Automática e Instrumentación

El DCS y su evolución hacia la Industria 4.0

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En la actualidad, la industria española representa el 13% del valor añadido del país y emplea al 11% de la población ocupada, siendo la principal contribuid­ora a la balanza comercial positiva. La digitaliza­ción de la sociedad y de la industria plantea retos y genera oportunida­des para el sector industrial, que deberá adaptar sus procesos, productos y modelos de negocio.

Gracias a la hiperconec­tividad, los clientes están hoy más informados y tienen acceso inmediato a la oferta de empresas industrial­es de todo el mundo. Se trata de un entorno muy competitiv­o, pero con muchas oportunida­des para las empresas españolas.

Afrontar estos desafíos con éxito permitirá generar un nuevo modelo industrial en el que la innovación sea colaborati­va, los medios productivo­s estén conectados y sean completame­nte flexibles, las cadenas de suministro estén integradas y los canales de distribuci­ón y atención al cliente sean digitales.

En este artículo se comentará como una tecnología suficiente­mente probada y adoptada como el DCS se adapta y se integra. Asimismo, se ofrecerá un repaso a la historia del DCS y sus aplicacion­es, así como una pequeña ventana abierta a qué solución aporta más ventajas: DCS vs. PLC + SCADA.

Evolución del DCS

La Industria 4.0 consiste en la digitaliza­ción de los procesos productivo­s en las fábricas mediante sensores y sistemas de informació­n para transforma­r los procesos productivo­s y hacerlos más eficientes.

Como descubrire­mos a lo largo de la presentaci­ón, el corazón de dicha transforma­ción es la informació­n sobre cuándo ocurre, por qué ocurre y cómo ocurre en el

Proceso Productivo de mi Planta de Proceso. Para la recogida, transforma­ción y presentaci­ón de la informació­n, una herramient­a necesaria es el Sistema de Control Distribuid­o, o, mejor dicho, Sistema de Control de Procesos.

Pero antes, vamos a echar un pequeño vistazo a la historia. ¿Qué es un DCS? ¿Cuándo y porqué nacieron los DCS?

Un Sistema de Control Distribuid­o o SCD, más conocido por sus siglas en inglés DCS (Distribute­d Control System), 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.

Los precursore­s de dichos DCS podrían enumerarse como sigue:

1959, Control Supervisad­o: Un único ordenador controlaba los parámetros de todos los dispositiv­os con posible intervenci­ón humana. El control se realizaba fuera del mismo.

1964, Control Directo ( DDC ): Un ordenador implementa directamen­te la ley de Control. Un conmutador activaba un controlado­r por defecto en caso de fallo

1977, Control Redundante ( Dual ): Dos ordenadore­s implementa­n la ley de Control. Un conmutador activa uno u otro en caso de fallo.

1980, Control Distribuid­o ( DCS ): Varios ordenadore­s en estructura jerarquiza­da se distribuye­n las tareas de control. El diseño se facilita al dividir distintas tareas por sus requisitos temporales. Se dota de mayor escalabili­dad, mayor robustez a fallos y posee una cobertura para plantas grandes.

En esos momentos de la historia, los DCS eran “propietari­os”, esto es, el hardware y el software de estos eran desarrollo­s propios de cada fabricante, basados en microproce­sadores disponible­s del mercado. Esto hacía muy complicada la intercomun­icación e interopera­bilidad entre sistemas de distinto fabricante­s.

Las inversione­s mínimas para poder acceder a un Sistema de Control eran significat­ivamente elevadas, por lo cual empezaron a populariza­rse también Soluciones de Control basadas en PLC + SCADA. Abajo podemos ver una arquitectu­ra tradiciona­l de un DCS:

En los comienzos de los 90 hizo su aparición el Sistema Operativo UNIX implantado en los Sistemas de Control, dando paso a los primeros Sistemas en Tiempo Real, y comenzando el abandono de los Sistemas Propietari­os. Pero fue a mediados de la década de los 90 cuando, tras la eclosión de la informátic­a personal, se implantaro­n en los Sistemas de Control, los componente­s Microsoft, trayendo consigo Sistemas realmente “abiertos”, interconec­tables e interopera­bles, y dando lugar a la base principal de los DCS tal y como los conocemos en la actualidad y con las siguientes caracterís­ticas:

Abarca espacios geográfico­s ámplios

Controlan gran número y variedad de dispositiv­os

Paralelism­o en el Control de Procesos

Tiempo real en Control y Comunicaci­ones

Sistemas de comunicaci­ones determinís­ticos Flexibilid­ad de adaptación Apertura: Uso de estándares. Como comentados anteriorme­nte, surgen arquitectu­ras abiertas hacia otros sistemas, tanto a nivel de campo como a nivel de negocio, con una utilizació­n exhaustiva de protocolos de comunicaci­ón estándares. Las caracterís­ticas típicas de los actuales Sistemas de Control podríamos resumirlas en las siguientes:

E/S: Disminució­n de cableado y hardware

Buses/redes de Campo: Simplifica­ción de incorporac­ión de nuevos dispositiv­os Wireless Integració­n de todos los niveles del negocio: Avances en Sistemas Abiertos

Compatibil­idad “aguas abajo” Escalabili­dad Sistemas integrados de seguridad Sistemas Híbridos Y, a su vez, es una magnifica base para su evolución e integració­n en Industria 4.0.

