier número de dispositivos compatibles Hart. Sin embargo, la mayor parte de los paíseseuropeos no permiten la transmisión de señales Bell 202 a través de sus líneas.

Cuando se utiliza una sola fuente de alimentación para varios dispositivos smart, elnúmero de éstos queda limitado a 15.

En una red punto a punto (dos únicos elementos conectados directamente) se usa elnúmero cero para interrogar al dispositivo smart. En una red multidrop la dirección para“interrogar” (polling) a un dispositivo smart será siempre un número mayor que cero. Alaparecer la dirección de un elemento sobre el bus Hart, dicho elemento sitúa su salida analógicaa 4mA (el mínimo valor analógico) y establece la comunicación digital solicitada por elcontrolador principal (master).


MAESTRO

MODEM

RTC CONVERSOR2-4 HILOS

5 F

R=600

FUENTE DEALIMENTACIÓN

24 V- +

DISPOSITIVO

DISPOSITIVO

ESCLAVO

ESCLAVO

Ω

:

Por último, para finalizar estas anotaciones sobre el protocolo Hart, diremos que dichoprotocolo permite dos modos de comunicación digital: pregunta/respuesta y burst. Ambos modosproporcionan un acceso similar, tanto a la información de mantenimiento como a la propia delproceso. En el modo pregunta/respuesta el master requiere información del dispositivo smart.En el modo burst (o broadcast) el dispositivo de campo transmite continuamente datos sobre elproceso, sin necesidad de que el máster envíe mensajes de requerimiento. El modo burst nopuede ser usado en redes multidrop, ya que ello supondría dedicar la línea de comunicación paraun dispositivo durante un tiempo excesivo, lo cual puede provocar la inanición del resto dedispositivos.

Fig. 4.31.- El protocolo Hart permite derivaciones múltiples para varios dispositivos smart en el modo digital (multidrop).

Como en casos anteriores, vamos a finalizar el apartado dedicado a Hart con unoscuadros que nos resumen los aspectos más importantes de este bus de campo.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

ORGANISMO CREADOR / PROPIETARIO DELBUS Rosemount / HCF

AÑO DE INTRODUCCIÓN 1986

TIPOS DE APLICACIÓN Redes de sensores, instrumentos y actuadores

A DESTACAR Coexistencia con sistemas convencionales de control

SEGURIDAD INTRÍNSECA Barreras de seguridad para ambientes explosivos


CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

TOPOLOGÍA DE RED Bus (a árbol)

MEDIO FÍSICO Par trenzado y apantallado. Línea telefónica

Nº MÁXIMO DE NODOS 15 en modo multipunto (no acepta repetidor)

LONGITUD MÁXIMA DEL BUS 3048 m (no acepta repetidor)

Nº MÁXIMO DE SISTEMAS MAESTROS 2

MECANISMOS DE TRANSPORTE

MÉTODOS DE COMUNICACIÓN Punto a punto, multipunto. Maestro/esclavo

PROPIEDADES DE LA TRANSMISIÓN

1200 bits/sCodificación FSK-BELL 202“0” 2200 Hz“1” 1200 Hz

TAMAÑO DEL PAQUETE DE DATOS 25 max.

Nº MÁXIMO DE VARIABLES POR DISPOSITIVO 256

Nº MÁXIMO DE VARIABLES POR MENSAJE 4

TEMPORIZACIÓN Y TASA DE ERROR

TIEMPO DE RESPUESTA PARA VARIABLESSIMPLES 500 ms

INTEGRIDAD DE DATOS A NIVEL FÍSICO Tasa de error de 1/105 bit

4.3.2.4.4.- Fieldbus.

La organización Fieldbus Foundation esta formada por 120 de los principales fabricantesy usuarios finales de la automatización y control de procesos industriales. Trabajando juntas,estas empresas han definido de forma única una normalización del bus. Pertenecer a FieldbusFoundation permite acceder a formación, herramientas de test, software, noticias sobre nuevastecnologías y asistencia técnica, etc.

