PLC y DCS, características físicas y operacionales.
La comparación entre PLC y DCS es un tema con muchos mitos,
creencias y opiniones diversas influenciadas por los intereses mercantiles de
dichas tecnologías. Su discusión se puede extender bastante, ya que es
necesario tener conocimiento sobre la arquitectura y modo de funcionamiento de
ambas tecnologías, así como los requerimientos operacionales de los distintos
tipos de proceso, a fin de poder entender las bondades y limitaciones de cada tecnología.
A continuación voy a tratar de resumirlos lo más que pueda sin afectar la
claridad sobre el tema.
Desde el punto de vista de automatización, tanto el PLC como
el DCS se clasifican como “controladores industriales”.
Lo único que está claro es que en proceso con requerimiento
de alta velocidad, con muchas señales discretas de entradas/salidas, tal como
en líneas de producción o control de maquinaria, la solución ideal es el uso de
PLC, pero si es un proceso de tipo continuo de gran escala con muchas entradas/salidas
de señales analógicas, tal como refinación o industria química, la solución
ideal es el uso de DCS.
Pero aún así, actualmente con el avance de la tecnología de
los PLC, algunos fabricantes de PLC de alta gama claman la capacidad de poder
usar sus PLC en lugar de DCS, con una gran ventaja desde el punto de vista de
inversión económica.
El uso de DCS en lugar de PLC es también posible pero no
atractivo desde el punto de vista de inversión económica, a menos que exista un
DCS y se requiera una aplicación menor de lógica secuencial.
El Controlador Programable
El Controlador Programable es un controlador electrónico que
se inventó y fabricó en los inicio de la década de los 70, de acuerdo a unas
especificaciones generadas por General Motor para reemplazar los tableros de lógica
de control mediante relés, es decir para realizar lógica de control discreta.
Con el tiempo surgieron diversos fabricantes de
Controladores Programable, entre ellos Allen Bradley que lanzó en 1971 su
controlador patentado con el nombre Controlador Lógico Programable (PLC,
Programmable Logic Controller). Una vez vencido el tiempo de validez de la
patente (20 años), todos los fabricantes adoptaron el uso de ese nombre para
sus controladores programables.
Componentes y funcionamiento del PLC
Con la evolución de la electrónica también se desarrollaron
PLC de mayores capacidades y funcionalidades, pero aún mantienen su estructura
básica de componentes y modo de funcionamiento.
El PLC está conformado por los siguientes componentes:
Los componentes básicos de un PLC, requeridos para su
operación como controlador son:
·
Unidad de procesamiento
·
Módulos de E/S
·
Memoria
·
Fuente de poder o alimentación
Los componentes accesorios o auxiliares de un PLC son:
·
Módulo de comunicación
·
Unidad de programación/configuración
·
IHM básico de operación
De acuerdo a su estructura externa, los hay compactos y
modulares. En los PLC compactos todos los componentes, tanto básicos como
auxiliares, están construido en un solo bloque o unidad no separable y no
escalable, mientras que en los PLC modulares cada componente es un módulo
separado que se debe montar y conectar sobre un chasis para conformar un PLC
escalable.
Los PLC son máquinas secuenciales
que ejecutan correlativamente las instrucciones indicadas en el programa de
aplicación del usuario almacenado en su memoria, generando unas órdenes o
señales de mando a partir de las señales de entrada leídas del proceso: al
detectarse cambios en las señales, el PLC reacciona según el programa y genera
los valores de salida necesarias. Esta secuencia se ejecuta continuamente en
forma cíclica, para conseguir el control actualizado del proceso.
Una aplicación puede tener
múltiples tareas, pero el PLC sólo puede ejecutar una tarea a la vez. Ejemplo
de tareas: administración de alarmas, lógica de control, comunicaciones,
respaldo de datos, administración y manejo de fallas, entre otros.
Las tareas se configuran como:
continua, periódica o evento.
La tarea continua (ejecución del
programa del usuario) es normalmente la tarea principal de la aplicación y se
ejecuta continuamente, es decir que al llegar a la última instrucción del
programa, automáticamente se vuelve a ejecutar el programa desde su inicio.
Las tareas periódicas se ejecutan
en cada intervalo de tiempo asignado para su ejecución, ejm envío de datos para
refrescamiento de IHM.
La tarea tipo evento se ejecuta
inmediatamente al ocurrir el evento asignado, ejm activación de alarma.
Se puede configurar la prioridad
de las tareas. Una tarea prioritaria puede interrumpir una de menor prioridad,
y una vez finalizada, se continúa con la tarea previamente interrumpida.
