Estudio y Diseño de una Plataforma de Entrenamiento de Alto Nivel en Control Electrónico a partir de Sistemas de Control Distribuido (DCS)

David Alberto Luz Luz Luis Gerardo Forero Pardo

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS” FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA EN CONTROL BOGOTÁ COLOMBIA 2015

Estudio y Diseño de una Plataforma de Entrenamiento de Alto Nivel en Control Electrónico a partir de Sistemas de Control Distribuido (DCS)

DAVID ALBERTO LUZ LUZ LUIS GERARDO FORERO PARDO

Proyecto de grado para optar al título de: Ingeniero en Control

Director Ing. M.Sc. MBA. ANDRÉS ESCOBAR DÍAZ

MONOGRAFÍA DE GRADO

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS” FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA EN CONTROL BOGOTÁ COLOMBIA 2015

ii

iii

Dedicatoria

A la Esencia Creadora por ser mi guía en todo momento y brindarme la oportunidad de adquirir un conocimiento y aplicarlo en el diario vivir. A mis padres pero principalmente a mi madre (hijo único de madre soltera) por ser mi mayor aliciente y orgullo. A mi núcleo familiar y hermanos de la vida por brindarme su afecto, apoyo y paciencia. A los compañeros y amigos que se forjarón en este bello ciclo académico y por último y no menos importante a mi fiel amigo y compañero Duke. Gracias Totales. DAVID ALBERTO LUZ LUZ

Dedicatoria A Dios por todas las bendiciones que ha puesto en mi caminar. A mi linda madre, persona incondicional que día a día me ha llenado de amor y quien me ha acompañado en mi proyecto de vida y con sus tan incomparables consejos ha sabido guiar mis pasos. A mi hermosa esposa, amor de mi vida, con quien he compartido los mejores momentos y de quien he recibido el apoyo necesario para alcanzar los objetivos propuestos. A mi Príncipe Sebastián y mi Princesita Sophia, quienes han convertido mi vida entera en un paraíso de felicidad y quienes me enseñan día a día a proyectar nuevas metas. A mi mamita Leo, que desde donde este, guia mi camino con su luz. A mis amigos. LUIS GERARDO FORERO PARDO

iv

Agradecimientos

Los autores expresan sus agradecimientos a: El profesor Andrés Escobar Díaz por apoyarnos con su conocimiento y ser una guía invaluable en la ejecución de este proyecto. A YOKOGAWA Colombia S.A.S por abrir sus puertas de manera desinteresada, por permitirnos obtener información de primera mano y destinar tiempo y conocimiento a nuestro proyecto, principalmente a los profesionales que estuvieron involucrados como fueron, el Ingeniero Jhon Guillermo Bonilla Alturo (Gerente de Proyectos e ingeniería), al ingeniero Edward Javier Chaparro Soto (Área de Ingeniería y Servicios) y el ingeniero Francisco Cuevas (Área de Propuestas y ventas), sin ellos nos hubiera sido más complicado desarrollar nuestro proyecto. Y a todas aquellas personas que de una u otra manera han participado en el desarrollo de este proyecto.

v

Resumen

Este artículo se presenta el estudio y diseño de una plataforma de entrenamiento académico a partir del concepto de Sistemas de Control Distribuido (DCS). En su desarrollo se describen los variados componentes, características y parámetros que hacen parte del diseño de la plataforma. Para tal fin, se estudiaron diferentes fabricantes que distribuyen equipos para el desarrollo y la implementación de sistemas de control de procesos basados en tecnología DCS con presencia en la industria Colombiana. Tomando como base del estudio al fabricante YOKOGAWA, dicha decisión soportada en criterios técnicos, documentales y de asesoría personalizada. Para tener una visión más amplia de los sistemas y equipos denominados por el fabricante YOKOGAWA como de alta gama (STARDOM, PROSAFE-RS, PLC FAM3V y CENTUM VP), se estudia su función en los procesos productivos, características y las principales arquitecturas de automatización y control que el mismo fabricante desarrolla. Realizando el mayor énfasis en el Sistema de Control Distribuido, CENTUM VP, por ser el objetivo principal de este proyecto. Como resultado del estudio se consolida un diseño acorde con la normatividad en protecciones eléctricas, de equipos, de los usuarios de la plataforma entre otras normas o estándares, estudiados e implementados en el diseño final.

Palabras clave: Plataforma de entrenamiento, DCS, YOKOGAWA, STARDOM, Sistema Integrado de Seguridad, CENTUM VP

vi

Abstract

This paper describes the study and design of a platform of academic training comes from the concept of Distributed Control Systems (DCS). In its development the various components, features and parameters that are part of the design of the platform are described. For this purpose, various manufacturers that distribute equipment for the development and implementation of control systems based on DCS technology presence in the Colombian industry processes were studied. Based on the manufacturer YOKOGAWA study, it supported the decision on technical, documentary and personalized advice criteria. To get a broader view of systems and equipment referred to by the manufacturer as senior YOKOGAWA (STARDOM, PROSAFE-RS, PLC FA-M3V and CENTUM VP ), its role in the production process, the main features and automation architectures is studied and control the same manufacturer develops. Realizing the increased emphasis on distributed control system, CENTUM VP, as the main objective of this project. As a result of a design study is consolidated in accordance with the regulations on protection of electrical equipment, users of the platform among other regulations or standards, studied and implemented in the final design.

Keywords: Training Platform, DCS, YOKOGAWA, STARDOM, Integrated Security System, CENTUM VP,

vii

Índice general

Portada

II

Dedicatoria

IV

Agradecimientos

V

Resumen

VI

Abstract

VII

Lista de Figuras

XIII

Lista de Tablas

XV

Lista de Anexos

XVI

Glosario

XVII

Objetivos

1

INTRODUCCIÓN

2

1 MARCO DE REFERENCIA 1.1 AUTOMATIZACIÓN 1.1.1 EVOLUCIÓN HISTORICA DE LOS SISTEMAS AUTOMATIZADOS Y DE CONTROL 1.2 MODELO CIM (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING) 1.2.1 SISTEMA ERP (Enterprise Resource Planning) 1.2.2 Sistema MES (Manufactoring Execution Systems) 1.2.3 SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition) 1.2.3.1 Tipos de datos de un sistema SCADA

4 4

viii

5 9 11 12 13 14

ix 1.2.4

1.3 1.4

Sistema de Control 1.2.4.1 Controladores Analógicos Programables (PAC) 1.2.4.2 Sistema de Control Distribuido (DCS) 1.2.4.3 Unidad de Terminal Remota (RTU) 1.2.5 Nivel de Instrumentación Comparativa entre PLC Y DCS Comparativa entre SCADA Y DCS.

15 16 17 24 24 25 27

2 ESTUDIO FABRICANTE. 29 2.1 Arquitecturas de fabricantes de tecnología DCS 33 2.1.0.1 Sistema de Control Distribuido DCS OVATION y DELTA V de EMERSON 33 2.1.0.2 Sistema de Control Distribuido EXPERION de HONEYWELL 36 2.1.0.3 Sistema de Control Distribuido SIMATIC PCS7 de SIEMENS. 39 2.2 JUSTIFICACION DE LA ESCOGENCIA DEL FABRICANTE PARA EL ESTUDIO 42 2.2.1 CRITERIOS DE SELECCION PROVEEDORES DE SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO EN COLOMBIA. 43 2.2.1.1 Conectividad 47 2.2.1.2 Software 47 2.2.1.3 Hardware 49 2.2.1.4 Desempeño 50 2.2.1.5 Disponibilidad de información 51 3 EQUIPOS YOKOGAWA 53 3.1 COMPONENTES DE ARQUITECTURAS DESARROLADAS POR YOKOGAWA 53 3.1.1 STARDOM (Network Based Control Systems) 53 3.1.1.1 Componentes que integran STARDOM 55 3.1.2 PROSAFE-RS Safety Instrumented Systems (SIS) 64 3.1.3 PLC FA-M3V 67 3.2 ARQUITECTURA DE INTERCONEXION DE CADA EQUIPO EN PLANTA 69 3.2.1 ARUITECTURA CON STARDOM. 70 3.2.2 ARQUITECTURA CON ProSafe-RS. 70 3.2.3 ARQUITECTURA CENTUM VP, STARDOM y PLC FAM3V. 71

x 3.2.4

Comparativa de los 4 equipos de alta gama de control de YOKOGAWA.

4 SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO CENTUM VP YOKOGAWA 4.1 ¿Que es YOKOGAWA? 4.2 Sistema de Control Distribuido CENTUM VP de YOKOGAWA 4.3 CARACTERISTICAS DEL SISTEMA CENTUM VP 4.3.1 Estándares industriales 4.3.2 SISTEMA ESCALABLE E INTEGRABLE 4.4 ARQUITECTURA DEL SISTEMA CENTUM VP. 4.4.1 ESTACIONES DE TRABAJO HMI 4.4.2 ESTACION DE CONTROL DE CAMPO (FCS). 4.4.3 Comunicación 4.5 ESPECIFICACIONES TECNICAS CENTUM VP 4.5.1 Unidades de Control de Campo (FCU) Disponibles en CENTUM VP 4.5.1.1 Unidad de control de Campo AFV10S y AFV10D 4.5.1.2 Unidad de control de Campo AFV30S y AFV30D 4.5.1.3 Unidad de control de Campo AFV40S y AFV40D 4.6 Implementacion Sistema CENTUM VP en planta

72

74 74 75 77 77 78 78 80 81 82 83 84 84 85 86 87

5 ELABORACIÓN DISEÑO, NORMATIVIDAD Y CARACTERISTICAS PLATAFORMA 89 5.1 Normatividad y Estandares aplicados en el diseño. 90 5.1.1 Normatividad y Estandares de equipos y componentes de la plataforma. 92 5.2 Caracterización o justificación de entradas/salidas de la plataforma. 97 5.3 Hardware Yokogawa incorporado en la plataforma 98 5.3.1 Unidad de control de campo (FCU). AFV10 D 99 5.3.2 Entradas y salidas análogas. AAI841 102 5.3.3 Entradas y salidas digitales. ADV581 104 5.3.4 Módulo de Comunicación FieldBus. ALF111 fuente de alimentación, acondicionador de señal, segmento de señal 105 5.3.5 Modulo de Comunicación Profibus-DP ALP121 107 5.3.6 Modulo de Comunicacion Ethernet ALE111 109 5.3.7 Terminal Blocks. 110 5.3.8 Terminal Boards 111 5.3.9 Software 112

xi 5.4

DISEÑO FINAL 5.4.1 REQUISITOS OBLIGATORIOS PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD EN LOS TABLEROS ELECTRICOS. 5.4.2 Partes que conforman la plataforma de entrenamiento 5.4.2.1 Bornas y Cableado. 5.4.2.2 Sistema de acondicionamiento de señales. 5.4.2.3 Etapa de potencia y protección eléctrica. 5.4.2.4 Pantalla Tactil 5.4.2.5 Switch 5.4.3 Elaboracion Diseño Final

116 116 118 118 121 122 123 124 125

CONCLUSIONES

128

Bibliografía

130

Índice de figuras

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Proceso Automatizado (Los Autores) Modelo piramidal CIM.(Los Autores) Modulos que integran el sistema ERP.[7] Interfaz de un Sistema SCADA.(Los Autores) Vision sistema DCS/SCADA.[13] Los 7 pasos para mejoramiento de gestion de alarmas.[14] Instrumentación de medición. Los Autores

4 10 12 15 19 21 25

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Componentes Funcionales de un DCS.[20] Arquitectura basica de un DCS.[19] Caracteristica de disposicion vertical DCS DELTA V.[22] Arquitectura DCS DELTAV.[23] Controlador Honeywell C300 Y C200.(Los Autores). Arquitectura de plataforma EXPERION.[24] Controlador S7 400 sistema SIMATIC PCS7.[26] Arquitectura del sistema SIMATIC PCS 7.[27]

30 33 35 36 37 39 40 42

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13

Fuente y procesador STARDOM. Los Autores 54 Componentes de STARDOM. Los Autores 55 FCN (Nodo de Control de Campo) y demas componetes STARDOM.[29] 55 Dimensión y configuración modulo base FCN.(Los Autores) 57 Especificaciones y dimensiones CPU de la FCN.[30] 58 Equipo Unión de control de campo (FCJ).[31] 61 Especificaciones CPU y salidas Analogas del FCJ.[32] 61 Arquitectura supervisada por FAST TOOL.[33] 63 : Implementación VDS en entorno STARDOM.[34] 64 Equipo ProSafe-RS.(Los Autores) 65 PLC modular FA-M3V.[37] 68 Arquitectura de conexión con el equipo STARDOM.[39] 70 Arquitectura de conexión con el equipo ProSafe.[39] 71 xii

xiii 3.14 Arquitectura de tecnologia YOKOGAWA.[39]

71

4.1 4.2 4.3

Evolucion Sistemas de Control Distribuido de Yokogawa.[40] Configuración básica CENTUM VP.[40] Arquitectura de conexión con el equipo CENTUM VP.[41]

74 80 88

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26

FCU AFV10 montaje Rack de 19 pulgadas. Los Autores Dimensiones AFV10S.[45] Módulo Análogo Yokogawa. Los Autores Modulo Digital Yokogawa. Los Autores Especificaciones Modulo Entradas Digitales ADV161.[46] Especificaciones Modulo Salidas Digitales ADV561.[46] Configuración de sistema Fundation Fieldbus.[47] Comunicación del proceso de flujo de datos de fieldbus.[47] Sistema de Configuracion ProfiBus- DP.[48] Comunicación del proceso de flujo de datos de ProfiBus.[48] Configuración módulo de comunicación Ethernet en Yokogawa.[49] Terminal Blocks y Módulo Yokogawa.[50] Dimensiones Terminal Board Yokogawa.[51] Especificaciones Funcion Standard Builder.[52] Especificaciones Test Funtions. [54] Pantalla Operacion y Monitorizacion HIS.[56] Riel Din. Los Autores Bornas de Conexion en Riel DIN.[57] Disposición de elementos en gabinete de control.[59] Terminales de Conexión. Los Autores Relés para control y bornes.[60] Protecciones Electricas. Los Autores Especificaciones Pantalla 15” Open HMI.[61] Caja Pelican. Los Autores Plataforma de Entrenamiento Equipos. Los Autores Plataforma de Entrenamiento Visualización. Los Autores

101 101 102 104 105 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 118 119 120 121 122 123 124 125 126 126

Índice de cuadros

2.1

Proveedores o fabricantes en Colombia de Sistemas de Control Distribuido. Los Autores 2.2 Información de contacto de los fabricantes. Los Autores 2.3 Casos de implementaciones en Colombia Proveedores DCS. Los Autores 2.4 Casos de implementaciones en Colombia Proveedores DCS. Los Autores 2.5 Conectividad en Sistemas de Control Distribuido. Los Autores 2.6 Software requerido para implementacion de un DCS. Los Autores 2.7 Software 2 requerido para implementacion de un DCS. Los Autores 2.8 Hardware en los Sistemas de Control Distribuido. Los Autores 2.9 Hardware 2 en los Sistemas de Control Distribuido. Los Autores 2.10 Desempeño de los Sistemas de Control Distribuido. Los Autores 3.1 3.2 3.3 3.4

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

44 44 45 46 47 48 48 49 50 51

Tabla de Especificaciones de Alimentación FCN.[30] Lista de las Entradas/Salidas del controlador FCN.[30] Comparativa equipos principales del fabricante YOKOGAWA. Los Autores Comparativa 2 equipos principales del fabricante YOKOGAWA. Los Autores

57 59

Características de las principales Buses de campo. Los Autores Especificaciones Electricas y Condiciones ambientales CENTUM VP. Los Autores Especificaciones FCU AFV10S. Los Autores Especificaciones FCU AFV10D. Los Autores Especificaciones FCU AFV30S. Los Autores Especificaciones FCU AFV30D. Los Autores Especificaciones FCU AFV40S. Los Autores Especificaciones FCU AFV40D. Los Autores

82

xiv

73 73

83 84 84 85 85 86 87

xv 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Requerimientos de Normatividad compoentes Sistema. Los Autores Normatividades en Buses de Campo Industrial. Los Autores Codigos de Especificaciones Unidad AFV10. Los Autores Especificaciones Modulo Análogo. Los Autores Modulos HART de Yokogawa. Los Autores Especificaciones Modulo Fundation Fieldbus. Los Autores Especificaciones Modulo ProfiBus-DP Yokogawa. Los Autores Especificaciones Módulo Ethernet Yokogawa. Los Autores Codigo de Colores para conductores Electricos.[58]

94 95 100 103 103 106 108 110 120

Lista de Anexos

A Diseño Realizado con acompañamiento de YOKOGAWA

137

B Diseño Final

139

C Cotización equipos Yokogawa.

141

D Evidencia de Contacto Otros Fabricantes.

147

xvi

xvii GLOSARIO CFR: Código de Regulaciones Federales. cGMP: Buenas Prácticas de Fabricación. CSV: Valores separados por comas – exportación/Importacion de la base de datos y extensión del archivo. DCS: Sistema de Control Distribuido ENG: Estación de trabajo de ingeniería Yokogawa. ERP: Planificación de Recursos Empresariales. FCS: Estación de Control de campo. FDA: Administración de Alimentos y Medicamentos. FIO: Entradas y Salidas de campo en la FCS. GSGW: Estación de Enlace de Subsistemas Genéricos de CENTUM VP para integrar sistemas compatibles con OPC. HIS: Estación Interfaz Humana utilizada por el usuario del sistema para realizar las operaciones del sistema y/o generación de informes y la impresión en función de los permisos de acceso de usuario. HMI: Interfaz Hombre-Máquina. I/O: Entrada/Salida. También se puede encontrar como E/S. LIMS: Sistema de Gestión de Información de Laboratorio. MES: Sistema de Ejecución de Fabricación. ODBC: Conectividad abierta de bases de datos. OPC: Método de intercambio de datos entre sistema de producción basado en las normas de la OPC Fundations.

xviii PIMS: Sistema de Gestión de la información de planta. PRM: Gestión de Recursos de Planta, Paquete de Gestión de Activos de Yokogawa. RDB: Base de datos relacional. RÍO: Hardware de Yokogawa para conectar entradas y salidas remotas. SEBOL: Secuencia y lenguaje orientado a proceso por lotes, un lenguaje de programación diseñado para el control de procesos por Yokogawa. SFC: Diagrama de funciones secuenciales. SLC: Ciclo de vida de los sistemas. SOP: Los procedimientos de operación estándar. Vnet/IP: Red de comunicación industrial bajo protocolo propietario de Yokogawa.

1

Objetivos Objetivos Generales: Estudiar y diseñar una plataforma de entrenamiento de alto nivel en control electrónico a partir de Sistema de Control Distribuido (DCS).

Objetivos Específicos: Determinar la opción de mercado que cumpla con los parámetros propuestos para el estudio y diseño de una plataforma de entrenamiento de alto nivel a partir de DCS. Estudiar las principales arquitecturas de automatización del fabricante seleccionado. Generar un diseño a partir del estudio desarrollado de las arquitecturas automatización. Generar una propuesta documentada donde se condense el estudio y diseño para una plataforma de entrenamiento de alto nivel en control electrónico a partir de DCS.

INTRODUCCIÓN

La implementación de plataformas de entrenamiento o laboratorios con equipo e instrumentación utilizada en procesos productivos industriales, no ha tenido la importancia para la vinculación de esta temática en los programas o currículos académicos afines a electrónica, mecatrónica, control y automatización, debido a variados factores entre los cuales se encuentra la falta de articulación tecnológica y de conocimiento entre academia e industria y al avance constante de la automatización industrial, donde la academia no tiene el mismo ritmo de actualización que se aplica a nivel industrial. Esta propuesta es una iniciativa que surge al interior del grupo de investigación Orden y Caos (ORCA) a través del docente Andrés Escobar Díaz, en búsqueda de suplir la necesidad que el proyecto curricular de ingenieria en control presenta en temáticas y equipos de laboratorio para prácticas de Sistemas de Control Distribuido (DCS) en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica. Un Sistema de Control Distribuido (DCS por sus siglas en ingles) consiste en el enlace, por medio de una red de comunicaciones, de diversos nodos distribuidos físicamente, dotados de capacidad de proceso y enlazados a sensores y/o actuadores. Estos sistemas se caracterizan por que el proceso de control tiene lugar en estos nodos de manera coordinada. Las redes de comunicaciones orientadas al enlace de estos nodos son conocidas también como buses de comunicaciones o redes multiplexadas. Un nodo es un procesador autónomo con su propio hardware: procesador (CPU), memoria, oscilador de reloj, interfaz de comunicaciones, e interfaz hacia el subsistema que controla La modularidad y amplia gama de instrumentación disponible en el mercado de la automatización permiten que estos sistemas sean escalables desde una pequeña aplicación, hasta complejos sistemas de alta disponibilidad. Los principales fabricantes de DCSs son: EMERSON con DELTA V y OVATION, YOKOGAWA con el CENTUM VP, INVENSYS con FOXBORO I/A, HONEYWELL con EXPERION y ABB con 800 XA, aclarando que existen otros fabricantes en el mercado 2

3 de la automatización que ofrecen Sistemas de Control Distribuido pero por caracteristicas tecnicas no corresponden a un DCS. A nivel mundial se documenta implementaciones DCS en la academia, solo por mencionar un ejemplo puntual, en la Universidad de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Sídney ha implementado una planta que investiga cómo procesar materiales no biodegradables, todo el sistema está fundamentado, supervisado y controlado bajo las arquitecturas de automatización y equipos provistos por la multinacional de tecnología YOKOGAWA. En Latinoamérica el país que representa mayor incursión en la integración de la academia con la industria de la automatización con DCS es Brasil a través de sus universidades públicas permitiendo un crecimiento de profesionales altamente capacitados. En el contexto nacional en el ámbito académico se ha documentado implementaciones que evidencian la tendencia hacia procesos con sistemas de control distribuido, ejemplo de ello es el Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA) que en las instalaciones de la regional Cali y Bogotá ha desarrollado laboratorios para el entrenamiento de sus estudiantes en este campo. También se han elaborado revisiones del estado actual de la ingeniería de control donde se analiza el campo de los sistemas control desde una perspectiva tecnológica, mostrando los éxitos y el impacto que ha tenido en las últimas décadas esta área del conocimiento en la sociedad moderna, analizando los diferentes sistemas de control industrial, DCS, Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA por sus siglas ) y Sistemas Instrumentados de Seguridad (SIS) mostrando las oportunidades y retos tanto actuales como futuros a los que se debe enfrentar este campo de la ingeniería sin olvidar los aspectos claves en el área de la enseñanza de la ingeniería de control.[1]

Capítulo 1 MARCO DE REFERENCIA

1.1.

AUTOMATIZACIÓN

La palabra automatización (del griego autos que significa “por sí mismo” y maiomai que significa “lanzar”), consiste en la técnica de hacer que un sistema opere automáticamente de forma rápida y eficaz, minimizando la intervención humana empleando medios artificiales, permitiendo que el proceso transcurra de forma continua y automática.[2] Lo que conlleva, a que la producción adquiera un aspecto de ciclo que puede programarse y reestructurarse en un sistema artificial que se ha denominado autómata, el cual se rige por un programa de forma propia o automática. Basado en el programa, el sistema debe tomar decisiones de acuerdo a las entradas y el estado de las variables, para de esta forma cumplir con las tareas o propósitos que le fueron asignados.

Figure 1.1: Proceso Automatizado (Los Autores)

4

5 En la incorporación de sistemas automatizados los encargados de su implementación y sobre todo los interesados en la adquisición de un proceso automatizado de producción, se fijan objetivos siendo los más importantes. Objetivos de la Automatización. Con el crecimiento de las áreas de producción y la necesidad de optimizar los procesos industriales en cualquier área lo que se busca es: Mejorar la velocidad de producción y la disponibilidad de productos, en un menor tiempo posible mediante un mejor control de la producción. Mejorar la calidad de la fiabilidad de la producción mediante procesos repetitivos. Aumentar la seguridad para el personal. Ahorrar el requerimiento de espacio en la planta.[3]

1.1.1.