El protocolo definido por la organización Fieldbus Foundation se denomina FoundationFieldbus, y supone la evolución tecnológica hacia la comunicación digital en la instrumentacióny en el control de procesos. Se diferencia de cualquier otro protocolo en que está diseñado paraaplicaciones de control de procesos y no solo para transmitir datos en modo digital. Esteprotocolo es abierto, esto significa que los fabricantes con certificado Foundation Fieldbus nosproporcionan dispositivos que podrán funcionar junto con dispositivos de otros fabricantestambién certificados. Esta flexibilidad en la elección del proveedor, en un mismo sistema, sinla perdida de la más mínima funcionalidad es una victoria de todos los usuarios.


Implementación de la tecnología Fieldbus

Foundation Fieldbus (FF) es un sistema de comunicación totalmente digital, serie, bidirecional,que interconecta los equipos de planta como sensores, actuadores y controladores. Fieldbus esuna Red de area local (LAN) para elementos usados en automatización de la producción con lacapacidad incorporada de distribuir el control a través de la red.

Los dispositivos FF se conectan a la red mediante segmentos H1 que presentan lassiguientes características:

- Interconexión de hasta 32 dispositivos utilizando un único par de hilos.- Alimentación de los dispositivos a través del propio segmento.- Utilización de cableado ya existente en planta.- Acceso a zonas Ex, con lo que le permite operar en fábricas y entornos de control de

procesos que incluyen requerimientos de seguridad intrínseca.- Disponer de la aplicación de control en los dispositivos de campo.

Los segmentos H1 se han optimizado para cumplir con los requerimientos anteriores, porello trabajan a una velocidad moderada. Los dispositivos también pueden conectarse a través deFibra Optica a los segmentos H1 y se puede convertir cable a FO en cualquier punto delsegmento H1. La única consideración es que la FO no permite alimentación en el propio bus delsegmento.

Por tanto una red Fieldbus estará compuesta de múltiples segmentos H1 unidos porbridges y uno o varios segmentos H2 redundantes tal y como se puede observar en la figura 4.32.

Fig. 4.32.- Arquitectura de red Foundation Fieldbus.


Los segmentos H2 se han optimizado para concentrar comunicaciones de una grancantidad de dispositivos y para la conexión de gran cantidad de señales de I/O sencillas a travésde módulos múltiples de E/S.

Los segmentos H2 utilizan el estándar ampliamente difundido Ethernet de alta velocidado HSE (High Speed Ethernet) en configuración redundante. Estos segmentos trabajan a 100Mbit/s con un conexionado de pares de cables trenzados y apantallados (STP) o mediante Fibraóptica.

En la siguiente tabla se muestra una comparativa de los aspectos técnicos más generalesentre segmentos H1 y H2.

Otras características de las redes Foundation Fieldbus son:

Seguridad e integridad en las comunicaciones

Fieldbus es una red de comunicaciones determinista, los datos se transmiten en elmomento preciso y a intervalos deseados y exactos. La información de control tiene prioridada otras comunicaciones en la red.

Los dispositivos Fieldbus son inteligentes, tienen iniciativa de comunicación, de maneraque cualquiera puede hablar con cualquiera sin dependencia de ningún nodo central o "host".

Soporte "Plug&Play" (Conectar y funcionar)

Una característica relevante de Fieldbus es la facilidad de conectar equipos sin necesidadde configuración previa en la red, por lo que no requieren selectores para configurar, porejemplo, el número de nodo, ni herramientas de configuración externas.

Cuando un dispositivo nuevo se conecta a un segmento H1 a través de dos únicos cables,este se identifica a través de un tag único y la gestión de la red se encarga del resto. No esposible que se produzca un error de duplicado de número de nodo.

Soporte de diagnosis en instrumentos

Fieldbus no solo está diseñado para comunicar valores de proceso en la red, la tecnologíasoporta de manera estándar el acceso a datos de diagnosis y calibración de instrumentos; todoello se soporta en las Descripciones de Dispositivo.


