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UNIVERSIDAD MAYOR FACULTAD DE INGENIERIA METODOLOGIA PARA SELECCION DE SISTEMA DE CONTROL SERGIO MIGUEL CIFUENTES LOPEZ SANTIAGO DE CHILE Julio 2015
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UNIVERSIDAD MAYOR
FACULTAD DE INGENIERIA
METODOLOGIA PARA SELECCION DE
SISTEMA DE CONTROL
SERGIO MIGUEL CIFUENTES LOPEZ
SANTIAGO DE CHILE
Julio 2015
UNIVERSIDAD MAYOR
FACULTAD DE INGENIERIA
METODOLOGIA PARA SELECCION DE
SISTEMA DE CONTROL
Alumno: Sergio Miguel Cifuentes López.
Profesor Guía: Oscar Agustín Inostroza Aliaga.
Ingeniero Civil Electricista, U. de
Chile.
Diploma en Administración de
Empresas, U. de Chile.
SANTIAGO DE CHILE
Julio 2015
DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS
A mi familia, esposa e hijos quienes sin saberlo han permitido que pueda realizar este trabajo
como finalización de los nuevos estudios que comencé después de varios años de haber
obtenido mi primer título profesional.
A Magdalena que desde un principio me apoyo en este desafío que en términos de tiempo
parecía poco probable de realizar. Hubo tiempos en que la familia estuvo en segundo plano ya
que había que responder a los requerimientos académicos. Sin embargo, ella estuvo y ha
estado a mi lado dando la batalla de la vida y la familia.
A Valentina y Pedro Pablo, quienes no entendían por qué el papá volvía a estudiar, pero hoy si
entienden el porqué de este nuevo logro.
A todos los que un día, me dieron de corazón su ánimo y me instaron a terminar este desafío.
A Don Oscar Inostroza quien creyó en este trabajo desde un principio con su colaboración y
paciencia, permitió que pudiera lograr este objetivo, y lo más importante de él, siempre
optimistas.
Gracias a todos.
INDICE RESUMEN ......................................................................................................... i
ABSTRACT ....................................................................................................... ii
INTRODUCCIÓN............................................................................................. 1
a) Descripción: ......................................................................................................................... 2
b) Objetivos. ............................................................................................................................ 2
c) Metodología. ........................................................................................................................ 3
d) Exclusiones: ........................................................................................................................ 3
CAPITULO I SISTEMAS DE CONTROL ..................................................... 4
1.1 Sistemas de control ............................................................................................................ 4
1.2 Descripción y origen de los PLC ....................................................................................... 5
1.3 PLC Compacto .................................................................................................................. 6
1.4 PLC Modular ..................................................................................................................... 7
1.5 Tipos de entradas y salidas .............................................................................................. 14
1.6 Descripción y origen de los DCS .................................................................................... 14
1.7 Relación con la historia del PLC y CS ............................................................................ 15
CAPITULO II ESTRUCTURA TECNOLOGICA ....................................... 18
2.1 Estructura tecnológica ..................................................................................................... 18
2.2 Unidad central de procesos CPU ..................................................................................... 18
2.3 Estructura externa ............................................................................................................ 18
2.4 Lectura desde el sensor .................................................................................................... 23
2.5 Conversión de señales de entrada digital y analógica ..................................................... 23
2.6 Operación de la CPU ....................................................................................................... 27
2.7 Capacidad de memoria .................................................................................................... 28
2.8 Ejecución del programa ................................................................................................... 31
2.9 Conversión de señales de salidas digitales y analógicas ................................................. 32
CAPITULO III ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES .................. 35
3.1 Arquitectura de comunicaciones: ventajas en sistemas centralizados y distribuidos ...... 35
CAPITULO IV MANEJO DE LA INFORMACION ................................... 42
4.1 Manejo de la información ................................................................................................ 42
4.2 Sistema centralizado ........................................................................................................ 42
4.3 Sistema distribuido .......................................................................................................... 43
4.4 Cliente servidor................................................................................................................ 48
CAPITULO V MEDOTODO DE SELECCIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL ...................................................................................................... 54
5.1 Enfrentando un proyecto eléctrico, el objetivo de este capítulo. Es desarrollar un
procedimiento para seleccionar un sistema de control .......................................................... 54
5.2 ¿Cómo seleccionar un sistema de control? ...................................................................... 57
5.3 Método para realizar la selección entre un sistema PLC y DCS ..................................... 64
CAPITULO VI OFERTA ECONOMICA ..................................................... 68
6.1 Selección de una oferta económica ................................................................................. 68
CONCLUSIONES ........................................................................................... 88
DISCUSIONES ............................................................................................... 90
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................. 91
ANEXO ............................................................................................................ 93
INDICE DE FIGURAS
Figura N°1: Sistema de control. .................................................................................................. 4
Figura N°2: PLC compacto serie Alfa de Mitsubishi .................................................................. 7
Figura N°3: Base para montaje de módulos de PLC, marca Allen Bradley. ............................... 8
Figura N°4: Base de montaje PLC modular, Serie 90-30 General Electric. ............................... 8
Figura N°5: Descripción de base de montaje PLC modular, Serie 90-30 General Electric. “5
zócalos” ....................................................................................................................................... 9
Figura N°6: Sistema de control con PLC. ................................................................................. 10
Figura N°7: Entradas digitales. .................................................................................................. 12
Figura N°8: Salidas digitales. .................................................................................................... 13
Figura N°9: PLC. ....................................................................................................................... 13
Figura N°10: Sistema distribuido. ............................................................................................. 15
Figura N°11: Diagrama de tiempo con los hitos relevantes de los sistemas de control. ........... 17
Figura N°12: Entra a PLC en 24 VDC. ..................................................................................... 24
Figura N°13: Entra a PLC en 120 AC. ...................................................................................... 24
Figura N°14: Gráfico de relación entre variables de proceso y señal 4 – 20 ma....................... 26
Figura N°15: Proceso en un diagrama de bloques y de como el PLC trata las señales
analógicas. ................................................................................................................................. 27
Figura N°16: Asignación de señales a memoria de PLC. ......................................................... 28
Figura N°17: Diagrama ciclo Scan ............................................................................................ 30
Figura N°18: Módulo salida en 24 Vdc. .................................................................................... 32
Figura N°19: Diagrama en bloques de módulo de salida analógica de PLC ............................. 32
Figura N°20: Comunicaciones. ................................................................................................. 35
Figura N° 21: Comunicación entre computadores. ................................................................... 37
Figura N°22: Niveles de operación en las redes industriales. ................................................... 38
Figura N°23: Sistema centralizado. ........................................................................................... 43
Figura N°24: Sistema descentralizado o distribuido. ................................................................ 44
Figura N°25: Imagen de un SCADA. Con una pantalla en construcción. ................................ 46
Figura N°26: Imagen de un SCADA con una pantalla en construcción. .................................. 47
Figura N°27: Arquitectura de comunicaciones en un sistema SCADA. ................................... 50
Figura N°28: Arquitectura de comunicaciones de un DCS. ...................................................... 51
Figura N°29: Primera etapa de un modelo para un proyecto industrial. ................................... 54
Figura N°30: Gráfico de presupuesto DCS Opción N°1. .......................................................... 82
Figura N°31: Gráfico de presupuesto DCS Opción N°2. .......................................................... 83
Figura N°32: Gráfico de presupuesto PLC Opción N°3. .......................................................... 84
Figura N°33: Gráfico de comparación de presupuesto Opción N°1 y Opción N°3. ................. 87
TABLAS
Tabla N°1: Asignación de memoria en CPU de PLC GE según modelos. ............................... 20
Tabla N°2: Asignación de memoria en CPU de PLC GE según modelos. ............................... 21
Tabla N°3: Descripción general de CPU para PLC GE Según sus modelos. ............................ 22
Tabla N°4: Tipos de entradas. ................................................................................................... 23
Tabla N°5: Comparación entre dos módulos de entrada 24 VDC de PLC GENERAL
ELECTRIC Y ALLEN BRADLEY. ......................................................................................... 26
Tabla N°6: Características de CPU para sistema DCS. PlantPax.............................................. 34
Tabla N°6.1: Protocolos de comunicación de control industrial e instrumentación industrial. 40
Tabla N°6.2: Estructura de redes asociadas a los controladores en control industrial. ............. 41
Tabla N°7: Diferencias entre los PC servidores y clientes. ....................................................... 49
Tabla N°8: DCS Según la marca desarrollo. ............................................................................. 53
Tabla N°9: Alcance de la serie con respecto a los módulos de entrada y salidas. .................... 57
Tabla N°10: Referencias bases para módulos disponibles para el usuario. .............................. 58
Tabla N°11: Referencias disponibles para el usuario. ............................................................... 60
Tabla N°12: Asignación de variables para un sistema menor. .................................................. 60
Tabla N°13: PLC Siemens Serie 1500. ..................................................................................... 61
Tabla N°14: PLC Allen Bradley Serie 1756 L6x. ..................................................................... 61
Tabla N°15: PLC Allen Bradley Serie L7x. .............................................................................. 61
Tabla N°16: Uso de la memoria del controlador. Serie 1756 Lx. ............................................. 62
Tabla N°17: Uso de la memoria del controlador. Serie 1756 Lx. ............................................. 62
Tabla N°18: DCS sistemas escalables. ...................................................................................... 63
Tabla N°19: Listado de instrumentos con señales correspondientes. ........................................ 65
Tabla N°20: Selección de un sistema de control. ...................................................................... 66
Tabla N°21: Entradas y salidas de un proyecto definido........................................................... 72
Tabla N°22: Selección de un sistema de control. Para caso N°1 .............................................. 73
Tabla N°23: Oferta económica DCS N°1.En USD ................................................................... 82
Tabla N°24: Oferta económica DCS N°2.En USD ................................................................... 83
Tabla N°25: Oferta económica PLC N°3. En USD. .................................................................. 84
RESUMEN Este trabajo tiene como objetivo entregar una metodología para poder seleccionar un sistema
de control. Para tales sistemas existen dos arquitecturas de control; una es con los
controladores programables (PLC1) y la otra con sistemas distribuidos (DCS2).
En el primer capítulo de este trabajo se inicia con una breve reseña de los orígenes de ambos
sistemas donde se aprecian las diferencias fundamentales entre ambos. En el segundo capítulo
se hace referencia a su estructura indicado la forma de manejar la información y de cómo
logran obtener las señales físicas para procesarlas, para más tarde enviar señales de vuelta al
proceso.
En el tercer capítulo se revisan las arquitecturas de comunicación para ambos sistemas
resaltando buses de campo, protocolos de comunicación y distintas modalidades de conexión
de los elementos hacia los controladores. Ya en el cuarto capítulo se hace referencia al manejo
de la información haciendo referencia las diferencias entre los sistemas centralizados y
distribuidos, además de señalar los sistemas a nivel de redes de información cliente servidor.
En el quinto capítulo se hace referencia a una forma de enfrentar un proyecto eléctrico, a
modo general, y se explica la manera de recopilar la información relevante para luego generar
la especificación técnica con la cual se podrá formalizar los requerimientos para un sistema de
control. Es en este capítulo donde se desarrolla el procedimiento para la selección de un
sistema de control mediante PLC o DCS, el cual responde a las variables que se desprenden de
las necesidades del proyecto eléctrico de control.
Finalmente en el capítulo sexto se realiza una comparación de tres cotizaciones de las cuales
dos son de sistemas DCS y una de PLC, se indica los parámetros para comparar éstas y se
aplica el procedimiento de selección. Con esto se hace una referencia entre lo esperado
técnicamente y la valoración económica.
1 PLC: Del inglés: Program Logic Control.
2 DCS: Del inglés: Ditributed Control System.
i
ABSTRACT The objective of this work is to deliver a method for the selection of a control system. For
these systems there are two control architectures: one using programmable controllers (PLC)
and the other with distributed systems (DCS).
In the first chapter of this work, is presented a brief resume of the origins of both systems,
where it can be seen the main differences between then. In the second chapter, a reference is
made to its structure, indicating the way for handling the information and how they get the
physical signals for processing and sending later the signals back to the process.
In the third chapter, the communication architectures are reviewed for both systems, with
emphasis on field buses, communication protocols and different modes of connection from the
elements with the controllers. In the fourth chapter, reference is made to information handling,
with emphasis in the differences between centralized and distributed systems, beside to
explain the systems at level of information client-server network and buses or nodes.
In the fifth chapter, reference is made to the way to face an electric project, in general terms,
and it is explained the way to collect the relevant information to produce later the technical
specification, and to specify the requirements for a control system. Is in this chapter where the
selection procedure of a control system is developed, using PLC or DCS, responding to the
variables coming from the necessities of the control electric project.
Finally, in the sixth chapter, a comparison is made for three quotations, two for DCS systems
and one for PLC system, indicating the comparison parameters and showing the application of
the selection method. A reference is made between what technically is expected and the
economical valuation.
ii
INTRODUCCIÓN El origen de este trabajo nace por dos motivos fundamentales, el primero es presentarlo como
trabajo final de carrera, el otro es compartir la experiencia de cómo encontrar y utilizar
criterios para definir la selección de un sistema de control distribuido, con respecto de un
sistema de control gobernado por un controlador con un sistema de adquisición de datos
SCADA.
Principalmente cuando se necesita poder dar una respuesta a un ejecutivo que no es del área
eléctrica, sobre cuáles son las ventajas para el proceso de la utilización de un sistema central y
otro distribuido, es cuando aparecen las dificultades ya que ambos provienen del mundo
electrónico y comunicaciones y se hace difícil aún más cuando los propios proveedores
mantienen el mismo vocabulario.
Hoy día en el país, producto de los avances que provienen de la incorporación de nuevas
estrategias en la producción, se ha impulsado a que las empresas que suministran los sistemas
de control, sientan que en las prácticas de producción automatizada exista un espacio para
nuevos proyectos como así también en las ampliaciones. Esto obliga a que los líderes de
proyectos busquen alternativas que estén acorde con sus necesidades. Las principales barreras
que se deben romper para llegar a un buen puerto, es tener la claridad y contar con los
instrumentos necesarios, según los siguientes aspectos:
• Claridad en términos de manejo de la información.
• Arquitecturas en comunicaciones.
• Metodología para las operaciones en mantención principalmente en área
instrumentación.
Los sistemas de control distribuidos (DCS) y controladores programables (PLC) ya tienen a su
haber buena trayectoria y de alguna manera ambos han crecido bajo los mismos
requerimientos, potenciándose bajo líneas similares. La correcta selección de un sistema de
control puede llevar a una unidad de producción, que posee bajo rendimiento a una con una
alta rentabilidad, principalmente por la optimización de sus recursos.
1
a) Descripción: Para este trabajo se ha considerado una descripción breve de las historias de los sistemas de
control, centralizado y distribuidos. A nivel de proceso de control, se elaborará una
comparación de las unidades de control de proceso (CPU), haciendo énfasis en los ciclos de
scan de cada una de estas. Se mostrarán, a su vez, las diferencias en sus arquitecturas
informáticas (comunicaciones) indicando el comportamiento y el perfil en que trabajan ambos,
respecto al manejo de la información.
Los datos e información que se dispone de los proveedores y de la experiencia de los equipos
de trabajos nos llevan a la conclusión, de que no hay una respuesta única e inmediata a estas
interrogantes. Como así también no existe un método o procedimiento estructurado, que
permita obtener una solución bien sustentada.
Finalmente, en este trabajo se plantea como objetivo principal el desarrollo de una
metodología, que permita contar con una herramienta sistemática, de fácil uso y que acumule
la experiencia obtenida en esta área, para dar respuestas a las interrogantes señaladas
previamente.
b) Objetivos.
Objetivo general.
Desarrollar una herramienta fácil y rápida de aplicar, que permita seleccionar un sistema de
control acorde a los requerimientos del proyecto en estudio.
Objetivos específicos:
El trabajo se enfocará en determinar el estado del arte de ambas tecnologías, tanto en lo
electrónico, comunicaciones y manejo de la información. Según los siguientes objetivos:
1. Revisar los avances de los sistemas de control.
2. Señalar las distintas opciones de control.
3. Determinar las distintas topologías de las redes de comunicación.
2
4. Comparar las aplicaciones de PLC y DSC.
5. Elaborar un set de preguntas para descrinar la elección de un sistema de control.
c) Metodología. Para desarrollar este trabajo se revisaran los inicios de los sistemas de control y en qué estado
se presentan el día de hoy, con el objetivo entregar las distintas herramientas para determinar
la selección de un sistema de control que se utiliza en proyectos industriales. Según lo anterior
se considerará como entregable:
• Resumen de estado del Arte.
• Establecimiento de las diferencias tecnológicas.
• Descripción y diagramas de comunicaciones.
• Reseña del manejo de la información en los métodos de control.
• Comparaciones generales entre ambos sistemas de control.
• Formulación de un procedimiento de selección.
• Conclusiones.
• Anexo.
d) Exclusiones: Se excluyen de este trabajo:
• Desarrollo de un software de control.
• Programación de un software de control.
• Implementación de un sistema de control.
3
CAPITULO I SISTEMAS DE CONTROL 1.1 Sistemas de control El fenómeno principal que impulsa a las empresas a invertir en tecnología, es mejorar sus
métodos de producción, buscando optimizar sus recursos. Es decir, producir más con menos.
Una de las herramientas que permite lograr este objetivo, corresponde a una de las áreas de la
ingeniería eléctrica, la cual se conoce como la automatización de procesos industriales y que
junto a la informática, conforman un sistema global de control.
Ambas conforman un conjunto de herramienta que permiten tomar las señales de los sensores
e integrarla y ejecutar rutinas (tareas) programadas, produciendo cambios o afectando a los
actuadores. Hoy en día, además, se tiene la posibilidad y capacidad de visualizar en pantallas
de PC3, los cambios de estado de sensores y actuadores. Como por ejemplo, las tendencias,
gráficos, estadísticas y finalmente obtener informes y trazabilidad. En la Figura N°1, se hace
referencia, en general, a lo que hoy podemos obtener de un sistema de control en el cual se
3 PC: De la sigla en inglés personal computers, es decir Computador Personal.
Fuente: Imágenes de www.cl.endress.cl y www.samnson.cl.
Figura N°1: Sistema de control.
4
observa en primera línea a los sensores, los que son llevados al controlador, y como respuesta
se emiten señales a los actuadores, como motores, válvulas actuadas, etc. El controlador es
quien toma las señales, las administra e integra y genera acciones como antes se indicó. Sobre
el controlador observamos dos tipos de computadores, el servidor y el PC cliente. El primero
de estos cumple la función de almacenar datos y el otro presentar con figuras a los sensores,
actuadores, y que en su conjunto representan el diagrama de proceso. Con respecto al
controlador presentamos dos tecnologías que cumplen con esta función señalada. En forma
cronología aparece el PLC y los DCS que es la sigla en inglés de sistemas distribuidos de
control.
Los PLC son productos que se han desarrollado en el tiempo y que buscan disminuir las tareas
repetitivas y que por lo demás requieren de mucha exactitud. Principalmente en sus orígenes
era remplazar la lógica cableada y la de operación de relés. Los DCS en cambio, nacen con la
necesidad de poder controlar procesos productivos delicados y con condiciones adversas, que
requieren una solución de mayor complejidad y que están asociados a variables (en general
analógicas) con cambios muy rápidos. Estas características hacen que el DCS sea,
históricamente hablando, un sistema con valor monetario de un costo mayor a un PLC.
1.2 Descripción y origen de los PLC Su desarrollo se inicia en la década de los años 60. Básicamente, con el objetivo de mejorar
los procesos de producción continuos y, así también, reducir la lógica dura (la cual se
componía de un número importante de relés y cableados complejos ocupando grandes áreas y
gabinetes eléctricos). El PLC es desarrollado con el fin de realizar trabajos y tareas repetitivas,
buscando disminuir las detenciones debido a fallas, que eran muy difíciles de detectar. Previo
al PLC, el sistema de control se realizaba mediante circuitos booleanos y placas electrónicas
que presentaban un buen desempeño. Sin embargo, frente a la existencia de fallas, estas debían
ser reparadas debiendo ocupar tiempo importante y por ende la producción debía detenerse. La
principal falencia de esta tecnología (relés y cables) es la nula capacidad de modificar su modo
de operación. En cambio en el PLC, éste posee una estructura flexible. En sí la programación
emula a los circuitos eléctricos, separa y funciona como una interfaz entre los circuitos
5
electrónicos4 y los circuitos de potencia5. Inicialmente, su configuración permitía realizar
operaciones sencillas en términos de control como activar partidas de motores, activación por
temporización o una activación de un sensor (tareas repetitivas simples). Hoy ha tenidos
avances importantes en su estructura y poseen herramientas que permiten interactuar con
procesos de alto grado de complejidad. Los PLC se presentan en dos formatos según los
siguientes componentes:
• Fuente de Poder.
• CPU6.
• Entradas.
• Salidas.
