Universidad Austral de Chile · 2020. 6. 12. · Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias...

Universidad Austral de Chile

Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Electrónica

ELABORACIÓN GUIA DE SOLUCIONES PARA PROBLEMAS DE COMUNICACIÓN EN SEGMENTOS

FIELDBUS EN AREA ELECTROCONTROL LICOR CELULOSA ARAUCO Y CONSTITUCION S.A.

Tesis para optar al título de: Ingeniero Electrónico. Profesor Patrocinante: Sr. Pedro Rey Clericus. Ingeniero Electrónico Licenciado en Ciencias de la Ingeniería Diplomado en Ciencias de la Ingeniería

GERMAN DANIEL HERNANDEZ MILLER VALDIVIA - CHILE

2010

II

Comisión de Titulación

Profesor Patrocinante:

_____________________________

Pedro Rey Clericus

Profesores Informantes:

_____________________________

Daniel Lühr Sierra

_____________________________ Alejandro Villegas Macaya

III

INDICE DE CONTENIDOS

Portada…………………………………………………………………………………………….I

Comisión de Titulación………………………………………………………………………….II

Índice de contenidos…………………………………………………………………………….III

Índice de Figuras…………………………………………………………………………...…VIII

Índice de Tablas…………………………………………………………………………....…XIII

Resumen…………...………………………………………………………………………..…XIV

Abstract.….…………………………………………………………………………………..…XV

Objetivos…......………………………………………………………………………….……..XVI

Introducción………………………………………………………………………………………1

CAPITULO I

REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES

1.1 Evolución de las comunicaciones Industriales. ..........................................................................2

1.2 Sistemas de Control Centralizado y Distribuido. .......................................................................3

1.2.1 Sistema de Control Centralizado (CCS)............................................................................. 4

1.2.2 Sistema de Control Distribuido (DCS)............................................................................... 5

1.3 Modelo de una Red Industrial. ...................................................................................................6

1.4 Redes de Buses de Campo..........................................................................................................9

1.4.1 Ventajas de los Buses de Campo...................................................................................... 14

1.4.2 Características de los Buses de Campo. ........................................................................... 16

1.4.3 Desventajas de los Buses de Campo................................................................................. 18

1.4.4 Tabla resumen comparativa entre Buses de Campo......................................................... 19

IV

CAPITULO II

FIELDBUS FOUNDATION

2.1 Generalidades. ..........................................................................................................................20

2.2 Historia de Fieldbus Foundation. .............................................................................................21

2.3 Estándares definidos por Fieldbus Foundation.........................................................................21

2.4 Descripción de los protocolos H1 y HSE. ................................................................................22

2.4.1 Estándar Fieldbus Foundation H1. ................................................................................... 23

2.4.1.1 H1 y el Modelo OSI. ................................................................................................. 23

2.4.1.2 LAS (Last Active Scheduler). ................................................................................... 25

2.4.1.3 La Capa Física H1. .................................................................................................... 26

2.4.1.4 Dispositivos de campo H1......................................................................................... 30

2.4.1.5 Ventajas de una Red Fieldbus Foundation H1. ......................................................... 31

2.4.1.6 Concepto de Seguridad Intrínseca. ............................................................................ 32

2.4.1.7 Componentes de una red Fieldbus............................................................................. 33

2.4.1.8 Codificación y transmisión de datos en Fieldbus Foundation................................... 38

2.4.2 HSE (High Speed Ethernet).............................................................................................. 40

2.4.2.1 HSE y el modelo OSI. ............................................................................................... 41

2.4.2.2 Ventajas de HSE........................................................................................................ 42

2.4.2.3 Tipos de Dispositivos HSE........................................................................................ 44

2.4.2.4 Limitaciones de HSE. ................................................................................................ 45

2.5 Diseño de Cableado de una red Fieldbus Foundation (Nivel Físico). ......................................46

2.5.1 Topología.......................................................................................................................... 46

2.5.2 Tipos de Cables y longitudes máximas de segmentos...................................................... 47

2.5.3 Cálculo de Longitud Total de un Segmento. .................................................................... 48

2.5.4 Longitud de Spur. ............................................................................................................. 49

2.6 Instalación y Comisionamiento de una red Fieldbus Foundation. ...........................................50

2.6.1 Instalación......................................................................................................................... 50

2.6.2 Comisionamiento.............................................................................................................. 51

2.7 Desventajas de Fieldbus Foundation. .......................................................................................52

V

CAPITULO III

INSTALACIONES FIELDBUS FOUNDATION EN PLANTA VALDIVIA

3.1 Proceso productivo y áreas de la planta. ..................................................................................53

3.2 Instalaciones Fieldbus en área Electrocontrol licor..................................................................56

3.3 Identificación de Segmentos y Dispositivos Fieldbus..............................................................58

3.4 Reglas Utilizadas en Planta Valdivia para la instalación de segmentos...................................59

3.5 Equipos y componentes de una red Fieldbus Foundation instalados en Planta Valdivia.........60

3.5.1 Elementos a nivel de terreno. ........................................................................................... 60

3.5.2 Elementos a nivel de Sala Eléctrica.................................................................................. 67

3.5.3 Elementos a nivel de Sala de Operaciones. ...................................................................... 71

3.6 Herramientas de Monitoreo y Diagnostico Disponibles en área de Licor................................72

3.6.1 Monitor de Redes Fieldbus FBT-3. .................................................................................. 73

3.6.2 Osciloscopio Fluke 123. ................................................................................................... 74

3.6.3 Comunicador Fieldbus 375............................................................................................... 75

CAPITULO IV

PROBLEMAS DE COMUNICACIÓN EN SEGMENTOS FIELDBUS EN AREA LICOR

CELULOSA ARAUCO Y CONSTITUCION S.A. PLANTA VALDIVIA

4.1 Introducción..............................................................................................................................76

4.2 Procedimientos para solucionar problemas en segmentos Fieldbus.........................................77

4.2.1 Solución a problemas de segmentos Fieldbus en fase de operación. ............................... 77

4.2.1.1 Mantención en terreno de un segmento Fieldbus. ..................................................... 78

4.2.2 Solución de problemas de segmentos fuera de servicio. .................................................. 78

4.3 Medición de Segmentos. ..........................................................................................................79

4.4 Funcionamiento normal de un segmento Fieldbus. ..................................................................82

4.4.1 Análisis de una señal Fieldbus con problemas. ................................................................ 83

4.4.2 Recomendaciones para realizar mediciones en Laboratorio. ........................................... 88

4.4.3 Factores que influyen en las fallas de comunicación de segmentos Fieldbus. ................. 89

4.5 Análisis de fallas en segmentos Fieldbus en área Electrocontrol Licor. ..................................90

4.5.1 Segmento instalado en laboratorio con sistema DCS....................................................... 90

VI

4.5.2 Dispositivos a utilizar en las pruebas de laboratorio. ....................................................... 91

4.6 Pruebas a realizar en laboratorio con segmento Fieldbus........................................................ 93

4.6.1 Transmisor ABB conectado en un segmento sin falla...................................................... 93

4.6.2 Pruebas de problemas con Terminadores. ........................................................................ 96

4.6.3 Pruebas de corto circuito en el segmento. ........................................................................ 98

4.6.4 Pruebas con Shield sin aterrizar. .................................................................................... 100

4.6.5 Pruebas con dispositivos en mal estado.......................................................................... 101

4.6.6 Pruebas con cableado que no cumple estándar............................................................... 102

4.6.7 Pruebas con Instrumento no aterrizado a tierra. ............................................................. 108

4.6.8 Shield haciendo contacto con carcaza metálica del Instrumento ................................... 111

4.6.9 Cables de bus de datos haciendo contacto con la carcaza metálica del Instrumento. .... 112

4.6.10 Cable de bus de datos haciendo contacto con Shield. .................................................. 114

4.6.11 Interferencia Electromagnética..................................................................................... 117

4.6.12 Prueba con dispositivos incompatibles......................................................................... 122

4.6.13 Cable de datos mal apretados en Instrumentos y FDU................................................. 125

4.6.14 Uso de fuentes Alimentadoras de lazo no aisladas galvánicamente............................. 126

4.7 Mantenimiento preventivo de segmentos Fieldbus. ...............................................................127

CAPITULO V PROBLEMA DE CORROSION EN PUESTA A TIERRA ARMADURA

CABLES FIELDBUS.

5.1 Descripción general del problema. .........................................................................................128

5.2 ¿Por qué se debe aterrizar a tierra la armadura de los cables Fieldbus?.................................129

5.3 ¿Por qué se produce la corrosión en los metales? ..................................................................129

5.4 Tipos de Corrosión. ................................................................................................................130

5.5 Corrosión Galvánica. ..............................................................................................................130

5.6 Origen del problema de corrosión en conductores a tierra en área de licor. ..........................133

5.7 Consecuencias de la corrosión en puesta a tierra de la armadura del cable Fieldbus. ...........134

5.8 Métodos para reducir o eliminar la corrosión Galvánica. ......................................................134

5.9 Inspección en terreno de corrosión en armadura de cables Fieldbus. ....................................135

5.10 Soluciones propuestas para resolver problema de corrosión en Armadura cables Fieldbus137

VII

5.11 Solución a implementar en PGP 2010..................................................................................138

5.12 Procedimientos para solucionar problemas de corrosión en armaduras cables Fieldbus. ....140

5.12.1 Identificación de niveles de corrosión de las armaduras de los Cables y trabajo a

realizar………………………………………………………………………………………..140

5.12.2 Verificar si el cable dañado se puede reutilizar o requiere cambio de cable................ 143

5.12.3 Tendido de Cable...........................................................................................................145

5.12.4 Reutilización de Cable...................................................................................................145

5.12.5 Procedimiento de Instalación de Conector TMC 165. ................................................. 145

5.12.6 Aterrizaje de armadura en el extremo del cable en la FDU.......................................... 146

5.12.7 Conexión a tierra de carcaza metálica de Instrumento. ................................................ 148

5.12.8 Resumen de equipos a Intervenir en Parada General de Planta 2010. ......................... 149

CONCLUSIONES........................................................................................................................153

BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................................155

ANEXO 1 Guía de Soluciones a segmentos Fieldbus…………………………………………..157

ANEXO 2 DeltaV……………………………………………………………………………….180

ANEXO 3 Diagrama de Flujo de Procedimientos para intervenir segmentos………………….191

ANEXO 4 Procedimiento de Instalación de conector TMC 165……………………………….194

VIII

INDICE DE FIGURAS

CAPITULO I REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES. Figura 1.1: Diagrama de un Sistema de Control…………………………………………………...4

Figura 1.2: Instalaciones Físicas de un Sistema de Control Centralizado…………………...…….5

Figura 1.3: Instalaciones Físicas de un Sistema de Control Distribuido…………………...……...6

Figura 1.4: Pirámide de la Automatización……………………………………………………......7

Figura 1.5: Redes de la Pirámide de la Automatización…………………………………...………8

Figura 1.6: Clasificación de los buses de campo…………………………...…………………….10

Figura 1.7: Comparación entre una instalación sin buses de campo y con estos…………...……15

Figura 1.8: Ejemplo de Topología Bus…………………………………………...………………17

Figura 1.9: Ejemplo de Topología Estrella…………………………………………...…………..17

Figura 1.10: Ejemplo de topologías mixtas…………………………………………...………….18

CAPITULO II FIELDBUS FOUNDATION.

Figura 2.1: Red Fieldbus Foundation básica……………………………………...……………...20

Figura 2.2: Fieldbus Foundation y el modelo OSI…………………………...…………………..25

Figura 2.3: Ejemplo de Dispositivos Fieldbus……………………...…………………………….26

Figura 2.4: Codificación Manchester Bifase L……………………………………...……………26

Figura 2.5: Preámbulo, Delimitador de comienzo y final en codificación Manchester………….27

Figura 2.6: Composición de una trama Fieldbus. ………………………………………………..28

Figura 2.7: Ejemplo de una señal Fieldbus……………………………………………..………...29

Figura 2.8: Alimentación sobre el bus………………………………………………...………….29

Figura 2.9: Válvula con posicionador………………………………………………...…………..30

Figura 2.10: Dispositivos Transmisores que utilizan el estándar H1………………...…………..31

Figura 2.11: Esquema eléctrico de una barrera de seguridad intrínseca…………………............33

Figura 2.12: Esquema de conexión de una Fuente alimentadora de lazo………………..………34

Figura 2.13: Estructura de un cable Fieldbus…………………………………………...………..35

Figura 2.14: Exterior de una FDU y diagrama interno de esta misma...........................................37

IX

Figura 2.15: Diagrama interno de un terminador……………………………………...…………38

Figura 2.16: Codificación y Transmisión de una señal Fieldbus………………………...………39

Figura 2.17: Recepción y Decodificación de una señal Fieldbus…………………………...……40

Figura 2.18: Estándar HSE y el modelo OSI…………………………………………….......…...41

Figura 2.19: Redundancia en HSE………………………………………………………………..43

Figura 2.20 Dispositivo Linking Device……………………………………...………………….44

Figura 2.21: Topología en rama bus………………………………………………...…………....46

Figura 2.22: Topología en árbol Fieldbus………………………………………………………...46

Figura 2.23: Longitud total máxima de un segmento……………………………...……………..48

Figura 2.24: Ejemplo de diseño de Cableado par en un segmento Fieldbus……………...……...49

Figura 2.25: Ejemplo de una Instalación Fieldbus Foundation………………………..…………50

CAPITULO III INSTALACIONES FIELDBUS FOUNDATION EN PLANTA VALDIVIA

Figura 3.1: Proceso Productivo de la Planta……………………………………………...………53

Figura 3.2: Esquema de conexión desde terreno a sala de operaciones………………...………..57

Figura 3.3: Transmisor de flujo Rosemount…………………………………………...…………61

Figura 3.4: Diagrama de conexionado……………………………………………...…………….61

Figura 3.5: Válvula con posicionador METSO……………………………...…………………...62

Figura 3.6: FDU Turck internamente……………………………………….…………..………..63

Figura 3.7: FDU Stonel FBP 06009 junto con terminador Stonel……………………..….…...…64

Figura 3.8: Terminador Stonel……………………………………………………….….….…….65

Figura 3.9: Conexión de Cable Shield en FDU y tierra de Instrumentos…………….……….….66

Figura 3.10: Conexión a tierra de la armadura de cable Fieldbus en Planta……….….................67

Figura 3.11: Fuente de Alimentación Phoenix Contact………………………………..................68

Figura 3.12: Fuente Alimentadora de Lazo MTL5095………………………………….……..…69

Figura 3.13: Diagrama de conexión de segmento Fieldbus H1 completo….…………………….69

Figura 3.14: Controladores MD con sus respectivas fuentes de poder………………...................70

Figura 3.15: Switch RS2FX/FX…………………...………………………………….….….…...71

Figura 3.16: Servidor Dell Power Edge 2650……………………………………………..……...72

Figura 3.17: Estación de Trabajo existente en Sala de Operaciones……………...…...…..……..72

X

Figura 3.18: Monitor de redes FBT-3……………………………………………………..……..74

Figura 3.19: Osciloscopio Fluke 123…………………………………………………..………...74

Figura 3.20: Comunicador Fieldbus 375……………………………………….………..……….75

CAPITULO IV PROBLEMAS DE COMUNICACIÓN EN SEGMENTOS FIELDBUS EN

AREA LICOR CELULOSA ARAUCO Y CONSTITUCION S.A. PLANTA VALDIVIA.

Figura 4.1: Ejemplo de conexión de osciloscopio a segmento y FDO visualizada…………...….81

Figura 4.2: Forma de onda de una señal Fieldbus normal………………………………...……...82

Figura 4.3 Señal Fieldbus con distorsiones………………………………………………...…….83

Figura 4.4: Forma del Jitter en la Forma de Onda Fieldbus……………………………………...84

Figura 4.5: Efecto de ruido en la comunicación Fieldbus……………………………...………...85

Figura 4.6: Ejemplo de Instalación Fieldbus incorrecta………………………………...………..87

Figura 4.7: FDO con sonda adecuada…………………………………………………...………..88

Figura 4.8: FDO con sonda inadecuada………………………………………………...………...88

Figura 4.9: Esquema de segmento instalado en laboratorio……………………...……………....91

Figura 4.10: FDU Turck…………………………………………………………………...……..92

Figura 4.11: FDU Stonel………………………………………………………………………….92

Figura 4.12: Forma de onda a 50 ms/div……………………………………………...…...……..92

Figura 4.13: Forma de onda a 500 µs/div…………………………………………………...……92

Figura 4.14: Forma de onda a 100 µs/div…………………………………………………...……93

Figura 4.15: Forma de onda a 20 µs/div………………………………………...………………..93

Figura 4.16: Señal Fieldbus capturada con osciloscopio……………………...………………….94

Figura 4.17: Señal Fieldbus a una escala de tiempo de 50us/div………………...………………94

Figura 4.18: FBT-6 con Transmisor ABB…………………………………………...…………...95

Figura 4.19: Osciloscopio Fluke 123…………………………………………………..………....95

Figura 4.20: Forma de Onda de Segmento instalado con 1 terminador……………...…………..97

Figura 4.21: Forma de Onda de Segmento instalado con 1 terminador…………...……………..97

Figura 4.22: Forma de Onda de Segmento con dos terminadores………………………...……...97

Figura 4.23: Forma de onda con corto circuito en troncal…………………………...………...…98

Figura 4.24: FDO normal………………………………………………………………...……..100

XI

Figura 4.25: FDO Tx. Conductividad sin Shield……………………………………..…………100

Figura 4.26: Segmento Fieldbus sin Shield…………………………………………...………...101

Figura 4.27: Segmento Fieldbus sin Shield……………………………………………...……...101

Figura 4.28: Tx ABB en mal estado……………………………………………………….....…102

Figura 4.29: Tx Rosemount en mal estado…………………………………………………...…102

Figura 4.30: Señal Fieldbus normal sin condensadores extra…………………………………...104

Figura 4.31: Señal Fieldbus con C 1uF entre (+) y (-)…………………………………...……..104

Figura 4.32: Señal desde el troncal sin C 1uF………………………………………………......105

Figura 4.33: Señal con C 1uF entre (+) y (-)………………………………………………...….105

Figura 4.34: Señal con C 1 uF entre (+) y Sh…………………………………………...………106

Figura 4.35: Señal con C 1uF entre (-) y Sh………………………………………………...….106

Figura 4.36: Señal normal sin condensador extra…………………………………………...…..107

Figura 4.37: Señal con Condensador de 100 nF………………………………………...………107

Figura 4.38: Señal con condensador de 300 nF…………………………………………...…….107

Figura 4.39: F.D.O. con Instrumentos conectados a tierra………………………………...……109

Figura 4.40: Transmisor de flujo sin conexión a tierra……………………………………….....109

Figura 4.41: Transmisor de flujo sin conexión a tierra………………………………….…...….110

Figura 4.42: Transmisor de flujo sin conexión a tierra…………………………………...……..110

Figura 4.43: Forma de onda con Transmisor de Flujo conectado a tierra…………...……….....110

Figura 4.44: Forma de onda normal de Tx de flujo……………………...……………...………112

Figura 4.45: FDO de Tx. De flujo con problemas en Shield…………………………………....112

Figura 4.46: Forma de onda normal del segmento……………………………………………...115

Figura 4.47: Shield conectado a (-)……………………………………………………………...115

Figura 4.48: Shield conectado a (+)…………………………………………………..................115

Figura 4.49: Shield conectado a (-)………………………………..…………………………….116

Figura 4.50: Shield conectado a (+)……………………………………………………………..116

Figura 4.51: Shield conectado a (-)…………………………………………………...................116


Figura 4.53: Shield conectado a (-)……………………………………………………………...117


Figura 4.55: Distintos tipos de zonas para el cable Fieldbus……………………………...…….118

XII

Figura 4.56: Interferencia electromagnética en zona 1 del cable……...…………......................119

Figura 4.57: Interferencia electromagnética en zona 2 del cable…………………………...…..120

Figura 4.58: Interferencia electromagnética en zona 1 del cable……………………………….120

Figura 4.59: Conexión a tierra de armadura………………...…………………………………..121

Figura 4.60: FDO para armadura Aluminio…………………………………………………….121

Figura 4.61: FDO para armadura acero………………………………………………………....121

Figura 4.62: Panel trasero con electrónica de un transmisor ABB……………………………...124

Figura 4.63: Uso de fuentes alimentadoras de lazo no aisladas galvánicamente……………….126

CAPITULO V PROBLEMA DE CORROSION EN PUESTA A TIERRA ARMADURA

CABLES FIELDBUS.

Figura 5.1: Corrosión en cable a tierra de la armadura de un cable Fieldbus………...................128

Figura 5.2: Ejemplo de corrosión galvánica en una conexión a tierra…………………………..131

Figura 5.3: Armadura con corrosión en Tanque Dump. Caldera Recuperadora……..................136

Figura 5.4: Conector TMC 165…………………………………………………………………138

Figura 5.5: Partes del Conector TMC 165……………………………………………………....138

Figura 5.6: Esquema de solución a implementar en PGP 2010…………………….…………...139

Figura 5.7: Nivel 0 de corrosión………………………………………………………………...141

Figura 5.8: Nivel 1 de corrosión…………………………………………...……………………141

Figura 5.9: Nivel 2 de corrosión……………………………………………………...………....142

Figura 5.10: Nivel 3 de corrosión……………………………………………………………….142

Figura 5.11: Transmisor de Presión ABB con cable Fieldbus a reutilizar……………………...143

Figura 5.12: Transmisor Rosemount con cable de corta longitud y será cambiado………….....144

Figura 5.13: Abrazadera y riel metálico para aterrizar armadura en FDU……………………...146

Figura 5.14: Actual conexión a tierra de armadura en extremo de la FDU…………..................147

Figura 5.15: Nueva forma de aterrizar Instrumento a tierra…………………………………….148

XIII

INDICE DE TABLAS

CAPITULO I

Tabla 1.1: Resumen comparativo con buses de campo…………………………...……………...19

CAPITULO II

Tabla 2.1: Limites de Voltaje y corriente para un segmento Fieldbus……………………...……47

Tabla 2.2: Tipos de cables Fieldbus…………………………………………………………...…48

Tabla 2.3: Cantidad de dispositivos por derivación………………………………………………49

CAPITULO III

Tabla 3.1: Áreas asociadas a cada sala eléctrica………………………………………………....57

Tabla 3.2: Código asignados a distintas áreas dentro de la Planta……………………………….58

Tabla 3.3: Mediciones entregadas por FBT-3……………………………………….…………...73

CAPITULO IV

Tabla 4.1: Instrumentación a utilizar en pruebas de laboratorio……………………...………….91

Tabla 4.2: Valores entregados por el FBT-6……………………………………...…………...…95

Tabla 4.3: Valores obtenidos de la medición del segmento…………………………...………..103

CAPITULO V

Tabla 5.1: Potenciales eléctricos de los metales…………………………………...……………132

Tabla 5.2: Corrosión galvánica entre algunos metales……………………………………...…..133

Tabla 5.3: Niveles de corrosión identificados en el levantamiento de las áreas………………...140

Tabla 5.4: Levantamiento realizado en Caldera Recuperadora…………………………………149

Tabla 5.5: Levantamiento realizado en Caustificación……………………………………….....150

Tabla 5.6: Levantamiento realizado en Evaporadores………………………………..................152

XIV

RESUMEN

Las comunicaciones con buses de campo hoy en día están presentes en la mayoría de las

plantas industriales modernas acompañados de un sistema de control distribuido comúnmente

llamado DCS.

Dentro de los llamados buses de campo nos encontramos con la tecnología Foundation

Fieldbus, la Fundación Fieldbus nació con la unión de diversas empresas fabricantes de

instrumentación con la intención de estandarizar los buses de campo en un solo bus universal.

Tal vez la principal desventaja que poseen las redes de buses de campo, incluido Fieldbus

Foundation, es que al transportar varias señales a través de un mismo cable al momento de existir

una falla en un dispositivo, el problema se transmitirá en la comunicación del segmento completo

y afectará la comunicación de todos los dispositivos que se comuniquen a través de ese cable.

Debido a esta razón se requiere que en cualquier Planta Industrial el personal de mantenimiento

este capacitado para detectar lo más tempranamente posible la falla en un segmento y solucionar

el problema.

Este trabajo de titulación está realizado en instalaciones de Celulosa Arauco y

Constitución S.A. Planta Valdivia con el fin de elaborar una guía con procedimientos y

soluciones a problemas de comunicación en segmentos Fieldbus que se puedan presentar en la

planta.

Otro problema existente al que se le dio solución en la planta es el de la corrosión en la

armadura de los cables Fieldbus en varias áreas de la Planta, dicha solución será implementada en

la próxima Parada General de Planta correspondiente al año 2010.

XV

ABSTRACT

The communications with Field Buses today are present in most of the modern industrial

manufacturers who use a Distributed Control System commonly called DCS.

Inside the Field Bus technology is the Fieldbus Foundation. The Fieldbus Foundation was

created by several instrumentation manufacturing companies in order to standardize all Field

Buses into only one universal Field Bus.

Perhaps the main disadvantage of the Field Bus network, including the Fieldbus

Foundation, is that when a failure occurs, the problem will affect the communication of all the

instruments communicated through that cable. Due to this problem, it is important that the

personnel in every industrial manufacturer must be trained to detect and resolve problems in

these segments as soon as possible.

The research for this thesis is based on the study of Celulosa Arauco y Constitución S.A.

Planta Valdivia in order to create a troubleshooting guide that will address Fieldbus segment

failures in the plant.

Another problem that was solved in the plant is the corrosion in the Fieldbus cables in

many areas in the plant, this solution will be implemented in the next plant stop for maintenance

in the year 2010.

XVI

OBJETIVOS

Objetivos Generales

Elaborar una guía de soluciones para problemas de comunicaciones en segmentos

Fieldbus con el fin de ahorrar tiempo y hacer más fácil el trabajo de mantención en el

área afectada.

Solucionar problema existente de corrosión en conexiones a tierra de Cables Fieldbus en

áreas de Caustificación y Horno de Cal.

Objetivos Específicos

Investigar arquitectura y funcionamiento del protocolo de comunicación digital Fieldbus

Foundation.

Analizar e inspeccionar instalaciones de redes con protocolo Fieldbus Foundation en el

área de Electrocontrol Licor, Celulosa Arauco y Constitución, Planta Valdivia.

Analizar los manuales de fabricantes de dispositivos que componen una red Industrial

Fieldbus.

Crear guía de soluciones a problemas de comunicaciones en base a pruebas realizadas y

estadísticas de segmentos.

Analizar y encontrar solución a problemas existentes de corrosión en la conexión a tierra

de cables Fieldbus en áreas de Horno de Cal y Caustificación.

Idear un manual con los procedimientos adecuados para solucionar problemas de

comunicación en segmentos Fieldbus.

1

INTRODUCCION

El presente trabajo de titulación desarrollado a petición del área de Electrontrol Licor de

Celulosa Arauco y Constitución S.A. Planta Valdivia fue desarrollado con el fin de crear un

manual o guía de procedimientos para la resolución de problemas de comunicación en segmento

Fieldbus Foundation dentro del área de licor.

Si bien esta guía de soluciones esta realizada para el área de Electrocontrol Licor también

puede ser de utilidad para el resto de la Planta, ya que las Instalaciones Fieldbus Foundation

existentes en el área de licor son las mismas para la planta con la diferencia que los dispositivos

de campo que se utilizan pueden ser diferentes.

Además en la guía de soluciones se encuentran los procedimientos para resolver

problemas de comunicaciones en segmentos Fieldbus en situaciones distintas, las cuales pueden

ser en fase de operación y fuera de servicio. Gracias a estos procedimientos la guía de soluciones

permite minimizar la perdida de tiempos de producción de la planta debido a problemas de

comunicación en segmentos Fieldbus en el área de Electrocontrol Licor.

Junto con la guía de soluciones en este trabajo de titulación se abordó también el tema que

existe en algunas áreas de la Planta con la corrosión en las puestas a tierra de las armaduras de los

cables fieldbus, para este tema se analizó primero el motivo por el cual se produce la corrosión en

las armaduras de los cables Fieldbus y las consecuencias en las comunicaciones del segmento

para después proponer varias soluciones y analizar una de ellas, la cual se implementará en la

futura Parada de Planta de Abril de 2010.

2

CAPITULO I

REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES.

1.1 Evolución de las comunicaciones Industriales.

La evolución en las comunicaciones Industriales ha dado grandes saltos entre los últimos

50 años. En los años 50 todas las comunicaciones dentro de las Industrias eran realizadas con

señales neumáticas de 3 a 15 psi, posteriormente ya en los años 70 se comenzó a utilizar el

estándar analógico de corriente 4-20 mA, el cual resultó una mejora considerable y hasta la fecha

de hoy se sigue utilizando en plantas Industriales, hasta que finalmente en los años 80 las

comunicaciones Industriales dieron un gran paso y pasaron de ser analógicas a digitales.

El origen de las redes de comunicaciones industriales (RCI) se debe a los estudios que

realizó la Fundación Fieldbus con el objeto de desarrollar esquemas de comunicaciones

universales y de arquitectura abierta. Las redes de comunicaciones Industriales nos permiten

intercambiar información (Control) distribuida entre dispositivos remotos en un entorno

Industrial.

Existen 4 formas de realizar el proceso de intercambio de información mencionado y son:

Comunicación punto a punto analógica.

Comunicación punto a punto digital.

Comunicación punto a punto híbrida.

Comunicación digital con bus de campo.

De las tecnologías anteriores las que son punto a punto poseen la desventaja de utilizar gran

cantidad de cableado, además con la invención de los procesadores fue necesario realizar un

cambio en las comunicaciones Industriales de análoga a digital, es por eso que hoy en día uno de

las comunicaciones mas eficientes resulta la comunicación digital con bus de campo.

3

1.2 Sistemas de Control Centralizado y Distribuido.

Un sistema de control esta compuesto por diversos elementos de control que permiten

manipular las variables de control para obtener un dominio en las variables de salida y de esta

forma alcancen un valor prefijado por el usuario u operador.

Un sistema de control tiene los siguientes objetivos:

Garantizar Estabilidad y Robustez ante perturbaciones.

Fácil de implementar y ser de fácil manejo al usuario mediante un PC.

Ser lo mas eficiente posible.

Las partes que componen un sistema de control básicamente son 3:

Sensores: Nos dan a conocer los valores de las variables de medición del sistema.

Controlador: recibe los valores del sensor y los procesa para determinar que acción

debe tomar el sistema para cambiar las variables de control.

Actuador: Es el encargado de ejecutar la acción decidida por el controlador.

En la figura 1.1 se muestra un esquema grafico con un sistema de control, donde podemos

ver los procesos de control de las variables.

4

Figura 1.1: Diagrama de un Sistema de Control.

Entre los Sistemas de Control Industriales destacan dos tipos, el Sistema de Control

Centralizado y el Sistema de Control Distribuido.