EVOLUCIÓN HISTORICA DE LOS SISTEMAS AUTOMATIZADOS Y DE CONTROL

La instalación de Sistemas de Control, permite resolver con éxito los inconvenientes del control manual de los procesos industriales. Dicho desarrollo se ha logrado a través del auge de las tecnologías digitales como sustitutos de las tecnologías analógicas tradicionales. El control de procesos ha evolucionado paralelamente con la telemetría, entendida como la forma de comunicación entre los instrumentos que conforman el lazo de control. Se pueden definir tres fases del desarrollo: control neumático, control electrónico y control basado en microprocesadores. El control automático de procesos se inicia alrededor de los años 40, con dispositivos neumáticos analógicos que reciben y envían señales de presión de aire, inicialmente instalando todos los dispositivos dentro de la planta (controladores locales). Posteriormente todos los controladores de un proceso fueron colocados en un mismo cuarto (el cuarto de control central) como resultado de la creciente complejidad de los lazos de control. Sin embargo, se necesitaban dos líneas de

6 señales neumáticas por cada lazo de control, una del controlador al sensor y la otra del controlador al actuador, y en plantas de grandes dimensiones estas líneas tenían cientos e incluso miles de pies de largo. Lo anterior se traduce en un elevado costo y un retraso en la transmisión. Ante la problemática planteada por la instrumentación neumática se desarrollaron dispositivos electrónicos basados en tubos de vacío, los que no tuvieron un alto grado de aceptación. Sin embargo, las necesidades surgidas a raíz de la Segunda Guerra Mundial condujeron al descubrimiento del transistor en 1947, que vino a sustituir a los tubos de vacío en los equipos electrónicos. Para la década de los 60 la instrumentación electrónica había alcanzado un grado de desarrollo tal que podía sustituir a la neumática. Aunque la instrumentación neumática siguió y sigue usándose, los componentes electrónicos fueron gradualmente reemplazándola. Durante los años 70, se produjo un vuelco casi total hacia el control de tipo electrónico. Los dispositivos de instrumentación electrónicos analógicos poseen entradas y salidas generalmente en la escala de 4 a 20 mA, aunque también se utilizan escalas de 10 a 50 mA, 0 a 5 V y 0 a 10 V. El uso mixto de tecnologías analógicas neumáticas y electrónicas trajo consigo el desarrollo de los transductores electroneumáticos (I/P), dispositivos que convierten una señal en la escala de 4 a 20 mA a una señal en la escala de 3 a 15 psi y los transductores (P/I) que efectúan la conversión de señales inversa. Los instrumentos electrónicos eliminaron el problema del retraso de transmisión, pero los costos de las líneas de transmisión siguieron siendo significativos. Asimismo, las señales electrónicas analógicas son muy susceptibles al ruido.[4] El siguiente paso en la evolución del control de procesos ha sido el reemplazo de la instrumentación electrónica analógica por la electrónica digital; esta transición ha obedecido a factores tales como flexibilidad (los sistemas analógicos, a diferencia de los digitales, son difíciles de reconfigurar), versatilidad, costo y la posibilidad de eliminar el ruido casi por completo en las señales digitales. Sin duda, el acelerado desarrollo experimentado por la tecnología de los sistemas digitales ha tenido un papel preponderante en lo sucedido. La primera aplicación de la computadora digital en el control de procesos se dio en 1958 en la refinería Texaco de Port Arthur en Texas. Uno de los primeros métodos empleados para el control de procesos a través de computadoras digitales fue el denominado Control Digital Directo (DDC) que consiste en el reemplazo de los controladores analógicos por una voluminosa computadora.

7 Estos sistemas no pudieron competir con el controlador analógico como resultado de su alto costo. Adicionalmente, si el controlador fallaba el proceso estaba fuera de control, una solución era colocar una computadora redundante (suplente) que tomaba el control del proceso cuando la computadora principal fallaba, pero esto incrementaba aún más los costos. Otro método usaba controladores analógicos conectados con la computadora principal y dio origen a lo que se conoce como control supervisor o control de puntos de consigna (SPC, Set Point Control), en este caso la computadora se limita a un rol meramente supervisor (el control y calculo de los “set point” y su envío a los controladores). Las computadoras de control de procesos se convirtieron en minicomputadoras a mediados de los 60, lo que hizo que los costos se redujesen aunque no lo suficiente para desplazar a los sistemas analógicos. Fue hasta mediados de los años 70 que el hardware de control digital se consolido definitivamente en el mercado, como resultado de la introducción del microprocesador, lo que permitió a la tecnología digital competir en costos con la tecnología analógica. Ello dio lugar al nacimiento del sistema de control distribuido (DCS) que es un sistema de control basado en microprocesadores programables y que tiene la capacidad de comunicar varios controladores entre sí a través de una red. A diferencia del DDC que es un sistema altamente centralizado, el DCS, como su nombre lo indica, distribuye las tareas de control entre un grupo de microprocesadores en diferentes ubicaciones dentro de la planta y que se encuentran interconectados a través de una red de comunicación industrial, lo que explica su utilización en industrias como refinerías, cervecerías y plantas de potencia, que involucran entre cincuenta y cien o, incluso más, lazos de control. No es fácil establecer una estructura estándar de los DCS, dado que existen alrededor de 50 sistemas diferentes disponibles en el mercado y cada uno tiene una arquitectura propia, aunque todos son sistemas jerárquicos constituidos por varios niveles. Una arquitectura común, consiste en establecer 5 niveles.[4] En el nivel 1 o nivel de lazo se ubican los componentes que están en contacto con el proceso: 1. Módulos de control (CM), que están constituidos por controladores digitales básicos, capaces de realizar controles PID y otros algoritmos de control basados en sumas, multiplicaciones, divisiones, relaciones, raíces cuadradas, contadores, etc.; y controladores digitales multifunciones que pueden desempeñar estrategias de control avanzadas. 2. Módulos de adquisición de datos (DM), que se utilizan principalmente para

8 recopilar grandes cantidades de datos del proceso. 3. Controladores lógicos programables (PLC), que se emplean para paradas de emergencia y procesos discretos o por lotes y semi lotes. En el nivel 2 se colocan las estaciones o consolas del operador, que son las interfaces hombre-máquina fundamentales del DCS y que se localizan físicamente cerca del proceso. Las estaciones del operador son capaces de proporcionar una vista amplia del proceso, pero con la habilidad adicional de enfocarse en un área específica que necesite atención. La consola consiste generalmente de una computadora con pantalla, teclado y ratón. Desde la estación pueden efectuarse funciones como introducción de instrucciones hacia los controladores (cambios de modo, “set point”, salida del controlador), solicitud de información de dispositivos y despliegue de estado de alarmas y de reportes de operación. El nivel 3 consiste de una computadora central o anfitrión (host) que se utiliza para supervisar varias áreas de proceso. Entre las funciones que ejecuta pueden mencionarse: paradas y arranques automáticos, optimización, simulación de procesos e informes de tendencias de largo plazo. Aquí se produce la primera concentración masiva de información. En este nivel se sitúa lo que algunos han denominado la “interfaz de ingenieria”, es por ello que a las estaciones de operador de este nivel se les denomina “estaciones de ingeniería”. Las estaciones de este nivel tienen derechos administrativos sobre el DCS y pueden utilizarse para tareas como la instalación del sistema, el diseño de lazos de control y el diseño de estrategias de control mejoradas. En el nivel 4 se pueden desempeñar tareas de programación de mantenimiento, control de la producción, grabación y adquisición de datos históricos de largo plazo, simulación y optimización. El nivel 5 es un centro neurálgico (hub) y se aplica en compañías que coordinan las operaciones de varias plantas distribuidas sobre un área geográfica grande. Se ubica en la planta central de la organización y la comunicación con las otras plantas se realiza a través de línea telefónica o cableado directo. La comunicación entre los distintos niveles de un DCS y entre elementos de un mismo nivel se efectúa a través de una línea principal de información, ducto rápido de comunicaciones o ruta de datos (data highway). Existen diferentes configuraciones de rutas de datos. Los circuitos de transmisión con múltiples terminales (multi-drop) fueron los primeros en utilizarse. Son los más simples y de menor costo, pero no poseen la flexibilidad de otras configuraciones. La más flexible es

9 la configuración en racimos o parcialmente en racimos de múltiples terminales. Este tipo de configuración minimiza la probabilidad de atascos de datos, pero es la más costosa y voluminosa. La configuración en anillo es la que tiene la mayor capacidad de resistir errores de software y problemas de hardware, pero es la más compleja de operar. Por el contrario, la configuración en estrella es la de menor capacidad para resistir errores de software y problemas de hardware y tiene un costo elevado, por la cantidad de cableado requerido. Un desarrollo reciente consiste en el empleo de redes de área local (LAN) de alta seguridad. Hay dos tipos principales de LAN que tienen aplicación en los DCS: las LAN de alto desempeño que utilizan cable coaxial como medio de transmisión de datos y son capaces de transmitir a distancias de más de 3 kilómetros y las LAN de bajo costo que usan pares de alambres entrelazados y protegidos y pueden transmitir datos en distancias de alrededor de 300 metros. Entre las LAN que se usan en los DCS se puede citar Ethernet TCP/IP. Toda ruta de datos posee un protocolo. El protocolo consiste en un conjunto de reglas que gobiernan la transferencia de información en la línea y es manejado por comandos de software desde la estación de ingeniería. Los protocolos de las rutas de datos son protocolos propietarios, es decir, dependen del fabricante del DCS.[4]

1.2.

MODELO CIM (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING)

La Fabricación Integrada por Computador (CIM por sus siglas en ingles) se define como el uso de la tecnología por medio de las computadoras para integrar las actividades de una empresa. En los sistemas de automatización y datos se deriva la necesidad de integrar los procesos de producción (diseño, ingeniería y fabricación) con los de gestión de la empresa, por tanto se obtiene así la denominada fabricación integrada por computador, también conocida como CIM. Este tipo de modelo se aplica en las empresas que tratan de integrar, en mayor o menor medida, y mediante el uso adecuado de computadores, todas las áreas de la empresa, permitiendo realizar:[4] Órdenes de entrada Control de inventarios

10 Planificación de necesidades de materiales Diseño del producto y proceso Simulación Planificación de la fabricación Automatización de la producción Control de calidad Ensamblado automático Control de ventas El modelo CIM se encuentra presente en el desarrollo de un producto en todas sus fases desde la producción hasta la comercialización; el modelo está constituido por una estructura piramidal, conformado por niveles que pueden variar según las adaptaciones que se realicen. El modelo CIM que se presenta en la figura 1.2, fue propuesto por NIST (National Institute of Standards and Technology), que posee una estructura transparente de planeación y control, los niveles que conforman este modelo son: Nivel de Sistema ERP (Enterprise Resource Planning), Nivel de Sistema MES (Manufacturing Execution System), Nivel Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), Nivel de Sistema de Control y proceso o instrumentación.[6]

Figura 1.2: Modelo piramidal CIM.(Los Autores)

11 1.2.1.

SISTEMA ERP (Enterprise Resource Planning)

La planeación de recursos empresariales (ERP por sus siglas en ingles) es el nivel más alto del modelo CIM. Es un sistema que gestiona la información, automatiza e integra las tareas de negocio, operación y producción de una empresa. Busca realizar un manejo eficiente de la información, facilitar el intercambio de datos entre todos los departamentos de la organización y pronosticar la oferta y demanda de los productos y/o servicios, para brindar soluciones prácticas y rápidas a los usuarios, reducir tiempo y costos de procesos, al igual que acceder a información precisa y confiable.[6] Los ERP brindan las herramientas para mejorar el control, la planeación de recursos y facilitar la toma de decisiones en el momento oportuno. Una planificación de Recursos empresariales se destaca por estas tres características: Integral: Fusiona y sincroniza las operaciones de las diferentes dependencias de una empresa como, recursos humanos, manufactura, finanzas, producción y distribución y logra la conexión entre la comunidad empresarial con sus clientes y proveedores con la consigna de una alta dependencia entre ellos. Modular: Se divide en módulos que son desarrollados de forma individual, pero al mismo tiempo son dependientes e intercambian información entre sí, a lo largo y ancho de la empresa para formar el ERP. Los módulos cambian de acuerdo a las características de la empresa, siendo primordial el enfoque en el que esta se situe, bien sea en el área de la producción, distribución o prestación de servicios. Adaptable: Presenta una alta flexibilidad a la organización y estructura de la compañía, se adapta de acuerdo a la configuración de los procesos. En la figura 1.3 se observa la interacción de los módulos de una empresa con los proveedores y los clientes.

12

Figura 1.3: Modulos que integran el sistema ERP.[7]

1.2.2.

Sistema MES (Manufactoring Execution Systems)

Los sistemas de ejecución de manufactura (MES por sus siglas en ingles), son esencialmente sistemas informáticos en línea que brindan herramientas para lograr ejecutar las distintas actividades de la administración de la producción. Este nivel de la pirámide CIM es necesario para sincronizar la ejecución de las operaciones dentro de la industrial donde ha sido implementado, logrando la recopilación de información y el respectivo reporte de datos, el cual debe ser un procedimiento de constante cambio o actualización de los datos. El sistema MES cuando comienza su funcionamiento, lo primero que realiza es disponer de manera visual la información de las actividades que están sucediendo en planta para de esta forma permitir la gestión de las operaciones. Los Sistema MES presentan 11 elementos básicos de funcionamiento los cuales son: 1. Adquisición y recolección de datos. 2. Análisis de rendimiento. 3. Gestión de procesos. 4. Control de documentación. 5. Gestión de mantenimiento. 6. Gestión de unidades de producción. 7. Gestión de mano de obra.

13 8. Gestión de calidad. 9. Trazabilidad de productos. 10. Estado y asignación de recursos. 11. Planeacion de las operaciones en detalle. Lo que se consigue con una adecuada implementación del nivel MES, es la obtención de una producción más eficiente, mayor calidad en producto, respuestas más rápidas lo que genera incremento en el rendimiento operacional del proceso.

1.2.3.

SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition)

SCADA es un sistema industrial de mediciones y control que consiste en una computadora principal o “Master” (generalmente llamada Estación Maestra, “Master Terminal Unit” o MTU); en conjunto con disposición de una o más unidades control obteniendo datos de campo (generalmente llamadas estaciones remotas, “Remote Terminal Units,” o RTU); y una colección de software estándar a la medida usado para monitorear y controlar remotamente dispositivos de campo. Los sistemas SCADA contemporáneos exhiben predominantemente características de control a lazo abierto y utilizan comunicaciones generalmente interurbanas, aunque algunos elementos de control a lazo cerrado y/o de comunicaciones de corta distancia pueden también estar presentes.[8] Sistemas similares a un sistema SCADA son vistos rutinariamente en fábricas, plantas de tratamiento, etc. Éstos son llamados a menudo como Sistemas de Control Distribuidos (DCS –“Distributed Control Systems”.) Tienen funciones similares a los sistemas SCADA, pero las unidades de recolección o de control de datos de campo se establecen generalmente dentro de un área confinada. Las comunicaciones pueden ser vía una red de área local (LAN), presentando una alta confiabilidad y alta velocidad de transmisión de datos. Un sistema DCS emplea generalmente cantidades significativas de control a lazo cerrado. Esquemáticamente, un sistema SCADA conectado a un proceso automatizado consta de las siguientes partes: 1. Proceso Objeto del control: Es el proceso que se desea supervisar. En consecuencia, es el origen de los datos que se requiere colectar y distribuir.

14 2. Adquisición de Datos: Son un conjunto de instrumentos de medición dotados de alguna interfaz de comunicación que permita su interconexión. 3. SCADA: Combinación de hardware y software que permita la colección y visualización de los datos proporcionados por los instrumentos. 4. Clientes: Conjunto de aplicaciones que utilizan los datos obtenidos por el sistema SCADA. Por otra parte, un sistema SCADA generalmente cubre áreas geográficas más grandes, y normalmente depende de una variedad de sistemas de comunicación menos confiables que una LAN. El control a lazo cerrado en esta situación será menos deseable. El control puede ser automático, o iniciado por comandos de operador. La adquisición de datos es lograda en primer lugar por las RTU que exploran las entradas de información de campo conectadas con ellos (pueden también ser usados PLC – “Programmable Logic Controllers”).

1.2.3.1.

Tipos de datos de un sistema SCADA Los datos que se aprecian en un SCADA pueden ser de tres tipos princi-

pales: Datos analógicos (por ejemplo números reales) que quizás sean presentados en gráficos. Datos digitales (on/off) que pueden tener alarmas asociadas a un estado o al otro. Datos de pulsos (por ejemplo conteo de revoluciones de un medidor) que serán normalmente contabilizados o acumulados. La interfaz que interactúa con el operador es una pantalla que dispone de una representación de la planta con la instrumentación e equipamiento, todo de forma gráfica, un ejemplo de ello (Ver figura 1.4). Los datos vivos (dispositivos) se muestran como dibujos o esquemas en primer plano sobre un fondo estático que en lo posible es una representación del proceso que se controla o supervisa.

15

Figura 1.4: Interfaz de un Sistema SCADA.(Los Autores)

1.2.4.

Sistema de Control

En este nivel se encuentran los Controladores Lógicos Programables (PLC), Unidades Terminales Remotas (RTU´s), Controladores Industriales, Sistemas de Control Distribuido (DCS), Controladores Analogicos Programables (PAC) y demás dispositivos electrónicos de control. En suma, constituyen los elementos de mando y control de la maquinaria del nivel de proceso e instrumentación. Este nivel recibe y proporciona la información de actuación directa al nivel de proceso e instrumentación, y recibe y proporciona la información de estado al nivel sistema SCADA. Entre las funciones específicas de mayor relevancia de este nivel que se tiene es para capturar y digitalizar las señales estándares provenientes del nivel de proceso e instrumentación, convertir en señales estándares de instrumentación, mantener comunicación permanente con el nivel sistema SCADA, desde donde puede ser monitoreado y programada cada una de sus acciones, garantizar la seguridad y el control del Proceso entre otras.[9] Tendencias de los Sistemas de Control. El futuro sistemas de control están proyectados en: Reducción de cableado y de elementos componentes(hardware) por medio de un único estándar de bus de campo o un conjunto de buses de campo, orientados a diferentes grados de complejidad del dispositivo, según el nivel de funcionalidad soportado y a su vez manteniendo una compatibilidad en sentido ascendente, lo que posibilita la escalabilidad del sistema.

16 Crecimiento investigativo hacia sistemas abiertos, permitiendo la intercambiabilidad de elementos: estaciones de supervisión, dispositivos de control, sensores y actuadores y red de comunicaciones. Selección de la topología y el protocolo de red para integrar procesadores y dispositivos de entrada/salida. Facilidad de incorporación de nuevos módulos o dispositivos a los procesos con sistema de control. El objetivo es similar a las capacidades plug & play popularizadas en el ámbito de los PCs: se trata de permitir la fácil y rápida expansión del sistema mediante la adición de módulos de software o hardware, con capacidad para reconocer y configurar los dispositivos y aplicaciones en el momento de su instalación en el sistema. Sistemas escalables, que junto a la utilización de sistemas abiertos garantiza la máxima protección de la inversión. En cada momento, de acuerdo con las necesidades presentes, se utilizan los elementos con la capacidad y potencia requeridos para las funciones de control y supervisión.

1.2.4.1.

Controladores Analógicos Programables (PAC)

La tecnología PAC (Programmable Analogical Controller) es un nuevo concepto de equipo de control avanzado en el que se ejecutan diferentes funciones en tiempo real, interrelacionando varias variables de proceso a la vez, hasta generar uno o varios resultados a pie de proceso, evitando que las diferentes líneas de señal deban viajar hasta los PLC, donde habitualmente venían realizándose los cálculos PID (Algoritmo de control Proporcional, integral y derivativo). Los dispositivos analógicos programables son unos componentes que surgieron de la necesidad de agilizar el proceso de diseño y verificación de circuitos analógicos. Su estructura es similar a la de los dispositivos lógicos programables y contienen una serie de células analógicas básicas que, programadas en forma adecuada, permiten realizar de forma compacta diseños de complejidad baja/media.[10] El controlador PLC supervisa las actividades de los PAC transmitiendo y recogiendo los datos vía comunicación, pero dejando la mayor parte de las tareas a los PAC.

17 Los instrumentos PAC serían equivalentes a las propias tarjetas de E/S pasivas de los PLC, pero con la ventaja de ser independientes, inteligentes y poderse ubicar a pie de proceso o base de la pirámide de automatización.[10]

1.2.4.2.

Sistema de Control Distribuido (DCS)

El sistema de control distribuido (Distributed Control System, DCS por sus siglas en ingles), es un sistema moderno que puede controlar diferentes procesos en paralelo, con un controlador central que funciona como el cerebro, unidades terminales remotas (Remote Terminal Unity, RTU), entre otros elementos de control que permiten tomar la información, procesarla y actuar sin importar si los sensores y actuadores no se encuentran cerca del controlador. Esto puede variar dependiendo la arquitectura que se desee implementar.[11] Para un sistema automático industrial existen diferentes elementos que diferencian una arquitectura de otra. Si se utiliza como base la uniformidad del equipamiento, las arquitecturas pueden ser divididas en heterogéneas y homogéneas. Las homogéneas usan elementos de un mismo tipo y un mismo fabricante, garantizando al máximo la compatibilidad a nivel de interconexión entre ellos, pero si este no abarca una función específica no es posible implementarse. Entonces la solución que más se apega al concepto de total integración, es el de maximizar el empleo de la tecnología de un fabricante y sólo recurrir a otros para funciones puntuales.[12] Por otra parte, si se utiliza como elemento diferenciador la morfología de las conexiones se agrupan en: Centralizada. En este existe un único elemento donde radica la lógica de control, y a él se conectan directamente todas las señales de entrada y salida del proceso. Descentralizada. En estas las diferentes señales están conectadas a módulos de entrada salida que no se encuentran físicamente unidos al equipo de control. Esta solución es transparente al programa ya que las señales se direccionan como si fueran centralizadas. Híbrida. Como su nombre lo indica es una mezcla de una aquitectura centralizada y decentralizada.

