Electricidad y Electrónica
Sistema de Control Distribuido Honeywell
NOMBRE:
Daniel Molina Moreno. Lucas Rojas Rojas. Nicolás Morales Molina. Gustavo Santander Santander. Alejandro Camacho Ramírez Ingeniería en Automatización y Control Industrial CARRERA: Distribuido. ASIGNATURA: Sistema de Control Distribuido. Samuel Cruz Plaza PROFESOR: 22 de septiembre, 2017 FECHA:
Contenido 1
Glosario. ....................................................................................................................... 4
2
Introducción .................................................................................................................. 5
3
Marco Histórico............................................................................................................. 6
4
3.1
Origen del DCS Honeywell Honeywell .................................................................................... 6
3.2
Evolución DCS Honeywell. Honeywell. .................................................................................... 6
3.2.1
TDC-2000 de Honeywell (1975 – 1985).......................................................... 6
3.2.2
TDC-3000 de Honeywell (1986 – 1995).......................................................... 7
3.2.3
TPS de Honeywell (1995 – 2002). .................................................................. 7
3.2.4
Experion PKS de Honeywell (2003 – Actualidad). Actualidad). .......................................... 7
Diferencias entre Honeywell y otros DCS. .................................................................... 8 4.1
4.1.1
Ventajas. ........................................................................................................ 8
4.1.2
Desventajas. Desventajas.................................................................................................... 8
4.2
Estrategias de Control – Ejecución. ....................................................................... 9
4.2.1
Red tolerante a fallas (Red FTE) .................................................................... 9
4.2.2
Niveles de la Red FTE .................................................................................. 10
4.3
5
Ventajas y Desventajas Desventajas ......................................................................................... 8
Programación Programación y Configuración Configuración de DCS Honeywell Honeywell .............................................. 13
4.3.1
Lenguajes Lenguajes de programación programación ......................................................................... 13
4.3.2
Software de programación programación Honeywell PKS .................................................. 17
4.3.3
Herramientas Herramientas de Configuración. Configuración. ................................................................... 19
Funcionamiento Funcionamiento del DCS Honeywell. Honeywell. .......................................................................... 23 5.1
Arquitectura Arquitectura DCS Honeywell. Honeywell. .............................................................................. 23
5.1.1 5.2
Arquitectura Arquitectura física. ........................................................................................ 24
Redundancia. Redundancia. ...................................................................................................... 24
5.2.1
Redundancia Redundancia de comunicación comunicación ..................................................................... 24
5.2.2
Redundancia Redundancia general.................................................................................... 27
5.2.3
Aplicaciones. Aplicaciones. ................................................................................................ 28
5.3
Configuración Configuración Maestro Esclavo. Esclavo. .......................................................................... 29
5.4
Características Características de Capacidad. Capacidad. ............................................................................. 30
6
Conclusión.................................................................................................................. 32
7
Bibliografía. Bibliografía.................................................................................................................. 33
Contenido 1
Glosario. ....................................................................................................................... 4
2
Introducción .................................................................................................................. 5
3
Marco Histórico............................................................................................................. 6
4
3.1
Origen del DCS Honeywell Honeywell .................................................................................... 6
3.2
Evolución DCS Honeywell. Honeywell. .................................................................................... 6
3.2.1
TDC-2000 de Honeywell (1975 – 1985).......................................................... 6
3.2.2
TDC-3000 de Honeywell (1986 – 1995).......................................................... 7
3.2.3
TPS de Honeywell (1995 – 2002). .................................................................. 7
3.2.4
Experion PKS de Honeywell (2003 – Actualidad). Actualidad). .......................................... 7
Diferencias entre Honeywell y otros DCS. .................................................................... 8 4.1
4.1.1
Ventajas. ........................................................................................................ 8
4.1.2
Desventajas. Desventajas.................................................................................................... 8
4.2
Estrategias de Control – Ejecución. ....................................................................... 9
4.2.1
Red tolerante a fallas (Red FTE) .................................................................... 9
4.2.2
Niveles de la Red FTE .................................................................................. 10
4.3
5
Ventajas y Desventajas Desventajas ......................................................................................... 8
Programación Programación y Configuración Configuración de DCS Honeywell Honeywell .............................................. 13
4.3.1
Lenguajes Lenguajes de programación programación ......................................................................... 13
4.3.2
Software de programación programación Honeywell PKS .................................................. 17
4.3.3
Herramientas Herramientas de Configuración. Configuración. ................................................................... 19
Funcionamiento Funcionamiento del DCS Honeywell. Honeywell. .......................................................................... 23 5.1
Arquitectura Arquitectura DCS Honeywell. Honeywell. .............................................................................. 23
5.1.1 5.2
Arquitectura Arquitectura física. ........................................................................................ 24
Redundancia. Redundancia. ...................................................................................................... 24
5.2.1
Redundancia Redundancia de comunicación comunicación ..................................................................... 24
5.2.2
Redundancia Redundancia general.................................................................................... 27
5.2.3
Aplicaciones. Aplicaciones. ................................................................................................ 28
5.3
Configuración Configuración Maestro Esclavo. Esclavo. .......................................................................... 29
5.4
Características Características de Capacidad. Capacidad. ............................................................................. 30
6
Conclusión.................................................................................................................. 32
7
Bibliografía. Bibliografía.................................................................................................................. 33
Tabla de Figuras. Figura 1: Arquitectura Arquitectura típica de una Red FTE .................................................................... 10 Figura 2: Niveles de seguridad .......................................................................................... 10 Figura 3: Esquema Nivel 1 FTE. Dispositivos protegidos por Control Firewall ................... 11 Figura 4: Esquema típico Arquitectura Nivel 2 ................................................................... 12 Figura 5: Esquema de comunicación entre redes de Nivel 2 a Nivel 3 ............................... 12 Figura 6: Ejemplo de diagrama de bloques funcionales funcionales ..................................................... 13 Figura 7: Ejemplo de Diagrama de función secuencial....................................................... 14 Figura 8: Ejemplo diagrama Ladder ................................................................................... 15 Figura 9: Explicación Explicación diagrama Ladder .............................................................................. 16 Figura 10: Comandos básicos en lenguaje lenguaje C ..................................................................... 17 Figura 11: Módulo de Control Simple ................................................................................. 18 Figura 12: Funciones Funciones de Control Builder ............................................................................ 19 Figura 13: Pantalla de Configuración Configuración Herramienta Herramienta Quick Builder ....................................... 21 Figura 14: Esquema de un despliegue de Operación en formato HMIWeb ........................ 22 Figura 15: Configuración Configuración física f ísica de controlador controlador ................................................................... 23 Figura 16: Arquitectura Arquitectura Física DCS Honeywell .................................................................. 24 Figura 17: Tiempos de Redundancia Redundancia ................................................................................. 28 Figura 18: Características Características de Servidor Servidor ............................................................................... 30 Figura 19: Tamaño de la base de datos............................................................................. 31 Figura 20: Rendimiento Rendimiento de redundancia. redundancia. ........................................................................... 31
1 Glosario. 1. DCS: Es un sistema de control aplicado a procesos industriales complejos en las grandes industrias como petroquímicas, papeleras, metalúrgicas, centrales de generación, plantas de tratamiento de aguas, incineradoras o la industria farmacéutica. Los primeros DCS datan de 1975 y controlaban procesos de hasta 5000 señales. Las capacidades actuales de un DCS pueden llegar hasta las 250.000 señales. 2. FTE (Fault Tolerant Ethernet): Ethernet Tolerante a fallas está diseñada para proporcionar redundancia rápida de red. Cada nodo está conectado dos veces a una sola LAN a través de las interfaces de red duales. El controlador y los componentes habilitados para FTE permiten que la comunicación de red ocurra en una ruta alternativa cuando falla la ruta principal. 3. TDC (Total Distributed Control): Control distribuido total. 4. PKS (Process Knowledge system): Sistema de conocimiento del proceso.
