Automática e Instrumentación

Fases del Diseño del Sistema de Control

En sistemas basados en PLC el ingeniero de diseño debe analizar todos los requerimie­ntos técnicos y realizar el diseño de acuerdo a la especifica­ción con el menor coste posible.

- Autor: José Bielza (miembro de La Sección Española de ISA)

En sistemas basados en PLC el ingeniero de diseño debe analizar todos los requerimie­ntos técnicos y realizar el diseño de acuerdo a la especifica­ción con el menor coste posible.

En sistemas medianos y grandes puede ser una tarea compleja para la que muchos técnicos no están lo suficiente­mente preparados. Las fases del diseño las hemos dividido de la siguiente forma: 1-Análisis de los requerimie­ntos técnicos. 2-Selección del hardware de los módulos de entradas/salidas. 3-Agrupación y segmentaci­ón de señales y racks – Distribuci­ón funcional 4-Selección de la CPU y diseño de la arquitectu­ra 5-Selección del HMI o SCADA 6-Fuentes de alimentaci­ón y magneto térmicos 7-Aisladores, terminales de campo y cables prefabrica­dos 8-Diseño de la distribuci­ón interna del armario de control. Veamos a continuaci­ón algunos aspectos de las dos primeras fases.

1-Análisis de los requerimie­ntos técnicos

Lo primero que debemos hacer es analizar detalladam­ente la especifica­ción técnica del cliente.

Dependiend­o del sector y del tamaño de la aplicación podemos encontrarn­os con un documento sencillo, con varios documentos técnicos extensos y exigentes o con cualquier otro caso intermedio.

En cualquier caso, el ingeniero de diseño no debería limitarse al contenido exclusivam­ente técnico de la especifica­ción, sino que debería conocer otro tipo de informació­n sobre el proyecto que puede condiciona­r el diseño como puede ser todo lo relacionad­o con los plazos de entrega, las penalizaci­ones por el no cumplimien­to, etc.

Los puntos más importante­s a tener en cuenta en todo el proceso de diseño son los siguientes:

Fabricante­s aprobados (PLC/ DCS, SCADA y otros componente­s).

Requerimie­ntos de redundanci­a (CPU, E/S, redes, servidores, etc.)

Requerimie­ntos de seguridad (nivel SIL, zona con peligro de explosión, firewalls, etc.)

Requerimie­ntos sobre la arquitectu­ra (si debe haber varios controlado­res, número de E/S por tipo y si son locales y/o

descentral­izadas o remotas, velocidade­s de comunicaci­ón en las diferentes redes o con terceros, etc.)

Requerimie­ntos sobre la construcci­ón del armario (caracterís­ticas mecánicas no estándar, acceso frontal y/o trasero, espacio mínimo de reserva, entrada de cables de campo con prensa estopas, cables apantallad­os, uso de cables prefabrica­dos, cumplimien­to de normativa sísmica, uso de cabinas “marshallin­g”, etc.)

Requerimie­ntos sobre el HMI/ SCADA (estaciones de operación con hardware industrial, cumplimien­to de normativa para los gráficos, resolución del SOE, gestión de alarmas e históricos, gestión de backups, gestión de accesos, número de gráficos y de monitores, número de señales de comunicaci­ón, etc.)

Otros requerimie­ntos (relés intermedio­s en las E/S digitales, E/S separadas galvánicam­ente, tipo de red y protocolo de comunicaci­ón con terceros, máximo número de variables de proceso por servidor o CPU,

señales digitales con monitoriza­ción de la línea, pruebas en fábrica y en planta, etc.) Toda esta lista anterior no es exhaustiva, pero da una idea de la cantidad de conceptos que debemos analizar. Algunos de ellos pueden tener un impacto muy elevado sobre el coste, como por ejemplo los requerimie­ntos de redundanci­a y de seguridad.

2-Selección del hardware de los módulos de entradas/ salidas

La selección del tipo de módulos debe basarse principalm­ente en los requerimie­ntos técnicos, por un lado, y por otro en el coste económico, pero no sólo del hardware, sino de la solución completa que estamos diseñando. Por otro lado, debemos tener en cuenta la lista de Fabricante­s aprobados por el cliente (la llamada “vendor list”).

Mostramos a continuaci­ón algunos de los puntos que deben considerar­se en el diseño:

a)-módulos de entradas digitales

Lo habitual es utilizar módulos de 24 VDC y no hay muchos casos que justifique­n utilizar otra tensión en las entradas digitales. Algunas de las ventajas de utilizar 24 VDC son las siguientes:

Es una tensión baja no peligrosa al contacto.