1.2.1 Sistema de Control Centralizado (CCS).

El sistema de control centralizado esta compuesto por un computador, interfaz de proceso

y una estación de operador, este sistema de control puede aplicarse a procesos de variable

continua o de carácter secuencial. La ventaja de este sistema es la facilidad en el flujo de la

información, mientras que la gran desventaja es que el sistema depende completamente del

Computador Central.

En la figura 1.2 se ve el ejemplo de un sistema de control Centralizado aplicado a una

planta Industrial.

5

Figura 1.2: Instalaciones Físicas de un Sistema de Control Centralizado.

1.2.2 Sistema de Control Distribuido (DCS).

El sistema de control distribuido nace como una solución para la adquisición de grandes

volúmenes de información con las opciones de supervisión y control en tiempo real de las

variables del proceso. Un sistema de control distribuido se trata de un sistema abierto que permite

la integración de dispositivos de diferentes fabricantes, además canaliza la información recogida

y la envía a través de una línea de comunicación de alta velocidad para las diferentes estaciones

de trabajo y mantenimiento. Este sistema permite tener varias unidades de control y fabricación,

en caso de que una de estas falle, el sistema traspasa parte o toda la información hacia la otra

unidad de control.

La figura 1.3 muestra el ejemplo de la misma planta Industrial pero con la utilización de

un Sistema de Control Distribuido.

6

Figura 1.3: Instalaciones Físicas de un Sistema de Control Distribuido.

1.3 Modelo de una Red Industrial.

Existe un modelo de red Industrial que explica los distintos niveles de control de una

planta y los tipos de redes que conectan dichos niveles. Los distintos niveles se pueden ordenar

en una pirámide comúnmente llamada pirámide de automatización y están enumerados desde el

nivel 0 hasta el 4. A continuación la figura 1.4 muestra la pirámide de la automatización con los

respectivos niveles y la descripción de cada uno de ellos.

7

Figura 1.4: Pirámide de la Automatización.

Nivel 4 Factoría: Este nivel emite al Nivel 3 información sobre la situación comercial (pedidos y

previsiones), información de ingeniería de producto y de proceso, etc.

Nivel 3 Planta: El Nivel 3 emite los programas hacia el Nivel 2 y recibe de éste las incidencias

de la planta.

Nivel 2 Célula: Este nivel emite órdenes de ejecución al Nivel 1 y recibe situaciones de estado de

dicho nivel.

Nivel 1 Campo: Constituyen los elementos de mando y control de la maquinaria del Nivel 0.

Nivel 0 Proceso: Conjunto de dispositivos, subprocesos, maquinaria en general, con que se

Realizan las operaciones elementales de producción en la empresa. También están situados los

dispositivos de campo que interactúan con el proceso: sensores, actuadores, etc.

8

Figura 1.5: Redes de la Pirámide de la Automatización.

De acuerdo a la figura 1.5 podemos distinguir cuatro tipos de redes que conectan los cinco

niveles de la pirámide de automatización, los cuales son los siguientes.

Red de Factoría: Comúnmente utilizada en redes de oficina, administración, almacenes, etc. se

caracteriza por una alta transferencia de información y tiempos de respuesta relativamente lentos.

9

Red de Planta: Interconecta módulos de fabricación entre si, y con departamentos de diseño y

planificación.

Red de Célula: Este tipo de red esta diseñada para conectar dispositivos secuenciales como

PLCs, Robots, maquinas de control numérico, vehículos autoguiados, etc.

Bus de Campo: Fueron diseñadas para sustituir el cableado entre sensores y actuadores con los

respectivos controladores, las principales ventajas de este tipo de redes son; reducción de costos

en Instalación y cableado, diagnostico remoto en tiempo real, etc.

1.4 Redes de Buses de Campo.

Como vimos anteriormente en la pirámide de la automatización un bus de campo es un

sistema que permite la transmisión de información en una red de comunicación Industrial. El

objetivo principal de los buses de campo es reemplazar las conexiones punto a punto que existen

entre los elementos de campo y las unidades de control. Los buses de campo se caracterizan por

simplificar y minimizar la instalación y los costos de operación y mantención de equipamiento

Industrial.

El problema que se generó con la llegada de los buses de campo fue que no existía una

estandarización, las empresas comenzaron a desarrollar diferentes soluciones para campos de

aplicaciones y prestaciones diferentes.

Los Buses de campo se pueden clasificar de acuerdo al tipo de información que

transportan.

Red Sensorbus: Envía los datos en Bits. Ofrece conexión rápida en los niveles discretos a

sensores y actuadores de bajo costo, su desventaja es que no pueden cubrir grandes distancias.

Entre ellas se encuentran Seriplex, ASI e Interbus Loop.

10

Red Devicebus: Envía los datos en Bytes. Estas redes se encuentran entre las redes Sensorbus y

Fieldbus, pueden alcanzar distancias hasta los 500 metros. Esta red permite velocidades de

transferencias altas al igual que Sensorbus pero tiene más capacidad para manejar datos y

equipos. Algunos ejemplos de redes Devicebus son: DeviceNet, SDS, Profibus DP, Lonworks e

Interbus –S.

Red Fieldbus: Envía datos en forma de paquetes y bidireccional entre dispositivos de campo

tales como sensores, actuadores y un dispositivo controlador, el cual envía o recibe información a

los dispositivos dependiendo del caso.

En la figura 1.6 los buses de campo se dividen en 3 grandes grupos de acuerdo al tipo de

dispositivos y tamaño de la información que pueden transmitir.

Figura 1.6: Clasificación de los buses de campo.

11

Una segunda manera de clasificar los buses de campo es realizarla de acuerdo a la velocidad

y funcionalidad que estos buses presenten y sería la siguiente:

Buses de Alta Velocidad y Baja Funcionalidad.

Este tipo de Buses esta diseñado solo para la conexión de dispositivos sencillos tales

como: Fotocélulas, relés y actuadotes simples. Además permite ejecutar aplicaciones en

tiempo real en un área pequeña de un a planta Industrial.

En cuanto al modelo OSI estos buses comprenden solo las capas Física y de Enlace.

A continuación se nombraran algunos ejemplos de este tipo de Bus de campo.

CAN (Control Área Network): Este protocolo se basa en topología bus para transmitir

mensajes en ambientes distribuidos. Originalmente fue diseñado para ser utilizado en

automóviles.

SDS (Smart Distributed System): Este bus de datos esta basado en el protocolo CAN

y es utilizado para la conexión de sensores y actuadores.

ASI (AS Interface): Bus diseñado por Siemens que se utiliza para conectar redes,

sensores y actuadotes. ASI tiene una interfaz de dos cables (uno para datos y otro para

Poder).

Buses de Alta Velocidad y Funcionalidad Media.

Estos buses controlan dispositivos de campo de mayor complejidad y además incluyen las

opciones de calibración o configuración de los dispositivos. Algunos ejemplos son:

DeviceNet: Se basa en el protocolo CAN pero no utiliza la misma interfaz de Capa

Física ISO 11898. DeviceNet prevé aislamiento óptico como protección adicional.

12

LONWorks (Local Operating Network): Red desarrolla por Echelon que utiliza

ANSI/EIA 709.1-A-1999 como la especificación de protocolo, y en algunos casos RS-

485 como especificación eléctrica.

Bit-Bus: Red creada por Intel utilizada principalmente para conectar PLCs y el

Controlador Principal en aplicaciones manufactureras.

DIN MessBus: Estándar alemán de bus de instrumentación, basado en comunicación

RS-232.

InterBus: Desarrollado por Phoenix Contact utiliza los siguientes estándares DIN

19258, EN 50.254 y EIA-485 para la interfaz eléctrica.

Buses de Altas Prestaciones.

Se basan en buses de alta velocidad, pero en ocasiones esto no ocurre porque

puede exigir sobrecarga en el sistema que no le permita operar en las condiciones ideales

y la seguridad exigida. Con respecto al modelo OSI este tipo de buses tienen un gran

número de servicios en la capa de aplicación y la capa de usuario generalmente posee un

subconjunto del estándar MMS (Manufacturing Message Specification). Los buses mas

destacados son los siguientes:

Fieldbus Foundation: Utiliza el estándar IEC/ISA-S50.02-1992, la capa física para

el control de dispositivos es H1 y trabajo a una velocidad de 31,25 Kbps. sobre un

único cable par trenzado.

Profibus (Process FieldBus): Este bus de campo esta basado en el estándar EIA-

485 BUS y EN-50170, utiliza un cable de dos conductores no energizados. la

conexión es Half Duplex sobre un conductor par trenzado con aislación. Profibus,

13

al igual que Fieldbus Foundation puede utilizar el estándar IEC/ISA-S50.02-1992,

lo que lo hace compatible con esa tecnología.

WorldFIP (Flux Information Processbus): Utiliza el estándar europeo EN-50170,

es compatible con el estándar IEC 1158-2 para velocidades sobre 2,5 Mbps (en la

practica 1 Mbps. sobre cable de par trenzado y fibra óptica.

Buses para áreas de seguridad Intrínseca.

Este tipo de buses se caracteriza por tener modificaciones en la capa física que le dan

propiedades de seguridad intrínseca. La seguridad intrínseca es un tipo de protección por la

que el componente en cuestión no tiene posibilidad de provocar una explosión en la atmósfera

circundante. Algunos ejemplos de estos buses de datos son los siguientes:

HART: Utiliza el mismo bus analógico de la tecnología 4-20 mA y transmite una

señal digital modulada en Frecuencia (FSK 1200- 2200 MHz). Su velocidad es de 1.2

Kbps. y es compatible con la tecnología análoga anterior.

Profibus PA: El protocolo derivado PA, derivado de Process Automation, es un

subconjunto de este estándar, orientado a las comunicaciones de instrumentos de

proceso tales como Transmisores de presión o de temperatura, etc.

Fieldbus Foundation: Además de ser un bus que presenta altas funcionalidades posee

características de seguridad intrínseca.

14

1.4.1 Ventajas de los Buses de Campo.

La llegada de los buses de campo y el cambio de tecnología análoga a digital significaron

mejoras y por sobre todo ahorros en las Industrias, entre las ventajas que presentan destacan las

siguientes:

Menor Costo de Ingeniería: Los Buses de Campo permiten una mayor flexibilidad al

usuario que esta diseñando, de esta manera se simplifica el sistema de control y frente a

posibles ampliaciones futuras.

Menor Cantidad de Cableado: La comunicación con los buses de campo es de manera

serial, utilizando solo un troncal para las conexiones de los dispositivos hacia el

controlador, de esta manera se elimina el cableado punto a punto y la cantidad de

conductor a utilizar disminuye al igual que los costos de este. Un ejemplo de esta ventaja

se puede apreciar en la figura 1.7 donde se puede comparar dos redes iguales, pero la

diferencia es que una utiliza bus de campo y la otra no.

Menor área ocupada en Salas de Control: Esto se debe a la posibilidad de distribución

de ciertas funciones de control y de entrada / salida a los dispositivos de campo.

Menor cantidad de cajas de conexión: En los Buses de campo a diferencia de las redes

analógicas convencionales ya no requiere una caja de conexión por dispositivo, sino que

una caja de conexión puede conectar más de un dispositivo.

Menor costo de Instalación: Los buses de campo poseen herramientas de administración

del Bus que permiten ahorrar horas en la instalación y puesta en marcha del sistema.

Diagnostico de estado de los equipos en forma remota: El diagnóstico permite

monitorear constantemente y en tiempo real los dispositivos que componen un sistema y

de esta forma se reducen los costos y tiempo de mantenimiento.

15

Menor tiempo de Comisionamiento: Antiguamente cuando no existían los buses de

campo y solo existían las conexiones punto a punto, el comisionamiento de los equipos se

realizaba en forma individual. Con la tecnología de los buses de campo ahora se puede

tener un segmento con varios dispositivos y realizar el comisionamiento se puede realizar

con el segmento completo ahorrando tiempo en la labor de comisionar equipos.

Menor costo de Mantención: El hecho que las redes de buses de campo sean más

sencillas en comparación a otras redes Indústriales hace que la mantención de la red sea

más sencilla y genere menos costos de mantenimiento.

Distancias operativas mayores al cableado tradicional: La posibilidad de utilizar

repetidores en los buses Fieldbus nos permite tener cableado de hasta 9,5 km. En total.

Comunicación entre dispositivos: Los Buses de Campo permiten una comunicación

bidireccional entre los dispositivos de campo y de control, pero además permiten

comunicación entre los dispositivos de campo.

La figura 1.7 muestra una comparación entre dos sistemas instalados en un Tablero, la

imagen de la izquierda no utiliza buses de campo mientras que la de la derecha si lo utiliza.

Figura 1.7: Comparación entre una instalación sin buses de campo y con estos.

16

1.4.2 Características de los Buses de Campo.

Los buses de campo tienen diversas características que lo identifican y además definen los

modos en que se puede configurar y operar una red con bus de campo. A continuación se

describirán las principales características de los buses de campo:

Muchos fabricantes de componentes: Al momento de instalar una red con buses de campo

existen varios fabricantes de componentes, ya sean Dispositivos de campo, o elementos de la

red en si, lo que garantiza una gran cantidad de elementos a considerar en la elección de los

componentes a utilizar.

Integración con otras redes: Una red de bus de campo puede integrarse con otra red de bus

de campo de manera sencilla, esta integración entre redes que existe permite crear una gran

red con varias subredes de buses de campo.

Herramientas de Diagnostico en tiempo real: Estas herramientas nos indican en cualquier

instante de tiempo tanto las condiciones en la que se encuentran los dispositivos de la red

como el proceso productivo de la Planta Industrial.

Topología: Analizando las distintas topologías de red existentes, la instalación de un sistema

con bus de campo puede utilizar topologías de bus, estrella, Anillo o combinaciones de ellas.

Las más utilizadas en buses de campo son las siguientes.

Topología Bus: Este tipo de topología se caracteriza por presentar un único

segmento de cable al cual se conectan todos los equipos. Esta topología ofrece una

gran velocidad de transmisión y capacidad de comunicación bidireccional. En este

tipo de configuración los equipos transmiten solo cuando sea necesario y en caso de

existir dos comunicaciones simultáneas o colisiones el sistema utiliza unos

algoritmos para resolver dicho problema. (Véase Fig. 1.8).

17

Figura 1.8: Ejemplo de Topología Bus.

Topología Estrella: La topología estrella se basa en las topologías de bus y

estrella. La estructura es de esta red consiste en un conjunto de subredes estrellas

conectadas a un bus troncal. Esta configuración hace más fácil una posible

ampliación futura de la red. (Véase Fig. 1.9).

Figura 1.9: Ejemplo de Topología Estrella.

18

Topología Mixta: Este tipo de topología puede combinar varias de las topologías

mencionadas anteriormente, el ejemplo que mas se encuentran en buses de campo es

la topología Bus con spurs. En la figura 1.10 se ve el ejemplo de dos redes mixtas

una de ellas Estrella-Bus, mientras que la otra es estrella-Anillo.

Figura 1.10: Ejemplo de topologías mixtas.

1.4.3 Desventajas de los Buses de Campo.

Necesidad de conocimientos avanzados: La instalación, puesta en marcha y mantenimiento

de una red con buses de campo requiere personal con grandes conocimientos en buses de

campo, actualmente con el gran desarrollo Industrial y tecnológico que se esta logrando ya no

es difícil encontrar gente capacitada en tecnología de buses de campo.

Falla de un cable troncal se traduce en falla del segmento completo: En el caso de que un

cable troncal de una red con bus de datos sufra una falla, el segmento completo asociado a ese

troncal sufrirá los problemas de comunicación correspondientes.

Dificultad de resolver problemas en terreno: Cuando existe alguna falla de un dispositivo

en un segmento se vuelve complicado en terreno verificar cual de todos los equipos es el que

esta teniendo problemas.

19

1.4.4 Tabla resumen comparativa entre Buses de Campo.

En la siguiente tabla comparativa 1.1 se indican algunas características tales como

topología, soporte, velocidad, etc. de los principales buses de campo utilizados en las

comunicaciones Industriales.

Nombre Topología Soporte Velocidad Trans.

Distancia Máx. (Km)

Fieldbus H1 Estrella, bus Par Trenzado Fibra óptica

31.25 Kbps. 1.9 c/Cable

Fieldbus HSE

Estrella Par Trenzado Fibra óptica

100 Mbps. 0.1c/Cable 24 c/Fibra

Profibus DP Línea, anillo y estrella

Par Trenzado Fibra óptica

1.5Mbps. 12 Mbps

24 c/Fibra

Profibus PA Línea, anillo y estrella


31.5 Kbps. 24 c/Fibra

DeviceNet Troncal / puntual con bifurcación


500 Kbps. 0.5 6 c/Repetidor

Tabla 1.1: Resumen comparativo con buses de campo.

20

CAPITULO II

FIELDBUS FOUNDATION.

2.1 Generalidades.

Fieldbus Foundation es un sistema de comunicación digital, serial y bidireccional muy

utilizado en plantas Industriales automatizadas hoy en día. Fieldbus Foundation pertenece al

grupo de protocolos Industriales llamado "Buses de Campo”. Fieldbus Foundation es una

tecnología ideada para la conexión de dispositivos o actuadores simples, ya sean Transmisores,

Válvulas neumáticas, etc. con una red de control o dispositivo controlador.

Fieldbus Foundation viene a cambiar el cableado tradicional de las redes punto a punto

por un cableado más sencillo e incorpora características adicionales para que esta tecnología sea

aplicable a plantas industriales que tengan lugares con riesgo de explosión, además de incluir la

opción de alimentar los dispositivos de campo.

Actualmente Fieldbus Foundation es un estándar que ya es reconocido mundialmente y

los fabricantes de dispositivos certifican que sus productos operen correctamente con Fieldbus.

Para comenzar se analizará la figura 2.1 con el ejemplo mas sencillo de una red Fieldbus

Foundation.

Figura 2.1: Red Fieldbus Foundation básica.

21

Nota: La figura 2.1 muestra un esquema sencillo de una red Fieldbus Foundation, omite

algunos detalles que serán aclarados mas adelante en el mismo capitulo. En la misma figura se

pueden ver cuatro dispositivos de campo distintos conectados sobre el mismo bus y como la

comunicación entre la estación de operación y los dispositivos es bidirecccional.

2.2 Historia de Fieldbus Foundation.

Desde principio de los años 80 se comenzó a hablar de una estandarización de los buses

de campo o un llamado “Bus Universal”, pero las empresas no coincidían. A mediados de los

años 80 fue que la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC – CEI) y la Sociedad de

Instrumentación Americana (ISA) realizaron esfuerzos por lograr una única norma en los buses

de campo. Hasta que en el año 1992 surgieron dos grupos, los cuales son WorldFIP (World

Factory Instrumentation Protocol) que incluía a empresas tales como Siemens, Fisher-

Rosemount, Foxboro y Yokogawa e ISP (Interoperable System Project) que incluía a empresas

como Allen-Bradley, HoneyWell, Square D y diversas empresas francesas.

Fue en el año 1994 cuando estas dos últimas compañías se unieron y formaron lo que hoy

se conoce como Fieldbus Foundation. Fieldbus Foundation esta regulado por los estándares

ANSI/ISA 50.02, IEC 61158 y CENELEC EN50170:1996/A1.

2.3 Estándares definidos por Fieldbus Foundation.

Existen dos estándares o niveles definidos por Fieldbus Foundation, aunque en un comienzo

se hablo de tres, pero uno de ellos se dejo de emplear. Los estándares restantes se diferencian

entre si por la velocidad de operación y las aplicaciones, los estándares son los siguientes:

Fieldbus Foundation H1: Esta regulada por el estándar IEC11158-2, lo que lo hace

compatible con Profibus PA. La comunicación se realiza a una velocidad relativamente

baja de 31.25 Kbps. Las grandes ventajas de este tipo de red son la capacidad de reutilizar

22

el mismo cableado de una red 4-20 mA. y la seguridad intrínseca que nos ofrece,

especialmente para ambientes Industriales en donde existen ambientes explosivos o

combustibles. La alimentación hacia los dispositivos se realiza por el mismo conductor

por donde viaja la señal digital. Este estándar permite diversas topologías de red tales

como árbol, estrellas o mixtas.

Fieldbus Foundation HSE (High Speed Ethernet): Esta orientado al control de una red

industrial. A diferencia del nivel H1, el nivel HSE permite velocidades de 100 Mbps. y no

permite alimentación a los dispositivos por el mismo cable, por lo cual es necesario una

fuente de alimentación externa para los dispositivos. de acuerdo a su estructura lógica de

red HSE esta diseñada para ser combinada con redes H1.

Fieldbus Foundation H2: Cuando recién había comenzado a desarrollarse la tecnología

Fieldbus Foundation se consideró crear una versión que tuviera una velocidad intermedia

entre H1 y HSE. Esta nueva tecnología operaría a velocidades de 1 y 2.5 Mbps. Debido al

gran éxito de la tecnología HSE la fundación decidió desechar esta versión, aunque aún en

literatura relacionada con Fieldbus Foundation se puede ver referencias hacia H2.

2.4 Descripción de los protocolos H1 y HSE.

La tecnología FF se puede dividir en dos estándares orientados a las comunicaciones

Industriales, pero con distintas aplicaciones. Cuando se desarrollo HSE se pensó en integrar HSE

con H1 y además de eso agregar servicios que H1 no ofrecía. Las características técnicas de H1 y

HSE son las siguientes.

23

2.4.1 Estándar Fieldbus Foundation H1.

El nivel H1 de Fieldbus Foundation se encarga de la comunicación de los dispositivos de

campo de una planta Industrial tales como Transmisores, Válvulas, Switches, etc. con una red de

control que posee mayor capacidad de datos y velocidad que puede ser el estándar HSE o alguna

red de similares características.

El estándar H1 fue creado pensando en ofrecer una comunicación digital segura y reducir

el cableado punto a punto de las redes tradicionales para pasar a la transmisión de varias señales

por sobre el mismo bus de datos, Además el estándar H1 presenta características adicionales

como la seguridad intrínseca y alimentación por sobre el mismo bus que lo hacen un medio de

transmisión eficaz para grandes plantas industriales.

2.4.1.1 H1 y el Modelo OSI.

Con respecto al modelo OSI, la tecnología Fieldbus Foundation H1 realiza algunas

modificaciones en las capas para transformar el modelo OSI en un nuevo modelo más

simplificado. Las modificaciones que se realizan al modelo OSI son las siguientes:

La capa 1 o física de H1 no presenta modificaciones con respecto a la capa del

modelo OSI.

En la capa 2 y 7 del modelo OSI esta contenido el stack de comunicaciones, el

cual describe las siguientes 3 capas:

FMS (Especificación de Mensajes Fieldbus): Corresponde a la capa 7 del

modelo OSI. Esta especificación permite que las diversas aplicaciones puedan

recibir los mensajes enviados por las aplicaciones del usuario a través del bus

utilizando un estándar para el formato de los mensajes.

24

FAS (Subnivel de Acceso Fieldbus): También corresponde a la capa 7 del

modelo OSI, Prevé interfaz entre la FMS y DLL, ofrece control y manejo de

VCR (Virtual Communication Relationships). Las VCR asignan un código de

conexión corto a la dirección completa de una conexión, de esta manera se

simplifica la comunicación entre las capas al existir una menor cantidad de

información.

DLL (Nivel de Enlace de Datos): corresponde a la capa 2 del modelo OSI. Su

función es controlar la transmisión de mensajes sobre el bus de campo. El

hecho de que Fieldbus sea una tecnología bidireccional entre cualquiera de los

dispositivos que componen la red, existe gran posibilidad de que se produzcan

colisiones, para evitar esto es necesario que uno de los dispositivos Fieldbus

realice las funciones de control. A este sistema de control se le llama LAS

(Last Active Scheduler).

Los niveles 3, 4, 5 y 6 del modelo OSI no están contemplados en Fieldbus Foundation

H1, ya que esos niveles sirven para interconectar redes, tarea que Fieldbus Foundation

no necesita realizar.

Aplicación del Usuario: El modelo del protocolo H1 agrega una octava capa al

modelo OSI, la cual viene a ser la octava capa y se encuentra por encima de el stack

de comunicaciones, esta es la capa de aplicación al usuario, en ella esta descrita la

estructura y funcionamiento de bloques funcionales.

En la figura 2.2 se muestra el Modelo OSI estándar y el modificado para Fieldbus

Foundation con las consideraciones mencionadas en los puntos anteriores.

25

Figura 2.2: Fieldbus Foundation y el modelo OSI.

2.4.1.2 LAS (Last Active Scheduler).

El LAS es un algoritmo que utiliza un dispositivo de campo para controlar y temporizar

las comunicaciones a lo largo del bus, para llevar a cabo su función utiliza testigos, los cuales

envían comandos hacia todos los dispositivos del Bus. Otra función que tiene el LAS es detectar

tanto los dispositivos que están fallando como los que se han instalado recientemente.

Un dispositivo que tiene capacidad de convertirse en LAS se llama Link Master, mientras

que uno que no tienen esta capacidad se llama Basic Device. Dentro de un mismo bus pueden

existir varios Links Masters, en caso de que uno falle y algún otro lo pueda reemplazar.

En la figura 2.3 que se muestra a continuación se puede ver un bus con varios dispositivos

configurados como Link Master y Basic Device, se aprecia que existen dos Basic Device pero

solo uno de ellos tiene la función de LAS.

26

Figura 2.3: Ejemplo de Dispositivos Fieldbus.

2.4.1.3 La Capa Física H1.

La capa física del estándar H1 esta definida por IEC (Internacional Electrotechnical

Comisión) y la ISA (Instrumentation, Systems and Automation Society). Entre las características

que encontramos en la capa Física se encuentran:

Codificación Manchester Bifase-L: En la capa física las señales se codifican utilizando

la técnica Manchester bifase-L y se considera un sistema serie síncrono aunque no posea

señal de clock independiente. A continuación se muestra un ejemplo de una transmisión

Fieldbus Foundation H1, se puede ver la señal de reloj y además podemos ver que los

datos se codifican de manera que un estado “0” lógico se representa con una transición

positiva (cambio de estado bajo a alto) y el “1” lógico se representa con una transición

negativa (Cambio de estado alto a bajo). (Véase Figura 2.4).

Figura 2.4: Codificación Manchester Bifase L.

27

Existen unos bits adicionales que se transmiten en Fieldbus Foundation con la función de

sincronizar el reloj interno del receptor Fieldbus con la información que se esta recibiendo y para

informarle al receptor el comienzo y el final de una trama de datos. Los códigos adicionales que

se agregan a la trama son los siguientes:

Preámbulo: El receptor utiliza el preámbulo para sincronizar su reloj interno con la

señal digital Fieldbus que ingresa.

Delimitador de comienzo: Es utilizado por el receptor para que pueda encontrar el

comienzo del mensaje.

Delimitador de final: Es utilizado por el receptor para que pueda encontrar el final

del mensaje.

En la figura 2.5 se pueden apreciar el preámbulo y los delimitadores de comienzo y final

empleados en la codificación Manchester.

Figura 2.5: Preámbulo, Delimitador de comienzo y final en codificación Manchester.

28

Un ejemplo de la trama Fieldbus Foundation transmitida se puede apreciar en la figura

2.6.

Figura 2.6: Composición de una trama Fieldbus.

De acuerdo a la figura anterior los datos de usuario son codificados con una longitud de 0 a

251 octetos y a medida que la comunicación se va realizando hasta la capa física se le van

agregando octetos hasta obtener una trama que puede contener desde 11 hasta 276 octetos,

dependiendo de la longitud de los datos del usuario.

Señal Fieldbus transmitida: En la capa física el transmisor envía una señal de 10 mA. a

una velocidad de 31.25 Kbps sobre una resistencia equivalente a 50Ω, de esta manera se

genera una tensión de 1 V peak to peak, la cual esta modulada sobre la componente

continua de la alimentación. Este bus además acepta alimentaciones entre 9 y 32 V, pero

para aplicaciones que requieren seguridad intrínseca este rango de voltaje será

dependiente del tipo de la barrera intrínseca. Esta situación se aprecia en la figura 2.7.

29

Figura 2.7: Ejemplo de una señal Fieldbus.

Alimentación sobre el BUS: El bus H1 permite a los dispositivos ser energizados por el

mismo bus. La fuente de alimentación se conecta en el mismo bus en paralelo a todos los

dispositivos. Existen algunos dispositivos de campo que se energizan con fuentes de

alimentación externas al bus deben ser conectadas adicionalmente a sus respectivas

fuentes de alimentación. (Véase Fig. 2.8).

Figura 2.8: Alimentación sobre el bus.

En la figura anterior se puede ver que el conjunto en paralelo de las 2 resistencias genera

la resistencia equivalente de 50 Ω por donde se transmite la señal Fieldbus.

30

2.4.1.4 Dispositivos de campo H1.

Como ya es sabido el estándar H1 de Fieldbus se utiliza a nivel de campo para la conexión de

dispositivos con un controlador Host o una red Ethernet, se puede realizar una primera

clasificación de los dispositivos de acuerdo a la dirección de la transmisión de la información.

Dispositivos de campo que reciben señal de control: Estos Dispositivos reciben señales

de control provenientes de un controlador, pueden ser válvulas, switches, etc.

Figura 2.9: Válvula con posicionador.

Dispositivos de Campo que envían señales de información: Entre estos dispositivos

encontramos diversos Transmisores que convierten señales análogas tomadas de

elementos de medición o sensores, y luego en forma digital o análoga las transmiten hacia

un controlador y luego a una estación de control o monitoreo. Entre los Transmisores más

comunes encontramos los siguientes.

Transmisor de Presión.

Transmisor de Temperatura.

Transmisor de Conductividad.

Transmisor de Nivel.

31

En la figura 2.10 se muestran distintos tipos de Transmisores que se pueden comunicar

por Fieldbus Foundation.

Figura 2.10: Dispositivos Transmisores que utilizan el estándar H1.

2.4.1.5 Ventajas de una Red Fieldbus Foundation H1.

Fieldbus Foundation nació como una mejora a la tecnología de comunicación Industrial

análoga 4-20 mA y además esta diseñada para el control de procesos Industriales. Las ventajas

que esta tecnología tiene son las siguientes:

Señal de Alimentación y Control a dispositivos por el mismo conductor: Fieldbus

Foundation permite alimentar los dispositivos de campo por el mismo conductor donde

se envía la señal digital de control.

Soporta Seguridad Intrínseca: Esto significa que en algunas áreas con peligro de

explosiones, se reduce la energía por debajo de un punto sobre el cual podría ocurrir una

explosión debido a alguna chispa o superficie caliente.

Herramientas de diagnostico remoto: Foundation Fieldbus permite al usuario

diagnostico remoto de la red a través de un sistema de control, ya sea centralizado o

distribuido.