1.3 PLC Compacto Las unidades antes mencionadas están en un sólo equipo, lo que significa que no pueden ser
modificadas. Las entradas son fijas en cantidad, de igual forma que las salidas. Su montaje
puede ser mediante fijación a placa o sobre riel Din7.. Este tipo de formato es utilizado en
proyectos con pocas entradas y salidas, generalmente en máquinas islas. Son de bajo costo,
programación sencilla y amistosa. Previo a la adquisición se debe tener claro el alcance de la
aplicación, tanto en la cantidad de entradas a utilizar como en la cantidad de salidas. Debemos
resaltar que también es importante conocer el tipo de voltaje que dispone, especialmente para
las salidas, para evitar el uso de relés. Ya que esto se contrapone a la idea original de un PLC.
En la Figura N°2 se visualiza una imagen de un PLC compacto el cual para instalarse en un
tablero eléctrico. Se realiza mediante un riel DIN y en el detalle de la siguiente lista se
explican las señales indicadas en dicha figura.
4 Los circuitos electrónicos trabajan voltajes nominales típicos ±5, ±9, ±12, ±18, y24. Con corrientes nominales de 1 Amper. 5 Los circuitos electrónicos de potencia trabajan con voltajes de 5000V, con corrientes de 5000 Amperes. 6 CPU: Es una sigla que proviene del inglés “Central Process Unit” el cual se traduce como unidad central de procesos. 7 Riel DIN: Barra metálica normalizada de aluminio, por lo general, utilizada para montaje de equipos y accesorio en gabinetes eléctricos de fuerza y control.
6
1. Alimentación de unidad, 24 VDC.
2. Regleta para entradas, 15 digitales, o digitales de 15 Volt.
3. Selección de tipo de entradas.
4. Pantalla LCD, permite programación leer lo programado.
5. Teclas de programación.
6. Regleta con salidas digitales.
7. Riel DIN.
1.4 PLC Modular Las estructuras de los PLC modulares se componen de una base, y un conjunto de módulos siendo los principales:
• Fuente de Poder.
• CPU.
• Módulos de entrada y salida (I/0)8.
• Módulo de comunicaciones.
• Base.
8 I/O: Es una sigla que proviene del inglés “Input/Output” y se refiere en general a las entradas y salidas de un PLC.
Fuente: http://www.mitsubishi-automation.es.
Figura N°2: PLC compacto serie Alfa de Mitsubishi.
7
En las siguientes Figuras (N°3 y N°4) se muestran dos bases. La primera corresponde a la
Marca Allen Bradley cuya serie corresponde a 1746, de siete módulos, y la segunda
corresponde a la marca General Electric con serie 90/30 y capacidad de 10 módulos.
Fuente: http://ab.rockwellautomation.com.
Figura N°3: Base para montaje de módulos de PLC, marca Allen Bradley.
Figura N°4: Base de montaje PLC modular, Serie 90-30 General Electric.
Fuente: Serie 90 – 30 PLC Installation and hardware Manual, GFK-0356Q,
pag.3.2.
8
La Figura N°5, muestra la descripción de una base de un PLC serie 90-30 de la serie GE
Fanuc, donde el siguiente listado describe su distribución:
1: Permite que el modulo se afiance al zócalo.
2: Agujero para montaje del zócalo a pared, montaje a placa de gabinete.
3: Descripción de la base de zócalo.
4: Perforaciones inferiores para montaje.
5: Zócalo para inserción de fuente de poder.
6: Etiqueta de números serial.
7: Zócalos para montaje de módulos sólo de entrada y salida de PLC, en y este caso se
presentan 4 zócalos más una para la CPU. Habiendo otro con 10 modulo.
8: Etiqueta de número de zócalo.
9: Etiqueta de revisión.
10: Numero de catálogo y certificación.
Fuente: Installation and hardware Manual, GFK-0356Q, pag.3.4. Base modular PLC General Electric Serie 90-30.
Figura N°5: Descripción de base de montaje PLC modular, Serie 90-30 General Electric. “5 zócalos”.
9
Una vez seleccionada la marca y el modelo de PLC, esta condición deberá seguir hasta el
final. Al ser diferentes los PLC modulares, ello implica que en un tablero eléctrico ocuparán
espacios distintos. ¿Qué se quiere indicar?: que la selección impacta directamente en la
proyección de tableros eléctricos y por lo tanto en el proyecto eléctrico.
La idea original de este sistema se ve explicada en la Figura N°6, donde una señal externa
(entrada) es tomada y manejada, y según lo programado, emite otra señal (salida) como
respuesta o resultado. Los sensores son por tanto, elementos que se relacionan con el medio,
detectando por ejemplo: temperatura, presión, flujo líquido, flujo o corriente eléctrica, etc.
Los sensores están diseñados para capturar los fenómenos físicos y entregar una respuesta,
esta puede ser análoga o digital.
Cuando un sensor ha integrado un fenómeno físico y es capaz de emitir una señal en corriente
o voltaje, estamos en presencia de un captador y tiene la condición de poder conectarse a una
entrada del PLC. Algunos ejemplos de captadores son:
Fuente: Personal.
Figura N°6: Sistema de control con PLC.
10
• Botonera partir, parar.
• Botonera Emergencia.
• Switch9 de presión.
• Límite de carrera.
• Sensores inductivos.
• Sensores capacitivos.
• Sensores de nivel Sónico,
• Sensores de nivel Radar.
• Sensores de temperatura.
• Sensores de flujo.
• Sensores de presión.
• Sensores de pH.
• Medidores de flujo de corriente (toroides).
En la Figura N°7 siguiente, se indica cómo el ingreso de las variables se ve realizado. Estas
variables son del tipo digital, ya que permiten el paso de la corriente desde la fase a un canal
en el módulo de entrada. Hay dos formas de realizar este tipo de conexiones y depende del
tipo de módulo seleccionado. Estos son:
• Módulo con entradas con neutro común: para todos los canales de entrada el común
de la fase es único para todos los canales.
• Módulos con entradas aisladas: En esta configuración los canales son independientes
entre sí, cada canal tiene un común de la fase.
La garantía de estas conexiones es que si hay un corto circuito, solo fallará un canal de
entrada. En el otro caso, ocasionaría problemas en todos los canales del módulo.
9 Switch: Del inglés, selector actuado, de dos posiciones conectado o desconectado.
11
Al contar con entradas digitales en el PLC, éste trabaja con arreglos de bits o bytes
dependiendo de las características y cantidades de entradas. Cada una de las entradas es
asociada a un bit único y de esta forma el programa hace referencia a éste Bit en especial y no
a un voltaje o corriente. Lo anterior refleja o hace altamente versátil la utilización de un PLC.
Una ventaja importante del PLC es su programación, la cual tiene la misma lógica de un
diagrama de cableado. Su estructura tiene símbolos como contactos, i.e.: botoneras normales,
abiertas y cerradas. Las salidas “actuadores” son respuestas y se representan como
activaciones, que son señales eléctricas de corriente y voltaje.
En la Figura N°8, se representan un módulo de salida de un PLC. Cada uno de estos módulos
tiene varias conexiones, las cuales se asocian a los siguientes equipos, o elementos de control,
sean éstos bobinas (A1), bocina o luz piloto (LP-1), los que tienen en común que representan
una acción. Sin embargo, lo relevante en esta Figura N° 8 es que dependen de un solo equipo y
comparten la misma fase de alimentación (mismo voltaje). En términos de la programación,
las salidas, al igual que las entradas, pertenecen a arreglos de bits. Estos son únicos e
irrepetibles en el programa, es decir, se debe asignar una marca única, un nombre o un TAG.
Fase
Neutro
Fuente de Poder
Grupo o módulo de entradas. Digitales
0
1 2 3
4 5 6 7
Fuente: Personal.
Figura N°7: Entradas digitales.
12
Con la integración de las Figuras N°7 y N°8 se completa la configuración básica de un PLC, la
que se presenta en mayor detalle en la Figura N°9 siguiente.
Figura N°8: Salidas digitales.
Fuente: Personal.
FASE
Fuente de Poder + A1 -
LP-1
NEUTRO
0
1 2
3 4 5
6 7
Fase
Neutro
Grupo o módulo de
entradas.
Grupo o módulo de
salidas.
0
1 2
3
4 5
6 7
Entradas Fase
Fuente de
+
LP-1
Neutro
0
1 2
3 4 5
6
7
Fuente: Propia.
Figura N°9: PLC.
13
1.5 Tipos de entradas y salidas Digitales: Son las señales que provienen de un equipo eléctrico o electrónico cuya salida es
mediante un contacto “seco”, ya sea activado por un mecanismo electro-actuado o
electrónicamente.
Analógicas: Son la señales continuas, sean de voltaje o corriente. Tienen como objetivo
entregar valores continuos en el tiempo, acorde a rangos y valores definidos.
1.6 Descripción y origen de los DCS
En el lado opuesto de la industria, en cuyos procesos tienen y solicitan un desarrollo más
complejo y que exigen un grado de seguridad mayor, se crea el concepto de control
distribuido, el cual sugiere que el cerebro del control debe estar lo más cerca posible del
proceso. Se han desarrollado equipos que obtienen directamente del sensor la información del
proceso y en términos electrónicos analiza y emite información, ya sea en papel o mediante
algún protocolo de comunicación al centro de control general (ver Figura N°10). Siempre que
se requiera obtener información del medio con sensores, que miden algún fenómeno físico
(como temperatura, presión o flujo) se hacen necesarias las siguientes condiciones:
• Guardar los datos, graficar y realizar tendencias en tiempo real de las variaciones del
proceso.
• Generar un control acorde al proceso.
• Mejorar la condición de trabajo seguro.
• Resguardar la integridad de las personas.
En la siguiente Figura N°10, se observa que hay una distribución en el control, ya que los
sensores se encuentran en la cercanía (condición física) de cada controlador permitiendo que
cada señal obtenida del sensor sea transformada y, por ende, sea trabajada como dato:
• V-1: Válvula modulada.
• F1-F2-F3: Flujómetros.
• P1- P2: Presiones.
14
Los controladores se encuentran en terreno con conexión directa a los sensores, recopilando la
información y luego enviándolas a la sala de control. Este proceso permite mayor rapidez en el
intercambio de la información.
1.7 Relación con la historia del PLC y CS Indirectamente se ha mencionado que el PLC y el DCS son sistemas que dependen
directamente del avance tecnológico. Y por lo tanto, en la medida que la electrónica se ha ido
desarrollando, ésta ha permitido que los sistemas de control encuentren en forma rápida una
aplicación a sus requerimientos en el PLC. Uno de los cambios más relevantes fue incorporar
a su trabajo los conceptos de señales analógicas dando una opción poderosa al control, ya que
permitió incorporar sensores con variables o fenómenos físicos que están cambiando
constantemente en el tiempo y complementan con las señales discretas tomando un amplio
espectro del control. Para los DCS significó un cambio en la captura de las señales pudiendo
normalizar y estandarizar en las señales de corriente (4-20 mA) y voltaje (0-10 volt).
En la medida que han ido creciendo las necesidades de disminuir físicamente los dispositivos
y mejorar el rendimiento de las memorias, se han logrado optimizar las distintas habilidades
de respuesta en los sistemas de control, obteniendo cambios significativos en los procesos,
como por ejemplo, mayor rapidez en la adquisición de datos, manejo de la información y por
supuesto mejoras en la respuesta.
Figura N°10: Sistema distribuido.
Fuente: Propia.
15
Al aumentar la capacidad de almacenamiento, permite guardar una mayor cantidad de
variables, generando la aparición de herramientas que permiten un mejor entendimiento del
proceso y operación, por ejemplo:
a) Aplicaciones estadísticas, tendencias y gráficos.
b) Métodos Predictivos.
c) Requerimientos y estimaciones de producción.
d) Información en línea.
e) Mejoras para la operación de los mantenedores.
f) Aumentar la vida útil de los instrumentos.
g) Acceso a procesos mediante herramientas web.
En la siguiente Figura N°11 se indican algunos de los hitos de mayor relevancia para estos
sistemas. La idea es presentar el desarrollo tecnológico que ha permitido que los sistemas de
control se desarrollen en forma dinámica y transversal.
Uno de los mayores avances es la aparición y revolución de los transistores de silicio en los
Bell Telephone Laboratories por Barden, Brattain y Schockley. La mayor parte de las
tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invención.
Ya en 1960 tiene la aparición el PLC, que viene a cumplir el rol de control, (inicialmente eran
equipo de tamaño importante y que en la actualidad han ido reduciendo sus tamaños).
Si se hace una revisión en general, las marcas de PLC mantienes sus tamaños en el último
tiempo, principalmente porque mantiene sus modelos y en lo que realmente han
experimentado fuertes mejorías son en sus capacidades de procesamiento y memoria, que han
permitido que los módulos de CPU tengan realmente cambios importantes en su desempeño.
El DCS inicialmente es implementado en forma comercial en 1975, principalmente dirigido a
procesos químicos y/o petroleros.
16
Aparece el Modelo
OSI. Las comunicaciones
Industriales Ethernet TCP/ IP.
Los PLC y DCS comienzan a operar en procesos similares de control.
1968 PLC.
Invención de
transistor de
Silicio.
1975 DCS.
Las Comunicaciones comienzan a dar otro rumbo a los sistemas de control.
1970
Microprocesadores. El desarrollo de los
microprocesadores
da nuevas ventajas a
los sistemas de
control.
Fuente: Propia.
Figura N°11: Diagrama de tiempo con los hitos relevantes de los sistemas de control.
17
CAPITULO II ESTRUCTURA TECNOLOGICA 2.1 Estructura tecnológica En la unión de varios elementos en forma independiente no necesariamente resulta lo que se espera. Sin embargo, al ser integrados adquieren un peso importante. Esta unión es lo que se denomina una “estructura”. El término tecnología es posible definirlo de las siguientes maneras:
• Conjunto de teorías y de técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del
conocimiento científico.
• Tratado de los términos técnicos.
• Lenguaje propio de una ciencia o de un arte.
• Conjunto de los instrumentos y procedimientos industriales de un determinado sector
o producto.
En el área de la electrónica también existen estructuras y tecnologías las cuales basan su
fortaleza en el manejo de la información entre sus elementos, debido principalmente a que
existen distintas empresas que han acordado procedimientos, estándares y finalmente normas,
las cuales definen el camino que se debe seguir. Con esto, los sistemas de control pueden
aplicarse con resultados que entregan mínimos factores de falla.
2.2 Unidad central de procesos CPU Para describir la estructura de la CPU (unidad de proceso central) en un sistema de control
debemos revisar a lo menos dos instancias:
• Externa, como parte de la estructura del sistema de control. • Interna, parte de su propia estructura.
2.3 Estructura externa Es el entorno que le rodea. A nivel de hardware reconocemos del capítulo anterior lo siguiente:
18
• Módulos entradas y salidas.
• Fuente de poder. En caso de ser modular las entradas, salidas y fuente de poder, son independientes entre ellas y
se enlazan (conectan) mediante una placa base en esta estructura, la CPU recibe las señales
provenientes de los captadores mediante los diversos módulos de entrada y realiza en forma
general dos actividades. En primer lugar asigna el valor de lectura a una unidad de memoria
definida en el programa, y luego recorre el programa generando modificaciones,
principalmente por los cambios que se producen en las entradas. Según el programa, se
generan acciones y estas que al igual que las entradas, se asignan a unidades de memoria, las
cuales se ven registradas en los módulos de salida. Estas unidades de memoria están definidas
en un mapa, el cual indica la distribución de las variables que se utilizan para la operación de
un programa. En las Tablas N°1 y N°2 se hace referencia a doce series de CPU. Cada una de
ellas presenta diferentes rangos para cada una de las variables. En general, las empresas
asignan a los PLC con series y estas en la medida que presentan una mayor capacidad y
prestaciones son denominadas con un mayor índice en la serie. Adicionalmente, se observa
que hay diversas variables, la cantidad de estas se encuentra en función de cada CPU.
Los símbolos que utiliza como entradas discretas son el “%I” y dependerán de las entradas que
se utilicen; es decir, si el proceso consta de 5 entrada, se deberá considerar un módulo de 8
entradas, quedando tres disponibles, El módulo se debe configurar con el software, indicando
su posición en el rack y su correspondiente asignación de entrada. Se puede iniciar con la
variable, %I1 hasta el %I5. Es primordial generar este procedimiento ya que el programa
asumirá que las entradas configuradas siempre serán las mismas. No es posible renombrar las
entradas a otras variables, a no ser que se configure nuevamente el módulo de entradas. Como
la CPU estructura sus memorias y están definidas en cantidad se debe realizar ordenadamente
esta asignación, ya que de no tener claro esta condición el programa puede no cumplir con lo
requerido. Este procedimiento se repite para todas las memorias asignadas como entradas y
salidas en el caso de ser las marcas o registros internos que posee la CPU.
19
Tabla N°1: Asignación de memoria en CPU de PLC GE según modelos. CPU 311/313/323 (series básicas) CPU 331/340/341(series media)
Intervalo de
referencias
Tamaño. Intervalo de
referencias
Tamaño.
Lógica de programa de
usuario. No aplica. 6Kbytes No aplica.
CPU331:16 K bytes.
CPU340:32 K bytes.
CPU341:80 K bytes
Entradas digitales %I001-%I0320 512 Bits. %I001-%I0512 512 Bits.
Salidas digitales %Q001-%Q0320 512 Bits. %Q001-%Q0512 512 Bits.
Globales Digitales %G001-%G1280 1280 Bits. %G001-%G1280 1280 Bits.
Bobinas internas %M01-%M1024 1024 Bits. %M01-%M1024 1024 Bits.
Bobinas temporales %T001 - %T256 256 Bits. %T001 - %T256 256 Bits.
Referencias de estados
del sistema.
%S01 - %S032 32 Bits. %S01 - %S032 32 Bits.
%SAB01- %SA32 32 Bits. %SA01 - %SA032 32 Bits.
%SB01- %SB032 32 Bits. %SB01 - %SB032 32 Bits.
%SC01-%SC032 32 Bits. %SC001 - %SC0032 32 Bits.
Referencias de registros
del sistema.
%R01-%R512 (311)
512
Palabras. %R01 - %R02048 2K palabras (331).
%R01-%R512 (313) 1024
Palabras. %R01 - %R09999
9999 palabras
(340/341)
Entradas analógicas. %AI01-%AI064 64 Palabras.
%AI01-%AI0128. 64 Palabras (331).
%AI01-%AI01024. 1024 Palabras
(331/341).
Salidas analógicas. %AQ01-%AQ032 32 Palabras. %AQ01-%AQ064. 64 Palabras (331).
%AQ01-%AQ0256. 256 Palabras (330/341).
Registros del sistema. %SR01-%SR016 16 Palabras. %SR01-%SR016. 16 Palabras.
La diferencia entre las CPU311 con la 313 y 323 es que es fija es su chasis y solo permite 4 slot para sus módulos de entrada y salida loas otras contemplan un chasis de 9 slot. Para sus módulos de entrada y salida.
Fuentes: Serie 90-30 PLC, Instalación and Hardware Manual. Capítulo 5(GFK-0356Q) January 2010.
20
En la anterior Tabla N°1 se muestran la gama de las CPU de la serie 90-30 de GE, donde las
diferencias entre ellas radican principalmente en la capacidad de memoria tanto en la
disponibilidad de programación, como en sus variables de programación.
Esta selección se debe hacer desde el principio del proyecto, teniendo como principal motivo
el entorno y la aplicación para cual se está realizando esta selección.
En la Tabla N°2 se indican las distintas capacidades de CPU de las serie 90-30 de la serie GE
Fanuc, donde se señalan las capacidades de memoria y en la Tabla N°3 se indican las
velocidades y procesadores que utiliza cada una.
Tabla N°2: Asignación de memoria en CPU de PLC GE según modelos.
CPU 350/351/352/360/364/374 (series avanzadas)
Intervalo de referencias Tamaño.
Lógica de programa de usuario. No aplica. 240Kbytes, configurable. CPU 350 32 K Bytes.
Entradas digitales %I001-%I02048 2048 Bits. Salidas digitales %Q001-%Q02048 2048 Bits. Globales Digitales %G001-%G1280 1280 Bits. Bobinas internas %M01-%M4096 4096 Bits. Bobinas temporales %T001 - %T256 256 Bits.
Referencias de estados del sistema.
%S01 - %S032 32 Bits. %SAB01- %SA32 32 Bits. %SB01- %SB032 32 Bits. %SC01-%SC032 32 Bits.
Referencias de registros del sistema. %R01-%R512 (311) 128-32.640 Palabras,
CPU 350 9999 palabras fijas.
Entradas analógicas. %AI01-%AI 32.640 128-32-640 palabras
configurables. CPU350 9999 palabras fijas.
Salidas analógicas. %AQ01-%AQ032.640 128-32-640 palabras
configurables. CPU350 512. Palabras fijas.
Registros del sistema. %SR01-%SR028 28 Palabras.
Fuente: Serie 90-30 PLC, Installation and hardware manual. Cap. 5 (GFK-0356Q) january 2010.
21
A continuación se muestran las principales asignaciones que realiza GE para designar las
unidades de memoria a ser utilizadas por el usuario:
• %I: Memoria asignadas a las entradas digitales.
• %Q: Memoria asignada a las salidas digitales.
• %AI: de igual forma que el %I, pero estas son entradas analógicas.
• %AQ: Capacidad de salidas analógicas.
La forma en que se señalan las entradas y salidas indistintamente dependerá de la marca y
modelo de cada PLC. Estas variables son las que definen en un PLC la CPU que se deberá
considerar inicialmente para un proyecto.