Cada fabricante establece toda la información de su instrumentación Fieldbus en suDescripción de Dispositivo. Desde cualquier herramienta de visualización podemos disponer deesta Descripción que nos da acceso a todos los datos del dispositivo.

lnteroperabilidad

Fieldbus soporta interoperabilidad total, esto representa una independencia de marca ymodelo a la hora de sustituir un dispositivo de campo por otro; también permite interoperar entredos dispositivos de diferentes fabricantes en el mismo bus.

La arquitectura Foundation Fieldbus utiliza únicamente los niveles 1,2 y 7 del modelode referencia OSI, tal como sucede con la mayoría de los buses de campo.

4.4.- SOFTWARE DE USO EN SISTEMAS DCS: SCADA

El conjunto de programas que se implementan en uno o varios ordenadores para lasupervisión de procesos y control de la producción se denomina software SCADA, siglascorrespondientes a Simulation, Control And Data Adquisition. Aunque delimitar los niveles queabarca el software SCADA en un control distribuido es algo cada vez más difícil, sí podríamoshacer una distinción entre la componente SCADA y las aplicaciones que procesan los datosobtenidos por aquel, aunque en algunos paquetes de software ambas partes vengan integradas.En todo caso, el software SCADA deberá tener acceso a lo que ocurre en el sistema de control,mediante mecanismos de comunicación adecuados con controladores industriales, reguladoresbásicos, autómatas programables o SAD (Sistemas de Adquisición de Datos).

En procesos de poca variación en el tiempo, o de carácter autónomo, sininterdependencias con otros procesos anteriores o posteriores, la automatización se cumpleprogramando sobre los controladores locales de planta las secuencias de control deseadas ycerrando los lazos de regulación necesarios para mantener los valores de variables en los rangosfijados por las consignas. Desgraciadamente, la mayor parte de los procesos que hoy en día sedesean controlar no cumplen las anteriores condiciones, sino más bien las contrarias: han de serflexibles, para adaptarse rápida y fácilmente a las demandas, y están firmementeinterrelacionados entre sí, por exigencias de factores diversos, como la coordinación de lasacciones o la secuencialidad de ciertas operaciones. Además factores hasta hace poco ajenos alcontrol de una planta, se han de tener necesariamente en cuenta hoy en día: gestión de la calidad,gestión del medio ambiente, etc.

Estas necesidades obligan a disponer de sistemas automatizados de control con un alto grado decomplejidad y autonomía de funcionamiento, y funciones adicionales a las básicas de ejecuciónde tareas y monitorización del proceso. Aspectos como la toma automatizada de decisiones, lagestión de los menús, la generación de históricos, gestión de alarmas, etc., así como losreferentes al control de calidad y mantenimiento, quedan cubiertos en los niveles de control ysupervisión del modelo jerárquico de automatización (pirámide).

Las funciones asociadas a estos niveles necesitan como requisitos imprescindibles elconocimiento de la realidad de la planta y la capacidad de interactuación sobre ella.


La interface entre usuario y planta basada en paneles de control repletos de indicadoresluminosos, instrumentos de medida y pulsadores e interruptores, cableados de forma rígida y conelevados costes de instalación y mantenimiento, que cubrían tradicionalmente estas necesidades,están siendo sustituidos por sistemas digitales que utilizan la informática industrial paraimplementar el panel sobre la pantalla de un ordenador. Con una supervisión inteligente quepermite al operario interactuar con el proceso de forma dinámica, apoyándose en factores comola capacidad de almacenamiento y proceso del ordenador y su facilidad de comunicación con loscontroladores de planta, el operador conoce inmediatamente cualquier variación significativa delproceso mientras observa su evolución a lo largo del tiempo y sus probables tendencias.

El ordenador u ordenadores se apoyan en la estructura de dispositivos locales, uniéndosea ellos mediante líneas de interconexión digital (buses de campo, redes locales) por donde recogeinformación sobre la evolución del proceso y envía las ordenes o comandos para el gobierno delmismo: arranque, parada, cambios de parámetros, etc. Los programas necesarios, y en su casoel hardware adicional que necesiten, formarán parte del paquete SCADA.