32

Posibilidad de reutilizar cableado existente: Fieldbus Foundation ofrece la posibilidad

de instalar una red sobre algún conductor ya utilizado con alguna otra tecnología como 4-

20 mA, Profibus, etc.

Menor tiempo de comisionamiento: Antiguamente para comisionar un dispositivo se

requerían de un técnico y un operador, ahora con Fieldbus es posible comisionar varios

dispositivos en un segmento con los mismos dos trabajadores, de esta manera se ahorra

tiempo.

2.4.1.6 Concepto de Seguridad Intrínseca.

En algunas plantas Industriales puede generarse ambientes explosivos, ya sea por, líquido,

gases, elementos químicos, etc. La instalación de equipamiento eléctrico en estas zonas se vuelve

riesgosa debido al riesgo de ignición que puede provocar una chispa por corto circuito u otro tipo.

Fieldbus Foundation provee unas barreras de seguridad intrínseca para reducir los niveles de

energía en estas zonas y de esta manera reducir el riesgo de ignición. Algunas desventajas de

utilizar barreras de seguridad intrínseca son el reducido número de dispositivos que se pueden

conectar por segmento y la reducida longitud total del segmento debido a los bajos niveles de

tensión y corriente.

Otra opción para los lugares con seguridad intrínseca es FISCO ( Fieldbus Intrinsically-

Safe Concept), este sistema intenta administrar niveles de corriente mas alto en lugares

explosivos y que no exista riesgo de ignición, FISCO es solo un modelo experimental, pero ha

presentado buenos resultados en diseños y no en la realidad.

Fieldbus Foundation se rige por la norma ANSI/ISA-S50.02-1992 y dice que después de

una barrera de seguridad intrínseca (Zona de peligro) se deben conectar como máximo cuatro

Instrumentos y mas de dos instrumentos fuera de la barrera (Zona segura).

33

La siguiente figura muestra el esquema de una barrera intrínsicamente segura, por un lado

se puede ver que la barrera se alimenta con 24 Vcc para el bus de campo y por otro lado va la

conexión hacia el Host Fieldbus H1, mientras que a la derecha se ve el extremo de la línea que

alimentará el segmento. Otra condición importante que debe tener la barrera es que no debe ser

conectada a tierra. La figura 2.11 muestra el esquema eléctrico de una barrera de seguridad

intrínseca.

Figura 2.11: Esquema eléctrico de una barrera de seguridad intrínseca.

2.4.1.7 Componentes de una red Fieldbus.

Fuentes Alimentadoras de lazo: Son dispositivos que aíslan la señal de voltaje que

proviene de la fuente de alimentación y el segmento Fieldbus. Por medio de este

dispositivo se energiza el bus con la fuente de alimentación y además permite conectar el

segmento con algún dispositivo HSE. Existen además algunos tipos de módulos

aisladores que están diseñados para opera en zonas intrínsicamente seguras, tal como se

muestra en la figura 2.12.

34

Figura 2.12: Esquema de conexión de una Fuente alimentadora de lazo.

Fuente de Alimentación: Las fuentes de alimentación ocupadas para alimentar

dispositivos Fieldbus deben entregar 24 Vcc a la salida tanto para la energización del

controlador y tarjeta H1 como para la energización del bus, existe la posibilidad de

utilizar fuentes de poder redundantes, que permite utilizar una fuente de poder operativa y

una o mas de una adicional en estado de reserva en caso de falla de la fuente de poder

principal. Al igual que los módulos aisladores existen fuentes de poder especiales para

operar en áreas con seguridad intrínseca.

Cable: La norma ISA-550.02 nos señala que el cable a utilizar cara conectar equipos en

una red Fieldbus H1 a una velocidad de 31.25 Kbit/s debe ser un par simple de hilos

trenzado con su respectiva aislación, el cual debe cumplir con los siguientes parámetros a

una temperatura de 25°C.

ZO en fr (31,25 KHz) = 100 ± 20%.

Atenuación máxima en 1,25 fr (39 KHz) = 3,0 dB/Km.

Capacitancia máxima no balanceada del blindaje = 2 nF/Km.

35

Resistencia CC máxima (por conductor) = 22 /Km.

Retardo máximo de propagación entre 0,25 fr y 1,25 fr = 1,7 s/Km.

Área seccional del conductor (calibre) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG).

La cobertura mínima del blindaje debe ser mayor o igual al 90%.

El Cable Fieldbus puede o no traer conductor a tierra, depende de las aplicaciones

donde utilizarlo. El blindaje o Shield del cable es una lámina que aísla al par de cables

trenzado de comunicaciones, el Shield además esta compuesto por un cable Shield, el cual

debe ser conectado a tierra. El cable además posee una armadura que puede ser de

Aluminio o acero galvanizado que protege a los conductores de golpes. Finalmente el

Cable Fieldbus esta recubierto por una chaqueta de PVC que normalmente es amarilla. La

figura 2.13 muestra la estructura de un Cable Fieldbus.

Figura 2.13: Estructura de un cable Fieldbus.

Puesta a Tierra: Los dispositivos Fieldbus no deben estar conectados a la tierra de

ninguno de los conductores de par trenzado en algún punto de la red, ya que esto puede

provocar perdida de información del dispositivo cuyo conductor se encuentra conectado a

tierra. Para las conexiones a tierra de los instrumentos existen diversos estándares

internacionales y de plantas Industriales que se deben seguir.

36

Blindaje y polaridad: Los estándares Fieldbus Foundation del nivel físico no especifican

si los sistemas son sensibles a la polarización o no pero por conveniencia en la instalación

se utilizan equipos no polarizados. El blindaje o (Shield) del cable debe ser aterrizado tan

solo en un extremo a lo largo del cable, ya que si se aterriza en mas de un punto, esto

puede causar interferencia, aunque en comunicaciones con 4-20 mA si suele utilizarse.

Acopladores o FDU (Fieldbus Derivation Unit): Estas unidades son cajas de conexion

para dispositivos hacia un segmento en un punto comun. La FDU mas sencilla se

compone de 3 puntos terminales, dos de ellos on para la entrada y salida del troncal y el

otro terminal será para la derivacion del Spur hacia el dispositivo. Existen dos clases de

acopladores que son los pasivos y los activos, para que un acoplador sea pasivo debe tener

una de las siguientes caracteristicas.

Transformadores para aislación galvánica y de Impedancia entre troncal y spur.

Conectores que faciliten el conexionado y desconexionado de los cables.

Resistores de Proteccion para proteger el trafico por bus entre otras estaciones.

Mientras que los acopladores activos tienen en su interior componentes que amplifican y

retransmiten la señal.

En la figura 2.14 se pueden ver el circuito interno de una FDU pasiva que incluye terminador

interno y 4 salidas para spurs, mientras que la otra figura muestra una FDU vista desde el

exterior.

37

Figura 2.14: Exterior de una FDU y diagrama interno de esta misma.

Conectores: Generalmente los conectores son utilizados en lugares donde constantemente

se están conectando y desconectando los dispositivos, de esta manera se facilita dicha

labor.

Bloques terminales: Cuando una señal viaja sobre un cable y se encuentra con un corto

circuito o circuito abierto, se genera una señal reflejada de ruido que viaja en sentido

opuesto. Los bloques terminales se utilizan para evitar que esta señal llegue hasta el final

del cable, se componen tan solo de una resistencia con la misma impedancia que el cable

o en el caso que el cable lleve alimentación eléctrica el terminador se compondrá de un

resistor con un capacitor en serie. Los bloques terminales suelen venir incorporados

dentro de los acopladores, aunque a veces estos se conectan de forma externa. En la

primera figura se puede apreciar el modelo mas simple de un terminador y en la segunda

figura se un terminador para ser conectado de forma externa al segmento.

Los bloques terminadores se conectan en ambos extremos del segmento y en paralelo a los

dispositivos de campo como se puede apreciar en la figura 2.15.

38

Figura 2.15: Diagrama interno de un terminador.

2.4.1.8 Codificación y transmisión de datos en Fieldbus Foundation.

Como ya es sabido Fieldbus Foundation utiliza un sistema de codificación Manchester Bifase

L. Los dispositivos de campo son los que se encargan de codificar las señales y enviarlas por el

bus hacia los controladores. Otro proceso importante es la decodificación de la señal Fieldbus

transmitida. A continuación la figura 2.16 mostrará un ejemplo grafico con los procesos de

codificado y decodificado de la señal Fieldbus. Como el estándar H1 trabaja a una velocidad

binaria de 31.25 Kb/s su ciclo de señal de clock será de 32 µs.

En la primera grafica se ve la entrada de los datos en sistema binario.

En la segunda grafica se ve la señal de clock del mismo dispositivo.

En la tercera grafica se ve la señal de datos de entrada codificada con Manchester donde

un “0” se codifica con un flanco de bajada de la señal, mientras que un “1” se codifica con

un flanco de subida de la señal codificada.

En la cuarta grafica se ve la forma de onda resultante.

Y finalmente en la quinta figura se ve la señal Fieldbus que será transmitida en el bus.

39

Figura 2.16: Codificación y Transmisión de una señal Fieldbus.

Otro proceso importante es la decodificación de la señal Fieldbus transmitida. A continuación

se mostrará un ejemplo grafico en la figura 2.17 con el proceso de decodificado de la señal

Fieldbus.

La primera figura muestra la señal de Fieldbus recibida.

Las figuras dos y tres muestran las partes positivas y negativas de la señal traducidas en

un pulso para las partes negativas y otro parea las partes positivas.

La figura cuatro muestra la señal de clock recuperada, la cual esta desfasada en medio

periodo de tiempo para poder recuperar los datos iniciales.

La Última figura muestra la señal de datos recuperada.

40

Figura 2.17: Recepción y Decodificación de una señal Fieldbus.

2.4.2 HSE (High Speed Ethernet).

HSE es un estándar Fieldbus Foundation basado sobre Ethernet, entre sus ventajas se

encuentra la posibilidad de transmisión de grandes cantidades de datos y la alta velocidad de

transmisión que ofrece (100 Mbit/s y 1Gbit/s), además de la posibilidad de realizar el tendido de

cable sobre par trenzado y fibra óptica. HSE además nos ofrece la posibilidad de equipar la red de

cableado tradicional y fibra óptica.

HSE no fue desarrollado pensando en sustituir a H1, sino que complementarse con el. Al

lograr unir una red de campo y una de control se crea una gran integración y el sistema continúa

siendo abierto e interoperable sin perder funcionalidad. HSE trabaja en un nivel superior a H1 y

puede conectar segmentos H1 y otros dispositivos de velocidad elevada con las estaciones de

trabajo. Comparando H1 y HSE no podemos decir que uno es mejor al otro, simplemente tienen

propiedades distintas para distintas aplicaciones.

41

2.4.2.1 HSE y el modelo OSI.

Con respecto al modelo OSI, las capas de enlace y física de HSE corresponden a Ethernet,

las capas de red y transporte son manejadas por los protocolos UDP, TCP e IP, las capas de

sesión y presentación no son utilizadas y finalmente a la capa de aplicación se le agregaron unos

protocolos y especificaciones propias de HSE. Al igual que en H1 existe una capa de usuario que

no esta definida en el modelo OSI.

En la figura 2.18 se puede apreciar un resumen con las modificaciones y diferencias que

existen entre los estándares H1 y HSE de Fieldbus Foundation.

Figura 2.18: Estándar HSE y el modelo OSI.

42

2.4.2.2 Ventajas de HSE.

Alto Rendimiento: HSE permite realizar funciones de diagnostico, calibración e

identificación de dispositivos, estas funciones permiten realizar un mantenimiento

preventivo.

Interoperabilidad de Subsistemas: Gracias al protocolo abierto que posee HSE los

subsistemas se pueden combinar para realizar cualquier tarea de control. Además existen

numerosas características de HSE que permiten un funcionamiento completamente

integrado entre dispositivos de diferentes fabricantes.

Bloques funcionales: Los bloques funcionales del estándar H1 son los mismos que se

emplean en HSE, lo que garantiza un único lenguaje de programación de estrategias de

control para todo el sistema.

Red troncal de control: HSE permite comunicaciones punto a punto, por lo cual dos

dispositivos pueden comunicarse entre si sin la necesidad de utilizar un computador

central para realizar la comunicación.

Ethernet estándar: Como HSE esta basado en Ethernet es posible utilizar tanto el cable

Ethernet normal para la comunicación, además las tarjetas de interfaz de comunicación y

el Hardware Ethernet son relativamente baratos. Las redes Ethernet permiten

transmisiones tanto en cable par trenzado como con fibra óptica.

Redundancia: El concepto de redundancia a nivel de H1 consistía en distribuir las tareas

en varios sectores para que en caso de falla solo falle un sistema. En HSE la redundancia

consiste en utilizar dos redes, subsistemas o dispositivos a fin de tener uno operativo y

otro en stand by o reserva en caso de falla del principal. En caso de falla de un sistema,

HSE realiza la conmutación entre el dispositivo primario y secundario siempre y cuando

ambos dispositivos sean idénticos ya que ambos dispositivos deben tener la misma

43

configuración al momento de realizarse la conmutación. Existen 3 tipos de topologías

para redes HSE.

Dispositivo de interfaz única en una red única.

Dispositivo de dos interfaces en dos redes.

Dispositivos de dos interfaces en una red.

Obviamente que la segunda de las tres opciones es la mejor, pero también es la mas cara,

aquí no solo basta con tener dispositivos con dos interfaces, sino que también es necesario tener

dos redes Ethernet integras, una primaria y una secundaria.

Un ejemplo de una red con dispositivo de dos interfaces en dos redes se muestra a continuación

en la figura 2.19.

Figura 2.19: Redundancia en HSE.

44

2.4.2.3 Tipos de Dispositivos HSE.

Dentro de una red HSE se encuentran cuatro tipos de dispositivos, que son los siguientes:

Linking Device (LD): También llamado Bridge, es un dispositivo que puede estar

energizado o no y realiza la función de puente entre redes los niveles H1 y HSE (Véase

Fig. 2.20).

Gateway Device(GD): El Gateway es un equipo diseñado para conectar un segmento

Fieldbus con otros segmentos que utilizan otros protocolos de comunicación como

Modbus, Profibus, etc.

Ethernet Device: Equivale a un dispositivo de campo H1 pero posee conexión directa a

red HSE.

Host Device (HD): No es dispositivo HSE, pero puede comunicar a dispositivos HSE

tales como una estación de trabajo o mantenimiento. Un dispositivo Host puede ser un

sistema digital de control distribuido, sistema SCADA o DeltaV.

Figura 2.20 Dispositivo Linking Device.

45

2.4.2.4 Limitaciones de HSE.

Como ya es sabido las redes Ethernet se diseñaron para un entorno de oficina, HSE que esta

basado sobre Ethernet debió sufrir algunas modificaciones para poder adaptarlo a ambientes

Industriales. Al adaptar una red Ethernet a un entorno Industrial se tienen las siguientes

limitaciones:

No permite seguridad intrínseca.

A diferencia del estándar H1, HSE no puede ser utilizado con especificaciones de

seguridad intrínseca debido a que en HSE no se puede limitar las tensiones o niveles de

corriente ya que esta acción no es compatible con las redes Ethernet.

No permite alimentación de dispositivos a través del BUS: Tal vez una de las mayores

ventajas del estándar H1 es la posibilidad de incluir alimentación eléctrica a los

dispositivos sobre el mismo bus, lamentablemente para HSE no es posible esta opción por

lo que es necesario instalar un cableado adicional para suministrar energía eléctrica a los

dispositivos HSE.

Longitud del cable limitada a solo 100 m.

El hecho de que HSE este basada sobre Ethernet no permite realizar tendidos de cables

superiores a los 100 m.

Las Tarjetas de interfaz tienen altos consumos: El consumo alto de energía puede ser

una gran desventaja en redes Industriales grandes, ya que se requerirá fuentes de

alimentación que entreguen mas corriente y el consumo de energía alto se traducirá en un

costo en dinero alto.

46

2.5 Diseño de Cableado de una red Fieldbus Foundation (Nivel Físico).

A diferencia con las redes análogas, Foundation requiere un solo par de alambre torcido

llamado Troncal o bus para conectar los dispositivos de campo. El conjunto del cable y los

dispositivos se denomina segmento.

2.5.1 Topología.

Para realizar el cableado de una red Fieldbus Foundation H1 existen varias topologías,

aunque en la práctica solo se utilizan dos topologías, que son las siguientes:

Topología en bus: En este tipo de topología los dispositivos se conectan gracias a

derivaciones que se ramifican desde el troncal principal. La siguiente figura muestra un

ejemplo de red en topología bus.

Figura 2.21: Topología en rama bus

Topología en Árbol: En esta topología un bus con derivaciones se conecta a un troncal.

Figura 2.22: Topología en árbol Fieldbus.

47

Teóricamente no existen límites en cuanto a la cantidad de árboles o ramas en un

segmento, pero en la realidad si existen algunos rangos de corriente, voltajes y número de

dispositivos. En la siguiente tabla se muestran los límites permisibles para un segmento descritos

anteriormente.

Limites del segmento Valores típicos

Cantidad de

dispositivos por

segmentos

Máximo 32 dispositivos por

segmento sin Repetidor

Máximo 240 dispositivos por

segmento sin Repetidor

4 a 16 dispositivos por segmento

Consumo de Corriente

Un dispositivo necesita al

menos 8 mA. del segmento

como consumo de corriente

15 a 25 mA. para un dispositivo de

dos hilos

8.5 mA. para un dispositivo de

cuatro hilos

400 mA. Limite típico de segmento

Rango de Voltaje 9 a32 Vcc. 24 Vcc.

Tabla 2.1: Limites de Voltaje y corriente para un segmento Fieldbus.

2.5.2 Tipos de Cables y longitudes máximas de segmentos.

El tipo de cable que se esta usando infiere directamente en la longitud máxima del

segmento, existen 4 tipos de cables, los cuales se describirán a continuación con sus

características y las longitudes máximas de segmentos permitidas en la tabla 2.2.

48

Tipo Descripción Calibre Longitud Máxima A Par Torcido blindado individualmente 18 AWG 1900 m.

B Par Torcido múltiple con blindaje general 22 AWG 1200 m.

C Par Torcido múltiple sin blindaje 26 AWG 400 m.

D Dos hilos no torcidos y sin blindaje 16 AWG 200 m.

Tabla 2.2: Tipos de cables Fieldbus.

2.5.3 Cálculo de Longitud Total de un Segmento.

Debido a las restricciones que tienen los diferentes tipos de conductores es necesario

calcular la longitud total de un segmento y seleccionar o verificar el conductor a utilizar. Para

sumar la longitud total de un segmento es necesario sumar la longitud total del troncal más todos

los Spurs entre dispositivos y troncal o caja de derivación si corresponde. Esta situación se

ejemplifica mejor en la siguiente figura 2.23.

Figura 2.23: Longitud total máxima de un segmento.

49

2.5.4 Longitud de Spur.

Otro cálculo necesario tener en cuenta es la longitud máxima de cada spur, este valor

depende de la cantidad total de dispositivos que hay en la derivación y en el segmento completo.

Gracias a la siguiente tabla 2.3 se puede conocer la máxima longitud de un spur.

Dispositivos por derivación Dispositivos Totales del segmento

1 2 3 4

1 -12 120 m 90 m. 60 m. 30 m.

13 -14 90 m. 60 m. 30 m. 1 m.

15 – 18 60 m. 30 m. 1 m. 1 m.

19 – 24 30 m. 1 m. 1 m. 1 m.

25 – 32 1 m. 1 m. 1 m. 1 m.

Tabla 2.3: Cantidad de dispositivos por derivación.

Un ejemplo práctico de la longitud de los spur se muestra en la siguiente figura 2.24.

Figura 2.24: Ejemplo de diseño de Cableado par en un segmento Fieldbus.

50

2.6 Instalación y Comisionamiento de una red Fieldbus Foundation.

Una vez que el diseño de una red Fieldbus esta completo y se ha cumplido con las normas

tanto de los estándares Fieldbus como de los conductores y elementos de la red vienen las etapas

de Instalación y comisionamiento.

2.6.1 Instalación.

Una vez que ya tenemos conocimiento sobre la topología de una red Fieldbus y sus

componentes viene la etapa de Instalación de los componentes en terreno y armar la red. La

figura 2.25 que se muestra a continuación es un ejemplo de una red Fieldbus, aparecen

identificados claramente los elementos de la red y la configuración de la misma.

Figura 2.25: Ejemplo de una Instalación Fieldbus Foundation.

51

En la figura anterior podemos ver el esquema de una instalación Fieldbus Foundation, los

elementos que destacan son los dispositivos Fieldbus H1 que en este caso son Transmisores y se

encuentran conectados a dos FDU distintas, ambas FDU esta conectadas al bus o troncal y se

puede observar que al final del troncal existe el terminador. El cable utilizado es un simple par

trenzado blindado de calibre 18 AWG. La fuente de Alimentación proporciona entre 20 Vcc a 32

Vcc. También podemos darnos cuenta de que el sistema posee dos tarjetas H1 redundantes. En el

momento de la instalación será necesario tener en cuenta las siguientes condiciones.

Cable a utilizar: El cable debe ser elegido de acuerdo a la longitud total del segmento, ya

que cada modelo de cable permite atenuaciones y distancias máximas diferentes.

Cantidad de Segmentos y cantidad de dispositivos por segmentos: La cantidad de

segmentos y dispositivos conectados se ve limitada por la cantidad de corriente que

suministre la Fuente de Alimentación.

Longitud máxima del segmento: La longitud máxima del segmento debe ser calculada de

acuerdo al segmento a utilizar, en caso de sobrepasar la longitud máxima, será necesario

instalar un Repetidor.

Utilización de barreras para seguridad intrínseca: Dependiendo de las condiciones

ambientales puede existir la necesidad de colocar barreras de seguridad intrínseca o

utilizar elementos de la red acondicionados para soportar seguridad intrínseca.

2.6.2 Comisionamiento

Antes de comisionar un dispositivo Fieldbus es necesario saber si el dispositivo viene pre-

configurado o no. El fabricante de los Instrumentos permite al comprador elegir una

configuración para el instrumento, de este modo el comisionamiento solo consta de tres pasos.

52

Conectarlo al segmento Fieldbus.

Usar Software de configuración para crear el vínculo entre el dispositivo físico y la

configuración de la base de datos.

Cargar los datos internos del dispositivo al HOST (ID, Revisión, etc.) y descargar la

estrategia de control desde el dispositivo al Host.

En el caso de que los dispositivos no estén pre-configurados, los dispositivos se deben

configurar mientras se comisionan y se debe hacer lo siguiente.

Conectar los Dispositivos al Segmento fieldbus.

Usar Software de configuración para mover el dispositivo al segmento adecuado.

Asignar etiqueta con ubicación dentro del proceso al dispositivo.

Cargar la configuración en el dispositivo.

2.7 Desventajas de Fieldbus Foundation.

La combinación de un sistema de control distribuido (DCS) e Instrumentación Fieldbus

Foundation brinda menos confiabilidad que la tecnología analógica 4- 20 mA. Ya que en

Fieldbus existe mas hardware y probabilidades de falla.

Fieldbus al igual que cualquier otra tecnología de datos serial y digital tiene la desventaja

que al transmitir datos de varios dispositivos a la vez, los datos de cada dispositivo se van

agregando al final de la trama de datos y esto se traduce en un leve retraso del envío de la

información, en algunos casos se presenta como una limitación dependiendo de la

aplicación.

Fieldbus Foundation como cualquier otro bus de campo, cuenta con las mismas

desventajas que ofrece la transmisión de datos de varios dispositivos a través de un mismo

bus de datos, como lo es la detección de falla en un cable troncal de un segmento.

53

CAPITULO III

INSTALACIONES FIELDBUS FOUNDATION EN PLANTA VALDIVIA.

3.1 Proceso productivo y áreas de la planta.

El proceso de fabricación de Celulosa cuenta con diversas áreas que componen el proceso

productivo. A continuación se muestra un esquema con el proceso productivo de la planta. Al

comienzo del proceso productivo se comienza con rollizos o astillas y culmina con celulosa

blanqueada y energía eléctrica. Además se requieren de otros elementos para poder efectuar el

proceso de producción de celulosa como lo son el agua, combustible y otros elementos químicos.

En la figura 3.1 se muestra un esquema gráfico con el proceso de producción de Celulosa

utilizado en Celulosa Aruco y Constitución S.A. Planta Valdivia.

Figura 3.1: Proceso Productivo de la Planta.

54

A Continuación se realizará una breve descripción de las Áreas en las que esta dividido el

proceso de producción y una breve descripción del proceso que involucran.

Tratamiento de Agua: Esta sub-área se encarga de recolectar el agua cruda del río

Cruces y mediante filtros y torres de enfriamiento, posteriormente esta agua se envía a los

diferentes procesos de la planta convertida en agua potable, desmineralizada, etc.

Tratamiento de Efluentes: La función de esta etapa es clarificar, bajar la temperatura y

disminuir el color de los efluentes del proceso productivo de celulosa y así satisfacer los

requerimientos y parámetros ambientales establecidos por la normativa chilena.

Maderas: Acá ingresan los troncos para luego ser descortezados, las cortezas de los

troncos se envían a la Caldera de Poder, mientras que el resto de los árboles se convierte

en chip para ser enviado a los digestores.

Fibra: Esta sub-área es la encargada de realizar el proceso de la Celulosa, desde que

ingresa el Chip a los Digestores hasta que la Celulosa ya esta lista para ser transportada y

comercializarse. Dentro de esta área existen las siguientes sub-áreas.

Digestores: Son los encargados de realizar el proceso de cocción Super Batch-K,

en este proceso las astillas se cosen con licor blanco provenientes del área de

Caustificación.

Lavado: En esta etapa la pulpa que proviene desde Digestores se lava y se le quita

los restos de lignina dejando solamente la fibra o celulosa de la madera.

Blanqueo: El blanqueo consiste en blanquear la celulosa con compuestos

químicos tales como Dióxido de Cloro.

55

Máquina: En esta área a la celulosa se le quita el agua, se prensa, se seca y luego

se convierte en una hoja continua ya lista para ser almacenada y posteriormente

transportada para su comercialización.

Recuperación de Energía (Licor): Esta área es la encargada de generar energía a partir

de diversos compuestos provenientes de otras áreas tales como licor negro, cortezas de

árboles, elementos químicos, etc. Dentro de esta área nos encontramos con las siguientes

sub-áreas.

Caldera Recuperadora: Es el corazón del proceso de Celulosa Kraft, en ella se

recuperan los residuos químicos resultantes de los distintos procesos de la

producción, además permite quemar el licor negro concentrado y los residuos

orgánicos con eficiencia de combustión máxima y suministra calor para la

generación de vapor para la planta. Cuando el Licor negro se quema en la Caldera

Recuperadora se convierte en Licor Verde y es enviado a Caustificación.

Caldera de Poder: En esta Caldera se incineran las cortezas de lo árboles para

calentar agua y generar vapor para los procesos de la planta que lo requieran.

Turbogenerador: Es el encargado de transformar el vapor que sale de las

Calderas en Energía eléctrica, en Planta Valdivia existen 2 turbogeneradores de 60

MW, cada uno.

Evaporadores: Los Evaporadores son los encargados de evaporar el licor negro

débil que viene desde los Digestores y dejarlo en un estado más sólido para poder

ser incinerado en la Caldera Recuperadora.

Caustificación: En Caustificación el Licor Verde que proviene de la Caldera

Recuperadora se mezcla con Cal proveniente del Horno de Cal y se transforma en

licor Blanco, el cual se reenvía al área de Digestores para la cocción del Chip, en

la fabricación de Celulosa.

56

Horno de Cal: En el Horno de Cal se transforma el Carbonato de Calcio en Cal

viva mediante un proceso de Calcinación. El horno posee quemadores de Petróleo

para lograr la temperatura necesaria en el horno.

3.2 Instalaciones Fieldbus en área Electrocontrol licor.

Como ya se vio antes en el área de Electrocontrol existen 6 sub-áreas las cuales se

encargan de recuperar la energía y transformarla en energía eléctrica ya sea para alimentar la

Planta o para inyectar energía eléctrica al SIC.

Para comenzar a explicar las instalaciones Fieldbus Foundation existentes en Planta

Valdivia será necesario dividir la Planta en niveles de gestión dentro de la planta, los niveles son

los siguientes:

Nivel de Sala de Control: Este nivel corresponde al más próximo al operador, en este

nivel se encuentran las diversas estaciones de trabajo y mantenimiento donde los

operarios pueden monitorear y controlar los dispositivos de campo.

Nivel de Sala Eléctrica: Las Salas Eléctricas son lugares especiales para almacenar

equipos eléctricos que no pueden estar a la intemperie tales como Transformadores, PLC,

Racks Tableros, etc. Siempre y cuando los equipos puedan agruparse dentro de una Sala

Eléctrica y no en una ubicaron en terreno. En el área de Licor existen 5 Salas Eléctricas

que albergan equipos relacionados a diversas áreas como se muestra en la siguiente tabla

3.1.

57

Sala Eléctrica Áreas asociadas a Sala Eléctrica

5 Caldera Recuperadora, Caldera de Poder, Planta Desmineralizadora

6 Turbogeneradores

7 Compresores, Planta Desmineralizadota

8 Horno de Cal

9 Caustificación

Tabla 3.1: Áreas asociadas a cada sala eléctrica.

Nivel de Terreno: En este nivel se encuentran los Instrumentos y actuadores junto con

las Fuentes de Poder para energizar el bus y cajas de derivación Fieldbus o FDU.

Figura 3.2: Esquema de conexión desde terreno a sala de operaciones.

58

En la figura 3.2 se muestra un esquema general con la estructura de una red Fieldbus

Foundation en Planta Valdivia desde una estación de operación hasta el dispositivo de campo.

3.3 Identificación de Segmentos y Dispositivos Fieldbus.

En cualquier planta Industrial de grandes dimensiones es necesario identificar y codificar

los dispositivos y segmentos fieldbus para tener fácil acceso ya sea para personal de operaciones

o de mantención. La manera de codificar los segmentos o equipos en la planta es la siguiente:

Para identificar un segmento primero se debe especificar el código del área de operación,

que en el caso del área de licor son los siguientes. Véase Tabla 3.2.

Código Área

329 Compresores

351 Evaporadores

352 Caldera Recuperadora

353 Caustificación

354 Horno de Cal

361 Sistema de Combustible

362 Planta Desmineralizadota

363 Caldera Recuperadora

365 Turbogeneradores

Tabla 3.2: Código asignados a distintas áreas dentro de la Planta.

Luego de seleccionar el área donde se encuentra el dispositivo se coloca un guión seguido

del número del segmento. Seguido del número del segmento va un guión con el número de la

FDU y se finaliza con el número correlativo del equipo.

59

Para explicar mejor esta situación se considera el siguiente ejemplo de un segmento.

353-F001-001

353 nos indica que el segmento esta asociado al área de Caustificación.

F001 es el numero del segmento, en este caso es 1.

