Alejandro S. León O.
[email protected]
Contenidos Introducción Introducción : Definición y un
Arquitectura
poco de Historia. Historia.
DCS: Conceptos y esquemas generales.
Estructura Física: Componentes Co mponentes principales,
integrabilidad, integrabilidad,
interface y otros. Software
para DCS: Control Continuo y discreto, Control avanzado avanzado , Control por lotes.
Contenidos Introducción Introducción : Definición y un
Arquitectura
poco de Historia. Historia.
DCS: Conceptos y esquemas generales.
Estructura Física: Componentes Co mponentes principales,
integrabilidad, integrabilidad,
interface y otros. Software
para DCS: Control Continuo y discreto, Control avanzado avanzado , Control por lotes.
Definición DCS DCS, del inglés Distributed Control System. Sistema de control en que los elementos de control no están ubicados localmente localmente , sino que se distribuyen distribuyen en todo el sistema con cada componente o sub-sistema controlado por uno o más controladores. Todos los componentes del sistema están conectados a través de redes de comunicación y monitoreo.
¿Donde encontrarlos? •
Entre algunas industrias se mencionan:
•
Redes de energía eléctrica y plantas de generación eléctrica.
•
Sistemas de control ambiental.
•
Señales de tráfico.
•
Procesos Mineros.
•
Sistemas de tratamiento de aguas servidas.
•
Plantas de refinación de aceite.
•
Plantas químicas.
•
Fabricación de productos farmacéuticos.
•
Buques de compañía petrolera.
Características de un DCS •
•
•
•
Flexibilidad y Capacidad de expansión: Capacidad de elegir (etapa inicial) o aumentar (etapas posteriores) el número variables de entrada, salida y del número de controladores debido a una amplia gama de aplicaciones expansibles y clientes específicos. Operaciones de Mantenimiento: Las configuraciones de control e interfaces de operador deben ser fáciles de mantener y modificar no solo por ingenieros profesionales. Apertura: las variables y parámetros de control son leídos y escritos desde otras funciones de control. Operatividad: Funciones avanzadas de control se deben mostrar en las mismas ventanas de operación y debe ser leída por los operadores sin dar ninguna confusión.
Características de un DCS •
•
•
Portabilidad: Parte del algoritmo de control no depende del entorno de hardware y debe poder adaptarse a distintas tecnologías informáticas. Rentabilidad: Las ventajas de los algoritmos de control debe quedar claro. No sólo acerca de la controlabilidad, sino también acerca de las inversiones realizadas, antes y después de la implementación del DCS. Robustez/Redundancia: La redundancia en sistemas de control apunta a disponer elementos/componentes adicionales que garantizan la operación de las funciones que cumplen dentro del sistema de control frente a fallas del mismo.
Componentes Funcionales de un DCS
Estructura Física
Componentes de Nivel Superior •
•
Ordenadores personales y/o HMI se utilizan para las estaciones de mantenimiento e ingeniería y estaciones de aplicación que se utilizan para la configuración del sistema y de diagnóstico y para la integración de software de terceros en el sistema de control. Usan Sistemas operativos como Windows XP o propios(HMI) Servidores de trabajo, los cuales realizan el proceso de registro de variables en tiempo real, proporcionan servicio cliente-servidor para hacer la conexión entre los ordenadores de trabajo de nivel superior con los controladores, y por último, servidores dedicados a proporcionar estabilidad del sistema y concurrir ante cualquier evento a acciones de manera de corregir y mantener en marcha el proceso. Generalmente usan sistemas operativos como Windows server. OBS: Redundantes y Uso de UPS(preferentemente en Servidores).
Componentes de Nivel Superior •
Siemens, SIMATIC PCS 7-CEMAT.
Componentes de Nivel Superior •
ABB, Industrial IT System 800xA 5.0.
Componentes de Nivel Superior •
Honeywell, Experion.
Componentes de Nivel Superior •
Emerson, DeltaV.
Componentes de Nivel Superior •
Sistemas Implementados:
Controladores y Tarjetas E/S •
Generalmente se tendrá:
Fuente de Poder(Power Supply Module).
Controlador (Controller Module).
Módulos de Entrada/ Salida (Input/Output Modules).
Módulos de comunicación (Communication interface Modules).
Controladores y Tarjetas E/S •
•
•
¿Donde encontrarlos? Generalmente se ubican dentro de Racks (Gabinetes) metálicos especificados según Normas como NEMA. Dentro de estos Racks es común encontrarse con los siguientes componentes: •
Interruptores. (Circuit Breakers).
•
Supresores de transiente (transient voltage suppressor or TVS).
•
Bloques Terminales (Terminal Blocks).
•
UPS (Uninterruptible Power Supply).