Los beneficios que conllevan los sistemas SCADA son muchos, pero comienzan con el hechode utilizar ordenadores personales para interactuar con el operador a través de avanzadasinterfaces de usuario. Con ello se permite aumentar la flexibilidad de funcionamiento y reducirel coste global frente a la opción tradicional de paneles de control con sinópticos del proceso yconsolas de operador. Este tipo de sistemas ofrece un amplio abanico de posibilidades deutilización en entornos diferentes. Sin embargo, se pueden citar como algunos campos defrecuente utilización, los siguientes:

‘ Industrias de proceso continuo: químicas, petroquímicas, cementeras,alimentación, etc.

‘ Producción y distribución de energía eléctrica.‘ Redes de tratamiento, distribución, suministro y depuración de aguas.‘ Control de oleoductos y gaseoductos.‘ Control de centrales nucleares.‘ Gestión de edificios inteligentes.‘ Sistemas de control de tráfico.‘ Industria manufacturera.

Hoy en día, los paquetes SCADA están en disposición de ofrecer unas prestacionesverdaderamente interesantes, entre las cuales pueden encontrarse:

‘ Elevado grado de configuración por parte de los usuarios.‘ Utilización de sistemas operativos muy estables y multiusuario.‘ Funcionamiento distribuido en red, lo que permite el reparto de funciones a lo

largo de diferentes ordenadores de proceso, así como una mayor disponibilidad,redundancia, fiabilidad, tolerancia a fallos, etc.

‘ Sistemas gráficos que permiten el control, diseño y desarrollo de menús deventanas, gráficos, creación de paneles de alarma, etc.

‘ Posibilidad de ver las tendencias que han seguido determinadas variables(históricos), así como la incorporación de funciones SPC (Control Estadístico deProcesos).

‘ Incorporan módulos propios o permiten la conexión con otras aplicaciones para:


diagnóstico de fallos en instalaciones mediante sistemas expertos, supervisióninteligente de procesos, tratamiento de datos (hojas de cálculo y bases de datos),creación de informes (reports), generación y lanzamiento de recetas (recipes),gestión de avisos y elaboración de documentación.

Para tener una idea global de la vinculación entre el software SCADA y el resto deelementos software y hardware implicados en una estructura de control distribuido, podemosrecurrir a la figura 4.33. En esta estructura, cualquiera de los equipos, con la función asociada,estará ejecutando su software correspondiente. Si se trata de un ordenador, el software será unmódulo, más o menos complejo, que forma parte del paquete SCADA.

Fig. 4.33.- Vínculos del hardware/software SCADA con el resto del sistema de control.

En la figura 4.33 podemos distinguir los siguientes elementos:

- Base de Datos integrada: es el núcleo donde se depositan los datos generados por todoel sistema, tanto los procesados por el principal ordenador SCADA como por el software deaplicación. Es el vínculo entre los elementos que necesitan y los que generan datos, de ahí queno pertenezca completamente a alguno de los niveles, ejerciendo más de vínculo entre estos.

- Adquisición de Datos: desde este módulo el ordenador/software SCADA recopila,interpreta y presenta todos aquellos datos que son importantes para una simulación y control dela evolución del proceso. Este módulo de adquisición podrá ser un dispositivo, una red de datos(bus de campo) o una combinación de ámbos, dependiendo de la complejidad del sistema.


- Interface hombre-máquina: en este módulo se puede producir un primer nivel desimulación y control, es decir, la interface hombre-máquina puede ser un ordenador personalejecutando un software SCADA de menores prestaciones que el principal. Este módulocomunicará al SCADA principal las posibles actuaciones que efectúe sobre el proceso.

Por lo que respecta al ordenador situado en el nivel superior, ejecutará principalmenteun software de aplicación, directamente vinculado a los planteamientos estratégicos del control.Dicho software recibirá por un lado los datos que dirijan al sistema hacia unos objetivos claros,y por otro, los datos reales y las contingencias que se generan en la planta. Con todos estos datos,el software de aplicación simulará la tendencia del proceso controlado, en aspectosfundamentales para la producción.

En general un sistema SCADA debe cubrir las funciones que las siglas de su nombredefinen:

‘ Adquisición de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida.‘ Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables del

proceso.‘ Control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los

reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), biendirectamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.