001 es el número de la FDU que pertenece a ese segmento.

Para la codificación de los equipos se utiliza un TAG o numero de dispositivo que

comienza con el código del área al que pertenece, seguido de las iniciales del tipo de dispositivo

y finaliza con el número correlativo del dispositivo.

A continuación se muestra un ejemplo del TAG de un equipo.

351 – PT – 703

El TAG anterior nos indica que el instrumento pertenece al área de Evaporadores, es un

Transmisor de Presión y el número correlativo es el 703.

3.4 Reglas Utilizadas en Planta Valdivia para la instalación de segmentos.

En Planta Valdivia y el área de licor se siguen las mismas reglas que especifica el estándar

H1 para la instalación de los segmentos, pero con algunas otras consideraciones extras, las cuales

son las siguientes.

Cada Segmento deberá tener conectada 3 FDU como máximo.

El número de equipos conectados por FDU no debe exceder 4.

De acuerdo a los dos puntos anteriores se concluye que el numero máximo. de

dispositivos por segmento no debe ser superior a 12.

60

3.5 Equipos y componentes de una red Fieldbus Foundation instalados en Planta Valdivia.

Para comenzar a describir los componentes de una red Fieldbus será necesario comenzar

desde un extremo de la red hasta otro, en este caso se comenzará por el nivel de campo en el cual

encontramos los dispositivos y después finalizaremos en las estaciones de operación y

mantenimiento.

3.5.1 Elementos a nivel de terreno.

En este nivel encontramos los elementos pertenecientes a la capa Física H1 de Fieldbus,

Los Conductores, Cajas de Conexión, Dispositivos de Campo, etc.

Dispositivos Fieldbus: Los Dispositivos Fieldbus que se utilizan en el área de Licor se

dividen básicamente en dos grupos que son los Transmisores y las válvulas, estos

dispositivos son de fabricantes específicos que han certificado sus Instrumentos para un

correcto funcionamiento con la tecnología Fieldbus Foundation.

Transmisores: Existen diversos tipos de transmisores y se utilizan para realizar

mediciones en estanques o líneas de proceso, existen Transmisores de

Temperatura, Conductividad, Ph, y flujo diferencial. Existen también otros

transmisores que envían otro tipo de señales pero utilizan el método de Presión

diferencial, estos transmisores son: de Flujo y nivel. Las principales marcas de

dispositivos que se utilizan son ABB, Rosemount, etc.

Las Figuras 3.3 y 3.4 respectivamente muestran un Transmisor de flujo Rosemount junto

con el diagrama interno de conexionado.

61

Figura 3.3: Transmisor de flujo Rosemount. Figura 3.4: Diagrama de conexionado.

Válvulas: Existen diversos tipos de válvulas en el área de licor, aunque la válvula

en sí es un elemento mecánico y no se comunica mediante un bus de campo por si

sola, sino que lo realiza mediante un posicionador. El posicionador es un

dispositivo electrónico que permite controlar la apertura y cierre de la válvula

accionando un actuador neumático que es impulsado mediante una entrada de aire

y comprime el resorte interno que posee el actuador y mueve la válvula.

A continuación en la figura 3.5 se puede apreciar una válvula con su posicionador

METSO instalada en el área de licor junto a una línea de proceso.

62

Figura 3.5: Válvula con posicionador METSO.

Cajas de derivación Fieldbus (FDU): Existen dos tipos de FDU que actualmente están

instaladas en el área de Licor, ambas poseen 6 puertos de conexión, 2 de ellos para la

entrada y salida del bus, mientras que los demás 4 puertos son para las derivaciones hacia

los dispositivos.

Para la puesta en marcha de la Planta en el año 2004 las FDU existentes eran de la marca

STONEL FBP06009, unos años mas tarde se comenzó a utilizar otro tipo de FDU, en este caso

nos referimos a la marca Turck con el modelo JBBS-49-T415/3G.

A Continuación se verá una imagen con el interior de una FDU Turck y sus partes

internas.

63

Figura 3.6: FDU Turck internamente.

La FDU de la figura 3.6 posee dos switches los cuales activan y desactivan la conexión a

tierra y el uso del terminador interno de la FDU. Esta FDU también contiene un ajuste de la

protección con 4 distintas posiciones que determinan diferentes rangos de corrientes de

protección. Finalmente también se puede apreciar en la figura los conectores internos que existen

para los conductores, como podemos ver se utilizan tres conectores que son Shield, y el cable de

comunicación Fieldbus con (+) y (-).

El Análisis interno de la FDU Stonel es similar a la de la FDU Turck, pero la diferencia es

que no posee terminador interno, por lo cual es necesario acoplar un terminador externo en el

final del bus y además tampoco posee ajuste de protección de corriente ajustable como en el caso

de la FDU Turck. A continuación la figura 3.7 muestra de forma interna de la FDU Stonel.

64

Figura 3.7: FDU Stonel FBP 06009 junto con terminador Stonel.

La FDU de la figura 3.7 soporta niveles de corriente de hasta 40 mA. y el rango de

Voltaje de entrada es de 9 a 32 Vcc.

Terminadores: Los terminadores que se utilizan en Planta Valdivia no son

externos, sino que vienen incorporados tanto en las FDU como en las Fuentes de

alimentación de lazo, con eso el bus quedará con los terminadores en ambos extremos

del cable, además las Fuentes de alimentación del lazo y las FDU poseen la opción de

desactivar los terminadores que poseen en su interior mediante un switch y se les

puede agregar uno externo. Como ya se ha mencionado antes un terminador esta

compuesto por una resistencia de 100 Ω en serie con un Capacitor de 1 µF. Para el

caso de la FDU Stonel el uso del terminador externo es obligatorio. (Véase figura 3.8).

65

Figura 3.8: Terminador Stonel.

Cable Belden: En el área de Licor se comenzó a utilizar como cable para

comunicación Fieldbus el Belden 2x18 AWG Belden 133076F con aislación de

Poliolefina, pantalla de Beldfoil de 100% de cobertura más alambre de drenaje,

chaqueta de FR PVC 300V 90ºC 31.25 Kbits/sec. Este cable posee armadura de

acero galvanizado. Actualmente existe en Planta un cable Fieldbus con las mismas

características que el mencionado anterior, pero la armadura es de Aluminio, dicho

cable es el 123076F.

Shield, blindaje y Polaridad: Fieldbus Foundation posee unas reglas para la

polaridad, blindaje y polaridad de los Cables Fieldbus, que por su puesto están

siendo utilizadas en Planta Valdivia. La puesta en marcha de la Planta con estas

recomendaciones garantiza una mayor inmunidad ante ruido eléctrico y evita

perdidas de comunicación. Las recomendaciones que se siguen son las siguientes.

Ningún cable par trenzado de un equipo Fieldbus debe estar aterrizado a

tierra en ningún punto de la red.

El Shield del cable Fieldbus debe ser puesto a tierra en un solo punto a lo

largo de todo el cable.

66

Para el conductor que va desde la FDU hasta los dispositivos, solo se

conecta el Shield a la FDU, mientras que en el extremo que va al

dispositivo solo se corta y se aísla.

Figura 3.9: Conexión de Cable Shield en FDU y tierra de Instrumentos.

Un sistema Fieldbus puede o no ser polarizado, pero en Planta Valdivia se

respeta este concepto de polaridad. Existen dispositivos que son polarizados,

mientras que otros no lo son.

La armadura del cable Fieldbus debe ser aterrizada a tierra en cada dispositivo,

para así evitar interferencia y ruido a la señal Fieldbus.

Una practica que se realiza comúnmente en el área de licor es la de conectar el cable a

tierra del dispositivo con la armadura del cable Fieldbus y desde la armadura del cable Fieldbus

se aterriza a tierra solo un conductor. Véase figura 3.10

67

Figura 3.10: Conexión a tierra de la armadura de cable Fieldbus en Planta.

3.5.2 Elementos a nivel de Sala Eléctrica.

En cada Sala eléctrica existe uno o varios gabinetes de control en el cual se encuentran

Tarjetas Fieldbus H1, Las Fuentes de poder para alimentar los Controladores, Tarjetas H1 y

fuentes alimentadoras de lazo. A continuación se realizará una breve descripción de los

componentes que encontramos dentro de un gabinete de Control.

Tarjetas Fieldbus H1 Redundante: Un modulo de comunicación Fieldbus

Foundation utiliza dos tarjetas H1 series 2 Redundante aunque solo este activa una

y la otra en estado de reposo en caso que falle la otra. Cada Tarjeta Fieldbus tiene

dos puertos, en un sistema redundante los dos segmentos Fieldbus van conectados

a los dos puertos de una sola tarjeta, ya que la conexión redundante entre se realiza

en forma interna entre las tarjetas.

Fuente de Poder 24 Vcc: La fuente de poder utilizada para alimentar los

segmentos Fieldbus es de la marca Phoenix Contact y de la serie QUINT DC-

USV, entrega solo 24 Vcc a la salida y un máximo de corriente de 20A. A este

fuente de poder se le llama ininterrumpida debido a una función que posee que le

permite alargar el tiempo de puenteo en caso de falla en la alimentación principal

68

y luego guarda toda la información relevante antes de apagarse. Gracias a esta

maniobra la partida del sistema se torna más sencilla una vez reanudada la

alimentación principal.

Figura 3.11: Fuente de Alimentación Phoenix Contact.

Fuente Alimentadora de lazo: Es un acondicionador de energía y comunicación

que determinan la corriente máxima par el segmento, además proveen aislación

para comunicaciones con múltiples segmentos. En Planta Valdivia las fuentes

alimentadoras de lazo son de la marca MTL, existen dos modelos los cuales son el

MTL5053 y el MTL5995. El primero de ellos soporta seguridad intrínseca

mientras que el segundo no.

La fuente MTL 5995 se alimenta con una tensión de 24 Vcc y entrega a la

salida una tensión de 19 Vcc +-2% y una corriente máxima de 350 mA. Con una

impedancia menor a 2Ω. Cabe destacar que en Planta Valdivia solo se conecta un

segmento por fuente alimentadora de lazo y en caso de falla de la fuente se pierde

la comunicación con todo el segmento.

La fuente MTL 5053 se alimenta con 24 Vcc y entrega 18.4 Vcc a la salida

con una corriente máxima de 80 mA. Y una impedancia de 105 Ω. La baja tensión

de salida de la fuente se debe a que este dispositivo fue creado para operar bajo

69

seguridad intrínseca, debido al bajo nivel de corriente de salida el número de

dispositivos que se podrán conectar en ese segmento se verá reducido.

Figura 3.12: Fuente Alimentadora de Lazo MTL5095.

Figura 3.13: Diagrama de conexión de segmento Fieldbus H1 completo.

70

En la figura 3.13 se puede observar el esquema de conexionado de un segmento Fieldbus

completo donde se puede apreciar la conexión entre la fuente alimentadora de lazo con los

puertos de las tarjetas H1 y las FDU de los segmentos instalados en terreno, además se puede

apreciar las conexiones a tierra del cable shield presente en las fuentes alimentadoras de lazo.

Controlador: En planta Valdivia existen controladores MD de la marca Fisher

Rosemount que proveen de control y comunicación entre los diferentes

Dispositivos de campo y la red de control. Cada Controlador MD además necesita

una Fuente de Poder de la marca Fisher Rosemount.

En la figura 3.14 se pueden ver dos controladores MD junto con sus respectivas fuentes de

alimentación.

Figura 3.14: Controladores MD con sus respectivas fuentes de poder.

71

NJR Sala Eléctrica: Es un Gabinete que en cuyo interior se encuentran diversos

dispositivos que permiten transmitir la señal de todos los controladores que existen

en la sala eléctrica vía fibra óptica hacia la sala de control, permitiendo convertir la

señal para poder pasar de par trenzado a fibra óptica.

3.5.3 Elementos a nivel de Sala de Operaciones.

NJR Tercer Nivel: Este NJR se encuentra en el edificio principal de la planta,

junto a la sala de control y es el encargado de recoger las señales que vienen de los

NJR de las salas eléctricas y enviarlas hacia el servidor principal. El switch

utilizado en Planta Valdivia es el RS2FX/FX de la marca Hirschmann.

Figura 3.15: Switch RS2FX/FX.

Servidor: El servidor es la última etapa del sistema antes de llegar a las estaciones

de trabajo, recibe las señales del NJR tercer nivel y conecta toda la información de

los instrumentos y dispositivos de la planta con la red Ethernet. El Servidor

utilizado en planta Valdivia es el DELL Power Edge 2650

72

Figura 3.16: Servidor Dell Power Edge 2650.

Estaciones de Trabajo y Mantención: Las estaciones de trabajo que se utilizan

en la sala de operaciones de Planta Valdivia son de marca Dell modelo Optiplex

GX260 con monitores de 20”.

Figura 3.17: Estación de Trabajo existente en Sala de Operaciones.

3.6 Herramientas de Monitoreo y Diagnostico Disponibles en área de Licor.

En Planta Valdivia existen diversas herramientas para monitorear segmentos y

dispositivos de comunicación Fieldbus, algunas de estas nos permiten visualizar las formas de

onda y otros parámetros eléctricos, mientras que otras permiten realizar diagnósticos mas

avanzados, las herramientas que el área de licor cuenta son las siguientes:

73

3.6.1 Monitor de Redes Fieldbus FBT-3.

El monitor de redes se utiliza para comprobar el correcto funcionamiento de una red

Fieldbus sin la necesidad de intervenir el proceso de comunicación. El monitor es bastante

portátil (el tamaño de la palma de la mano) y no requiere baterías, ya que se energiza con la

energía que lleva el bus.

El monitor se debe conectar en paralelo con los terminales energizados de la FDU o

Instrumento y verificando la correcta polarización, luego de esto con el botón MODE se

selecciona el parámetro a monitorear. Las mediciones que nos entrega este monitor son eléctricas

y algunas otras relacionadas al estado de los dispositivos de la red.

MODO Medición a realizar

Power Muestra el Vcc de la red, si es mayor a 9 Vcc, indica OK.

LAS En caso de que haya actividad en la red el LAS debería estar enviando

tramas de prueba, el monitor muestra el Vpp de la señal de prueba.

Device Cuenta los Dispositivos Fieldbus activos en la red incluyendo el monitor y

el LAS.

LOW Muestra el nivel de la señal del dispositivo con la señal más débil, la

dirección del equipo en hexadecimal se muestra junto con la palabra LOW.

Las mediciones por sobre 150 mV están normal.

Noise Av El ruido se mide en el silencio entre tramas, se toman diez muestras y se

calcula el promedio, los promedios menores a 75 mV son normales.

Noise Pk Muestra el ruido peak grabado desde el inicio de la función. Mediciones

por debajo de 75 mV. Se consideran normales.

New Si un nuevo dispositivo se agrega, este deberá responder a la trama de

prueba enviada por el LAS. El monitor mide el nivel de la señal de

respuesta del dispositivo. Las mediciones mayores a 150 mV. Se

consideran normales y además se muestra en el display la dirección del

dispositivo en hexadecimal.

Tabla 3.3: Mediciones entregadas por FBT-3

74

En la siguiente figura 3.18 se muestra un Monitor FBT-3:

Figura 3.18: Monitor de redes FBT-3.

3.6.2 Osciloscopio Fluke 123.

El osciloscopio es el mejor Instrumento para la visualización grafica de formas de ondas

de señales eléctricas, en este caso el modelo Fluke 123 que posee el área de licor registra

mediciones hasta una frecuencia de 20 MHz. y además permite almacenar datos o eventos

registrados. Otra ventaja de este modelo de osciloscopio es el reducido tamaño y facilidad para

ser transportado. Al igual que el monitor FBT-3 el osciloscopio se conecta en paralelo a la FDU.

A continuación se muestra una figura del osciloscopio Fluke 123:

Figura 3.19: Osciloscopio Fluke 123.

75

3.6.3 Comunicador Fieldbus 375.

El comunicador Fieldbus 375 es un equipo portátil que permite configurar Dispositivos de

campo o realizar diagnósticos en redes con dispositivos HART o Fieldbus Foundation. Este

comunicador realiza la función de dispositivo Host y puede configurar un segmento Fieldbus de

calidad y detectar fallas ya sea en la Fuente de Alimentación, Terminadores, conductores,

dispositivos, etc.

El Comunicador 375 es una mejora del modelo anterior que es el 275 y las mejoras que

incluye con respecto a la versión anterior son la capacidad de visualizar los datos de los

dispositivos en forma de gráficos y curvas.

Figura 3.20: Comunicador Fieldbus 375.

Entre las ventajas que este comunicador posee destacan:

Soporta Seguridad Intrínseca.

Posibilidad de conexión a Internet para actualización de Software.

Utiliza la misma interfaz que el modelo anterior 275.

Capacidad de Configurar Dispositivos antes de incluirlos en el segmento.

76

CAPITULO IV PROBLEMAS DE COMUNICACIÓN EN SEGMENTOS FIELDBUS EN AREA LICOR CELULOSA ARAUCO Y CONSTITUCION S.A. PLANTA VALDIVIA. 4.1 Introducción.

Este capitulo es el principal dentro de este trabajo de titulación, sin duda los capítulos que

le anteceden explican el funcionamiento de una red Fieldbus Foundation, el origen de esta y

como se encuentra instalada en la Planta.

La metodología que se empleará en este trabajo contempla realizar estudios y pruebas

teóricas y practicas dentro del área para poder determinar con el mayor grado de exactitud posible

los problemas y las soluciones a los problemas de comunicaciones en segmentos Fieldbus en el

área de licor.

Para comenzar se explicará brevemente sobre los procedimientos para resolver fallas en

segmentos Fieldbus que se aplican en Planta Valdivia tanto para segmentos en operación como

segmentos fuera de servicio y además explicar sobre el procedimiento de medición de segmentos.

Posteriormente se analizará el funcionamiento normal de un segmento Fieldbus y los

factores que afectan a los problemas de comunicación para luego comenzar a realizar análisis en

laboratorio de segmentos Fieldbus con fallas provocadas intencionalmente y averiguar el

comportamiento de la comunicación en el segmento. Ademas en este capitulo se abordarán temas

preventivos a problemas de comunicación que puedan ocurrir en segmentos Fieldbus mediante un

“Mantenimiento Preventivo de Segmentos Fieldbus”.

Para finalizar se realizará la redacción de la guía de soluciones de fallas de

comunicaciones en segmentos Fieldbus.

77

4.2 Procedimientos para solucionar problemas en segmentos Fieldbus.

Para comenzar a explicar sobre los procedimientos utilizados para la revisión de

segmentos es necesario diferenciar dos condiciones diferentes en la operación de la planta.

Cuando nos referimos a la revisión de un segmento Fieldbus en Operación quiere decir que el

segmento Fieldbus esta bajo el control de personal de operaciones de la planta. Un segmento

Fieldbus se encuentra fuera de servicio cuando el segmento no esta operativo dentro del proceso

de producción. Para cada una de las condiciones descritas anteriormente los procedimientos

determinados por la Planta son diferentes y se especifican a continuación.

4.2.1 Solución a problemas de segmentos Fieldbus en fase de operación.

En el Sistema DCS de planta Valdivia continuamente se están monitoreando los diversos

dispositivos de campo que pertenecen a los procesos de operación de la Planta, en caso de que

algún dispositivo presente problemas de comunicación se activaran las alarmas en la pantalla

DCS y el operador utilizará las herramientas de diagnostico Fieldbus Foundation para verificar el

dispositivo con falla. En el caso de que no sea solo un dispositivo el que esta presentando falla y

sea un segmento Fieldbus completo el operador informará a personal de mantenimiento para que

revise el segmento Fieldbus en terreno. Finalmente el personal de mantención procede a realizar

una rutina con los procedimientos establecidos por la Superintendencia de electrocontrol. Una

vez detectada una falla de comunicación de un segmento Fieldbus, se deben realizar los

siguientes procedimientos para la resolución de problemas:

Identificar los equipos asociados a ese segmento.

Chequear si es necesario realizar uno o mas forzados en el segmento.

Llenar como corresponde el formulario de forzado 03.303.034.R1.

Identificar la ubicación en terreno del segmento con todos sus equipos.

Verificar si es necesario instalar andamios y/o plataformas para realizar la mantención.

Realizar mantención en terreno del segmento Fieldbus.

Quitar los forzados correspondientes.

Verificar el buen funcionamiento del segmento luego de la mantención.

78

4.2.1.1 Mantención en terreno de un segmento Fieldbus.

Instalar en cualquier FDU del segmento el osciloscopio y FBT-6 para luego analizar

formas de onda de osciloscopio y parámetros del FBT-6.

Reconocer falla mediante mediciones de osciloscopio y FBT-6 con guía de soluciones.

Realizar las acciones correspondientes para solucionar la falla del segmento.

Volver a medir con FBT-6 y osciloscopio si se ha solucionado el problema.

En caso de que no se haya solucionado el problema volver a ver guía de soluciones para

encontrar otra solución al problema.

En caso que sea necesario cambiar un dispositivo se debe contactar con el operador para

coordinar el cambio.

4.2.2 Solución de problemas de segmentos fuera de servicio.

Un segmento Fieldbus puede quedar fuera de servicio cuando personal de Operaciones así

lo determine o en el caso de encontrarse durante la época de Parada general de Planta. La Parada

general de planta ocurre una vez cada año en el mes de Abril y se realiza un Mantenimiento

General a la Planta aprovechando que las operaciones están detenidas en un 100%. Los

Procedimientos para resolver problemas en segmentos Fieldbus son los siguientes:

En Parada General de Planta se realiza una actividad llamada “Revisión de segmentos”,

esta actividad consiste en realizar mediciones a segmentos Fieldbus específicos y verificar

que los parámetros del bus estén dentro del estándar ISA-S50.02.

Una vez realizada la medición de los segmentos, los segmentos que no cumplan con los

parámetros requeridos serán evaluados aparte y se verificarán los componentes de la capa

física de igual manera como se realiza en operación normal.

Una vez finalizado de revisar y reparar los segmentos con falla, personal de

mantenimiento entrega los segmentos chequeados a personal de operaciones para que

ellos puedan poner en marcha la Planta después de una Parada General de Planta.

79

4.3 Medición de Segmentos.

En el punto anterior se mencionó una medición de segmento que se realiza en Paradas de

Planta. A continuación se realizará una breve descripción con los parámetros que se miden en el

conductor Fieldbus.

De acuerdo a la norma ISA-S50.02 el conductor Fieldbus por el cual circulará la señal

deberá cumplir con las siguientes características:

Impedancia a Frecuencia de trabajo de 31,25 KHz (fr) = 100Ω ± 20%.

Impedancia a Frecuencia de trabajo de 31,25 KHz (fr) = 100Ω ± 20%.

Atenuación Máxima en 39 KHz (1,25 fr) = 3 dB/Km.

Máxima Capacitancia no balanceada del blindaje = 2 nF/Km.

Resistencia CC máxima por conductor = 22 Ω/Km.

Retardo máximo de propagación entre 0.25 fr y 1,25 fr = 1,7 µs/Km.

Área seccional del conductor = 18 AWG.

Cobertura mínima del blindaje mayor o igual a = 90%.

Los parámetros anteriores son referenciales para un conductor y no son fáciles de medir,

aunque se asume que los conductores utilizados en Planta cumplen con estas características

porque los conductores de fabrican vienen con estas características especificadas.

Los Siguientes parámetros se deben medir con un Multitester, la medición y

comprobación de los valores establecidos garantizan una correcta transmisión de datos por el

conductor. Los parámetros a medir son los siguientes:

Características de Resistencia

Resistencia entre cable + y cable - > 50 KΩ Resistencia entre cable + y shield > 20 MΩ Resistencia entre cable - y shield > 20 MΩ Resistencia entre cable + y tierra servicio > 20 MΩ Resistencia entre cable - y tierra servicio > 20 MΩ Resistencia entre shield y tierra servicio > 20 MΩ

80

Características de Capacitancia Capacitancia entre cable + y cable - 1µF Capacitancia entre cable + y shield < 300 nF Capacitancia entre cable - y shield < 300 nF Capacitancia entre cable + y tierra servicio < 300 nF Capacitancia entre cable - y tierra servicio < 300 nF Capacitancia entre shield y tierra servicio < 300 nF

La medición de un segmento Fieldbus sirve para corroborar el buen estado de los

conductores de la capa física H1 de un segmento Fieldbus, en planta Valdivia existe un monitor

FBT-3 y un osciloscopio Fluke para realizar las mediciones de los parámetros eléctricos de la

línea.

Aunque en área de licor se utiliza un osciloscopio portátil, es necesario mencionar que

cuando se trabaje con osciloscopios de escritorio se debe considerar la capacitancia interna del

osciloscopio con respecto a la tierra, ya que la sonda del osciloscopio puede inducir ruido de

modo común al segmento debido a que el segmento también esta aterrizado a tierra.

La medición del segmento con el osciloscopio debe realizarse en el modo diferencial de

dos canales, de este modo se cancelará el ruido de modo común. Un ejemplo de cómo debe

realizarse una medición de segmento se ilustra en la figura 4.1.

81

Figura 4.1: Ejemplo de conexión de osciloscopio a segmento y forma de onda visualizada.

82

4.4 Funcionamiento normal de un segmento Fieldbus.

Para poder determinar fallas en un segmento Fieldbus será necesario primero conocer el

funcionamiento normal de un segmento Fieldbus a través de sus formas de onda. Una forma de

onda medida con un osciloscopio interpretada de forma correcta puede darnos información clara

de lo que ocurre en un segmento, en algunos casos esa información no es tan clara y es mas

difícil de interpretarla. Cuando uno revisa una forma de onda de un bus de datos en ella ve la

transmisión de diversos dispositivos en forma simultánea y es más difícil identificar la

transmisión de cada dispositivo dentro de la trama transmitida.

Como se muestra en la figura 4.2 la señal Fieldbus es una señal de corriente de ±10 mA.

Sobre una resistencia equivalente de 50 Ω de la combinación en paralelo de las resistencias de

100 Ω de los dos terminales, lo que genera una tensión de 1 Vpp. Se considera normal una señal

con amplitud de 150mVpp. Hasta 1 Vpp. Con una señal de ruido inferior a 75 mVpp.

Figura 4.2: Forma de onda de una señal Fieldbus normal.

83

Cuando una señal fieldbus es débil se pueden producir los siguientes efectos: perdida de

comunicación con los dispositivos, tiempos de comunicación relativamente largos y perdida de

información que pueden ocurrir por problemas en conexiones con el cable Fieldbus, puestas a

tierra y en terminadores o conexiones.

4.4.1 Análisis de una señal Fieldbus con problemas.

Para poder realizar la guía de soluciones a problemas Fieldbus debe ser necesario adquirir

conocimientos sobre las formas de ondas Fieldbus y las posibles anomalías que esta puede

presentar. La figura 4.3 muestra el ejemplo de una forma de onda Fieldbus identificando las

anomalías mencionadas.

Figura 4.3 Señal Fieldbus con distorsiones.

Ringing: Perturbación que altera la amplitud y periodo de tensión o corriente generando

ondulaciones ocasionadas por capacitancias e inductancias en circuitos electrónicos.

84

Jitter: Retardo de tiempo entre los datos enviados y recibidos en el bus de datos debido a

errores en la sincronización de las maquinas. Otra definición del efecto Jitter es la

desviación del punto de cruce cero ideal de la señal Fieldbus transmitida durante un bit

normal medida con respecto al punto de cruce cero previo.

Figura 4.4: Forma del Jitter en la Forma de Onda Fieldbus.

De la figura 4.4 obtenemos los siguientes puntos:

A: Evento de referencia, primer cruce por cero.

B: actual cruce de punto cero.

C: Jitter del bit, desviación del timing ideal.

D: Punto de cruce ideal por cero.

Las causas de la aparición del Jitter son las siguientes:

Crosstalk.

Interferencias Electromagnéticas.

Cierre de switches simultáneos.

Dependencia de dispositivos.

Mal cableado en la práctica.

85

Nota: El crosstalk es una interferencia por inducción que se genera entre dos o más segmentos o

circuitos próximos, su unidad de medida es el decibel.

Se considera que un valor normal de Jitter no debe exceder el 10% del tiempo de 1 bit,

como la taza de transmisión de Fieldbus Foundation es de 31.25 Kb/s, se tiene que:

Periodo = T = 1/Tasa de transmisión = 1/31.25*103 = 32 µs.

El 10% de 32 µs es 3.2 us. Por lo tanto el jitter no debe se superior a 3.2 us, sin embargo

el sistema también puede operar con un nivel de Jitter superior, pero con un reducido nivel de

inmunidad contra compatibilidad Electromagnética (EMC).

.

Transiente - Impulsos: Apertura o cierre de Interruptores de Potencia, Descargas

estáticas.

Ruido: Perturbación indeseada sobre una señal eléctrica a una frecuencia determinada, el

ruido puede presentar diversas características, un alto nivel de ruido puede causar

problemas con la comunicación.

Figura 4.5: Efecto de ruido en la comunicación Fieldbus.

86

De la figura 4.5 podemos mencionar los siguientes puntos que son:

A: Nivel de ruido.

B: Nivel de la señal.

Las posibles causas de ruido en una señal Fieldbus pueden ser las siguientes:

Cableado mal realizado / mal estado.

Shield mal conectado / mal aterrizado.

Fuente de alimentación no regulada.

Fuente de poder DC inyectando ruido al segmento.

Fuente de alimentación regulada Fieldbus Foundation inyectando ruido intermitente en el

bus.

Desbalance en CC: Otro efecto indeseable que puede aparecer en una señal Fieldbus

es el desbalance en cc. Desbalance en cc es el resultado de una conexión resistiva o

capacitiva entre los cables de comunicación Fieldbus y el shield. El desbalance en c.c.

puede causar tanto problemas de comunicación como perdida de estabilidad EMC y

puede ocurrir por las siguientes causas.

Instalación Incorrecta: Un ejemplo de una Instalación incorrecta se muestra en la.

Figura 4.6 donde en cada uno de los segmentos se ha conectado un equipo con el terminal

(-) al Shield, y el (-) a la tierra del Instrumento. La figura muestra el ejemplo mencionado

con las conexiones defectuosas.

87

Figura 4.6: Ejemplo de Instalación Fieldbus incorrecta.

Influencia de un Dispositivo: con el fin de incrementar la estabilidad EMC algunos

fabricantes modifican los dispositivos Fieldbus con conexiones capacitivas asimétricas

entre los cables de datos y el Shield.

Cableado dañado: Un cable dañado por agentes externos puede ser la causa a un

desbalance de cc. si existe un corto circuito entre los cables de datos (+) o (-) y el Shield.

88

4.4.2 Recomendaciones para realizar mediciones en Laboratorio.

Utilizar un osciloscopio aislado de tierra, para evitar conectar el terminal (-) del

osciloscopio a tierra, aunque a simple vista esta condición no alteraría las mediciones, si

puede agregar ruido al segmento. Se aconseja utilizar un osciloscopio con batería para

evitar estar energizado a la red eléctrica con 50 Hz. Y evitar ruido en baja frecuencia al

segmento. El osciloscopio utilizado en planta es el Fluke 123 y cumple con las

recomendaciones mencionadas.