Para revisar esta condición, comentaremos en forma genérica su organización interna, y
visualizaremos cual es la operación del proceso de:
• Lectura desde el sensor.
• Conversión de las señales de entrada digital o analógica.
• Capacidad de memoria.
Tabla N°3: Descripción general de CPU para PLC GE Según sus modelos.
Modelo CPU. Velocidad M Hz. Procesador Punto Flotante. CPU 311 10 80188 NO. CPU 313 10 80188 NO CPU 323 10 80188 NO. CPU 331 10 80188 NO CPU 340 20 80C188XL NO CPU 341 20 80C188XL NO CPU 350 25 80386EX SI CPU 351 25 80386EX SI CPU 352 25 80386EX SI CPU 360 25 80386EX SI CPU 363 25 80386EX SI CPU 364 25 80386EX SI CPU 374 133 586 SI
Fuente: Serie 90-30 PLC, Installation and hardware manual. Cap. 5 (GFK-0356Q)
january 2010.
22
• Ejecución del programa.
• Conversión de señales de salida a digitales o analógicas.
2.4 Lectura desde el sensor Independiente del fenómeno que midan o detecten los sensores, los módulos de entrada se
definen (en general) por la siguiente tabla (ver Tabla N° 4).
Al revisar la Tabla N°4 se pueden visualizar los distintos voltajes que se manejan como
entradas en un PLC, tanto en las entradas digitales como analógicas. La pregunta natural es,
¿cómo realiza el PLC estas lecturas? El modo en que la CPU accede a estas variables se
describe en los siguientes párrafos.
2.5 Conversión de señales de entrada digital y analógica Las entradas digitales, están asociadas a sensores que entregan una señal de activación o
desactivación (encendido o apagado). En las Figuras N°12 y N°13 se observan dos tipos de
circuitos electrónicos. La principal tarea de éstos es entregar valores de voltaje al módulo de
entrada. Los circuitos electrónicos del módulo realizan la tarea de aislar el voltaje de entrada,
mediante sistemas ópticos los cuales se calculan para un determinado voltaje (±24 Vdc, 110
Vac, 220 Vac). Este es el método que utilizan los PLC para percibir la información del
exterior.
Tabla N°4: Tipos de entradas. Señales Voltaje Corriente.
Discretas
24 VDC. 24 VAC. 48 VAC
110 VAC. 120 VAC 220 VAC.
Análogas 0 – 10 VDC
0 – 20 m A. 4 – 20 m A.
Fuente: Propia.
23
La electrónica asigna las siguientes lógicas de entrada a un PLC para voltajes continuos:
• Lógica positiva “1” cuando en su entrada tenga 24 volt. Y “0” cuando 0 volt.
• Lógica negativa “0” cuando en su entrada tenga 24 volt. Y “1” cuando 0 volt.
Para voltajes alternos, solo se considera lógica positiva.
Se puede apreciar de la Figura N°12 que el sensor se encuentran en serie con la fuente de
tensión, cuando éste es activado el circuito se cierra permitiendo el paso de la corriente al
módulo, con esto el módulo de entrada de PLC detecta como señal el cambio del sensor.
Figura N°13: Entra a PLC en 120 AC.
Acoplamiento Optico
1.0 µ f
Fuente: Propia, Manual GE (GFK-0356Q).
Fuente: Propia, Manual Ge (GFK-0356Q).
Figura N°12: Entra a PLC en 24 VDC.
24
Además, las figuras hacen referencia a un concepto muy relevante en control automático, estas
son las interfaces que por un lado trabajan con tensiones y corrientes en equipos de baja
tensión (±24 Vdc, 110 Vac, 220 Vac.), y respecto al de la electrónica que es con tecnologías
TTL y CMOS, las que están en torno a los ± 12, ±9 y ±5 volts.
En todo equipo eléctrico y electrónico, quien define su consumo es la corriente que requiere
para su operación. En este caso, ambos módulos requieren de 24 volt como tensión nominal.
Quién seleccione el PLC deberá tener en cuenta todos estos consumos para lograr la óptima
configuración de su sistema de control.
Continuando con las entradas en un PLC en Tabla N°5, se indican las diferencias para dos
módulos de PLC en 24 VDC de dos marcas distintas, y para una aplicación similar; sin
embargo, los valores difieren en los rangos de tensión, consumo y tiempos de operación. La
idea de presentar esta tabla es entregar una noción de que, si bien ambas marcas cumplen con
el objetivo final, hay diferencias sutiles. En una selección será relevante tanto en su prestación
como en la economía.10
Las entradas analógicas entregan valores numéricos que pueden o no variar en el tiempo, a
diferencia de las digitales en la cual solo indica una activación o desactivación. Las señales
analógicas juegan un rol fundamental en los procesos de control, ya que permiten cuantificar
señales o fenómenos físicos. Algunos ejemplos de señales analógicas son la entregada por un
sensor que mida temperaturas, peso, flujo etc.
En La Figura N°14 se indica cómo se asocia los cuatro a veinte mA. (4 - 20 mA) de las señales
de las distintas variables. El programador deberá asignar (escalar) a cada una de las variables
el rango máximo y mínimo de operación.
De no realizar este proceso en el programa, la variable entregará valores que no concuerdan
con lo esperado, produciendo problemas graves en el proceso. Para resolver esta situación se
prueba el canal y se ingresan en el block asociado a la variable con su escalamiento.
10 Las marcas de la Tabla N°5, son solo referenciales.
25
Tabla N°5: Comparación entre dos módulos de entrada 24 VDC de PLC GENERAL ELECTRIC Y ALLEN BRADLEY. Ítem
Descripción Modulo entrada, IC693MDL645. Serie 90-30 GE
Modulo entrada, 1756-IB16 Allen Badley
1 Tensión nominal 24 VDC 24 VDC 2 Rango de entrada De 0 - 30 VDC. 10 – 31.2 3 Corriente de entrada. 7 ma con A
tensión nominal 2 ma.
4 Tensión ON (1) De 11.5 a 30 VDC. Mayor a 5 VDC. 5 Tensión OFF (0) De 0 a 5 VDC. Menor o igual a 5VDC 6 Corriente en ON 3.2 mA. 10.0 mA (máx.) 7 Corriente en OFF 1.1 mA. 1.5 mA. (máx.) 8 Tiempo respuesta ON 7 ms (típico). 2.1 ms. (máx.) 9 Tiempo respuesta OFF 7 ms (típico) 11 ms promedio.
Fuente: Manuales GE serie 90-30, Manual. AB http://ab.rockwellautomation.com/Programmable -controllers.
Figura N°14: Gráfico de relación entre variables de proceso y señal
4 – 20 ma.
Medición T°Rango 0-800°C
Medicion de Flujo 0 - 40 m3/h
4 -
8 -
12 -
16 -
20 -
250 50 10075
0
% de la Variable
100 20 4030
200 400 800600
Fuente: Propia.
26
Otro aspecto relevante se presenta en la Figuras N°15 que indica en diagrama de bloques
como el PLC adquiere y trabaja valores analógicos.
2.6 Operación de la CPU Una de las operaciones de la CPU es el manejo de la información, principalmente el de las
señales de entrada independiente de su tipo.
Para las señales discretas, la CPU toma la variable digitalizada (ceros y unos) y la aloja en una
unidad de memoria única para cada entrada. Una vez que haya sido asignada la variable, es
posible utilizarla en el programa. En general, los PLC tienen pre asignadas las unidades de
memoria, es decir son fijas en términos de capacidad.
En la Figuras N°16 se muestra como la CPU adquiere los valores discretos desde terreno.
Cada sensor está asociado a una entrada del módulo de PLC. Este internamente lo asocia a un
registro o grupo de bits, el cual se aloja en un espacio de la memoria de la CPU y es único en
la memoria. Para la las señales analógicas se cambia el esquema de asignación, por la simple
razón de que la CPU no traslada directamente los valores de los registros de memoria.
Esta es una de las condiciones y diferencias que realizan los desarrolladores de PLC, ya que
dependerá de cómo trabajan y se asignan estas señales, puesto que al dar énfasis a las señales
Entrada Canal
Analógico
PLC
CPU
Tabla de Datos Entrada
(Memoria) Analógica
Modulo Entrada Analógica
Filtro Conversión
Conversión Analógica a Digital
Conversión Convertidor de
Paralelo a Serie
Fuente: Propia: Manuales GE serie 90-30,
http://ab.rockwellautomation.com/Programmable-Controllers.
Figura N°15: Proceso en un diagrama de bloques y de como el PLC trata las señales analógicas.
27
analógicas se necesita mayor capacidad de memoria y obliga a desarrollar mejores
aplicaciones en términos de operación y matemática.
2.7 Capacidad de memoria Como concepto, la memoria se describe como un conjunto de elementos electrónicos que
permiten mantener o guardar la información. Esta se encuentra en valores digitales (unos y
ceros). Hay varios tipos de memorias, volátiles y no volátiles. Se basan principalmente en la
condición de presencia de energía eléctrica para mantener su información almacenada. Una
memoria volátil perderá su información en el momento que se quede sin energía. En general,
los PLC y controladores tienen una batería de larga duración para evitar los problemas que
acarrea la pérdida de energía. La CPU trabaja en forma directa con las siguientes memorias:
a. Memoria de entrada y salida. Almacena los distintos valores digitales o analógicos
(convertidos a ceros y unos como bits, bytes o registros) ya sea por las entradas de los
sensores, como así de salidas mediante los actuadores.
Fuente: Propia.
Registro de 7 bits de memoria.
Figura N°16: Asignación de señales a memoria de PLC.
24 VDC.
S1
Módulo de entrada a PLC
S2
S3
S4
S5
S6
S7
7 6 4 5 3 2 1
28
b. Memoria de datos o almacenamiento: Almacena los distintos productos del programa
ya sean resultados de operaciones, o información anexa a las entradas y salidas que
están relacionadas con la ejecución del programa.
c. Memoria de programa: Esta memoria aloja el programa que realiza el control. Puede
ser modificada constantemente.
En la Figura N°17 se muestra un diagrama en bloques que indica el ciclo de una CPU en
forma genérica, cuando ya está operando con un programa en su memoria. En este proceso la
CPU hace un barrido de todas las señales, tanto de entrada como de salida y con estos datos
realiza los cambios que se proponen en el programa.
Esto significa que una variable puede estar duplicada en el programa y ello generará
inconsistencias. Esto obliga al programador a estar alerta a su configuración en el desarrollo
de su proyecto. Cuando el software detecta este tipo de errores es capaz de señalar estas
condiciones para un programa simple y, por ende, esto se puede resolver rápidamente. Sin
embargo, para programas con mayores complejidades esto generará importantes pérdidas de
tiempo para resolver la situación. Ahora bien, si el programador no atiende estas indicaciones
puede generar daños en equipos y máquinas. Lo más grave es, que genera situaciones que
pudieran atentar contra la seguridad de las personas.
Además en la Figura N°17, no solo visualizamos la operación, además, podemos indicar que
en cada uno de estos ciclos hay tiempos asociados, los cuales serán variables, y que dependen
de la cantidad de entradas, salidas independientes, del tipo (analógicas o discretas), y por
supuesto la magnitud del programa en términos de uso de recursos y aplicaciones. Es esta
condición la que ha permitido tener en el mercado una importante gama de marcas y modelos
(según la aplicación requerida por el usuario).
29
De Entradas Y Salidas
Habilitación
(Prog.) Corriendo
Modo RUN
Habilitación de Entradas y
Salidas
Inicio de
Cálculo De Checksum Uso del programa.
Sistema de Comunicaciones
Programa de Comunicaciones
Revisión de Salidas SI
NO
NO
0
.
0
7
NO
SI
Revisión de Entradas
SI
Programa
Ejecución de programa.
Fuente: Series 90™ Manual 30/20/ Micro PLC, CPU Instruction Set,
Reference, GFK 0467M, Page 2.
Figura N°17: Diagrama ciclo Scan.
30
2.8 Ejecución del programa Para lograr una correcta ejecución de un programa, el programador deberá tener claro cuáles
son las prestaciones de la CPU, con el objetivo de identificar y determinar las variables que
están asociadas al proceso, esto significa saber cuántas:
• Entradas digitales / analógicas tiene disponible.
• Salidas digitales / analógicas tiene disponible.
• Temporizadores y de que unidad (segundos, minutos, horas) dispone.
• Variables internas de uno o dos byte dispone.
Con lo anterior el programador ya puede definir su estructura de programa, y esta será:
a. Secuencial: El programa tiene una cantidad determinada de operaciones a realizar, las
cuales son ejecutadas una tras otra, frente a esta situación en la Figura N°17 el ciclo
será fijo. Al tiempo que la CPU demora en realizar un barrido se denomina “Ciclo
scan”.
b. Multi secuencias: El programador debe generar dos o más secuencias dependiendo de
condiciones del proceso (externas).
c. Secuencia con llamado (saltos) a subrutinas: El programador aparte de tener que
programar cualquiera de las otras condiciones deben generar otros programas
específicos, los cuales serán llamados del programa origen. La instrucción es ir al
mini programa (sub rutina), el programa origen se detiene en ese punto de llamado a
la espera de obtener la señal de subrutina terminada, una vez realizada la sub rutina el
programa origen sigue con la proceso y avanza. En general, este tipo de programas
consume muchos recursos de la CPU y su “Ciclo scan” es mayor que en los otros
procesos.
31
2.9 Conversión de señales de salidas digitales y analógicas La activación de las salidas es en general inversa a las entradas. Para el tipo digital cuando es
necesario activar una salida mediante el programa, este almacena en una unidad de memoria
un uno (1) en un bit y un número 0 palabra (Word utiliza dos bytes de memoria) los cuales
pueden ser enteros y reales (punto flotante).
En las salidas digitales se aplica un circuito, en el cual un diodo y una bobina son activados
desde una unidad de memoria, y la interfaz de potencia permite la conexión con el medio
externo. Esta condición es reflejada en la Figura N°18.
.
.
Para las salidas digitales estas utilizan variables en bytes (8 bits) para lo cual se realiza la
operación o conversión digital a análogo. Ver Figura N°19.
Figura N°18: Módulo salida en 24 Vdc.
Fuentes: Propia.
Figura N°19: Diagrama en bloques de módulo de salida analógica de PLC.
Fuentes: Propia.
Canal de
Salida Filtro
Conversión Digital a
Analógica Convertidor de Serie a
Paralelo
CPU
PLC
TABLA DE DATOS SALIDA
(MEMORIA) ANALOGICOS
Modulo Salida Analógica
32
Según la Figura N°19 la información está en la unidad de memoria asignada a los valores
analógicos (convertidos en bits), y estos son tomados por el conversor que realiza la operación
inversa a la digitalización de la variable para así obtener la salida en volts o como señal de
corriente.
Para los DCS, las CPU de los controladores que están en la línea directa con la
instrumentación, tienen mayores requerimientos que los PLC. Los DCS trabajan con menor
tiempo en el ciclo de barrido (scan), pero requieren mayor capacidad de memoria, por la
cantidad de señales analógicas que manejan, y la capacidad para realizar operaciones
matemáticas las cuales son utilizadas en los lazos de control y por el envío de los paquetes de
información a los niveles superiores de la propia arquitectura.
PlantPAx, es el DCS de Rockwell, toma toda la experiencia con los PLC y software de
Rockwell Automation y no genera un producto nuevo, lo que hace es potenciar sus estructura
generando nuevas CPU para PLC que son compatibles con ambas estructuras, pero con
mayores prestaciones.
Para PlantPAx, los requerimientos básicos a utilizar con este sistema se asocian con los
siguientes modelos de CPU:
• ControlLoxic 1756-L61, 1756-L62, 1756-L63, con firmware revisión 19.x.
• ControlLoxic 1756-L72, 1756-L73, 1756-L74, con firmware revisión 19.x.
En la Tabla N°6 encontramos cuales son los modelos que son compatibles de PlantPax ya que
este DCS requiere de mayor capacidad en su memoria por el simple motivo que trabaja con
más variables analógicas que el PLC.
33
Tabla N°6: Características de CPU para sistema DCS. PlantPax.
Modelo de CPU
1756-L61 1756-L62 1756-L63 1756-L72 1756-L73 1756-L74
Memoria usuario
2MB 4MB 8MB 4MB 8 MB 16MB
Entradas y salidas Max.
375 750 1500 750 1500 2250
Total TAGS,
máximos. 15.625 31.250 62.500 31.250 62.500 112.500
Controles (lazos) max.
60 125 250 125 250 450
Total de controles 250ms.
60 125 125 125 250 250
Total de controles 500ms.
60 125 250 125 250 450
Envío de TAG/seg a Servidor
10.000 10.000 10.000 20.000 20.000 20.000
Fuente: CD Listen. Think Solve Publication PRCESS-lm002-EN-C nov 2011. Rockwell Automation. INC.
34
CAPITULO III ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES
En este capítulo se expondrán conceptos de comunicación, redes, protocolos y elementos de
campo. Lo que se pretende con esto, es poder buscar que elementos o equipos pueden
conectarse a una red y específicamente a una red industrial.
3.1 Arquitectura de comunicaciones: ventajas en sistemas centralizados y distribuidos
La comunicación, es una necesidad de compartir información entre dos entes. La idea
principal es que ambos cumplan con requerimientos básicos, para realizar dicho intercambio.
Por ejemplo, en los seres humanos están las señas, el lenguaje, el idioma (esto se conoce como
protocolos), entre otros. Para las máquinas como computadores, controladores actuadores y
captadores, funciona de la misma forma puesto que se definen reglas, las cuales son un
conjunto de condiciones que permiten a dos o más entes poder intercambiar información.
En la Figura N°20 se observa como dos personas realizan el proceso de comunicación, en la
cual una de ellas emite una información (saludos) y la otra es quien recibe la información
(receptor), para luego responder.
El procedimiento de un protocolo humano para el intercambio de información se puede
asociar con un saludo entre dos personas, quienes pueden o no conocerse, ya que el inicio, es
efectuar sólo mediante una señal, la cual es reconocida por la otra persona, quien discriminará
Fuente: propia.
tiempo tiempo
Figura N°20: Comunicaciones.
35
inicialmente respondiendo a ésta o no. En la condición de aceptar este saludo, dará la
oportunidad de seguir en el proceso de intercambio de información y serán las siguientes
frases las que permitirán fluir una conversación con mayor calidad y profundidad, y por ende,
llevar a cabo la comunicación. Si la segunda persona no recibe bien el saludo por algún
motivo, no permitirá o no se podrá realizar la comunicación entre ambos. Esta breve
descripción de cómo es realizada una simple situación entre dos personas se puede trasladar a
la definición de un protocolo de máquinas, como computadores, controladores, etc. Un emisor
envía una señal para iniciar el envío de un dato (intercambio de información), y si el receptor
desconoce el formato recibido (parámetros como por ejemplo; solicitud, inicio, extensión,
velocidad y envió del mensaje), ésta se perderá, el emisor y receptor quedarán en espera sin
poder resolver esta situación. Para resolver es necesario en una primera instancia, determinar
los parámetros necesarios para generar la comunicación. Se debe interiorizar en los equipos,
tanto emisores como trasmisores, que estén en condiciones de:
• Tener medios de comunicación, por ejemplo, tarjetas de red.
• Contar con los parámetros de las tarjetas.
• Tener acceso a programas que permiten activar las tarjetas.
• Poseer los programas que permiten asignar direcciones (IP), velocidad, cantidad de
bit a enviar y recibir.
• Información enviaremos o recibiremos, será un texto, valores, números enteros,
reales, palabras, en bytes o doble bytes, estos serán en Hexadecimal, ASCII, otro.
• La conexión, serán, con conductores de dos hilos (par) o varios conductores
(multipar) de cobre, coaxial, fibra óptica, inalámbrica, etc.
Se deberá realizar una investigación sobre que queremos enviar. Hoy en día aparentemente
es sencillo, hay estandarizaciones que permiten realizar todo tipo de comunicaciones de
modo de conectar y usar, sólo transmita y reciba. Esto lo vivimos en las redes de
computadores; sin embargo, en las redes industriales estamos levemente atrasados, ya que
todavía debemos identificar qué, cómo y con quien nos debemos comunicar. En la Figura
N°21 se puede observar una red de computadores en la cual hay dos computadores, un
Notebook y un routers, este último es el administrador de la red (no de la información), es
36
quien reconoce a los equipos mediante sus direcciones “IP”. Además, existe un solo tipo
de red, no confundir con una topología.
En las comunicaciones industriales los “datos” que se transmiten tienen otro sentido; es decir,
se requiere saber si un sensor detecta un cambio, o un actuador realiza su función, A modo de
ejemplo, cuando se abre una válvula que permite el llenado de un estanque, siendo detectado
por los sensores de nivel. Lo que se espera, está definido y por esto se sabe y se asigna la
cantidad de memoria (en términos de bits) que se utilizará.
No obstante, en las redes industriales se visualizan cuatro niveles de operación, tal como se
señala en la Figura N°22. En la parte inferior, la imagen indica que los sensores y actuadores
que son utilizados en una planta de proceso, indistintamente el rubro. Los sensores emiten la
información al controlador y lo pueden hacer de dos formas, con cable (par de alambres)
directo al controlador o mediante una conexión que recorre todos los sensores uno por uno
llegando al controlador con un sólo par de cables.