2 Introducción Honeywell creó un sistema de control distribuido que integra una plataforma de automatización avanzada y aplicaciones de software innovadoras para mejorar el rendimiento relacionado al control de procesos. La unificación de los operarios con el proceso, la empresa y la gestión de activos, este sistema de control distribuido (DCS) ayuda a los fabricantes de procesos aumentan la rentabilidad y la productividad. Estos sistemas presentan una gran ventaja de ser sistemas de automatización que se centra en las personas, basándose en el aprovechamiento de los conocimientos que poseen. Mediante la integración de datos dispares a través de instalaciones, aprovechando al máximo los recursos, las personas, y la alimentación de todo en un sistema de automatización unificada, los usuarios pueden lograr una operación que es más proactiva, eficiente y sensible. Por medio de este informe técnico se logra el reconocimiento de los diversos controladores que pueden formar parte de un sistema de control distribuido (DCS), reconociendo sus principales características y diferencias para lograr la optimización en la selectividad según el control de proceso. Se reconocerán los módulos de entradas y salidas que estarán en la interacción de información desde el nivel de campo, con los niveles de gestión y de supervisión, reconociendo las diferentes series de módulos que conforman la arquitectura del sistema DCS. Se podrá visualizar los diversos estándares de comunicación utilizados por el sistema, que estarán involucrados en la conectividad entre nodos, como también para la configuración de las diversas aplicaciones de software que posee la estructura de un sistema. De esta manera se logra vincular cuales han sido los mayores avances en esta tecnología, para que finalmente nos puedan entregar una gran diversidad de posibilidades en la integración del sistema con otras plataformas de control.
3 Marco Histórico. Honeywell se creó a partir de la invención del termostato de Albert Butz, en 1885 y con las posteriores innovaciones en los motores eléctricos y los procesos de control de la Minneapolis Heat Regulator Company a la cual le seguían la pista desde 1886. En 1906, Mark C. Honeywell fundó Honeywell Heating Specialty Co., Inc. en Wabash, Indiana. La compañía Honeywell's se fusionó con Minneapolis Heat Regulator Company en 1927. A partir de entonces se llamó la Minneapolis-Honeywell Regulator Company. Honeywell fue su primer presidente. En 1970, Honeywell fusionó su negocio de informática con General Electric para formar Honeywell Information Systems. En 1986, el ordenador personal emergió y la compañía formó Honeywell Bull, una empresa conjunta global con Compagnie des Machines Bull de Francia y NEC Corporation de Japón. Su nivel de propiedad se redujo gradualmente hasta que, en 1991, Honeywell ya no estaba en el negocio de la computadora. El conocimiento de la informática digital de la empresa vive hoy en el campo del control de automatización, integrando sensores y activadores.
3.1 Origen del DCS Honeywell Los SCD´s fueron creados para sustituir a los controladores mono lazo y a los ordenadores de proceso que tenían un solo procesador central, gracias a la disponibilidad de los primeros microprocesadores facilita a Honeywell a ser la compañía que lanzó el primer Sistema de Control Distribuido en 1974 el sistema TDC 2000 (Total Distributed Control). Tuvo tanto éxito que en poco tiempo se convirtió en el sistema más extendido en la industria de proceso La arquitectura de un sistema de control distribuido está formada por múltiples procesadores, cada uno de los cuales controla una unidad de proceso de una planta, de forma que en caso de fallo solo es esa parte la que queda sin control, sin embargo, los sistemas de control distribuido disponen de una configuración redundante opcional. El sistema de control TDC2000 disponía de un controlador de reserva por cada un máximo de ocho controladores activos. Los DCS´s diseñados inicialmente para el control analógico de procesos, evolucionaron rápidamente hacia sistemas híbridos que manejaban asimismo señales de entrada/ salida digital.
3.2 Evolución DCS Honeywell. 3.2.1 TDC-2000 de Honeywell (1975 – 1985). En el año 1975, Honeywell introdujo el primer sistema de control total de distribución (TDC 2000) que revolucionó toda la industria de control de procesos con una visión centralizada del control descentralizado y un enlace de comunicación completamente redundante para procesos continuos.