Los módulos, funciones o bloques software que permiten estas actividades, se citan acontinuación.

Configuración

Esta función propia de cualquier software, adquiere especial importancia durante laprimera vez que se instala el SCADA, ya que, aunque una vez que el SCADA “toma” el controlde la planta su configuración sigue siendo accesible, es en un primer momento cuando lainclusión de parámetros, vinculación de sistemas, relación de variables y demás aspectos, tienenuna mayor trascendencia para su operatividad final. Así, durante la configuración inicial de unSCADA se llevan a cabo acciones tan importantes como: Definición de pantallas gráficas y detexto que se van a utilizar, protecciones, niveles de acceso, claves (tanto para el usuario comopara el proceso controlado), instalación de drivers de comunicación (que permitirán el enlace conlos elementos de campo, bien a través de bus de campo, bien mediante una tarjeta de adquisiciónde datos, y con otros ordenadores de proceso mediante el protocolo adecuado, definición deetiquetas (tag).

Interface gráfica de operador

La interface gráfica del sistema SCADA ha de proporcional al operador las funcionespropias del control supervisor de la planta, mediante una ventana abierta a la misma desde elteclado-ratón-monitor del ordenador.

Los datos reflejados en esta interface gráfica mostrarán la evolución del proceso y habránsido recolectados mediante la comunicación establecida con los controladores de regulaciónbásicos, autómatas programables o sistemas de control distribuido (DCS), en general.


El proceso a supervisar, aparecerá en la pantalla como un conjunto de gráficos querepresentan sinópticos completos de la planta (o parte de ella), que se está controlando.

Tratamiento de alarmas

Para cada variable que contemple el sistema SCADA, se pueden definir situaciones queden lugar a alarmas (determinados estados de señales digitales, rangos de valores de señalesanalógicas) y de qué tipo son. Las alarmas llevan asignadas una prioridad en función de la mayoro menor gravedad de la situación.

El sistema SCADA puede mantener una lista general de alarmas, con sus características(día, hora, duración, etc.) y utilizando diferentes colores para que sean fácilmente identificablespor el operador. Las características básicas que definen una alarma, una vez que se ha producido,son:

‘ Reconocimiento, o no, por parte del operador.‘ Vigencia de las condiciones que la originaron.

Además, se suele mantener una lista de alarmas activas en el sistema, es decir, aquellasque existen todavía porque se mantienen aún las condiciones del proceso que provocaron dichasituación anómala.

Cuando el sistema SCADA detecta una situación de alarma, tratará de llamar la atenciónsobre el operador y gestionará el proceso que éste debe seguir en cada caso (modo guía-operador).

Módulo de proceso

Será el encargado de ejecutar las acciones de mando programadas en la estrategia decontrol del proceso, a partir de los valores instantáneos de variables leídas.

Es muy frecuente que el sistema SCADA confíe a los dispositivos de campo,principalmente autómatas y reguladores digitales, el trabajo de control directo de la planta,reservándose para si las operaciones propias de la supervisión: gestión global del proceso,análisis de tendencias, generación de históricos, etc.

El programa de mando incluido en el módulo de proceso, relaciona las variables que elSCADA ha de tener en cuenta para llevar a cabo las siguientes funciones: maniobras osecuencias de acciones de mando, acciones de mando automáticas y previamente programadas,animación de los gráficos dinámicos, asociando forma, color, tamaño, cadencia, etc., al valoractual de la variable, guía en los procesos de arranque o parada de la instalación, gestión derecetas, que modifican los parámetros de producción en procesos batch (consignas de tiempo,de conteo, estados de variables, etc.).

Gestión y archivo de datos

Este módulo del paquete SCADA se encarga del almacenamiento, procesado y gestióneficaz y ordenada de los datos que el sistema debe disponer, así como de los que genera. Estos


datos, cuya importancia es fundamental en la estructura global del sistema, deben poseer losformatos adecuados para que sean reconocidos por los equipos implicados, dándole a todo lacoherencia necesaria.