En el nivel tres, administración, se utiliza la información para generar documentos,
estadísticas e informes de la producción. Este nivel es asociado a las gerencias de planta.
Fuente: propia.
Figura N° 21: Comunicación entre computadores.
37
En el nivel dos, sala de control, lugar donde se presenta el proceso en pantallas, existe un
operador que realiza el control. En este nivel el operador no puede realizar o hacer
modificaciones.
Para el primer nivel (Nivel uno) se muestran controladores, generalmente en salas eléctricas.
Si se controla una máquina, estos controladores deberán estar muy cerca de ésta. Por lo
general, en esta línea se utilizan computadores, denominados estaciones de ingeniería y su
función inicial es realizar los programas en los controladores y las pantallas de los HMI11 o
11 HMI: del inglés Human Machine Interface, Interface hombre máquina.
Nivel cero
Nivel uno
Nivel dos:
Nivel tres:
Fuente: Propia.
Figura N°22: Niveles de operación en las redes industriales.
38
SCADAS12. Luego que se ha puesto en servicio el proyecto este deberá cumplir la función de
realizar cambios y modificaciones menores. Por un tema de espacios, este computador se
ubica en la sala de control, confundiéndose con las estaciones denominadas clientes, y es por
este motivo que se tiene acceso restringido.
Finalmente en el nivel cero, Campo, es en terreno, donde se ubican físicamente los sensores y
actuadores.
La información es recibida por el controlador desde los instrumentos de campo, se almacena
en sus memorias y las envía mediante un protocolo previamente establecido entre los equipos,
a uno o varios computadores denominados servidores. Dependerá del nivel del proyecto la
cantidad de servidores que se requieran. En general, se utilizan los siguientes servidores:
• De almacenamiento de datos.
• Con programas de visualización de pantallas que representan el proceso.
• De dominio: Permite los accesos y permisos a la red industrial, asigna el tiempo
(clock reloj) en la red.
Además, existe el concepto que se denomina redundancia, el cual permite la existencia de
computadores espejo que manejan los mismos programas y son respaldos unos de otros.
Los servidores tienen características diferentes a los computadores “clientes”, principalmente
están asociados a sus memorias RAM (memoria de acceso rápido), capacidades y arreglo de
disco. En general, los clientes son equipos con menor capacidad, dado que, en estos solo se
despliegan aplicaciones de los programas.
Para esto, las distintas marcas desarrolladoras de productos, como programas de PLC y
computadores, se reúnen y toman acuerdos para uniformar y estandarizar los procesos. Uno de
estos acuerdos es la utilización del modelo OSI13 que describe el formato de transmisión de la
12 SCADA, del Inglés Supervisory Control And Data Acquisition, Supervisión, Control y Adquisición de Datos.
13 OSI: Del inglés Organization Standards International.
39
información y que consta de 7 capas; las que describen el proceso de envió de datos de un
computador a otro. Para mayor información sobre modelo OSI, protocolos y buses de
comunicación, referirse al Anexo del presente trabajo.
En la Tabla N°6.1 se indican los protocolo de comunicación industrial más utilizados en la industria. Tabla N°6.1: Protocolos de comunicación de control industrial e instrumentación industrial.
Bus Propietario Topología Medio
Físico
Velocidad
Bit por seg. Distancia
segmento
Nodo por
segmento
Mod bus Modicom (USA) Bus lineal Par
trenzado De 300 bps a 19.2Kbps. 1000m 248
Profi bus Industria
Alemana Bus lineal
Par
trenzado
9.6 Kbps 19,2 Kbps 93,75 Kbps 187,5 Kbps 500 Kbps
1200 m 1200 m 1200 m 600 m 200 m
32
Inter bus-S Phoenix Bus lineal Par
trenzado 500 Kbps 4600 m 256
Device Net Allen Bradley
Bus lineal Par
trenzado
125 Kbps 250 Kbps 500 Kbps
500 m 250 m 100 m
64
Control Net Bus lineal,
árbol Coaxial,
F.O. 5Mbps 1000 m 480
Can Bosh y Cia Alemania Bus lineal Par
trenzado De 500 a 1Mbps 1000m 127 a 64
Ethernet IP Bus lineal
Par trenzado
10 Mbps 100 Mbps.
100m
F.O: 100 Mbps 200Mbps
HART Rousmont and Fisher Bus lineal Cable dos
hilos 1200 bps 3000 30
Fuente: http://www.tecnicsuport.com/index.php.
40
En la Tabla N°6.2 se presenta en forma resumida la estructura de las redes que se utilizan para
comunicar equipos, sensores y controladores.
Tabla N°6.2: Estructura de redes asociadas a los controladores en el control industrial.
Tipo Descripción
Paralelo Todos los equipos se conectan a una sola salida del controlador Estrella Cada equipo tiene una salida asignada en el controlador.
Anillo. Cada equipo tiene un módulo de entrada y salida de comunicación, lo que permite que estos incluyendo al controlador conectarse entre ellos.
Fuente: http://www.tecnicsuport.com/index.php.
41
CAPITULO IV MANEJO DE LA INFORMACION 4.1 Manejo de la información El manejo en general de la información en los PLC y DCS, tiene que ver directamente con el
proceso que cada uno de estos está controlando. Ellos toman los datos del proceso, es decir: lo
que se requiere es obtener de los instrumentos la información que el proceso necesita para su
control, y como se mencionó en el Capítulo N°2, son los sensores quienes entregan dicha
información.
En el origen de los PLC, la intensión era obtener señales con condición de encendido y/o
apagado, es decir variables digitales a nivel de bit. En el caso de los DCS las señales se
asocian a variables continuas en el tiempo, como por ejemplo, indicación de una temperatura
con respecto al tiempo. Además, las señales de proceso son totalmente diferentes. Como
preámbulo a los siguientes tópicos debemos familiarizarnos con los siguientes conceptos:
• Sistema centralizado.
• Sistema distribuido.
4.2 Sistema centralizado Todas las variables que son obtenidas del medio son capturadas por un solo elemento de
control, por ejemplo: en un PLC tendremos que todos los elementos indistintamente de su
distancia y condición estarán conectados directamente a un controlador (equipo electrónico)
con las consecuencias que esto significa:
1. Excesos en el cableado.
2. Longitudes excesivas.
3. Perdida de señal por variaciones del voltaje.
4. Mayores consumos de energía.
5. Aumento en calibre de los cables (conductores).
6. Pérdida de tiempo para los mantenedores en ir al sensor ubicado en terreno.
42
La Figura N°23 hace referencia al sistema antes indicado, en el cual los elementos E1, E2, E3
y E4 envían información a C1 que se encarga de recibirla.
4.3 Sistema distribuido Es el sistema en el cual los elementos continúan dirigiendo la información a un controlador, el
que, a su vez, tiene una instancia superior, es decir, otro controlador que puede ser a lo menos
igual (en términos de capacidad, ya sea en CPU como en módulos de I/O) y que se encuentra
bajo su línea. La idea principal es acercar el controlador a los elementos a registrar. En la
Figura N°24 se muestra un sistema en el cual hay tres controladores, de los cuales hay uno
sólo que recibe la información y que se encuentran más cerca de los elementos de campo, a
esta configuración se le denomina sistema distribuido o distribuido.
Como se observa de las Figuras N°23 y N°24, los sistemas de control son aislados, no
obstante, originalmente estos se pensaron con el fin de comunicarse entre ellos. Sin embargo,
se prosiguió trabajando en el objetivo de mejorar las aplicaciones y entregar un mejor
producto. Las diferentes marcas necesitaban distinguirse de las demás, y cada una de estas
desarrolló, programas y sistemas electrónicos con aplicaciones propias (esto genera el
concepto de sistemas propietarios).
Fuente: Propia.
Figura N°23: Sistema centralizado.
43
Fuente: Propia.
Figura N°24: Sistema descentralizado o distribuido.
Con esta filosofía y aprovechando el desarrollo tecnológico, no se tardó para que se dieran las
condiciones a fin de poder acceder a otro controlador, sensor o actuador; es decir, al haber
intercambio de información, se generaron las condiciones para realizar la mencionada
comunicación. Como se ha mostrado, en ambos sistemas hay comunicación, ya sea entre los
captadores o bien entre los actuadores con los controladores programables. Los objetivos
iniciales de la citada comunicación son:
a) Acceder remotamente a controladores, sensores y actuadores.
b) Manejar las condiciones de los controladores.
c) Que el operador pueda realizar cambios en los valores de control, Set point14, bandas
de control.
d) Guardar información de los parámetros de las variables a controlar.
e) Generar gráficos de las variables.
f) Hacer históricos de las variables.
g) Generar informes de producción.
h) Obtener estadísticas con la operación y producción de los mismos sensores.
i) Realizar mantenciones preventivas para los sensores.
j) Realizar calibración de sensores vía remota.
14 Set Point, del inglés, punto de ajuste.
44
Los PLC para cumplir los objetivos antes indicados requieren de otros programas
informáticos, estos son las denominadas interfaces hombre máquinas HMI y los sistemas de
adquisición de datos SCADA. La diferencia entre ambos programas es que los HMI son los
que se asocian a procesos dedicados (por ejemplo máquinas). Los SCADAS son quienes se
aplican en procesos más extensos, como procesos industriales y su función es adquirir datos y
manejarlos para generar una interfaz entre el proceso y los operadores, donde se generan
objetos que se asocian a condiciones del proceso.
En las Figuras N°25 y N°26 se presentan dos pantallas en construcción de un SCADA
Cimplicity de GE Fanuc15, con elementos que cumplen con la función de presentar el proceso
mediante las siguientes figuras:
1. Indicación de nivel de estanque (A).
2. Estanque con indicación de nivel y temperatura (B).
3. Pantalla 1(C).
4. Pantalla de analógico (D).
Lo relevante de éstas figuras, es que indica que hay imágenes que se asocian a cada uno de los
PLC que se muestran. Estas imágenes son asociadas a las variables del proceso, mediante la
dirección que corresponde en el PLC, donde se está capturando la señal.
La animación de cada una de estas figuras es programada por herramientas que posee el
programa.
El programador del SCADA debe tener la habilidad de poder reconocer que las variables del
proceso provienen de tres PLC distintos, es por esto que debe capturarlas, asociarlas a eventos
y gráficas que debe construir en función de cada aplicación (variable de proceso), ya que son
independientes y no debe olvidar sus respectivos escalamientos.
15 Cimplicity de GE Fanuc, Cimplicty Es el nombre que da General Electric a su sistema de adquisición y supervisión de datos.
45
De igual forma deberá realizar llamados a otras pantallas donde habrá otras gráficas del
proceso. En cambio los DCS traen subrutinas de imágenes pre-realizadas, solo se deben llenar
los parámetros que individualizan a cada instrumento. En las imágenes expuestas, que son
parte de un extenso trabajo y posiblemente el ejemplo sea sólo un 20% del proceso.
En la configuración de PLC – SCADA, un punto importante de resaltar es que cuando se
realiza un cambio, este afecta a los dos sistemas. Para poder realizar el acople entre ellos se
requiere la sincronización de ambos programas a nivel de las direcciones de memoria.
Esta condición requiere profesionales que puedan manejar ambos sistemas simultáneos. Este
tipo de control se basa principalmente en una organización que es denominada “Cliente
Servidor”; en el cual hay un controlador o PC que se encuentra interrogando y obteniendo la
información de otro controlador.
Fuente: Cimplicity//ciemesdit/3 over/cimesditscreen configurationexample.thm.www.proscada.ru.
Figura N°25: Imagen de un SCADA. Con una pantalla en construcción.
46
Los valores o datos son mantenidos en el cliente (PLC), ya que el servidor solo lee sin guardar
los datos. En dichos servidores se encuentran el o los programas que permiten generar las
pantallas, almacenar los datos convertidos, generar listado de alarmas, graficar las tendencias
de cada elemento que se ha de seleccionar; como por ejemplo corrientes, voltajes, frecuencia
de un motor.
Para la configuración de la arquitectura, cada marca asigna sus propios requerimientos para las
aplicaciones. Como los procesos que se controlan tienen variables que varían en el tiempo y
son independientes del control, éstos se convierten en sistemas altamente demandantes, lo que
obliga a generar redes de comunicación independientes de otras redes (como por ejemplo, las
de información (redes de servicio). Con esta premisa, se ha obligado a que los sistemas de
PLC con SCADA o DCS generen sus propias redes.
Por tanto, los sistemas PLC más SCADA, por lo general utilizan la arquitectura denominada
Cliente Servidor. Y por otro lado los DCS tienen arquitectura de bus o nodos.
Figura N°26: Imagen de un SCADA con una pantalla en construcción.
Fuente: http://Cimplicity//ciemesdit/3 over/cimesditscreen configurationexample.thm.www.proscada.ru/
47
4.4 Cliente servidor Para desarrollar esta idea debemos indicar que esta arquitectura, se relaciona con los
computadores asociados al sistema de control, la cual consta de los siguientes equipos:
• Clientes.
• Servidores.
Los clientes son computadores que cumplen la función de ser la interfaz visual entre el
proceso y el operador. En ellos se visualizan las aplicaciones realizadas en los servidores.
Para los servidores en cambio, la tarea es muy diferente. Ellos se encargan de la operación de
la red, esto es: son quienes adquieren la información desde el o los controladores, generan
bases de datos para que los clientes accedan a éstas y finalmente, puedan representarlas
gráficamente en las pantallas de los clientes. Como los servidores realizan varias tareas, es
recomendable asignar distintos servidores para separar y potenciar el sistema.
Los distintos SCADAS proveen de programas y soporte especializado que asignan las tareas
de los servidores, pero en general el servidor es quien lleva el control de las actividades del
sistema y provee a los demás componentes de la red de sus servicios.
Servidor de dominio
Dentro de sus funciones principales, se encuentra la de, entregar a la red parámetros que
permitan mantener una cronología con respecto al tiempo; es decir, entrega el parámetro de
sincronización a cada componente de la red, lo que es primordial para la recopilación de
registros de datos y resolución de problemas. Es además quien autentifica a cada elemento de
la red. En él se realiza la asignación de las direcciones IP16 y los nombres con los cuales se
conforma el dominio de la red.
16 IP: Del inglés Internet Protocol, es un número que se asigna a los computadores que están en una red, que permite individualizarlo dentro de esta red.
48
Servidores base de datos Son quienes tienen la misión de almacenar los datos que entrega él o los PLC de la red de
control. Toma las variables, las indexa y las convierte a un formato plano, para que las
aplicaciones las trabajen (programas ubicados en los PC clientes) sobre su servidor. Por
ejemplo, cuando un operador requiere determinar algún parámetro de un motor, como su
corriente, el visualizará en el gráfico de tendencia el valor actual y pasado de dicha corriente,
el PC cliente solicitará al servidor de datos esto valores y generará su curva. Como los
archivos son planos, la información, que se almacena puede ser de varios meses. Por lo
general, los servidores están dotados con una electrónica de mayor nivel con procesadores más
rápidos, discos de almacenamiento con mayor capacidad, sistemas de arreglo para guardar y
respaldar sus datos y programas de operación que los computadores denominados clientes (ver
Tabla N°7).
Tabla N°7: Diferencias entre los PC servidores y clientes.
Memoria Disco Duros (DD) Procesadores
Servidores. Dimm 4 Gb. 2 Discos HHD 500 GB
Intel Xeon cuádruple-, Core 3.1 G Hz.
Clientes. 3 Gb. 80 GB. Intel Core TM 2 Duo E8400.
Fuente: Propia.
En la Figura N°27, se presenta una arquitectura cliente servidor, donde se visualiza el proceso,
con los PLC, administrador número1, servidores (tres), administrador número dos, dos PC
clientes y arreglo de monitores. El proceso se comunica con los PLC mediante algún protocolo
de campo (línea amarilla), entre los PLC se comunica vía protocolo de red que puede ser
control net, ya aguas arriba los PLC se conectan a un administrador industrial mediante
Ethernet IP. Como la conexión se presenta en azul puede ser fibra óptica, esta se utiliza para
tramos extensos (esta puede ser vía fibra óptica17). Sobre 90 metros aproximadamente y para
17 Se debe hacer notar que al usar fibra óptica, se deberá considerar los conversores de fibra a otro medio que soporten los administradores o, en su defecto, utilizar las correspondientes cabeceras de FO.
49
distancias menores se puede utilizar cable CAT 5e18 o superior (con pantalla). Pero no es
recomendable trabajar en los límites, ya que se puede observar que el puente entre los clientes
y los PLC, son los servidores. Esta pequeña indicación es la base de esta estructura de
información, y si se requiere acceder al PLC ya sea para verificar el programa o modificarlo,
esta estructura no permite hacerlo desde un computador cliente, solo deberá hacerlo
directamente sobre la red de PLC. En el caso de una modificación, ésta deberá ser realizada en
el PLC. En sistemas SCADA reprogramados, los programas tanto en el servidor como en los
clientes, eventualmente requerirán un paso por cero de los computadores, perdiendo el control
sobre el proceso. Hoy día hay, a los PLC que se pueden programar sin tener que reiniciarlos,
se les denomina “trabajo en caliente”, esto no se replica en los programas de los servidores y
clientes ya que las bases deberán actualizarse, reiniciándose, para lo cual significa que el
operador quedará sin posibilidad de operar el sistema. Y el tiempo de detención dependerá de
la magnitud de la modificación.
En el caso de los DCS, su arquitectura difiere de la de Clientes Servidor, ya que este trabaja en
configuración de bus o nodos. Y en realidad es ésta la diferencia más palpable entre las dos
arquitecturas. En la Figura N°28 se presenta la topología para los mismos equipos; sin
embargo, se debe señalar que los PLC como imagen es la misma, pero internamente sus CPU
18 Recordar que este protocolo alcanza los 95 metros.
Fuente: Propia.
Figura N°27: Arquitectura de comunicaciones en un sistema SCADA.
50
son diferentes (a las CPU que requiere con respecto a un SCADA). Las CPU del DCS son de
mayor capacidad. Cumplen con respaldos, que es un requisito de CPU (a veces se entiende
como redundante, pero no es el concepto). El propósito de esta configuración es que bajo
ninguna condición el sistema quede sin control. Ambas CPU’s estarán presentes en el proceso,
siendo una de las dos definida como principal (maestro) y la otra (segunda) estará siempre
interrogando para entrar con el control del proceso, en caso de ser necesario. Esta condición es
una de las bases que soportan a los DCS puesto que desde el origen el control que realiza esta
en base a la seguridad del proceso.
En la anterior Figura N°28 se visualiza una red principal, que reúne a todos los participantes
del proceso. Esta red dependerá del proveedor del DCS. Asimismo, en la figura se muestran
computadores con distintos nombres, y en efecto, cada uno de estos cumple una función
diferente. El computador asignado como sala de control es utilizado por los operadores del
Figura N°28: Arquitectura de comunicaciones de un DCS.
Fuente: Propia.
51
proceso automático. El de mantención es para uso exclusivo del personal de este
departamento, y su función está directamente sobre los equipos e instrumentos y tiene acceso
directo a cada uno estos, es decir: puede leer, revisar y modificar el programa de PLC, en
forma directa. La estación nombrada como ingeniería tiene los atributos máximos de los antes
mencionados, ya que puede modificar tanto el programa como la interfaz de los operadores.
Los modos de programación están diseñados como bloques, lo que quiere decir que las
herramientas son estructuras predefinidas y no necesita realizar mini rutinas para las
aplicaciones que se requieren. En este caso se accede directamente sobre el controlador para
realizar la modificación.
Finalmente, esto se reduce a que hay un solo programa que gobierna y administra tanto el
programa como las interfaces del proceso. Con esta arquitectura se reducen los tiempo de
ejecución, tanto en proceso como en la obtención de los datos que requiere la interfaz de
monitoreo.
Con respecto a la programación, ésta tiene características relevantes, ya que posee en general
bloques predefinidos los cuales solo requieren los parámetros de la aplicación, disminuyendo
el tiempo de trabajo. Esta configuración permite además incluir lazos de control en operación
(en caliente), probarlos, simular y obtener los parámetros sin tener que pasar por cero el
control y principalmente evita que el programador requiera probar sus lógicas de control
disminuyendo el tiempo requerido para la puesta en marcha y posterior puesta en servicio.
Al tener un solo programa se evitan puntos de fallas, lo que en tiempo se refleja en una
confianza hacia el sistema, ya que se disminuye la probabilidad de errores aumentado la
seguridad del personal y equipos asociados al proceso en general.
Algunas marcas de DCS que están presentes en nuestro país, no necesariamente con base en
Chile, son, las que se muestran en la Tabla N°8.
52
Tabla N°8: DCS Según la marca desarrollo.
Ítem Empresa Nombre de DCS 1 Rockwell PlantPax 2 Siemens Simatic PCS7 3 Yokogawa Centum VP 4 Emerson Delta V 5 Honeywell TDC 3000
Fuente: Propia.
53
CAPITULO V MEDOTODO DE SELECCIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL 5.1 Enfrentando un proyecto eléctrico, el objetivo de este capítulo. Es
desarrollar un procedimiento para seleccionar un sistema de control El objetivo de este capítulo será contar con una herramienta para seleccionar un sistema de
control. En los Capítulos N°1 y N°2 se han mencionado un conjunto de elementos que
permitirán, entender y comparar un sistema de control mediante PLC y un DCS.