Al momento de visualizar una forma de onda y/o captura, ajustar el osciloscopio con una

escala de tiempo de 50us/div y escala de amplitud de 200 mV/div.

Utilizar Osciloscopio con sondas que no introduzcan ruido al segmento. En el caso de que

se este realizando una medición de un segmento con una sonda no adecuada se puede

visualizar un incremento en el ruido en baja Frecuencia. A continuación la figura 4.7

muestra una forma de onda capturada con una sonda apropiada, mientras que en la figura

4.8 esta la misma señal pero tomada con una sonda inadecuada. Al hablar de sonda

inadecuada no se refiere solo a la sonda sino que también a los terminales de la sonda.

Fig. 4.7: FDO con sonda adecuada. Fig. 4.8: FDO con sonda inadecuada.

89

4.4.3 Factores que influyen en las fallas de comunicación de segmentos Fieldbus.

Para poder llegar a encontrar solución a los problemas que se generan primero será

necesario identificar las causas de los problemas de comunicación en segmento Fieldbus, estos

pueden deberse a problemas de montaje o instalación, condiciones ambientales, cambios

recientes en la capa física de un segmento Fieldbus, etc. Mientras más factores de riesgo de

problemas se identifiquen más fáciles será encontrar las soluciones a los problemas que se han

presentado y se seguirán presentando en el futuro. A continuación se realizará un inventario con

las principales causas de problemas Fieldbus detectados en el área de licor.

Factores Ambientales: Debido a la ubicación física de algunos dispositivos

Fieldbus, las instalaciones tanto del dispositivo como del segmento se verán

expuestas a las condiciones ambientales que les rodean. En las áreas de

Caustificación, Horno de Cal y Evaporadores las instalaciones Fieldbus están mas

propensos a sufrir problemas por encontrase gran cantidad de equipos a la

intemperie. En las áreas de Calderas, Compresores y turbogeneradores que son

lugares cubiertos bajo techo pero expuestos a altas temperaturas, vapores de alta y

baja presión.

Problemas en Instalaciones: Cuando los segmentos Fieldbus se instalaron en el

área de licor se verificaron de que el cableado, terminales, conexiones e

instalaciones físicas de los dispositivos Fieldbus cumpliera con la norma IEC

11158-2 que garantiza un correcto funcionamiento. Con el paso del tiempo puede

ocurrir que las instalaciones no estén en las mismas condiciones que cuando se

instalaron y causen problemas en el segmento. Un ejemplo de esto puede ser una

conexión que con el tiempo se haya soltado o un conductor que este demasiado

tenso. La mayoría de estos efectos se produce por reiteradas intervenciones en

instalaciones Fieldbus o simplemente el paso del tiempo ha modificado las

propiedades de los materiales.

90

Desperfectos en Dispositivos: Otro gran porcentaje de las fallas en segmentos

Fieldbus se debe a problemas que ocurren directamente en los dispositivos de

campo y alteran la señal que transmite el bus de datos, alterando las

comunicaciones de todo el segmento. Un ejemplo de esto puede ser un Transmisor

de Presión que este con falla y junto a el existen 11 dispositivos mas en el

segmento, entonces ocurrirá que la señal de ese transmisor se verá reflejada en la

trama Fieldbus enviada hacia DCS.

4.5 Análisis de fallas en segmentos Fieldbus en área Electrocontrol Licor.

La primera parte de este trabajo consiste en realizar pruebas en laboratorio y realizar

mediciones a segmentos para ver el comportamiento de acuerdo a los problemas generados.

4.5.1 Segmento instalado en laboratorio con sistema DCS.

Existe en Planta un laboratorio con un sistema DCS en el Taller eléctrico utilizado para

calibrar Instrumentos, el laboratorio cuenta con solo 1 segmento Fieldbus capaz de conectar hasta

12 dispositivos en total. El esquema del sistema del laboratorio es de características idénticas a

los utilizados en la planta en cuanto a los equipos, solo que reducido a una menor cantidad de

dispositivos. El esquema del segmento con el sistema DCS instalado en laboratorio es el

siguiente. Véase figura 4.9.

Para montar este segmento se utilizaron dos tipos de FDU, una Turck y una Stonel con el

fin de determinar el comportamiento de cada una de ellas ante las diversas fallas a provocar en el

sistema. Otro punto importante a considerar fue el de cumplir con todas las normas del estándar

Fieldbus establecidas en planta y mencionadas anteriormente que tienen relación con el Shield,

conexión a tierra, armadura, etc.

91

Figura 4.9: Esquema de segmento instalado en laboratorio.

4.5.2 Dispositivos a utilizar en las pruebas de laboratorio.

Los dispositivos a utilizar en las pruebas serán 7 y representan un 80 % a la

Instrumentación total del área de Licor. Véase Tabla 4.1.

Dispositivo Aplicación

Transmisor ABB 600T series Transmisor de nivel o presión,

dependiendo de la configuración.

Transmisor ABB 2600T series Transmisor de nivel o presión,

dependiendo de la configuración.

Posicionador Metso ND 9000 Posicionador para Actuadores Neles.

Posicionador Metso ND 800 Posicionador para Actuadores Neles.

Transmisor Rosemount 3244 Transmisor de Temperatura.

Transmisor Rosemount 5081C Transmisor de Conductividad.

Transmisor Rosemount 8742C Transmisor de Flujo.

Tabla 4.1: Instrumentación a utilizar en pruebas de laboratorio.

Las imágenes 4.10 y 4.11 corresponden a las FDU instaladas en el laboratorio donde se

realizarán las pruebas.

92

Figura 4.10: FDU Turck. Figura 4.11: FDU Stonel.

Una vez instalado el segmento y los equipos comisionados se utilizó el osciloscopio para

ver la forma de onda del segmento y se obtuvieron las imágenes 4.12 y 4.13.

Fig. 4.12: Forma de onda a 50ms/div. Fig. 4.13: Forma de onda a 500 µs/div.

En la figura 4.12 se puede ver que la comunicación es periódica y se pueden ver varios

peaks de amplitud en la trama, que corresponden a los distintos dispositivos. El efecto que se ve

en la figura 4.13 al terminar de transmitir un Instrumento es normal y corresponde al limitador de

93

final, mientras mas disminuya la escala de tiempo mejor se notará el limitador de final, como se

ve en las imágenes 4.14 y 4.15.

Fig.4.14: Forma de onda a 100 µs/div. Fig. 4.15: Forma de onda a 20 µs/div.

4.6 Pruebas a realizar en laboratorio con segmento Fieldbus.

En esta parte del trabajo se realizaran diversas pruebas las cuales consistirán en provocar

fallas tanto en los equipos como en el segmento Fieldbus y se analizarán la Forma de onda del

osciloscopio, parámetros del FBT-6 y el sistema DeltaV. Luego de analizar los resultados de cada

prueba y obtener las conclusiones se redactará la guía de soluciones que se anexará a este trabajo

de titulación.

4.6.1 Transmisor ABB conectado en un segmento sin falla.

La primera prueba consistió en conectar un transmisor de presión ABB serie 600 al

segmento del laboratorio y ver la forma de onda con que este transmitía, se utilizó un

osciloscopio Fluke 123 y la primera forma de onda captada fue la siguiente. (Véase Figura 4.16):

94

Figura 4.16: Señal Fieldbus capturada con osciloscopio.

En la figura se pueden apreciar la trama Fieldbus transmitida, un detalle que cabe destacar

es la aparición de dos amplitudes distintas en la señal, esto se debe a que existe el Transmisor

ABB que transmite a una amplitud cercana a los 800 mV. Mientras que la señal de mayor

amplitud (1.33 Vpeak) corresponde a la señal del LAS que corresponde a la señal que proviene

de la tarjeta H1. Luego se modificó la escala de tiempo en el osciloscopio para ver con más

detalle la forma de onda de la señal del transmisor y la imagen capturada se ve en la Figura 4.17

Figura 4.17: Señal Fieldbus a una escala de tiempo de 50us/div.

En la figura 4.17 se puede apreciar la forma de una señal Fieldbus con su forma cuadrada,

amplitud constante y dentro del rango permitido, por lo cual se considera una señal Fieldbus

normal. Posteriormente se conecto el FBT-6 como se muestra en la figura para realizar

95

mediciones en el segmento y analizar los parámetros que nos entrega el FBT-6, los cuales fueron

los siguientes.

Figura 4.18: FBT-6 con Transmisor ABB. Figura 4.19: Osciloscopio Fluke 123.

Las figuras 4.18 y 4.19 son un ejemplo de cómo se conectaron los equipos de medición en

el segmento.

Parámetros Medidas

Voltaje 18.5 V.

Peak FF noise 5 mV.

AVG FF noise 3 mV.

Wiring OK

Retransmit None

Add or drope None

Device 16 (10H) 820 mV. LAS (OK)

Device 32 (20H) 1200 mV. (OK)

Low: 803 mV Addr: 16 (10H)

Device Count 2

Tabla 4.2: Valores entregados por el FBT-6

96

4.6.2 Pruebas de problemas con Terminadores.

Como se mencionó anteriormente un terminador se compone de una resistencia de 1 µF

en serie con una resistencia de 100 Ω, lo cual genera una impedancia de alrededor de 100 Ω, en

un segmento Fieldbus se deben colocar un terminador en cada extremo en paralelo al bus. En el

caso de que existe uno o más de dos terminadores en la línea, se producirá un cambio en la

impedancia de la línea y a la vez un cambio en la señal Fieldbus transmitida.

Como estimación teórica se tiene que en el caso de que se quite un terminador del

segmento la impedancia del segmento va a aumentar y de acuerdo a la ley de Ohm V= I*R si R

aumenta también lo hará la amplitud del voltaje sobre el bus. Para el caso contrario donde se

agregue un terminador extra la impedancia disminuirá y la amplitud del voltaje disminuirá

también.

En el segmento instalado en el laboratorio existen dos terminadores, uno de ellos

esta en la FDU Turck y se activa mediante un switch, mientras que el otro terminador se

encuentra en la fuente alimentadora de lazo MTL 5095, también activada mediante un switch.

La primera falla que se realizó fue la de quitar un terminador al segmento moviendo el

switch de terminador de la FDU Turck a la posición OFF, la forma de onda que se generó se

puede ver en las siguientes imágenes 4.20 y 4.21

La escala del osciloscopio quedó fuera de rango, pero al cambiar la escala de la amplitud

se comprobó que la señal alcanzo los 1.6 Vpp. Por lo tanto la estimación teórica que se tenia de

que la amplitud de la señal aumentaría se ha demostrado con la prueba realizada.

97

Figuras 4.20 y 4.21: Forma de Onda de Segmento instalado con 1 terminador

Luego se procedió a agregar un terminador extra al segmento, para lograr esta condición

se agregará un terminador extra al segmento en la FDU Stonel, la forma de onda de la señal

obtenida se puede ver en la figura 4.22.

Figura 4.22: Forma de Onda de Segmento con dos terminadores.

La señal anterior posee una amplitud menor que la señal con los dos terminadores, aunque

el estándar Fieldbus considera buena una señal con amplitud mayor a 300 mV. Además la señal

no presentó niveles de ruido alto ni retransmisiones, por lo cual no se detectó como falla.

98

4.6.3 Pruebas de corto circuito en el segmento.

Otra prueba a realizar es analizar el comportamiento del segmento frente a un

cortocircuito, esta prueba se realizará con los Instrumentos detallados anteriormente y la prueba

en si consistirá en cortocircuitar los terminales de los dispositivos y del cable troncal en las FDUs

para analizar las formas de ondas de la señal y los tiempos que duran las perturbaciones.

La primera falla consistió en cortocircuitar los terminales del troncal de la FDU Turck

para ver el comportamiento del segmento ante esta falla, primeramente en el Sistema DeltaV se

perdió la comunicación con todos los dispositivos y al visualizar la forma de onda no se veía

ninguna señal, tal como se muestra en la siguiente Figura 4.23. La razón por la cual se visualizo

esta forma de onda es porque se activo una protección de la fuente alimentadora de lazo, ya que

la FDU turck no posee protección contra corto circuito en el troncal.

Figura 4.23: Forma de onda con corto circuito en troncal.

Después que finalizó el corto circuito se pudo ver que en el Sistema DeltaV todos los

dispositivos habían vuelto a su estado normal, excepto los posicionadores ND 9000 y ND 800,

los cuales continuaron en estado de “Desconocido” y el sistema no fue capaz de reconocer si

estaba comisionado o no comisionado. Fue necesario desconectar la energía de los posicionador

ND 9000 y ND 800 para que cambien a estado Not Attached, luego se conecto la energía y sus

estados volvieron a Comissioned.

99

Posteriormente se realizó la misma prueba pero con un corto circuito por un período de 10

segundos en la misma FDU Turck, pero en el puerto donde se encontraba el posicionador ND

9000, los resultados para este caso fueron que se perdió la comunicación con todos los

dispositivos del segmento y luego de finalizar el corto circuito todos los dispositivos volvieron a

comunicarse con el sistema DCS. Al revisar las estadísticas se pudo ver que solamente dos

dispositivos presentaron retransmisiones, el Transmisor de Temperatura (1) y el Posicionador ND

9000 (257).

La siguiente prueba a realizar fue analizar el comportamiento del segmento ante un corto

circuito en un dispositivo, en este caso corresponde al Transmisor de Presión ABB 2600, el corto

circuito se originó por un tiempo de 10 segundos y ocurrió que los dispositivos que presentaron

problemas fueron los dos transmisores de presión ABB y el transmisor de flujo, los cuales

volvieron a su estado normal luego del corto circuito. Al revisar las estadísticas en el sistema

DeltaV no se encontraron retransmisiones. Luego se repitió la misma prueba realizada

anteriormente, pero en este caso el corto circuito duró 20 segundos, en este caso todos los

Instrumentos de las FDU 2 y FDU 1 perdieron la comunicación, A pesar que el corto circuito se

realizó en el transmisor ABB 2600 en la FDU 3, los primeros dispositivos en perder

comunicación fueron los de la FDU Stonel y luego los de la FDU 3 Turck, mientras que los

dispositivos de la FDU 1 no sufrieron perdida de comunicación.

Luego se realizó la misma prueba del corto circuito en el troncal pero en la FDU 2 Stonel,

en este caso el segmento completo no perdió la comunicación total, solo lo hicieron los

dispositivos de la FDU 1 y FDU 3, mientras que de la FDU Stonel solo perdió comunicación el

Transmisor de Flujo.

Como conclusión se tiene que al realizar un corto circuito en el puerto de un troncal para

una FDU Turck se perderán todas las comunicaciones con el segmento, mientras que si se realiza

el mismo corto circuito en una FDU Stonel los equipos van quedando fueran de uno en uno

dependiendo de la duración del corto circuito. Para el caso de un corto circuito en un dispositivo

el segmento primero pierden la comunicación los dispositivos que se encuentran en las otras FDU

y dependiendo de la duración del corto circuito alcanza a dejar fuera el segmento completo.

100

4.6.4 Pruebas con Shield sin aterrizar.

Con esta prueba se pretende verificar el efecto que se produce en la forma de onda del

segmento cuando el Shield de un conductor no se aterriza a tierra en ningún punto. Primero se

realizó la desconexión del cable Shield del Instrumento en la FDU para visualizar algún cambio

en la forma de onda del segmento. Para cada dispositivo se realizó la desconexión del shield, pero

solo 3 de ellos presentaron un peak de ruido en baja Frecuencia, los cuales fueron el Transmisor

de Conductividad con 206 mV y el transmisor ABB 2600 con 151 mV. A continuación se

muestra la forma de onda de la señal normal (Figura 4.24) y de la señal con el transmisor de

conductividad sin Shield conectado (Figura 4.25).

Figura 4.24: FDO normal Figura 4.25: FDO Tx Conductividad sin Shield

Luego se procedió a desconectar el cable Shield que conecta todas las FDU a la entrada

del segmento y se registraron las siguientes formas de onda. En esas imágenes se puede ver que

la forma de onda de la señal pasó de ser plana y comenzó a presentar curvas hacia el interior tanto

para los peaks de niveles alto como para los bajos (véase Imágenes 4.26 y 4.27). Al conectar el

FBT-6 se detectó un peak de 168 mV en baja Frecuencia.

101

Figura 4.26: Segmento Fieldbus sin Shield Figura 4.27: Segmento Fieldbus sin Shield

4.6.5 Pruebas con dispositivos en mal estado.

Al realizar pruebas con dispositivos en mal estado, se podrá tener una referencia de cómo

se comporta el segmento ante fallas del Hardware de un dispositivo y no de los componentes y/o

cableado que asocian a ese dispositivo y al segmento.

Buscando en el laboratorio de Instrumentación se encuentran diversos dispositivos

Fieldbus en mal estado, en este caso se realizaron pruebas con dos de ellos, un Transmisor de

Presión ABB y un Transmisor de presión Rosemount, físicamente el transmisor ABB se

encontraba en buenas condiciones, mientras que el Rosemount presentaba signos de cal, sulfato y

corrosión. Ambos dispositivos se pueden ver en las imágenes 4.28 y 4.29

Al conectar el trasmisor ABB se pudo comisionar pero el bloque Transducer se

encontraba fuera de servicio y no pudo salir de esa condición, al conectar el osciloscopio y FBT-6

al segmento no se detectó nada anormal.

Al conectar el transmisor Rosemount los bloques de función arrojaron diversas alarmas de

mantenimiento y falla pero la forma de onda no presentó anomalía.

102

Figura 4.28: Tx ABB en mal estado. Figura 4.29: Tx Rosemount en mal estado.

Como conclusión se tiene que un dispositivo Fieldbus cuando falla, falla la parte de

control o sensor del equipo, porque la parte de las comunicaciones no presentan problemas. Otro

punto a considerar es que la mayoría de las veces en planta Valdivia cuando se cambian

dispositivos es por falla en la medición de variable del proceso y no por problemas en la

comunicación.

4.6.6 Pruebas con cableado que no cumple estándar.

Al realizar una medición del segmento se esta chequeando que el cableado cumpla con

ciertas características en cuanto a la Capacitancia y Resistencia del cable entre el positivo,

negativo y Shield del cable. Para poder representar un cable que no cumpla con el estándar de

Fieldbus se deberá alterar los parámetros del cable agregando Condensadores y resistencias de

acuerdo a la condición requerida.

103

Como ya se conocen los valores normales de capacitancia y resistencia de un segmento

Fieldbus, se le agregaran los Condensadores y resistencias de acuerdo a la siguiente tabla y

posteriormente se medirá el segmento de prueba para saber si al alterar la resistencia y

capacitancia de un solo parámetro a medir afecta a las otras mediciones a realizar.

Para el caso de la medición de la resistencia entre (+) y (-) se debe considerar que el valor

de la resistencia medida con el multitester irá incrementándose debido al condensador del

terminador que se irá cargando y la capacitancia del Cable Fieldbus.

Para el caso de la capacitancia del segmento se realizará el mismo paso que se utilizó para

la resistencia y los resultados se muestran en la tabla 4.3.

Parámetro Medición Valor ideal

Resistencia entre cable + y cable – 430 KΩ > 50 KΩ

Resistencia entre cable + y shield OL > 20 MΩ

Resistencia entre cable - y shield OL > 20 MΩ

Resistencia entre cable + y tierra servicio OL > 20 MΩ

Resistencia entre cable - y tierra servicio OL > 20 MΩ

Resistencia entre shield y tierra servicio OL > 20 MΩ

Capacitancia entre cable + y cable – 0.9 uF 1µF

Capacitancia entre cable + y shield 20 nF < 300 nF

Capacitancia entre cable - y shield 20 nF < 300 nF

Capacitancia entre cable + y tierra servicio 20 nF < 300 nF

Capacitancia entre cable - y tierra servicio 20 nF < 300 nF

Capacitancia entre shield y tierra servicio 20 nF < 300 nF

Tabla 4.3: Valores obtenidos de la medición del segmento

Una vez que se midió la capacitancia y la resistencia del segmento, se procedió a simular

el efecto de un cable que no cumple con el estándar. Lo primero que se hizo fue instalar un

104

Condensador de 1 uF en los terminales (+) y (-) del transmisor de Presión ABB 2600. A

continuación se muestran las formas de onda correspondientes obtenidas con el osciloscopio.

En la figura 4.30 se ve la señal Fieldbus normal, sin ningún elemento agregado

Figura 4.30: Señal Fieldbus normal sin condensadores extra.

.

Figura 4.31: Señal Fieldbus con C 1uF entre (+) y (-).

105

En la figura 4.31 se ve lo que ocurrió con la forma de onda del mismo Transmisor

agregándole un condensador, esta vez de 1 uF, por lo que se aprecia en la figura se ve que la

amplitud disminuyó bastante y la forma de onda se volvía triangular, esto quiere decir que el

Condensador creo un efecto similar a un Integrador.

Luego se procedió a conectar el mismo condensador de 1 uF en otra FDU del segmento

(marca Stonel), pero inmediatamente se activó el LED de DROP el cual corresponde a

desconexión del puerto de la FDU.

Luego el mismo Condensador de 1 uF se colocó en un cable Troncal, para simular la falla

de un troncal y se obtuvieron las siguientes formas de onda. (Véase imágenes 4.32 y 4.33)

Figura 4.32: Señal desde el troncal sin C 1uF Figura 4.33: Señal con C 1uF entre (+) y (-)

En la segunda figura se ve que la señal también se volvió triangular pero con amplitud

menor con respecto al caso de la forma de onda sin el Condensador de 1 uF. Además se pudo

comprobar que en el FBT-6 el LAS presentó 6 retransmisiones.

Otro dato a considerar fue que en el sistema Deltav se perdió la comunicación con todos

los dispositivos durante el tiempo que el Condensador estuvo conectado al cable troncal Fieldbus.

106

Para los casos en que el condensador de 1 uF se conectó entre (+) con Shield y (-) con

Shield, las formas de ondas no variaron con respecto a la original sin Condensador agregado.

Véase las próximas dos imágenes (4.34 y 4.35).

Figura 4.34: Señal con C 1 uF entre (+) y Sh Figura 4.35: Señal con C 1uF entre (-) y Sh

Como conclusión, un aumento en la capacitancia en el cableado del segmento generará el

efecto de un integrador en el segmento y la forma de onda quedará triangular en vez de cuadrada.

Luego de realizar las pruebas con las capacitancia, se observo que en el Sistema DeltaV el

Posicionador Metso ND 9000, el cual estaba mas cercano al lugar donde se había agregado el

Condensador fue el único dispositivo que presento retransmisiones (46) de todos los dispositivos

del segmento.

Las últimas pruebas se realizarán con unos condensadores de 100 nF y 300 nF para

comprobar las formas de onda en el cable troncal y en un spur o cable a Instrumento.

A continuación se muestran las formas de onda del segmento sin Condensador extra de

100 nF y con condensador de 100 nF (imágenes 4.36 y 4.37). Además de utilizar el osciloscopio

para visualizar el segmento se utilizó el FBT-6 para ver si algún parámetro estaba alterado, pero

los niveles de ruido medidos con el FBT6 estaban normales (LF= 17 mV, FF= 0mV, HF= 0mV).

107

Figura 4.36: Señal normal Figura 4.37: Señal con Condensador de 100 nF

La siguiente figura 4.38 muestra la forma de onda del segmento con un condensador extra

de 300 nF, al compararla con la figura anterior se puede ver que el periodo se duplicó

aproximadamente. Al conectar el FBT-6 se notó que no existían niveles de ruido alto (LF= 12

mV, FF= 4mV, HF= 3mV), el parámetro anormal que si existía eran las retransmisiones que

estaba registrando el dispositivo 235 que corresponde al Transmisor de Flujo llegando a un total

de 214 durante el periodo que el condensador estuvo presente en el segmento. Posteriormente se

revisó el historial del sistema DeltaV y se detectó que el Transmisor de flujo y el transmisor de

temperatura habían perdido y recuperado la comunicación durante el instante en que el

Condensador estuvo presente.

Figura 4.38: Señal con condensador de 300 nF

108

Luego se realizó una prueba agregando una resistencia en paralelo al cable (+) y (-) del

troncal para simular el efecto de un cable Fieldbus que no cumple con los parámetros de

resistencia, como ya se había medido el segmento con anterioridad se determinó que la

resistencia entre (+) y (-) era de 430 KΩ.

Al agregarle una resistencia de 1 KΩ en paralelo al cable la resistencia resultante será de

997Ω. Mientras que si se le agrega una resistencia de 1 MΩ la resultante será de 300 KΩ. Por lo

tanto al agregarle una resistencia de 1 KΩ se generará una resistencia del cable que estará por

debajo de los 50 KΩ, el cual es el valor mínimo permitido.

Al realizar la prueba agregando la resistencia de 50 KΩ por sorpresa no se vio ningún

cambio en la forma de onda del segmento ni tampoco el FBT-6 arrojo algún parámetro alterado.

4.6.7 Pruebas con Instrumento no aterrizado a tierra.

Esta prueba se realizará para analizar la importancia de la conexión a tierra de los

Dispositivos Fieldbus y ver como se comporta la forma de onda con esta anomalía.

En el momento en que los Instrumentos se estaban conectando a tierra se pudo ver que al

conectar el cable de tierra al Transmisor de Flujo Rosemount 8742C se produjo un arco eléctrico,

por lo que se supuso que el Instrumento estaba produciendo una descarga de corriente eléctrica a

tierra. Para el resto de los Instrumentos no hubo problemas al conectarlos a tierra.

A continuación se muestra la figura 4.39 capturada con los Instrumentos conectados a

tierra.

109

Figura 4.39: F.D.O. con Instrumentos conectados a tierra.

Como se mencionó anteriormente se detectó que el Transmisor de Flujo estaba con

problemas de descarga a tierra por lo cual fue el primer Instrumento en quitarle la conexión a

tierra, la forma de onda que se obtuvo fue la siguiente.

En la figura 4.40 se puede apreciar que la forma de onda no varió aunque se detectó un

pequeño ruido en la forma de onda, el cual se encuentra destacado en un círculo de color rojo.

Figura 4.40: Transmisor de flujo sin conexión a tierra.

110

Posteriormente se volvieron a realizar mediciones con el transmisor de flujo sin

conectarse a tierra y las formas de onda fueron las siguientes (Véase Imágenes 4.41 y 4.42).

Figuras 4.41 y 4.42: Transmisor de flujo sin conexión a tierra

Como se puede ver en las imágenes anteriores el nivel de ruido aumentó con el tiempo,

incluso se presentó ruido en un instante en que no existían dispositivos transmitiendo. Luego se

les desconectó la conexión a tierra al resto de los dispositivos y se conectó a tierra el Transmisor

de flujo, se obtuvo la siguiente FDO de la figura 4.43.

Figura 4.43: Forma de onda con Transmisor de Flujo conectado a tierra.

111

En este caso la forma de onda que se obtuvo paso de ser cuadrada a trapezoidal, debido a

que el nivel de Jitter aumentó, aunque de acuerdo a las especificaciones de Fieldbus Foundation

una señal trapezoidal se considera como normal.

Además al conectar el FBT-6 en el segmento se registró un alto nivel peak de ruido en

baja Frecuencia (192 mV) aunque el promedio del ruido en baja frecuencia estaba normal (22

mV). La razón de dicho efecto es que al conectar la energía eléctrica de 220 Vac al transmisor de

flujo se produjo un transiente que duro solo un segundo y genero solo un peak de ruido.

Como conclusión se obtiene que los elementos energizados con 220 Vac tales como

Transmisores de Flujo presentan un bajo nivel de ruido en la forma de onda de la señal cuando se

están conectados a tierra, mientras que en el resto de los dispositivos ante este tipo de anomalía la

señal no presenta ruido.

4.6.8 Shield haciendo contacto con carcaza metálica del Instrumento

Para realizar esta prueba se procedió a quitar la aislación del Shield para dejarla

intencionalmente haciendo contacto con la carcaza metálica del Instrumento. A cada Instrumento

se le realizó la misma prueba para detectar alguna anomalía en la forma de onda, pero no se

detectó ninguna gran anomalía en los Instrumentos, los parámetros del FBT-6 estaban correctos,

la única diferencia mayor se vio en la forma de onda para el transmisor de flujo en la figura 4.45

comparada con la forma de onda normal en la figura 4.44.

112

Figura 4.44: Forma de onda normal Figura 4.45: FDO de Tx. De flujo

4.6.9 Cables de bus de datos haciendo contacto con la carcaza metálica del Instrumento.

Esta prueba tiene bastante semejanza con la anterior, pero la diferencia es que para este

caso los conductores (+) y (-) serán colocando intencionalmente haciendo contacto con la

carcaza metálica del Instrumento.

Primero se colocó intencionalmente un puente entre el cable de datos (+) y la carcaza del

Instrumento (Transmisor de Conductividad) para simular un corte en el cable del instrumento y

que haga contacto con la carcaza del Instrumento a tierra. Los resultados fueron que todos los

dispositivos comenzaron a presentar retransmisiones y además se produjo un peak de ruido de

838 mV en baja frecuencia, un valor muy lejano a los 150 mV de límite aceptado por el FBT-6.

Sin embargo el ruido promedio en baja frecuencia se mantuvo en un nivel normal de 22 mV,

debido a que el instante donde se produjo el peak fue corto en comparación con el tiempo total de

la medición.

113

Con el mismo FBT-6 se registraron que casi todos los dispositivos presentaban

retransmisiones como se indica a continuación.

Transmisor ABB 2600: 2

Transmisor Rosemount 3244: 4

Posicionador ND 9000: 3



Transmisor de Flujo Rosemount 8742: 1

Transmisor de Conductividad 5081C: 8

LAS: 4

De acuerdo a los resultados mostrados anteriormente se puede observar que el transmisor

5081C, al cual se le produjo la falla fue el que más retransmisiones tuvo. Luego se realizó la

misma prueba, pero con el cable (-) haciendo contacto con la carcaza metálica, el resultado fue el

siguiente:

Se detectó un ruido peak en baja frecuencia de 1211 mV, pero esta vez solo

retransmitió el Transmisor de conductividad 8 veces, mientras que el transmisor de

flujo y el LAS tuvieron solo 1 y 9 retransmisiones respectivamente. A diferencia

del caso anterior con el cable (+) se presentaron retransmisiones en menos

dispositivos, pero el dispositivo con problemas presentó mas que en la prueba

anterior.

Se repitió la misma prueba para el transmisor de presión ABB 600 con cable (-)

haciendo contacto con la carcaza del Instrumento y se obtuvo un nivel peak de

ruido en baja frecuencia de 178 mV, mientras que el Transmisor ABB 600

presentó 5 retransmisiones y el LAS 3.