3.2.2 TDC-3000 de Honeywell (1986 – 1995). Honeywell introdujo un Sistema de Control Total Distribuido 3000 o TDC 3000 en el año 1985. El nuevo sistema TDC 3000 adoptó una nueva arquitectura que permitió integrar el sistema TDC 2000 existente con el nuevo sistema, así como con el futuro la expansión a través de un nuevo sistema operativo de red desarrollado en la casa para llevar a cabo varias funciones de control, monitoreo, alarma, reportes y funciones de recuperación y almacenamiento histórico de toda la planta. 3.2.3 TPS de Honeywell (1995 – 2002). El sistema TPS o Total Plant Solution de Honeywell integra los módulos TDC 3000 con los nodos de la estación global de usuario (GUS) y de la plataforma de procesamiento de aplicaciones (APP) basados en Windows que se conectan directamente a la red de control local (LCN). El GUS ofrece capacidades de visualización gráfica además de todas las pantallas de Universal Station. La APP proporciona un control de supervisión avanzado, así como una interfaz de datos para aplicaciones de nivel superior. El sistema TPS continúa proporcionando capacidades de sistema de control distribuido a gran escala (DCS) y ofrece a los clientes la flexibilidad de integrarlo en los últimos sistemas Experion. 3.2.4 Experion PKS de Honeywell (2003 – Actualidad). Honeywell Industry Solutions presentó el innovador Experion PKS, un sistema revolucionario para la gestión integral de negocios, procesos y activos que integra tres décadas de experiencia industrial de Honeywell en un proceso unificado y robusto. El sistema PKS de Experion se utiliza en plantas industriales y molinos para integrar, controlar y monitorear procesos complejos en muchos tipos de industrial, incluyendo refinerías, fármacos, plantas eléctricas y químicas, y pulpa, papel e imprenta. Experion PKS proporciona una plataforma integrada para la completa solución de conocimiento de procesos de Honeywell, que gestiona el conocimiento del proceso a través de una combinación de tecnologías avanzadas, experiencia en el dominio industrial y metodologías Six Sigma para obtener resultados inexplotados, resultados que no pueden lograrse a través del sistema tradicional de control o campo. Experion PKS contiene Control de Distribución de última generación, Fieldbus Fundation, Gestión de Situación Anormal, Gestión de Activos y tecnologías de gestión de la información. Estas tecnologías se combinan con la experiencia de proceso sin igual de Honeywell y los resultados generan herramientas para mejorar los procesos y optimizar la producción para alcanzar objetivos económicos.
4 Diferencias entre Honeywell y otros DCS. 4.1 Ventajas y Desventajas 4.1.1 Ventajas. El sistema es robusto, con una alta disponibilidad, permite redundancia de controladores, IOP, y FTA. Puede utilizar FTA de seguridad intrínseca. Gracias a estas características es utilizada a nivel mundial en empresas de minería y petróleo ya que se posiciona en el primer lugar en las industrias de mayor complejidad. El sistema de DCS Honeywell aparte se aventaja con las siguientes características.
Procesadores más poderosos y a menos costos. Desarrollo de Estaciones con más capacidades Las estaciones satisfacen las necesidades de los usuarios. Uso de nuevas interfaces. Avances en la Tecnología de Comunicaciones. Disponibilidad de elementos de Comunicación. Desarrollo de nuevas técnicas. Compartición de Recursos. Eficiencia y Flexibilidad. Respuesta Rápida. Ejecución Concurrente de procesos (En varias computadoras). Empleo de técnicas de procesamiento distribuido. Disponibilidad y Confiabilidad. Sistema poco propenso a fallas. Es inherente al crecimiento. Inclusión rápida de nuevos recursos.
4.1.2 Desventajas. El principal problema es el software, es el diseño, implantación y uso del software distribuido, pues presenta numerosos inconvenientes. Las computadoras en un sistema pueden ser de diferentes tipos y ejecutar versiones diferentes de sistemas operativos. Esto significa que se requiere más esfuerzo para gestionar y mantener en funcionamiento el sistema. Puede accederse al sistema desde varias computadoras diferentes, y el tráfico en la red, puede estar sujeto a cambios indeseados (esto hace más fácil mantener la integridad de los datos en el sistema y que los servicios no se degraden por ataques).
Estos tienes un sistema imprescindible, como todos ellos pueden cambiar rápidamente, el tiempo requerido para responder a una petición de usuario puede variar dramáticamente, de una petición a otra. En general se considera que las ventajas superan a las desventajas, si estas últimas se administran seriamente. Por lo tanto:
Se requiere mayores controles de procesamiento. Servicios de replicación de datos y servicios con posibilidades de fallas. Mayores controles de acceso y proceso Administración más compleja.
4.2 Estrategias de Control – Ejecución. 4.2.1 Red tolerante a fallas (Red FTE) FTE es el protocolo de información utilizado por Honeywell, es definido como FTE o red tolerante a fallas. Para el sistema Experion PKS, la red principal es la red FTE , cuya función primordial no es solamente ser tolerante a fallas, sino que también ofrece un alto desempeño, respuesta rápida, determinismo, confiabilidad y seguridad, los cuales son requisitos indispensables en aplicaciones industriales. La red Ethernet es un tipo de red similar al estándar IEEE 802.3 y que emplea tecnología CSMA/CD. La tecnología CSMA/CD o acceso múltiple con sensor de portadora y detección de colisión, es un protocolo en el cual se establecen períodos alternantes de contención y transmisión de datos. Con CSMA/CD, cada nodo de la red monitoriza la línea y transmite cuando detecta que dicha red no está ocupada. Para evitar colisiones, los nodos esperan durante un tiempo aleatorio distinto antes de intentar transmitir de nuevo. La red FTE incluye dos redes que tienen diferente dirección IP, de esta manera una segunda red está disponible si la primera presenta una falla. La red FTE se estructura con dos interruptores Ethernet conectados entre sí mediante un cable cruzado, con lo que se logra tener varias rutas de comunicación entre dispositivos, razón por la cual no sólo soporta una falla sino también puede soportar fallas múltiples. Este esquema requiere de tarjetas de red con puerto dual en cada uno de los servidores, estaciones de operación y/o estaciones de ingeniería que se encuentran en el esquema de red FTE.
Figura 1: Arquitectura típica de una Red FTE
Con el uso de redes tipo FTE se permite a las computadoras tener múltiples rutas de comunicación, mejorando con esto, el rendimiento de una red tradicional Ethernet y ofreciendo un ambiente de comunicación más seguro y confiable. Los diseños de red Honeywell se adhieren estrictamente a todos los códigos eléctricos ANSI/EIA/TIA y a los estándares BICSI de implementación de redes y cableado de datos electrónicos. 4.2.2 Niveles de la Red FTE En general, las redes de control de las plantas de procesos poseen cuatro niveles, utilizados para definir el rango o jerarquía de cada uno de los nodos que participan dentro de la red, la Red FTE de cualquier Sistema Experion posee todos los niveles. A fin de mantener el mayor nivel de seguridad, se suele utilizar la estructura expuesta en la tabla.