La tarea de tipo continua, que es
la ejecución del programa del usuario, es la de menor prioridad, ya que las
tareas periódicas y de eventos lo interrumpe.
En cada tarea puede existir uno o
más programas. Estos se ejecutan uno sólo a la vez, de acuerdo al orden
definido en la lógica.
Independiente del tipo de PLC su funcionamiento básico es el
siguiente:
Hay un proceso inicial o de arranque que se ejecuta una solo
vez en el momento de puesta en operación del PLC, en la que se realiza una
serie de diagnósticos de hardware y Sistema Operativo, carga de programa,
inicialización de parámetros, etc.
Finalizado el proceso inicial, el PLC ejecuta continuamente
su Ciclo de Operación que consiste en las siguientes tareas o actividades:
- Ejecución tareas periódicas y de eventos
- Proceso común
- Ejecución del programa del usuario
- Intercambio de datos con periféricos
A. Tareas periódicas y de eventos:
Es la ejecución de tareas periódicas y de eventos tales como
alarmas y comunicaciones, que se realiza durante todo el ciclo de operación,
siendo posible la interrupción temporal de otras tareas menos prioritarias hasta
la finalización del procesamiento de la tarea más prioritaria.
B. Proceso común:
En un diagnóstico que se realiza en cada ciclo de operación.
Consiste en la revisión de conexiones y de memoria de programa, protegiendo al
PLC contra:
·
Errores de hardware (conexiones E/S, ausencia de
memoria de programa, etc).
·
Errores de sintaxis (programa imposible de
ejecutar).
La revisión de conexiones comprueba los siguientes:
·
Niveles de tensión de alimentación.
·
Estado de la batería, si existe.
·
Buses de conexión con los módulos de
entradas/salidas.
La revisión de la memoria de programa comprueba la integridad
de la misma y los posibles errores de sintaxis y gramática:
·
Mantenimiento de los datos, comprobados en el
"checksum".
·
Existencia de la instrucción END de fin de
programa
·
Estructura de saltos y anidamiento de bloque
correctas
·
Códigos de instrucciones correctas
C. Ejecución del programa del usuario:
En esta fase de operación se consultan los estados de las
entradas y de las salidas y de acuerdo al resultado del procesamiento del
programa se generan las órdenes de mando o de salida. El tiempo de ejecución de
esta fase es la suma del:
·
Tiempo de acceso a módulos de Entradas/Salidas.
·
Tiempo de ejecución del programa de usuario
Y a su vez esto depende,
respectivamente de:
·
Cantidad y ubicación de los módulos de
Entradas/Salidas.
·
Longitud del programa del usuario y tipo de CPU
del PLC que lo procesa.
La fase de ejecución del programa
consta de tres fases o tareas:
·
Lectura de señales desde el módulo de entradas.
·
Procesado del programa para obtención de las
señales de control.
·
Escritura de señales en el módulo de salidas.
Para optimizar el tiempo, las
tareas de lectura y escritura de las señales en los módulos de
entradas/salidas, se realizan una a continuación de la otra para todas las
entradas y salidas.
Las entradas leídas de los módulos
de entrada se transfieren y guardan en la tabla de registros de entradas, desde
donde son leídos por el CPU del PLC en la ejecución del programa, y según se va
obteniendo las salidas, se guardan en la tabla de registros de salidas. Una vez
ejecutado por completo el programa, los valores de la tabla de registros de
salidas son transferidos todas a la vez a los módulos de salida
correspondientes.
D. Intercambio de datos con periféricos
Este tipo de operación es realizada únicamente si hay
pendiente algún intercambio con dispositivos periféricos o exterior del PLC,
ejm IHM. En caso de haberlo, la CPU le dedica un tiempo limitado, de 1 a 2 ms,
en atender el intercambio de datos. Si este tiempo no fuera suficiente, el
servicio queda interrumpido hasta el siguiente ciclo de operación.
Tiempo de ejecución y control en tiempo real en PLC
El tiempo total que el PLC emplea para realizar un ciclo de
operación se llama tiempo de ejecución de ciclo de operación o más
sencillamente tiempo de ciclo "Scan time". Dicho tiempo depende de:
·
La cantidad y tipo de Entradas/Salidas
involucradas.
·
La longitud del programa del usuario
·
La cantidad y tipo de periféricos conectados al
PLC.
Los tiempos totales de ciclos son entonces la suma de tiempos
empleados en realizar las distintas operaciones del ciclo.