114

Ahora se repitió la misma prueba pero con el cable (+) haciendo contacto con la

carcaza. Y se obtuvo un peak de ruido en baja frecuencia de 648 mV. Las

retransmisiones de los dispositivos se muestran a continuación.


Transmisor Rosemount 3244: 2




Transmisor de Flujo Rosemount 8742: 3

Transmisor de Conductividad 5081C: 1

LAS: 2

Como conclusión se tiene que en el instante en que el Cable (+) del Instrumento hace

contacto con la carcaza se produce un alto peak de ruido en baja frecuencia y posteriormente

todos los dispositivos comienzan a retransmitir, pero el que mas retransmisiones presenta es el

dispositivo donde se genera la falla. Para el caso de un contacto entre (-) del Instrumento y la

carcaza metálica se tiene que los únicos dispositivos retransmitiendo son el Dispositivo con falla

y el LAS. Además se pudo ver que posteriormente al peak de ruido, no se generó otro peak de

ruido adicional y los dispositivos dejaron de retransmitir.

4.6.10 Cable de bus de datos haciendo contacto con Shield.

Para realizar esta prueba intencionalmente se dejó el cable shield haciendo contacto con el

terminal (-) y posteriormente (+) del cable de datos.

Esta prueba se realizó en varios Instrumentos para ver si existe alguna diferencia entre la

inmunidad al ruido de cada Instrumento. Primero se registro la forma de onda inicial sin ninguna

falla del cable Shield, la captura fue la siguiente (figura 4.46)

115

Figura 4.46: Forma de onda normal del segmento.

A continuación se muestran las formas de onda para el transmisor de temperatura 3244

con Shield haciendo contacto con Cables (-) y (+) respectivamente. (Imágenes 4.47 y 4.48)

Figura 4.47: Shield conectado a (-) Figura 4.48: Shield conectado a (+)

Formas de onda para el transmisor ABB 2600 (Imágenes 4.49 y 4.50)

116


Para el Transmisor de flujo (Imágenes 4.51 y 4.52)


Para el transmisor de Conductividad (Imágenes 4.53 y 4.54)

117


Como conclusión se puede obtener que el cable Shield haciendo contacto con un terminal

(+) o (-) de un Instrumento aumenta la amplitud de la señal en forma de ruido, pero la forma de

onda del segmento sigue teniendo la misma forma. Al conectar el FBT-6 al segmento no se

encontraron niveles de ruido altos, por lo cual el FBT-6 no es capaz de detectar si el cable Shield

esta haciendo contacto con alguno de los conductores (+) o (-) del cable Fieldbus. Según las

formas de onda los instrumentos que mas ruido inyectaron a la señal fueron los Transmisores

ABB 2600, 600 y Transmisor de Flujo.

4.6.11 Interferencia Electromagnética.

Con el fin de comprobar la inmunidad a la interferencia electromagnética de un segmento

Fieldbus se conectará un motor de 220 Vcc en las cercanías al segmento Fieldbus y se analizará

los efectos de este sobre la forma de onda de la comunicación. Adicionalmente se realizará una

prueba generando un campo electromagnético alrededor del cable Fieldbus, para esto se enrollará

un conductor de cobre conectado a la red eléctrica de 220 Vac generando el efecto de una bobina

sobre la superficie del cable Fieldbus, en serie al conductor de cobre se conectarán resistencias de

varios valores para varia la intensidad del campo electromagnético. La imagen que se muestra a

continuación nos muestra un ejemplo de cómo se instaló el cable Fieldbus en el laboratorio.

118

Figura 4.55: Distintos tipos de zonas para el cable Fieldbus.

De acuerdo a la imagen anterior se tiene que existen 3 diferentes zonas por las cuales se

enrollará la bobina y se visualizarán las formas de onda de la señal Fieldbus para ver que efecto

produce la bobina implementada en las distintas zonas del cable. Los resultados de las pruebas se

muestran a continuación.

Las distintas zonas correspondientes a cada tramo del cable son las siguientes:

Zona 1: Cables de dato con aislacion interna de PVC naranjo

Zona 2: Cable con armadura descubierta

Zona 3: cable completo con chaqueta externa PVC amarilla

Debido a que en el laboratorio solo se contaba con resistencias de baja potencia se probó

creando un campo electromagnético con valores ohmicos elevados de resistencias para evitar una

alta disipación de potencia y conseguir que se queme la resistencia, debido a los altos valores de

resistencias las corrientes que se generaron eran del orden de los micro y mili amperes y al

momento de energizar el circuito y verificar la forma de onda en el osciloscopio se pude ver que

no existía ningún tipo de interferencia electromagnética debido a que la corriente que circulaba

por las espiras era demasiado baja.

Como no se pudo generar un campo electromagnético lo suficientemente grande como

para que hiciera efecto en la forma de onda de la señal, se realizó una prueba similar pero esta

119

vez con un taladro eléctrico. Al encender el taladro, el embobinado interno del taladro generará

interferencia en las distintas zonas del cable el cable.

Primero se utilizó un cable con armadura de aluminio y se conectó el osciloscopio junto

con el FBT-6, en el momento en que se apretó el switch del taladro se pudo ver como la forma de

onda Fieldbus se perdía por un instante, luego se normalizó y comenzaron a aparecer transientes

en la señal acompañados con fluctuaciones grandes en la señal, cabe destacar que una vez que el

taladro continuo con su funcionamiento normal los transientes desaparecieron y la señal se

normalizó. Además cabe destacar que hasta una distancia de 2 metros del cable Fieldbus se

presenciaron distorsiones en la señal, después de los dos metros de distancia no aparecieron más

distorsiones. A continuación se muestran las formas de onda obtenidas para cada zona del cable:

Para la zona 1 se tiene la figura 4.56

Figura 4.56: Interferencia electromagnética en zona 1 del cable.

120

Entre la zona 2 y 3 del cable no hubo grandes cambios en la señal y la forma de onda para

ambos casos es similar, la siguiente figura 4.57 muestra una forma de onda capturada en la zona

2.


Como se había mencionado el cable utilizado fue con armadura de aluminio, luego se

utilizó un cable con armadura de acero galvanizado para comparar si los efectos eran los mismos

y se obtuvieron las siguientes formas de onda. En este caso no hubo diferencia entre la forma de

onda para el taladro ubicado en las cercanías a las 3 zonas, como conclusión se tiene que no

importa la zona del cable expuesta a interferencia, el efecto va a ser el mismo independiente de la

zona del cable. La figura 4.58 muestra un ejemplo de la forma de onda capturada con el taladro

haciendo interferencia en el cable.


121

Finalmente se quiso comprobar que efecto tenia en la forma de onda el aterrizar la armadura de

los cables Fieldbus para ambos tipos de armaduras, las formas de onda resultantes se muestran a

continuación. En la figura 4.59 se muestra la conexión a tierra que se le realizó a la armadura de

los cables.

Figura 4.59: Conexión a tierra de armadura.

La figura 4.60 muestra la forma de onda fieldbus del cable con armadura de aluminio

aterrizada a tierra, mientras que la figura 4.61 muestra la misma situación pero para el cable con

armadura de acero galvanizado.

Figura 4.60: FDO para armadura Aluminio. Figura 4.61: FDO para armadura acero.

122

Como conclusión se tiene que los efectos de la interferencia electromagnética ocurren de

manera similar para ambos cables con armaduras de aluminio y acero galvanizado, pero los

efectos se notan un poco menor para el cable con armadura de Aluminio. Lo que si se considera

importante es la puesta a tierra de la armadura del cable, ya que se comprobó fehacientemente

que los niveles de interferencia electromagnética se redujeron mucho con esta practica.

4.6.12 Prueba con dispositivos incompatibles

A un Transmisor ABB 600 se le colocó el hardware de un 2600 y a un 2600 se le colocó

el hardware de un 600 para ver si los cambios producían algún error en el DCS o en la señal

Fieldbus transmitida.

Primero se conectó al segmento un transmisor ABB 2600 con electrónica de un ABB 600

y se visualizó en el sistema DCS que en la lista de los dispositivos decomisionados apareció un

Dispositivo ABB con estado de “Comm Fail” (Falla de comunicación) en la ventana de

diagnostico del DeltaV y dirección 30, la cual no pertenecía a ningún dispositivo del segmento,

además en el DeltaV apareció el DevID del Transmisor ABB 600. Al momento de comisionar el

dispositivo a “Take offline” o “Make Spare”, no estaba disponible ninguna de estas opciones,

luego cuando se quiso revisar el status del dispositivo y la configuración pero tampoco estaban

disponibles.

Lo que si se pudo revisar fueron las estadísticas del dispositivo y se recogieron los

siguientes datos:

NumDIITokenPass Timeout: 229

Negative Conf: 153

MissedViewListScan: 20

NumLiveListAppearances: 17

123

Luego se trató de comisionar el dispositivo, pero no se pudo lograr, ya que al momento de

realizarlo nunca se pudo llevar el dispositivo en standby. Al conectar el osciloscopio se visualizó

que la forma de onda estaba normal, luego al conectar el FBT-6 se vió que el dispositivo con

electrónica cambiada tenía una amplitud de 1380 mV, la cual resulta demasiado alta. En cuanto a

las retransmisiones el dispositivo con falla presentó 32, mientras que el LAS presentó 40, aunque

estos numero de retransmisiones aumentaban a medida que transcurría el tiempo.

Luego se desconectó el Transmisor ABB 2600 con la electrónica cambiada y se conectó al

segmento el transmisor ABB 600 con la electrónica del 2600. Al revisar el diagnostico del

DeltaV se vio que el dispositivo tomó el tag del transmisor ABB 2600 que estaba instalado y el

estado era de “Unrecognized”. Al hacer clic en las propiedades del dispositivo se visualizó que el

tipo de dispositivo era un 2600T y revisión 2, mientras que la dirección asignada era la 35, la cual

corresponde al Transmisor ABB 600 utilizado anteriormente.

Al revisar el Explorer del DeltaV se vio que en el parámetro “Type” apareció “Mismatch

Fieldbus device”, luego se procedió a decomisionarlo y se dejó en estado Offline, luego de eso se

comisionó nuevamente y se dejó en estado Standby, una vez que cambió a estado standby se

pudo ver que la dirección del dispositivo había cambiado a 238, la cual no estaba siendo utilizada

por ningún dispositivo. Luego se procedió a comisionar el dispositivo y se le asignó un TAG

distinto al que tenía inicialmente.

Una vez que se comisionó el dispositivo se vio el status del dispositivo, pero estaban

activadas las siguientes alarmas en todos los bloques transducer.

Memory Failure.

LostStaticData.

OutOf Service.

Other.

124

Posteriormente se desconectaron ambos equipos y se volvieron a cambiar sus electrónicas

a sus respectivas posiciones, luego al conectar los dispositivos nuevamente al segmento se pudo

ver como los dispositivos no entraban en el sistema, el Transmisor ABB 600 estaba en estado de

mismatch, mientras que el 2600 estaba en estado Desconocido.

Como una manera de solucionar esta situación se procedió a realizar un cold star en los

dispositivos. El cold star consiste en desconectar los dispositivos del segmento para luego en la

tarjeta electrónica activar el switch 3 del Transmisor en ON y conectar el dispositivo en el

segmento por unos 20 segundos. Luego se retira la energía del Instrumento y el switch 3 vuelve a

su posición OFF. Posteriormente se vuelve a conectar el dispositivo y se espera en el sistema

DeltaV a que los equipos estén decomisionados, para volver a comisionarlos de forma normal.

Figura 4.62: Panel trasero con electrónica de un transmisor ABB.

En la figura 4.62 se puede ver la imagen trasera de un transmisor ABB con los

dipsiwtches para poder realizar el cold star.

125

4.6.13 Cable de datos mal apretados en Instrumentos y FDU.

Esta prueba consistió en simular el efecto de conductores mal apretados en los

dispositivos y los efectos que generan en la comunicación del bus de datos.

Para comenzar se utilizó un posicionador ND 9000 y uno ND 800, en ambos se

obtuvieron los mismos resultados. Al dejar los cables por si solos sueltos, no ocurrió ninguna

anomalía en el segmento, pero al momento de mover los cables de datos se genero un peak de

ruido en baja frecuencia de 1555 mV aunque el promedio de ruido en baja frecuencia fue de 23

mV y esta dentro de un rango normal. Otro parámetro que se vio alterado con el FBT-6 fueron las

retransmisiones que presentaron el posicionador y el LAS, que fueron 8 cada uno.

Luego se continuó con los transmisores de presión ABB y se obtuvieron resultados

similares que en el caso de los posicionadores, retransmisiones y alto peak de ruido en baja

frecuencia. Para finalizar se continuó realizando la prueba con el resto de los dispositivos, pero

los resultados fueron los mismos.

Luego se generó el mismo problema pero en un cable troncal del segmento, los efectos en

el FBT-6 fueron los mismos, que en los casos anteriores, pero la gran diferencia fue que en el

sistema DeltaV se perdió primero la comunicación del segmento completo “No Communication

on Link”, la falla en la conexión del cable troncal se produjo en la FDU3, mientras que el FBT-6

estaba conectado en la FDU2, es por eso que el FBT-6 nunca perdió la energía.

Como conclusión se tiene que un cable suelto en un dispositivo genera retransmisiones en

el dispositivo con falla y en el LAS.

126

4.6.14 Uso de fuentes Alimentadoras de lazo no aisladas galvánicamente.

A pesar que en planta Valdivia no se utilizan fuentes alimentadoras de lazo sin

aislamiento galvánica, puede darse la siguiente falla al utilizarlas.

En el caso que una fuente de poder alimente dos fuentes alimentadoras de lazo y cada una

de estas alimente un segmento distinto como se ve en la figura 4.63.

Figura 4.63: Uso de fuentes alimentadoras de lazo no aisladas galvánicamente.

En la figura se ve que en el segmento A el cable shield hizo corte con el (+), mientras que

en el segmento B el cable shield hizo corte con el cable (-), como ambas fuentes no están

galvánicamente aisladas el cable Shield de ambos segmentos hará un corto circuito entre el (+)

del segmento A y el (-) del segmento B originando que ambos segmentos pierdan la

comunicación.

127

4.7 Mantenimiento preventivo de segmentos Fieldbus.

Con el fin de anticiparse a fallas futuras en segmentos Fieldbus se acordó en realizar un

plan de mantenimiento de segmentos Fieldbus en el área de licor, el plan consiste de lo siguiente:

Resetear las estadísticas de los segmentos Fieldbus el día 15 de cada mes.

Realizar un levantamiento de los estadísticas Fieldbus 4 días después de haberlas

reseteado, o sea el lunes siguiente.

Todo segmento con un numero mayor a 100 retransmisiones se registrará como

“prioridad para mantenimiento” dentro del registro de estadística de segmentos.

Se debe considerar además atender todos los casos donde exista un cambio de

tarjeta h1 simple a una redundante.

Los procedimientos descritos anteriormente se repetirán todos los meses.

Al llegar el mes de Abril de cada año se considerarán como prioridad para

mantenimiento los segmentos que hayan presentado más retransmisiones durante

el año.

128

CAPITULO V PROBLEMA DE CORROSION EN PUESTA A TIERRA ARMADURA CABLES FIELDBUS. 5.1 Descripción general del problema.

El problema del que se abordará en este capitulo consiste en dar solución a un problema

existente en varias áreas de Licor, especialmente en aquellas a la intemperie, dicho problema es la

corrosión que se produce en la conexión a tierra en la armadura de los cables Fieldbus.

La corrosión es el deterioro de un material, en este caso metal, a causa de un fenómeno

electroquímico que se produce en su entorno. En la figura 5.1 se muestra un caso de corrosión en

el cable a tierra de una armadura en el área de Caustificación.

Figura 5.1: Corrosión en cable a tierra de la armadura de un cable Fieldbus.

129

5.2 ¿Por qué se debe aterrizar a tierra la armadura de los cables Fieldbus?

Cualquier conductor que posea armadura metálica puede sufrir una inducción

electromagnética en su armadura y causar interferencia y/o atenuaciones en la señal transmitida a

través del conductor, en el caso del cable Fieldbus la inducción generada en el cable produce

interferencia electromagnética y problemas en la comunicación del segmento.

Para el caso de los conductores eléctricos que posean armaduras metálicas como

protección para trabajo mecánico, estas se deben conectar a tierra al igual que cualquier

superficie metálica que pudiera presentar el conductor como revestimiento. El aterrizaje se deberá

realizar en ambos extremos del conductor con la excepción de casos donde por razones técnicas o

de seguridad solo sea posible realizar el aterrizaje en un solo extremo del cable.

El aterrizaje de cualquier cable armado se puede realizar por diversas alternativas, las

cuales pueden ser:

Abrazaderas metálicas

Conductores eléctricos soldados a la armadura

Conectores especiales

5.3 ¿Por qué se produce la corrosión en los metales?

La corrosión en los metales es un proceso natural que ocurre debido a la estabilidad

termodinámica de casi todos los metales (excepto el oro y otros más). Desde los comienzos de la

humanidad los metales han existido en la tierra en forma de oxido, lo que el hombre ha realizado

es reducir los óxidos en bajos y altos hornos para transformarlo en metal. Por lo tanto hablar de

corrosión en los metales es simplemente hablar de que los metales vuelven a su estado inicial.

130

5.4 Tipos de Corrosión.

La corrosión se puede presentar de diversos tipos, y se puede clasificar de acuerdo al

factor externo que la provoque, de acuerdo a esta definición tenemos la siguiente clasificación.

Corrosión Electroquímica: Esta corrosión se presenta en metales en ambientes

húmedos, bajo agua o bajo tierra y poseen una f.e.m. externa como puede ser un

riel de tren. En el caso de que no exista una f.e.m. externa estamos hablando de

corrosión galvánica.

Corrosión Química: Se produce por el contacto entre un metal y una solución

ácida o álcali.

Corrosión Bioquímica: Esta corrosión es generada debido a la acción de bacterias

en el metal.

5.5 Corrosión Galvánica.

Los metales poseen electrones libres, que son el resultado de los enlaces que existen entre

los átomos metálicos. De estos electrones libres depende la calidad de los metales en cuanto a la

conductividad del calor y electricidad.

Un metal es eléctricamente neutro, esto quiere decir que el número de electrones libres

que posee es igual al número de átomos metálicos con carga positiva.

Cuando dos metales se ponen en contacto entre si se produce un desbalance en el número

de electrones libres debido a un flujo de electrones que se produce entre los dos metales. De este

modo un metal cede electrones libres al otro, quedando este cargado eléctricamente positivo,

mientras que el otro metal que recibe electrones queda cargado eléctricamente negativo.

131

Al elemento cargado negativamente se le denomina Ánodo, mientras que al cargado

positivamente se le denomina Cátodo.

Cada metal posee un índice de potencial eléctrico, cuando se juntan dos metales, el metal

con mayor índice de potencial eléctrico cederá electrones libres al metal con menor índice de

potencial eléctrico. En la tabla 5.1 se pueden observar los diferentes índices de potencial

eléctricos para cada metal.

Al fenómeno descrito anteriormente se le conoce como acople galvánico, si a este acople

galvánico la agregamos un elemento electrolito se producirá una corrosión galvánica. Un

elemento electrolito es un elemento que posee electrones libres y se comporta como un conductor

eléctrico.

Figura 5.2: Ejemplo de corrosión galvánica en una conexión a tierra.

La figura 5.2 muestra el ejemplo de cómo se genera la corrosión galvánica en una

conexión a tierra, donde se aprecia la conexión entre el conector que es de cobre y la barra a

tierra que es de acero, además del elemento electrolito que produce la corrosión galvánica. De los

dos metales solo uno sufre el efecto de la corrosión y es el de menor índice de potencial, entre los

parámetros que afectan el proceso de la corrosión tenemos los siguientes:

132

Tipos de Metales: Cada metal tiene un índice de potencial diferente, mientras mayor sea

la diferencia en los índices de potencial, mayor será la corrosión que sufrirá el metal de

menor potencial eléctrico.

Contacto entre metales: En ocasiones, dependiendo de los metales, no es necesario que

los metales estén haciendo contacto físico para que exista corrosión.

Áreas de los elementos metálicos: Si el metal que posee área de mayor tamaño es el

denominado cátodo la corrosión será mas intensa, mientras que si el área de mayor

tamaño es la anódica la corrosión será más lenta.

Condiciones Ambientales: Si los metales se encuentran a la intemperie y bajo humedad el

proceso de corrosión se verá acelerado.

Metales Potencial Eléctrico

Sodio -2.71

Magnesio -2.38

Aluminio -1.67

Manganeso -1.05

Zinc -0.76

Cromo -0.71

Hierro -0.44

Cadmio -0.40

Níquel -0.25

Estaño -0.14

Plomo -0.13

Hidrógeno 0

Cobre +0.35

Plata +0.80

Mercurio +0.85

Tabla 5.1: Potenciales eléctricos de los metales.

133

Aluminio Latón Bronce Cobre Acero

Galv.

Hierro

Acero Plomo

Acero

Inox. Zinc

Aluminio - 1 1 1 3 2 2 3 3

Latón 1 - - 2 1 1 2 1 1

Cobre 1 2 2 - 1 1 2 1 1

Acero

Galv.. 3 1 2 1 - 2 3 2 3

Estaño 1 2 2 3 2 1 2 1 1

Plomo 2 2 2 2 3 3 - 2 3

Acero

Inox. 3 1 1 1 2 2 2 - 1

Zinc 3 1 1 1 3 1 3 1 -

Tabla 5.2: Corrosión galvánica entre algunos metales.

La tabla 5.2 nos muestra el nivel de corrosión que sufrirán los metales dependiendo del

material de los dos metales, el número 1 indica que la corrosión ocurrirá con el contacto entre

los metales, mientras que el 2 indica que la corrosión puede ocurrir dependiendo del medio y

el numeró 3 nivel indica que no existirá corrosión galvánica entre estos metales.

5.6 Origen del problema de corrosión en conductores a tierra en área de licor.

En el caso específico de lo que ocurre en el área de Licor se ha detectado que la mayoría

de las armaduras con corrosión se encuentran en zonas expuestas a fenómenos climáticos

adversos como lo son la neblina, lluvia, calor, humedad, dependiendo de la estación del año en la

que se encuentre.

Los conductores Fieldbus que se utilizan son Belden de 2x18 AWG y la armadura es de

Acero galvanizado, mientras que el cable a tierra que se conecta la armadura es de Cobre. En este

caso la corrosión galvánica se produce porque de acuerdo a la tabla 5.1 el Acero galvanizado

134

tiene un potencial menor que el Cobre, por lo tanto se produce una diferencia de potencial y el

aluminio que es el metal con potencial mas bajo sufre los efectos de la corrosión.

5.7 Consecuencias de la corrosión en puesta a tierra de la armadura del cable Fieldbus.

La corrosión en un cable a tierra de la armadura provoca niveles de ruido más alto e

interferencia en la señal Fieldbus transmitida. Dependiendo del nivel de la corrosión que exista,

puede existir un deterioro físico del cable y/o los parámetros eléctricos de este, tales como

resistencia o capacitancia.

5.8 Métodos para reducir o eliminar la corrosión Galvánica.

Una vez que ya se ha determinado el origen de la corrosión se comenzará a buscar

soluciones para resolver el problema. Como ya se sabe que la corrosión se debe a una diferencia

de los potenciales de los dos metales, una solución al problema puede ser el lograr que el

potencial de material de la armadura sea igual que el potencial del cable a tierra, de esta forma no

se produciría un acople galvánico.

Otra forma de evitar la corrosión galvánica no consiste en evitar el acople galvánico sino

que evitar el contacto entre el acople con un material electrolítico, en la práctica para evitar esto

se requiere de un recubrimiento o sellador que selle completamente el acople galvánico y lo

proteja del ambiente electrolito.

135

5.9 Inspección en terreno de corrosión en armadura de cables Fieldbus.

Durante el periodo en que se desarrolló este trabajo de titulación se realizaron

inspecciones en terreno para verificar el grado de corrosión que existía en las diversas Áreas de la

planta.

De acuerdo a visitas realizadas en terreno, se realizo una evaluación en terreno de la

gravedad y cantidad de equipos (cables) con problemas de corrosión y se obtuvieron los

siguientes resultados.

Compresores: Debido a que los Compresores se encuentran bajo un edificio cerrado y

protegido contra las inclemencias climáticas, no existen rastros de corrosión en armaduras

de cables Fieldbus.

Evaporadores: Es el área con más casos de corrosión en armaduras de cables Fieldbus, el

factor común que existe entre Caustificación y Evaporadores es un ambiente a la

intemperie.

Sistema de Combustibles: En esta área se han encontrado pocos equipos con armaduras

corroídas y la razón principal de esto se debe a las condiciones de intemperie y los vahos

de Combustible que ayudan a acelerar el proceso de corrosión.

Caldera Recuperadora: En general la Caldera Recuperadora no presenta problemas de

corrosión porque la mayoría de los equipos se encuentran bajo techo, en el lugar donde si

se observaron problemas fue en el primer piso de la Caldera Recuperadora, mas

exactamente en el Tanque Dump en donde no solo la superficie expuesta de la armadura

esta corroída, sino que también lo esta la parte de la armadura que no esta expuesta. La

situación descrita anteriormente se grafica en la figura 5.3.

136

Figura 5.3: Armadura con corrosión en Tanque Dump. Caldera Recuperadora.

Caustificación: En Caustificación la situación es totalmente distinta a la de la Caldera

Recuperadora, la mayoría de los equipos de Caustificación se encuentran a la intemperie y

con alto grado de corrosión, incluso existen equipos que se encuentran en la sala de

compresores booster, la cual se encuentra cerrada y bajo techo, que igual ha sufrido los

efectos de la corrosión en sus equipos.

Horno de Cal: En el Horno de Cal no se han encontrado signos de corrosión en equipos,

esto se debe a que en las dos partes donde se encuentran equipos en el horno de cal, los

cuales son el filtro de lodos y el quemador de petrolero se encuentran bajo techo y las

condiciones de humedad son bajas.

Caldera de Poder: En la Caldera de Poder no se han presentado casos de armaduras

corroídas debido a que las instalaciones donde se encuentra la Caldera de Poder están lo

suficientemente aisladas de los ambientes corrosivos.

137

Turbogeneradores: La situación en los Turbogeneradores es similar al de la Caldera de

Poder donde los equipos están protegidos por una estructura metálica.

5.10 Soluciones propuestas para resolver problema de corrosión en Armadura cables

Fieldbus.

Analizando detalladamente las soluciones que se aplican para reducir o eliminar la

corrosión galvánica se seleccionaron las mejores como propuestas de solución para ser utilizadas

en el área de licor y son las siguientes:

Aplicación de Pintura aluminio y Termocontraible: Esta opción consiste en aterrizar la

armadura de los cables Fieldbus tal como se están realizando ahora, una vez que se ha

soldado el cable a la armadura, se procederá a bañar tanto la unión del cable y la

armadura como toda superficie metálica, para evitar que esta entre en contacto con un

ambiente corrosivo y dañe la armadura del cable. La ventaja de utilizar pintura de

aluminio es disminuir y casi anular la diferencia de potencial que se generaría por los

metales distintos. Al pintar todo con aluminio quedara solo un metal y la diferencia de

potencial será de 0V y en un ambiente corrosivo, la corrosión no existirá. Como medida

adicional para proteger la pintura de aluminio se colocará un pedazo de termocontraible

que cubra toda la superficie expuesta y además proporciona sellado gracias a una resina

epoxica. El sellado del termocontraible es una manera de protección adicional contra la

lluvia para la armadura del cable, en caso de que exista un espacio no sellado entre el

termocontraible y el cable Fieldbus se corre el riesgo de que el agua ingrese y quite la

pintura de aluminio que protege de la corrosión galvánica.

Abrazadera de aluminio: Otra posible solución al problema es olvidarnos de la

soldadura de estaño entre el cable a tierra y la armadura, la solución nueva a implementar

consistirá en una abrazadera de aluminio con tornillo para conectar el cable a tierra. Esta

solución evitará que se genere una diferencia de potencial entre la armadura y la

abrazadera ya que son del mismo metal, adicionalmente se puede incluir el mismo

termocontraible que en el caso anterior para sellar la unión del agua.

138

Utilizar Conector para aterrizar Armadura: Esta alternativa permite utilizar un

conector de Aluminio que posee un resorte interno, el cual aprieta la armadura y luego la

aterriza al conector del Instrumento. Este conector también hace la función del

prensacable y protege el cable Fieldbus completo de las condiciones ambientales del área

ya sean humedad o acidas. La ventaja de utilizar este conector es que al ser de aluminio

presentará alta resistencia a la corrosión. Las figuras 5.4 y 5.5 muestran el conector TMC

165.

Figura 5.4: Conector TMC 165. Figura 5.5: Partes del Conector TMC 165.

5.11 Solución a implementar en PGP 2010.

De acuerdo al levantamiento realizado en el área sobre la armadura de los cables Fieldbus,

se llego a la decisión de realizar una solución a los cables con problemas en Caustificación,

evaporadores y Caldera Recuperadora, ya que han sido las áreas mas afectadas con el tema de la

corrosión.

La solución elegida para resolver el problema de la corrosión en la armadura de los cables

Fieldbus fue la de utilizar el conector de aluminio TMC 165 de la marca Crouse Hinds para

aterrizar las armaduras de los cables Fieldbus a tierra. Los trabajos consistirán en lo siguiente:

139

Verificar si el cable actual con la armadura corroída se puede reutilizar agregando el

conector TMC en su extremo.

En caso que no se pueda salvar el cable con armadura corroída, se debe realizar un

tendido de cable nuevo y agregar el conector TMC 165 en su extremo.

Para cada uno de los equipos a Intervenir se le modificará la conexión a tierra.

A cada cable que se le haya agregado conector TMC 165, se le modificará el sistema de

aterrizaje de la armadura en el extremo de la FDU, agregando un riel y una abrazadera

que apriete la armadura del cable Fieldbus contra el riel metálico ya conectado a tierra

mediante un cable.

Un esquema gráfico con los trabajos a realizar en la PGP se muestra en la figura 5.6.

Figura 5.6: Esquema de solución a implementar en PGP 2010.

140

5.12 Procedimientos para solucionar problemas de corrosión en armaduras cables Fieldbus.

Como una forma de programar y coordinar los trabajos a realizar se separarán en varias

actividades, las cuales se detallarán a continuación.

5.12.1 Identificación de niveles de corrosión de las armaduras de los Cables y trabajo a realizar.

Este trabajo se denomina como trabajo pre PGP y consiste en realizar un levantamiento de

todos los instrumentos de las áreas de Caustificación y Evaporadores con el fin de identificar el

nivel de corrosión de las armaduras de los cables. Se clasificarán en 4 niveles de corrosión de

acuerdo a la tabla 5.3.

Nivel Descripción

0 Sin corrosión

1 Baja corrosión

2 Mediana corrosión

3 Alta corrosión

Tabla 5.3: Niveles de corrosión identificados en el levantamiento de las áreas.