Un proyecto industrial se puede representar en general como un proceso, en base a un
diagrama de bloques, como lo indica la Figura N°29. La idea principal de ésta, es visualizar el
trabajo, simplificando cada una de las etapas.
En la ingeniería básica es primordial que el diagrama de flujo del proceso esté completo, con
el balance de masa y con la especificación de los equipos asociados. Ya con esta información
Fuente: A. Albala, Dirección de Proyectos, página 64.
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD.
OBJETIVOS DEL PROYECTO.
DEFINICION DEL PROYECTO.
INGENERIA BASICA.
DEFINICION TERMINOS REFEERENCIA
PROYECTO.
IDENTIFICACION RECURSOS
DISPONIBLES.
MATERIALES
EQUIPOS DE CONSTRUCCION
TIEMPO
MANO DE OBRA
DINERO
Figura N°29: Primera etapa de un modelo para un proyecto industrial.
54
se debe proceder con las especificaciones técnicas. Estas son una poderosa herramienta y
fundamental en las siguientes tareas a desarrollar.
Con especificaciones claras y concisas, parte de la tarea del control está encaminada a la
selección de un sistema de control. A partir de lo anterior el área eléctrica, de fuerza, control e
instrumentación, podrá realizar los cuadros y diagramas unilineales correspondientes.
Consideraremos la condición en la cual se inicia de cero el proyecto. En el área eléctrica
específicamente, se debe tomar en cuenta lo siguiente:
• Energía eléctrica que requiere el proyecto.
• Forma en que se obtiene dicha energía.
• Distribución de la energía en planta.
• Instalaciones de fuerza como salas eléctricas de media y baja tensión.
• Distribución de salas eléctricas.
• Alimentación de otros servicios.
La pregunta básica es ¿por qué lo anterior? Si lo que se busca es determinar un sistema de
control para el proceso. ¿Cómo se enlazan los distintos requerimientos?, o simplemente se
consideran como sistemas independientes.
En la actualidad los sistemas de control tienden a realizar, supervisar, controlar y administrar
todo lo que tiene que ver con energía, en el más amplio sentido de la palabra. En el fondo la
energía tiene su costo y éste siempre requerirá ser cuantificado. Por ejemplo en:
• Salas eléctricas.
• Sistemas de respaldo UPS, dinámicas y estáticas.
• Salas de calderas.
• Salas de compresores.
• Plantas de procesos productivos.
Para lograr lo anterior, se debe buscar un sistema que entregue las herramientas necesarias,
que logre la optimización de la administración de los recursos. Por lo general la forma de
55
resolver estas incógnitas es realizando reuniones con distintos proveedores a quienes se les
informa de los requerimientos del proyecto, ellos generarán luces a grandes rasgos de lo que se
requiere.
Cada proveedor deberá, señalar las características de su sistema, diferenciándose en los
detalles e indicando sus mejores atributos. Para que un agente pueda saber si su producto está
dentro de los alcances del proyecto, requerirá a lo menos que se indiquen las siguientes
condiciones:
a) Área de operaciones, de propósitos generales, o clasificadas.
b) Hay procesos críticos.
c) El proceso será continúo o Batch.
d) Tiempo de respuesta del proceso.
e) Indicar consideraciones del proceso que pudieran afectar al medio ambiente.
f) El proceso será 24 horas por los 365 días.
g) Que tipo mantención se espera.
h) Cantidad de entradas y salidas.
i) Tipo de señales que tendrán de los instrumentos.
j) Tipo de señal de los actuadores.
k) La lógica del proceso requiere de lazos de control y cuantos.
l) El área de proceso y de control es extensa, acotada o distribuida.
m) Protocolo de comunicación.
n) Hay alguna decisión sobre alguna línea o marca de los instrumentos.
o) Restricciones técnicas del sistema ofrecido.
p) Condiciones ambientales.
q) Programa y su programación.
r) Soporte técnico.
s) Repuestos.
t) Tipo de interfaz hombre máquina IHM.
Hay instancias en donde el cliente puede o no solicitar un sistema de control mediante PLC o
DCS. O en su defecto el oferente puede en su ingeniería ofertar un sistema de control.
56
5.2 ¿Cómo seleccionar un sistema de control? Como se ha indicado, un proyecto de control tiene un número importante de variables que se
pueden visualizar y controlar. El paso siguiente en el control es la elección de cómo se
manejara el sistema y aún más como lo visualizaremos.
En los Capítulos N°1 y N°2 de este trabajo se señalaron algunas características de ambos
sistemas los cuales servirán en este capítulo para ahondar en las capacidades que prestan y la
relación entre las señales analógicas y digitales. Porque en las señales analógicas, éstas en el
fondo son un buen predictor para lograr tomar la decisión más adecuada, ya que para los PLC
es un punto crítico puesto que obliga a éstos optimizar sus recursos y rendimientos. Sin
embargo para los DCS, su fortaleza radica en el desarrollo de éstas. Para poder describir de
mejor manera lo descrito anteriormente se realizará una serie de comparaciones entre algunas
marcas de PLC y DCS.
Para dicha actividad se ha seleccionado la marca de PLC General Electric con su serie 90-30.
En general no hay motivos relevantes sobre esta selección ya que se pudo haber realizado con
alguna de las serie de Allen Bradley, Siemens u otro.
Revisión de las capacidades de entradas y salidas, digitales y analógicas para el PLC serie 90-30 de General Electric.
Tabla N°9: Alcance de la serie con respecto a los módulos de entrada y salidas.
Modelo CPU Placas Descripción, 311, 313 o 323 Única con CPU. Se pueden Montar como máximo 5
módulos de entradas y salidas. * 331, 340 o 341 Una placa con CPU y máximo
4 placas de expansión Se puede montar como máximo 49 módulos de entradas y salida.*
350, 351, 352, 360, 363, y 364
Una placa con CPU y 7 placas de expansión.
Se pueden montar como máximo 79 módulos de entradas y salidas. *
Nota: El concepto módulo es genérico, ya que puede ser módulo de entrada digital o analógica, lo mismo para las salidas.
Fuente: Manuales GE serie 90-30, GFK-0898F-SP page 1-1 57
En la anterior Tabla N°9 se presentan los modelos de CPU que posee esta serie y que en el
fondo indica cuántos módulos de entradas y salidas, soportan como máximo. En conjunto con
la Tabla N°10, aquí se muestran las capacidades que posee cada una de las CPU, que están en
relación a sus entradas y salidas.
Tabla N°10: Referencias bases para módulos disponibles para el usuario.
Tipo de módulo analógico
Bases para CPU: 311, 313,323 1. Series con bases de 5 y 10 ranuras
Bases para CPU 350 -364 1. Estas serie solo bases de 10 ranuras.
4 Canales de entrada.
5 (placa base 5 ranuras, modelo. 311/313) 8 (placa base 10 ranuras, modelo 323)
40 ( modelo. 331/340/341) 64 (modelo 350 - 364)
16 canales de entrada.
5 (placa base 5 ranuras, modelo. 311/313) 8 (placa base 10 ranuras, modelo 323)
8 (modelo. 331), 12(modelo 340/341) 51 (modelo 350 - 364)
2 Canales de tensión salida.
5 (placa base 5 ranuras, modelo. 311/313) 6 (placa base 10 ranuras, modelo 323)
16 ( modelo. 331), 30 (modelo 340/341) 48 (modelo 350 - 364)
2 Canales de corriente de salida.
5 (placa base 5 ranuras, modelo. 311/313) 6 (placa base 10 ranuras, modelo 323)
15 ( modelo. 331) 2 15 (modelo 340/341) 2 24 (modelo 350 - 364) 2
8 Canales de salida
4 (placa base 5 ranuras, modelo. 311/313) 4 (placa base 10 ranuras, modelo 323)
8 ( modelo. 331), 32 (modelo 340/341) 64 (modelo 350 - 364)
Combinación de canales 4 entradas y 2 salidas.
5 (placa base 5 ranuras, modelo. 311/313) 10 (placa base 10 ranuras, modelo 323)
21 ( modelo. 331/340/341) 64 (modelo 350 - 364)
1 Máximo de ranuras de E/S disponibles por sistema: modelo 311/313 (5), modelo 232(10), modelo 331/340/341 (49), modelo 350 – 364 (79). 2 Más si la fuente +24 VCC la suministra el usuario (32 para modelo 331, 49 para modelo 340/341, 79 para modelo 350 – 364).
Fuente: GFK-0898F-SP página 9.14
58
Esto se debe revisar ya que como un proyecto posee varios tipos de señales, la selección debe
estar acorde con las capacidades de las CPU y sus posibilidades de expansión. Además, se
debe tener clara la capacidad de las memorias disponibles tantos para las señales de entrada y
salida y por supuesto para la programación.
Otra consideración es la potencia que requiere cada módulo para su operación. Como cada uno
de estos es independiente, es la fuente de poder, quién es la responsable de suministrar, y
además se convierte en una limitante para las configuraciones.
Para esto es necesario contar con la información técnica de cada módulo y realizar las cuentas de consumo de energía. De la tabla N°10, se observa la capacidad máxima de los módulos de 16 entradas con 816
canales de entradas analógicas, quedando 20 ranuras disponibles, y si se incorporan módulos
de salidas analógicas de 8 canales, que implican 160 canales de salidas. Se puede considerar
que se tienen 976 canales de E/S analógicas. Sin embargo, para este ejercicio no se han
considerado los requerimientos de módulos digitales, lo cual es muy poco probable, puesto
que las señales digitales, por lo general, son en cantidad un valor no despreciable en los
sistemas de control, y al considerar estas señales bajará la disponibilidad de ranuras para los
módulos analógicos.
Lo anterior denota la importancia de manejar la cantidad de entradas y salida para el proyecto.
Siguiendo con la descripción de las capacidades de entradas y salidas se presenta la Tabla
N°11. Esta indica la disponibilidad de las memorias asignadas a cada tipo de señal.
Para programar un PLC, uno de los primeros pasos que se debe realizar es la asignación de las
variables tanto de entrada como las de salida ya sean digitales o analógicas.
59
Tabla N°11: Referencias disponibles para el usuario.
Modelo de CPU
Entradas analógicas %AI19
Salidas analógicas. %AQ
Entradas digitales. %I
311, 313 o 323 64 palabras * 32 palabras 512. 331 128 Palabras. 64 palabras. 512. 340 y 341 1024 Palabras. 256 Palabras 512. 350 2048 palabras. 512 palabras 2048. 351 – 364 128- 32640 palabras
configurables. 128- 32640 palabras configurables 2048.
*Palabra: se refiere a un arreglo de 8 a 40 bit, cada bit corresponde a una unidad de memoria, Denominada Tabla de memoria analógicas tanto para entrada y salidas.
Fuente: Manuales GE serie 90-30, GFK-0898F-SP page 9-13 En la siguiente Tabla N°12 se presenta una CPU de baja aplicación, la cual posee una
capacidad de conectar hasta 31 módulos, lo que implica que como máximo se puede obtener
248 entradas y/o salidas analógicas. Esta se puede utilizar en proyectos menores donde,
predominen las señales digitales sobre las analógicas.
Tabla N°12: Asignación de variables para un sistema menor.
CPU 311 Digitales Análogas Rango a utilizar Entradas
Salidas
Entradas
Salidas
Módulo N°1 16 %I0 -%I15
Módulo N°2 16 %Q0 - %Q15
Módulo N°3 16 Cana1 %I 16 - %I 31
Módulo N°4 16 Cana1 %I 32 - %I 47
Módulo N°5 16 Cana1 %I 48 - %I63.
Fuente: S7-1500 TECHNICAL DATA SIEMENS AG 2012
19 Para los %AI, %AQ, %I, ver Tabla N°2, Capitulo N°2.
60
A su vez en la Tabla N°13, se muestra como referencia la marca Siemens, con el objeto de
señalar que los proveedores de PLC, tienden a equipararse con las demás marcas, con el fin de
competir en cada estrato o aplicación.
Tabla N°13: PLC Siemens Serie 1500.
CPU1511-1PN CPU1513-1PN CPU1516-1PN
Máximo de módulos. 31 31 31 Entradas digitales. 16-31 16-31 16-31 Salida digitales. 8-16-31 8-16-31 8-16-31 Entrada analógicas. 8 8 8 Salidas analógicas. 4-8 4-8 4-8 Fuente: S7-1500 TECHNICAL DATA SIEMENS AG 2012
Las capacidades y alcance que se asocian a las entradas y salidas tanto digitales como
analógicas para la serie de PLC marca Allen Bradley, se muestran en las Tablas N°14 y N°15,
respectivamente.
Tabla N°14: PLC Allen Bradley Serie 1756 L6x.
1756-L6X 1 2 3 4 5 Entradas y salida digitales máximas. 128,000 Entradas y salida analógicas máximas. 4000 Total de entradas y salidas 128000 Memoria de entradas salidas. 478 Kb. Memoria de trabajo 2MB 4MB 8MB 16M
B 32MB
Fuente: Publication 1756-TD 001D-EN-E-MAY 2011, page 4-5.
Tabla N°15: PLC Allen Bradley Serie L7x.
|1756-L7X ( desde 72-75) 2 3 4 5 Entradas y salida digitales máximas. 128,000 Entradas y salida analógicas máximas. 4000 Total de entradas y salidas 128000 Memoria de entradas salidas. 0.98 Mb. Memoria de trabajo 4MB 8MB 16M
B 32MB
Fuente: Publication 1756-TD 001D-EN-E-MAY 2011, page 4-5.
61
Además, se ha incorporado la capacidad de memoria correspondiente a las imágenes de la
entrada y salidas. En general, esta marca y modelos presentan un número importante de
entradas y salidas.
Un método para calcular la capacidad de memoria de la serie indicada, se observa en la Tabla
N°16, y esta asocia a cada variable del equipo una cantidad de memoria, luego esta se suma y
se obtiene la unidad requerida.
Tabla N°16: Uso de la memoria del controlador. Serie 1756 Lx.
Cantidad de memoria por recurso.
Controladores en placa base. (min uno) __X4000 = Byte Entradas y salida digitales __X400 = Byte Entradas y salidas analógicas. __X2600 = Byte Módulo de comunicaciones Device Net. __X7400 = Byte Otros módulos de comunicaciones. __X2000 = Byte Módulos de control para motores servos. __X8000 = Byte
Instrucciones de Armas Factory Talk. __X1000 = Byte Utilización Factory Talk __X10000 = Byte Fuente: Publication 1756-TD 001D-EN-E-MAY 2014, page 14.
Como ejemplo, si consideramos valores reales para los parámetros de entradas y salida en un
solo controlador y sistema comunicación obtenemos lo que se expresa en la Tabla N°17.
Tabla N°17: Uso de la memoria del controlador. Serie 1756 Lx.
Cantidad de memoria por recurso. Controladores en placa base. (min uno) 1 4000 = 4000 Byte Entradas y salida digitales 500 200000 = 200M Byte Entradas y salidas analógicas. 1000 2600000 = 2.6 G Byte Módulo de comunicaciones Device Net. 1 7400 = 7400 Byte Otros módulos de comunicaciones. 1 2000 = 2000 Byte Módulos de control para motores servos. 0 0 = 0 Byte Instrucciones de Armas Factory Talk. 1 1000 = 500000 Byte Utilización Factory Talk 1 10000 = 10000 Byte Memoria requerida 2.824.400 = 2.8244 G Byte Fuente: Publication 1756-TD 001D-EN-E-MAY 2011, page 14.
62
Los valores que se obtienen en términos de capacidad de memoria en la tabla N°17 son
superiores a los indicados por las Tablas N° 14 y N°15, por lo que esta serie no es capaz de
soportar los requerimientos señalados. Se debe elegir otra serie de mayor capacidad o separar
el proyecto según lo permita esta serie.
Los elementos que más generan peso o requieren una mayor capacidad de memoria son las
variables analógicas, los módulos de comunicación y el sistema Factory Talk. Este (es un
programa que enlaza mediante comunicación los datos obtenidos del proceso con otras áreas
de producción). Asimismo, permite el intercambio de información en tiempo real entre el
proceso y el resto de la compañía. Es crítico para tomar decisiones comerciales que mejoren la
capacidad de respuesta, para aumentar la productividad, reducir los costos y asegurar el
cumplimiento de normas.
Con la revisión para las series de PLC desde la Tabla N°9 a Tabla N°15, se observa que las
señales analógicas son quienes requieren de mayores prestaciones de los PLC.
Los sistemas DCS, cumplen con la siguiente condición en relación a los requerimientos de
cada proyecto (entradas y salidas), los que se autodefinen como escalables, es decir, se
acomodan a las necesidades del usuario. La Tabla N°18 se indican algunas marcas de
proveedores y cómo se distribuyen en relación a las entradas y salidas.
Tabla N°18: DCS sistemas escalables.
Marcas del DCS. CANTIDAD DE ENTRADAS Y SALIDAS.
Delta V “Emerson”. 25-500 500-2.000 2.000-5.000 5.000-10.000 10.000-15.000
Simatic PCS 7 Siemens 0-128 128-1.024 1.024-2.048 |2.049 Ilimitada
Cemtum VP Yokogawa.20 8000 100,000 10000000
Fuente: Manuales de cada proveedor.
20 Integrated Production Control System, CemtumVP, TI 33K01A10-50E 1st Edit.
63
Cada sistema tiene distintos rangos de entradas y salida. En lo que se asemejan es que manejan
una gran cantidad de variables, esto es lo que mejor representa a un DCS. Los rangos son
seleccionables, y para poder optar a un nivel superior, se debe pagar por una licencia que
corresponda a los requerimientos necesarios.
Las tablas que se han presentado indican sus capacidades de entradas y salidas dependiendo de
cada sistema y marca, y que en rigor no se han presentado como una evaluación. Solo son
antecedentes, con el fin mostrar que hay varias opciones según cada requerimiento y con esta
consideración se está en condición evaluar un método para realizar una selección de un
sistema de control ya sea de PLC o DCS.
5.3 Método para realizar la selección entre un sistema PLC y DCS El método de selección que se propone a continuación en el siguiente párrafo, busca agilizar y
disminuir el tiempo que se ocupa en la selección de un sistema de control. Para esto se deben
desarrollar los pasos que se indican a continuación:
1. Determinar entradas y salidas digitales que requiere el proceso que se ha de
automatizar. Para esto se deben considerar todos los equipos y sensores que abarcan
el proyecto. En la Tabla N°19, se indica en forma general el listado de algunos
equipos como sensores, motores y válvulas que se utilizan en plantas de proceso.
2. De la Tabla N°19 se deberá contabilizar las señales digitales diferenciando las
entradas y salidas.
3. De la Tabla N°19 se deberá contabilizar las señales análogas diferenciando las
entradas y salidas.
4. Para los puntos anteriores se recomienda considerar un margen de reserva, la
finalidad de esta consideración es resguardar un margen de variables, frente a alguna
modificación en el proyecto. En general se considera entre un rango del 20 al 30%
adicional. Para el desarrollo de este método consideraremos la condición más crítica
y asignaremos a esta condición el 30%.
64
5. Cuantificar los valores del ítem N°2 y N°3.
6. Con los datos obtenidos en puntos anteriores se debe completar la tabla de selección
que se indica en la Tabla N°20.
Tabla N°19: Listado de instrumentos con señales correspondientes.
Sensores y equipos. Tipos de entradas. Discretas. Análogas. Entradas Salidas Entradas Salidas
Nivel por sensor de radar. X
Nivel por sensor sónico. X
Nivel pos sensor diferencial de presión. X
Nivel pos sensor de vibración diapasón. X Sensor de nivel por sensor capacitivo o inductivo. X
Sensor de presión X
Nivel de flujo por sensor magnético. X
Nivel de flujo por diferencial de presión. X
Sensor de flujo másico. X
Detección de flujo por interruptor X
Sensor de pH. X
Sensor de conductividad. X
Sensor de humedad X
Sensores de proximidad. X
Motores con partida directa, reducida X X
Motores con partidor suave X X
Motores con variador de frecuencia X X X
Válvulas no moduladas X
Posicionadores para válvulas no moduladas X
Válvulas Moduladas X
65
Tabla N°20: Selección de un sistema de control.
Tipo de entradas. Cantidad de variables
Porcentaje de Holgura
Selección de sistema de control PLC DCS
Entradas Digitales. ED EDT= 1.3* ED Salidas Digitales SD SDT=1.3*SD Entradas Analógicas EA EAT=1.2xEA Salidas Analógicas SA SAT=1.2SA Condición Numero 1 EDT+EST ≥ 2(EAT+SAT) SI NO Condición Número 2 EDT+EST+ EAT+SAT <1000 SI NO Condición Número 3 EDT+EST+ EAT+SAT >1000 NO SI
De la Tabla N°20, la condición número uno, indica que el proyecto posee una mayor cantidad
de variables discretas sobre las analógicas. Esta situación se asocia en forma directa a un
sistema de control a PLC. Es importante recordar que los PLC nacen con el objetivo de
reemplazar relés y disminuir el cableado. Por lo general estos proyectos son controles de
motores con sensores de velocidad cero, sensores de posición de equipos, algunos variadores
de frecuencias, o máquinas locales.