NIVEL Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 4
DESCRIPCION Control en Tiempo Real (Controladores & I/O) Control Supervisado (Interfaz HMI, Estación de Operación) Control Avanzado y Aplicaciones Avanzadas (Aplicaciones de Control no críticas) Otras Aplicaciones de la Planta Figura 2: Niveles de seguridad
4.2.2.1 Nivel 1
En el Nivel 1 todos los nodos que conforman la red constituyen el corazón del sistema, en este nivel se lleva a cabo la implementación de lógicas de control que se transmiten directamente a los procesos en campo. Este nivel estará formado por los controladores (C300, C200, etc.) y los módulos de I/O ubicados en gabinetes tanto locales como remotos. Experion introduce el Control Firewall, un dispositivo que protege cada nodo (C300, C200, etc.) de información no deseada, proveniente del nivel 2 o niveles superiores. Los controladores van ordenados dentro de un gabinete, ubicado en la sala de control de la planta. Dentro del gabinete las señales de entrada y de salida, y el controlador se conectan al Control Firewall como se muestra figura, existe un dispositivo Control Firewall para cada cable FTE (principal y redundante).
Figura 3: Esquema Nivel 1 FTE. Dispositivos protegidos por Control Firewall
4.2.2.2 Nivel 2
El Nivel 2 lo constituyen los Servidores Primario y Secundario, y demás nodos que sirvan para aplicaciones especiales. Como estaciones de control, nodos ACE, y nodos PHD. Estos nodos son utilizados como mecanismos para realizar labores de control. Pero no constituyen un elemento crítico como lo son los dispositivos del Nivel 1. En la Figura se muestra una arquitectura típica de nivel 2 en donde están incluidos los interruptores los cuales se comunicarán con el nivel 1 a través del Terminal Ser ver o servidor terminal (enmarcado en un recuadro rojo).
Figura 4: Esquema típico Arquitectura Nivel 2
4.2.2.3 Nivel 3
El Nivel 3 lo constituyen todas las subredes que pudieran conformar la red general de la Planta. Por eso, y con el objeto de cumplir con las mejores estrategias de control, la comunicación entre las diferentes subredes FTEse debe permitir, garantizándo la comunicación entre servidores. Como se puede ver en la figura existe un dominio que controla, denominado Domain Controller o controlador de dominio (enmarcado en un recuadro rojo), todo el paso de la información entre redes permite que se comuniquen entre sí pero a la vez proporcionando protección a través del firewall (recuadro morado). La comunicación entre redes se realiza por los Routers que se conectan de igual manera por FTE (enmarcados en un cuadro azul).
Figura 5: Esquema de comunicación entre redes de Nivel 2 a Nivel 3
4.3 Programación y Configuración de DCS Honeywell 4.3.1 Lenguajes de programación La IEC 61131-3 define cinco lenguajes de control para su uso en el control de procesos y automatización. Tres de estas lenguas se basa en una representación gráfica del control. Literales:
Lista de instrucciones (IL). Texto estructurado (ST).
Gráficos:
Diagrama de bloques funcionales (FBD). Sequential Function Chart Diagrama de contactos (LD).
El manejo de Variables se realiza utilizando TAGs, estas etiquetas definen en forma precisa la entrada o salida de un puerto de una tarjeta I/O ó define una variable interna. 4.3.1.1 Diagrama de bloques funcionales:
Un diagrama de bloques funcional o diagrama de bloques de procesos es la representación gráfica de los diferentes procesos de un sistema y el flujo de señales donde cada proceso tiene un bloque asignado y éstos se unen por flechas que representan el flujo de señales que interaccionan entre los diferentes procesos. Las entradas y salidas de los bloques se conectan entre sí con líneas de conexión o enlaces. Las líneas sencillas se pueden utilizar para conectar dos puntos lógicos del diagrama, es decir:
Una variable de entrada y una entrada de un bloque Una salida de un bloque y una entrada de otro bloque Una salida de un bloque y una variable de salida
Se muestran las relaciones existentes entre los procesos y el flujo de señales de forma más realista que una representación matemática.
Figura 6: Ejemplo de diagrama de bloques funcionales
4.3.1.2 Sequential Function Chart
Diagrama de función secuencial (SFC) es un lenguaje de programación utilizado para diversos tipos de controladores en el ámbito de la automatización industrial. La norma SFC está definida como, Preparación de gráficos de funciones para los sistemas de control, y se basó en GRAFCET. Se puede utilizar para programar procesos que se pueden dividir en pasos. Los principales componentes del SFC son:
Pasos con acciones asociadas Transiciones con condiciones lógicas asociadas; Enlaces dirigidos entre pasos y transiciones.
Los pasos en un esquema SFC puede ser activo o inactivo, donde las acciones sólo se ejecutan de medidas activas. Un paso puede estar activa por uno de dos motivos:
Es un primer paso según lo especificado por el programador. Se activa durante un ciclo y no desactiva desde entonces.
Los pasos se activan cuando todos los pasos anteriores que están activos y la transición de conexión es superable (es decir, su condición de asociado es cierto). Cuando se pasa una transición, todos los pasos anteriores se desactivan a la vez y después de todos los pasos a continuación se activan a la vez. SFC es un lenguaje inherentemente paralelo en que múltiples flujos de control pueden estar activas a la vez.
Figura 7: Ejemplo de Diagrama de función secuencial
4.3.1.3 Diagrama Ladder
Los diagramas Ladder o de contacto son similares a los diagramas lógicos de relé que representan circuitos de control de relé. Las principales diferencias entre los dos son las siguientes funciones de la programación de Ladder que no aparecen en los diagramas de lógica de relé:
Todas las entradas están representadas por símbolos de contactos. Todas las salidas están representadas por símbolos de bobinas. Las operaciones numéricas están incluidas en el conjunto de instrucciones de Ladder gráficas.
Un programa en lenguaje de diagrama Ladder está formado por "escalones" que representan el conjunto de instrucciones gráficas y aparecen entre dos barras verticales. El controlador ejecuta los escalones de forma secuencial. El conjunto de instrucciones gráficas representa las siguientes funciones:
Entradas/salidas del controlador (botones de comando, sensores, relés, luces de pilotos, etc.). Funciones del controlador (temporizadores, contadores, etc.). Operaciones lógicas y matemáticas (adición, división, AND, XOR, etc.). Operadores de comparación y otras operaciones numéricas.