A continuación las imágenes 5.7, 5.8, 5.9 y 5.10 muestran las fotografías correspondientes

a cada nivel de corrosión.

141

Figura 5.7: Nivel 0 de corrosión.


142



143

5.12.2 Verificar si el cable dañado se puede reutilizar o requiere cambio de cable.

Una vez que los cables con problema ya estén identificados se procederá a verificar a cual de

las dos siguientes situaciones se asimilan las condiciones que existen en terreno y el

procedimiento que se debe realizar:

El Cable Fieldbus con armadura corroída tiene suficiente longitud como para ser cortado

completamente e instalarle el conector TMC 165 en su extremo.

En la figura 5.11 se muestra a continuación el caso de un cable Fieldbus que tiene suficiente

longitud como para ser cortado en la zona de corte indicada, luego en el extremo del cable

resultante se procederá a instalar el conector TMC 165 con el Instrumento.

Figura 5.11: Transmisor de Presión ABB con cable Fieldbus a reutilizar.

144

El Cable Fieldbus con armadura corroída no tiene longitud suficiente como para ser

cortado completamente y se procederá a realizar un cambio del cable desde el

Instrumento hasta la FDU para luego conectar el conector TMC 165 en el extremo del

cable hacia el Instrumento.

Figura 5.12: Transmisor Rosemount con cable de corta longitud y será cambiado.

En el caso de la Figura 5.12 que se muestra arriba el cable no tiene longitud suficiente

como para poder cortar la parte dañada, por lo cual se cambiará el cable completo y se le agregará

conector TMC 165.

145

5.12.3 Tendido de Cable.

Este trabajo se denomina pre PGP, ya que se puede realizar antes de la Parada General de

Planta y de esta forma se alivia la carga de trabajo para la PGP 2010. Un punto muy importante a

considerar es ver las condiciones necesarias para realizar el tendido de Cable, tales como

andamios, disponibilidad del área, etc.

Los pasos para realizar el tendido de Cable son los siguientes:

Identificar en terreno los equipos que requieren cambio de cable.

Asegurarse de que existan todos los andamios necesarios para realizar el tendido de

cables.

Realizar el tendido de cables sobre bandeja porta conductores ya existentes.

Realizar la conexión del conector TMC 165 en el conductor Instalado. (PGP).

Retirar el cable antiguo.

5.12.4 Reutilización de Cable.

Este trabajo necesariamente tiene que ser realizado en la PGP, ya que el conductor del

Instrumento no se puede cortar con la Planta en funcionamiento. Se debe asegurar de que antes de

la PGP deben estar realizados todos los andamios para el caso que el equipo a intervenir no tenga

un acceso fácil. Tanto para el aterrizaje de la armadura del cable en el extremo de la FDU como

para el conector TMC se deben realizar de acuerdo a procedimientos de Planta.

5.12.5 Procedimiento de Instalación de Conector TMC 165.

El procedimiento a utilizar en Planta Valdivia se puede encontrar en el Anexo 4 de este

trabajo de Titulación. El procedimiento a utilizar es un estándar aprobado por la

146

Superintendencia de Electrocontrol y será utilizado para Instalación Fieldbus Foundation futuras

en la Planta.

5.12.6 Aterrizaje de armadura en el extremo del cable en la FDU.

Otro trabajo a realizar en la PGP es la instalación de una abrazadera metálica junto con

riel para aterrizar las armaduras de los cables a modificar en el extremo de la FDU. El riel y la

abrazadera son de acero Galvanizado y físicamente estarán ubicadas en las casetas donde se

instalan las FDU, por lo cual se considera que no estarán expuestas ante la lluvia. Al considerar

que la armadura de los cables a Instalar es de Aluminio y el riel junto con la abrazadera son de

acero galvanizado, la diferencia de potencial que se origina por el acople galvánico es bajo y las

probabilidades de tener corrosión galvánica es baja. Para el caso de los conductores a reutilizar, la

armadura de estos es de Acero galvanizado, el cual es el mismo material que el riel y la

abrazadera, por lo cual se descarta que se produzca corrosión galvánica. Véase Figura 5.13.

Figura 5.13: Abrazadera y riel metálico para aterrizar armadura en FDU.

En la Figura 5.14 se muestra la forma en que actualmente esta aterrizada la armadura del

cable Fieldbus en el extremo de la FDU, el nuevo riel metálico a instalar reemplazará las actuales

abrazaderas instaladas. A pesar de que los efectos de la corrosión no se han hecho notar como en

147

el otro extremo del cable cercano al instrumento, la Superintendencia de Electrocontrol ha

decidido cambiar a un riel construido en acero galvánico y mejorar las instalaciones actuales.

Figura 5.14: Actual conexión a tierra de armadura en extremo de la FDU.

148

5.12.7 Conexión a tierra de carcaza metálica de Instrumento.

Antiguamente la conexión a tierra del Instrumento y de la Armadura se realizaba con

soldadura en un mismo punto. Como ese punto de soldadura se eliminará, será necesario realizar

una nueva conexión a tierra del Instrumento.

La forma de aterrizar la carcaza metálica del Instrumento será conectando un cable de

cobre al tornillo de la carcaza del Instrumento y en su otro extremo del cable se aterrizara en una

bandeja portaconductores ya aterrizada a tierra, en caso de no existir una bandeja cercana se

deberá aterrizar en cualquier otra superficie metálica ya aterrizada a tierra. Véase Figura 5.15.

Figura 5.15: Nueva forma de aterrizar Instrumento a tierra.

149

5.12.8 Resumen de equipos a Intervenir en Parada General de Planta 2010.

La superintendencia de Electrocontrol ha definido realizar la mejora de las armaduras de

cables Fieldbus en las áreas de Caustificación, Evaporadores y Caldera Recuperadora, después de

los resultados obtenidos del levantamiento realizado en las áreas mencionadas se decidió darle

prioridad para la PGP 2010 a los conductores con niveles de corrosión 2 y 3.

A continuación las tablas 5.4 y 5.5 muestran un resumen del levantamiento realizado en

Caldera Recuperadora, Evaporadores y Caustificación.

Caldera Recuperadora:

Equipo Nivel Reutilizar Cambio de Longitud Andamio Conector

Corrosión Cable cable de cable

(m)

352-TV-409 3 SI 10 NO PG 13,5

352-TT-409 3 SI 15 NO 1/2 NPT

352-FT-407 3 SI 25 NO 3/4 NPT

352-LT-408 3 SI 20 NO 1/2 NPT

Total 70

Tabla 5.4: Levantamiento realizado en Caldera Recuperadora.

150

Caustificación:

Equipo Nivel Reutilizar Cambio de Longitud Andamio Conector

Corrosión Cable cable de cable

(m)

353-LT-0111 3 SI 30 NO 1/2 NPT 353-FT-0120 3 SI 15 NO 3/4 NPT

353-HCV-0128 2 SI NO PG13,5 353-LT-0126 3 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0147 3 SI NO 1/2 NPT 353-FT-0150 2 SI 50 NO 3/4 NPT 353-PT-0127 3 SI NO 1/2 NPT 353-PT-0157 3 SI NO 1/2 NPT

353-TCV-0171 2 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0102 3 SI 10 NO 1/2 NPT

353-TT-0243 3 SI 60 NO 1/2 NPT 353-LT-0231 3 SI >150 NO 1/2 NPT

353-PDT-0232 3 SI >150 SI 1/2 NPT 353-LT-0262 3 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0268 3 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0263 3 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0361 3 SI 25 NO 1/2 NPT 353-TT-0362 3 SI NO 1/2 NPT

353-PDT-0347 2 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0341 2 SI NO 1/2 NPT

353-LCV-0341 A 3 SI NO PG13,5 353-LCV-0341 B 3 SI NO PG13,5

353-LT-0344 3 SI NO 1/2 NPT 353-FT-0359 3 SI NO 3/4 NPT 353-LT-0345 3 SI NO 1/2 NPT

353-LCV-0351 A 2 SI 15 SI PG13,5 353-LT-0371 3 SI 15 NO 1/2 NPT

353-LT-0414 3 SI NO 1/2 NPT 353-LT-0441 3 SI 10 NO 1/2 NPT

353-LT-0442 3 SI 15 NO 1/2 NPT 353-FT-0444 3 SI NO 3/4 NPT

353-LT-0471 2 SI >150 NO 1/2 NPT 353-TT-0261 sin tierra SI NO 1/2 NPT

Tabla 5.5: Levantamiento realizado en Caustificación.

151

Evaporadores

Equipo Nivel Reutilizar Cambio de Metros de Andamio Conector

Corrosión cable cable cable

351-LV-0202 2 SI 40 NO PG13,5

351-PT-0351 2 SI 70 NO 1/2 NPT

351-LV-0499 2 SI 60 NO PG13,5

351-TT-0200 3 SI 60 NO 1/2 NPT

351-LV-0255 3 SI NO PG13,5

351-LV-0535 A 3 SI 40 NO PG13,5

351-LT-0535 2 SI 15 NO 1/2 NPT

351-LV-0455 2 SI 20 SI PG13,5

351-FT-0450 2 SI 20 NO 3/4 NPT

351-LT-0405 2 SI 15 NO 1/2 NPT

351-PT-0411 2 SI 20 NO 1/2 NPT

351-HV-230 3 SI NO M20x1,5

351-TT-0257 3 SI 50 NO 1/2 NPT

351-LT-0125 3 SI NO 1/2 NPT

351-LV-0124 3 SI 20 NO PG13,5

351-LT-0124 3 SI 40 NO 1/2 NPT

351-FT-0190 2 SI 60 NO 3/4 NPT

351-FV-0190 3 SI 15 M20x1,5

351-LT-0123 2 SI 40 NO 1/2 NPT

351-LT-0176 2 SI 20 SI 1/2 NPT

351-TT-0168 3 SI 20 NO 1/2 NPT

351-FV-0170 2 SI 25 NO PG13,5

351-FT-0170 2 SI 30 NO 3/4 NPT

351-LV-0180 3 SI NO PG13,5

351-LT-0180 3 SI 20 SI 1/2 NPT

351-LT-0154 3 SI 20 SI 1/2 NPT

351-LV-0154 3 SI 30 SI PG13,5

351-PV-0198 3 SI 40 NO PG13,5

351-PT-0198 3 SI 40 NO 1/2 NPT

351-LT-0139 3 SI 35 SI 1/2 NPT

351-LV-0139 3 SI 35 NO PG13,5

351-LT-0145 2 SI 30 SI 1/2 NPT

351-TT-0167 3 SI 15 NO 1/2 NPT

351-FV-0137 2 SI 20 SI PG13,5

351-FT-0137 3 SI 20 NO 3/4 NPT

351-PV-0199 2 SI 40 NO PG13,5

351-TT-0166 2 SI 20 NO 1/2 NPT

351-TT-0178 2 SI 60 NO 1/2 NPT

351-FT-0340 3 SI >100 SI 3/4 NPT

152

Equipo Nivel Reutilizar Cambio de Metros de Andamio Conector

Corrosión cable cable cable

351-PT-0598 2 SI NO 1/2 NPT

351-LT-0511 2 SI 40 NO 1/2 NPT

351-TT-0582 2 SI 40 NO 1/2 NPT

351-FT-0540 3 SI 15 NO 3/4 NPT

351-LT-0503 3 SI NO 1/2 NPT

351-QT-0435 3 SI 50 NO 3/4 NPT

351-TT-0436 3 SI 25 SI 1/2 NPT

351-QT-0578 3 SI 30 NO 3/4 NPT

351-FT-0192 3 SI >100 NO 3/4 NPT

351-PV-0599 A 2 SI >100 NO PG13,5

351-FT-0120 2 SI >100 NO 3/4 NPT

351-LV-0508 2 SI NO PG13,5

351-FT-0113 2 SI 25 NO 3/4 NPT

351-PV-0514 3 SI >100 NO PG13,5

351-PT-0703 2 SI NO 1/2 NPT

351-PV-0703 2 SI NO M20x1,5

351-LT-0481 2 SI SI 1/2 NPT

351-PT-0489 2 SI NO 1/2 NPT

351-LT-0255 sin tierra SI >100 SI 1/2 NPT

351-FV-0160 sin tierra SI SI M20x1,5

351-LT-0500 sin tierra SI NO 1/2 NPT

351-FV-0480 sin tierra SI NO M20x1,5

351-QT-0482 sin tierra SI NO 3/4 NPT

351-LT-0255 sin tierra SI >100 SI 1/2 NPT

Tabla 5.6: Levantamiento realizado en Evaporadores.

153

CONCLUSIONES Las siguientes conclusiones han sido obtenidas gracias al desarrollo completo de este

trabajo de titulación y las pruebas en laboratorio, bibliografía leída relacionada al tema entre

otros. Las conclusiones obtenidas son las siguientes:

En una instalación Fieldbus Foundation instalada correctamente bajo las indicaciones

recomendadas se puede garantizar una gran robustez del segmento ante fallas que

pueden ocurrir, un claro ejemplo de esto son las puestas a tierra de los Instrumentos y el

Shield, ya que estos minimizan los efectos indeseables en el segmento que pueden

ocurrir por fallas en los dispositivos o cableado.

Siempre que ocurren problemas en el cableado de los dispositivos de un segmento

Fieldbus estos problemas se reflejan en un alto peak de ruido en baja frecuencia y/o

retransmisiones en el dispositivo con falla o en todos los dispositivos del segmento.

Ante un corto circuito las FDU Turck y Stonel actúan de forma distinta, la que mejor se

comporta ante un corto circuito es la FDU Turck, que tiene una mejor respuesta y más

rápida ante un corto circuito.

Las herramientas ideales para realizar mantención en un segmento Fieldbus son el

FBT-6, que gracias a él se puede tener una idea de cual dispositivo es el que presenta

falla y el Osciloscopio que de acuerdo a la forma de onda nos puede indicar que tipo de

falla está sufriendo el segmento.

La puesta a tierra de la armadura del cable Fieldbus es fundamental para evitar o reducir

los efectos de la interferencia electromagnética en el segmento.

Saber utilizar las herramientas de diagnostico del sistema DeltaV puede ser otra gran

herramienta para la identificación de problemas en el segmento Fieldbus.

154

Analizando las instalaciones Fieldbus en la planta se puede ver que la gran debilidad

con que cuentan las instalaciones es la mala conexión a tierra de las armaduras Fieldbus,

las cuales presentan alto grado de corrosión en las áreas que se encuentran a la

intemperie.

Existen dos formas para evitar la corrosión galvánica, una de ellas es evitar el acople

galvánico utilizando un único material metálico, mientras que la otra consiste en

mantener el acople galvánico pero eliminar el elemento electrolítico que produce la

corrosión galvánica.

Según las pruebas realizadas en laboratorio el cable Fieldbus con armadura de Aluminio

sufre menos interferencias electromagnéticas que el cable con armadura de acero

galvanizado, debido a esta razón los cables Fieldbus que se instalen o reemplacen en la

Planta serán con armadura de Aluminio.

Realizar un mantenimiento preventivo de segmentos Fieldbus revisando las estadísticas

en DCS es una buena manera de evitar problemas futuros anticipándose a las fallas que

puedan ocurrir.

Al momento de resolver problemas de comunicación en segmentos Fieldbus se debe

procurar siempre realizar el trabajo de la mejor manera y siempre considerar la

seguridad como una obligación y no una prioridad.

155

BIBLIOGRAFIA

[1] Relcom Inc, “Fieldbus Physical Layer Troubleshooting Guide”.

http://www.relcominc.com/pdf/501-

380%20Fieldbus%20Physical%20Layer%20Troubleshooting%20Guide.pdf

[2] Alfredo Rosado, Universitat de Valencia, Redes de Comunicaciones Industriales, 2003

http://www.uv.es/rosado/sid/Capitulo3_rev0.pdf

[3] Universitat Politecnica de Catalunya, Sistemas de Control

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3330/5/34059-5.pdf

[4] Dr. Ing. Héctor Kaschel C. - Ing. Ernesto Pinto L. Fac. de Ingeniería, Depto. de Ingeniería

Eléctrica, Universidad de Santiago de Chile, Análisis del estado del arte de los buses de

campo aplicados al control de procesos industriales, 2002.

http://cabierta.uchile.cl/revista/19/articulos/pdf/edu3.pdf

[5] José Juan Fernández de Dios, Foundation Fieldbus y su adaptación a la alta velocidad:

HSE, 2004. http://www.peirao.com/data/comun/documentos/jj/foundation_hse.pdf

[6] Celulosa Arauco y Constitución S. A., Comunicación Fieldbus Foundation, 2003. Intranet

Celulosa Arauco y Constitución S.A. Planta Valdivia.

[7] Emerson Process Management - Plantweb University, Fundamentos de Cableado de red.

http://plantweb.emersonprocess.com/university/whitepaper.asp?paper=673

[8] Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” Facultad de Ingenieria y

Arquitectura, Corrosión y Degradación de los Materiales, 2005.

http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2022.pdf

156

[9] Calvos Electrónica Ltda. – Bogota, Colombia, Osciloscopios Digitales series 19X/12X,

2008. http://www.calvoselectronica.com/pdfs/scopmeters.pdf

[10] IDC technologies, Practical Fieldbus, DeviceNet and Ethernet for Industry, Editorial

IDC technologies.

157

ANEXO 1

Celulosa Arauco y Constitución S.A.

Planta Valdivia

“Guia de soluciones Problemas de comunicación segmentos Fieldbus area Electrocontrol Licor”

REV. EMISIÓN FECHA DESCRIPCIÓN PREPARADO POR FIRMA FECHA

0 A Germán Hernández Miller

REVISADO POR FIRMA FECHA

Carlos Araneda

158

INDICE

Índice……………………………………………………………………………………………158

1.0 Introducción………………………………………………………………………………....159

2.0 Procedimientos para resolver problemas en segmentos Fieldbus…………………………...160

2.1 Procedimientos para intervenir segmentos en fase de operación……….…………………160

2.1.1 Procedimiento de Forzado……………………………………………………………...161

2.2.2 registro de Forzado……………………………………………………………………..161

2.1.3 Procedimientos para resolver falla de un segmento Fieldbus en terreno……………….163

2.2 Procedimientos para intervenir segmentos en Parada General de Planta……………….......165

3.0 Mantenimiento preventivo de segmentos Fieldbus…………………………………............166

4 0 Medición de segmentos…………………………………………………………………..…167

4.1 Mediciones normales para un segmento Fieldbus…………………………………………..168

5.0 Guía General de soluciones a problemas de comunicación en segmentos Fieldbus………..170

5.1 Guía de formas de onda segmentos Fieldbus……………………………………………….176

159

1.0 Introducción

Esta guía de soluciones a problemas Fieldbus es un estándar desarrollado por el área de

Electrocontrol Licor y aprobado por la Superintendencia de Electrocontrol, el objetivo

principal de esta guía de soluciones es orientar al personal de mantenimiento tanto al

momento de intervenir segmentos y/o equipos como al momento de detectar el problema y

corregirlo.

La guía de soluciones se elaboró en base a pruebas desarrolladas en el área de licor con

problemas de comunicaciones en segmentos Fieldbus. Aparte de la guía de soluciones se

incluye un estándar o manual con los procedimientos que debe tomar en cuenta el personal de

mantenimiento del área de licor para resolver los problemas de manera más eficiente y

tomándose el menor tiempo posible.

Otra consideración importante de la guía es el programa de mantenimiento preventivo que

se implementará en el área de licor con el fin de anticiparse a fallas futuras en algún segmento

Fieldbus que signifique problemas mayores a futuro.

160

2.0 Procedimientos para resolver problemas en segmentos Fieldbus en área Licor

Los procedimientos para resolver problemas de comunicación en segmentos Fieldbus pueden

ser distintos dependiendo de la condición del segmento, para este caso diferenciaremos dos

condiciones, la primera de ellas hace referencia a segmentos que se encuentran en servicio, lo que

significa que los dispositivos asociados a ese segmento están operativos, mientras que la segunda

condición se trata de segmentos que no están operativos, un ejemplo de esto puede ser una Parada

General de Planta, donde todos los segmentos Fieldbus del área de licor se dejan fuera de servicio

para mantenimiento completo del área.

2.1 Procedimientos para intervenir segmentos en fase de operación

Al momento de intervenir un segmento en fase de operación, se deben tomar en cuenta

consideraciones adicionales al momento de dejar fuera un segmento Fieldbus para mantención,

los dispositivos asociados al segmento pueden ser de diferentes tipos y el proceso para dejarlos

fuera de servicio es distinto para cada uno de ellos. Los procedimientos que se deben tomar para

dejar fuera de servicio un segmento Fieldbus son los siguientes.

1) Verificar si realmente un dispositivo o el segmento Fieldbus completo esta con

problemas.

2) Comprobar que la falla del segmento se deba a problemas en la capa física y no a

problemas en la operación de los dispositivos desde la sala de control.

3) Analizar uno por uno los dispositivos del segmento y seleccionar el procedimiento

indicado para dejar fuera de servicio el dispositivo.

4) Completar el formulario 03.303.034.R1 de registro de forzado con las

aprobaciones y firmas correspondientes dependiendo de la situación.

5) Realizar una inspección en terreno del segmento con falla

161

6) Verificar que el aceso a los Instrumentos sea de una manera segura, de lo contarrio

se deberá realizar Andamios y/o plataformas

7) Antes de realizar cualquier intervención en terreno se deberá realizar un Pare y

Piense para comprobar que no existan riesgos para la seguridad del trabajador.

2.1.1 Procedimiento de Forzado

Al momento de dejar fuera de servicio un equipo será necesario analizar el proceso al que

el equipo este asociado. Normalmente un dispositivo esta asociado a un proceso, lo que significa

que el valor de la señal o la medición que entrega ese equipo es la condición para el

funcionamiento de otro dispositivo asociado al mismo proceso. En caso de falla, si un dispositivo

deja de funcionar el valor de la señal que le entregue al proceso será erróneo y el proceso

completo se verá alterado, con el fin de evitar estas situaciones se realizan los forzados.

Un forzado consiste en darle un valor a la señal del dispositivo con falla, de tal modo que

ese valor sea la condición necesaria para que el resto del proceso opere de forma normal.

Dependiendo de la Instalación del dispositivo se puede realizar un forzado en el sistema DCS

como en el PLC.

2.1.2 Registro de Forzado

Existe un estándar de registro de forzado para Planta Valdivia, el cual nos indica los pasos

a seguir para realizar un forzado. De acuerdo al estándar los pasos a seguir para realizar un

forzado son los siguientes:

El solicitante del forzado, responsable de trabajo o maniobra que lo requiere, solicita la

instalación o retiro de un forzado con el formulario de Registro de Forzado

03.303.034.R1 al Aprobador de Mantención que corresponda y al Jefe de Operación del

área su aprobación para la instalación o retiro del forzado.

162

Las razones para solicitar un forzado pueden ser:

Mantención

Revisión y/o reparación de equipos.

Limpieza de equipos.

Calibración de equipos, sólo en el caso de involucrar enclavamientos y/o

lógicas de seguridad, o que no se pueda retirar el estado de medición congelada

dentro del mismo día hábil.

Producción (y solamente en los casos siguientes):

Inspección de equipos.

Limpieza de equipos.

Vaciado de equipos

Los especialistas de Mantención y Operaciones identifican los equipos a ser forzados, los

preparativos y riesgos potenciales informando a los aprobadores, para que éstos

clasifiquen el riesgo del forzado. La siguiente tabla muestra los dos tipos de forzados que

existen de acuerdo al riesgo y la aprobación correspondiente para cada uno de ellos.

Tipo de Forzado Descripción Aprobación necesaria

Forzado de bajo

riesgo

No compromete la seguridad de equipos

ni de personas.

Existe un equipo o sistema alternativo

que permite mantener la continuidad del

proceso.

Jefes de Mantención.

Jefes de Operaciones.

Jefe de Turno de Producción

(fuera de horario

administrativo).

Forzado de alto

riesgo

Compromete la seguridad de equipos

y/o personas (por ejemplo, sistemas de

lubricación).

Superintendentes de

Mantención.

163

Compromete la operación y la

continuidad del proceso (por ejemplo,

sistemas de seguridad de calderas y

horno).

Superintendentes de Producción.

Jefe de Turno de Producción

(fuera de horario

administrativo).

Tabla 1: Clasificación de forzados y aprobaciones necesarias

El Jefe de Turno de Producción toma conocimiento del forzado a ejecutar e informa al

operador del área del proceso involucrada.

El ejecutor del forzado entrega el Registro de Forzado, 03.303.034.R1 al Jefe de Turno

para ser archivado en carpeta de forzados del Área, en oficina del Jefe de Turno de

Producción o en Sala de Operación de Máquina.

El Jefe de Turno de Producción velará por archivar el formulario de Registro de Forzado,

03.303.034.R1 en la carpeta de forzados del Área, en oficina del Jefe de Turno de

Producción o en Sala de Operación de Máquina.

El Jefe de Turno de Producción revisa periódicamente los forzados pendientes en carpetas

de forzados en oficina del Jefe de Turno de Producción o en Sala de Operación de

Máquina.

2.1.3 Procedimientos para resolver falla de un segmento Fieldbus en terreno

Una vez que ya se cuenta con las autorizaciones correspondientes para realizar forzados

(si es necesario), se debe proceder a resolver la falla de la siguiente manera.

Al conectar el osciloscopio se recomienda utilizar los terminales adecuados para lograr una mejor

medición y evitar introducir ruido a la medición a realizar, en caso que los terminales del

osciloscopio presenten demasiado ruido en la señal visualizada se deberá cambiar por otros. Otro

164

punto a considerar es que se recomienda ajustar las escalas de amplitud y tiempo en 200 mV/div

y 20 us/div respectivamente para tener una visión mas clara de la forma de onda del segmento.

Otra recomendación a realizar es respetra la polaridad de los terminales del osciloscopio y FBT-6

en caso de conectarlos a una FDU o Instrumentos, a pesar que los transmisores ABB no presentan

polaridad en sus terminales de conexión.

Conectar osciloscopio y FBT-6 en terreno en cualquier FDU o dispositivo del segmento.

Imagen 1: Osciloscopio Fluke Imagen 2: FBT-6

Analizar formas de onda en el osciloscopio y parámetros en FBT-6.

Utilizar guía de soluciones para analizar posibles problemas en la Forma de Onda del

segmento en caso que exista una forma de onda Fieldbus anormal.

En caso que se haya detectado un parámetro anormal en el FBT-6, utilizar guía de

soluciones para encontrar el problema y la solución.

Si el problema encontrado corresponde a un dispositivo, utilizar el FBT-6 para encontrar

el dispositivo que esta con falla.

Realizar mantención requerida al segmento o dispositivo correspondiente.

Si es necesario realizar un cambio de dispositivo se debe comunicar con el operador para

mantenerlo informado de la situación.

Desconectar el equipo desde la FDU y realizar el cambio del dispositivo.

165

Una vez terminada esta maniobra avisar al operador que se conectará el equipo

Volver a medir la forma de onda de la señal con osciloscopio y parámetros de la

comunicación con el FBT-6.

En caso que el problema persista volver a realizar los pasos mencionados anteriormente

para encontrar el otro problema que pueda presentar el segmento.

2.2 Procedimientos para intervenir segmento en Parada General de Planta

Revisar segmentos en una parada general de planta se torna un poco mas sencillo, que en el

caso de segmentos en operación debido a que todos los segmentos del área se encuentran

disponibles para el personal de Mantención.

Se deberán recoger las estadísticas de segmentos Fieldbus recogidas durante todo el año

del mantenimiento preventivo a segmentos Fieldbus, y seleccionar los segmentos que han

presentado mayor cantidad de retransmisiones para medir el segmento.

Aquellos segmentos que durante el año hayan reportado fallas también se agregarán al

programa de revisión de segmentos de Parada General de Planta.

Cada año se seleccionan segmentos de determinadas áreas para realizar una medición de

los parámetros del cableado, esta actividad se denomina “Medición de segmentos”.

166

3.0 Mantenimiento preventivo de segmentos Fieldbus.

Con el fin de anticiparse a fallas futuras en segmentos Fieldbus se acordó en realizar un

plan de mantenimiento de segmentos Fieldbus en el área de licor, el plan consiste de lo

siguiente:

Verificar en DCS cual de las dos tarjetas redundantes H1 esta activa (1 o 2) y

luego resetear las estadísticas de los segmentos Fieldbus desde el DCS el día 15

de cada mes.

Realizar un levantamiento de las estadísticas de los segmentos Fieldbus 4 días

después de haberlas reseteado. Dentro de los datos a anotar se debe considerar el

número de retransmisiones del segmento y verificar cual tarjeta H1 se encuentra

activa.

En el caso que se detecte un cambio de tarjeta H1 a redundante con respecto a

una estadística anterior se debe registrar ese cambio para realizar mantención al

segmento en la próxima Parada General de Planta.

Todo segmento con un número mayor a 100 retransmisiones se registrará como

“prioridad para mantenimiento” dentro del registro de estadística de segmentos y

se realizará mantención en Parada General de Planta.

Los procedimientos descritos anteriormente se repetirán todos los meses.

Al llegar el mes de Abril de cada año se considerarán como prioridad para

mantenimiento los segmentos que hayan presentado más retransmisiones durante

el año.

167

4.0 Medición de segmentos.

La medición de segmentos consiste en medir valores de resistencia y capacitancia de un

segmento Fieldbus y compararlos con los valores referenciales entregados por los fabricantes del

cable y la Fundacion Fieldbus.

Para realizar la medición de segmentos de deben realizar los siguientes pasos:

Desconectar el segmento completo desde la Fuente alimentadora de lazo

Conectar Multitester en el extremo del cable troncal y medir la capacitancia y resistencia

del cable de acuerdo a la siguientes tablas 2 y 3, para luego comparar los valores

obtenidos con los valores esperados.

Medición Valor esperado

Resistencia entre cable + y cable - >50 KΩ

Resistencia entre cable + y shield >20 MΩ

Resistencia entre cable - y shield >20 MΩ

Resistencia entre cable + y tierra >20 MΩ

Resistencia entre cable - y tierra >20 MΩ

Resistencia entre shield y tierra >20 MΩ

Tabla 2: Valores de resistencia de referencia para medición de un segmento

Medición Valor esperado

Capacitancia entre cable + y cable - 1 uF

Capacitancia entre cable + y shield >300 nF

Capacitancia entre cable - y shield >300 nF

Capacitancia entre cable + y tierra >300 nF

Capacitancia entre cable - y tierra >300 nF Capacitancia entre shield y tierra >300 nF

Tabla 3: Valores de capacitancia de referencia para medición de un segmento

168

4.1 Mediciones normales para un segmento Fieldbus

Para poder identificar un segmento Fieldbus que este con problemas de comunicaciones,

se debe realizar primero mediciones con un Osciloscopio. Multitester y FBT-3 o FBT-6, luego de

recoger la información obtenida de los Instrumentos mencionados se debe comparar dichas

condiciones con valores referenciales de un segmento normal, A continuación se darán a conocer

los valores normales para un segmento Fieldbus, de tal manera que se pueda determinar la

medición que esta con problemas y buscar la solución correspondiente en la guía de soluciones.