·
Auto diagnóstico. (Proceso común).
·
Actualización de Entradas/Salidas.
·
Ejecución del programa.
·
Servicio a periféricos.
Típicamente el procesador del PLC en forma alternada hace un
barrido de todas sus entradas y actualiza todas las salidas, luego evalúa la
lógica de escalera; los cambios que ocurren en las entadas durante la ejecución
del programa no se hacen efectivo sino hasta la próxima actualización de las
entradas/salidas. Por lo general la ejecución completa de un ciclo de ejecución
sólo tarda pocos milisegundos, y debe ser mucho más rápido que los cambios en
el proceso controlado.
Cuando se usan módulos especiales inteligentes, tal como el de
control regulatorio PID, el procesamiento en el módulo inteligente es
independiente del ciclo de ejecución del PLC, excepto para el intercambio de
información entre cada módulo y el CPU del PLC.
El Sistema de Control Distribuido (DCS, Distributed Control System)
El primer método para centralizar las señales de proceso en
una sala de control fue mediante el uso de transmisores de señales que enviaban
las señales hasta controladores universales instalados en los paneles en la
sala de control. Esto implica el uso de un transmisor y un controlador para
cada señal. Por otro lado implica la ocupación de áreas grandes de espacio de
paneles, además de grandes volúmenes y extensiones de canalizaciones neumáticas
y/o eléctricas entre el campo y los controladores en la sala de control.
Para cubrir el nicho del control
regulatorio una opción al uso de los controladores analógicos dedicados, fue el
uso de las computadoras, dando origen al control digital directo (DDC, Direct
Digital Control). En marzo de 1959 en la refinería de Texaco en Port Arthur,
Texas se puso en servicio el DDC desarrollado por la empresa TRW. En 1960 IBM
instaló por primera vez su computadora especialmente diseñado para control de
proceso, la IBM 1700 en la Refinería American Oil en
Indiana.
En la década del 60 Foxboro
introdujo al mercado la computadora de proceso M9700 y un DDC basado en la
computadora DEC PCP-88 que fue instalado en la Refinería de Aruba.
En 1965 la DEC introdujo su mini computadora PDP-8
y posteriormente el PDP-11 ampliamente usado para control de proceso en tiempo
real. En 1968 Honeywell introdujo su DDC serie 16, en los 70 Bailey Controls y
Taylor Instruments lanzaron al mercado sus versiones de DDC y Foxboro introdujo
su DDC Fox 1.
Los DDC sufrían de un gran
problema: El riesgo de la falla del único computador digital que controlaba o
ejecutaba múltiples lazos de control PID, funciones que nunca debía detenerse.
El control digital trajo muchas ventajas, pero existía el riesgo del paro de un
proceso u ocurrencia de falla catastrófica por causa de falla en el hardware o
software en una única computadora.
Los Sistemas de controles
distribuidos (DCS) aparecieron en 1975 con el lanzamiento al mercado por parte
de Honeywell del TDC 2000, secundado por Yokogawa con el CENTUM, para
solucionar la debilidad de los DDC, ya que en su arquitectura usan múltiples computadoras
o controladores, cada una responsable de un grupo de lazos PID, distribuidos
por las instalaciones y enlazados para compartir información entre ellas y con
las consolas de operación.
La distribución de los
computadores o controladores también ordenó el cableado de señales, dado que
ahora cientos o miles de cables de instrumentos solo tienen que llegar hasta
los módulos distribuidos de entradas/salidas, y no hacia una sala de control
centralizada. Solo los cables de la red de control del DCS tenían que está
enlazando a los controladores, representando una drástica reducción de
cableado. Además, el control distribuido introdujo el concepto de redundancia
en los sistemas de control industrial: donde la adquisición de señales
digitales y las unidades de procesamiento estaban equipadas con un
"respaldo" que automáticamente toma el control de todas las funciones
críticas en caso de ocurrencia de una falla en el equipo primario.
Cada controlador contiene un
procesador para realizar todas las funciones de control necesarias, con interfaz
a través de tarjetas de entrada y salida (E/S) para convertir las señales de
analógicas a digitales o viceversa. La redundancia de procesadores, redundancia
de cables de red, fuente de alimentación e incluso redundancia de tarjetas E/S
mantiene disponible las funciones de control en caso de falla en algún
componente. Los procesadores de los DCS poseen rutina de autodiagnósticos de
los componentes del sistema para alertar la existencia y fácil ubicación de las
fallas.