Comunicaciones

En los sistemas SCADA, las comunicaciones desempeñan una función de primeraimportancia, ya que se encargan de soportar la transferencia de información entre la planta y laarquitectura hardware sobre la que se apoya el SCADA. Este módulo debe cumplir con varioscometidos, destacando entre ellos:

‘ La unión mediante redes de comunicaciones de los diferentes ordenadores deproceso, logrando así un funcionamiento distribuido en red del sistema SCADA.

‘ La conexión entre el SCADA y los equipos de control de planta, resuelta pordiversos medios: lazos de corriente, lineas RS-232, RS-422, RS-485, fibra óptica,linea telefónica, etc.

‘ La unión con elementos auxiliares de comunicación (gateway, router, bridge)para permitir el flujo de datos entre redes diferentes.

El intercambio de datos con los dispositivos de control de planta se realiza en estemódulo, que está explícitamente encargado de inicializar las comunicaciones con los equipos,tomar datos de ellos e introducirlos en la base de datos y enviar órdenes a dichos equipos apetición de otros módulos.

El conjunto de funciones y equipos que ha de conectar este módulo, hace necesario quecuente con un amplio número de drivers de conexión para múltiples equipos, que se iráninstalando según el lugar y misión que ocupe cada uno de los equipos (normalmenteordenadores) que dan soporte al SCADA.

4.4.1.- EJEMPLO DE SOFTWARE SCADA: LOOKOUT

Éste paquete HMI-SCADA de National Instruments se caracteriza por su sencillez y fácilaprendizaje, sin que ello le reste potencia y solidez en su misión principal: control y adquisiciónde datos de una planta.

Funciones características de Lookout

Las funciones características que ofrece este software son las contempladas por la mayoría deellos y que se han comentado en puntos anteriores. En particular, Lookout ofrece:

‘ Gráficos de tendencia y para SPC (Control estadístico de procesos).‘ Gestión de alarmas.‘ Seguridad.‘ Animación.‘ Registro de históricos.‘ Consulta a bases de datos mediante SQL (Lenguaje de consulta estructurado).‘ Plantillas múltiples de visualización.


Arquitectura de Lookout

La arquitectura del software HMI-SCADA Lookout aporta una óptima relación entrefacilidad de uso y potencia, dentro de las aplicaciones del software de automatización deprocesos basado en PC.

Arquitectura basada en objetos

La tecnología que permite a Lookout la facilidad de uso implementada, es su arquitecturabasada en objetos. Para crear cualquier aplicación, sin importar su grado de complejidad,simplemente se crearán objetos y se conectarán adecuadamente, sin necesidad de escribirprogramas o ejecutar compilaciones.

Configuración on-line

El desarrollo de aplicaciones y las modificaciones de estas se pueden hacer totalmenteon-line, sin necesidad de parar actividad alguna relacionada con el proceso. Evidentemente, todose llevará a cabo sin pérdida de datos y sin esperas por procesos de compilación.

Ejecución basada en eventos (sucesos)

El hecho de que Lookout desarrolle su ejecución basándose en eventos, le hace idóneopara múltiples aplicaciones de control: continuo, discreto, por lotes (batch) y telemetría.

Estas aplicaciones plantean unas necesidades al SCADA que requieren de éste altasprestaciones y/o gestión de elevado número de variables o puntos de control.

La programación orientada a eventos o sucesos espera a que se produzca un determinadoacontecimiento prefijado en el programa para ejecutar una acción programada, en lugar dedisponer el programa de un bucle cerrado que va chequeando sucesivamente hasta encontrar elsuceso que desencadena la acción. La figura 4.34 muestra una visión gráfica del significado dela programación orientada a sucesos, la cual mejora la eficacia del SCADA de manerasignificativa.

EJEMPLOS DE CONTROL DESARROLLADOS CON LOOKOUT

A continuación vamos a ver, a modo de ejemplo, las pantallas principales de tres tiposde control desarrollados con este SCADA de National Instruments. El grado de sofisticación dela planta y del proceso a controlar no siempre se verá reflejado en el sinóptico principal; detrásde una pantalla relativamente simple puede estar la gestión de gran cantidad de variables, conalgoritmos complejos y sofisticadas técnicas de control.