18 Distribuida. Al ser la arquitectura en la cual se basa este proyecto se mencionan las características más importantes de esta que son: 1. Distribución de funciones. Existen diversos procesadores, cada uno de ellos especializado en una misión concreta, por ejemplo: control, interfaz, visualización, históricos, etc. Este es el concepto básico de esta arquitectura. 2. Rapidez de ejecución de las funciones. Es una consecuencia del concepto antes expuesto y es necesaria para que el sistema actúe con periodos de segundos o fracciones de segundos. 3. Distribución física de equipos. Brinda la posibilidad de ubicar cerca de los sensores las interfaces de entrada/salida, con el consiguiente ahorro de cableado. Permiten alcanzar unos niveles de automatización más jerarquizados y mejor estructurados. 4. Gran flexibilidad de configuración y programación. Lo que facilita su mantenimiento, su reutilización y su ampliación. Con estas caracteristicas expuestas en los DCS, se logra en la producción en planta la obtención de información del proceso en tiempo real permitiendo al usuario el manejo de las variables y la visualización del estado del sistema, obteniendo así una interfaz humano-máquina, que puede ser implementada a través de pantallas táctiles, equipos de cómputo, alarmas entre otros. Los datos que se obtienen en el sistema de control se pueden transmitir de manera fácil, rápida y cómoda para el usuario a otros niveles de la pirámide de automatización totalmente integrada como el de gestión. Estos son enviados a través de una red industrial (Ethernet, Profinet, FieldBus entre otros medios de comunicación) contando con privacidad y seguridad. La información del sistema es almacenada para visualizar históricos de una variable o del proceso en general. Actualmente los sistemas de control distribuido son implementados en plantas de producción donde se realiza automatización de procesos con un mismo sistema al tiempo, optimizando los recursos y mejorando la calidad de los resultados, este tipo de sistemas permiten tener la información detallada de cada proceso que se esté desarrollando.[13]

19

Figura 1.5: Vision sistema DCS/SCADA.[13]

Funciones básicas de un DCS Las funciones básicas del sistema DCS son los siguientes: 1. La adquisición de datos y funciones de control. 2. Las funciones de visualización en pantalla: Por medio de un dispositivo o sistema que permite el interfaz entre la persona y la máquina, conocida como HMI (Human Machine Interface). Tradicionalmente estos sistemas consisten en paneles compuestos por indicadores y comandos, tales como luces pilotos, indicadores digitales y análogos, registradores, pulsadores, selectores y otros que se interconectaban con la máquina o proceso. En la actualidad, dado que las máquinas y procesos en general están implementadas con controladores y otros dispositivos electrónicos que dejan disponibles puertas de comunicación, es posible contar con sistemas de HMI más poderosos y eficaces, además de permitir una conexión más sencilla y económica con el proceso o máquinas. En lo referente a pantallas HMI se disponen de los siguientes tipos. Terminal de Operador, consistente en un dispositivo, generalmente construido para ser instalado en ambientes agresivos, donde pueden ser solamente de despliegues numéricos, o alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touch screen). PC + Software, esto constituye otra alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado para la aplicación. Como PC se puede

20 utilizar cualquiera según lo exija el proyecto, en donde existen los llamados Industriales (para ambientes agresivos), los de panel (Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de operador. 3. Las funciones de vigilancia de variadas alarmas: Los DCSs, por sus características, permiten a Ingenieros, Operadores, Técnicos e Instrumentistas crear alarmas y eventos de forma sencilla, lo cual es una ventaja. Aunque puede convertirse en un inconveniente si se abusa de ello y/o no se configuran de forma adecuada, llegando al punto de poder afectar a la operación de la planta por un exceso de flujo de alarmas o una mala gestión de las mismas. Durante la implementación de los primeros DCSs no existían pautas o guías consistentes para la creación de alarmas, y tanto en las plantas donde sustituían a los antiguos Sistemas de Control, como en las nuevas plantas que ya los incorporaban, el resultado era una masiva configuración de alarmas. Tras reconocer que la Gestión de Alarmas se había convertido en un problema, los usuarios de Sistemas de Control Industriales se unieron y formaron en 1990 la Alarm Management Task Force, que era una junta de asesoramiento dirigida por Honeywell, y en la que participaban miembros de las industrias química, petroquímica y de operaciones de refinado. La AMTF (Alarm Management Task Force) redacto documentación sobre temas relacionados con la GdA (Gestión de Alarmas), pero pronto se dieron cuenta de que los problemas con las alarmas eran simplemente un subapartado de un problema más grande, y crearon el Abnormal Situation Management Consortium. El ASM (Abnormal Situation Management Consortium) hizo una propuesta de investigación y recibió fondos del National Institute of Standards and Technology de los Estados Unidos en 1994. El objetivo de este trabajo iba dirigido a la compleja relación hombre-sistema, y a los factores que influyen en el buen desempeño de la operación por parte de los Operadores. A menudo la automatización de procesos se desarrolla sin tener en cuenta las necesidades de las personas que van a interaccionar con ellos, por ejemplo, las alarmas se han de proyectar para mejorar el conocimiento del estado de la planta por parte de los Operadores de Sala de Control, pero un sistema mal diseñado o pobremente definido no conseguirá este objetivo. En el 2003, la International Society of Automation reunió un grupo de trabajo para preparar recomendaciones prácticas o estándares para Sistemas de Alarmas de procesos industriales. Este trabajo se apoyó en las recomendaciones de la EEMUA 191, e intento proporcionar una explicación clara a muchas de las prácticas incluidas en ella, añadiendo además aclaraciones

21 en aquellas áreas poco precisas. El resultado fue la ISA 18.2 “Management of Alarm Systems for the Process Industries”, publicada en el 2009. La ISA 18.2 se basa en las recomendaciones de la EMMUA 191 para dirigir el diseño, desarrollo, instalación y gestión de los Sistemas de Alarmas en las industrias de procesos. Además como parte de la gestión de estos sistemas la guía requiere un mantenimiento y control de los mismos durante toda su vida.[14] Basado en la norma ISA 18.2 se redactaron 7 pasos para el mejoramiento eficiente de las alarmas el sistemas automaticos incluidos los Sistemas de Control Distribuido.

Figura 1.6: Los 7 pasos para mejoramiento de gestion de alarmas.[14]

4. Funciones de gestión de incidentes en planta. 5. Funciones de repaso de incidentes. 6. Funciones de grabación de secuencia de eventos que pasaron en planta o producción. 7. Funciones de control y operacion de forma remota. 8. Funciones de disponibilidad y gestion de base de datos en tiempo real de la planta.[15]

22 SOFTWARE EN LOS SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO Se pueden establecer ciertas clasificaciones de software para los Sistemas de Control Distribuido: Software de configuración.Para la definición de los lazos de control y del algoritmo a aplicar en cada uno resulta de utilidad la disponibilidad de las siguientes utilidades: Definición de los puntos de entrada y sus respectivas interfaces de entrada: Termopar,Termorresistencia, trenes de impulsos etc. Capacidad de tratamiento de la señal de entrada: Filtrado, linearización, escalado, comprobación de límites, selección individual del tiempo de exploración, funciones de verificación, calibración y simulación, congelación de la señal por fallo de trasmisor, conversión a unidades de ingeniería. Capacidad de tratamiento adecuado de alarmas: Visualización en pantalla e impresora, discriminación del tipo de alarma, capacidad de jerarquización y priorización, facilidad de soportar aplicaciones de ayuda a la toma de decisiones o de diagnóstico inteligente, etc. Selección de algoritmos, atributos y funciones de control: • En procesos continuos: ◦ Algoritmos de control: PID, PID con cascada, PID con control en adelanto (FF), Control de relación, etc. ◦ Atributos asignados: Modos (Manual, Auto, Cascada, Ordenador), Inicialización, seguimiento (ó "tracking"), Saturación integral, Bumpless, Parada urgente, S.P. en rampa. ◦ Funciones de cálculo: Compensación de caudal, Totalizador, Sumador, Selectores, Funciones dinámicas: Tiempo muerto (DT, del inglés Dead Time) ó Lead-Lag (L/L), Módulo/s abierto/s. • En operaciones discretas, disfrutan de una serie de atributos para definir la lógica de las relaciones entre variables. ◦ Descripción de enclavamientos.

23 ◦ Definición de lógica (lenguaje ladder u otros). ◦ Control de accionamientos. • En procesos por cargas tienen sus propios mecanismos de definición, que se apoyan en utilidades para definir: ◦ Temporizadores y acceso a tiempo real. ◦ Secuenciación de operaciones. El tiempo de exploración debe ser configurable de forma que se pueda adaptar a la criticidad de cada lazo regulatorio o de cada instrucción lógica. Cada tarjeta de control tiene capacidad para el tratamiento de un número muy elevado de lazos y/o instrucciones, combinándose de forma que el tiempo de exploración global del conjunto de acciones de control atendidos por cada tarjeta sea del orden de 0,1 - 1 s (aún para un número muy elevado de E/S). Software de representación o visualización. Paquete de ayuda a la representación gráfica del sinóptico de operación, presentación en pantalla de la información requerida mediante zonas interactivas, configuración de grupos de variables y de tendencias, pantallas de detalle, de alarmas, de mensajes, gestión de informes, y en general todo lo necesario para personalizar las estaciones de operación y adquisición de datos. Con los sistemas anteriores se cubren las necesidades básicas de programación/configuración del DCS. La mayoría de los fabricantes incorpora no obstante en sus ofertas recientes el acceso a software auxiliar. Bajo este concepto se engloban diversos paquetes destinados a facilitar o mejorar las tareas de control, puesta en funcionamiento y mantenimiento. Entre otros pueden mencionarse los siguientes: Software de sintonización.- Para la rápida sintonización de lazos de control en la puesta en marcha. Software de ayuda a la configuración. Se refiere a ciertas utilidades de programación sobre PC de la configuración del DCS con posibilidad de transferencia directa del fichero desde el PC al DCS. Software de programación de aplicaciones avanzadas. Para la inclusión de cálculos dentro de las tareas de control, por ejemplo, control inferido,

24 compensación de presión - temperatura, control de variables no medibles (carga térmica, entalpía, reflujo interno, etc). La disponibilidad del sistema de un lenguaje de programación adecuado para estas funciones puede eliminar la necesidad de acudir a un ordenador de proceso en la mayoría de los casos, lo que significa una mayor sencillez y economía. Software de operación. Aunque sin entrar en detalle, merece la pena mencionar la utilidad de paquetes de Control Estadístico de proceso, de utilidad para optimización, de Control Multivariable o de Sistemas Expertos de ayuda a la toma de decisiones o al diagnóstico inteligente, aunque estas últimas aplicaciones tradicionalmente corren sobre un ordenador de procesos conectado al DCS mediante una interfaz adecuada.[16]

1.2.4.3.

Unidad de Terminal Remota (RTU)

Las unidades terminales remotas consisten en una pequeña y robusta computadora que almacena datos y los transmite a la terminal maestra para que esta controle los instrumentos. Es una unidad stand-alone (independiente) de adquisición y control de datos. Su función es controlar el equipamiento de proceso en el sitio remoto, adquirir datos del mismo, y transferirlos al sistema central SCADA. La gama de Unidades Terminales Remotas (RTU) ofrece una solución universal para el control de instalaciones técnicas de todo tipo.[8]

1.2.5.

Nivel de Instrumentación

Es la base de la pirámide del modelo CIM, en el nivel de instrumentación se encuentran la instrumentación de la planta que permite la adecuada ejecución del proceso de producción, realizando las acciones básicas en tiempo real de medición, que es su función principal como también de control, que realiza la instrumentación denominada inteligente, algo que se debe tener claro es la adecuación de señales provenientes de los sensores hacia el sistema, garantizando su compatibilidad. Los sensores son dispositivos que a partir de la energía del medio donde se mide dan una señal de salida transducible que es función de variable de medida[17], es decir, toma la medida de una magnitud exterior y la transforma a

25 señales eléctricas que son posibles cuantificar, de esta manera realizar un control y monitoreo sobre ellas. Existen sensores como se muestra en la figura 1.7 de tipo analógico o digital que permiten medir temperatura, caudal, flujo, PH, densidad, viscosidad, peso, presión, proximidad, nivel entre otras. Los actuadores sirven de interfaz entre el proceso y el sistema de control, ya que reciben la orden de los controladores, realizan una acción planeada en la estrategia programada y se adaptan a los cambios en el control dinámico. Hay actuadores eléctricos, neumáticos, hidráulicos, ejemplo de estos son: Los motores, cilindros, chupas, electroválvulas, resistencias, ventiladores, válvulas, entre otros.

Figura 1.7: Instrumentación de medición. Los Autores

1.3.

Comparativa entre PLC Y DCS

En el entorno de la automatización y control industrial, existen variadas opiniones encontradas sobre, cuales son los procesos o equipos más convenientes a la hora de realizar una automatización exitosa y acorde a las expectativas que se tienen sobre su implementación. Uno de los temas que ha tenido bastante discusión es la conveniencia de incorporación en la automatización en planta de Controladores Lógicos Programables o de equipos con especificaciones propias de un Sistema de Control Distribuido. Por lo tanto se tienen aspectos sobresalientes de cada uno, lo cual será de ayuda a los profesionales de automatización a la hora de una decisión acertada. Los PLCs surgen como reemplazo de los antiguos paneles de relays alambrados, haciéndolo de la misma forma pero por programa. Originalmente orien-

26 tados a lógica discreta o booleana. Los Sistema de Control Distribuído són una evolución de los "controladores" autónomos (lógica regulatoria), es un sistema que es programado en forma centralizada, pero que su lógica se ejecuta en forma distribuida en equipos medianamente inteligentes y autónomos. Orientados principalmente a lógica regulatoria o análoga. Hoy por hoy, los equipos se parecen mucho, y difieren en los matices. Algunas diferencias que aún persisten. Forma de Programación/ejecución: DCS. Se configura centralizadamente, y el código se ejecuta en forma distriduida. Al menos en dos componentes: el controlador que ejecuta la lógica y el HMI (Interfaz Hombre Maquina) que realiza las funciones de visualización y registro. PLC. Su configuración se ejecuta en el controlador o PLC. Pero requiere de una programación separada para realizar las funciones de interfase de operador: visualización, registro, etc. Integridad de la programación: DCS. Relacionado con lo anterior, el código se configura/programa en un sólo paso en el controlador y HMI. PLC. En cambio, la programación en PLC y HMI se realiza en dos pasos completamente diferenciados. De hecho, se utilizan para ello dos herramientas de programación completamente distintas. Aunque en última versiones de PLCs esto ha cambiado ejemplo de ellos son los equipos de Siemens y su plataforma de programación integrada TIA Portal. Tiempos de ejecución: DCS. Ejecuta su lógica en forma periódica. Tiempos típicos de ejecución de ciclo son del orden de 50 milisegundos. PLC. Ejecuta su lógica tan rápido como puede, y vuelve a ejecutar el siguiente ciclo. Su ciclo es esencialmente variable y puede ir desde unos 5 milisegundos a unos 300 milisegundos.

27 Lenguajes de programación. También son ahora prácticamente iguales, pero lo normal es: DCS. Se programa normalmente en diagramas de bloques funcionales. PLC. Se programa naturalmente en diagrama de escalera o "LADDER". Aunque hoy el estándar es que use cuatro o cinco lenguajes distintos, dentro de los que está también el diagrama de bloques o funciones. Gestión de alarmas: DCS. Las alarmas son gestionadas a nivel primario por el controlador; después el HMI las despliega, registra y son manipuladas por el operador. PLC. Las alarmas son normalmente gestionadas en su totalidad por el HMI De todas las diferencias mencionadas, las que es más notoria es la Integridad de la programación, ya que puede llegar a representar para el configurador un ahorro notable de esfuerzo. Que es compensado parcialmente por la facilidad con que el PLC se configura, y la difusión mayor que tiene.[18]

1.4.

Comparativa entre SCADA Y DCS.

La historia muestra que se trata de dos soluciones tecnológicas que nacieron muy lejanas una de otra, pero en el camino han ido convergiendo. Cada vez se parecen más y sus campos de aplicación se traslapan. Al mismo tiempo, hay mucha confusión sobre el concepto de cada una de estas tecnologías. Es frecuente que los usuarios no sepan distinguir una solución PLC + SCADA de una solución DCS. Incluso uno se puede encontrar con proveedores que no lo tienen claro, y también los que dicen cualquier cosa con tal de vender su producto. En lo investigado actualmente no se pueden señalar a priori grandes diferencias entre un sistema PLC + SCADA y un DCS. Analizando que cada comparación amerita un análisis especifico. Es decir, no se puede catalogar a todos los PLC + SCADA en un grupo y todos los DCS en otro. Hay que entrar al detalle, adoptando tanto el punto de vista del usuario como del desarrollador de aplicaciones.

28 Por lo tanto, las diferencias más importantes, y que quizás perduren por algún tiempo, son las siguientes. En un DCS existe una sola base de datos. Una variable se define en la base de datos y ella ya existe, tanto para los controladores como para el software que supervisa. En cambio, en una solución PLC + SCADA, se define una variable en un PLC, y otra variable en el SCADA. Pese a que ambas variables se refieren a lo mismo, por ejemplo la temperatura en un reactor, nada relaciona a una variable con la otra. El programador (o los programadores, el del PLC y el del SCADA) deben desarrollar programación a medida para vincular una variable con la otra. Para complicar más la cosa, las herramientas de ingeniería (software) que se usan para programar y/o configurar los PLCs y los SCADAs son dos herramientas diferentes. En cambio, en los DCSs la herramienta es una sola. Es más, en el DCS una aplicación es una sola. Se desarrolla centralizadamente una aplicación única que contiene las configuraciones y los programas de control de todos los controladores y también la configuración de la interface gráfica, alarmas, trendings, etc. En cambio en los sistemas SCADA + PLCs cada PLC tiene un programa y el SCADA tiene su configuración propia. Son cosas separadas y para lograr que operen como una unidad integrada es necesario desarrollar programación a medida. Por lo demás, con SCADA + PLCs se pueden desarrollar aplicaciones muy pequeñas y muy baratas, pues existe en el mercado una gama continua de PLCs y softwares SCADA simples y económicos. En cambio los DCS siempre son sofisticados, robustos, y con unos costos más elevados, aplicables a sistemas de 1,000 IOs para arriba.[19]

Capítulo 2 ESTUDIO FABRICANTE.

En la actualidad cada uno de los fabricantes más importantes en lo que a sistema de automatización se trata, ha desarrollado el equipamiento necesario para poseer una arquitectura distribuida. Brindando equipos inteligentes que usan igualmente buses de comunicación, que transmisión a corriente. Esta modularidad y amplia gama de equipamiento hacen que los sistemas sean escalables desde una pequeña aplicación, hasta complejos sistemas de alta disponibilidad.[12] FOXBORO tiene su I/A, YOKOGAWA el CENTUM VP, EMERSON el OVATION, HONEYWELL desarrolló el EXPERION PKS, SIEMENS el PCS 7 y ABB con 800xA, todos estos sistemas cuentan con una configuración típica de un DCS pero los equipos de HONEYWELL y SIEMENS en el mercado de la automatización industrial no responden a las exigencias de un DCS, toda vez que estos equipos son PLCs con altas prestaciones, mientras que equipos de FOXBORO, YOKOGAWA, EMERSON y ABB incluyen componentes funcionales propios de este tipo de sistemas distribuidos, los cuales se muestra en La figura 2.1.

29

30

Figura 2.1: Componentes Funcionales de un DCS.[20]

Los proveedores de tecnología con aplicación distribuida, presentan en sus diseños y arquitecturas unas características que son predominantes en sus presentaciones de equipos, brouches o manuales de especificaciones técnicas. Dichas características son desarrolladas en retroalimentación con opiniones de sus clientes y las necesidades que se observan en el mercado cambiante de la tecnología. En el análisis de información y estudio de la documentación que se dispone sobre sistemas de control distribuido las características principales encontradas son: Robustez/Redundancia: La exigencia de la funcionalidad de redundancia en la mayoría de los componentes del sistema (Procesador, módulos entrada/salida, fuente de alimentación, entre otros) provee al sistema de control distribuido la capacidad de realizar operaciones ininterrumpidas, garantizando la operatividad y productividad en la planta donde se halla implementado. Operaciones de Mantenimiento: Los sistemas implementados deben estar caracterizados y documentados facilitando un mantenimiento preventivo y correctivo, rápido y eficiente por parte de personal vinculado a la planta o profesionales con conocimientos en sistemas de control.

31 Flexibilidad y Capacidad de expansión: Los sistemas que se instalaban hace algunos años, presentaban inconvenientes de escalabilidad o capacidad de aumentar o expandir su funcionamiento y también la no interoperabilidad de equipos debido a protocolos cerrados por parte de los fabricantes. Algo que en la actualidad es una obligación en todos los proveedores de tecnología, es permitir a sus sistemas ser fácilmente escalables y adaptables a instrumentación o equipos de los variados distribuidores existentes en el mercado tecnológico. Operatividad: La operatividad y visualización de los sistemas implementos, debe ser lo más intuitiva posible y representar el proceso que se está supervisando y controlando lo más fiel al verdadero proceso con disposición de datos o valores en tiempo real, donde el operador pueda informarse y tomar las decisiones adecuadas. Portabilidad: Los algoritmos desarrollados deben ser independientes de las tecnologías que se están utilizando lo cual generara la fácil portabilidad, seguridad y fiabilidad de los sistemas implementados. Rentabilidad:Los Sistemas de Control Distribuido todavía generan cierta prevención en su implementación, esto debido al costo inicial que la empresa tiene que asumir si desea migrar o instalar este tipo de tecnología. Pero esto es fácilmente desvirtuado cuando se observan los beneficios que representa a la industria en lo relacionado a su gestión, productividad, eficiencia, entre otros aspectos, a largo plazo lo cual genera la reducción de sus costos operativos.

Arquitectura Básica y Funcionamiento de un DCS Los Sistemas de Control distribuido presentan una arquitectura característica donde se delimitan tres “niveles” fundamentales como son: La parte de visualización, control y red de comunicación. Los dispositivos que integran un DCS con características básicas son: Estaciones de procesos que en algunas arquitecturas de fabricantes son mencionadas como estaciones de ingeniería, las pantallas de visualización de proceso, servidores o estaciones de aplicación, montaje o chasis donde van alojados los procesadores, en caso de una configuración de redundancia-dual (doble procesador, siendo uno el encargado del procesamiento normal y el segundo en caso de fallo del denominado principal), los módulos de entrada/salida donde también se incluyen los módulos

32 de comunicación que permitirán integrar la red de comunicación necesaria para el proceso que se desee controlar. En la parte de contacto con el proceso se encuentra la instrumentación adecuada, la cual generara una gran cantidad de datos o información en tiempo real. Toda esta información serán las medidas realizadas por cada uno de los sensores, los cuales tienen su propósito de medida (presión, temperatura, nivel, caudal, PH, etc) todos estos datos son transmitidos por medio de buses de campo, que permiten el tráfico de información a una alta tasa de velocidad. Los datos son acondicionados para que sean leído por el controlador el cual también presenta dispositivos que lo protegen ante cualquier sobre carga eléctrica o fallo inesperado. En los procesadores, los cuales tienen unas especificaciones de hardware adecuadas de acuerdo al proceso donde se implementó el sistema de control, se disponen los algoritmos de control que serán los encargados de ejecutar la lógica implementada y generar acciones de mando a los actuadores para realizar el ajuste a las variables de proceso de acuerdo a los valores fijados por el operador o el sistema de control.[21] Estas consignas son nuevamente procesadas, acondicionadas, aisladas y transmitidas por medio del bus de campo y los respectivos dispositivos electrónicos. En los DCS se disponen de estaciones de operación que son dispositivos dependientes del nivel de control y la red comunicación, su función es brindar al operador o encargados de gestionar el sistema el estado del proceso que se está controlando, las alarmas que puedan llegar a presentarse e históricos del proceso tanto en condiciones ideales como en fallo o paro de emergencia, todo esto con datos en tiempo real. De esta forma este tipo de estaciones permiten realizar modificaciones a valores de referencia, iniciar secuencias, poner en marcha equipos y observar tendencias del proceso.

33

Figura 2.2: Arquitectura basica de un DCS.[19]

2.1.

Arquitecturas de fabricantes de tecnología DCS

En la inmerción en la tematica de los proveedores de tecnologia, catalogada como de altas prestaciones industriales y los respectivos equipos que integran la implementación del sistema en planta o campo. Se contacto a cuatro proveedores que tienen representación en el mercado Colombiano, que por su amplio catalogo de servicios, productos y reconocimiento en el area del control y automatizacion industrial, permitieran brindar primero un reconocimiento fisico de sus equipos y la disposición de un espacio de tiempo para la socializacion de la propuesta del proyecto y su respectivo acompañamiento para el buen fin del mismo. Por lo tanto se realiza un resumen de las arquitecturas de Sistemas de Control Distribuido, donde se aprecia en la mayoria de ellas los equipos, que ellos mismos consideran como de alta gama o altas prestaciones.

2.1.0.1.

Sistema de Control Distribuido DCS OVATION y DELTA V de EMERSON

Emerson dispone en el mercado de la automatización y control de dos sistemas DCS presentando entre ellos diferencias bastantes marcadas en términos de hardware, software e infraestructura.