Si incluso hubiera una falla
total en uno de los gabinetes de control, sólo los lazos PID de ese gabinete
serán afectados, ningún otro lazo del sistema serán afectados. Por otro lado,
si los cables de red fallan, sólo el flujo de información entre estos dos puntos
se dañaría, el resto del sistema continua comunicando la información
normalmente. Por lo tanto, una de las características de un DCS es su
tolerancia a fallas, y de existir falla de hardware o software el impacto en el
control del proceso es minimizado por el diseño de su arquitectura.
Los primeros DCS podían controlar
procesos de hasta 5000 variables, los sistemas actuales pueden controlar hasta
250000 variables, pero su capacidad de comunicación e integración pueden
conformar sistemas sin límites de variables.
La evolución de las comunicaciones y hardware han
alterado dramáticamente la estructura de los sistemas de control. La tecnología
de comunicaciones como Ethernet y TCP/UDP/IP combinado con estándares de
comunicación industrial como OPC y protocolos abiertos permiten integrar
aplicaciones de terceros fácilmente en los sistemas de control. Así mismo, el
diseño orientado a objetos, componentes de software y herramientas de soporte
para la implementación ha facilitado el desarrollo de mejores interfaces para
el usuario y además la implementación de software reusable.
Los DCSs actuales pueden integrar
totalmente buses de campo E/S como FieldBus y ProfiBus sin ningún problema.
Esto quiere decir que los nuevos controladores pueden enlazar dispositivos o
ser interfaces para integrar múltiples E/S basados en FieldBus, DeviceNet,
AS-Interface, HART, ProfiBus y las E/S convencionales de punto a punto, en un
solo sistema. Ya incluso hay sistemas que ofrecen conectividad IIot con
certificación industrial clase 4.0.
Desde su lanzamiento al mercado
en 1975, los DCSs han dominado el control de procesos industriales, han
mejorado su rendimiento, funcionalidad y confiabilidad a través del tiempo. Los
diseños actuales son más modulares y se ha ido reduciendo los costos en
hardware, permitiendo que hoy en día sea factible el uso de DCS en plantas
pequeñas.
Aún cuando los modernos DCS son muchos más abiertos desde el
punto de vista de comunicación, permitiendo la integración de un amplio rango
de aplicaciones de múltiples suplidores, aún existen considerables cambios que
se deben realizar para obtener un DCS de arquitectura abierta.
Componentes y funcionamiento del DCS
Los componentes de los DCS son de
tipo modular y escalable.
Los principales componentes de un
sistema de control distribuido son:
·
Controladores
·
Módulos entradas/salidas
·
IHM de operación
·
IHM ingeniería y mantenimiento
·
Red de control del DCS
·
Módulo o servidor especiales (opcional)
·
Instrumentos de campo inteligente (opcional)
a) Controladores
En los controladores del DCS se ejecutan la lógica de
control y alarmas de proceso.
Cada controlador puede manejar, dependiendo del fabricante, de
8 a 32 lazos de control.
Cada controlador posee su propio procesador, fuente de
alimentación y memoria.
Típicamente los controladores son redundantes.
Para su operación se requiere configurar el algoritmo de
control a usar en cada lazo de control, modo de acción, así como los parámetros
de unidades y rango de la variable de proceso, dirección de la señal de
entrada/salida, ajustes de alarmas, configuración de prioridades de tareas, etc.
b) Módulos de entradas/salidas
A través de los módulos de
entradas/salidas se realiza la interfaz entre los controladores y los
dispositivos de campo.
Para cada tipo de señal con los
dispositivos de campo, existe una tarjeta E/S específica, incluyendo para
comunicación mediante diferentes tipos de red de control de proceso.
El cableado de las señales (red o
punto a punto) en primera instancia se conecta a los terminales de una sección
acondicionadora de señales. Luego estas señales ya acondicionadas ingresan a
los procesadores de digitalización de señales.
c) Interfaz de operación
La estación o Interfaz Humana –
Máquina (IHM) de operación es usada por el operador del proceso para monitorear
las condiciones de proceso, manipular puntos de ajustes, recibir y enviar
comandos, y generalmente están localizados en una Sala de Control Principal.
Desde la interfaz de operación el operador visualiza la información que es
enviada por los transmisores desde las áreas de proceso, y puede cambiar las
condiciones de control.
Varios fabricantes de DCS usan
computadores personales (PC) fabricados por terceros como interfaz de
Operación. Una IHM típica está compuesta por un computador personal robusto o
de tipo industrial con su teclado, mouse y uno o más monitores.