DATOS

CÁLCULO

VISUALIZACIÓN

ACCESOS

ALARMA

CONEXIÓNEXTERIOR

RELOJ

Objetos

Sucesos

Fig. 4.34.- Esquema de funcionamiento de una aplicación SCADA orientada a sucesos.

Control de proceso continuo

En este tipo de procesos, los algoritmos, tipos de variables y modo de trabajo no cambiansustancialmente en el tiempo, por lo que el proceso controlado es muy homogéneo e invariantedesde el punto de vista del SCADA. Aunque la dinámica del sistema pueda ser rutinaria yaparentar poca complejidad, en los procesos continuos se gestionan variables muy críticas y cuyaestabilidad es fundamental.

En la figura 4.35 se muestra un sinóptico del control de un proceso continuo medianteLookout. En dicho proceso se trata de obtener una determinada composición química mediantela mezcla dosificada de los ingredientes oportunos.

MTR101 es una bomba para control de flujo, la cual es controlada mediante un algoritmoPID; la velocidad de giro está, en este caso, al 73% de su valor máximo.

Como cualquier proceso, el mostrado en este ejemplo lleva su propia gestión de alarmasen cuyo panel podremos observar aquellas incidencias programadas por el usuario como tales.En la figura 4.36 se muestra la relación de alarmas activas en un momento determinado para elproceso de la figura 4.35.


Fig. 4.35.- Ejemplo de control de proceso continuo con Lookout (National Instruments).

Fig. 4.36. Alarmas activas relacionadas con el proceso de la figura 4.35.

Control de proceso por lotes (batch).

Los procesos por lotes se caracterizan por una fuerte dinámica en la información que semaneja durante su control, requiriendo ello unos cambios de algoritmos (cada cierto tiempo) enlos equipos, así como de los valores de las variables y puntos de consigna que están implicados,es decir, con los mismos equipos se están produciendo lotes de productos cuya composiciónpuede diferir sustancialmente, o cuyo resultado puede ser distinto de un lote a otro.

A modo de resumen, alguna de las particularidades de este tipo de proceso son lassiguientes:

• Se desarrollan en reactores en los que se añaden los componentes según unareceta predeterminada

• Se procesan bajo condiciones controladas de temperatura, presión, agitación, etc.,siguiendo unos patrones (perfiles) fijados de antemano

• Los tiempo de reacción son limitados, pudiendo diferir entre batches (lotes)• Pueden estar subdivididos en etapas que pueden tener lugar en el mismo o en

diferentes reactores• Las reacciones que tienen lugar en del reactor son extremadamente complejas,


dado el comportamiento no lineal y no estacionario de los fenómenos que ocurrendentro del reactor, lo que hace muy difícil su control

• Suelen tener un alto nivel de automatización y de instrumentación• Son procesos de alto valor añadido

Los procesos batch responden perfectamente a las nuevas tendencias del mercado en elsentido de que permiten la producción flexible, es decir, la fabricación de pequeños volúmenesde productos muy diferentes, sin apenas cambios en las instalaciones y equipos. En principio,cambiando la receta de ingredientes y las condiciones de procesado pueden fabricarse productosdiversos, lo que permite a los proveedores responder rápidamente a las necesidades cambiantesde sus clientes. Esto también facilita el establecimiento de controles tanto de los equipos einstalaciones empleados como de los lotes fabricados (en principio, toda la cantidad de productode un mismo lote tiene idénticas características, permitiendo asignar un código identificativo quefacilita su trazabilidad posterior), lo que es de gran ayuda a la hora de establecer sistemas deaseguramiento de la calidad y la seguridad.

Los procesos por lotes están presentes en una amplia variedad de sectores industrialestradicionales: industria química, de alimentación, farmacéutica, etc.; así como en nuevos sectorestecnológicos como el de la biotecnología: reactores de depuración de aguas, procesos defermentación en biorreactores, etc.

El alto valor añadido de los productos fabricados por este tipo de procesos, el imparableaumento del nivel de exigencia de los clientes, fruto de la competitividad, y la cada vez másexigente normativa en materia de seguridad impuesta por gobiernos y administraciones públicasde muchos países hacen del control de procesos por lotes un objetivo estratégico de máximaimportancia.