34 La diferencia viene de su origen Delta V fue desarrollado por Rosemount Systems Inc., y el OVATION fue desarrollado por Control de Procesos Westinghouse. Actualmente, Emerson, está utilizando o enfocando cada sistema a industrias específicas, OVATION lo dirige hacia el control de plantas de energía o para todo tipo de proyectos relacionados con el sector eléctrico. Mientras que el equipo de Delta V se enfoca en la industria petrolera, Química, Alimentos, Bebidas y farmacéutica. Lo que si deja claro el proveedor en sistemas donde se incorporen cualquiera de los dos equipos, es su compatibilidad entre ellos y los demás equipos como Safety Integrated Systems (SIS), variada instrumentación y buses de campo. Para el caso de descripción tanto en su arquitectura como características principales se tomo como base el sistema DELTA V, el cual por su enfoque de implementación industrial sera a fin a propósitos de la realización de este proyecto, por lo tanto las características principales del sistema DELTA V son: Presenta un enfoque que facilita la incorporación de variados buses de campo. Según el fabricantes sus buses nativos son: Foundation Fieldbus, AS-i bus, Profibus DP, HART y DeviceNet, además de sus entradas/salidas básicas. Puede configurarse para unas pocas entradas/salidas desde 50 hasta más de 30.000. Permite conectividad con otros sistemas utilizando OPC y XML. Se incorporan técnicas avanzadas de control, como son: control difuso (fuzzy), control con redes neuronales, control predictivo, sintonización de lazos PID o controles Fuzzy, detección de mal funcionamiento de lazos, control estadístico multivariable, optimizador de tiempo real, monitoreo de funcionamiento de equipos, simulación, entre otros.[22] Como la mayoría de equipos que se vinculan a sistemas de control distribuido, está provisto de redundancia tanto en el procesador como en la fuente de alimentación. El procesador como fuente de alimentación, están alojados en un chasis con capacidad de 8 slots y una capacidad de expansión de hasta 8 chasis, lo cual permite un máximo de 64 slots, donde se ubican módulos de entrada/salida,

35 módulos de comunicación y buses de campo. Una de las características pero a nivel de disposición física es un sistema de montaje vertical, lo que admite alojar un máximo de dos controladores con sus respectivas fuentes y capacidad máxima de módulos.

Figura 2.3: Caracteristica de disposicion vertical DCS DELTA V.[22]

Respecto a los módulos que son admitidos en el sistema DELTA V, son: Entradas/salidas: E/S análogas E/S discretas. Incluyendo módulos específicos análogos o digitales (RTD, conteo de pulsos, termopares), algunos cuentan con separación galvánica de protección. Bus de campo Foundation Fieldbus el cual consta con dos canales y 16 nodos por canal. Bus de campo DeviceNet, puede soportar hasta 61 nodos. Modulo de comunicación HART. Algunos de los módulos análogos, pueden soportar hasta 16 conexiones por canal. Bus de campo Profibus DP. Un canal RS-485, soporta hasta 64 esclavos, a velocidades de hasta 1.5 Mbps. Módulo Modbus RTU. Dos puertas seriales RS-232, RS-422 o RS-485, con hasta 16 nodos por puerta. Velocidades hasta 115 Kbauds.[22]

Esquema de arquitectura DELTA V La arquitectura básica del sistema DELTA V está conformada por tres niveles bien determinados, en el nivel superior se encuentran las estaciones de trabajo Workstation (WS), estaciones de profesional, estaciones de aplicación y estaciones de operador. En este tipo de estaciones se encuentran las HMI o

36 software profesional plus el cual permite la gestión de procesos y su respectiva administración.

Figura 2.4: Arquitectura DCS DELTAV.[23]

En el segundo nivel se alojan los controladores con sus respectivos módulos, según especificaciones técnicas suministradas por el fabricante se pueden disponer de máximo 100 controladores con sus respectivos módulos entrada/salida y comunicaciones. En el nivel inferior se ubican los nodos con la variada instrumentación.

2.1.0.2.

Sistema de Control Distribuido EXPERION de HONEYWELL

La firma Honeywell ha desarrollado para el control distribuido de sistemas industriales, la serie Experion, la cual cuenta con diferentes dispositivos que permiten la coordinación de todas las actividades que debe desempeñar el DCS. Esta serie presenta variados tipos de módulos y su funcionalidad y características dependen del entorno en el que vayan a desempeñar sus tareas y dentro de las clases existentes se encuentra la serie 200 y una serie mejorada la C300 la cual permite alojamiento en gabinete o chasis de forma vertical.

37

Figura 2.5: Controlador Honeywell C300 Y C200.(Los Autores).

Los dispositivos Honeywell 200 están diseñados para ser conectados en un único chasís que permite mayor optimización de espacio en gabinetes y comunicación interna, estos dispositivos cuentan con las siguientes características:

Módulos de Control Para la serie Experion, los módulos que se encargan de realizar y garantizar el control regulatorio del sistema son: Modulo Procesador de Control (CPM): Donde se aplican o disponen las diferentes estrategias de control regulatorio, soporta la configuración de redundancia dual, aclarando que para esta disposición se debe alojar un controlador por chasis. El módulo procesador de control presenta variados entornos de configuración los cuales son: Control Execution Environment (CEE): Software base del controlador que proporciona un entorno de control de ejecución y programación donde se configuran las estrategias de control. Su arquitectura abierta permite la integración con controladores Honeywell existentes y sistemas de control o dispositivos de terceros. Control Builder: Herramienta gráfica, orientada a objetos, donde se construyen las estrategias de control. Application Control Environment (ACE): Entorno de Control de Aplicación. C200 Simulation Environment (SIMC200): Entorno de simulación del sistema completo sin necesidad de controlador, permitiendo probar hardware o procesos de conexiones.

38 Control Processor Redundancy: Permite que el controlador reconozca cuando su integridad se encuentra comprometida.[21] Modulo de Redundancia (RM): Módulo que garantiza la correcta conexión y sincronización entre controladores redundantes, permitiendo el aislamiento de fallas entre controladores y el diagnostico de una falla en la configuración redundante.

Módulos de Red de Control Los DCS de Honeywell, presentan dos capas de red. La primera que permite realizar tareas de red de control denominada ControlNet. Este tipo de red, diseñada especialmente para aplicaciones de control industrial, se caracteriza por presentar un protocolo de red abierto y la función principal de este módulo es la comunicación entre la capa de control y la red de supervisión del sistema. El sistema ofrece soporte para los princiupales buses de campo como ProfiBus, Fieldbus, DeviceNet, Modbus y comunicación HART.

Módulos de Red de Supervisión Brinda la posibilidad de implementar una red Ethernet tolerante a fallos para desempeñar las funciones de supervisión en el sistema. Esta red denominada FTE (FAULT TOLERANT ETHERNET) es una red de protocolo abierto redundante que proporciona tolerancia a fallos (gestión y monitoreo de datos) con respuesta rápida y segura para aplicaciones de control industrial.

Módulos de I/O Los módulos que se encargan del acondicionamiento y procesamiento de las señales obtenidas de campo y aisladas por las barreras se denominan IOM (I/O Module). Este procesamiento que consiste en acondicionar y digitalizar las señales del proceso para entregarlas al procesador se realiza de manera aislada a las funciones ejecutadas por el controlador con el fin de que la tasa de escaneo de I/O sea independiente a la cantidad de módulos, la carga del controlador y el nivel de procesamiento. Honeywell dispone de tres tipos de módulos que dependiendo el ambiente (normal, hostil o bajas temperatura) donde se tengan que instalar, tiene un diseño característico adecuado. Poseen una protección galvánica y como los demás fabricantes disponen de unos módulos fundamentales, Entradas/salidas análogas

39 y Entradas/salidas digitales, de donde apartir de estos se van a tipologías más específicas.

Esquema de arquitectura EXPERION. En la arquitectura que se observa en la figura 2.6 se puede diferenciar las variadas estructuras sobre las cuales trabaja Honeywell. En el nivel superior se encuentra la red de negocio o dependencias de la compañía donde se implanta el DCS, en el nivel intermedio se observa la red de aplicación y gestión o área de ingeniería, donde se visualiza el proceso y se dan las pautas de funcionamiento.

Figura 2.6: Arquitectura de plataforma EXPERION.[24]

Y en la base de la arquitectura la red de control y supervisión, encontrándose todos los controladores, sistemas integrados de seguridad, SCADA e instrumentación, interconectados por buses de campo que permiten el manejo de información en una alta tasa de velocidad.

2.1.0.3.

Sistema de Control Distribuido SIMATIC PCS7 de SIEMENS.

SIMATIC PCS7 el Sistema de Control de Procesos en Automatización Completamente Integrada de la marca SIEMENS. Ofrece soluciones de automatización uniformes y homogéneas para todos los sectores: diseño modular, escalable

40 desde sistemas de laboratorio hasta una red de planta, con alta disponibilidad gracias a la robustez y eficiencia del sistema en sus variados niveles. Para el desarrollo en software, este sistema dispone de PCS 7 con el cual se ejecuta el control del sistema en un determinado proceso que se utiliza tanto para aplicaciones de tareas discretas como tareas de control analógico. Obteniendo como resultado una mejor interacción con todos los componentes, desde el controlador, pasando por la HMI y los accionamientos, hasta el sistema de control de proceso. Segun el fabricante se obtiene en la fase de ingeniería un ahorro de tiempo y costos, mientras que en operación se obtiene una mejor disponibilidad de la instalación debido a las posibilidades de diagnostico homogéneas que ofrece TIA (Totally Integrated Automation).[25]

Figura 2.7: Controlador S7 400 sistema SIMATIC PCS7.[26]

COMPONENTES DE UN SIMATIC PCS 7. Los componentes del sistema son identificados como: Sistema de Ingeniería: Este sistema permite salvaguardar el ciclo de ejecución del proyecto implementado, la configuración de automatización del sistema de operador, determinar los puntos y tipos de punto de medida e intercambiar y procesar los datos suministrados por el sistema de automatización con los diferentes niveles que le puedan servir toda la información del sistema en general. Operador del sistema: Dentro de este sistema se realiza la visualización del proceso que tiene el sistema SIMATIC PCS 7 por medio de la interacción software SIEMENS y sistema operativo Windows, donde se observan curvas de tendencia del proceso controlado y adecuada ejecución de este basado en las parámetro de programación establecidos para la producción de la planta

41 Sistema de Automatización: Establece el equipamiento que está dispuesto en planta y que el sistema de control distribuido cubre, también las estrategias de control o medios de protección para la adecuada ejecución del proceso desarrollado, dentro de este sistema se encuentran: Hardware del sistema de control, incluida la periferia de E/S y los equipos de campo. Funcionalidad de automatización para procesos continuos y secuenciales. Aplicaciones de seguridad (Safety Integrated for Process Automation). Procesos por lotes, automatizados con SIMATIC BATCH Comunicaciones: Dentro de los medios de comunicación que permite este sistema desarrollado por SIEMENS, se encuentran la mayoría de buses de campo disponibles en el mercado de la automatizaciion industrial, PROFINET, FieldBus, HART, entre otros. Aunque se observa que hay una tendencia hacia implementaciones de comunicación con PROFIBUS.

Esquema de arquitectura SIMATIC PCS 7 Al tener un sistema mediante rack en una sala de servidores donde se encuentra la estación de ingeniería que permite la configuración del proyecto completo, genera una mejora en la flexibilidad al tener ordenado mediante los rack para poder llegar vía cable (profibus dp o fibra óptica, en caso de tener una distancia como por ejemplo 20km). En la estación de ingeniería se realizan todos los cambios o configuraciones a nivel de hardware y posteriormente se cargan estas lógicas de control ya modificadas al controlador o controladores.

42

Figura 2.8: Arquitectura del sistema SIMATIC PCS 7.[27]

Si se quisiere agregar otro rack de entradas y salidas como una periferia descentralizada, se realiza en la estación de ingeniería para que desde ahí se descargue al controlador para que lo reconozca. Si se quisiere agregar un accionamiento, se configura éste para que se comunique via profibus dp en la estación de ingeniería, luego se descargue al controlador para que reconozca la aplicación. Para instrumentos de campo ocurre exactamente lo mismo.

2.2.

JUSTIFICACION DE LA ESCOGENCIA DEL FABRICANTE PARA EL ESTUDIO

En el contexto Colombiano los fabricantes más importantes en lo que a sistema de automatización se trata y que han desarrollado equipamiento necesario para la implementación de una arquitectura distribuida, con una amplia gama de instrumentación en sus catálogos y facilidad de conseguir sistemas escalables desde una pequeña aplicación, hasta complejos sistemas de alta disponibilidad son:

43 FOXBORO con I/A, YOKOGAWA y su producto CENTUM VP, EMERSON ELECTRIC desarrollo el DELTA V y ABB con el equipo 800XA. Aunque en el negocio de la automatización y control existen más fabricantes y proveedores de equipos para implementaciones en Sistemas de Control Distribuido, luego de realizar un sondeo de mercado o inteligencia de mercado, se determina que los fabricantes mencionados en el párrafo anterior son los que cumplen con los requisitos técnicos para ser considerados como proveedores de tecnología DCS, esto fundamentado en opiniones de los mismos fabricantes, clientes o usuarios de DCS y la comparación de manuales técnicos elaborados por cada uno de los fabricantes. Teniendo como base los fabricantes mencionados se establecen unos parámetros o criterios de escogencia del proveedor para el estudio y diseño que se efectuo en este proyecto, nos basamos en procesos de selección de evaluación de tecnologías de sistemas de control distribuido DCS, equipos de soluciones alternativas a nivel de control con sistemas integrados de seguridad y procesos de automatización acogidos en la industria Colombiana, dichos parámetros son vinculados al nivel académico y de acuerdo a esto se realiza la escogencia del proveedor y su respectivo equipo DCS.

2.2.1.

CRITERIOS DE SELECCION PROVEEDORES DE SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO EN COLOMBIA.

Para la escogencia del proveedor que dispone de equipos para implementar Sistemas de Control Distribuido en Colombia, se escogieron parámetros que garantizaran que estos sistemas tienen presencia y desarrollo en la industria actual. Por esto se tomó como base un pliego de contratación que emitió la Empresa Colombiana de Petróleos S.A. (ECOPETROL), informe IM 30-801[28], donde se deseaba Obtener Información de Interesados en el Suministro, Instalación y Configuración de Sistemas de Control Distribuido en Facilidades de Producción, de los Diferentes Campos que Conforman la Vicepresidencia de Producción de Ecopetrol S.A. Se toman los parámetros de mayor relevancia y pertinencia para este proyecto y se complementan con información recopilada con los propios fabricantes de Sistemas de Control Distribuido contactados. Obteniendo unos criterios claros de escogencia con el respaldo de información organizada en las siguientes tablas de experiencia en implementaciones, conectividad, software, hardware y desempeño de los proveedores de tecnología DCS.

44 Los Proveedores y fabricantes en Colombia de Sistemas de Control Distribuido son:

Cuadro 2.1: Proveedores o fabricantes en Colombia de Sistemas de Control Distribuido. Los Autores

Cuadro 2.2: Información de contacto de los fabricantes. Los Autores

45 Para corroborar la experiencia que disponen los proveedores se mencionan casos donde se han implementado un Sistema de Control Distribuido de cada una de las marcas.

Cuadro 2.3: Casos de implementaciones en Colombia Proveedores DCS. Los Autores

46

Cuadro 2.4: Casos de implementaciones en Colombia Proveedores DCS. Los Autores

Como se mencionó se tomaron criterios de escogencia que son soportados con información contenida en las siguientes tablas, donde solo aparecerán los proveedores que tienen una oferta difundida y comprobada en Sistemas de Control Distribuido, los criterios asumidos son:

47 2.2.1.1.

Conectividad

Los medios, protocolos y formas con las cuales la plataforma de control se comunica con elementos en campo, a nivel de red de control, red de planta elementos de otros proveedores, etc. Estos mismos medios de comunicación serán aprovechados para la interconexión con elementos o equipos pertinentes, disponibles en los laboratorios de automatización de la facultad.

Cuadro 2.5: Conectividad en Sistemas de Control Distribuido. Los Autores

2.2.1.2.

Software

Lo concerniente a las herramientas para la configuración del controlador, aplicaciones especiales desarrolladas para el control de procesos, implementación de ambientes gráficos e intuitivos para las distintas pantallas de operación y configuración. La posibilidad de paquetes de software con licenciamiento estudiantil y soporte del mismo.

48

Cuadro 2.6: Software requerido para implementacion de un DCS. Los Autores

Cuadro 2.7: Software 2 requerido para implementacion de un DCS. Los Autores

49 2.2.1.3.

Hardware

Requerimientos de hardware de la plataforma de control, su capacidad de procesamiento, su interconectividad con distintas redes de control, elementos, capacidad de redundancia y disponibilidad del sistema. Aunque para un nivel académico no es crítico la parte de disponibilidad y redundancia del sistema si es valioso tener equipos con los cuales se pueda tener las mismas características vividas en la industria de procesos vinculadas a la parte de automatización y control.

Cuadro 2.8: Hardware en los Sistemas de Control Distribuido. Los Autores

50 Existe módulos adicionales o especiales a los típicos que se encuentran en un dispositivo modular de control, se mencionan los básicos aunque algunos fabricantes ofrecen módulos con características especiales que se amoldan de acuerdo al tipo o necesidad del proyecto donde va ser implementado el sistema.

Cuadro 2.9: Hardware 2 en los Sistemas de Control Distribuido. Los Autores

2.2.1.4.

Desempeño

Este criterio indica que la plataforma de control seleccionada, contenga como fortaleza la detección y manejo de eventos, fallas y alarmas. Con lo cual se obtendrá el acercamiento e involucramiento del alumno en factores no esperados o aceptables en un proceso de manufactura industrial donde se tiene un DCS implementado.

51

Cuadro 2.10: Desempeño de los Sistemas de Control Distribuido. Los Autores

2.2.1.5.

Disponibilidad de información

Cuando se realiza un sondeo de mercado y contacto de proveedor como estudiante, la mayor dificultad que se presenta es ser atendido rápidamente y lograr el suministro de información (manuales, brochure, demostraciones de funcionamiento etc.). Este aspecto es gran determinante ya que los fabricantes hacen alta restricción de documentación, lo que dificulta el análisis y gestión de la misma. En los aspectos técnicos todos los fabricantes cumplen con los criterios requeridos, ya que el proyecto tiene una aplicación académica que no representa una alta exigencia sobre los equipos y valores tope, por tanto el parámetro de escogencia recae en la disponibilidad de información. Siendo YOKOGAWA el que mayor facilidad presenta en este criterio, tanto en disponibilidad documental en la web como en suministro directo por sus ejecutivos de cuenta, permitiendo un contacto directo con los equipos denominados por ellos como de altas prestaciones o alta gama.

52 Por lo tanto por los anteriores aspectos mencionados se toma al fabricante y distribuidor YOKOGAWA S.A como proveedor base para el estudio de los equipos que se denominan de alta gama y principalmente su equipo CENTUM VP con su respectiva arquitectura desarrollada en un Sistema de Control Distribuido, algo que será expuesto en los capítulos siguientes de este trabajo.

Capítulo 3 EQUIPOS YOKOGAWA

3.1.

COMPONENTES DE ARQUITECTURAS DESARROLADAS POR YOKOGAWA

Las arquitecturas con las cuales trabaja YOKOGAWA dispone de tres componetes los cuales son: Visulizacion: La cual esta compuesta por HMI (Human Machine Interface), con desarrollos en software y hardware. Controlador: Con la oferta de su gama de productos catalogados como Production and Safety Control, con equipos para aplicaciones en control de produccion integrada (CENTUM VP), control de seguridad integrado (ProSafe-RS), control basado en la red y SCADA (STARDOM) y PLC de altas prestaciones (FA-M3V). Red: Relacionada con las tecnologías de redes de comunicación que se utilizan para interconexion de distintos equipos de control como con la instrumentacion dispuesta en campo.

3.1.1.

STARDOM (Network Based Control Systems)

STARDOM es un sistema de control de red abierta que está integrado por componentes con funciones de control, operación y monitorización, combinando la 53

54 fiabilidad de un DCS, con la versatilidad y el ahorro de un PLC. Los controladores autónomos son el núcleo de STARDOM y tienen las mismas funciones de control y seguimiento encontrados en un PLC así como las funciones de distribución de información de un DCS. Son ampliamente utilizados como unidades terminales remotas inteligentes (RTU) en aplicaciones distribuidas como gas natural, pozos de petróleo y gas. Usados en conjunto, los controladores autónomos FCN (Node Control Field), FCN-RTU y el software FAST/TOOLS SCADA, proporcionan una mayor flexibilidad en las aplicaciones distribuidas.

Figura 3.1: Fuente y procesador STARDOM. Los Autores

Principales mercados objetivo

Las instalaciones que cuentan con una gran extensión de cobertura en terreno cómo las que se aplican para petróleo & gas, abastecimiento de agua y tratamiento de aguas residuales. Plantas pequeñas y medianas para el procesamiento de petróleo, productos químicos, hierro, acero, metales no ferrosos, pulpa de papel, alimentos, productos farmacéuticos etc. Pequeñas y medianas plantas de energía que emplean viento, vapor o turbinas propulsadas con agua para generación de energia.

55

Figura 3.2: Componentes de STARDOM. Los Autores

3.1.1.1.

Componentes que integran STARDOM

FCN:

(Node Control Field) Redundancia Dual- Configurable. PLC Hibrido/RTU Inteligente. Nunca interrumpe su proceso. Alta fiabilidad es esencial para los sistemas que controlan los procesos críticos. La capacidad dual redundante del nodo de control de campo (FCN) asegura que estos procesos continúen sin interrupción incluso cuando se sustituye un módulo dañado.

Figura 3.3: FCN (Nodo de Control de Campo) y demas componetes STARDOM.[29]

56 Sus características principales Conmutación automática sin interrumpir su proceso: Si la CPU del control falla, el stand-by (modo de espera) de la CPU detecta automáticamente este fallo y toma el control. Para mantener la coherencia, todos los datos de proceso se sincronizan en las CPUs de espera y vuelve a efectuarse el proceso de control. Cuando se sustituye un módulo CPU intercambiables en caliente, el módulo funciona automáticamente como el stand-by de la CPU mediante la sincronización de aplicaciones como también las bases de datos sin interrumpir el proceso. Una característica destacable en esta ejecución es que no se requieren herramientas de PC para realizar esta sincronización. Ingeniería Fácil para aplicaciones redundantes: Ninguna obra de ingeniería especial o módulos de CPU dedicados son necesarios para aplicaciones redundantes. Las CPU de reserva y de control también utilizan las mismas piezas de repuesto, lo que permite a los usuarios mantener un menor número de piezas en stock. Minimiza Reemplazos de hardware por fallo: Falla de energía durante el acceso al disco es una de las principales causas de la corrupción del archivo en el módulo CPU. Sin tener que sustituir todo el módulo de la CPU, es posible recuperar un sistema de archivos dañado reemplazando simplemente la tarjeta del sistema FCN.[29]

Componentes FCN (Node Control Field) Un FCN consiste en lo siguiente: Módulo de Base: Un módulo de base es un chasis sobre el que se incorporan variados módulos tales como CPU, fuente de alimentación, bus repetidor SB, y módulos E/S que se montan para configurar una unidad de control o unidad de extensión, este modulo base como es mencionado por el propio fabricante consta de las siguientes características: Dos ranuras dedicadas a la fuente de alimentación dual, algo exigido por normatividad en este tipo de sistemas. • Dos ranuras o slots para una unidad de control principal y unidad de respaldo en procesador. • Ocho ranuras para módulos de Entradas/Salidas de proposito variado.