Voltaje: El nivel de voltaje deberá estar entre los 9 y 32 Volts

Voltaje cc Condición

>32 V Muy alto

9-32 V Normal

<9 V Muy bajo

Tabla 4: Niveles normales de voltaje.

Nivel de señal: El nivel de la señal Fieldbus deberá entre los 250 mVpp y 1 Vpp

Nivel de señal (mVpp) Condición

>1000 Muy alto.

250 - 1000 Normal.

<250 Muy bajo.

Tabla 5: Niveles de señal normales.

169

Niveles de ruido: El FBT-6 son capaces de medir ruido en el segmento en tres bandas de

frecuencia, las cuales son; baja frecuencia, Frecuencia Fieldbus y Alta Frecuencia.

Nivel de ruido en

baja Frecuencia (mV)

Nivel de ruido en

frecuencia Fieldbus (mV)

Nivel de ruido en alta

frecuencia (mV)

Condición

<30 <50 <50 Bueno.

30 -75 50 – 150 50 – 150 Marginal.

>75 > 150 > 150 Demasiado Alto.

Tabla 6: Niveles normales de ruido en segmento Fieldbus.

Retransmisiones: El FBT-6 nos indica la cantidad de retransmisiones que están

experimentando cada dispositivo del segmento. Este parámetro nos permite saber cual de

los dispositivos es el que esta teniendo problemas.

170

5.0 Guía General de soluciones a problemas de comunicación en segmentos Fieldbus

Problema Posible causa Solución

Existen más de dos terminadores en el bus de

datos.

Revisar que solamente existan dos terminadores

en el bus. Amplitud de la señal

Fieldbus se encuentra

mas baja de lo normal. Los terminadores pueden tener falla.

Medir la Resistencia de los Terminadores con un

Multitester y comprobar que sea de 50Ω.

Falta de algún terminador en el bus de datos. Revisar que existan dos terminadores en el bus de

datos. Amplitud de la señal

Fieldbus se encuentra

más alta de lo normal. Los terminadores pueden tener falla.

Medir la Resistencia de los Terminadores con un

Multitester y comprobar que sea de 50 Ω.

Alto nivel de

Retransmisiones en

Estadísticas de DeltaV.

Problemas con el segmento en la capa Física H1. Realizar una mantención en terreno del segmento

como mantención preventiva.

Cable (-) conectado a tierra en instrumento que

presenta mayor cantidad de retransmisiones.

Verificar que el cable (-) no este haciendo

contacto con la carcaza metálica del Instrumento.

Alto nivel de

retransmisiones en un

dispositivo y LAS en

FBT-6. Agua o Condensación en dispositivo.

Comprobar que no existan rastros de agua o

condensación al interior de un dispositivo.

171

Interferencia de la red Eléctrica 50 Hz.

Verificar que no exista algún otro equipo con

falla conectado al mismo circuito de 220 Vac que

algún dispositivo del segmento.

Problema con conexión eléctrica 220 Vac en algún

dispositivo.

Verificar con un Multitester si algún dispositivo

conectado a al red eléctrica esta descargando

electricidad a tierra.

Instrumento con agua en su Interior.

En caso que el dispositivo presente agua en su

interior secar la superficie mojada y volver a

conectar, si el problema persiste se debe cambiar

el dispositivo.

Shield del segmento no esta aterrizado a tierra en

ningún punto.

Verificar que el cable Shield del segmento se

encuentre aterrizado a tierra solamente en un

punto.

Shield del segmento esta aterrizado a tierra en más

de un punto.

Verificar que el cable Shield del segmento se

encuentre aterrizado a tierra solamente en un

punto.

Mala conexión en un Instrumento.

Si el Instrumento tiene una conexión mala,

cambiar terminales.

Alto nivel de ruido peak o

promedio en baja

Frecuencia.

Instrumento no conectado a tierra.

Comprobar que el Instrumento este conectado a

tierra, de lo contrario conectar a tierra la carcaza

metálica de éste.

172

Alto nivel de ruido en

Frecuencia Fieldbus. Problema en el dispositivo.

Algún dispositivo que presente retransmisiones

esta en mal estado, se debe revisar completamente

el dispositivo si no se puede arreglar se debe

cambiar.

Alto nivel de ruido en alta

frecuencia.

Variadores de Frecuencia, encendido y apagado de

equipamiento de alta potencia.

Chequear que no exista un Variador de Frecuencia

en las cercanías produciendo interferencia en el

segmento.

Mala conexión de cable entre FDU y dispositivo.

Chequear que el cableado entre el dispositivo y la

FDU este correcto, e caso que se encuentra

deficiente realizar una conexión nueva cambiando

terminales de conexión.

Cable Shield mal conectado en un dispositivo.

Chequear que el cable Shield en el dispositivo este

cortado y aislado, mientras que en el extremo de

la FDU este bien conectado a esta, de modo

contrario mejorar conexión y/o aislamiento según

corresponda.

Insuficiente energía eléctrica al segmento.

Chequear que la energía que reciben los

dispositivos sea mayor a 9 V, en caso contrario

revisar salida de voltaje de fuente alimentadora de

lazo.

Excesivas


dispositivo, o el

dispositivo cambia

constantemente de

estados.

Cable (+) conectado a tierra en instrumento que

presenta mayor cantidad de retransmisiones.

Verificar que el cable (+) no este haciendo

contacto con la carcaza metálica del Instrumento.

173

Excesivas


dispositivo

Mal Cableado del Bus de Datos con FDU, Fuente

Alimentadora de lazo o tarjeta H1.

Revisar que exista una buena conexión entre la

primera FDU del segmento y

Cable Troncal demasiado largo.

Verificar de acuerdo a planos que la longitud del

troncal sea menor a la especificada por el tipo de

cable.

Cable dañado.

Realizar una medición del segmento, en caso que

el cable no cumpla con estándar se deberá

cambiar.

Transición lenta entre

cambios de estado.

Falta de terminador o terminador dañado.

Verificar que en el segmento existan 2

terminadores, en caso de existir una FDU Stonel

con terminador, verificar que su valor ohmico sea

de 50 Ω.

Mala conexión entre el dispositivo y la FDU.

Verificar el estado correcto de la conexión entre el

dispositivo y la FDU, si es necesario realizar un

cambio de puntillas..

Insuficiente energía eléctrica al dispositivo. Verificar con un Multitester que el voltaje en el

dispositivo sea mayor a 9 Vcc.

Puerto de la FDU con problema. Intentar colocar el dispositivo en otro puerto de la

misma u otra FDU del segmento.

Dispositivo no se esta

comunicando en el

segmento.

Corto circuito en un dispositivo. Chequear que no exista ningún corto circuito en el

dispositivo.

174

Hardware electrónico cambiado entre dos

dispositivos. (Transmisor de presión ABB).

Si se trata de un Transmisor ABB verificar que las

tarjetas de hardware electrónico sean del mismo

modelo que el dispositivo ya sea 600 o 2600.

Dispositivo necesita ser descargado. Realizar una descarga al puerto. Si no se corrige

la falla se debe cambiar el dispositivo. Estado desconocido de un

dispositivo.

Dispositivo produjo corto circuito (Posicionador).

Chequear que los terminales (+) y (-) del cable de

datos del dispositivo no estén haciendo

cortocircuito, si es necesario cortar cable con mala

aislación y colocar puntillas nuevas, luego quitar

alimentación eléctrica por 30 segundos al

dispositivo para luego volver a conectar.

Corto circuito en un cable troncal del segmento.

Chequear que no exista un corto circuito en

alguna parte de un troncal del segmento Fieldbus,

En caso que exista uno se deberá corregir esta

situación, luego de reparar el problema se deberá

chequear que todos los dispositivos estén en

estado “Comissioned” en DCS. Si algún

dispositivo como un posicionador está en estado

desconocido se deberá desconectar la energía al

posicionador y luego conectarla.

Perdida de comunicación

con el segmento completo

en DSC

Cable troncal mal apretado en FDU.

Chequear correcta conexión de cable troncal en

FDU.

175

Cableado fuera de estándar.

Realizar una medición completa del segmento y

verificar que la capacitancia este entre los

parámetros normales. En caso contrario cambiar

cable.

Perdida de comunicación

con el segmento completo

en DSC.

.

Voltaje menor a 9 Vcc o superior a 32 Vcc en el

segmento.

Comprobar que la fuente de poder este

funcionando correctamente, en caso contrario se

debe cambiar.

No es posible cambiar de

estado fuera de servicio a

automático un dispositivo

en DCS.

Dispositivo en mal estado.

Desenergizar el dispositivo y luego energizarlo.

Decomisionar y volver a comisionar el dispositivo

Realizar calibración al dispositivo.

Cambiar el dispositivo por uno nuevo.

Mala polaridad de cable de datos en Instrumento. Si se trata de un posicionador chequear que la

polaridad del cable este correcta.

Transmisor de Presión necesita reiniciar el

hardware.

Realizar un cold Start al Transmisor por 30

segundos.

No es posible comisionar

un Dispositivo

Tarjetas electrónicas de Hardware descambiadas.

Si se trata de un transmisor de presión ABB

chequear que la tarjeta electrónica interna sea del

mismo modelo que el transmisor.

Voltaje menor a 9 Vcc o

superior a 32 Vcc en el

segmento.

Cable Troncal demasiado largo. Chequear que la longitud total del cable troncal

segmento sea menor a 1900 m.

176

Fuente de poder en mal estado.

Verificar con un multitester que el voltaje de

salida en la fuente de poder sea mayor a 9 V y

menor a 32V. en caso contrario se deberá cambiar. Voltaje menor a 9 Vcc o

superior a 32 Vcc en el

segmento. Fuente Alimentadora de lazo.

Comprobar que la Fuente alimentadora de lazo

esté entregando un voltaje entre 9 y 32 V al

segmento. En caso contrario se deberá cambiar.

5.1 Guía de formas de onda segmentos Fieldbus.

Forma de Onda Posible Causa Solución

Amplitud demasiado alta de la señal

Falta de 1 terminador en el segmento

Chequear que existan dos terminadores en el

segmento, en caso que falte uno, se deberá

activar el switch de terminador

correspondiente en La FDU o Fuente

alimentadora de lazo, en caso que se trate de

una FDU Stonel agregar terminador externo.

177

Amplitud demasiado baja de la señal

Terminador extra en el segmento

Chequear que existan dos terminadores en el

segmento, en caso que sobre uno, se deberá

desactivar el switch de terminador

correspondiente en La FDU o Fuente

alimentadora de lazo, en caso que se trate de

una FDU Stonel quitar terminador externo.

Baja Amplitud de la señal

Señal Triangular (Efecto Integrador)

Medir el segmento completo para comprobar

que los valores de resistencia y capacitancia

estén dentro de los rangos admitidos, en caso

que algún valor se encue3ntre alterado se

deberá cambiar el cableado que no cumpla con

el estándar.

Instrumento no aterrizado a tierra

(Transmisor de flujo)

Chequear que todos los Instrumentos estén

conectados a tierra especialmente aquellos que

se conectan a energía eléctrica 220 Vac.

178

Alto nivel de Jitter. El Jitter es el

tiempo que se tarda la señal de pasar

de un estado bajo a uno alto.

Verificar la correcta instalación del Shield y

Tierra de Instrumento en los dispositivos del

segmento, especialmente en dispositivos que

estén conectados a energía eléctrica con 220

Vac.

Interferencia Electromagnética

Apertura y cierre de Interruptores

Armadura no aterrizada a tierra

Revisar conexión correcta de Armadura de

cable a tierra en el segmento, si existe algún

Transmisor de flujo chequear su correcta

conexión a los 220 Vac.

Chequear que la energía eléctrica alterna de

220 Vac este llegando con una forma de onda

senoidal y frecuencia de 50 Hz. Chequear si

alguna carga inductiva muy cercana al

segmento este haciendo alguna clase de

interferencia.

179

Problemas con Shield en el segmento

Instrumento no conectado a tierra

Verificar que el cable Shield del segmento no

se encuentre cortado en algún punto.

Comprobar el correcto aterrizaje del Shield en

el segmento.

Comprobar que todos los dispositivos del

segmento estén conectados a tierra.

Shield sin conectar a tierra

Chequear que el Shield en el extremo de la

Fuente alimentadora de lazo este conectado a

tierra, comprobar calidad de la conexión a

tierra con Multitester o Megger.

180

ANEXO 2 DeltaV 1.0 Introducción.

DeltaV es un sistema de automatización muy utilizado en plantas Industriales ya que

permite un software y hardware de fácil uso, además permite definir alarmas y monitorear las

variables controladas y manipuladas con una interfaz grafica amigable para el operador. El

sistema DeltaV por ser un sistema de control distribuido (DCS) comúnmente se le denomina

DCS.

DeltaV utiliza protocolos de buses de campo para comunicarse con los dispositivos de

campo, en el caso de planta Valdivia el DCS utiliza tres tipos de protocolos, los cuales son:

Fieldbus Foundation, Profibus y DeviceNet.

La comunicación entre el controlador y la estación de trabajo se realiza mediante una

conexión IP a través de la red local, la cual se puede implementar con mecanismos que evitan la

pérdida de comunicación.

DeltaV ha tenido ya 11 versiones desde la 5.3 hasta la 10.3, cabe destacar que en planta

Valdivia el DCS opera con el Sistema DeltaV versión 9.3. La imagen 1 muestra un ejemplo de la

interfaz grafica del sistema DeltaV.

Imagen 1: Interfaz grafica de DeltaV.

181

2.0 Operaciones realizadas con DeltaV en el trabajo de titulación.

Durante todo el desarrollo del trabajo de titulación se mencionó el sistema DeltaV en

varias operaciones, tales como comisionar dispositivos, verificar el estado de estos, ver las

estadísticas del segmento, etc. A continuación se hará una breve guía de los pasos a seguir para

utilizar el sistema DeltaV en el comisionamiento y diagnostico de un segmento y/o dispositivos

Fieldbus.

2.1 Explorer DeltaV.

Esta es una de las pantallas principales del sistema, en esta se pueden visualizar los

dispositivos del sistema, ya sean controladores, tarjetas Fieldbus H1, dispositivos de campo. Para

visualizar un segmento Fieldbus se debe ingresar en el menú de la pantalla Izquierda a Physical

Network y se abrirán todos los controladores existentes, se debe seleccionar el controlador que se

desea para luego seleccionar I/O, aparecerán todas las tarjetas Fieldbus H1, se debe seleccionar

la que se desee explorar y luego seleccionar el puerto 1 o 2 de la tarjeta para abrir el segmento.

Luego de esto se pueden ver los dispositivos que están conectados en ese segmento. La imagen 2

muestra un ejemplo de la pantalla del explorador del DeltaV.

Dentro de los dispositivos que se encuentran en el puerto seleccionado se puede ver una

pestaña que dice Decomissioned Fieldbus Device, estos corresponden a dispositivos que están

conectados en el segmento, pero no están comisionados.

182

Imagen 2: Explorer – DeltaV.

2.2 Comisionamiento de un dispositivo

Para comisionar un dispositivo se debe ir al DeltaV Explorer y seleccionarlo de la lista de

dispositivos decomisionados, al seleccionar el dispositivo a comisionar se debe hacer clic con el

botón secundario del Mouse sobre el dispositivo y luego seleccionar “Fieldbus Device

Properties” para ver las propiedades del dispositivo tales como, fabricante, TAG, revisión,

dirección, tipo del dispositivo, etc. Luego se debe cerrar la pantalla de propiedades del dispositivo

para volver a hacer clic con el botón secundario del mouse y hacer clic en la opción “Take

Offline”, con esto el dispositivo se llevará a estado de Standby, si previamente el dispositivo ya

estaba en estado de Standby se debe obviar el paso anterior. La imagen 3 muestra un dispositivo

en Standby en el explorador del DeltaV.

Imagen 3: Dispositivo Fieldbus en Standby.

183

Luego que se han realizado los pasos anteriores se puede comisionar el dispositivo, para

realizarlo se debe seleccionar el dispositivo y arrastrarlo hasta el icono del puerto que

corresponda del menú del lado izquierdo de la pantalla tal como se indica en la imagen 4.

Imagen 4: Comisionando un dispositivo

Luego aparecerá una pantalla como la que se muestra a continuación que pedirá la

confirmación de la operación, donde se deberá pulsar el botón “Next”.

Imagen 5: Pantalla de inicio de comisionamiento

184

Luego aparecerán dos pantallas como las que se muestran a continuación donde habrá que

seleccionar la opción Next y Finish para terminar con el comisionamiento del dispositivo,

después de todos estos pasos, el dispositivo ya comisionado se habrá borrado de la lista de

dispositivos decomisionados del explorador del DeltaV y aparecerá en la lista de los dispositivos

comisionados en el puerto en el lado izquierdo de la pantalla.

Imagen 6: Pantalla Termino de comisionamiento

Posteriormente se requerirá realizar una descarga del dispositivo debido al cambio en la

configuración del sistema efectuado recientemente, es por eso que al lado del icono del puerto

aparece un triangulo de color azul que indica que el puerto necesita ser descargado, para

descargar el puerto se debe hacer clic con el botón secundario del Mouse sobre el puerto e ir a la

opción “Download Port”. La imagen 7 muestra que el puerto debe ser descargado y la imagen 8

muestra el avance del proceso de descarga del puerto.

Imagen 7: Icono Descarga puerto Imagen 8: Proceso de descarga del puerto

185

2.3 Status y configuración de un dispositivo

Una vez comisionado el dispositivo se puede verificar el status del dispositivo y ver la

configuración de este, para lograr esto se debe hacer clic con el botón secundario del Mouse

sobre el dispositivo e ir a la opción Status/Conditions, aparecerán los bloques del dispositivo

como se ve en la imagen 9.

Imagen 9: Status y condiciones de un dispositivo

Los dispositivos Fieldbus poseen unos bloques en los cuales se pueden ver el status y

condiciones del dispositivo, también en esta opción se puede realizar una calibración o

configuración del dispositivo. Todos los dispositivos poseen un bloque RESOURCE y uno o

mas bloques TRANSDUCER. El bloque RESOURCE contiene la información de identificación

del dispositivo, procesos, alarmas, modos de operación entre otros, mientras que los bloques

TRANSDUCER contienen información del sensor del dispositivo, temperatura, calibración,

modos de operación, etc.

186

Al hacer clic en la opción de Status/Conditions solamente se podrán visualizar las

condiciones del dispositivo, mientras que si se selecciona la opción de “Configure” se podrán

modificar los parámetros de configuración y calibración del dispositivo.

Si al momento de ver el status del dispositivo se encuentra algún bloque con alarmas en

color rojo se deberá revisar cada bloque para verificar la razón de las alarmas, los motivos por los

cuales se activan las alarmas pueden ser varias, entre las mas comunes están calibración

necesaria, sensor con falla, bloques Transducer o Resource fuera de servicio entre otros.

Imagen 10: Status de un dispositivo con falla

En la imagen 10 que se muestra arriba se puede ver que el dispositivo se encuentra con

falla debido a que en la parte del sensor hay una alarma por falla en la señal del electrodo.

Cuando algún bloque se encuentre con alarma de fuera de servicio, se debe ir a configurar

el dispositivo haciendo clic con el botón derecho del mouse sobre el dispositivo y marcar la

opción Configure. Una vez allí se deben cambiar los modos de los bloques que se encuentren

fuera de servicio.

187

Al ingresar al bloque que esta Fuera de servicio se debe cambiar la opción del modo

Target de Fuera de servicio a manual como se muestra en la imagen 11.

Imagen 11: Cambio de modo de operación en un dispositivo.

Después de cambiar el modo Target de Fuera de Servicio a Automático el modo actual

cambiará de modo fuera de servicio a Automático. En el ejemplo de la imagen anterior en la

sección donde dice modo permitido no se encuentra habilitado el modo manual, por lo tanto ese

bloque nunca pasará a modo manual.

En el caso que un bloque se encuentre Fuera de Servicio en el modo Target, se le cambie a

Automático, pero en el modo actual continué en modo Fuera de servicio se deberá realizar lo

siguiente.

Desconectar la energía eléctrica al dispositivo y luego conectar otra vez.

Si el problema sigue realizar una calibración al dispositivo.

Si el problema sigue eliminar el dispositivo del puerto y comisionarlo de nuevo

Si el problema persiste se deberá cambiar el dispositivo o una parte de él si se descubre la

falla.

188

2.4 Diagnostics DeltaV

Esta ventana nos permite revisar el diagnostico completo del puerto (segmento) y los

dispositivos de este, entre los parámetros que nos permite visualizar esta ventana están: la

Integridad completa del segmento, el estado de los dispositivos, su dirección en el sistema, las

estadísticas del puerto y los dispositivos, etc.

Para poder acceder a la ventana Diagnostics DeltaV se debe hacer clic con el botón

secundario del mouse sobre el puerto a diagnosticar y la ventana Diagnostics aparecerá.

Imagen 12: Diagnostico del DeltaV

Imagen 13: Diagnostico del DeltaV con registro de eventos.

189

Las imágenes anteriores son un ejemplo de cómo se ven en la realidad, en la imagen se ve

en la parte inferior un registro con la fecha y hora de todos los eventos ocurridos en el sistema

completo, no solo en un controlador, sino que en el sistema completo.

Otro punto a considerar de la herramienta de diagnostico son las estadísticas tanto del

puerto como de los dispositivos por separado que se pueden visualizar. Para visualizar las

estadísticas del puerto es necesario hacer clic con el botón secundario del mouse sobre el puerto e

ir a la opción Port Statistics tal como se muestra en la siguiente imagen 14.

Imagen 14: Estadísticas de comunicación de un segmento Fieldbus.

De la imagen anterior se debe considerar el parámetro Total DII Retries, que indica la

cantidad de retransmisiones que existieron en el puerto.

Si se desea visualizar las estadísticas de un dispositivo se debe hacer clic con el botón

secundario del Mouse sobre el dispositivo e ir a la opción Fieldbus Device Communication

190

Statistics tal como se muestra en la siguiente imagen. Para este caso el parámetro a poner

atención será el NumDIIRetries, que indica la cantidad de retransmisiones que experimento el

dispositivo. (Véase Imagen 15).

Imagen 15: Estadísticas de comunicación de un dispositivo Fieldbus.

191

ANEXO 3 DIAGRAMAS DE FLUJO PROCEDIMIENTOS SOLUCION A PROBLEMAS

EN SEGMENTOS FIELDBUS

192

Conectar osciloscopio

y FBT-6 en una FDU

del segmento

Analizar F.D.O. y

Parametros del FBT-6

del segmento

¿Mediciones en

Osciloscopio y

FBT-6 OK?

¿Se requiere

revisar el equipo

en profundidad?

SI

¿Forma de Onda

y FBT-6 OK?

¿Se han

Chequeado todas

las F.D.U. del

segmento?

Medicion de

Segmentos

Inspeccion en terreno

del segmento

Avisar a operador

que se

desconectará

equipo

Desconectar

Equipo desde la

F.D.U.

Realizar

Mantencion en

profundidad

Avisar a Operador

que se conectará

Equipo

SI

Realizar gestiones

para retirar

forzado

Normalizar

segmento desde

DCS

¿Se resolvio la

falla del

segmento?

Fin de la

Mantencion Sí

Sí

NO

No

Analizar Forma de onda

y FBT-6 con guia de

soluciones segmentos

Fieldbus

De acuerdo a Guia de

soluciones Identificar el

problemas y la posible

solucion

¿Se ha

identificado el

problema y la

solución ?

NO

Realizar la acción

descrita en guía

de soluciones

SI

¿Mediciones en

Osciloscopio y

FBT-6 OK?

NO

NO

No

No

SI

194

ANEXO 4

Celulosa Arauco y Constitución S.A. Planta Valdivia

“Procedimientos de puesta a tierra Armadura cable Fieldbus”

REV. EMISIÓN FECHA DESCRIPCIÓN PREPARADO POR FIRMA FECHA

0 A Germán Hernández Miller

REVISADO POR FIRMA FECHA

Carlos Araneda

195

1.0 Introducción

Este estándar ha sido desarrollado por la

Superintendencia de Electrocontrol con el

fin de guiar tanto a las Instalaciones futuras

de segmentos Fieldbus en la Planta como

para los segmentos Fieldbus ya instalados

que requieran de mejoras en la conexión a

tierra de la armadura de los cables Fieldbus.

El objetivo de este estándar es crear un

procedimiento para conectar a tierra las

armaduras de los cables Fieldbus dentro de

la planta de una manera segura, eficaz y

evitando los efectos de la corrosión en

dichas armaduras. Entre los pasos que se

incluyen están la preparación de los

conductores, materiales y herramientas a

utilizar, procedimientos, etc.

Además, este estándar contiene los

procedimientos para conectar a tierra tanto la

carcaza del Instrumento como la armadura

del cable Fieldbus en el extremo donde se

conecta a la FDU.

Un esquema general del trabajo a realizar

se muestra en la figura 1.

Fig 1: Trabajo a realizar

2.0 Materiales a utilizar.

Para realizar el proceso de conexionado a

tierra de las armaduras de los cables

Fieldbus se utilizaran los siguientes

materiales

Conector Crouse Hinds TMC 165

Construido 100% en Aluminio posee un

resorte interno que permite presionar la

armadura. Este conector se encuentra en la

medida de ½ NPT, por lo cual si se desea

alguna otra medida para un Instrumento se

deberá utilizar un adaptador de Aluminio y

de esa manera evitar una corrosión

galvánica.

196

Figura 2 Conector TMC 165

Cable 2X18 AWG Belden 123076F

Este cable posee Armadura de Aluminio y

junto con el conector TMC 165 evitan la

corrosión galvánica de una manera eficaz.

Imagen 3: Cable Fieldbus Belden

Riel metálico y Abrazadera Lappkabel

Ambos construidos en Acero Galvanizado se

utilizarán para aterrizar la armadura del

cable Fierldbus en el extremo de la FDU, el

cual se instalará apernado a la estructura

metálica de la caseta de la FDU, la cual ya

esta aterrizada a tierra.

Imagen 4: Riel metalico y prnsa lappkabel

Puntillas Starfix 1 mm.

Las puntillas Starfix se instalarán en los

extremos de los cables de datos de los

conductores (+), (-) y Shield en el extremo

de la FDU y en el Instrumento para el caso

de los posicionadotes METSO, las puntillas

Starfix ayudan a que la conexión del cable

de comunicación sea mejor y se evite un mal

contacto que puede generar ruido en la

comunicación.

Terminal de horquilla 22-16 AWG

Este Terminal se utiliza para los conductores

(+) y (-) del cable Fieldbus en el extremo del

Instrumento una vez que el conector TMC

165 ya este instalado.

Imagen 5: Terminal horquilla

197

Termocontraible Raychem: El

termocontraible es un tubo que se contrae al

aplicarle calor, en este caso se utiliza para

aislar el cable shield del resto de los

conductores en el extremo de la FDU,

además se utiliza para cubrir uniones de

cables y sellar conductores eléctricos donde

puede introducirse agua o algún elemento

que pueda dañar el cable.

Imagen 6: Termocontraible Raychem

Cable de Cobre multihilo 12 AWG verde:

Este conductor es el utilizado para poner a

tierra la carcaza metálica del Instrumento

Imagen 7: Cable TAG 12 verde

3.0 Procedimientos de Instalación del

conector TMC 165.

Para realizar la conexión del TMC 165 de

manera satisfactoria se deberá seguir las

siguientes indicaciones.

Una vez que el cable este tendido se

debe cortar la chaqueta exterior del cable

de PVC amarilla por una longitud de 25

cm. desde el extremo del cable.

Imagen 8: Longitud de aislación a cortar.

Posteriormente se debe cortar la

chaqueta exterior de PVC del cable,

armadura y aislación interna de

acuerdo a las medidas mencionadas

en la imagen siguiente además se

debe colocar la protección de goma

negra a la distancia indicada en la

figura.

Imagen 9: medidas de corte en cable a

realizar.

198

Después se debe instalar el conector

TMC 165 sobre el cable ya preparado

y procurar utilizar la llave francesa

adecuada.

Imagen 10: Instalación del conector

TMC 165

Una vez que el conector TMC 165 ya

este instalado en el cable se debe

instalar los terminales de horquilla o

starfix (dependiendo del

Instrumento) en los extremos de los

cables (+) y (-) utilizando una

crimpeadora para terminales de

conexión, como se muestra en la

siguiente figura.

Imagen 11: Terminales de horquilla

instalados en instrumento

Para finalizar se deben conectar los

terminales al instrumento, apretar el

conector TMC 165 al conector del

instrumento y cerrar completamente

el instrumento.

Imagen 12: Finalización del trabajo

Un método para comprobar si el conector

TMC 165 esta instalado correctamente es

simplemente utilizar un multitester y medir

continuidad entre un punto de la armadura

del cable y la parte externa del conector.

4.0 Instalación de Riel metálico y prensa

Lappkabel

El riel metálico y la prensa Lappkabel serán

utilizados para aterrizar las armaduras de los

cables Fieldbus en el extremo de la FDU.

199

Lo primero que se debe hacer será

cortar un trozo de 30 cm. de riel

metálico para ser colocado en el

mismo lugar donde están aterrizadas

las armaduras de los cables Fieldbus,

tal como se muestra en la imagen 14.

Imagen 13: trozo de termocontraible de

30 cm. a cortar.

Imagen 14: Actual sistema de

aterrizamiento armadura cable Fieldbus.

Cabe destacar que para afirmar el riel

metálico a la estructura de la caseta

de la FDU se utilizarán los mismos

pernos actuales, en caso que estos

estén dañados o corroídos se

cambiarán por unos nuevos.

En caso que se desee reutilizar un

cable Fieldbus, al momento de

aterrizar la armadura con el riel

metálico se debe verificar que la

armadura no presente signos de

corrosión, en caso contrario no se

podrá reutilizar el mismo cable. En el

caso de la imagen 14 esos

conductores pueden ser reutilizados

ya que las armaduras no presentan

signos de corrosión y bastará solo

con realizar una limpieza con una

solución limpiadora anticorrosivo.

Una vez cortado el riel e instalado se

debe proceder a preparar las

armaduras de los cables para ser

aterrizadas con las prensas

correspondientes, una vez estén

instaladas todas las prensas sobre el

riel metálico, el resultado deberá ser

similar al de la imagen 15.

200

Imagen 15: Finalización del trabajo.

Como medida adicional contra la

corrosión se aplicará un trozo de

termcontraible en cada espacio donde

se haya quitado la aislación del cable

Fieldbus y pueda ingresar agua al

interior del cable y dañarlo, un

ejemplo de esta práctica se muestra

en la imagen 16.

Imagen 16: Aplicación de termocontraible

Universidad Austral de Chile · 2020. 6. 12. · Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias...

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