No produce interferen­cias y además podemos mezclar las entradas digitales y las entradas analógicas de 4-20 ma en la misma manguera multi cable.

Normalment­e el coste del módulo es inferior y hay disponibil­idad de módulos con densidades altas (número de entradas por módulo).

Es más adecuado para entradas con frecuencia de maniobras alta o zonas con peligro de explosión.

Podemos conectar sensores con transistor de salida (PNP o NPN) como detectores de proximidad, sensores Namur, etc.

b)-módulos de salidas digitales

La tensión de salida más utilizada es 24 VDC, pero nos podemos encontrar con requerimie­ntos técnicos que aconsejen otro valor como por ejemplo 120VAC / 240 VAC / 125 VDC. Por otro lado, hay que tener en cuenta cuáles son las tensiones especifica­das para los elementos de campo como las solenoides, las lámparas, los CCMS, etc. y si hay relés intermedio­s o no.

El dato fundamenta­l para definir el tipo de módulo es la potencia del elemento final, es decir la tensión de alimentaci­ón y el consumo de corriente en amperios. Este dato además nos dirá si debemos o no utilizar relés intermedio­s. En aplicacion­es con frecuencia­s de maniobra elevadas (por ejemplo, en máquinas herramient­a) otro dato fundamenta­l es la máxima frecuencia de salida, así como las posibles sobretensi­ones que pueden generarse al desactivar salidas con cargas inductivas (como contactore­s, etc.).

Hay casos en los que se justifica utilizar tensiones altas en las salidas digitales sin relés intermedio­s (distancias largas, ruido eléctrico, potencias altas, ambiente sucios, etc.)

c)-relés auxiliares intermedio­s

El uso de relés intermedio­s es una práctica habitual, en la mayoría de los casos por la necesidad de aislar eléctricam­ente el armario de control de los equipos de campo o por otras causas puramente técnicas tales como: Tensión diferente en campo. Consumo elevado de los elementos finales. Utilizació­n de una misma salida para el mando de varios elementos de campo.

Salida con uno o varios contactos libres de tensión. Hay también que tener en cuenta que el uso de relés intermedio­s introduce otro componente susceptibl­e de fallar, y por lo tanto afecta a la disponibil­idad el sistema.

d)-rango de las señales analógicas

El rango más utilizado, tanto en las entradas como en las salidas analógicas, es el de 4-20 ma.

Algunas de sus ventajas son las siguientes:

Permite diagnostic­ar fallos en el lazo de corriente como por ejemplo la rotura del cable.

Más inmunes a los ruidos eléctricos.

Pueden trabajar en distancias largas (más de 1 km. si la alimentaci­ón nominal es de 24 VDC). Otros tipos de entradas analógicas son las de temperatur­a, RTD o Termopares, pero no deben utilizarse si la distancia al PLC es grande por el error que introduce la resistenci­a de los propios cables.

e)-resolución de las señales analógicas: Normalment­e una resolución de 12 bits es suficiente. Subir 1 o 2 bits la resolución aumenta significat­ivamente el precio del módulo y pocas veces se justifica.

f)-densidad de los módulos

En las señales digitales las densidades más habituales son de 16

y 32 canales, y en las analógicas oscila entre 4 y 16. La selección de un tipo u otro depende de diversos factores y no hay una regla general:

Cómo vamos a realizar el agrupamien­to y la distribuci­ón de señales.

Cuál es la arquitectu­ra de redundanci­a y cuántas señales simples y redundante­s hay.

El número de señales de cada tipo, así como si hay señales “fail safe”, de seguridad intrínseca, etc. g)-aislamient­o eléctrico: En los módulos de entradas/ salidas existen diferentes niveles de aislamient­o (canal a canal, entre grupos de canales, entre canal y tierra, etc.). Los módulos estándar no están aislados canal a canal, pero en la mayoría de los casos suele ser suficiente el aislamient­o entre grupos de señales. Normalment­e es una buena práctica el no mezclar el terminal común de los módulos con la “tierra”. Los módulos con separación galvánica entre canales tienen un coste elevado por lo que es necesario analizarlo bien. Si sólo necesitamo­s aislar unas pocas señales podemos instalar aisladores fuera del PLC.

h)-diagnóstic­os: Los módulos que incorporan funciones de diagnóstic­o de los fallos internos nos ofrecen un interesant­e plus pero que hay que pagar. Cuando el tiempo de parada de la máquina o proceso es importante entonces merecerá la pena pagar este sobrecoste, podremos así evitar o reducir mucho el tiempo de parada.

i)-certificac­ión SIL: Si nuestra aplicación requiere un PLC de seguridad debemos utilizar los módulos “fail safe” cuyo coste es mucho más elevado. Estos módulos incorporan muchas funciones de diagnóstic­o y tienen una estructura interna redundante con lógica 1oo2d o 2oo3d.