57

Figura 3.4: Dimensión y configuración modulo base FCN.(Los Autores)

Módulo de alimentación: Montado en un módulo de base, un módulo de fuente de alimentación suministra energía constante a otros módulos. Dos módulos de alimentación pueden ser instalados en un módulo base para redundancia. Esta fuente de alimentación está equipada con terminales de entrada para una fuente de alimentación de 24 V CC adicional de la alimentación principal de entrada. La entrada de voltaje continuo de 24 V de estos terminales se referencian al voltaje suministrado al módulo análogo de entrada/salida para conducir sus circuitos de interfaz de campo y suministro de energía a los dispositivos de campo conectados a través del módulo base. Sin embargo, cuando una fuente de alimentación 24 V DC es necesaria para salidas digitales, debe ser suministrada de manera individual a los terminales de los módulos de E / S correspondientes.

Cuadro 3.1: Tabla de Especificaciones de Alimentación FCN.[30]

58

Módulo CPU: Un módulo de la CPU está montado en cada unidad de control, o dos para una configuración de CPU dúplex (redundancia Dual). El módulo CPU ejecuta un sistema operativo en tiempo real, soporta la programación de lenguajes de programación cumpliendo con la norma o estándar internacional IEC 61131-3.

Figura 3.5: Especificaciones y dimensiones CPU de la FCN.[30]

Módulo de bus repetidor SB: Se utiliza para conectar una unidad de control para las unidades de extensión de E / S. Para duplicar un bus SB se instalan dos módulos de repetición de bus SB en cada unidad. Cada módulo de repetición de bus SB está conectado a otro a través de un cable dedicado en unión tipo T. Módulo Entrada/Salida I/O: Un controlador autónomo FCN admite módulos de E / S versátiles. Dichos módulos presentan las siguientes especificaciones generales: Módulos GS 34P02Q31-01E (Referencia interna del fabricante) E / S analógicas. Módulos GS 34P02Q35-01E E / S digitales.

59 Módulo de comunicación serial GS 34P02Q36-01E. Módulo de comunicación Foundation Fieldbus GS 34P02Q55-01E.

Cuadro 3.2: Lista de las Entradas/Salidas del controlador FCN.[30]

FCN-RTU: BAJO PODER PLC HIBRIDO/RTU INTELIGENTE. Alto rendimiento con bajo consumo de energía. Presenta características que reducen el consumo de energía, el FCNRTU es una evolución en el campo de la arquitectura probada FCN / FCJ. Con procesador de 256 MHz, RISC de 32 bits asegura un alto rendimiento y bajo consumo de energía. Este modelo de bajo costo cuenta con cuatro puertos de E / S, puertos serie y ethernet que cumplen con los requisitos de las aplicaciones SCADA.

60 Adaptabilidad en lugares remotos e inhóspitos Con la FCN- RTU, no hay necesidad de preocuparse por las condiciones en lugares remotos. La FCN- RTU trabaja a temperaturas tan extremas como -40 ° C y +70 ° C o -20 ° C a 70 ° C dependiendo de los módulos implementados también en altitudes de hasta 3.000 metros o 2.000 metros sobre el nivel del mar en función de los módulos que se deseen utilizar.

Caracteristicas tecnicas FCN Este controlador incluye CPU con E/S integradas, puertos de comunicación (RS232-C, RS422/485 y Ethernet 100Mbps), fuente de alimentación y base para montaje de los módulos con reserva de slots libres para uso de otros tipos de cartuchos o módulos, los cuales son compatibles al otro modelo de la misma familia, la FCN (Field Control Node). El controlador posee alta durabilidad y máximo consumo de CPU de 2,9W, ese consumo permite que sea alimentado por un conjunto de baterías o panel solar. Este dispositivo es indicado para campos de aceite y gas y otros tipos de localizaciones que esten sujetas a condiciones adversas y de requiera bajo montaje de infraestructura.[31] Base de Montaje (Rack) • Fuente de Alimentación: Rango de trabajo de 10V a 30V • CPU: • Incorpora un procesador de 256MHz con una memoria principal de 64MB y memoria flash de 64MB, de conectividad posee puerto Ethernet de 10M/100M y Puertos seriales RS232 y RS422/485. • E/S incorporadas: Cuenta con 12 entradas/salida analógicas, 16 salidas digitales y 8 entradas digitales, 2 entradas de pulsos(0 a 10KHz) y 1 punto para monitoreo de la batería (0 a 32V) • Arquitectura modular que permite la instalación de más de 3 módulos de E/S (Analógicas y digitales). FCJ:

RED REDUNDANTE- RTU INTELIGENTE CONFIGURABLE. La unión de control de campo (FCJ) o controlador autónomo, se presenta de forma compacta y está equipado con un bus de campo Foundation Field Bus y puertos de E / S requeridos, lo que es ideal para aplicaciones donde el espacio es crítico para su alojamiento.

61

Figura 3.6: Equipo Unión de control de campo (FCJ).[31]

CARACTERISTICAS Alimentación de 24 V DC. 6 entradas analogas, 2 salidas analogas, 16 entradas digitales, 16 salidas digitales. 2 puertos Ethernet, 2 puertos RS-232-C. FOUNDATION Fieldbus (opcional).

La redundancia de red Algunos controladores todo en uno (unidades terminales remotas RTU) pueden tener múltiples puertos Ethernet, que no admite redundancia de red. El FCJ, por otro lado, está diseñado para su uso como un controlador híbrido en aplicaciones pequeñas, procesos críticos. Un ejemplo de su utilización seria en dos redes totalmente separadas o redundantes y ser conectadas a través de sus dos puertos Ethernet para vincularlas entre sí.

Figura 3.7: Especificaciones CPU y salidas Analogas del FCJ.[32]

62 FAST/TOOL: SCADA basado en la web que cubre aplicaciones pequeñas y grandes. La principal cualidad es la gestión en tiempo real de operaciones industriales, por medio de una suite de software de visualización basados en la web que trae cambios revolucionarios para procesar la información en tiempo real. Esta solución presenta grandes ventajas arquitectónicas que permiten avanzar de manera significativa en busca de una alta eficiencia, seguridad y el mejoramiento de la agilidad operativa respecto a la infraestructura de gestión de procesos a distancia. FAST es una herramienta que se proporciona bajo entradas de supervisión y operación de la empresa en busca de soluciones para una amplia gama de infraestructuras de gestión de proceso con base a información aportada por el operador. Reconociendo que la mayoría de las empresas tendrán un enfoque híbrido a las soluciones de gestión y control, Yokogawa le brinda a sus clientes una herramienta que les permitirá gestionar mejor sus inversiones en aplicaciones y transformar los datos en información significativa, proporcionando un entorno transparente, donde se pueda integrar arquitecturas de varios niveles y una gran variedad de fuentes que pueden ser visitada y compartidas a nivel mundial.[33]

Ventajas de implementar FAST/TOOL Fomentar y mejorar la coherencia y el cumplimiento de los procedimientos, reglamentos, prácticas recomendables y la optimización en la seguridad en el lugar de trabajo. También permite la flexibilidad de la combinación de diferentes tipos de sistemas para ofrecer soluciones híbridas, tanto en instalaciones nuevas como en su incorporación en infraestructura ya desarrollada, obteniendo la integración de tecnologías DCS, sistemas de seguridad integrados, RTU / PLC, registradores y analizadores, sin importar la conectividad que dispongan Wireless o PCI. Esto se traduce en el acceso a los datos procesables, cuando y donde sea necesario lo que conlleva el mejoramiento de los procesos controlados y supervisados en la industria donde sean implementados. Estas características son a menudo requisitos para: Producción y transporte de petróleo y gas, infraestructura, servicios públicos y gestión de la energía. Energía renovable. Tratamiento de aguas residuales.

63 Aplicaciones de fabricación para procesos críticos.

Figura 3.8: Arquitectura supervisada por FAST TOOL.[33] VDS:

VDS (Versatile Data Server Software) HMI SCADA: Software basado en la Web que se ejecuta en un equipo con sistema operativo Windows y pone en práctica una interfaz hombre-máquina basada en la Web, las funciones del servidor OPC (OLE for Process Control), la adquisición de datos de una variedad de controladores y dispositivos y la gestión de datos históricos. Presenta otras características entre las cuales están:

VDS Visor, se requiere como plataforma para ejecutar operación y monitorización de ventanas que se implementan como aplicación de Java ofreciendo una plataforma y escalabilidad independiente entre Clientes del HMI. Todos los datos de la ventana se crean y se almacenan en un solo Clientes del servidor HMI. Cambios a archivos de cada ventana sólo requiere trabajo en el servidor, no hay necesidad de modificaciones en cada cliente. Vigilancia integrada de datos de múltiples servidores es posible desde un cliente de HMI. Información integrada de múltiples VDS puede ser visto en una computadora mediante un cliente HMI. Permite el funcionamiento y el seguimiento a través de Internet, una intranet, o una LAN privada, incluso si se encuentra más allá de un servidor de seguridad.

64 Las funciones de seguridad permiten la restricción de acceso de acuerdo con el nivel de privilegios de operador, generación automática de registros de operaciones.[34]

Figura 3.9: : Implementación VDS en entorno STARDOM.[34]

3.1.2.

PROSAFE-RS Safety Instrumented Systems (SIS)

El logro de la integridad absoluta entre los sistemas de control distribuido (DCS) y de los sistemas instrumentados de seguridad (SIS) para la automatización de la planta ha conllevado tradicionalmente problemas de diseño y de integración complejos. Convencionalmente, se requirieron dos entornos de control y de funcionamiento separadas por un DCS y SIS. Diferentes comunicaciones y arquitecturas de hardware distintivo tuvieron que ser establecido. Los niveles administrativos de planta que se esfuerzan por optimizar las operaciones de proceso lo han tomado como un hecho que el tiempo y los gastos del proyecto se multiplican. Por tanto Yokogawa incorpora una fusión de sus dos tecnologías DCS-SIS con el equipo ProSafe-RS.

65

Figura 3.10: Equipo ProSafe-RS.(Los Autores)

Cuál es su aplicación. En el petróleo, el gas natural, petroquímico, hierro, acero y otras industrias de materiales básicos y de la energía, es una herramienta importante para garantizar la seguridad de las operaciones de la planta para evitar accidentes, proteger el medio ambiente, y cumplir con normas ambientales corporativas. Lo que lleva a una demanda creciente de sistemas instrumentados de seguridad que pueden detectar condiciones anormales y generar de manera segura por ejemplo una parada de emergencia. Dispositivos de control y sistemas de instrumentación de seguridad se instalan a menudo al aire libre para el seguimiento de oleoductos y gasoductos. Como muchas de estas instalaciones se encuentran en lugares desérticos, deben ser capaces de operar en condiciones de alta temperatura. Además, los operadores de plantas que sustituyen sus sistemas de instrumentación de seguridad para mejorar la productividad y la seguridad tienen que mantener la compatibilidad con sus sistemas de control distribuido existentes. Para satisfacer estas necesidades de resistencia a altas temperaturas y la compatibilidad entre sistemas, Yokogawa ha venido desarrollando y mejorando esta versión de sistema de seguridad instrumentado ProSafe –RS. Descripción general. Módulos de entrada/salida digitales y analógicas resistente a altas tem-

66 peraturas vienen incorporados en el sistema ProSafe. En versiones anteriores a la versión 2012, los módulos de entrada/salida tenían que ser muy distantes para evitar la acumulación de calor. Mientras que con la actualización, los nuevos módulos pueden funcionar a temperaturas ambiente de hasta 70 ° C (158 ° F) esto favorece al sistema en tiempo de vida útil y eficacia en proceso. Sistemas instrumentados de seguridad y los sistemas de control distribuido, en la mayoría de industrias no se reemplazan al mismo tiempo. Por lo tanto, ProSafe-RS se le ha dotado de un soporte para comunicaciones Modbus / TCP basados en Ethernet con otros sistemas. Esto facilita la conexión flexible del sistema ProSafe-RS con sistemas de control distribuido de otros proveedores, lo que permite al cliente o ingeniero una mayor gama de elección, algo que se está convirtiendo en una tendencia en la industrias de la tecnologia de la automatización.[35] Compatibilidad. Desde la versión lanzada desde el 2008, ProSafe -RS ahora es capaz de asegurar, en condiciones de alta temperatura que los sistemas dispuestos en la industria trabajen con precisión y de forma segura. La conexión más estrecha no sólo con los sistemas CENTUM VP Y CS 3000 (Sistemas de control distribuido de Yokogawa) en todas sus versiones recientes sino también a los sistemas de otros proveedores hace que sea más fácil para las empresas adoptar este tipo de sistema altamente fiable de seguridad instrumentado. ProSafe-RS emplea el sistema de control distribuido CENTUM VP/CS 3000 para arquitectura de sus tecnologías base, brindando unas ventajas que son garantizadas por el fabricante como lo son: Paquetes básicos, tales como la instalación de hardware y métodos de mantenimiento, para ambas tecnologías la principal que sería CENTUM VP/CS 3000 y su respaldo a nivel seguridad de procesos ProSafe-RS. Dado que la conexión a través Vnet/IP o red en V es posible, la construcción del sistema y su respectivo diseño de la interfaz haciéndola más simple, lo que permite una mejora de la eficiencia de la ingeniería total, incluyendo tiempos de ejecución de proyecto y disminución de los costos Clasificación de seguridad SIL3 (Safety Integrity Level 3)

67 ProSafe -RS ha incorporado al sistema un nivel de doble redundancia y mecanismos de auto- diagnóstico incorporados en el módulo de CPU y también dentro del módulo de entrada/salida, por lo que es clasificado dentro del ranking SIL3 (siendo el máximo ranking SIL4) lo anterior está definido por la norma IEC 61508. Esto permite la implementación de bucle de seguridad SIL3 en configuración única, junto con el módulo de la CPU y el módulo de entrada/salida. El logro de alta disponibilidad por redundancia con ProSafe-RS permite seleccionar configuraciones de módulos de doble redundancia con el fin de lograr un alto disponibilidad del sistema y fiabilidad del proceso en el cual se tiene implementado este equipo.[36]

Medidas de Seguridad ProSafe -RS está equipado con las funciones de seguridad que se describen a continuación. Seguridad mediante el uso de una contraseña para una base de datos o estación de control de seguridad (SCS por sus siglas en ingles) del proyecto. Seguridad al dar el permiso de acceso de control del DCS para todos los usuarios en el CENTUM VP/CS 3000. Siendo las anteriores una de las características sobresalientes entre las muchas que distinguen a este sistema de seguridad industrial.

3.1.3.

PLC FA-M3V

La familia FA-M3 es la línea de la multinacional Yokogawa de controladores lógicos programables (PLC), que ofrece un rendimiento de velocidad de exploración de la CPU alto comparado con la capacidad de procesamiento de otros PLCs de otras marcas, el FA- M3V es recomendado no sólo para el control de procesos de fabricación discretos convencionales, sino también los procesos por lotes. El FA- M3V tuvo una gran acogida desde su lanzamiento en la industria Japonesa y según informes de Yokogawa se estima que este y los demás modelos de la serie FA- M3 han tomado una participación del 30 % del mercado de PLCs en la industria de mediano a gran tamaño de producción. Aprovechando el alto rendimiento que se divulga sobre el FA- M3V, Yokogawa ampliará su participación en el mercado del PLC para de esta forma

68 posicionar este producto entre los preferidos de la automatización industrial y tener gran impacto en su portafolio de negocios. El FA- M3V se une a una amplia línea de productos de automatización industrial que va desde sistemas de control distribuido (DCSs) para sistemas y PLCs (SCADA) de control, supervisión y adquisición de datos. Para ayudar a sus clientes a desarrollar estos programas de manera más eficiente, Yokogawa ha desarrollado la herramienta de programación WideField3 para el FA-M3V y un marco de herramientas de programación para el control de temperatura del controlador y módulos de posicionamiento. La función de seguimiento de muestreo para los módulos de la FA-M3V de dos CPU también ha sido mejorada para permitir el registro a largo plazo de datos de campo. Con esta función de registro, cualquier intervalo de tiempo se pueden especificar y muchos tipos diferentes de factores desencadenantes pueden ser ajustados. Esto facilita enormemente el análisis de los problemas que pueden ocurrir en el arranque o durante el funcionamiento normal. Estas nuevas características permiten sistema de arranque rápido y reducir la carga de trabajo asociada a procesos como el diseño, desarrollo y mantenimiento.

Figura 3.11: PLC modular FA-M3V.[37]

CARACTERISTICAS PRINCIPALES El FA- M3V puede escanear un programa de 100 Kbytes en apenas una milésima de segundo, por lo que es el más rápido PLC del mundo en términos de velocidad de exploración de CPU, característica que destaca el fabricante. Para alcanzar este tipo de procesamiento se hace posible con la combinación de hardware firmware del motor Vitesse diseñado por el fabricante especialmente para impactar positivamente la productividad de la empresa, desarrollando nuevas tecnologías en el mercado como un sistema de procesamiento de instrucciones en paralelo (PIPS). También entrega una única forma de procesamiento de módulos y elimina sobrecarga de comunicaciones, lo que garantiza tanto un mayor

69 rendimiento y un diseño más compacto. El FA- M3V proporciona una función de inicio de sesión con tres niveles diferentes de control de acceso algo novedoso en al campo de la seguridad de los sistemas de control y automatización. El historial de acceso se puede archivar en una tarjeta SD (tamaños de hasta 32 GB compatibles). La CPU FA- M3V viene con comprobación de errores y de esta manera corregir errores sobre la funcionalidad del PLC.

Herramientas de Programación En materia de programación para este tipo de PLCs está disponible una versión recién lanzada del software WideField3, dos herramientas de programación Tool Box para el control de la temperatura de la FA-M3V de seguimiento y posicionamiento de los módulos. Los módulos de la CPU para la versión 2012 fue mejorada con funciones para el seguimiento de muestreo de hasta 100 muestreos los cuales los puede establecer el usuario, permitiendo un análisis muy preciso de grandes cantidades de datos de la operación. Con sólo insertar una tarjeta de memoria SD en la ranura del módulo de procesamiento de FA-M3V, es posible registrar automáticamente los datos en un archivo de configuración de traza que posteriormente se puede utilizar para solucionar problemas y depurar programas. No es necesario conectar un PC para realizar esta tarea lo que es una gran ventaja en la migración de datos. El mantenimiento a distancia de la FA-M3V también se puede realizar mediante el ajuste de rastreo e-mail y archivos de resultados.

3.2.

ARQUITECTURA DE INTERCONEXION DE CADA EQUIPO EN PLANTA

Cuando el sistema de control distribuido (DCS) apareció por primera vez en la escena de la automatización industrial a mediados de la década de 1970, la atención se centró en el control y la interfaz del operador. Si bien el control y la interfaz hombre-máquina (HMI) siguen siendo importante, los equipos e instrumentación de hoy han evolucionado para hacer énfasis en la integración de la planta y la información operativa que permita la eficiencia operacional. Dentro de los variados medios que dispone Yokogawa para realizar las arquitecturas dentro de una planta y hacer que sus sistemas sean fácilmente escalables, está la implementación de módulos con conectores para buses de campo, permitiendo la transmisión de información (datos) simplificando enormemente la

70 instalación y operación dentro de planta[38]. Con esto se logra el objetivo de reemplazar los sistemas de control centralizados por redes de control distribuido.

3.2.1.

ARUITECTURA CON STARDOM.

En esta arquitectura se tiene un nivel de operación y monitoreo con base a herramientas como, VDS, FAST/TOOL OPC, Exaquantum entre otros, aquí se aplica el nivel jerarquico de acceso y supervisión. Para la interconexión se puede realizar por medio de Fieldbus, Profibus, DeviceNet y para conexiones ihnalambricas el protocolo ISA100 wireless. Las anteriores tipos de comunicación también se aplican entre los equipos y la instrumentacion dispuesta en campo agregándoles el protocolo de comunicación HART (Highway Addressable Remote Transduce).

Figura 3.12: Arquitectura de conexión con el equipo STARDOM.[39]

3.2.2.

ARQUITECTURA CON ProSafe-RS.

Los sistemas integrados de seguridad se encuentran interconectados por medio de buses de campo como Fieldbus, Profibus, DeviceNet y para conexiones ihnalambricas el protocolo ISA100 wireless. Dichos sistemas de seguridad manejan instrumentación dispuesta en procesos críticos dentro de la planta o en respaldo a DCS encargados de controlar un área específica o la planta en su totalidad.

71

Figura 3.13: Arquitectura de conexión con el equipo ProSafe.[39]

3.2.3.

ARQUITECTURA CENTUM VP, STARDOM y PLC FA-M3V.

Arquitectura escalable e interoperable CENTUM VP tiene una arquitectura simple y común que consiste en interfaces hombre-máquina, estaciones de control de campo, y una red de control.

Figura 3.14: Arquitectura de tecnologia YOKOGAWA.[39]

72 3.2.4.

Comparativa de los 4 equipos de alta gama de control de YOKOGAWA.

Como se puede evidenciar en el transcurso de este capítulo YOKOGAWA dispone de 4 equipos principales, cada uno con sus respectivas aplicaciones, ventajas y características. En la parte de control el fabricante denomina una sección de control y seguridad en la producción, donde se encuentran el STARDOM, sistema hibrido con características de un PLC de altas prestaciones y la funcionalidad de un DCS, también se encuentra el PROSAFE-RS, equipo destinado a la seguridad FIRE & GAS y ambiental de las instalaciones de la planta, implementado en procesos críticos, puede trabajar en complemento a un Sistema de Control Distribuido. Por ultimo en esta sección de control de seguridad en planta se dispone del equipo vinculado al Sistema de Control Distribuido, CENTUM VP, equipo de altas prestaciones tecnológicas e industriales que puede ser vinculado con los otros dos equipos (STARDOM y PROSAFE-RS), para conformar una arquitectura distribuida de respaldo total en control y seguridad en planta. En la sección de control lógico y adquisición de datos se dispone del PLC FA-M3V, equipo de altas prestaciones y una velocidad de procesamiento destacable en el mercado de la automatización. Puede fácilmente combinarse con los demás equipos y crear una arquitectura netamente YOKOGAWA. En la siguiente tabla se evidencias las características técnicas y las ventajas que conlleva la implementación de cada uno en la industria.

73

Cuadro 3.3: Comparativa equipos principales del fabricante YOKOGAWA. Los Autores

Cuadro 3.4: Comparativa 2 equipos principales del fabricante YOKOGAWA. Los Autores

Capítulo 4 SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO CENTUM VP YOKOGAWA

4.1.

¿Que es YOKOGAWA?

Yokogawa Electric Corporation es una multinacional formada por 18 centros de fabricación, 84 compañías y 650 centros de ventas y oficinas de ingeniería en 33 países. Fue fundada en 1915, 4 billones de dolares, han sido empleados en innovación e investigación de última tecnología, adquiriendo más de 8.000 patentes y registros propios, incluyendo el primer sensor digital del mundo en la medida de caudal y presión.

Figura 4.1: Evolucion Sistemas de Control Distribuido de Yokogawa.[40]

74

75 El núcleo central de negocio ha sido: automatización y control industrial, test y medida, sistemas de información y por último servicios/soporte industrial. Desde que Yokogawa introdujo el primer Sistema de Control Distribuido en 1975, más de 19,000 sistemas han sido desarrollados en el mundo para todo tipo de plantas de proceso. Constantemente Yokogawa procura satisfacer las necesidades de los clientes proporcionando una elevada confianza con las mejoras en las series CENTUM basadas en tecnología de punta.

4.2.