Figura 8: Ejemplo diagrama Ladder
Los elementos por evaluar para decidir si activar o no las salidas en determinado "escalón", son variables lógicas o binarias, que pueden tomar solo dos estados: 1 ó 0, Estos estados que provienen de entradas al PLC o relés internos del mismo. En la programación Escalera (Ladder), estas variables se representan por contactos, que justamente pueden estar en solo dos estados: abierto o cerrado.
Figura 9: Explicación diagrama Ladder
Las funciones lógicas más complejas como: Temporizadores Contadores Registros de desplazamiento
Se representan en formato de bloques. Estos no están normalizados, aunque guardan una gran similitud entre sí para distintos fabricantes. Resultan mucho más expresivos que si se utiliza para el mismo fin el lenguaje en lista de instrucciones. Sobre estos bloques se define: La base de los tiempos y el tiempo final en el caso de temporizadores.
4.3.1.4 Programación en lenguaje C
C es un lenguaje de programación de propósito general que ofrece economía sintáctica, control de flujo y estructuras sencillas y un buen conjunto de operadores. No es un lenguaje de muy alto nivel y más bien es un lenguaje pequeño, sencillo y no está especializado en ningún tipo de aplicación. Esto lo hace un lenguaje potente, con un campo de aplicación ilimitado y sobre todo, se aprende rápidamente. En poco tiempo, un programador puede utilizar la totalidad del lenguaje. C trabaja con tipos de datos que son directamente tratables por el hardware de la mayoría de computadoras actuales, como son los caracteres, números y direcciones. Estos tipos de datos pueden ser manipulados por las operaciones aritméticas que proporcionan las computadoras. No proporciona mecanismos para tratar tipos de datos que no sean los básicos, debiendo ser el programador el que los desarrolle. Esto permite que el código generado sea muy eficiente y de ahí el éxito que ha tenido como lenguaje de desarrollo de sistemas. No proporciona otros mecanismos de almacenamiento de datos que no sea el estático y no proporciona mecanismos de entrada ni salida. Tipos básicos y variables Los tipos de datos básicos definidos por C son caracteres, números enteros y números en coma flotante. Los caracteres son representados por char, los enteros por short, int, long y
los números en coma flotante por float y double. Los tipos básicos disponibles y su tamaño son: Char Short Int Unsigned Long Float Double
Carácter (normalmente 8 bits) Entero corto con (normalmente 16 signo bits) Entero con signo (depende de la implementación) Entero sin signo (depende de la implementación) Entero largo con (normalmente 32 signo bits) Flotante simple (normalmente 32 bits) Flotante doble (normalmente 64 bits) Figura 10: Comandos básicos en lenguaje C
4.3.2 Software de programación Honeywell PKS Las estrategias de control de Honeywell se construyen usando Control Builder, una herramienta gráfica orientada a los objetos que soportan los entornos de ejecución de control del procesador de Experion PKS, entorno de control de aplicaciones y entorno de control de simulación. Permite el diseño del sistema, documentación y monitoreo. Proporciona un manejo integral de varios puntos de E/S, incluyendo Fieldbus, Profibus y DeviceNet. Además, cubre las funciones de control continuo, lógico, motor, secuencial, por lotes y avanzado a través de una biblioteca de bloques de función (FBs). Los bloques de función son tipos de bloques básicos proporcionados por Honeywell para realizar diferentes funciones de control. Cada bloque soporta parámetros que proporcionan una vista externa de lo que está haciendo el bloque. Los FB se interconectan fácilmente a través de "conexiones" para construir aplicaciones o estrategias de control. Los bloques de función están agrupados y contenidos en los módulos de control (CM) y, en el caso de los FB secuenciales, son los módulos de control secuenciales (SCM). Los SCM simplifican en gran medida la implementación de la lógica de lote secuenciando un grupo de equipos de proceso a través de una serie de pasos distintos para llevar a cabo una o más tareas del proceso. Los CMs y los SCM actúan como "contenedores" para los bloques de funciones. Esta es una herramienta muy poderosa para crear, organizar y revisar estrategias de control. (Figura 1)
Figura 11: Módulo de Control Simple
En este ejemplo, varios FB están "contenidos" dentro del CM denominado FIC101 y los FB de AI y AO se ejecutan en dispositivos FOUNDATION Fieldbus. Cada módulo de control puede programarse a su propia velocidad de ejecución de 5 ms a 20 segundos (dependiendo del controlador), y el usuario puede programar bloques de función y módulos de control para ejecutar en cualquier orden deseado. Control Builder utiliza iconos para representar bloques de control, que pueden ser "cableados" juntos usando simples técnicas de apuntar y hacer clic. Funciones de control actualmente soportadas en las bibliotecas de PKS Control Builder (Figura 2)
Figura 12: Funciones de Control Builder
4.3.3 Herramientas de Configuración. 4.3.3.1 Configuration Studio.
El Configuration Studio provee un ambiente centralizado, desde el cual puede configurarse el sistema Experion PKS. Las herramientas individuales requeridas para configurar varias partes del sistema están integradas y son ejecutadas de sde el “Configuration Studio”. El Configuration Studio, provee una lista de tareas que deben completarse para configurar completamente el sistema. Cuando se seleccione una tarea, la herramienta (programa) apropiada se ejecuta para poder realizar las actividades de configuración en la misma.
Desde el Configuration Studio se pueden ejecutar las siguientes herramientas de configuración: Enterprise Model Builder, Quick Builder, Control Builder, HMIWeb Display Builde.
4.3.3.2 Enterprise Model Builder. El “Enterprise Model Builder” es la herramienta que se usa para definir:
Los servidores que constituyen el sistema.
Las unidades o “Assets” que constituyen el modelo o estructura funcional del
Sistema. Estas definiciones constituyen la base de datos del Enterprise Model (EMDB).
4.3.3.3 Control Builder. El “Control Builder” es la herramienta gráfica orientada a objetos usada para configurar y/o
manejar los módulos de hardware de la Serie C (Controladores C300, Módulos I/O, etc.) y los bloques de función, que permite el diseño, la documentación y el monitoreo de las “estrategias de control de procesos” en un sistema Experion PKS.