•
Rail DIN (Din rail) y canaletas (Wireway).
Controladores y Tarjetas E/S
Power Supply Module •
Provee de energía eléctrica a los módulos conectados a través del LocalBus.
•
Generalmente se presenta como un adaptador AC/DC (220 ó 110 [VAC]/ 24[VDC])
Power Supply Module •
A modo de Ejemplo: Bulk Ac to 24 VDC Power Supply , DeltaV
Controlador •
•
Es el módulo principal de procesamiento, en este módulo se procesan todos los algoritmos de control implementados y descargados en su memoria, además es el encargado de la lectura y escritura de variables de entrada y salida en los módulos conectados al localBus (Tarjetas E/S y módulos de comunicación). Estos sistemas están diseñados para permitir la modificación y creación de algoritmos de control en tiempo real. Así como también permite realizar respaldo de aplicaciones criticas en tiempo real (Hot Backup).
Controlador CEE y ACE Enviroment •
•
•
Las tareas se ejecutan definiendo el tiempo de loops. A diferencia de los PLC que lo con tiempos relacionados a la extensión del programa. Permiten la ejecución de Tareas simultaneas. La ejecución permite llamar a subrutinas, Rutinas especiales en caso de fallas y/o eventos predeterminados.
Controlador •
EJ: AC 800M Control And I/O
Controlador •
Ejemplos: ABB: AC 800M Control And I/O.
Controlador •
•
Ejemplos: Emerson: DeltaV “Electronic Marshalling ”, en español, serialización electrónica, cada bloque de terminales tiene un módulo de caracterización del canal único, o CHARM, lo que permite el cableado de campo de cualquier tipo de señal en cualquier lugar (terminación).
Controlador •
Ejemplos: Honeywell- C200 Controller
Módulos E/S •
Permiten la comunicación con sensores y actuadores.
•
Los módulos más comunes son: •
Entradas análogas aisladas (analog input isolated) 1-5 volt DC, 4-20mA.
•
Salidas análogas (analog output) 4-20mA.
•
RTD aislados y entradas de termocuplas.
•
Entradas Discretas (Discrete input) 24 VDC, 120/230 VAC.
•
Salidas Discretas (Discrete output) 24 VDC, 120/230 VAC.
•
Contador de pulsos de Entrada.
•
Salidas de pulsos de tiempo variable.
Sensores y Actuadores. •
•
Finalmente dentro de los niveles jerárquicos en los DCS se encuentran los componentes de adquisición de medidas, sensores y transmisores, así como también actuadores. Entre ellos se pueden mencionar: Sensores: •
•
Sensores de Nivel, de temperatura, de pH, de Presión, de densidad, de flujo, entre otros.
Actuadores: •
Válvulas, Partidores suaves, Indicadores análogos, Variadores de frecuencia.
Módulos de Comunicación e integración con Buses •
La adaptación a los estándares IEC1158-2 por la mayor parte de los fabricantes de DCS marcó el comienzo de la nueva generación de sistemas y productos de automatización de control. Basado en este estándar, las capacidades de los buses de cambo son integrados a los sistemas DCS para proveer: •
•
Reducir el cableado y los costos de instalación. Proveer de un mayor flujo de información para permitir realizar ingeniería de automatización, mantenimiento y funciones de apoyo.
Módulos de Comunicación e integración con Buses •
Los Protocolos soportados en estos módulos pueden ser: •
Hart AI-Card and AO-Card.
•
DeviceNet (baund rate 125, 250,500 Kbit/sec).*
•
FOUNDATION Fieldbus.
•
AS-Interface.*
•
Profibus DP Baud rate (9.6-19.2-93.75-187.5-500-1500 Kbit/sec).*
•
Profibus PA.
•
Serial Interface(Modbus or Allen Bradley’s Data Highway Plus Protocol ).
•
Otros (Ej: Nativos).
Módulos de Comunicación e integración con Buses •
•
Las redes de buses de campo están diseñadas para proporcionar comunicaciones bidireccionales entre los sensores "inteligentes" o elementos finales y un sistema de control. Un lenguaje descriptivo de dispositivos electrónicos (EDD) ha sido definido por estándar IEC 61804 que permite al DCS utilizar dispositivos basados en diferentes tecnologías y plataformas.