Sistema de Control Distribuido CENTUM VP de YOKOGAWA

CENTUM VP es un nuevo concepto introducido por Yokogawa para garantizar un control de planta seguro y fiable. CENTUM VP tiene como objetivo crear un estado de gestión mejorada en la operación en plantas industriales donde el personal está preparado, bien informado y listo para realizar acciones que optimicen y mejoren la rentabilidad de la planta. Esta iniciativa elimina el tiempo improductivo, mejora la utilización de activos, así mismo, permite adaptar la producción rápida y efectiva a las condiciones cambiantes del mercado. Basado en este concepto. El lanzamiento del CENTUM VP significa dar un paso más en la evolución del sistema. CENTUM VP es la octava generación del sistema CENTUM, sucede a la anterior generación CS1000/CS3000. Mientras que se asegura la total compatibilidad y consistencia con versiones anteriores, CENTUM VP redefine el papel a realizar por un Sistema de Control de producción, comúnmente conocido como DCS (Sistema de Control Distribuido). Al mismo tiempo que es capaz de realizar las funciones tradicionales de los DCS, como son la monitorización y control de las plantas industriales, CENTUM VP incorpora otras funciones más, relacionadas con la integración de información, gestión de recursos y soporte de operaciones, consiguiendo un entorno operacional uniforme y eficaz. CENTUM VP proporciona una mejora de operación suministrando información en su contexto y permitiendo fácilmente el acceso a todas las funciones. Esta arquitectura ha sido diseñada para potenciar las decisiones de operación en tiempo real en las plantas industriales. Las ventajas de CENTUM VP son las siguientes: Arquitectura Unificada una Base de Datos única en tiempo real. Las operaciones de Control en plantas industriales requieren numerosos componentes funcionalmente independientes como son: la monitorización,

76 el control de la producción, la gestión de la información, la gestión de recursos y el soporte de operaciones. Generalmente estas funciones son realizadas por una gran variedad de productos de diferentes fabricantes. Esto significa que las plantas son operadas por una variedad de elementos de diversos sistemas, generando con ello retrasos y barreras, que limitan las operaciones. Sin embargo, el CENTUM VP crea una única base de datos en tiempo real de la planta como base, la cual da servicio a todas estas funciones en tiempo real, creando la base para un entorno unificado de operación. Esta nueva arquitectura mejora la eficacia de la información, aumentando la seguridad y la rapidez de las operaciones y el control de planta. Con esta base de datos unificados, CENTUM VP dispone de una única fuente de datos y aplicaciones avanzadas que gestionan la información de la planta estabilizando el proceso. Un rápido y flexible despliegue de estas aplicaciones permite al usuario incrementar la seguridad, disponibilidad y rendimiento de la planta, simplificando la gestión y minimizando por tanto costos y favoreciendo el ciclo de vida de la planta. Alta fiabilidad y compatibilidad. CENTUM VP utiliza la fiable y exclusiva tecnología de Yokogawa “Pair&Spare”, permitiendo la característica de redundancia en todos sus procesos, minimizando fallas y manteniendo la disponibilidad del sistema líder en la industria con siete 9 (99.99999 %). Al mismo tiempo, es completamente compatible con sus antecesores CENTUM CS1000/CS3000 y asegura una migración directa y flexible con anteriores generaciones del CENTUM. De este modo, los usuarios pueden mantener sistemas existentes mientras amplían sus plantas o sus sistemas con un nuevo DCS. Entorno unificado e intuitivo. Los nuevos gráficos han sido diseñados para ser más ergonómicos con el fin de reducir y facilitar su operación. La Interfaz Hombre Maquina (HMI) también ha sido diseñada para facilitar el acceso rápido y fácil de la información correcta. Otra capacidad de esta nueva HMI, es la de visualizar el conocimiento operacional favoreciendo su estructuración en forma de “modelos cognitivos”, lo que permite por tanto un trabajo más inteligente. Esta HMI aprovecha la potencia de los sistemas integrados de control de producción, asegurando que los usuarios capten la adecuada información para actuar de la manera más apropiada.

77

4.3.

CARACTERISTICAS DEL SISTEMA CENTUM VP

El Sistema de control de producción integrada CENTUM VP se aplica para controlar y gestionar las operaciones en diversas plantas industriales de mediano y gran tamaño, como plantas petroquímicas, plantas de gas, plantas de productos químicos, energía, pulpa y papel, productos farmacéuticos, alimentos, hierro y acero, residuos, agua y tratamiento de aguas residuales entre muchos otros. CENTUM VP puede manejar múltiples productos y múltiples líneas de producción de alto volumen. Cuenta con una Interfaz Humana HMI que consta de dos componentes: la estación de ingeniería (ENG) y la Estación de Interfaz Humana (HIS) las cuales puede existir en el mismo PC. La comunicación entre los componentes de campo y el panel de operador se realiza a través de la Red de comunicaciones o protocolo propietario de Yokogawa Vnet/IP.

4.3.1.

Estándares industriales

Además de cumplir con la Parte 11 del Título 21 del Código de Regulaciones Federales (21 CFR Parte 11) y el reglamento emitido por la Administración de Drogas y Alimentos (FDA, por sus siglas en inglés) emitido en Agosto de 1997 donde se establece los criterios para la aceptación de los registros electrónicos, las firmas electrónicas y firmas manuscritas ejecutadas a los registros electrónicos como equivalente a registros en papel y las firmas manuscritas ejecutadas en el papel, CENTUM VP cumple con los siguientes estándares: 1. CENTUM VP es construido sobre el estándar ISA-88 y que posee la capacidad de reutilización de las definiciones y las capacidades que proporciona un control total a nivel de empresa con jerarquía de las actividades (control de procesos, control de gestión, gestión para la fabricación por lotes etc). 2. Foundation Fieldbus, que es un protocolo usado para la comunicación entre sistemas de instrumentación y control que permite una comunicación bidireccional. 3. OPC - Vinculación de objetos para Control de procesos que proporciona conectividad abierta para el intercambio de datos entre sistemas y aplicaciones.

78 4.3.2.

SISTEMA ESCALABLE E INTEGRABLE

CENTUM VP tiene interfaces abiertas que facilitan acceso a datos de sistemas de supervisión como sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP), sistemas de ejecución de fabricación (MES), y los Sistemas de Información de Laboratorio (LIMS); esto facilita la creación de un sistema de información para la gestión estratégica de una empresa. CENTUM VP es un sistema escalable y compatible, ya que está diseñado para trabajar con los sistemas existentes, y permite crecer con los usuarios, reduciendo el costo total de propiedad. CENTUM VP es compatible con varias familia predecesores y se puede integrar con otros sistemas de control. Sistemas como el CENTUM V y CENTUM XL pueden ser migrados a CENTUM VP sin cambiar dispositivos de campo ni el cableado a las tarjetas de E/S en las FCS (Estación de Control de Campo).

4.4.

ARQUITECTURA DEL SISTEMA CENTUM VP.

El sistema CENTUM VP se caracteriza por una arquitectura simple, escalable y común a la que se aprecia en otros fabricantes de sistemas de control distribuido. Como se ha mencionado que este sistema permite una fácil migración a tecnologías actuales, donde se vinculan nuevos aspectos que reconocen la robustez y alta confiabilidad de gestión, control y supervisión. Los primero que se aprecia en una arquitectura del sistema CENTUM VP son sus estaciones de Ingeniería (ENG) y estaciones de interfaz humana (HIS), las cuales se disponen en las áreas gerenciales, administrativas e ingenieriles. En relación con el control y supervisión se disponen de forma separada, paralela o combinada los variados equipos denominadas de alta gama por el fabricante (STARDOM, PROSAFE-RS, CENTUM VP y PLCs), lo cual garantiza el respaldo y alta eficiencia. Por ultimo en el contacto directo con los procesos se dispone de una gran variedad de instrumentación de medida con comunicación por medio de los buses de campo predominantes en el mercado actual de la automatización, también permitiendo la comunicación por medio inalámbrico algo que está cogiendo auge en el mercado del control.

79 CONCEPTO Y CONFIGURACION DEL SISTEMA Los componentes del sistema CENTUM VP se muestran en la Figura 4.2. Estos son: Interfaz Humana (HMI): Estación de Ingeniería ( ENG) y Estación de interfaz humana ( HIS). Estación de Control de Campo (FCS): Soporta un amplio conjunto de buses de campo, incluyendo Fieldbus, HART, Modbus , DeviceNet, y Profibus. Administrador de recursos de la planta (PRM): Permite la gestión de activos de la empresa. Estación de entrada Unificada (UGS): Es una estación de Vnet/IP, integra un subsistema de controladores a un sistema de CENTUM VP. Esta estación se conecta directamente con los controladores o a través de un servidor OPC. Con el UGS, una estación de interfaz humana (HIS) puede operar y controlar los controladores de los subsistemas de la misma manera que se opera desde una estación de control de campo (FCS). Estación de entrada genérica de subsistemas (GSGW): Para la integración con servidores OPC. Exaopc: Para acceso de datos por OPC, alarmas y eventos, historial de acceso a los datos y servidores. Exaquantum: El Sistema de Gestión de Información de las Plantas (PIMS) puede estar estrechamente integrado con CENTUM VP para recoger y almacenar datos e históricos de los procesos. Comunicaciones: Vnet/IP es una red basada en el protocolo de internet con velocidad de transmisión de 1 Giga bits por segundo soportando los diferentes protocolos de comunicación que estan disponibles en el sistema CENTUM VP.[41]

80

Figura 4.2: Configuración básica CENTUM VP.[40]

4.4.1.

ESTACIONES DE TRABAJO HMI

CENTUM VP consta de dos tipos de estaciones HMI (HIS y ENG) los cuales puede ser instalado en el mismo equipo, en función de las necesidades de los usuarios. Los usuarios pueden utilizar el CENTUM VP como Función de Sistema de prueba para visualización (estación de control emulación) para ofrecer un eficaz y fácil entorno de ingeniería para el desarrollo y prueba de aplicaciones. La HIS puede montarse en una consola HMI o en un computador de escritorio. CENTUM VP se puede ejecutar en equipos con Windows Vista Business Edition, Windows XP Professional, Windows 2008 Server o Windows 2003 Server, como sistemas operativos anfitriones. Permite el funcionamiento remoto de ingeniería durante el desarrollo de la aplicación, operación remota de una instalación y una respuesta más rápida por el personal de soporte técnico durante la operación. Las estaciones de trabajo HIS y ENG de CENTUM VP tienen las siguientes funciones básicas: Función de Ingeniería y control de proceso de desarrollo a través de la estación ING (por medio de una combinación de texto estructurado (SEBOL), programación Lógica y/o Secuencial Funtions Chart ó SFC).

81 Interacción con el operador y la planta en tiempo real a través de los mímicos y pantallas. Gestión de eventos y alarmas, visualización, almacenamiento y recuperación. Pantalla de tendencias, almacenamiento y recuperación. Archivado de datos, copia de seguridad y restauración. Generación de informes de cada una de las estaciones y su respectiva impresión si es necesario. Gestión de soluciones a través de un PC independiente o integrado con la estación ING.

4.4.2.

ESTACION DE CONTROL DE CAMPO (FCS).

El FCS (por sus siglas en inglés) permite el control de los procesos en tiempo real. Provee funciones de bloques para el monitoreo, control, manipulación, cálculos, funciones lógicas y secuencias de control. Todo el proceso está ejecutado en un entorno redundante, seguro y confiable controlado. El diseño del sistema de la planta es muy flexible de acuerdo a las funciones de bloque que se utilicen, abarcando desde plantas simples a procesos industriales con altos grados de complejidad. Hay dos tipos de hardware de la Estación de Control: FCS de FIO (fieldnetwork I/O) y FCS de RIO (E/S remotas). También hay versiones estándar y de tamaño compacto FCSs. FCS de FIO - Este sistema utiliza los módulos de entrada/salida, de tipo estándar o mejorado y los módulos se utilizan en función de las necesidades del usuario. FCS compacto de FIO - Este dispositivo trae la Entrada/Salida integrada en la Unidad de Control de Campo. FCS de RIO - Esta FCS utiliza la caracteristica RIO de los módulos dispuestos en campo de entrada/salida, de tipo estándar o mejorado y los módulos se utilizan en función de las necesidades del usuario.

82 FCS Compact de RIO - Este controlador se instala generalmente cerca del equipo o del proceso que controla, y es ideal para la comunicación con los subsistemas.

4.4.3.

Comunicación

La comunicación entre los principales componentes se realiza a través de la red de comunicaciones Vnet/IP de Yokogawa. Vnet/IP tiene una velocidad de transmisión de 1 Gigabit por segundo. Esta red ofrece seguridad, confiabilidad, redundancia y compatibilidad con las comunicaciones de red disponibles en el mercado de la autimatizacion industrial. En la cuadro 4.1 se describen las características de las principales redes de campo en el sector de la automatización industrial.

Cuadro 4.1: Características de las principales Buses de campo. Los Autores

Un FCS puede comunicarse con sub-sistemas y dispositivos de campo para intercambiar datos. A continuación se describen los diferentes protocolos de comunicación que soporta. Comunicación serial. Modulo de comunicación serial. Protocolo Ethernet IP. Modulo de comunicación Ethernet. Comunicación Fundation Fieldbus.

83 Modulo de comunicación Fundation Fieldbus. Profibus-DP. Módulo de comunicación Profibus-DP.

4.5.

ESPECIFICACIONES TECNICAS CENTUM VP

Al momento de realizar la instalación y puesta en marcha del sistema CENTUM VP, se deben cumplir las condiciones eléctricas y ambientales descritas en la cuadro 4.2 para garantizar un óptimo funcionamiento del sistema.

Cuadro 4.2: Especificaciones Electricas y Condiciones ambientales CENTUM VP. Los Autores

84 4.5.1.

Unidades de Control de Campo (FCU) Disponibles en CENTUM VP

El sistema CENTUM VP está conformado para tres tipos de FCUs, una unidad con especificaciones para pequeñas plantas industriales (AFV10S y AFV10D), otra para plantas de mediano tamaño (AFV30S y AFV30D) y por ultimo una unidad con características avanzadas y dirigida a implementaciones en campos petroleros o energéticos (AFV40S y AFV40D). A continuación se mencionan las especificaciones principales de cada una de las unidades de campo que dispone Yokogawa en su sistema de gestión de plantas CENTUM VP.

4.5.1.1.

Unidad de control de Campo AFV10S y AFV10D

Cuadro 4.3: Especificaciones FCU AFV10S. Los Autores

Cuadro 4.4: Especificaciones FCU AFV10D. Los Autores

85 4.5.1.2.

Unidad de control de Campo AFV30S y AFV30D

Las unidades de control de campo AFV30S y AFV30D disponen de un procesador VR5532 (350MHz) una memoria principal 128 MB con una protección de memoria durante un corte eléctrico, batería principal y de respaldo con duración 72 horas y recarga en 48 horas. Interfaz de comunicación Vnet/IP en configuración de redundancia dual de comunicación una interfaz HKU (House Keeping Unity opcional), se puede interconectar con 13 FCU máximo.

Cuadro 4.5: Especificaciones FCU AFV30S. Los Autores

Cuadro 4.6: Especificaciones FCU AFV30D. Los Autores

86 4.5.1.3.

Unidad de control de Campo AFV40S y AFV40D

Las unidades de control de campo AFV40S y AFV40D disponen de un procesador VR5532 (350MHz) una memoria principal 128 MB con una protección de memoria durante un corte eléctrico, batería principal y de respaldo con duración 72 horas y recarga en 48 horas. Interfaz de comunicación Vnet/IP con su respectiva configuración de redundacia para garantizar una comunicacion continua y confiable, tambien dispone de una interfaz HKU (House Keeping Unity opcional). Estas unidades de control de campo presentan idénticas especificaciones técnicas de las AFV30S y D, en lo que se diferencian es que las AFV40S y D son dirigidas hacia la implementación en procesos de carácter crítico, sectores como los hidrocarburos, energético entro otros, ya que las FCU viene acondicionadas en gabinetes para ambientes hostiles y tienen componentes extras para la protección de equipos, cableado y sobretodo el proceso.

Cuadro 4.7: Especificaciones FCU AFV40S. Los Autores

87

Cuadro 4.8: Especificaciones FCU AFV40D. Los Autores

4.6.

Implementacion Sistema CENTUM VP en planta

Los componetes del sistema de vigilancia y gestión de planta de Yokogawa CENTUM VP que se incluyen en todas las arquitecturas son: Visualizacion: La cual esta compuesta por HMI (Human Machine Interface), con desarrollos en una suite de software y hardware. Controlador: Con la oferta de su gama de productos catalogados como Production and Safety Control, con equipos para aplicaciones en control de produccion integrada (CENTUM VP), control de seguridad integrado (ProSafe-RS), control basado en la red y SCADA (STARDOM) y PLC de altas prestaciones (FA-M3V). Red: Relacionada con las tecnologías de redes de comunicación que se utilizan para interconexion de distintos equipos de control como con la instrumentacion dispuesta en campo. Para este tipo de arquitectura se interconectan los cuatro equipos STARDOM, ProSafe-RS y el PLC FA-M3V (descritos en el capitulo 3) y el CENTUM VP, lo que permite crear un sistema robusto para ser implementado en procesos complejos de producción o que están a una gran distancia geográfica, garantizando la precisión en la forma de controlar, monitorear y supervisar la planta.

88 En la figura 4.3 se muestra una típica interconexión de equipos denominados de alta gama por el fabricante Yokogawa, dicha arquitectura está dispuesta en un entorno de planta de proceso petrolero y se puede apreciar los variados niveles tanto administrativos como de producción.

Figura 4.3: Arquitectura de conexión con el equipo CENTUM VP.[41]

Capítulo 5 ELABORACIÓN DISEÑO, NORMATIVIDAD Y CARACTERISTICAS PLATAFORMA

La plataforma de entrenamiento de alto nivel en control electrónico que tuvo como base de desarrollo el equipo que incorpora Yokogawa en sistemas de control distribuido (DCS), está constituida por una caja de alojamiento con características industriales, donde se dispondrá el equipo principal, fuentes alimentación módulos entrada/salida digitales y análogas, módulos de comunicación, una pantalla HMI y una base de conexión ya sea bornas de conexión o una placa de conexión desarrollada por el mismo fabricante, con lo cual permite a la plataforma interrelacionar con el exterior, todo lo anterior con sus respectivas protecciones eléctricas. También se consideró un equipo de cómputo con especificaciones acordes a un sistema de control industrial y un switch que permite la comunicación a través de una red profinet I/O y Vnet. Para la concepción del diseño se tuvo en cuenta las principales normas o estándares de ingeniería en control y eléctridad, como son: NTC 2050, RETIE, ISA 5.1 y ANSI/IEEE 315a entre otras (las cuales serán descriptas más adelante y su respectiva aplicación en el diseño final). En las siguientes secciones de este capítulo se realiza la descripción y desarrollo que se llevó acabo para la obtención de un diseño final, donde se parte de las especificaciones iniciales que se quería para la plataforma, seguido por el desarrollo de un diseño preliminar realizado con acompañamiento de un ingeniero vinculado a Yokogawa en el cual se aprecian los componentes escogidos con base en el estudio de los procesadores, módulos entrada/salida, comunicaciones 89

90 y respectivas conexiones que permitieran cubrir las especificaciones requeridas de la plataforma de entrenamiento en control. Por último se toma el diseño preliminar que permite tener unos componentes a nivel hardware y software para una solicitud de cotización al fabricante Yokogawa (Ver Anexo C) y con base en este diseño preliminar obtener la consolidación de un diseño final adecuado a las características que se aspiraba desde el inicio de este proyecto.

5.1.

Normatividad y Estandares aplicados en el diseño.

La construcción de la plataforma de entrenamiento utiliza una serie de productos que permiten realizar la instalación, el cableado y la conexión de los componentes de forma sencilla. Estos productos deben cumplir determinadas normas locales, nacionales e internacionales que garanticen la seguridad material y de las personas. Podemos decir que la realización de un equipo se divide en tres partes: Diseño: Que incluye el esquema, escritura del programa, elección del material, etc. Construcción: Que conlleva el montaje, cableado, ensayos y acoplamiento del armario, plataforma o gabinete. Instalaciones: Cableado de distribución. Para comprender mejor las necesidades para el diseño del proyecto, se adoptaron técnicas de estudio que permiten recopilar la máxima información posible, con aspectos tan variados como: Generales: Normas y/o recomendaciones para el tipo de instalación, características que deben reunir los materiales, características de la red de alimentación etc. Características funcionales: Funciones necesarias, sistema escalable, periféricos etc. Ambiente: Temperatura, nivel de humedad, vibraciones, choques, etc.

91 Documentación: Fichas técnicas y hojas de datos de los equipos utilizados. Teniendo en cuenta que Normalización es la actividad que establece disposiciones para uso común y repetido, encaminadas al logro del grado óptimo de orden con respecto a problemas reales o potenciales, en un contexto dado. En particular, la actividad consta de los procesos de formulación, publicación e implementación de normas, , se ha realizado un estudio de los riesgos de la instalación y la normativa aplicable donde se tuvo en cuenta: Condiciones especiales, tales como temperaturas y humedades. Condiciones de transporte, almacenamiento y montaje. Grado de protección requerida. Facilidad de acceso para el mantenimiento. Para garantizar el diseño establecido en este documento, es importante dar a conocer los diferentes comités involucrados en la normalización. Las primeras normas internacionales que para los países europeos están recogidos en la NFC (Norma Francesa) y por la CEI (Comision Electrotecnica Internacional), ambas en vigor. Actualmente, los comites de normalización implicados en estas normas son: CEI o IEC: (International Electrotechnical Commission), Comité Internacional Electrotécnico, establecido en 1906 para elaborar normas internacionales con el objetivo de promover la calidad, la aptitud para la función, la seguridad, la responsabilidad, la compatibilidad con aspectos medioambientales de los materiales, los productos y los sistemas eléctricos y electrónicos. En la actualidad, esta integrado por 51 comités nacionales. CEN: (Comite Europeo de Normalizacion). Normas Europeas (EN). Creado en 1961 para el desarrollo de tareas de normalizacion en el ambito europeo para favorecer los intercambios de productos y servicios. Esta compuesto por los organismos de normalizacion de los estados miembros de la Union Europea (AENOR por Espana) y tres paises miembros de las Asociación Europea de Libre cambio (AELC/EFTA). CENELEC: (Comite Europeo de Normalización Electrotécnica). Comenzó la actividad de normalización en el campo electrónico y electrotécnico

92 en 1959. Está compuesto por los organismos de normalización de los estados miembros de la Unión Europea (AENOR por Espana) y tres países miembros de las Asociación Europea de Libre cambio (AELC/EFTA). AENOR: Es responsable de adoptar como normas UNE (Normas Españolas) todas las normas europeas que se elaboren en el seno de CEN y CENELEC, y de su posterior difusión, distribución, promoción y comercialización en el mercado interior, con el objetivo de colaborar en la eliminación de barreras técnicas por la existencia de normas diferentes en los distintos estados. En lo relacionado con el Servicio de Normalización, ICONTEC es asesor del Gobierno Nacional de Colombia de acuerdo con los Decretos 767 de 1964 y 2416 de 1971 es reconocido por el Gobierno Colombiano como Organismo Nacional de Normalización mediante el Decreto 2269 de 1993. En este campo, la misión del Instituto es promover, desarrollar y guiar la aplicación de Normas Técnicas Colombianas y demás documentos normativos para la obtención de una economía óptima de conjunto, el mejoramiento de la calidad y facilitar las relaciones cliente-proveedor a nivel empresarial, nacional o internacional. ICONTEC es representante por Colombia ante los organismos de normalización internacionales y regionales como la ISO (International Organization for Standardization); IEC (International Electrotechnical Commission) COPANT (Comisión Panamericana de Normas Técnicas.) y también es soporte del Gobierno Nacional en los grupos de negociación para la Comunidad Andina, para el Área de Libre Comercio de las Américas – ALCA y para el Tratado de Libre ComercioTLC con los Estados Unidos de América.

5.1.1.

Normatividad y Estandares de equipos y componentes de la plataforma.

