El DCS y su evolución hacia la Industria 4.0
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