4.3.3.4 Quick Builder.
Quick Builder es una herramienta gráfica que permite definir: Estaciones tipo flex, impresoras, controladores y puntos (los cuales permitirán el monitoreo de equipos de terceros). Luego de definir y/o construir el dispositivo (controladores) y los puntos con Quick Builder, estos son descargados en la base de datos (*.qdb) del servidor. Al descargar dicha información en el servidor, la misma pasa a formar parte de la base de datos de configuración; la cual especifica cómo cada componente se encuentra configurado en el sistema. De ser necesario, la información correspondiente a los parámetros de controladores y puntos podrá ser actualizada y repetirse el proceso de descarga. Así mismo, la base de datos de configuración puede ser extraída desde Quick Builder, ser editada y luego descargada de nuevo al servidor. La figura ilustra cómo es la interface del sistema en donde se configuran los puntos a cargar al sistema.
Figura 13: Pantalla de Configuración Herramienta Quick Builder
4.3.3.5 HMIWeb Display Builder.
El HMIWeb Display Builder es la herramienta de dibujo especializada que se usa para crear los despliegues propios de cada proyecto y/o aplicación en específico, lo cual permite adaptarlos a las necesidades particulares de cada cliente y/o de cada proceso. HMIWeb Display Builder posee librerías de símbolos que permiten cubrir un amplio rango de industrias a la hora de desarrollar despliegues y/o esquemáticos. Adicionalmente, es capaz de soportar un número de formatos gráficos tales como: GIF (*.gif), Windows Bitmap (*.bmp), JPEG (*.jpg), Metafile (*.wmf) y Portable Network Graphic (*.png), y permite la inserción en los despliegues de gráficos propios como fotografías y diagramas de disposición. Cada Estación de Operación ES-C, permite monitorear las ventanas/despliegues propios del Experion PKS, facilitándole al operador un cómodo seguimiento del proceso. La figura muestra un ejemplo de visualización de un despliegue de operación.
Figura 14: Esquema de un despliegue de Operación en formato HMIWeb
4.3.3.6 Plantscape.
PlantScape es un sistema modular, escalable, flexible, rentable basado en una plataforma Windows donde los requisitos para un control híbrido están presentes en el control regulatorio, lógica de alta velocidad, secuencial y control por lotes, construcción y control del medio ambiente y la gestión de la seguridad. Incluye un amplio conjunto de interfaces hombre-máquina, sistemas de alarma, registro de tendencias y capacidad de generación de reportes. El sistema está estrechamente integrado para garantizar la aplicación rápida, facilidad de operación, y la integridad de los datos.
4.3.3.7 Configuración física
Físicamente este controlador tiene como primordial la configuración de los switches de Ethernet tolerante a fallas, en estos switch se da la dirección Ethernet que tendrá el controlador. Y la conexión de la red privada de comunicación de redundancia.
Figura 15: Configuración física de controlador
5 Funcionamiento del DCS Honeywell. 5.1 Arquitectura DCS Honeywell. Experion PKS (Honeywell) comprende muchas soluciones integradas de hardware y software, dependiendo de las necesidades de la instalación. En la Figura 1 muestra una representación de muchos de los nodos posibles que se pueden utilizar en una arquitectura de Experion PKS. La arquitectura PKS es altamente escalable y no todos los nodos son necesarios o requeridos. La arquitectura de control ofrecida por Honeywell integra la antigua (TPS) vía GUS o Server, la red principal es una FTE (Fault Tolerant Ethernet), las estaciones de operación son basadas en Windows, los controladores son de tecnología Allen Bradley y Utiliza las mismas tarjetas que el RS Logix. Aun cuando son fabricadas especialmente para Honeywell sin embargo tiene comunicación directa con DeviceNet y Control Net (Protocolos de Allen Bradley). Además de comunicación con Fieldbus Foundation y Profibus.
Figura 16: Arquitectura Física DCS Honeywell
5.1.1 Arquitectura física. El DCS Experion PKS, dentro de su arquitectura general cuenta con varias tarjetas de E/S y de alimentación que le permiten una mejor comunicación con los instrumentos y dispositivos conectados a él, Por ejemplo:
Tarjeta de salida digital de 24V Tarjeta de entradas digitales de 24V Tarjeta de salidas análogas HART. Tarjeta de entradas análogas HART. Tarjeta de entrada análoga multiplexadas.
5.2 Redundancia. 5.2.1 Redundancia de comunicación Este sistema presenta interfaces con FOUNDATION Fieldbus, Profibus, DeviceNet, LON, ControlNET o Interbus. Lo que representa que el sistema Experion PKS proporciona una robustez, seguridad, control y fiabilidad. Presentando un alto rendimiento en toda la infraestructura de la planta al unificar la arquitectura de toda la planta Experion.
5.2.1.1 Protocolos de comunicación de uso industrial entre controladores
Integración de PROFIBUS: PROFIBUS es un sistema digital abierto y ampliamente utilizado en redes de comunicación con una amplia gama de aplicaciones en la automatización de la fabricación y del proceso. Experion® PKS de Honeywell interactúa perfectamente con dispositivos PROFIBUS para permitir el uso fácil y eficaz de los datos del dispositivo de control, visualización, diagnóstico, parametrización y gestión de activos. Honeywell ofrece dos módulos de interfaz de hardware dedicados para la integración económica de las redes PROFIBUS DP: La integración PROFIBUS Experion se caracteriza por la alta velocidad y la disponibilidad, el rendimiento de datos eficiente, ingeniería rentable y fácil de la red y gestión de dispositivos.