En la industria de la automatización y control, las empresas vinculadas a este negocio están en la obligación de acogerse a los estándares y normatividades tanto de la jurisdicción nacional como las establecidas a nivel internacional que se relacionen con su actividad económica. Yokogawa por ser una multinacional que brinda servicios y componentes a variadas industrias donde se realizan procesos de carácter crítico, debe tener una aplicación clara de las variadas normas a nivel de implementación de sistemas

93 industriales, cumplimiento de estándares de protección en los distintos campos en que sus equipos o instrumentos tengan contacto directo e indirecto con los procesos a controlar y normas para la elaboración de diseños en sus sistemas que desarrolla a sus clientes, esto solo por mencionar algunas aplicaciones normativas donde una multinacional de tecnologíca tendría que acogerse para ejercer su actividad comercial. En este aparte del trabajo se mencionan de una forma breve las principales normatividades, relacionadas al sistema CEMTUM VP y sus componentes centrales, procesador, módulos de entrada/salida y de comunicación, así como normas de diseño eléctrico vigentes en el país las cuales fuerón revisadas y acogidas en este proyecto. Norma en Sistema CENTUM VP: Sistema de control de producción CEMTUM VP posee la certificación normativa ISASecure en Dispositivos Embedded Security Assurance (EDSA) que emite a nivel internacional el Instituto de Seguridad y Cumplimiento ISA (ISCI). Esto permite que el sistema CENTUM VP, le brinde a las empresas donde es implementado un respaldo frente factores de Cibercrimen, sabotaje o espionaje a los sistemas de control a procesos críticos (petroquímicos, farmacéutico, acueductos, etc.), que es algo que en la actualidad ha ido en aumento en todo el mundo. Esta normatividad tiene como objetivo ofrecer un conjunto reconocido por la industria común de requisitos de dispositivos y procesos que impulsan la seguridad del dispositivo, la simplificación de la contratación para los propietarios de activos y la garantía de los dispositivos para los proveedores de equipos. Lo anterior está basado en el estándar IEC 62443-4, la certificación ISASecure EDSA tiene tres elementos: la comunicación de pruebas de robustez (CRT), evaluación de la seguridad funcional (FSA), y la evaluación de la seguridad de desarrollo de software (SDSA). Normas en sistemas redundantes: Existen normas internacionales que regulan la instalación de sistemas redundantes de control automático, especialmente en las aplicaciones críticas. A modo de ejemplo, se menciona normativas internacionales, como las IEC 61508 y 61511, que regulan el diseño e implementación de sistemas "seguros", cuyo grado de seguridad se mide según su nivel SIL (Safety Integrity Level). "Si bien esta norma obliga a ciertas redundancias a nivel de instrumentación y de sistemas de control,

94 apunta principalmente, más que a la continuidad del proceso, a su seguridad; es decir, busca ‘apagar’ el proceso de manera correcta, segura, sin consecuencias, ante un corte de luz u otro evento". Normatividad elementos hardware: En la industria de procesos o manufactura se establecen unos requerimientos mínimos, que los proveedores de instrumentación y componentes para la automatización y control deben cumplir para que sus productos sean aprobados para compra. Se menciona dichas normatividades que los componentes de hardware deben cumplir en el cuadro 5.1, esta normatividad fue consultada en [42].

Cuadro 5.1: Requerimientos de Normatividad compoentes Sistema. Los Autores

Normatividad de Sistemas de Control Distribuido (DCS): El estándar IEC 61499 es una arquitectura de referencia diseñada para facilitar el desarrollo de aplicaciones de control con lógica descentralizada. Para ello, propone una arquitectura basada en bloques funcionales (FB) que se definen como la unidad estructural básica de los modelos. Cada bloque se caracteriza por sus entradas, salidas y funciones internas, así al igual que

95 ocurre con los diagramas de bloques clásicos, a partir de las entradas y la definición del bloque (comportamiento interno) se tendran una salidas. A través de la interconexión de bloques simples se puede conseguir modelar aplicaciones y modelos complejos. El estándar busca aprovechar los amplios conocimientos de los ingenieros en el desarrollo de los diagramas de bloques mediante esta forma de modelado. Otras de las nociones básicas de este estándar, junto con la definición de bloque funcional, es la forma de ejecución de los FB. Los bloques funcionales no se ejecutan hasta que reciben una señal de entrada, así estos permanecen en un estado de reposo hasta que es necesaria su ejecución, a diferencia de los componentes de la IEC 61131, donde las subrutinas son verificadas periódicamente. Esta forma de ejecución tiene por objetivo la portabilidad y reutilización de los FB. Gracias a que cada FB tiene su propio contexto y es ejecutado sólo ante una demanda, logrando considerar que este se comporta como una unidad totalmente independiente del resto.[43] Normatividad en Protocolos de Comunicación: La mayoría de fabricantes de DCS aceptan el estándar de buses de campo IEC1158-2 para integrar sus sistemas, además el estándar IEC-61804 especifica los bloques de funciones para interfaces entre tecnologías, mientras que en otros casos puede ser integrados mediante bloques “proxy” los cuales mapean la data desde un sistema a otro (data de control o monitoreo y además diagnósticos, mantenimiento y seguridad). La IEC (International Electrotechnical Commission) ha estandarizado ocho protocolos en la norma IEC 61158 que se listan a continuación:

Cuadro 5.2: Normatividades en Buses de Campo Industrial. Los Autores

Normtividad en Software: En términos de requerimientos gráficos, los paquetes de software deben estar acorde con el estándar IEC61131-3. Además de la lista de pantallas (gráficos, detalles, faceplates, resumen de alarmas y eventos, tendencias, sintonización, diagnostico, reportes, etc.) los cua-

96 les el proveedor de DCS es responsable de entregar, así como los estándares de construcción de los mismos. Normatividad y certificación medio de transporte plataforma (Maletín Pelican): Las Maletas Pelican han sido sometidas a varios exámenes por parte de diversas organizaciones, gubernamentales y privadas, y superado las pruebas de calidad más exigentes. Reúnen la mayoría de los requisitos industriales, militares y de deportes extremos en lo que se refiere a la protección contra golpes, inmersión, resistencia a la humedad, corrosión, apilamientos y caídas. En la actualidad la mayoría de las maletas Pelican disponen de su código OTAN y varios certificados[44], siendo los principales: • Certificación STANAG 4280 - DEF STAN 81-41: Certificacion frente resistencia de vibración, bajas temperaturas, calor seco e impacto. • Códigos de Protección contra Ingresos (IP) – EN 60 529: 1992: Las maletas Pelican tienen la certificación IP67. Esto hace referencia a la protección contra partículas sólidas (primera cifra) y líquidas (segunda cifra). Así pues, 6 significa resistente al polvo (siendo 6 el índice máximo) y 7, a la inmersión (siendo el 8 el índice máximo, que corresponde a inmersión indefinida). • MIL C-4150-J: Certificación del ejército estadounidense para maletas en las siguientes condiciones: apilamiento, caída, inmersión y humedad. • ATA (Asociación de Transporte Aéreo): Certificación específica para los embalajes utilizados el sector del transporte aéreo. Se prueba el comportamiento de las maletas como contenedor reutilizable durante un mínimo de 100 viajes de ida y vuelta. Mide la resistencia a impactos y caídas. Normatividad de cableado: Para el cableado y disposición de elementos de protección contra picos de corriente y demás aspectos vinculados a el manejo de alimentación de la plataforma, se tomó como base el reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE) y la norma técnica Colombiana (NTC 2050), que será descrita su aplicación en la sección 5.4 de este trabajo referente a diseño final.

97 Normatividad de canaletas metálicas y no metálicas para cables: Las canaletas de cables no deben contener más de 30 conductores portadores de corriente en ningún sitio, y la suma de las secciones transversales de los conductores contenidos no debe superar el 20 % de la sección transversal de la canaleta. NTC 2050 SEC 362-5. Las canaletas metálicas se deben apoyar a intervalos horizontales que no superen los 1,5 m, la distancia entre soportes no debe superar los 3 m. Los soportes verticales se deben hacer a intervalos que no superen los 4,5 m. En los tramos verticales se deben sujetar bien a intervalos 4.5 m. Y no debe haber más de una unión entre dos soportes. NTC 2050 SEC 362-8. Las canaletas no metálicas se deben apoyar a intervalos horizontales que no superen los 0,9 m, la distancia entre soportes no debe superar los 3 m y 1,2 m para tramos verticales. NTC 20560 SEC 362-22. Los Extremos finales de las canaletas metálicas o no metálicas para cables se deben cerrar. NTC 2050 SEC 362-7 y 362-25. Se permite que las canaletas metálicas y no metálicas para cables pasen a través de paredes si el tramo que pasa por la pared es continuo. Se debe mantener el acceso a los conductores por ambos lados de la pared. NTC 2050 SEC 362-9. • Montaje de canaletas. Las canaletas deben asegurarse a la pared o placa base ya sea a través de tornillos o chazos, también se deben colocar en la posición correcta para facilitarla instalación de la tapa y no dañar su elegancia. Los accesorios de salidas se emplean en su totalidad para lograr acople preciso y fortalecimiento de las mismas.

5.2.

Caracterización o justificación de entradas/salidas de la plataforma.

En el área de la automatización industrial existen una serie de señales estandarizadas para la medición de las variables de proceso, estas se dividen dependiendo de si son digitales o análogas (Ej: 4-20 mA DC, 0-10 V DC, 0-24 VDC, 1-5 mA DC). Para la conformación de la plataforma de control se incorporarón las siguientes señales: 64 entradas digitales 0-24 V DC. 64 salidas digitales 0-24 V DC.

98 8 entradas análogas de corriente (4-20 mA) o de voltaje (0-10 V) dependiendo la configuración aplicada. 8 salidas análogas de corriente (4-20 mA) o de voltaje (0-10 V) dependiendo la configuración aplicada. El módulo de comunicaciones análogo, permite comunicación HART, aunque el fabricante dispone de módulos específicos con este tipo de comunicación, esta opción de incorporan HART en el mismo modulo fue la más adecuada en razón a espacio. Las anteriores entradas/salidas digitales como análogas, se eligieron con base a un recuento que se realizó a los equipos existentes en el laboratorio de software aplicado, donde se encuentra un proceso de fabricación flexible (HAS 200) y también con equipos disponible en el laboratorio de electrónica y control de la facultad tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Desde el comienzo del proyecto se tenía claro que de acuerdo a un mínimo número de entradas/salidas se elegiría un número mayor, esto con el fin de permitir que la plataforma sea escalable, esta misma premisa se aplicó a la comunicación industrial o buses de campo disponibles.

5.3.

Hardware Yokogawa incorporado en la plataforma

Dentro del hardware que en la plataforma se asocia al conjunto de componentes físicos que constituyen el diseño, en este caso sería la descripción de los elementos tangibles y su disposición que se puede apreciar en el (Anexo A). La plataforma que se diseñó permite que cualquier proceso con señales análogas y digitales pueda ser adaptable dependiendo la cantidad necesaria de estas y pueda ser integrable a otras tecnologías producidas por los diversos fabricantes. Con las características de hardware definidas para la plataforma, donde se seleccionó procesador, cables de comunicación, módulos de expansión entre otros, se consolida un diseño realizado con el acompañamiento del fabricante Yokogawa, en el cual se representan, disposiciones de equipos, protecciones eléctricas y referencias utilizadas por el fabricante en sus manuales de especificaciones. Este diseño se desarrolló en las plantillas (layout) que implementa Yokogawa Colombia S.A.S para los sistemas de automatización desarrollados en gabinetes para

99 clientes. Por lo tanto se realiza una descripción del controlador de tecnología CENTUM VP seleccionado con base en los descritos en el capítulo 4 de este trabajo, los módulos de entrada/salidas digitales y análogos escogidos de acuerdo a la especificaciones solicitadas y compatibilidad con el procesador seleccionado, módulos de comunicación de buses de campo, que son predominantes en el mercado de la automatización industrial actual y el método de conexionado que el fabricante seleccionado incorpora en sus implementaciones. Se efectúa las respectivas cotizaciones de los equipos (ver anexo C) mencionados en este aparte del trabajo para la estructura de la propuesta documentada que permita a futuro consolidar una implementación basada en este documento. También se considero los requerimientos de software que permitan realizar las experiencias o prácticas de control y automatización, donde la plataforma sea el sistema central conectado a equipos u otros sistemas para la operación de control distribuida. En la cotización se incluye un equipo de cómputo con sistema operativo Windows 7 y unas especificaciones que permitan realizar una programación o visualización de proceso.

5.3.1.

Unidad de control de campo (FCU). AFV10 D

Unidad de Control de Campo Duplexado (Para Vnet/IP y FIO (Entrada/Salidas de Campo), para tipo de montaje de 19 pulgadas). La unidad de control de campo que se incorpora en la tecnología CENTUM VP, elegida como equipo central es la unidad AFV10S-S41101, siendo esta unidad de unas características básicas respecto a otras unidades como la AFV30 y AFV40 que sirven para implementaciones industriales de gran complejidad. Los sufijos encontrados adjuntos a la referencia principal de la unidad (S41101) son códigos asignados por el fabricante para la fácil identificación de las especificaciones técnicas de cada uno de sus productos, para aclarar que significan estos códigos en la unidad incluida en el diseño, se presenta el cuadro 5.3.

100

Cuadro 5.3: Codigos de Especificaciones Unidad AFV10. Los Autores

• General: Estas especificaciones generales cubren las consideraciones de hardware de la Unidad de Control de Campo (FCU) que es el núcleo de la función de control de la estación de control de campo. Procesador VR5432 (133 MHz) Capacidad de Memoria Principal 32 Mbyte Protección de la memoria durante un corte eléctrico. Batería Batería de emergencia para la memoria principal: Máximo 72 Horas. Tiempo de recarga batería: Mínimo 48 Horas. FCU Estado Contacto Salida. 2 Terminales (NC, C) Puntos de contacto abierto durante el fallo FCU Contacto de clasificación (rating): 30 VDC, máximo 0.3 A Interface de comunicación. Interface Vnet/IP: Redundancia dual Configuración Modulo Modulo fuente de poder (PW481 O PW482 O PW484): Dos módulos en caso de una configuración de redundancia dual. Modulo

procesador (CP451): Dos módulos en caso de una configuración de redundancia dual.

Modulo

I/O (Para componentes estándar que es el caso de este proyecto): Máximo 8

101

Figura 5.1: FCU AFV10 montaje Rack de 19 pulgadas. Los Autores Fuente

de poder. Voltaje: 100-120v AC frecuencia 50/60 Hz Voltaje: 220-240v AC frecuencia 50/60 Hz Voltaje: 24v DC

Consumo de potencia. 100-120v AC: 200 VA 220-240v AC: 230 VA 24v DC: 5.5 A Peso.

Aproximadamente. 7 Kg (AFV10S) Aproximadamente. 8 Kg (AFV10D)

Montaje. Montaje en Rack de 19 pulgadas: Montaje rack con 8 Tornillos M5

Figura 5.2: Dimensiones AFV10S.[45] Conexión Fuente de poder: Tornillo M4 con conexión a la terminal. Puesta a tierra: Tornillo M4 con conexión a la terminal.

102 Contacto de salida: Tornillo M4 con conexión a la terminal. Red: Cable de conexión UTP (Categoría 5e o mejor) a la capa 2 del switch.

5.3.2.

Entradas y salidas análogas. AAI841

Estos módulos análogos funcionan como conversores de señal para señales tipo análogas de campo, los cuales presentan sus respectivas protecciones en caso de picos de corriente, su objetivo es la adquisición de datos para procesamiento internos de las estaciones de control de campo (FCS), y de forma viceversa la salida de datos internos de la FCSs en señales analógicas para los actuadores de control dispuestos en plata.

Figura 5.3: Módulo Análogo Yokogawa. Los Autores Módulos entrada/salida Corriente/Voltaje (No aislado) Estos módulos esta provistos de 8 entradas y 8 salidas que pueden soportar hasta 8 lazos o bucles. Ellos pueden ser usados en redundancia dual.

103

Cuadro 5.4: Especificaciones Modulo Análogo. Los Autores

Modulo análogo I/O (Con comunicación HART) El módulo de E/S analógicas (con función de comunicación HART) conectado a un transmisor o un posicionador de válvula recibe la variable HART, además de intercambiar datos de entrada/salida analógica de 4 - 20 mA con estaciones de control de campo (FCS). Hay 8 tipos de módulos E/S análogos (con función de comunicación HART).

Cuadro 5.5: Modulos HART de Yokogawa. Los Autores

Dispositivos con comunicación HART

104 Los módulos E/S análogos (con función de comunicación HART) pueden comunicarse con los dispositivos de campo y almacenar datos analógicos y variables HART en la entrada/salida del área de imagen del módulo de comunicación. En una FCS se referencia y establece la imagen de entrada/salida mediante el acceso a los módulos de E/S análogos (con función de comunicación HART). La FCS utiliza los datos de los dispositivos de campo a través de la terminales de E/S de los bloque de función en la misma forma como otras señales E/S análogas o digitales.

5.3.3.

Entradas y salidas digitales. ADV581

Se evaluaron la mayoría de módulos digitales FIO (Entradas/Salidas de campo) que dispone en catalogo la marca YOKGAWA y en primera instancia el que cumplía con los requisito, era la referencia ADV 869 el cual tiene 32 canales de entrada y 32 de salida de 24 VDC/0,5A. Con lo cual se cubría las exigencias de un total de 128 señales (64 Entradas digitales y 64 salidas digitales) pero este módulo se desarrolló para migraciones especiales y no sé garantizaba el tiempo de disponibilidad en el mercado.

Figura 5.4: Modulo Digital Yokogawa. Los Autores

Por tanto se seleccionó en definitiva el módulo ADV161 el cual consta de 64 canales de 24 V DC. Y para las salidas digitales la referencia ADV561 que tiene el mismo número de canales en salida. Los dos módulos escogidos ADV161 y ADV561 se pueden utilizar en configuración de redundancia dual pero es una característica que tiene un enfoque industrial y no tendría una aplicabilidad en una plataforma de control con fines académicos.

105

Figura 5.5: Especificaciones Modulo Entradas Digitales ADV161.[46]

Figura 5.6: Especificaciones Modulo Salidas Digitales ADV561.[46]

5.3.4.

Módulo de Comunicación FieldBus. ALF111 fuente de alimentación, acondicionador de señal, segmento de señal

Este módulo de comunicación Fundation Fieldbus puede ser montado sobre unidades de control de campo FCN (AFV30, AFV40 y AFV10), siendo un módulo que permite la unidad de control de campo escogida para el proyecto (AFV10S).

106 Este módulo de comunicación necesita la conexión de una unidad de fuente de poder Fieldbus, que es independiente de la fuente de poder que alimenta al controlador principal y los demás módulos, también es necesario uno terminadores esto dependiendo de la función de configuración de la red que se desee conectar.

Figura 5.7: Configuración de sistema Fundation Fieldbus.[47] Especificaciones de hardware. Los módulos de comunicación Fieldbus (ALF111) funcionan con el programador activo de enlace (LAS) para intercambiar datos con dispositivos compatibles con el protocolo Fundation Fieldbus (H1). Las especificaciones de hardware para este módulo son mostradas en la siguiente cuadro 5.6.

Cuadro 5.6: Especificaciones Modulo Fundation Fieldbus. Los Autores

Comunicación con dispositivos Fieldbus.

107 El módulo de comunicación Fundation Fieldbus permite la comunicacion con los dispositivos o instrumentos que dispongan de este bus de campo y almacena los datos en el área de la imagen de entrada/salida adecuada en el mismo módulo de comunicación. El FCS utiliza los datos del dispositivo Fieldbus a través de terminales de E/S del bloque de funciones en la misma forma que las señales entrada/salida de los módulos análogos y digitales.

Figura 5.8: Comunicación del proceso de flujo de datos de fieldbus.[47] Condiciones de dispositivos fieldbus. El módulo de comunicación Fundation Fieldbus soporta dispositivos Fieldbus que pasaron la prueba de soporte de interoperabilidad anfitrión (HIST) registrado y representado por la Fundation Fieldbus. La capacidad de archivos tiene que ser generada de acuerdo con la Fundation Fieldbus bajo el formato de archivo común (Common File Format) FS1.5, los cuales debe haber superado la prueba de interoperabilidad, junto con las descripciones de dispositivo. Tanto la capacidad de archivos y las descripciones de dispositivo son obligatorios para la ingeniería.

5.3.5.

Modulo de Comunicación Profibus-DP ALP121

Módulo de comunicación PROFIBUS-DP puede ser montado en las unidades de control de campo (AFV30, AFV40, AFV10) unidad de ESB nodo de bus (ANB10), unidad de nodo de bus óptica ESB (ANB11) y unidad de nodo de bus ER (ANR10).

108

Figura 5.9: Sistema de Configuracion ProfiBus- DP.[48] Especificaciones de hardware. Las especificaciones de hardware para el módulo de comunicación ALP121 PROFIBUSDP son como se muestra en el cuadro 5.7.

Cuadro 5.7: Especificaciones Modulo ProfiBus-DP Yokogawa. Los Autores

Comunicación con dispositivos PROFIBUS-DP. Los datos del dispositivo PROFIBUS-DP se almacena en el área de imagen E/S de los módulos de comunicación. La estación de control de campo accede al módulo de comunicación de forma asíncrona, y establece las imágenes de E/S. Esto permite a la FCS acceder al módulo PROFIBUS-DP que dispone de datos recopilados del proceso a través de los terminales de E/S del bloque de función de la misma forma como lo realiza con los módulos de entrada/salidas Digitales y análogos.

109

Figura 5.10: Comunicación del proceso de flujo de datos de ProfiBus.[48]

Es posible con este módulo realizar la configuración de comunicación doble redundante mediante la instalación de módulos ALP121 en ranuras adyacentes de la misma unidad de nodo, algo que no se dispone en el diseño ya que esta característica es para control y comunicación de procesos especializados o de carácter crítico. Cuando se implementan procesos de redundancia este módulo de comunicación de campo soporta un máximo de 31 dispositivos esclavos sin repetidores, y 125 unidades ALP121 con repetidores. El número de repetidores debe ser tres o menos, y un máximo de cuatro segmentos en una red.

5.3.6.

Modulo de Comunicacion Ethernet ALE111

Aunque el procesador de la estación de control dispone de un puerto integrado para comunicación Ethernet se adiciono otro módulo de comunicación Ethernet ALE111 con lo cual la estación de control de campo realiza comunicación vía Ethernet Industrial con subsistemas como por ejemplo, PLC de mismo fabricante o ampliación de la red de control, permitiendo tener el puerto de comunicación del procesador solo para conexiones de programación o verificación del sistema interno. Este módulo puede ser montado en las unidades de control de campo (AFV30, AFV40), Unidad de Nodo de bus ESB (ANB10) y la unidad de nodo de bus óptico ESB (ANB11).

110

Figura 5.11: Configuración módulo de comunicación Ethernet en Yokogawa.[49] Especificaciones de hardware. El módulo de comunicación Ethernet (ALE111) presenta las especificaciones de hardware descritas en el cuadro 5.8.

Cuadro 5.8: Especificaciones Módulo Ethernet Yokogawa. Los Autores

5.3.7.

Terminal Blocks.

Los bloques de terminales (Terminal Blocks) se utilizan para conectar los módulos de E/S e incorpora una configuración de protección a los dispositivos de campo. Posee una terminal de abrazadera de conexión a presión, está disponible o dispuesta para todos los módulos de E/S que dispone Yokogawa y donde se desee incorporar una función de protección a las dispuestas en el montaje del sistema de control desarrollado.

111 Este bloque de terminales brinda una característica de facilidad y compatibilidad en el conexionado de los módulos dispuestos en la unidad de control de campo con la instrumentación distribuida en la planta o proceso, algo que para este proyecto es un opcional aunque por lo planteado por el fabricante mejoraría la presentación del montaje, en la identificación de las entradas/salidas y orden de las mismas.

Figura 5.12: Terminal Blocks y Módulo Yokogawa.[50]

5.3.8.