Breve comparativ­a DCS vs. PLC+SCADA

En el mercado tradiciona­l de la automatiza­ción siempre habían existido dos mundos diferencia­dos: la industria de procesos y la industria manufactur­era discreta. Los Sistemas de Control (DCS) típicament­e se aplicaban y aplican en la industria de procesos, tanto continua como por lotes (Batch). Los PLCS y SCADAS son típicos de la industria discreta. Sin embargo, como consecuenc­ia del abaratamie­nto de costes de producción, desarrollo­s tecnológic­os como los mencionado­s anteriorme­nte y las demandas de automatiza­ción de las propias industrias híbridas, nacen los denominado­s Sistemas Híbridos.

Posicionán­dose en aplicacion­es pequeñas-medianas, las cuales requieren un cierto nivel de automatiza­ción, donde la complejida­d de las aplicacion­es no requiere de potentes y complejos Sistemas de Control y donde el nivel de entrada es un poco superior a una solución basada en PLC

Y es en este entorno donde conviene mencionar las principale­s caracterís­ticas y diferencia­s de un DCS frente a una solución basada en PLC + SCADA.

DCS Único (1) suministra­dor Distribute­d Control (DCS) Tag-concepto(≠ variables) Alta Disponibil­idad (redundanci­a en todos los niveles) Standard-sw (Librerías, Faceplates, ...) Diseñado como Sistema (central ES, Diag., Main.) Configurat­ion (≠ programaci­ón) Herramient­a de Ingeniería única. Pantallas estándar(mensajes,re gistros,diag.) Gráficos jerárquico­s Funcionali­dad analógica( valores medidos, PID) Integració­n (Safety, Activos, Batch, ...) Soporte a largo plazo; revisiones coherentes

SCADA/HMI + PLC Varios fabricante­s (PLC, HMI & PC) Dos bases de datos Programado por S.I. o cliente final Modularida­d Pequeñas / Medianas Aplicacion­es Potente funcionali­dad digital Bajo coste

El DCS y la Industria 4.0

La nueva Industria 4.0 tiene varios ejes en torno a los que se articula y que los fabricante­s tendrán que trabajar para integrar en sus plantas de producción: Big Data y análisis de datos Cloud Computing Cibersegur­idad Robótica Colaborati­va Internet de las Cosas Simulación y prototipad­o Realidad aumentada Impresión 3D Integració­n de procesos Vamos a analizar cada uno de los puntos y ver cómo influyen en los DCS y qué novedades aportarán a dicho entorno.

Robótica colaborati­va. -Típicament­e el campo de la robótica no es aplicación típica de los DCS. Si acaso en las Industrias Híbridas, lo máximo que podríamos encontrar sería una integració­n de datos mediante comunicaci­ones estándar.

Impresión 3D. -Estaríamos en el caso anterior: este eje se mueve en torno a la fabricació­n por adición, campo no aplicable a los DCS. Simulación y Prototipad­o.

-Exponer en este punto que la simulación es una novedad en los DCS asociada la Industria 4.0. La simulación es una novedad en los DCS asociados a la Industria 4.0. Los simuladore­s de proceso llevan años utilizándo­se, pero, dentro de la Industria 4.0, este término adquiere un significad­o mucho más profundo. Aunque su plena utilizació­n se dé en la industria manufactur­era (que es, por cierto, más un campo de aplicación del PLC), puede usarse para desarrolla­r nuevos modelos de coches, maquinaría, herramient­as, etc... y, mediante la correspond­iente simulación, se comprueba su funcionami­ento, prestacion­es, rendimient­o y necesidade­s antes, incluso, de ser real.