Para la condición número dos, en cual las variables digitales y analógicas no superan los 1000
puntos de entradas y salidas, aún se debe pensar en un sistema de control por PLC, ya que el
proyecto todavía no muestra mayores requerimientos para señales analógicas. Por lo que un
PLC es suficiente para este control, ya que las capacidades de las CPU están acorde con este
tipo de condición (ver tablas de páginas anteriores). Lo más crítico de esta condición es que
las variables analógicas sean muy superiores a las discretas. Sin embargo, un PLC puede
soportar este control utilizando su gama alta de CPU según cada marca. Además, se pueden
separar el proyecto en más de una CPU.
Para la condición número tres, se indica que hay una fuerte condición de variables analógicas
que se desprenden del proyecto, necesitando una mayor capacidad tanto en la memoria de
entradas y salida como en la de programación. En base a esto, la selección deberá ser un
66
sistema DCS. Estos proyectos contienen un número importante de sensores y actuadores con
señales analógicas como por ejemplo proyecto de petroquímicas.
Con la aplicación de la Tabla N°20 se estará en un muy buen pie para realizar la selección de
un control asociado a un proyecto, con esto se acortaran los tiempos de definición y lo que
restaría en esta parte del proyecto sería la determinación de la marca que se utilizará.
67
CAPITULO VI OFERTA ECONOMICA
6.1 Selección de una oferta económica En este capítulo se hará una presentación de los costos que significa seleccionar un sistema de
control mediante PLC y DCS. El objetivo es determinar en forma económica lo expuesto en el
capítulo N°5. Para esto hay varios puntos que se deben considerar para la selección:
• Cantidad de entradas y salidas.
• Tecnología a utilizar como computadores, ya sean clientes, estaciones de ingeniería y
finalmente servidores.
• Programas asociados a cada sistema de control.
• Horas hombre requeridas para el desarrollo en la programación de los software.
• Puesta en servicio del sistema.
• Tienen base en la zona21.
• Son representante de la marca.
• Tiene personal local para el desarrollo del proyecto.
• Cuál es el tiempo de respuesta para los repuestos.
• Mantenimiento.
• Implementación.
• Pruebas.
• Puesta en Servicio.
• Documentación.
• Planos definitivos
Cantidad de entradas y salidas Se debe hacer una revisión muy rigurosa, de lo que oferta cada proponente y verificar que lo
que se ha solicitado, este reflejado claramente en la propuesta, revisando que los módulos
21 Cuando se hace referencia a este concepto de zona, claramente se puede hacer referencia a Chile.
68
estén en la línea que se busca. Para lograr esto se debe solicitar la información completa y los
alcances de cada uno de los compontes, lo mejor es la hoja técnica de cada módulo por
separado, no se deben aceptar resúmenes. Con esto se tendrá claridad de las capacidades de
cada uno de estos sistemas, además se debe verificar que cada equipo este vigente y no
caducará en un tiempo cercano.
Las fuentes, módulos de CPU, entradas y salidas tienen vigencias. Una vez caducados estos
dejan de ser fabricados y costará tener repuestos disponibles, por algún problema que se
presente una vez que ingrese en operación el proyecto. Esto es una de las señales cuando se
recibe una propuesta con bajo costo.
Tecnología a utilizar como computadores, ya sean clientes, estaciones de ingeniería y finalmente servidores Para los proyectos es primordial que los equipos informáticos sean revisados, si no se tiene
experiencia en esta área. Se debe contar con una contraparte (a los oferentes). El objeto de esta
consideración, tiene que ver con que los equipos deben estar en funcionamiento 24 horas por
365 días. Se debe hacer hincapié en la topología y confirmar que los equipos estén acordes con
la estructura que se ofrece. Para esto, cada marca, deberá certificar dicho requerimiento.
En relación a los sistemas operativos y licencias, cada oferente debe asegurar que son
profesionales y versiones finales, no se deben aceptar por ningún motivo versiones que no
estén probadas y revisadas.
Programas asociados a cada sistema de control Para los programas que se deben solicitar al proveedor, éstos deben indicar otros proyectos
donde estén instalados sus equipamientos, y/o en desarrollo de proyectos similares. El objetivo
es determinar cuan sólidos en términos de operación son, una de las opciones es solicitar
visitas y confirmar en terreno como es su comportamiento. Se deben pesquisar, tipos de
eventos en los cuales se han registrado fallas, visualizar la forma y verificar la flexibilidad en
la operación, como se estrega y visualiza la información, formato de alarmas. En general como
se presenta para los operadores el sistema, si es amigable o no. Si no hay un proyecto para
visitar, se deben tomar todas las consideraciones que se ofrecen, ya que es, ésta la instancia
69
para tomar la decisión, se debe estar claro de los alcances del producto, para evitar problemas
y atrasos en la entrega del proyecto.
Horas hombre que se requieren para el desarrollo en la programación del software Para el desarrollo de los programas, que son fundamentales, las partes deben estar sumamente
interiorizadas del objetivo final. Una mala información o interpretación errónea puede golpear
fuertemente a ambas partes. Finalmente, esto se traduce en un aumento en las horas de trabajo,
pérdidas de confianzas y en lo económico se debe responder independiente de haber
conseguido el objetivo.
Puesta en servicio del sistema Esta es una de las últimas etapas de los proyecto en general, esta debe estar claramente
definida tanto en el tiempo como en su alcance, si no se ha sido riguroso se puede traslapar
con la etapa de la programación y aparecerán los problemas de la etapa antes indicada. Éstos
se solucionan o se enfrentan de mejor forma, llevando un programa de trabajo, que este
coordinado con lo que está ocurriendo en terreno. Lo importante es que ambas partes estén
llanos a resolver dichos problemas.
Poseer personal técnico disponible en la zona La importancia de tener personal en la zona se refleja principalmente en los costos de las horas
hombre y en la puesta en servicio. Otro aspecto que no se puede dejar de lado, es que una vez
terminado el proyecto, cualquier modificación, significará volver a solicitar los servicios de la
empresa que desarrollo el proyecto (ingenieros de servicio o programadores). Para lo cual se
debe considerar los traslados correspondientes a la zona del proyecto. Esta instancia deberá
quedar en el contrato con precios previamente establecidos, o mejor aún debe haber una
clausula en el contrato que haga referencia a esta condición, para lo cual se fijan fechas
máximas para realizar modificaciones, que se pueden considerar como garantías.
70
Son representante de la marca El proveedor que ofrece el sistema deberá ser representante en la zona de la marca. Es un
punto por el cual no se deberá transar por ningún motivo. Las razones son las que a
continuación se señalan:
• No se obtendrá la mejor oferta. Por lo general la casa matriz tiene acuerdos
comerciales que permiten al oferente manejar una banda de valores por sus
productos.
• Los tiempos frente a consultas, modificaciones por lo general no serán los más bajos
(hay un tercero en cada instancia).
• Los respaldos frente a uso de garantías se convierten en operaciones engorrosas.
Se han mencionado algunos de los problemas que ocurren cuando se trabaja con agentes que
no pertenecen a la marca. En general existe una alta probabilidad de encontrarse con este y
otras situaciones que pueden atrasar la operación final del proyecto, frente a estas situaciones
debemos responder a las siguientes preguntas:
Listado de repuestos críticos En la oferta se debe indicar claramente un listado de repuestos críticos.
De las consideraciones anteriores se puede mencionar que en la gran mayoría de estas o en
prácticamente todas, la responsabilidad corresponde a la empresa oferente, es decir al
seleccionar una marca, se debe considera el paquete completo que se ofrece, el cliente tendrá
muy pocas opciones de acceder a equipos o programas computacionales que él estime según
su criterio. Por ejemplo, no podrá seleccionar una marca de computadores, los proveedores no
aseguran que los programas puedan entregar lo ofertado, si no se ocupa la marca indicada. La
respuesta que se recibe, es que los sistemas han sido probados con una marca determinada y
ocupar otra, no asegura entregar el cien por ciento de las prestaciones que se ofrecen.
71
Este tipo de situaciones finalmente van consolidando la condición de un paquete o venta cerrada. Con lo anterior se definirá un conjunto de entradas y salidas, que en el fondo son la base para
seleccionar un sistema de control.
En la tabla N°21 se indican como se asocian a los distintos sensores y equipos a las señales
antes indicadas. Por la cantidad de entradas y salidas que maneja se puede considerar un
proyecto mediano ya que está por debajo de las capacidades de un DCS y para un PLC se
puede gestionar con la gama media y alta.
Tabla N°21: Entradas y salidas de un proyecto definido.
Tipo de entradas. Cantidad de variables
Entradas Digitales. 600 Salidas Digitales 600 Entradas Analógicas 475
Salidas Analógicas 50
Total de entradas y salidas 1725
Tanto las entradas y salidas son referenciales y pueden fácilmente corresponde a un proyecto
real. Para este número de entradas y salidas se procede aplicar la Tabla N° 20 del Capítulo N°5, la
cual se muestra en la siguiente Tabla N°22, de la cual se desprende la situación de seleccionar
un sistema DCS, a pesar que el número de señales digitales supera en casi al doble a las
señales analógicas. Para confirmar esta condición se presentan tres cuadros con su valoración
económica.
72
Tabla N°22: Selección de un sistema de control. Para caso N°1.
Tipo de entradas. Cantidad de variables
Porcentaje de Holgura
Selección de sistema de control PLC DCS
Entradas Digitales. 600 10
Salidas Digitales 600 6
Entradas Analógicas 475 3
Salidas Analógicas 50 2
Condición Numero 1 600+600 ≥ 2(450+50) = 1200≥1000 No Si
Condición Número 2 600+600+475+50=(1700) <1000 No Si Condición Número 3 1700 >1000 No Si
A partir de la Tabla N°22, en la cual hemos aplicado el criterio de selección de un sistema de
control, se desprende que la selección se debe inclinar por un sistema DCS. El paso siguiente
es determinar si las ofertas económicas siguen a dicha elección.
Ofertas económicas La manera de lograr que la información asociada a estas ofertas sea de lectura sencilla, es
solicitar en forma clara lo que se cotiza. Una forma es aplicar la secuencia que se indica en los
puntos del inicio de este capítulo. La finalidad de esto es que los proveedores tengan acceso a
la misma información, como requisitos del proyecto.
Para este trabajo se omitirán las empresas que han de entregar estas cotizaciones, el motivo
principalmente no es generar un sesgo en la marcas y mucho menos en los servicios y
propuestas a los futuros ingenieros de control.
Para lograr estas cotizaciones, éstas fueron realizadas en función de la siguiente cotización:
Para esto entenderemos como un sistema de control, a un conjunto de equipos y programas
que permiten leer señales, operar equipos, para controlar, monitorear, realizar tareas de
diagnóstico, y análisis para lograr que el proceso sea efectivo y concreto en el tiempo de su
73
operación. La cantidad de entradas y salidas, asociadas los instrumentos, válvulas y motores,
pueden ser revisadas en las Tablas N°19 y N°21.
• El sistema puede ser controlado mediante un sistema PLC o DCS. Independiente de
esto será quien gobierne todo el proceso. Todos sus componentes serán de última
generación.
• El controlador debe ser capaz de:
o Leer señales digitales y analógicas.
o Soportar la programación según los requerimientos del proceso.
o Expandir su capacidad de entradas y salidas a lo menos un veinte por ciento
de la condición inicial.
o Ser instalado en salas eléctricas.
o Programarse en diagrama escalera o equivalente.
o Realizar un control discreto y de regulación (señales analógicas).
o Comunicarse con equipos de su misma línea, y con otros equipos, mediante
redes y protocolos estándar.
o Ser de última generación en su línea.
o Ser programado en línea y fuera de ella.
• La arquitectura del sistema de control deberá poder tomar todas las señales
indistintamente de su ubicación física y ser enviadas al controlador ya sea mediante
cableado o algún bus de comunicación industrial, que mejor se adecue al tipo de
proceso. Con estos el sistema de control deberá poseer gran capacidad de
almacenamiento de las variables, asociadas a los parámetros de los instrumentos
registros de históricos en tiempo real, como tendencias de operación, informes de
operación, alarmas, las cuales provienen de los distintos equipos e instrumentos del
proceso.
o Para los equipos (computadores clientes y servidores) como estaciones de:
Ingeniería.
74
Clientes.
Servidores de dominio (sistema de PLC).
Servidores de interfaz hombre máquina (IHM sistema PLC).
Licencias de programas.
Red industrial.
Estos deberán ser de última generación y marca reconocida, de igual forma
el sistema operativo y los antivirus.
Red de comunicación industrial: Esta permitirá que los equipos PLC y sistemas de control puedan comunicarse y en el menor
tiempo posible, en donde el protocolo será seleccionado una vez analizado el sistema de
control.
Se deberán contar con gabinetes para alojar a los sistemas de control o PLC Controladores
metálicos de plancha a lo menos 2mm, auto soportable color RAL7035.
Para la instrumentación el sistema debe considerar:
• Alimentación: 24 Vdc.
• Señal de control: 4-20 mA
• Protocolo: HART.
Respecto a las válvulas de neumáticas:
• Válvulas discretas:
o Señal apertura.
o Señal de cierre.
o Señal posición abierta.
o Señal posición cerrada.
75
• Referente a las válvulas moduladas, se requieren:
o Señal de control 4-20 m A.
o No considera señal de posición.
Se excluye de la propuesta el suministro, montaje, calibración y conexión en terrero de la
instrumentación.
Operación de motores:
Los motores tendrán en terreno botoneras de operación (modo local) según la siguiente
descripción:
• Motor partida directa, partidor suave y partida reducida (estrella triángulo):
o Botón parada de emergencia.
o Botón partir.
o Botón parar.
• Motor con variador de frecuencia:
o Botón parada de emergencia.
o Botón partir.
o Potenciómetro.
Se excluye de la propuesta el suministro, armado montaje y conexión en terrero de las botoneras. Las condiciones de las tensiones de trabajo serán:
• Fuerza: Baja tensión:
o Tensión: Tres fases 380 Vac.
o Tensión monofásica: 220 Vac.
o Frecuencia: 50 Hz.
o Neutro: Solidada mente conectado a tierra.
76
• Control:
o Tensión monofásica: 220 VAC.
o Instrumentación.
o Tensión monofásica: 24 Vdc.
• Conductores: Para los conductores de fuerza y control e instrumentación serán de fabricación Cocesa o
su equivalente en el mercado. Serán suministro del mandante.
• Control:
Todos los conductores deberán ser del tipo multi conductor, de cobre blando, con
aislación adecuada al tipo de ambiente instalado. La sección mínima será de 18 AWG,
este diámetro dependerá de las distancias, con el objeto de no tener variaciones en la
caída de tensión.
Conductores para señales de instrumentación. Todos los conductores de instrumentación
que no sean suministrados por los fabricantes de los equipos y que no tengan marcas
especificadas en planos, deberán cumplir con lo siguiente.
Para señales de 4 a 20 mA. DC, deberá usarse conductores con aislación de 600 V cuyas
características son las siguientes:
• De marca COCESA o BELDEN.
• Conductores aislados, pareados o en tríos.
• Pantalla de poliéster (cubierta de aluminio) con un 100% de recubrimiento más un
cable de cobre estañado (pantalla).
• Calibre 14 AWG.|
• Planos:
• Considera la generación de planos.
77
• Ingeniería de Control.
• Arquitectura del sistema de control.
• Montaje y distribución de componentes en gabinetes.
• Conexionado.
• Planos finales de construcción.
• Manuales:
• Manual de equipos.
• Programa de sistema de control (programación).
• Diagrama en bloques de operación.
• De operación.
• Indicar además:
• Tiempo de ejecución.
• Tiempos para los servicios de puesta en servicio.
• Tiempos y costo de capacitación
• Programa de trabajo.
• Indicar personal y procedencia que realizara trabajo.
• Listado de repuestos equipos.
Los valores son referenciales (primera aproximación), y no son valores finales ya que una
cotización puede y por lo general tener varias revisiones, principalmente esto dependerá de las
gestiones que se realicen antes de cerrar el contrato. El cliente puede asumir algunos de los
suministros, hacerse cargo de costos que para el oferente son perfectamente transables.
Siguiendo con lo económico se presentan tres oferentes para este “proyecto” dos para sistemas
DCS y uno con un sistema de PLC.
Para esto asignaremos la siguiente nomenclatura.
• Oferente N°1: Se asignará como DCS N°1.
• Oferente N°2: Se asignará como DCS N°2.
78
• Oferente N°3: Se asignará como PLC N°1.
Las cotizaciones se presentaran como valores finales según las siguientes descripciones de
cada ítem:
Equipos: Se refiere a los componentes módulos de las unidades de control programables, módulos de
entradas y salidas, fuentes de poder, chasis de para montajes de módulos de control, módulos
de comunicación, interfaces para módulos de comunicación, etc. Para lograr una mejor
referencia a lo solicitado y en especial en este ítem se debe hacer una tabla con todos los
equipos para así tener más claro las fortalezas y debilidades de cada oferente. Para las CPU de
debe tener claro sus capacidades como procesador, redundancia en el chequeo del proceso
(típico de los DCS) capacidad máxima para la entradas y salidas (por lo general un proyecto
debe considerar un 20% para imponderables). Para las fuentes de poder principalmente se
debe revisar su tensión y frecuencia de trabajo, capacidad en términos de energía que tiene que
entregar a los módulos que soportará, ya que si se adiciona un módulo que no estaba
considerado la fuente tiene que poder entregar la energía que este requiere para operar.
Para los módulos de estrada y salida, se debe revisar si son canales aislados o agrupados, al ser
aislados proveen una mayor potencialidad ya que si falla un canal no afectará los demás, (a
pesar que esto debiera estar claramente identificado en la especificación técnica). Además de
revisar lo concerniente a lo técnico, es necesario revisar la caducidad de los módulos, cada
empresa tiene tiempos asociados a la operación de cada uno de, estos, cuando se acercan la
fecha a ser detenida su producción su valor baja. Para los equipos de comunicación se debe
hacer hincapié estén acorde a las normas y las aplicaciones que pide el proyecto.
Programas: Se refiere a los distintos programas asociados a los sistemas de control, sus licencias y
componentes para realizar la red de control correspondiente al sistema en particular. Para la
comparación de este ítem lo más importante es poder determinar la plataforma donde se
instalara la aplicación los diversos programas que corresponde a cada proveedor.
79
Se deben revisar los requerimientos de conectividad, si requiere Internet, la red será abierta, o
entregarán un punto asignado con sus respectivas contraseñas. En la oferta se consideran los
programas (software) externos como por ejemplos antivirus, (por lo general cada proveedor de
los sistemas automáticos tiene una marca definida).
Servicios de ingeniería: Corresponde al desarrollo de los planos de control, programación del sistema de control, este
ítem por lo general es indicado mediante las horas hombre (HH) que se requieren para el
desarrollo del proyecto. Estos servicios de desglosan como HH de:
• Jefe de proyecto.
• Ingeniero (s) programador (es).
• Proyectista (s).
Puesta en servicio: Corresponde al tiempo o asignación de horas hombre (HH) que se estima para desarrollo del
proyecto en terreno, por lo general se asocias a la implementación y puesta en servicio (puesta
en marcha) del proyecto. Esto es:
• Jefe de proyecto.
• Ingeniero (s) programador (es).
• Proyectistas.
• Personal de montaje.
Para este ítem y el de servicios de ingeniería, se hace imprescindible poseer una carta Gantt, o
un programa de actividades que señale los tiempos asignados a cada tarea. Con esta
información se podrá determinar si los plazos están dentro de lo esperado para el proyecto en
general. Una oferta podrá estar económicamente aceptable pero si este ítem no está con la
programación general se deberá revisar a fondo el porqué de esta condición.
80
Pruebas: Estas se refieren a las pruebas del sistema y que se realizan tanto en fábrica como en terreno.
Se debe dejar en claro donde se realizaran y quien asume los gastos si los equipos y gabinetes
no están en plaza.
Servicios de traslados, viáticos: Corresponde a los costos asociados a los traslados propios del proyecto, seguros, viáticos para
personal.
Entrenamiento: Parte del proyecto en el cual se prepara al personal de planta en el uso del sistema. Esta
actividad debe claramente estar acotada en tiempo y desarrollo del proyecto para que no se
mezcle con la puesta en servicio. Un mal entrenamiento puede generar problemas a las
personas y equipos.
Según lo anterior se presentan las siguientes ofertas para un proyecto de automatización
industrial:
81
Oferta DCS N°1:
Tabla N°23: Oferta económica DCS N°1.En USD.
Equipos. $ 173.869,9
Licencias. $ 95.140,3 Equipos y PC. $ 23.606,0
Gabinetes. $ 37.254,1 Servicios de ingeniería. $ 114.039,8 Puesta en servicio. $ 46.076,2 Pruebas. $ 30.279,9 Entrenamiento. $ 11.921,3 Total oferta neto. $ 532.187,6
Figura N°30: Gráfico de presupuesto DCS Opción N°1.
82
Oferta DCS N°2:
Tabla N°24: Oferta económica DCS N°2.En USD.
Equipos. $ 219.380,4
Licencias. $ 68.030,8 Equipos y PC. $ 93.578,3
Servicios de ingeniería. $ 193.989,9 Puesta en servicio. $ 77.596,0 Pruebas. $ 28.765,9 Transporte. $147.257,9 Total oferta neto. $ 828.667,96
Figura N°31: Gráfico de presupuesto DCS Opción N°2.