Esto aprovecha las tecnologías
existentes en computadores de trabajos y las pantallas sin sacrificar la
confiabilidad del control (ya que el hardware y software de control siguen
siendo de tipo industrial).
La aplicación de despliegue
gráfico y alarmas opera desde la computadora, pero los datos provienen de los
controladores.
Las consolas de operación pueden
incluir arreglos de pantallas (2, 3 ó 4 pantallas) a fin de facilitar la
visualización de todo el proceso.
d) Interfaz de ingeniería/mantenimiento
Usa básicamente el mismo hardware de la interfaz de
operación, pero con suficiente memoria y capacidad de disco duro para proveer
una eficiente plataforma para los requerimientos para operar como estación de
ingeniería/mantenimiento para las labores de configuración y diagnóstico del
sistema.
e) Red de control del DCS
La red de control del DCS es la que conectan los controladores
y las IHM del DCS. A través de ella se transporta los datos de la gestión del
DCS, las señales del proceso, base de datos de control, base de datos
históricos, sistemas de alarmas, generación de reportes, etc.
En general las redes de control del DCS es una red
propietaria y redundante.
f) Módulo o servidor especial (opcional)
Son módulos para aplicaciones especializadas tal como
control avanzado, optimización, base de datos, etc.
Se conectan al DCS a través de la red de control del DCS.
g) Instrumentos de campo inteligente (opcional)
Algunos fabricantes de DCS ofrecen su propia línea de
instrumentos de campo inteligente, permitiendo el acceso a funcionalidad
especiales tales como gerencia de activo, monitoreo y diagnóstico en línea de
los instrumentos, los cuales no estarían disponibles si se usan instrumentos de
otros fabricante.
En un DCS, cada controlador del sistema y sus módulos de
entradas/salidas asociadas funcionan en forma dedicada e independiente,
permitiendo un ciclo de operación de cada lazo de control bastante corto, del
orden de los milisegundos, ya que el ciclo de procesamiento del algoritmo de
control en cada lazo es bastante rápido.
Por otro lado la red de control del DCS es una red de alta
velocidad, permitiendo una alta rapidez de actualización de los datos entre los
controladores y los IHM de operación.
Requerimientos operacionales
En las secciones anteriores se hizo una descripción de los
componentes y funcionamiento del PLC y DCS, sin embargo hay que considerar los
requerimientos operacionales y cómo afecta este requerimiento en el ciclo de
operación.
Se han peguntado ¿porqué los DCS los venden con su consola o
IHM de operación, mientras que en los PLC el IHM se ofrece como una opción?
La razón es porque en los procesos analógicos continuos, el
operador debe estar pendiente de los valores de las variables de procesos, los
cuales normalmente fluctúan continuamente, razón por la cuál en el control de
este tipo de proceso se debe mostrar al operador como mínimo el valor de la
variable en cada lazo de control.
En los procesos de tipo discretos, normalmente lo que se
necesita es mostrar el estado de un equipo o fase de ejecución de una tarea, el
cuál se puede mostrar con el estado de una luz de indicación, por otro lado
estos estados permanecen invariables por largo tiempo.
Esto implica que si se usa PLC para control de procesos
analógicos continuos, aún usando módulos especiales de control PID, la
actualización de datos en el PLC de lo que pasa en cada módulo se hace como
parte del ciclo de operación del PLC. Por otro lado es necesario un intercambio
de información bastante alto entre el PLC y el IHM, esto por supuesto aumenta
más el tiempo de ciclo de operación, ya que si existen lazos que requieren alta
frecuencia de actualización de datos y se configuran como tareas periódicas de
alta frecuencia, a cada rato se interrumpe la ejecución del programa del
usuario que es la tarea de menor prioridad, para realizar dichas transferencias
de datos.
Esta es la razón principal por la que aún usando módulos
especializados de control PID no es recomendable sobrecargar un PLC con ese
tipo de lazos, si además el PLC se usa para el control lógico secuencial de un
proceso.
A menos que el PLC se use exclusivamente para control PID o
que el programa del usuario para la lógica de control secuencial es
relativamente corto y que el proceso discreto a controlar no requiere ciclo corto
de operación.
Referencias
Control avanzado – Victor Yi
PLC – Victor Yi
Controlador Lógico Programable (PLC), ISBN 978-980-12-9432-0
– Victor Yi
Instrument
Engineers Handbook – Bela G. Liptak
Victor Yi
vichuvideo@gmail.com
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