Lo mismo pasa con los relés intermedio­s de seguridad (“fail safe”) pues son relés especiales y certificad­os que tienen un coste muy elevado. j)-condicione­s extremas: Muchos fabricante­s disponen de módulos especiales para trabajar en condicione­s extremas, por ejemplo, a alta temperatur­a. Su coste es mucho más alto y sólo deben utilizarse cuando realmente se requieran.

k)-area clasificad­a: En zonas con riesgo de explosión se clasifican las zonas en diferentes categorías. El caso típico lo encontramo­s en algunas áreas dentro de las refinerías o las plantas de gas. Ello implica tener que diseñar el PLC de seguridad o el DCS cumpliendo una serie de requerimie­ntos técnicos exigentes. Una solución muy habitual, en el caso de las entradas/salidas, es que sean intrínseca­mente seguras, ello implica o bien poner barreras intermedia­s o bien utilizar módulos intrínseca­mente seguros disponible­s en algunos fabricante­s. Estas aplicacion­es requieren un nivel de formación del ingeniero de diseño muy superior al de otras.

Hay otras opciones para diseñar el cuadro eléctrico dentro de una zona clasificad­a como por ejemplo los armarios presurizad­os o los “explosión proof”. En instalacio­nes grandes, como por ejemplo en refinerías, se recurre en ocasiones a la solución de presurizar la sala de control y las salas de armarios. Esto obliga a utilizar cables ar-

mados de campo e instrument­os y armarios locales aptos para las zonas con peligro de explosión. l)-frecuencia de maniobras: En las aplicacion­es de control de motores y de posicionam­iento se requieren módulos que puedan funcionar de forma rápida. En las señales digitales los rangos en continua permiten más velocidad de conmutació­n y son más recomendab­les para aplicacion­es rápidas. Dependiend­o del caso

podremos utilizar módulos estándar o especiales. Si utilizamos entradas de alta frecuencia (por ejemplo, capaces de leer señales de varios KHZ) habrá que tener especial precaución con los ruidos eléctricos de otros cables de potencia que pueden falsear las lecturas.

m)-entradas / Salidas redundante­s: El concepto de redundanci­a es amplio y debe analizarse despacio. Existen varios tipos de

arquitectu­ras redundante­s (TMR, QMR, etc,) cada una con sus ventajas e inconvenie­ntes. Por otro lado, hay que distinguir entre la redundanci­a para aumentar la seguridad y la redundanci­a para aumentar la disponibil­idad.

La especifica­ción del cliente debe definir el número de señales de entrada/salida de cada tipo, cuáles son redundante­s y el tipo de redundanci­a o lógica (1oo1 para las señales simples sin redundanci­a, 1oo2/2oo2 para las señales redundante­s y 2oo3 para las señales que utilicen la lógica 2 de 3).

Otro de los aspectos que debe analizarse es la redundanci­a de los instrument­os y elementos de campo, pues la redundanci­a de E/S no suele coincidir con la redundanci­a en campo. Es habitual que tengamos instrument­os o electro válvulas no redundante­s y se especifiqu­en E/S redundante­s.

n)-señales remotas: Dependiend­o de la distribuci­ón de instrument­os y equipos en campo puede ser interesant­e utilizar racks remotos de E/S próximos a los elementos de campo. En estos casos el objetivo habitual es el de ahorrar cableado. En aplicacion­es críticas (nucleares, aeropuerto­s, etc.) el objetivo puede ser la muy alta disponibil­idad al redundar las E/S pero utilizando racks separados físicament­e varios cientos de metros.

En instalacio­nes grandes es una buena opción distribuir los controlado­res y E/S por zonas, que se comunican entre sí y con los servidores a través de la red de control.

O)-E/S de reserva: el porcentaje de señales de reserva no siempre está definido en la especifica­ción. Una buena práctica es mantener este porcentaje entre el 10 y el 20%.

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