83
Oferta PLC N°3:
Tabla N°25: Oferta económica PLC N°3. En USD. Equipos. $ 166.407
Licencias. $ 32.387 Equipos y PC. $ 32.455
Servicios de ingeniería. $ 95.558 Puesta en servicio. $ 65.344 Pruebas. $ 10.093 Entrenamiento. $ 54.604 Total oferta neto. $456.848
De las Tablas N° 23, 24 y 25 (de las cuales se desprenden los Gráficos N°30, 31 y 32) se
observa que a pesar que las dos primeras opciones son sistemas DCS, no presentan valores
similares; es más hay una gran diferencia entre ambas, esto se puede deber a que la opción
Figura N°32: Gráfico de presupuesto PLC Opción N°3.
84
N°2, no tiene base en Chile, es decir todo incluyendo los programadores son foráneos. Esto se
debe a que principalmente hay una empresa que representa la marca, y aún no desarrolla su
área de ingeniería. Por este motivo esta oferta queda fuera de toda consideración. Por lo
anterior se deben considera las opciones N°1 y N°3. Para esto se presenta el siguiente Gráfico
N°48 para hacer un análisis de sus ofertas. Con dicho Gráfico (de la figura N°33), se observa
que las diferencias entre ambos sistemas son coherentes y serán señaladas por cada grupo.
Equipos: Para este ítem hay similitud en sus costos, ya que como equipos, los DCS, han logrado
estandarizar sus componentes para compartir en este segmento con los PLC.
Licencias: Con relación a licencias, los DCS, aún no logran disminuir sus costos debido a que los
programas (por ende sus licencias) están pensadas para manejar una cantidad importante de
información, cosa que los PLC no abarcan estas consideraciones.
Equipos y computadores: Los DCS por su estructura de bus requieren en términos generales menores PC (clientes y
servidores) con respecto a los sistemas de PLC, que utilizan estructura cliente servidor. Como
se señala en el inicio de este capítulo se debe chequear las características en términos de
capacidad, velocidad, arreglos de discos y es necesario y por supuesto sus respectivas marcas.
Para confirmar si están disponibles en plaza.
Gabinetes: Para este ítem como se explica en ítem anterior los PLC requieren mayores requerimientos de
equipos por su estructura (espacio) cliente servidor, debido a los equipos de comunicación.
Como enrutadores y conversores de protocolos de comunicación.
Servicio de ingeniería: Hasta el día de hoy hay un grupo importante de empresas que mantiene la ingeniería para los
DCS en los países de origen, que para Chile se considera foránea, esto impacta directamente 85
en los costos de éste ítem en su cotización. Para los PLC, hoy día este ítem hay ingenieros
chilenos que ya poseen la experiencia y se pueden hacer cargo de la ingeniería. Para el
personal, este debe ser calificado entregando sus respectivos currículos y competencias.
Puesta en marcha: Este ítem está ligado a la ingeniería del mismo modo, se debe traer a especialistas de otros
países para operar lo programado. Se debe tener claro el alcance de esta actividad. Esto pide
en forma casi exclusiva un plan de trabajo y la duración de esta actividad.
Para los demás ítem, por lo general el oferente los maneja y distribuye con el fin de emitir una
cotización atractiva, es muy probable estos valores sean prorrateados en los demás ítems. Una
vez que las cotizaciones son sometidas a una segunda ronda de revisión, es posible afinar y
ajustar los requerimientos. Con esta condición se da la oportunidad de aclarar y determinara
como se ha realizado la cotización, detectando el peso específico de cada ítem. Con esto los
oferentes entregaran con mayor detalle los recursos a utilizar y como serán distribuidos.
Finalmente y a pesar que la metodología presentada en este trabajo indicaba que la mejor
opción técnicamente para este “proyecto de control y automatización, debía ser un control
DCS y dada la condición económica señalada, se debe cambiar la elección por los valores
presentados tomando la como opción el sistema de PLC.
86
D…$ 0
$ 20
$ 40
$ 60
$ 80
$ 100
$ 120
MIL
LON
ESComparación entre oferta DCS y PLC
DCS Op. N°1 PLC Op. N°3
Figura N°33: Gráfico de comparación de presupuesto
Opción N°1 y Opción N°3.
87
CONCLUSIONES Cuando se da inicio al desarrollo de este trabajo, que para el cual, inicialmente no se
vislumbraban mayores diferencias, (entre ambos sistemas); debido principalmente, a que
ambos han sido desarrollados para prestar sus recursos en resolver problemas de la
automatización de procesos. Sin embargo, la percepción de hoy ha cambiado, principalmente
por haber detectado que si bien, hoy los desarrolladores de estos sistemas nos muestran que la
brecha entre ambos está más cerca, y que desde cierto punto de vista esto podría ser señalado
como una tendencia asintótica, en la cual se acercarían pero en definitiva no son lo mismo.
Para poder explicar esta diferencia, la mejor referencia es entender cómo y porque son
desarrollados cada uno de estos sistemas de control. Por un lado los PLC fueron la respuesta a
procesos discretos con señales digitales y por otra parte los DCS a proceso analógicos, con
complejidades mayores.
Hoy podemos explicar de cierta manera por qué se entrelazan y ambos pueden ser solución a
la automatización de ciertos procesos. Hoy los proyectos son integrales y abarcan áreas
diferentes por lo que requieren de distintas señales, y ya no son netamente de un tipo (digital o
analógico). Esta condición fue detectada por los desarrolladores y vieron que era posible
ampliar su espectro. Los PLC comenzaron a desarrollar tecnología para sus módulos
analógicos y potenciar sus unidades de control. Asimismo, los sistemas DCS ampliaron sus
campos de operación y servicio, y bajaron sus costos para absorber la demanda de proyectos
integrales.
Volviendo a las diferencias entre estos sistemas, una de las primeras características técnicas
que se desprenden de este trabajo, es constatar la cantidad de protocolos que se manejan en el
área industrial, y que las empresas que suministran sensores y equipos han debido desarrollar
equipos que puedan comunicarse con los diversos protocolos que se encuentran disponibles.
Esta condición genera en el tiempo dependencias hacia las compañías que proveen de los
controladores PLC y finalmente los DCS. Para adquirir por ejemplo un equipo de medición
luego de desarrollar la aplicación y determinar la tecnología, finalmente se debe hacer la
pregunta de cómo se comunicará ya sea a través de un equipo inteligente, con salida analógica.
88
Si esto se deja al azar, en el futuro, esta falta de rigurosidad podría jugar en contra, ya que si se
define un control y el esquipo no conversa con el controlador será necesario adquirir un
módulo de comunicaciones que permita a lo menos obtener la señal de medida. La
consecuencia directa a esta situación, son los costos asociados, ya sea por una ampliación o
directamente por un proyecto en desarrollo.
De la revisión de los protocolos de comunicación aparece la duda en los ingenieros y/o
técnicos que instalan los servicios. En cuanto a si realmente manejan la teoría de estos
protocolos o simplemente van siguiendo las instrucciones de los manuales. De esta situación
se desprende lo siguiente, si se requiere de personal altamente calificado y especialista en cada
línea de protocolos. Un caso similar es en la programación de los PLC y DCS, ya que estas
tecnologías tienden a absorber a los profesionales del área quienes siguen a una marca,
indistintamente del motivo. Esto se puede ver en las empresas que realizan control automático,
ya que en general se presentan como solucionadores de problemas de una marca en especial.
De igual forma las empresas que tiene procesos automatizados tienden a mantener una línea,
ya que sus departamentos de mantención al igual que las empresas de ingeniería se
especializan en marcas determinadas, dejando una opción casi nula a la competencia.
Otro concepto importante que se debe tener en cuenta, aparte de la teoría, es la aplicación e
implementación de las redes, ya que se debe tener muy claro sobre la información a enviar, a
los niveles superiores de la red, ya que cada equipo cuenta con distintos tipos de arreglos para
enviar los paquetes de información, un mal cálculo de esto puede saturar la red. De igual
forma para la implementación de las redes se solicita una estandarización para el cableado,
distancias, voltaje de tensiones requeridas y por supuesto las secciones de los conductores
además se encuentra que no solo los ingenieros o técnicos deben estar capacitados sino
también que el personal que realiza el montaje de las redes.
De las consultas realizadas a profesionales del área sobre este tipo de control, se pudo
constatar que la falta de información concreta para determinar sus diferencias, y quienes ya
han superado este nivel, las entienden claramente. Por ejemplo, un ingeniero programador
hará énfasis en la estructura rígida de la programación de los DCS frente a los PLC.
89
En el aspecto informático la distribución es más sencilla y su valor de implementación es
menor, en los DCS, por lo menos así lo vemos en las ofertar económicas. Esto básicamente
por su configuración en línea (bus). Este tema se convierte en relevante, ya que si hay un
sistema de control existente, y se requieren realizar modificaciones o ampliaciones, implicará
el análisis exhaustivo de lo existente con lo nuevo a incorporar.
Finalmente con este trabajo se muestra que a pesar que existe una extensa literatura y la
información está disponible, acerca de ambos sistemas, aún existen confusiones de los
alcances de uno con respecto al otro. Este trabajo se puede considerar como una herramienta
de orientación para la selección de control, pero se deben incorporar otras variables que se
deben barajar y requieren de personal técnicamente calificado, en varias áreas, como por
ejemplo, comunicaciones, electrónica, informática, programación etc. Estas son áreas que
potencian los sistemas y los hacen más robustos.
DISCUSIONES
Como se ha visto en este trabajo, existe una gran variedad de tópicos y áreas que en conjunto
conforman los sistemas para el desarrollo del control automático. Cada uno de estos puede ser
claramente tomado en forma individual y ser tratadas como tal.
Con el avance de las comunicaciones estos sistemas se han despegado de lo técnico y se están
posicionados en los niveles más altos en las jerarquías industriales, hoy los gerentes tienen
acceso en línea, a la información de la producción en sus industrias.
Para el área técnica como ingenieros electrónico y de control automático, son un gran desafío
ya que este campo tiene cambios vertiginosos y obliga a estar en constante desarrollo
profesional. Además invita, además, a que las universidades se abran a las capacitaciones en
este tema, con el fin de acercar a los estudiantes y profesionales a este desarrollo.
90
BIBLIOGRAFIA 1. Albala Américo. (1993).”Dirección de Proyectos”. Ediciones del colegio de Ingenieros de
Chile. Santiago. Chile página 63-69pp. 2. Berhrouz A. Forouzan. (2002). “Transmisión de datos y redes de comunicaciones
traducción Carretero Pérez. Mc Graw Hill Madrid España.1-61pp. 3. Creus Sole Antonio (2006) Séptima Edición. “Instrumentación Industrial”. Alfa Omega.
México.561-622pp. 4. GE Fanuc Automation.GFK-0356Q-SP. (2010).PLC Series 90Tm- 30. Manual de
instalación y Hardware. Capítulos 1-7. 5. Kurose James, Keith Ross (2010). “Computer Networking”. Addison- Wesley. New York.
USA. 1-56pp. 6. ODVA. (2006) CIP Network for sensors and actuators. Ann Arbor Michigan USA.4pp. 7. Powell James Vandeline Henry. (2009) Traducido por Bárbara Szteinberg. Introducción al
bus de campo para la automatización de procesos, Siemens Milltronics, Argentina 166pp. Páginas web: a) Allen Bradley. (2014).User Manual. “Control Logix
System.http://literatura.rockwellautomation.com/idc/groups/literatura/documents/um/1756-UM001-en.p.pdf.209pp.
b) Cia and Can pen (2001-2015). ”Controller Area Network”. www.can-cia.org. c) GE Fanuc Automation.GFK-0898-SP. (2010).”Serie 90-30PLC I/O. Module
Specification. Capítulos 1-10.http://support.ge-ip.com/support/resource/site/GE_FANUC_SUPPORT/content/staging/DOCUMENT/0/DO287/en_US/4.0/gfk0899f.pdf.
d) HMI Cimplicity 8.0. GE. http://Proscada.ru/cimplicity/ciemesdit/3 over/cimesditscreen
configurationexample .htm. e) Manual Mitsubishi: http://www.mitsubishi-automation.es.
91
f) Manual AB http://ab.rockwellautomation.com/Programmable -controllers. g) Siemens The Simatic PCS 7. (2009) Brochure.www.siemens.com/Simatic-pcs7. 92pp. h) Siemens.Simatic S/ Manual and Guide. http://www.dcscenter.com. 75pp. i) Rockwell Automation. (2011). CD Listen. Think Solve Publication PROCESS-lm002-EN-
C. INC.
92
ANEXO A1.1 La Organización Internacional de Estandarización OSI Fue creada en 1947, es un organismo multinacional dedicado a establecer acuerdos mundiales
sobre los estándares internacionales. Un estándar OSI cubre todos los aspectos de las redes de
comunicación. Es el modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI), que permite que
dos sistemas diferentes se puedan comunicar independientemente de la arquitectura
subyacente. Los protocolos específicos o propietarios de cada vendedor no permiten la
comunicación entre dispositivos no relacionados. El objetivo del modelo OSI es permitir la
comunicación entre sistemas distintos, donde no sea necesario cambiar la lógica del hardware
o el software subyacente para el intercambio de la información. El modelo OSI no es un
protocolo; es un modelo para comprender y diseñar una arquitectura de red flexible, robusta e
interoperable.
En general el modelo OSI (ver Figura N°A1) opera sobre el dato, es decir no lo modifica,
actúa sobre él, lo blinda, para lograr que no se pierda y mucho menos que sea extraído por un
usuario no permitido. En el emisor el dato que se quiere enviar entra en un proceso en el cual
se agregan datos en forma secuencial y una vez que termina, el dato posee más información y
se considera que está blindado, con distintas capas. Cada una de estas capas es independiente
una de la otra. Cuando llega a su destino, se realiza el proceso inverso quitando el blindaje que
incorporó por cada capa, para finalmente quedar con la información original que fue gestada
en el emisor.
Las capas del modelo describen lo siguiente: Capa 7 Aplicación: Es la capa que tiene la tarea de presentar al usuario las herramientas que permitirá enviar y
recibir información mediante una red o entre dos equipos conectados.
93
Capa 6 Presentación: Cuando se envía información de un equipo a otro ésta, no es transmitida como se origina, ya
que estará expuesta a ser tomada por otro equipo, por lo que esta capa realiza un proceso de
codificación y decodificación, que deberán ser reconocidos por ambos equipos; el que envía y
el que recibe la información. Para optimizar el tiempo de envío, esta capa debe ser capaz de
comprimir y descomprimir esta información.
Fuente: personal.
CAPA 7
APLICACION
CAPA 6
PRESENTACIÓN
CAPA 5
SESIÓN
CAPA 4
TRANSPORTE
CAPA 3
NIVEL DE RED
CAPA 2
NIVEL DE ENLACE DE DATOS
CAPA 1
NIVEL FÍSICO
Figura N°A1: Modelo OSI y sus capas.
94
Capa 5 Sesión: Esta aplicación ordena en el tiempo y gestiona los envíos “control del dialogo”, tiene la
posibilidad de incorporar marcas para que intercalan en el paquete de información
“sincronización”. El objetivo es mantener la comunicación en el tiempo, ya que si se envía una
información y hay una interrupción, la sesión será capaz de, mediante las marcas, enviar desde
la última que se detectó y no enviar de nuevo toda la información, generando la optimización
de la comunicación.
Capa 4 Transporte: Esta aplicación cumple la función de asegurar la conexión final entre el emisor y receptor del
mensaje, en esta tarea además se encarga de controlar el flujo ya que su preocupación es que la
información llegue completa y en orden. Con esto, está obligado a realizar control de errores.
Capa 3 Red: Esta aplicación permite realizar el envío de información desde un equipo a otro, siempre que
estén de alguna forma unidos, ya sea directamente o mediante una red. Si es el último caso se
relacionará directamente con los enrutadores, ya que este toma las direcciones asociándolas al
equipo con la dirección seleccionada.
Capa 2 Enlace: Cuando el mensaje que se está enviando aún está en el equipo emisor esta capa adicionará tres
parámetros: dirección origen, dirección destino y un parámetro definido como cola. En este
parámetro se encuentran las características del enlace, define el control de flujo y la detección
de errores. Ya cuando se está en el equipo de destino éste comprobará que la información sea
la emitida, sacando las direcciones y confirmando que el dato no sufrió pérdidas y está
completo.
Capa 1 Física: Permite que información digitalizada (ceros y unos) sea convertida a señales
electromagnéticas, las cuales son enviadas desde un emisor al receptor. El corazón de esta
capa son los niveles eléctricos, que se refieren a los voltajes que discriminan entre un “cero” y 95
un “uno” lógico. Los componentes mecánicos se refieren al tipo de conector a utilizar entre los
equipos y módulos de comunicación. En general, esta capa define el los bits por segundo y la
distancia de conexión entre los equipos; la cual esta inversamente relaciona con la cantidad de
bits. Ejemplos de estándares para esta capa:
• EIA 232 (RS - 232).
• EIA 485 (RS - 485).
• ESTANDAR IEEE 802.3.
A1.2 Protocolos de comunicaciones industriales En primer lugar debemos señalar que las comunicaciones industriales trabajan con el modelo
OSI. Sin embargo, por la condición y tipo de datos esta estructura requiere de sólo cinco de
ellas, considerando las siguientes capas y asignaciones (ver Tabla N°A1).
Tabla N°A1: Modelo OSI con respecto a uso industrial. Capas STANDAR INDUSTRIAL
1 Aplicación. Aplicación 2 Presentación
3 Sesión 4 Transporte Transporte 5 Red Red 6 Enlace Enlace 7 Física Física
Fuente: Propia.
Las topologías de las redes industriales están directamente ligadas a los protocolos de servicio.
En la Tabla N°A2 se muestran los distintos elementos de control los cuales para ser utilizados
en una red de controlador se les deben asignar las unidades de memoria que se indican. En
general, a lo que se refiere lo antes indicado, es que para manejar los últimos sensores y
actuadores éstos requieren y utilizan una mayor cantidad de unidades de memoria, ya que no
solo envían el valor de proceso que se está midiendo en terreno o ejecutando, sino que además
es posible que envíen su condición de trabajo, estado, en términos calibración, condición de
96
ajustes. Estas propiedades de los denominados sensores inteligentes buscan disminuir los
tiempos perdidos por conceptos de mantenciones, ya que por medio de la red se puede
chequear el instrumento, revisando sus paramentos de calibración, y con esto se puede realizar
un programa de trabajo de mantención preventiva.
En la siguiente Tabla N°A3 se indican los protocolos de comunicación que se asignan a cada
tipo de señal según los dispositivos. En general en las comunicaciones industriales, éstas se
encuentran bastante estructuradas y van de la mano con el desarrollo tecnológico, si es que no
son el motor del mismo cambio en este ámbito tecnológico. Es relevante indicar que hay dos
líneas en la automatización de procesos: una es la americana y la otra la europea
(principalmente alemana). Esto se refleja en cada uno de los protocolos de comunicación, que
si bien se han abierto, hay protocolos que mantienen su línea original.
Tabla N°A2: Asociación de elementos de campo con sus señales y asignación en variables. Descripción Tipo Almacenamiento
Sensores y Actuadores
Inductivos, capacitivos, límites de carrera, solenoides, etc.
Encendido Apagado. BIT
Presión, Flujo temperatura Válvulas de control, salida 4-20 m Amp.
Señales analógicas. Bytes
Presión, Flujo temperatura válvulas salida 4-20, HART, Buses de campo
Inteligentes. Registros uno o más Bytes.
Fuente: Propia.
97
Protocolo AS-I (Actuador Sensor Interface): Desarrollado por un conjunto de empresas tales como Pepperl-Fuchs, Allen-Bradley, Banner
Engineering, Productos Datalogic, Siemens, Telemecanique, Turck, Omron, Eaton y Festo,
todas desarrolladoras de sensores y controladores. Su origen fue estandarizar los sensores y
actuadores de campo. La finalidad de este protocolo es que define un solo controlador
(cerebro) que recibe a todos los sensores. La forma que lo lleva a cabo es en paralelo sobre un
solo par de conductores. A esta configuración de denomina “BUS”.
En la Tabla N°A4 que sigue, se indica como este protocolo sigue de cierta forma el modelo
OSI y es de esta forma que la información es codificada en sólo dos estados: encendido y
apagado. La red queda claramente definida.
Tabla N°A3: Descripción de buses según su aplicación. Buses Descripción Protocolos
Sensores Asociados a sensores y actuadores ubicados en terreno. ASI CAN, ProfibusPA
Dispositivos Asociados a equipos como variadores de frecuencia, partidores suaves, equipos de medición de energía. Relés térmicos inteligentes.
Device Net. Profibus DP. Inerbus-S
Campo Field Buses. Foundation Fieldbus, Profibus
Control Definido para la comunicación entre redes de controladores como PLC.
HSE. Control Net. Profinet.
Ethernet Dirigido a comunicaciones desde controladores y PC, PC-PC.
Ethernet.
Fuente: Propia.