5.2.1.2 Protocolos para el acceso a instrumentación para control de procesos en campo
Integración DeviceNet: DeviceNet es una red sobre el terreno principal que conecta los dispositivos de entrada / salida industrial con los controladores. Honeywell garantiza una fácil integración de Experion® PKS con DeviceNet para ayudar a los usuarios a optimizar sus activos existentes. La interfaz de Experion a DeviceNet proporciona una ruta de comunicación desde una red DeviceNet a un Experion controlador C200 / C200E o C300 a través de un módulo de interfaz dedicada DeviceNet Bridge (DNB). El módulo 1756-DNB se puede montar tanto en el controlador y el rack de I/O, y proporciona la interfaz entre el sistema Experion y cualquier Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) dispositivo certificado. Esto permite al usuario utilizar con facilidad y eficacia DeviceNet conectada con la información del dispositivo en la pantalla Experion, y controlar el esquema de la lógica. Integración FOUNDATION Fieldbus:FOUNDATION Fieldbus es un protocolo digital abierto líder, que permite a los usuarios satisfacer con facilidad las I/O necesarias usando dispositivos de capo inteligente. Honeywell puede integrar fácilmente cualquier dispositivo de bus de campo con Experion PKS para mejorar las operaciones y reducir los costos de instalación, puesta en gastos de tiempo y de mantenimiento. El sistema Experion PKS proporciona una interfaz eficaz y robusta FOUNDATION Fieldbus a raves de dos familias de I/O. Ambos tipos de FIM (Fieldbus Interface Module) proporcionan un diseño de alta capacidad robusta y entrega la integración de todo sistema de acceso a los datos, el control, las conexiones, los diagnósticos y las alarmas con el sistema Experion PKS
Integración HART: HART es un protocolo abierto que ofrece los beneficios de los dispositivos de campo inteligentes al tiempo que ofrece la simplicidad y facilidad de uso asociado con la tradicional de E / S. Experion® PKS integra dispositivos HART para mejorar el rendimiento del sistema, la disponibilidad del proceso, la seguridad y el rendimiento, al tiempo que reduce los costes de ciclo de vida para la actualización y mantenimiento de los dispositivos de campo inteligentes. Disponibles en el Chasis-A, PMIO, y Serie-C, los módulos permiten el uso eficaz de los datos digitales HART para el control, visualización, diagnóstico, parametrización y gestión de activos. Los usuarios pueden mejorar la disponibilidad mediante la implementación de los módulos de manera opcionalmente redundante. Experion PKS proporciona la libertad para comunicarse con dispositivos HART eliminando barreras como las limitaciones del tipo de exploración. El acceso a rendimiento del dispositivo detallado y la información de condición anormal permite a los usuarios informar el mal funcionamiento del dispositivo o el fracaso y la información acerca de las anormalidades relacionadas con el proceso. Además, la solución HART proporciona a los operadores de planta y personal de mantenimiento pleno acceso a toda la información del dispositivo de campo directamente a través de Experion. La solución "abierta" HART rellena automáticamente el proceso HART y los datos de estado a través de las tarjetas de I/O en los controladores de procesos C200 y C300, y finalmente en las pantallas de operador estándar. Absolutamente no se requiere ninguna configuración adicional. Las tarjetas de I/O también proporcionan una capacidad de paso que permite la gestión de activos completa, utilizando la aplicación FDM (Fiel Device Manager) de Honeywell.
5.2.1.3 Protocolo de comunicación entre nodos de administración del sistema
Ethernet de Honeywell es una red basada en Plant Information Network (PIN), que conecta servidores y clientes, junto con el propósito de comunicaciones de nivel de supervisión.
Modulo Ethernet: El módulo Ethernet permite una comunicación Ethernet desde el servidor a la red de control y proporciona una red peer-to-peer para la interoperabilidad. Los dispositivos de instrumentación externos se pueden comunicar con el controlador a través de la red Ethernet. El módulo proporciona un conector de cable Ethernet de 10BaseT y servicio a un segmento como una red de supervisión sin necesidad de routers. Ethernet: Ethernet es una popular tecnología LAN (Red de Área Local) que utiliza el Acceso múltiple con portadora y detección de colisiones (Carrier Sense Múltiple Access with Collision Detection, CSMA/CD) entre estaciones con diversos tipos de cables. Algunas características de Ethernet:
Es pasivo, es decir, no requiere una fuente de alimentación propia, y por tanto, no falla a menos que el cable se corte físicamente o su terminación sea incorrecta. Se conecta utilizando una TOPOLOGÍA DE BUS en la que el cable está terminado en ambos extremos. UTILIZA MÚLTIPLES PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN y puede conectar entornos informáticos heterogéneos, incluyendo Netware, UNIX, Windows y Macintosh. El método de acceso que usa Ethernet es el ACCESO MÚLTIPLE CON PORTADORA Y DETECCIÓN DE COLISIONES (Carrier Sense Múltiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). CSMA/CD es un conjunto de reglas que determina el modo de respuesta de los dispositivos de red cuando dos de ellos intentan enviar datos en la red simultáneamente. La transmisión de datos por múltiples equipos simultáneamente a través de la red produce una colisión. Cada equipo de la red, incluyendo clientes y servidores, rastrea el cable en busca de tráfico de red. Únicamente cuando un equipo detecta que el cable está libre y que no hay tráfico envía los datos. Después de que el equipo haya transmitido los datos en el cable, ningún otro equipo puede transmitir datos hasta que los datos originales hayan llegado a su destino y el cable vuelva a estar libre. Tras detectar una colisión, un dispositivo espera un tiempo aleatorio y a continuación intenta retransmitir el mensaje. Si el dispositivo detecta de nuevo una colisión, espera el doble antes de intentar retransmitir el mensaje.
Ethernet es popular porque permite un buen equilibrio entre velocidad, costo y facilidad de instalación. Estos puntos fuertes, combinados con la amplia aceptación en el mercado y la habilidad de soportar virtualmente todos los protocolos de red populares, hacen a Ethernet la tecnología ideal para la red de la mayoría de usuarios de la informática actual. 5.2.2 Redundancia general Para una mayor robustez en el proceso Honeywell genera redundancia en sus controladores, cada 8 controladores poseen 1 de emergencia, en el cual se genera su entrada al proceso con un parámetro RDNLINKFAILED. El parámetro RDNLINKFAILED se activa cuando el cable de redundancia está desconectado y/o el socio o controlador principal no está funcionando por 500 milisegundos. Una vez que el cable de redundancia se vuelve a conectar a una red hermana o al controlador principal vuelve funcionar, el parámetro RDNLINKFAILED se establece en OFF. Hay que tenga en cuenta que este parámetro refleja el estado físico del cable (conectado vs. desconectado) y de ninguna manera indica si el cable de redundancia está conectado a un interlocutor compatible. Los 'Enlace de redundancia Inactivo 'y' Enlace de redundancia activo ' las notificaciones son genéticas clasificado cuando el parámetro RDNLINKFAILED se activa y desactiva, respectivamente.
