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.
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%.