98
En la equivalencia de la capa de aplicación, el controlador recibe la información mediante el
siguiente proceso:
a. El controlador maestro (único) envía una señal de información a todos los
elementos de la red (esclavos). Estos responden de a uno a la vez, siempre y cuando
su condición se vea modificada en relación a la consulta anterior. Para la
incorporación de un nuevo elemento se asignará por defecto una dirección.
b. La consulta que realiza el controlador se observa en la Figura N°A2 que más
adelante se presenta, en la cual observamos la estructura de solicitud, que consta de
14 bits. Cada uno de estos está bits relacionado con un tiempo (que es de 6 mili
segundos), es decir que el controlador requiere de a lo menos de 84 mili segundos
para enviar este arreglo.
Tabla N°A4: Relación de AS-I con modelo OSI.
OSI BUS DE CAMPO DE SENSORES Y ACTUADORES CAPA DESCRIPCIÓN
Mensajes cíclicos que recorre los nodos de sensores y actuadores
1 APLICACIÓN
2 PRESENTACION
3 SESION
4 TRANSPORTE
5 RED
6 ENLACE Trama de datos de 14 bits para controlador y 7 para los sensores y actuadores. Con bits de inicio, parada, lo que permite proteger la información.
7 FISICA Cable par sin trenzar, fuente de poder, modulación APM
Fuente: Propia.
99
Dirección: Consta de 5 bits los cuales indica la dirección asociada al sensor o actuador
(esclavo) lo que indica que puede tener 25 = 32 direcciones.
Información: Consta de 5 bits. La información dependerá de que está solicitando el
controlador.
SB: Bits que define el inicio del envío de información al controlador, su valor “SB=0”.
CB: En Tabla N°A5, se indica la operación del bit CB PB: Bits de paridad con PB=1 indica que lo requerido se está realizando.
EB: Bit indica que el requerimiento del controlador está finalizado y su valor es EB=1.
Tabla N°A5: Bit de control “CB”.
Bit CB Requerimiento del Sensor o Actuador
0 Datos, Parámetros. 1 Tipo de comandos.
Fuente: Propia.
Figura N°A2: Estructura de la trama para protocolo AS-I.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
SB CB PB EB
INFORMACIONDIRECCIÓN
Fuente: Propia.
100
Estructura de sensores y actuadores: En la Figura N°A3 encontramos la estructura de los sensores y actuadores. SB: Bits de que define el inicio del envío de información al controlador, su valor “SB=0”. Información: Consta de 4 bits en donde la información dependerá de que es lo que se encuentra solicitando el controlador. PB: Bit de paridad indica que se está realizando la tarea. EB: Bit indica el término de la información solicitada.
A1.3 Buses de campo
La idea principal de estos denominados buses es que por ellos se lleve la información de los
sensores a las distintas instancias de control, ya sea a las Interfaces de control (HMI), a los
controladores programables (PLC), Salas de control, software de administración, etc. Son
bidireccionales, reciben y tienen la capacidad de enviar información. Por ejemplo, puntos de
operación, controles lógico, elementos proporciónales y/o derivativos, elementos integrales o,
en su conjunto, PID. Los buses consideran la mejora en términos del montaje de los
instrumentos o equipos, ya que reduce las horas hombre para el cableado, montaje de bandejas
y tubos en los montajes de los proyectos industriales, y con ello trae directamente una
disminución económica importante para el proyecto. Según estas consideraciones, podemos
1 2 3 4 5 6 7
SB PB EB
INFORMACION
Fuente: Propia.
Figura N°A3: Estructura de control AS-I.
101
señalar que la tarea fundamental a realizar es poder enviar la mayor cantidad de información
posible en el menor tiempo que se pueda, el cual fluctuará entre los 10 y 100 mili segundos
Bus Can:
Protocolo abierto de comunicaciones para redes industriales, que tiene sus orígenes en los
principios de la década de los años 80 y está ligado al desarrollo de componentes electrónicos
utilizados en automóviles, por ejemplo:
a. Frenos ABS.
b. Suspensión.
c. Calefacción.
d. Motor.
e. Alza vidrios.
Todas estas componentes se interconectaban mediante cables en general punto a puntos, CAN
resolvió este procedimiento de conexionado ordenando la generación de información.
Fue desarrollado por Robert Bosh GmbH, quien en conjunto con Intel crearon un controlador
dedicado para este proceso. Para señalar el significado de este cambio en términos de
operación y cableado se deben observar Figuras N°A4 y N°A5.
Figura N°A4: Estructura de comunicación con protocolo CAN.
Fuente: Propia.
102
En la Figura N°A4 se observa que estos componentes se interconectan entre sí, hay exceso de
cableado lo que trae como consecuencia puntos de fallas, mayor trabajo, y costos mayores en
cables conectores.
En la Figura N°A5 se observa una reducción en el cableado, los elementos solo van a un
equipo, “controlador”.
Este nuevo formato obligo a los distintos proveedores a mejorar y adaptarse al cambio, y por
ello que este protocolo abrió una nueva forma de comunicar cada uno de los elementos, razón
fundamental para que el área industrial viera en este protocolo una herramienta muy atractiva
para dicho rubro.
Estructura Bus Can: La Figura N°A6 señala el formato de la estructura del protocolo CAN, el cual se describe de la
siguiente forma:
Fuente: Propia.
Figura N°A5: Protocolo CAN con conexión en BUS.
SO
F
ID 4
ID 3
ID 2
ID 1
ID 0
r0 DLC
3D
LC2
DLC
1D
LC0
Inic
io d
e tra
ma
…..
CRC 16 bitsIDENTIFICADOR 11 O 29 bit.
RTR
IDE
IFS
CR
C D
elac
kS
lot
Ibit
AC
KD
EL FIN DE LA TRAMA
7 BITSDATOS 0-8 bytesCONTROL
4 bits
Fuente: Propia, en base a www.can-cia.org.
Figura N°A6: Estructura de comunicación CAN.
103
• SOF (start open frame) Bit que señaliza el inicio del envío de la comunicación.
• Identificador: Segundo campo, posee dos largos que determina CAN y CAN
Extendido, para el primero asigna 11 bit, lo que entrega 2032 dispositivos esto ya que
los ID0-ID4 los considera los menos significativos y para el segundo se asignan 29
bit, asigna 536.870.912 dispositivos.
• RTR: Solicitud de transmisión remota. Bit que permite identificar si es un
requerimiento o una emisión de información.
• IDE: Determina el tipo de Protocolo CAN, es decir si es extendido o no.
• R0: Bit recesivo.
• DLC: Cuatro bits que señalan los Bytes del mensaje a enviar o recibir.
• DATOS: Lugar de bytes asignados para alojar el mensajes o información a
transportar desde 0 a 8 bytes.
• CRC: Código de redundancia cíclica, garantizar la integridad del mensaje.
• ACK: Campo de reconocimiento: Dos bits que determina las siguientes condiciones,
al ser enviado un mensaje el transmisor lo coloca.
• IFS: Espaciado entre tramas.
Con esta estructura el bus de comunicación finalmente es descrito en la Figura N°A7 y en
comparación con la Figura N°A5 se reconoce la incorporación de resistencias de 120 ohms,
las cuales permiten terminar el bus en ambos extremos. La falta de cualquiera de estas
resistencias generará problemas en la transmisión como rebotes de señal, retardos y efectos
fantasmas.
Figura N°A7: Protocolo CAN con conexión en BUS.
Fuente: Personal.
104
Además, de las resistencias de fin de bus. Se indica el voltaje del bus (ver figura N°A8) el cual
es referido a un diferencial entre los CAN_H y CAN_L. Cuando este diferencial se encuentra
dentro de los rangos de 1.5 y 3.5 volt se asigna a este bit como “Dominante”, para cualquier
otro valor se asigna como “Recesivo”. Cada uno de estos valores es tomado a lo menos en 1µ
seg. Ver Figura N°A8. En general esta condición de asignación de bits, mediante diferenciales
de tensión coopera bastante en la calidad del envío de la información ya que cualquier tipo de
interferencia afectara a ambas líneas del cable trenzado, manteniendo siempre su diferencial, y
asegurando que la discriminación entre los bits dominantes y recesivos. Aún con esta
condición con CAN, se posee un procedimiento para asegura la integridad de la información.
La forma que tiene CAN para comunicarse con los demás nodos es colocar la información en
el bus, lo que permite que todos los nodos acecen a la información y quien tenga la dirección a
la que es enviada en la trama puede acceder a la información.
Figura N°A8: Tensión diferencial en CAN.
Fuente: Propia.
105
Red Device Net: Fue desarrollada por Rockwell Automation (Allen Bradley). DeviceNet deriva del protocolo
CAN. Además, es adoptada por la ODVA22, organización sin fines de lucro fundada en 1995
principalmente para el desarrollo de sus especificaciones, la que normaliza entregando a
proveedores y usuarios herramientas, entrenamiento y pruebas de compatibilidad.
Principalmente es una red de comunicaciones para dispositivos de bajo costo que se utiliza
para conectar a sensores de campo como, sensores fotoeléctricos, válvulas, partidores de
motores, variadores de frecuencia, lectores de códigos de barras, interfaces de operador, etc.
Sus principales características son: alta velocidad, a nivel de byte en sus comunicaciones (en
señales discretas y analógicas). Su función principal es transmitir la información desde el
terreno, la que tiene que ver con los datos propios del proceso, información cíclica y no-
cíclica, y que además envía los datos propios del sensor, tales como su diagnóstico y los
parámetros de configuración. Este protocolo conecta como máximo 64 dispositivos partiendo
en cero y terminando en 63. En la Figura N°A9 se observan las distintas topologías que
sugiere Device NET, en donde la línea roja es la línea troncal y la línea azul es la derivación.
La diferencia entre ambas es la capacidad de los conductores del cordón (lo que se denomina
la capa física). Se alimenta con 24 volt continuos (en realidad hay un rango en el cual se
mueve este voltaje: entre 19 y 26 voltios), si esta fuera del rango hay problemas intermitentes
con la comunicación. En la siguiente Tabla N°A6 se revisan las distintas velocidades que
permite Device Net. Se debe hacer notar que mientras más corta es la longitud del cable trocal,
y las derivaciones son menores su velocidad de transmisión es mayor. Otro tema que afecta la
velocidad de la red son los tipos de paquete o conjuntos de información que son enviados
mediante la red. Cada elemento que se conecta a la red tiene distinta información disponible
para enviar y lo que se requiere, con esta salvedad, es no superar el 80% en el tráfico, ya que
generaría problemas y caídas en la red (independiente que el proveedor siguiera que se puede
utilizar sobre el 95% del tráfico o capacidad de transporte). En los extremos del bus troncal se
instalan resistencias para evitar los rebotes de la señal las cuales también generan problemas
22 ODVA: De su denominación en inglés Open Device net Vendor Association.
106
de eco en la línea perjudicando el intercambio de los datos. Las resistencias tienen las
siguientes características (en la Figura N°A9 se señala como TR) y su valor como resistencia
es: R=121Ω. Potencia de disipación: ¼ Watt., 1% de tolerancia.
Tabla N°A6: Velocidades de Device Net.
Tasa de
Transmisión
Tamaño de
la red
Derivaciones
Máximo. Total.
125 kbps. 500 mt.
6 mt.
156 mt.
250 kbps. 250 mt. 78 mt.
500 kbps 100 mt. 39 mts.
Fuente: Propia.
En el diagrama de las topologías de la red (Figura N°A9), se observa que hay puntos de
derivación que se desprenden de la troncal (línea roja, semicírculos), estos poseen una
característica especial, que radica en que son alimentados con los 24 volts dc, permitiendo con
ello mantener los niveles de tensión en la comunicación. Las otras derivaciones (círculos) no
poseen alimentación permitiendo sólo tener una distancia del sensor o equipo de no más de 6
metros.
En términos de su instalación esta debe ser realizada por personal con experiencia, ya que
como todo en el área eléctrica cualquier conexión mal realizada provoca problemas aleatorios
y difíciles de detectar. Los problemas de montaje que se detectan generalmente en este tipo de
red, son principalmente debido al desconocimiento de las herramientas adecuadas para este
tipo de actividad; esto es:
a) Cables mal pelados.
b) Cables cambiados.
c) No seguir la instrucción de conexionado.
d) No respetar las distancias de los nodos y los equipos finales.
e) Falta de supervisión.
107
Control Net: Es un protocolo abierto que se basa en la estructura de capas y sigue la formalidad del modelo
OSI, desarrollada por Allen Bradley en el año 1995, con la finalidad de comunicar PLC´s
entre sí y otros elementos pertenecientes al proceso industrial. La principal operación es que
permite que los PLC conectados a esta red trabajen al mismo tiempo, permitiendo a cada uno
de ellos sentir que están conectados directamente a sus elementos lo que se traduce en ahorro
de tiempo y de redes individuales para cada controlador. Para el acceso a red, lo anterior se
denomina arquitectura productor /consumidor.
Características.
a. Programación, enclavamiento de procesador a procesador y control de E/S en el
mismo vínculo sin afectar las E/S que tienen tiempo más crítico. Control Net divide
su ancho de banda en tres rangos independientes. El primer rango es el programado23;
acá la información es crítica en el tiempo y los datos son repetitivos y
23 En inglés de denomina Scheduled.
Fuente: Propia.
TR Elemento de final de bus (resistencia).
Línea troncal mayor diámetro de la sección. Línea derivación con restricción en metros.
D Elemento final de terreno en red.
Figura N°A9 Topologías de conexión que soporta Protocolo Device Net.
108
determinísticos, el segundo es el no programado24; donde los datos no son críticos y
no están reservados. Por último el de mantención de la banda. Esto se aplica a cada
nodo de la red, para lo cual se pueden obtener nodos con mayores prestaciones.
b. Opciones de medios físicos para satisfacer las necesidades de su aplicación, incluidos
cobre, fibra, anillo de fibra, redundancia de medios físicos y seguridad intrínseca. Es
primordial cuando se realicen redes con redundancia se confirmen los siguientes
aspectos entre las líneas. La principal y la alternativa no deben tener retardo de señal
ni diferencias de impedancias entre sí, ya que se pierde el sentido original. Para evitar
estos problemas y si los trayectos son mayores (entre equipos) se deberá pensar en
fibra óptica. Admite un máximo de 99 nodos, sin distancia mínima entre nodos. El
nodo menor es el encargado de manejar la mantención de la banda ancha.
c. Acceso de red desde cualquier nodo para programación y resolución de problemas de
controladores.
d. Eficiencia mejorada de la red con multidifusión de entradas y datos entre dispositivos
similares. Como el acceso a la red de un equipo a los otros, tanto para solicitar y
enviar la información hay recortes importantes en el tiempo, lo que hace que Control
Net se considere una red en tiempo real. Velocidad de 5Mbist/seg.
e. Opción de red para redundancia de Control Logix®. Con posibilidades de utilizar
cable coaxial o fibra pero no mezcla de ambos.
En la siguiente Tabla N°A7 se indican las posibilidades de conexión de ésta red, la cual
dependerá de los requerimientos de la arquitectura. Según la topología, capacidad, y las
distancias que se requieran cubrir.
Requisitos del protocolo común de instrumentación “CIP”, tiene como base fundamental la
reconocida red Ethernet TCP/IP, la cual permite que las comunicaciones sean robustas y
seguras.
24 En inglés se denomina Unscheduled.
109
Tabla N° A7: Características de Red Control Net.
Ítem Características Descripción
1 Topología
Línea troncal, derivación. Estrella. Árbol. Anillo.
2 Capacidad Cada Red Control Net admite 99 nodos. Para más nodos agregar repetidores. Algunos controladores permiten varias redes Control Net.
3 Conexiones Programadas o no programadas.
Selección del número de conexiones que usa el controlador para comunicarse con otro controlador o dispositivo del sistema.
4 Distancias. La distancia de la red dependerá del número de nodos.
Fuente: Propia.
Está acorde con el modelo OSI y el estándar IEEE 802.3; permitiendo que un gran número de
equipos se conecten en forma abierta y directa. Como diferencia a los otros protocolos, éste se
encuentra a nivel de la información ya procesada, es decir no está tomando señales de equipos
que interactúan con el medio físico o con controladores de salas eléctricas. Es considerada una
red en tiempo real, siendo su objetivo principal el manejo de la información y su acercamiento
a las aplicaciones de administración y gestión de procesos.
Las redes más antiguas se diseñaron para un sólo propósito. EtherNet/IP está diseñada para ser
la red con el uso más amplio en todas las disciplinas de la planta, y con la capacidad de
manejar las comunicaciones en todos los niveles. Es escalable, permite el ingreso de nuevas
tecnologías y servicios. Entrega la seguridad requerida para aplicaciones inseguras como
sistemas de emergencia y procesos peligrosos. En el ámbito de la instrumentación, se estarían
creando alianzas con instrumentos con esta capacidad de comunicación y permitir así ir
directamente al campo con este protocolo.
110
Condiciones para el desarrollo de proyectos con Ethernet IP:
a. Integración de sistemas/automatización de la empresa: usa exclusivamente IEEE
802.3 y TCP/IP/UDP estándar.
b. HMI: Ofrece un generoso ancho de banda para admitir aplicaciones HMI muy
grandes y con muchos datos, además de soporte de casi todos los proveedores de
HMI.
c. Programación y configuración de dispositivos: usa el puerto Ethernet de su PC.
d. Comunicación entre dispositivos similares: proporciona enclavamiento y
transferencia de datos entre controladores, robots y otros.
e. Control de E/S: proporciona regímenes de actualización inferiores a 1 ms. Ver Tabla
N°A8.
f. Control de variadores: configuración, monitoreo y control coordinado.
g. Control de seguridad: combina dispositivos estándar y de seguridad en la misma red.
h. Control de movimiento: proporciona control de movimiento de precisión para las
aplicaciones de movimiento coordinado más exigentes.
Los ítems anteriores son complementados con la Tabla N°A8.
En este trabajo de investigación se ha presentado en forma genérica la línea de redes de
comunicaciones que van desde el sensor hasta la red de información ejecutiva asociada a la
línea, principalmente de Rockwell (USA). En la Figura N°A10, se hace el paralelo con
Siemens (Europeo), que utiliza otro protocolo, pero el cual cumple el mismo objetivo de
Rockwell.
De la misma forma en las Figuras N°A10 y N°A11 (con más detalle) se muestran las
diferencias entre la estrategia de planificación de red americana y europea.
En la Figura N°A10, es la que se atribuye a la configuración americana, en la cual los sensores
y elementos de campos se conectan a Device Net; Siendo la comunicación entre los
controladores vía Control Net. La red que permite la interfaz entre el proceso y los operadores,
jefes de turno gerentes de producción y directores es la Ethernet IP.
111
Para la Figura N°A11 es la homologa de la Figura N°10. Podemos visualizar que profibus se
compone de dos buses PA25, este bus está compuesto por equipos principalmente con señales
analógicas, es decir transmite la comunicación con sensores principalmente. El otro bus de
campo es DP26, siendo su característica de los equipos controladores o dispositivos de entradas
y salidas. Esto le permite mejorar la velocidad de la información que recorre estos equipos.
Es relevante señalar que ambas estrategias tienen como red superior a Ethernet es decir para
los usuarios finales es transparente que estrategia se usara.
25 PA: Automatización de Procesos.
26 DP: Dispositivos Distribuidos.
Fuente: Propia.
Figura N°A10: Buses de Campo.
112
A1.4 Arquitecturas de conexión Como el bus tiene como objetivo enlazar sensores y actuadores como válvulas mediante un
sólo cable, esta condición permiten varias estructuras de red; como por ejemplo: estrella,
árbol, líneas, y mezcla de estas. Todo dependerá de cómo se han ubicado los distintos
elementos que pertenecen o se quieran incorporar a la red. Se debe tener en cuenta la distancia
máxima de 100 metros, desde el controlador hasta el último de los elementos.
Paralelo:
En la arquitectura que se muestra en la Figura N°A12, del controlador sale un solo cable y de
este se cuelgan los elementos. Para esta condición el controlador requiere solo una salida para
la red.
Fuente: Figura basada en diapositivas Introducción a las redes de comunicaciones.
Figura N°A11 Planificación de redes. Americana.
113
Estrella:
En esta arquitectura (ver Figura N°A13), del controlador salen varios cables y de este se
cuelgan los elementos. Para esta condición el controlador requiere varias salidas para la red, lo
que permite una mayor cantidad de elementos en la red; ya que cada salida se puede
considerar independiente de las otras. Además, al tener varias redes independientes se
posibilita tener equipos que por sus características propias envían una mayor cantidad de
información ya sean variadores de frecuencia, analizadores de redes, etc.
Fuente: Propia.
Figura N°A12: Arquitectura en paralelo.
CONTROLADOR
SENSOR 1
SENSOR 2SENSOR 3
ACTUADOR 1
Fuente: Propia.
Figura N°A13: Arquitectura en estrella.
114
Anillo:
En esta arquitectura (ver Figura N°A14), del controlador entra y sale un cable y este va a cada
uno de los elementos de la misma forma que en el controlador. Para esta condición el
controlador requiere una sola salida para la red, lo que permite una red como máximo de 64
nodos. Es poco económica ya que el cable debe volver al controlador.
Las demás arquitectura son una mezcla de las anteriores.
Fuente: Propia.
Figura N°A14: Arquitectura en anillo.
115