Terminal Boards

El tablero de Bornes (Terminal Board) es el elemento que esta entre el módulo de Entrada/Salida que dispone de un conector Terminal Blocks y que por medio de un cable acorde al tipo de proceso al que desee incorporar (El tipo de cable de conexión es suministrado con el Terminal Board), es conectado al tablero de bornes donde se dispondrá todas las Entradas/Salidas listas para su distribución en los procesos en planta. Este componente es incorporado por Yokogawa para mejorar la gestión y orden de entradas/salidas es sus gabinetes de control. Se reitera lo mencionado en el aparte de Terminal Blocks, es algo opcional en el diseño final de este proyecto por las mismas razones de montaje expuestas por el fabricante (facilidad de montaje sobre riel DIN, conexionado intuitivo, adquisición del paquete completo de conexión del mismo proveedor, entre otras ventajas).

112

Figura 5.13: Dimensiones Terminal Board Yokogawa.[51]

5.3.9.

Software

Dentro de los paquetes de software que dispone Yokogawa para el funcionamiento y gestión de sus equipos y sistemas, se tiene categorías de software de acuerdo al tipo de proyecto que será implementado y de acuerdo a lo que se desea desarrollar, dicha categorías son: Software de Operación. Software de Ingeniería. Software Controlador. Software Batch&FDA. Por lo tanto, se determinó el alcance que se quería para la plataforma de control y de acuerdo a esto se observaron los variados paquetes de software que serían pertinentes incorporar al proyecto, lo anterior con asesoría de un ingeniero del área de desarrollo de proyecto de Yokogawa. Llegando a una lista que permitiría, tener una ambientación con la plataforma, lograr realizar una programación para control de un proceso básico e ir escalando en dificultad y tamaño las actividades que se quieran desarrollar teniendo la plataforma con sistema central de control. Las licencias para cada uno de los programas para la configuración y operación de la plataforma se mencionan en la cotización generada por Yokogawa (Anexo C), siendo estos los siguientes. Media For Software Package (DVD) LHSKM50-V11: Paquete de software que comercializa Yokogawa bajo licenciamineto comercial internacional.

113 Project ID License (Entry Class) LHMPJT1-V51: Licencia para la comercializacion y exportacion de productos tecnologicos Standard Builder Functions - Software License: El paquete de funciones standard builder se utiliza para configurar el sistema de CENTUM VP. Se crea la base de datos necesaria para la aplicación de operación y funciones de monitorización y control.

Figura 5.14: Especificaciones Funcion Standard Builder.[52] Graphic Builder - Software License LHS5150-V11: Este software permite el diseño de una vista gráfica en la estación de interfaz humana (HIS) controlando y visualizando la operación y el seguimiento del proceso en planta empleando componentes gráficos. Las vistas gráficas se pueden guardar como un archivo gráfico para ser incorporados o exportado a otros sistemas ya implementados o que se pretendan desarrollar. Test Function - Software License LHM5150-V11: Con el software test funtions, el usuario o operario puede realizar una prueba virtual sin una estación de control de campo FCS y una prueba de inicialización con una FCS. Verificar la correcta operación de la FCS, utilizando las funciones de operación y monitorización.[53]

114

Figura 5.15: Especificaciones Test Funtions. [54] Self- Documentation Function - Software Licens LHM5490-V11: La función selt-documentation se utiliza para la producción de contenidos documentados definidos por el software builder a una impresora o un archivo en formato PDF para su gestión o intercambio físico de información en los niveles administrativos, gerenciales o técnicos de una planta o industria. Standard Operation and Monitoring Functions (for New Installation) (for 1 Station) - Software License LHM1101-V11: Función estándar de operación y monitoreo tiene varias funciones necesarias para controlar el funcionamiento de la planta. Una variedad de vistas especiales de monitorización se pueden utilizar de acuerdo a un propósito de la operación y el seguimiento. Para la gestión de alarmas, el consolidado de funciones de gestión de alarmas (CAMS para HIS). Seleccionando el CAMS para HIS es posible gestionar alarmas para proceso de control avanzado. La HIS ofrece dos modos de pantalla operación. En cada modo, la HIS despliega gráficos de tendencia de los procesos controlados, en pestañas del grafico principal o con barra de herramientas laterales.[55]

115

Figura 5.16: Pantalla Operacion y Monitorizacion HIS.[56] Logic Chart Status Display Package Software License LHM4420V11: Este paquete de software permite la visualización en pantalla de los estados de los bloques de funciones lógicas realizados en el software Builder para el control del proceso de la planta. Control Drawing Status Display Package - Software License LHM4410V11: Este software permite la visualización de los datos y el cambio de los mímicos diseñados en el software Builder, de una forma dinámica, por ejemplo datos de nivel de un proceso o estado de alarmas. Exaopc OPC Interface Package - Software License LHS2411-V11: Exaopc es un servidor OPC (OLE For Process Control) que se ejecuta en un sistema operativo Microsoft. La plataforma de Windows que se puede conectar a una variedad de PCSs (Proceso Sistemas de Control) proporciona a los usuarios los datos del proceso y eventos de alarma. Report Package - Software License LHS6530-V11: El paquete Report sumista datos de tendencias y de cierre de datos de la estación de interfaz de humana (HIS) en hojas de cálculo de Microsoft Excel para la generación e impresión de un informe. Este paquete permite el control de acceso al sistema y gestión de seguimiento de auditoría para que los usuarios tengan acceso a crear y modificar cualquier formato de informe.

116 Electronic Instruction Manual Function - Software License LHS5495V11: Brinda la información general del sistema CENTUM VP desde manuales técnicos hasta solución a posibles fallos, incorpora una ayuda extra para los usuarios u operarios de planta.

5.4.

DISEÑO FINAL

La plataforma de entrenamiento en control de tecnologia Yokogawa es una maletin con protección hermética que contiene dispositivos de conexión, comunicación, protección y señalización, para realizar una tarea específica dentro de un sistema de control y automatización. Al diseñar la plataforma de control es importante tener en cuenta la normatividad existente; la cual, busca salvaguardar la integridad de las personas y los bienes contra riesgos de tipo eléctrico. Por esta razón, es muy importante tener en cuenta las disposiciones consignadas en el código eléctrico colombiano y el reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE); los cuales regulan las diferentes instalaciones eléctricas; con el fin de garantizar, al usuario final, la seguridad y confiabilidad en la manipulación del sistema. A continuación, se enuncian los principales requisitos para tableros eléctricos de control.

5.4.1.

REQUISITOS OBLIGATORIOS PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD EN LOS TABLEROS ELECTRICOS.

Los tableros eléctricos, también llamados cuadros, gabinetes, paneles, consolas o armarios eléctricos de baja tensión, principales, de distribución, de protección o de control que alojen elementos o aparatos de potencia eléctrica de 24V, o más, como es el caso de la plataforma de control de este proyecto. Se debe seguir, como guía de diseño e instalación el reglamento técnico de las instalaciones eléctricas RETIE, donde se deben de cumplir variados requisitos, entre los cuales son de aplicación en el diseño de este proyecto los siguientes: El tablero de control puede tener instrumentos de medida de corriente para cada una de las fases, de tensión entre fases o entre fase y neutro (con o sin selector), así como lámparas de indicación de funcionamiento del sistema (normal o emergencia). Partes conductoras de corriente de tableros de baja tensión. Las partes conductoras de los tableros deberán cumplir los siguientes requisitos:

117 • Toda parte conductora de corriente debe ser rígida y construida en plata, una aleación de plata, cobre, aleación de cobre, aluminio, u otro metal que se haya comprobado útil para esta aplicación. No se debe utilizar el hierro o el acero en una parte que debe conducir corriente. • Para asegurar los conectores a presión se deben utilizar tornillos de acero, tuercas y clavijas de conexión. El cobre y el latón no son aceptables para recubrir tornillos de soporte, tuercas y terminales de clavija de conexión, pero se acepta un revestimiento de cadmio, cinc, estaño o plata. Todo terminal debe llevar tornillos de soporte de acero en conexión con una placa terminal no ferrosa. • Todas las partes externas del panel deben ser puestas sólidamente a tierra mediante conductores de protección y sus terminales se deben identificar con el símbolo de puesta a tierra. • Todos los elementos internos que soportan equipos eléctricos deben estar en condiciones de resistir los esfuerzos electrodinámicos producidos por las corrientes de falla del sistema. Las dimensiones y encerramientos deben permitir espacio suficiente para alojamiento de los terminales y curvaturas de los cables. • Las partes fabricadas con materiales aislantes serán resistentes al calor, al fuego y a la aparición de caminos de fuga. Terminales de alambrado de tableros de baja tensión. Los terminales de alambrado de los tableros deben cumplir los siguientes requisitos: • Un terminal, tal como un conector de alambre a presión o un tornillo de sujeción, debe encargarse de la conexión de cada conductor diseñado para instalarse en el tablero y debe ser del mismo tipo al utilizado durante los ensayos de cortocircuito. • Cada circuito de derivación debe disponer de un terminal de salida para la conexión de los conductores de neutro o tierra requeridos. Las anteriores son medidas mínimas que se deben considerar en el momento de una implementación.

118 5.4.2.

Partes que conforman la plataforma de entrenamiento

Como ya se mencionó que el Anexo C se dispone las respectivas cotizaciones de los equipos seleccionados del fabricante Yokogawa y en el Anexo C.1 se adjunta los demás costos de materiales tanto de alojamiento de los componentes, protección eléctrica, rotulado y conexión necesarios para implementar la plataforma, partiendo de la necesidad de los estudiantes por interactuar con equipos industriales desde el ámbito académico. Se efectuó la selección del controlador que integra el sistema CENTUM VP, una pantalla táctil, cables de comunicación, módulos de entradas/salidas análogo como digital y módulos de comunicación con los buses de campo predominantes en el mercado de la automatización y control industrial que se determinarón pertinentes, además elementos eléctricos para la protección y cableado. Cuando se estime una compra e implementación de la plataforma de entrenamiento (Algo que no está dentro de los objetivos de este proyecto), se dispondrá del plano general y eléctrico donde se observa la estructura de diseño de la plataforma de entrenamiento (Anexo B) y el plano unifilar donde se proyectó el sistema de protecciones a utilizar (Anexo B.1).

5.4.2.1.

Bornas y Cableado.

Para garantizar una ergonomía óptima de montaje los elementos en la plataforma se deben instalar sobre un riel DIN, que permite el montaje o desmontaje de un conjunto de bornas de acuerdo a la fijación en posición de enganche o desenganche sobre la sección.

Figura 5.17: Riel Din. Los Autores

Aunque en el diseño preliminar se tenía contemplado una conexión por

119 medio de Terminal Board, para el diseño final se seleccionó el método de bornera ya que es más familiar para el estudiante y permite disponer del número que se desee de ellas, solo con desenganchar y engancharlas en el riel DIN. Las bornas son mecanismos cuya función es interconectar circuitos. Se encuentran compuestas por tres partes principales: cuerpo aislante, elemento conductor de corriente y elemento de sujeción como se muestra en la figura 5.18. Existen diferentes tipos de bornas de acuerdo a su funcionalidad. En la plataforma de control se incorporaron cientoveinticuatro bornas en total, 16 bornas para tierra, 8 portafusibles y 100 universales.

Figura 5.18: Bornas de Conexion en Riel DIN.[57]

El cableado que se instale debe estar de acuerdo a la norma 2050 NTC (Norma Tecnica Colombiana), donde se realiza una unificación de criterios para evitar accidentes por mala interpretación de niveles de tensión. La 2050 NTC indica el calibre del cable y el color que debe llevar o en su defecto la marcación con cinta o rotulo adhesivos si es desnudo. En el cuadro 5.9 se muestra el código de colores para conductores en los diferentes niveles de tensión. Para la implementación que se realice de este proyecto, lo indicado es utilizar un cable flexible compuesto por uno o varios conductores de cobre y materiales de plástico que componen el asilamiento o chaqueta. En los montajes en gabinete se dispone el código de color en cableado asi: Color amarrillo para la línea 1, azul para la línea 2 y la parte de control, rojo para la línea 3, blanco para el neutro, negro para la referencia de la alimentación de los equipos y verde para la tierra, esto lo contempla el reglamento RETIE.

120

Cuadro 5.9: Codigo de Colores para conductores Electricos.[58]

El calibre del cable depende del flujo de carga que recorre el material, por ejemplo una línea de un gabinete del control central de 120 V, presenta un calibre de cable de 12 AWG (American Wire Gauge) y la de tierra es de 14 AWG . En el caso de la plataforma, la alimentación de la fuente de voltaje principal del controlador es de 120 VAC con una corriente máxima de 5.5A, por lo que sería indicado un cable calibre 14 AWG, así mismo para la etapa de control. Al tener un mismo alojamiento tanto para la etapa de potencia como de control, la distribución del cableado se debe realizar de forma separada, así se evita interferencias entre las señales de las etapas y se cumple las normas de ingeniería.

Figura 5.19: Disposición de elementos en gabinete de control.[59]

121 Los terminales de cable son dispositivos que se adaptan en el extremo para asegurar la conexión eléctrica con otras partes del sistema y mantienen el aislamiento hasta el punto de conexión. Hay diferentes tipos y tamaños que varían dependiendo el calibre del cable y el sistema al que se va a conectar. Es un medio de fácil instalación, solo se necesita ponchar el terminal correspondiente al calibre de cable utilizado.

Figura 5.20: Terminales de Conexión. Los Autores

5.4.2.2.

Sistema de acondicionamiento de señales.

Las señales de salida de un sistema puede que no sean compatibles con la siguiente etapa del proceso, por lo que se hace necesario realizar un acondicionamiento de señal ya sea de amplificación, atenuación, aislamiento, multiplexado, filtrado, conversión de análoga a digital o viceversa. Teniendo en cuenta que en el sistema que se dispone en la plataforma, AFV10D entrega una señal de 24 VDC en su módulo de salida digital con la cual se pueden manejar cargas de 120 V, 240 V y motores de 32 V DC, segun sea la experiencia que se quiera realizar, el sistema de acondicionamiento de señal utilizado es el aislamiento, para el bloqueo de picos de alto voltaje, corrientes elevadas y el rechazo de voltaje en modo común, a través de relés electromagnéticos que permiten la transmisión de la señal sin una conexión física al operar mediante un embolo en el interior de un solenoide o una armadura que es atraída hacia los polos. Estos aíslan la señal de control de la señal de potencia asegurando una protección para los equipos y el personal que tendra contacto con la plataforma. En la plataforma se disponen relés electromagnéticos tipo universal. Este acondicionamiento de señal se incorpora a 4 salidas digitales conectadas a relés para que se puedan manejar cargas de diferentes tensiones y corrientes sin afectar el proceso de control.

122

Figura 5.21: Relés para control y bornes.[60]

5.4.2.3.

Etapa de potencia y protección eléctrica.

Observando las características que dispone la plataforma para su alimentación, más específicamente el equipo AFV10D del sistema CENTUM VP, que tiene implementado dos fuentes (una para su funcionamiento normal y la otra para la configuración de redundancia-dual) de 24v y 5.5A que proporciona la corriente necesaria para abastecer la unidad, los módulos de (E/S análogas y digitales y de comunicación, excepto el módulo de bus de campo Fieldbus). Para la implementación de un dispositivo eléctrico o electrónico que maneje un voltaje superior a 24 v se deben instalar sistemas de protección eléctrica que desconecten los equipos ante un cortocircuito o una sobrecarga, evitando que se dañen; teniendo como principal objetivo la detección e instantáneo aislamiento de la zona donde se originó la avería y de esta forma protegiendo el resto del sistema lo que permite minimizar el daño y focalizar la reparación. En la selección de las protecciones instaladas, se debe ir acorde a la carga que se va a manejar, permitiendo dejar un espacio libre para la disposición de nuevas protecciones, lo que garantizara que el sistema sea escalable en su nivel de conexión. En la plataforma de entrenamiento en control se incorporan las siguientes protecciones: Interruptor termomagnético totalizador de caja moldeada: Con este dispositivo se busca proteger a los equipos de control contra picos de corriente, cortocircuitos entre otros. Se pueden manejar líneas de alimentación monofásicas o trifásica que se hacen pasar por este dispositivo, antes de que la tensión llegue al equipo principal en caso de que ocurra una falla este interruptor desconectara las fases.

123 Disyuntor termomagnético bipolar: Con este dispositivo se protegen a los equipos de cortocircuitos y sobrecargas, su funcionamiento responde a que en su interior lleva incorporado una tira de metal que se calienta al paso la corriente por ella, en caso de que el circuito este sobrecargado el metal se tuerce lo suficiente para disparar el interruptor y detiene el paso de corriente. Se incorporó al diseño un disyuntor bipolar que puede ser la protección única a la entrada eléctrica de la plataforma o trabajar en conjunto con el interruptor termomagnetico totalizador para una mayor protección, con esto se obtendría un resguardo de las fuentes del equipo.

Figura 5.22: Protecciones Electricas. Los Autores

5.4.2.4.

Pantalla Tactil

Este tipo de pantallas, permite dar órdenes al dispositivo e introducir y visualizar datos por medio de contacto superficial. En la plataforma de entrenamiento se dispuso una pantalla táctil de marca Maple Systems 15” Open HMI, para el manejo y supervisión de los procesos o prácticas académicas que se deseen realizar, ya sea en control de un proceso especifico o realizando un sistema control distribuido. Esta pantalla HMI fue seleccionada por recomendación directa del fabricante Yokogawa ya que ellos no disponen en su portafolio de este tipo de visualización, utilizan productos de fabricantes externos (Mitsubishi, Fénix o Maple Systems), esta pantalla tiene incorporado un sistema operativo Windows CE, que en un determinado caso permitiría alojar algún paquete de software por medio de un dispositivo de almacenamiento de memoria SD. Las especificaciones técnicas de la pantalla se observan en la figura 5.23.

124

Figura 5.23: Especificaciones Pantalla 15” Open HMI.[61]

5.4.2.5.

Switch

Es un dispositivo que permite interconectar redes al crear un camino de comunicación entre el origen y el destino, asignando la información por medio de la dirección física los componentes que hagan parte de ellas. Para tener una experiencia que se asemeje al ambiente de comunicación industrial, se consideró la intercomunicación de varias redes y los instrumentos que las integran, por lo tanto se determinó con el fabricante Yokogawa la necesidad de dotar a la plataforma de un switch que maneje la comunicación de un protocolo que se considere predominante en el mercado de la automatización y que permita al estudiante realizar practicas con un acercamiento industrial. Por lo anterior se determinó que la mejor opción sería un switch PROFINET o Vnet que es el protocolo de comunicación propietario de Yokogawa. Con este Switch se permitiría una comunicación homogénea con soporte y sin restricciones TCP/IP, acceso directo desde el nivel de gestión hasta el nivel de campo y aprovechamiento de las tecnologías de la información. Este Switch puede ser incorporado en la misma maleta donde está alojada la plataforma o ser un componente externo de ella.

125 5.4.3.

Elaboracion Diseño Final

Para la elaboración del diseño final, se fundamentó en todo la información recopilada y suministrada sobre los equipos denominados por Yokogawa de alta gama, se seleccionó los componentes que integrarían la plataforma para de esta manera realizar un diseño preliminar con acompañamiento del personal del área de ingeniería del fabricante. Este diseño generado sirvió para ver la disposición de los equipos en gabinete y también para observar cómo era el desarrollo de un esquemático para la implementación de un sistema de control y automatización, con un carácter profesional. Ya teniendo claro cuáles serían los componentes finales que se dispondrían en la plataforma, su interconexión y dimensiones correspondientes, se elaboró un diseño acotado en dimensiones reales (Anexo B) de la disposición y conexiones de cada uno de los componentes que integran la plataforma de entrenamiento. Desde el inicio del proyecto se quería que la plataforma fuera transportable, por lo tanto se observaron variados ejemplos en la industria y en la academia de equipos transportables de forma segura, llegando a concluir que la mejor opción es el alojamiento de todos los equipos en un maletín PELICAN, el cual se anexa su respectiva cotización (Anexo C.1), de acuerdo a la dimensión requerida.

Figura 5.24: Caja Pelican. Los Autores

Por lo tanto la plataforma alojada en la caja Pelican tendría la apariencia que se muestra en las figuras 5.25 y 5.26.

126

Figura 5.25: Plataforma de Entrenamiento Equipos. Los Autores

Figura 5.26: Plataforma de Entrenamiento Visualización. Los Autores

CONCLUSIONES

El desarrollo de este tipo de proyecto, permite al estudiante profundizar de forma práctica en la instrumentación, automatización y control de procesos industriales, al tener contacto directo con el hardware y software del sistema. Aunque las bases teóricas son primordiales la práctica y la manipulación de los dispositivos de campo, donde se implementan los sensores y actuadores del proceso y los sistemas electrónicos de control, donde se crea la interfaz humano-máquina a través pantallas táctiles realizándose las estructuras de programación, es lo esencial en el aprendizaje y experiencia que el estudiante llevara a su entorno laboral. La comprensión de la arquitectura de control de un sistema de automatización, permitirá la realización de esquemas o diseños con equipos específicos, donde se aplicaran normas y estándares de ingeniería que rigen el cableado, equipos de potencia y control, sistemas de acondicionamiento de señal y protecciones para la adecuada realización de una distribución de los elementos y garantizar el resguardo no solo de los equipos sino también del operario al utilizar modelos que unifican criterios de seguridad. La interacción entre la academia y la industria es una obligación que la producción a nivel mundial está exigiendo. Cuando se desarrollan proyectos donde el alumno realiza un acercamiento con una multinacional de control y automatización, observa su verdadero campo laboral y permite que la industria conozca las investigaciones y desarrollos adelantados en los claustros universitarios, algo que generara una retroalimentación que será beneficiosa para las partes involucradas. Los trabajos de gestión de proyectos a nivel de automatización brindan un nuevo conocimiento en términos como, Ingeniería conceptual, Ingeniería en 127

128 detalle e ingeniería básica algo que en el transcurso del desarrollo de la carrera universitaria no se tiene de forma clara. Logrando adentrase en una nueva rama de la ingeniería, como es el área administrativa que será un excelente complemento con el conocimiento adquirido en el devenir laboral. Al momento de realizar el diseño de plataformas de entrenamiento es importante hacer una investigación previa de los conceptos de las tecnologías a utilizar y a su vez es necesario conocer los documentos normativos que aplican para los diferentes elementos que componen la plataforma, como el RETIE y la norma técnica Colombiana NTC 2050, esto con el fin de que prime la SEGURIDAD de las personas, de la vida animal y vegetal y de la preservación del medio ambiente; previniendo, minimizando o eliminando los riesgos de origen eléctrico, y se optimice la eficacia de los equipos utilizados.

Recomendaciones

Se recomienda que este proyecto se implemente para que sea una puerta abierta como trabajo de grado a futuros tecnólogos electrónicos e Ingenieros de control, debido a que es un proyecto escalable. Es importante mantener un acercamiento continuo con la firma YOKOGAWA, debido a que esta empresa realiza donaciones esporádicas a entidades educativas de los equipos que para la industria no pueden ser utilizados debido a fallas (Garantías), pero que para la academia son herramientas que acercan al estudiante al ámbito industrial. En el transcurso de la ejecución de este proyecto nos dimos cuenta la subestimación que crea en algunos integrantes de la comunidad académica un proyecto donde no se realiza una implementación final. Por lo cual sería bueno reevaluar conceptos de realización de proyectos de grado en el área de ingeniería en control, ya que en la mayoría de casos los proyectos denominados de “papel” tienen el mismo valor, dedicación e investigación que aquellos donde se crean prototipos o modelos y permiten dejar una propuesta o base para nuevos estudios o implementaciones futuras.

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ANEXOS

137

138

Apéndice A Diseño Realizado con acompañamiento de YOKOGAWA

Apéndice B Diseño Final

139

140

B.1.

Plano Unifilar

Apéndice C Cotización equipos Yokogawa.

141

142

143

144

C.1.

Cotizacion Materiales Varios

145

146

Apéndice D Evidencia de Contacto Otros Fabricantes.

147

148