Profibus DP Module
Integración con Buses Nativos •
•
INTERBUS (Phoenix Contact GmbH & Co). The master-slave system INTERBUS allows for a maximum of 512 devices to be connected. The ring is automatically closed by the last device. •
Active ring
•
Master slave, fixed telegram length, deterministic ring; every remote bus device is a repeater
•
Transmission rate: 500 Kbit/s
•
Max. 4096 I/O points
•
Length of bus: 400 m (between two remote bus devices) total length 13 km
Integración con Buses Nativos •
ModuleBus (ABB)
Módulos de Comunicación e integración con Wireless •
•
Para algunas aplicaciones, tales como maquinaria de rotación, conseguir mediciones puede ser difícil. En otras aplicaciones, como monitoreo de equipos y procesos, tecnología inalámbrica proporciona una forma totalmente nueva de interactuar con el proceso.
Desventaja: •
Posibles desconexiones indeseadas debido a co ndiciones externas
Módulos de Comunicación e Interface con Subsistemas (MODBUS) •
MODBUS es un método popular para mover los valores de datos entre sistemas. Se trata de un protocolo de mensajería en la capa de aplicación, que establece la comunicación cliente / servidor entre dispositivos conectados en diferentes tipos de buses o redes.
Interface con otras aplicaciones (OPC Foundation). •
•
•
“OPC Foundation (Object Linking and Embedding for Process Control Foundation)”.
El estándar OPC fue creado a través de un esfuerzo de colaboración de los principales proveedores de automatización y Microsoft. La especificación define un conjunto estándar de objetos, interfaces y métodos que faciliten la interoperabilidad entre sistemas.
En una arquitectura Cliente OPC/ Servidor OPC, el Servidor OPC es el esclavo mientras que el Cliente OPC es el maestro. Las comunicaciones entre el Cliente OPC y el Servidor OPC son bidireccionales, lo que significa que los Clientes pueden leer y escribir en los dispositivos a través del Servidor OPC.
Interface con otras aplicaciones (OPC Foundation). •
Aplicaciones tales como MATLAB ofrece compatibilidad con OPC. Usando OPC, una aplicación puede acceder a datos en tiempo real, alarmas y eventos, además de datos históricos.
Acceso Remoto a DCS. •
Los sistemas modernos de DCS están diseñados para proporcionar el acceso de la información de toda la planta DCS en tiempo real. Para proporcionar una interfaz abierta, esta capacidad se basa típicamente en las normas internacionales y la industria. En la mayoría de los casos, estos consistirán en el uso de: •
•
Capa Física de Comunicación Ethernet. Sistemas operativos modernos, como Microsoft. Net Framework, para proporcionar intercambio de datos XML y soporte para la prestación “Terminal Server”.
•
OPC Foundation.
•
Wi-Fi de acceso inalámbrico para acceso a datos de la operación.
•
Tecnología de comunicación por microondas, Ej: SIC.
•
Uso de las redes móviles GPRS y 3G. para envío de alertas y eventos.
•
Uso de las redes de internet de alta velocidad con Conexiones dedicadas.
Acceso Remoto a DCS.
S/E Ancoa, SIC, CHILE. Antena
Software DCS: Control continuo y discreto. •
Con la introducción de la norma IEC 61131-3 en los años 90’s, la mayoría de los fabricantes comenzaron a ofrecer soporte general para implementación de control gráfico. La IEC 61131-3 define cuatro lenguajes de control para su uso en el control de procesos y automatización de las áreas de fabricación. 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.
Software DCS: Control continuo y discreto. Diagrama de bloques funcionales (FBD). Permite representar mediante bloques reutilizables el control continuo y discreto.
Software DCS: Control continuo y discreto. Sequential Function Chart – Apoya la definición de cálculo y control donde se realiza la evaluación lógica de una manera secuencial y puede seguir caminos diferentes en función de las condiciones de funcionamiento.
Software DCS: Control continuo y discreto. Ladder Diagram Permite lógica discreta que se implementa como contactos, bobinas y bloques. Estas implementaciones se han utilizado principalmente para la aplicación del control discreto y dispositivo de seguridad asociados a aplicaciones tales como control de motores.
Software DCS: Control Avanzado. •
Los recientes avances en el poder de procesamiento disponible dentro de un sistema de control permiten la capacidad de incorporar control avanzado en el sistema de control. Estos controles integrados avanzados son: •
Autoajuste del lazo.
•
Control de Lógica Difusa.
•
Modelos de control Multivariable (MIMO) predictivo.
•
Redes neuronales.
Software DCS: Interface con Operador. •
•
Las aplicaciones de interfaz con operador, que se pueden ejecutar en una o más estaciones de trabajo del operador, reciben los datos de la aplicación de controlador a través de la red de control y muestra estos datos al usuario del sistema. Estas pantallas son generalmente preconfiguradas para mostrar, de maneras amigables, la información o los datos recibidos de los módulos de control o dispositivos dentro de la planta de proceso.
Software DCS: Interface con Operador.
Software DCS: Interface con Operador. •
Presentación Software DeltaV
¿Preguntas?