Figura 17: Tiempos de Redundancia
5.2.3 Aplicaciones. Por su flexibilidad los DCS Honeywell pueden ser aplicados en diferentes sectores, en las que destacan:
Refinerías Petroquímicas Plantas de Biocombustibles Plantas de Generación Química Pulpa y Papel Metales y Minería Procesos Alimenticios y Bebidas
Beneficios: Al utilizar esta marca de sistema de control distribuido se gana una gran cantidad de beneficios tanto para el proceso como para el operador y programador.
Controlador Experion C300, para un control potente y robusto. Simulación C300 para probar estrategias de control. Diseño de módulos de E/S compactos, instalación eficiente, cableado y fácil mantenimiento. Redundancia opcional en todos los niveles: servidor, red, controlador C300, módulos de E/S. Integración de dispositivos inteligentes a través de protocolos estándar de la industria como HART, Foundation, Fieldbus, Profibus y Modbus y gestión de activos utilizando el software Field Device Manager integrado de Honeywell. Control por baches (Batch) basados en controladores en S.88 para un alto rendimiento y fiabilidad en el procesamiento por baches. Algoritmo revolucionario Profit Loop para el control predictivo basado en modelos. Red de control Ethernet de alto rendimiento tolerante a Fallas (FTE).
Amplia integración de PLC, DCS, RTUs, Drives, Sistemas de Seguridad y otros dispositivos como básculas de pesaje a través de la rica capacidad SCADA de los servidores Experion y Matrikon OPC. Distributed Server Architecture (DSA) para la integración de procesos en múltiples unidades, salas de control o ubicaciones geográficamente distribuidas para una óptima flexibilidad y mantenimiento del sistema.
5.3 Configuración Maestro Esclavo. El esquema de comunicación industrial ampliamente difundido para redes de integración de equipos de control es el denominado maestro-esclavo, este esquema es utilizado en comunicaciones entre PLC y sistemas SCADA’s y aún en DCS’s. Este modelo maestro esclavo. El sistema de comunicación maestro-esclavo consta esencialmente de un equipo que se lo denomina maestro y uno o varios equipos denominados esclavos; el maestro es quien gobierna los ciclos de comunicación, toda iniciativa de comunicación es llevada a cabo por este equipo, los esclavos solo responden a la petición del maestro, si les corresponde, el proceso de pregunta/respuesta de un equipo maestro a uno esclavo se lo conoce como transacción. Existen dos tipos de transacciones:
Consulta-Respuesta: el equipo maestro inicia una transacción con uno de sus esclavos, todos los esclavos escuchan la pregunta, pero al ser dirigida a uno en particular, este asume su rol de encuestado devolviendo la consulta al maestro, esta transacción puede ser de lectura, escritura, consulta de estado, etc. Todo lo que entre ambos puedan entenderse. La transacción puede concretarse en uno o varios hilos de consulta entre el maestro y el esclavo. Difusión sin respuesta: el equipo maestro comienza una transacción que va a tener como destino a todos los esclavos, los esclavos no responden tal petición y el maestro da por asumida la finalización de la misma. Puede darse el caso que uno o más esclavos no hayan recibido correctamente la información, esto debe tenerse en cuenta cuando se utiliza este tipo de transacción.
Dentro de la configuración Maestro/esclavo de los DCSs Honeywell, se puede identificar el protocolo Profibus, que es uno de los tantos protocolos con los que trabaja los DCSs Honeywell. La interfaz de Profibus permite amplia aplicación en procesos, fabricación y automatización predial. Una de las tantas interfaces que se ocupan para la programación de DCSs es el Profibus PA y Profibus DP. El Profibus PA permite medición y control a través de línea de dos hilos simples. También permite accionar los equipos de campo en zonas con seguridad intrínseca. El PROFIBUS PA permite aún el mantenimiento y la conexión/desconexión de equipos mismo durante la operación, sin afectar otras estaciones en zonas de potencial explosivo.
El Profibus DP es la solución de alta velocidad del PROFIBUS. Su desarrollo fue perfeccionado principalmente para comunicación entre los sistemas de automatización y los equipos descentralizados. Es aplicable en los sistemas de control, donde se destaca el acceso a los dispositivos distribuidos de I/O. Es utilizado en sustitución a los sistemas convencionales 4 a 20 mA, HART o en transmisiones de 23 Volts, en medio físico RS-485 o fibra óptica.
5.4 Características de Capacidad. Servidor PC
Un PC debe cumplir las siguientes especificaciones para ser utilizado como un servidor de Experion PKS. Estas especificaciones están diseñadas como directrices para plataformas suministradas por el cliente. Las plataformas suministradas por Honeywell cumplirán con estas especificaciones, pero no necesariamente serán las plataformas de ejemplo que se enumeran a continuación.
Figura 18: Características de Servidor
Rendimiento de redundancia
La opción de redundancia del servidor de Experion PKS es un subsistema extremadamente robusto y maduro diseñado para proporcionar la mayor disponibilidad posible con las siguientes especificaciones.
Figura 19: Tamaño de la base de datos.
Figura 20: Rendimiento de redundancia.
6 Conclusión Toda empresa de ámbito industrial necesita componentes del campo de la automatización para controlar de mejor forma todos sus procesos, y contando además con sistemas que se encarguen de reunir toda la información de los elementos tecnológicos que interactúan en la planta, se puede mejorar los procesos de supervisión a fin de mantener la integridad de los materiales, así como también de lo que se encuentren produciendo. Es por eso que los sistemas DCS´s facilitan el monitoreo y la toma de decisiones a través de reportes estadísticos o alarmas, al escoger un DCS como herramienta a implementar en una organización, dependerá de la índole de la misma, ya que los sistemas de control distribuidos tienden a integrarse mejor en empresas grandes con altas cantidades de variables, y en donde sea necesario no solo en un computador, sino distribuir diversos controladores en la industria. Además, la ventaja de trabajar con Honeywell, es que este está diseñado para brindar ventajas rápidas en la productividad y la eficiencia inmediatamente después de la instalación. Con el poder de la conectividad, la configuración y la integración de datos de Matrikon OPC (servidores para DCS hecho por Matrikon, este ofrece la más alta colección de conectividad para DCS), se minimiza la carga para garantizar que se obtenga rápidamente las ganancias de las inversiones y se eviten los problemas.