Sin embargo, el control de este tipo de procesos para asegurar una buena reproducibilidadentre lotes que garantice la calidad de los productos fabricados y la seguridad de los procesossigue siendo una tarea comprometida por diversas razones. Por una parte, por la dificultad dedisponer de analizadores en línea que den información fiable en tiempo real de ciertascaracterísticas críticas de calidad del producto (normalmente, esta información se obtiene sólouna vez acabado el lote, tras analizar en el laboratorio muestras del producto final); y otra,porque los procesos por lotes tienen una duración limitada en el tiempo y una compleja dinámicacon fuertes relaciones no lineales entre variables, lo que dificulta el desarrollo de modelosmecanicistas que caractericen todos los fenómenos (químicos, bioquímicos, transferencia decalor, etc.) que ocurren en su seno.

En la figura 4.37 podemos observar un sinóptico de un control de proceso por lotesllevado a cabo con Lookout.

Asociado al proceso podemos observar un gráfico de tendencia, el cual suministrainformación sobre las variables que el usuario haya decidido. Estos valores, además devisualizarse en tiempo real, quedarán debidamente registrados para su posterior utilización, bienpor el propio Lookout, bien por otras aplicaciones externas al SCADA.

Cada variable del gráfico de tendencias (trend) estará asociada a un color, de forma quesea fácil hacer un seguimiento de su evolución.


Fig. 4.37.- Ejemplo de control de proceso por lotes con Lookout (National Instruments).

Como hemos comentado anteriormente, un aspecto destacado de un proceso por lotes esla utilización de recetas (recipes). Cada receta describe con toda precisión cada uno de los lotesa fabricar o controlar: parámetros de los elementos que participan, puntos de consigna, nivelesde alarma, algoritmos de control globales y específicos, etc. Así pues la receta se convierte enun elemento de primer orden de cualquier control de proceso por lotes.

Cualquier SCADA debe incorporar entre sus herramientas un potente y fácil editor derecetas. Potente para que el usuario pueda acceder a todos los parámetros de la planta sinlimitaciones técnicas (respetando las vinculadas con la seguridad) y fácil para que programar unaestrategia de control no suponga un derroche de tiempo e imaginación. Lookout goza de las doscaracterísticas anteriores, en linea con la filosofía del paquete: facilidad de aprendizaje y de uso.

En la figura 4.38 podemos observar los parámetros más importantes de la receta que seestá ejecutando en este instante, es decir, la de la figura 4.37. Entre estos destacan:

• Posibilidad de importar y exportar recetas (normalmente con hojas de cálculo ybases de datos).

• Puntos de consigna más importantes de los elementos de control que seconsideren oportunos.

• Nombre de la receta e identidad del proceso.• Habilitación de la posibilidad de introducir cambios en la receta; esto se podrá

hacer mediante palabras de paso y contraseñas, o libremente.


Fig. 4.38.- Receta en ejecución en el proceso por lotes de la figura 4.37.

Una vez cargada la receta correspondiente, ésta se lanzará (start). Siempre existirá laposibilidad de parar (stop), bajo unas condiciones determinadas por el usuario o supervisor delas actividades de planta.

Control supervisor

En el control supervisor, tal como su nombre nos indica, lo que se pretende es poner alalcance del operario/usuario unos valores de parámetros, de forma que estos puedan serutilizados con fines estadísticos, de referencias o para tratarlos posteriormente, amén de la propiainformación que por si suponen dichos parámetros. Tal sería el caso de una estaciónmeteorológica, ya que, normalmente, no se desea actuar sobre el proceso de forma continua ode manera frecuente.

También nos puede servir el visualizado en la figura 4.39, donde se muestra una plantade suministro de agua, cuyos datos se utilizarán en la facturación y estadística de consumos. Lasbombas de entrada, así como el resto de la planta están supervisados con Lookout.


Fig. 4.39.- Control supervisor con Lookout (National Instruments).

Cpi tema4

Engineering

Transcript of Cpi tema4