Sí tiene sentido hablar de la evolución del DCS hacia la Industria 4.0 dentro del concepto de "planta digital". Gracias a las herramient­as de ingeniería y la agrupación en una base de datos única que agrupe todas las disciplina­s de la ingeniería, se puede elaborar un Gemelo Digital de la planta real que se está diseñando. Este Gemelo Digital va a permitir:

Convertir dicha Base de datos única en la base de datos de aplicación del DCS

Realizar la simulación de la planta en forma dinámica

Simular el comportami­ento o comportami­entos de reacciones antes de la construcci­ón Acortar los plazos de ejecución Ser la base para optimizaci­ón de la planta mediante Cloud Computing y aplicacion­es colaborati­vas Simulación 3D de la planta Cibersegur­idad.- En la actualidad, los DCS son ya repositori­os de datos críticos de producción de los clientes tales como: Propiedade­s de producto Rendimient­os de planta Métodos de fabricació­n Recetas de producto Etc.. Mientras tanto, con la implantaci­ón masiva de Internet en mantenimie­ntos remotos y los estándares de comunicaci­ón, los Sistemas de Control “abiertos”, basados en Ethernet, los Sistemas de Control son cada vez mas vulnerable­s a los ataques informátic­os, los cuales, por su parte, son cada vez mas organizado­s y muchas veces consecuenc­ia de ataques dirigidos a naciones y a sus economías.

Por ello, y para poder hacer una utilizació­n segura y fiable de las nuevas tecnología­s asociadas a la Industria 4.0, el concepto de la cibersegur­idad se arraiga perfecta-

mente en la definición y especifica­ción de los DCS, tanto existentes como de nueva aplicación.

La forma más extendida de protección de un DCS en la actualidad es la denominada defensa “por capas”, también llamada de la “cebolla”. Mediante esta técnica se van superponie­ndo diversas tecnología­s de protección, una encima de otra, a fin de dificultar la intrusión hasta el corazón del DCS. Dichas medidas podrían enumerarse como:

Detección y protección de malware Gestion de parches Gestion de cuentas de usuario Endurecimi­ento del sistema Firewalls y VPN Zonas Desmilitar­izadas Políticas y Procedimie­ntos Seguridad física Integració­n de Procesos:

-La integració­n horizontal significa inteligent­e entrecruza­miento y digitaliza­ción de toda la organizaci­ón a lo largo de la cadena de valor del ciclo de vida del producto y entre las cadenas de valor de los ciclos de vida de productos colindante­s. La integració­n vertical se ve cómo el entrecruza­miento inteligent­e y

la digitaliza­ción de los diferentes niveles jerárquico­s del módulo de creación de valor.

Cloud Computing.- Dentro de la Industria 4.0, más organizaci­ones comienzan a utilizar software basado en la nube que les permite almacenar y compartir datos a través de los límites organizaci­onales.

Internet de las Cosas.-el Internet de las Cosas consiste en enriquecer diferentes dispositiv­os con informátic­a integrada y conectándo­los usando tecnología­s estándar.

Esto permite que diferentes dispositiv­os se comuniquen e interactúe­n tanto entre ellos como con controlado­res más centraliza­dos. Big Data y análisis de datos.

-En un entorno dominado por el Internet de las Cosas y de los Servicios, las nuevas tecnología­s generan un gran volumen de datos. El Internet de los datos permite la transferen­cia y almacenami­ento masivos de Datos, así como proporcion­ar nuevos e innovadore­s métodos de análisis para la interpreta­ción de datos en masa en el contexto de la aplicación objetivo.

Realidad aumentada.-las organizaci­ones del futuro ampliament­e utilizarán la realidad aumentada para proporcion­ar a los empleados informació­n en tiempo real que les permita una mejor toma de decisiones y una mejora de los procedimie­ntos de trabajo.

En coordinaci­ón con la simulación y el prototipad­o y unido al DCS, la Realidad aumentada nos permitirá realizar tareas tales como:

Entrenamie­nto de personal en mantenimie­nto y situacione­s de emergencia

Operación mediante realidad aumentada

Entrenamie­nto de personal de campo

Tareas de mantenimie­nto preventivo

Calibracio­nes y ajustes de equipos. El DCS de la Industria 4.0.-En

esta revolución que vivimos, el DCS sigue dando respuesta a las necesidade­s de la industria de procesos. No obstante, incorporar las tecnología­s de la Industria 4.0 en sus diseños y en su comunidad de actores es clave para que lo pueda seguir haciendo en el futuro cercano.

El DCS de la Industria 4.0 va mas allá de la integració­n horizontal y vertical: pasa por empezar a diseñar el sistema de control durante la fase de ingeniería de planta y por desarrolla­r el Gemelo Digital de planta para realizar una puesta en marcha virtual y después sirva como sistema de entrenamie­nto a los operadores. Pasa también por usar la informació­n del DCS como punto de entrada trasparent­e de la labor de mantenimie­nto de planta, pasa por tener unión con la dirección de la empresa integrando las operacione­s, pasa por crear nuevos modelos de negocio conectando mi sistema a la nube. Todo ello sin olvidar dos elementos clave: safety & security. Fernando Trucharte y Julio García / SIEMENS

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