Fundamentos de los DCS sistema de control distribuido PDF

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fundamento principal de los sistemas de control distribuidos para la automatizacion y control industrial DCS donde se ve la arquitectura de las comunicaciones de cada componente...

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1. Intr Introd od oducc ucc ucció ió ión n a Sis Siste te tem mas de Co Contr ntr ntrol ol Di Distri stri stribu bu buid id ido o ((DC DC DCS) S) 1.1. Ca Catego tego tegoriza riza a D DCS CS

1.1. 1.1.1. 1. Ide Identif ntif ntifica ica DCS eexist xist xistent ent entes es een n el mer mercad cad cado o Para comprender desde un punto de vista arquitectónico al concepto de DCS, se establece una línea base construida a partir del concepto de los sistemas de control digital, como se muestra a continuación:

Sistemas de Control Digital

Sistemas de Control Centralizado (CCS)

Sistemas de Control Distribuido (DCS)

Defi DCS Definici nici nición ón DCS DCS, del inglés Distributed Control System, es un Sistema de control en que los elementos de control no están ubicados localmente, sino que se distribuyen en todo el sistema con cada componente o sub-sistema controlado por uno o más controladores. Todos los componentes del sistema están conectados a través de redes de comunicación y monitoreo. En otras palabras, un sistema de control distribuido (DCS) es una plataforma para el control automatizado y la operación de una planta o proceso industrial. Un DCS combina lo siguiente en un único sistema automatizado: interfaz hombremáquina (HMI), solvers lógicos, históricos, base de datos común, gestión de alarmas y un conjunto de ingeniería común. En la siguiente figura se muestra una arquitectura típica de un Sistema de Control Distribuido (DCS):

Figura 1. Arquitectura simple de un DCS. Fueron el resultado exitoso de la conjunción de las evoluciones del control automático analógico y de las técnicas de procesamiento digital. La aparición del microprocesador hizo posible la aplicación del procesamiento en forma digital de los algoritmos de control con información desde el campo de los transmisores y acción inmediata sobre los elementos finales de control, que habían fracasado con el uso de grandes computadores. Así los DCS que actualmente se pueden observar en el mercado, están encabezados por los fabricantes mostrados en la Tabla 1 a continuación:

Tabla 1. Fabricantes de Sistemas de Control Distribuidos Fab Fabrica rica ricante nte DCS Yokogawa Yokogawa Siemens PCS7 Emerson Delta V, Ovation ABB Industrial IT System Honeywell Experion Foxboro Foxboro DCS

Mod Modelos elos Centum VP y Centum CS BOX, Microbox, etc. Delta V, Ovation 800xA 5.0 PKS, LX I/A Series, InFusion, EVO, EcoStruxure

Entre algunas industrias en donde se aplican, se tiene a:  

Redes de energía eléctrica y plantas de generación eléctrica. Sistemas de control ambiental.

      

Señales de tráfico. Procesos Mineros. Sistemas de tratamiento de aguas servidas. Plantas de refinación de aceite. Plantas químicas. Fabricación de productos farmacéuticos. Buques de compañía petrolera.

Aunque no se ha escrito un curso respecto a un concepto un poco antiguo llamado DDC (Direct Digital Control), los DCS se impusieron a esto y revolucionaron el concepto de control. El control digital directo (DDC) durante esa época sufría de un problema sustancial: EL POTENCIAL peligro de que exista una falla en un único computador digital que controlaba o ejecutaba MULTIPLES lazos de control PID, funciones que nunca debía detenerse. El control digital traje muchas ventajas, pero no valía la pena si existía el riesgo de que la operación de detuviera completamente (o fallara catastróficamente) seguido de una falla en el hardware o software en una única computadora. Los controles distribuidos están destinados a solucionar esta preocupación teniendo múltiples computadores, 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. Ahora ya no había la preocupación de tener todos los lazos en un solo computador. La distribución de los computadores o controladores también ordeno el cableado de señales, dado que ahora cientos o miles de cables de instrumentos solo tienen que llegar hasta los nodos distribuidos, y no todo el camino hasta llegar la sala de control centralizada. Solo los cables de la red tenían que está enlazando a los controladores, representando una drástica reducción de cablead necesario. 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 "spare" o "repuesto" para que automáticamente tomen el control de todas las funciones críticas en caso de ocurra una falla primaria. Cada rack contiene un procesador para implementar todas las funciones de control necesarias, con tarjetas individuales de entrada y salida (I/O) para convertir las señales de analógicas a digitales o vice-versa. La redundancia de procesadores, redundancia de cables de red, e incluso redundancia de tarjetas I/O es implementada para prevenir la falla en algún componente. Los procesadores de los DCS son usualmente programados para realizar una rutina de auto-revisión en sus componentes redundantes del sistema para asegurar la disponibilidad de los equipos spare en caso de alguna falla. Si incluso hubiera una talla total en uno de los racks de control, solo los lazos PID de este único rack serán afectados, ningún otro lazo del sistema. Por otro lado, si los cables de red fallan, solo el flujo de información entre estos dos puntos se dañaría, el resto del sistema continúa comunicando la información normalmente. Por lo tanto, una de las "leyes" o características clave de un DCS es su tolerancia a fallas serias: sin importar la falla de hardware o software el impacto en el control del proceso es minimizado por el diseño. En las siguientes figuras se muestran racks o gabinetes de DCS de algunos fabricantes:

a) I/A Series de Invensys Foxboro:

Figura 2. DCS Foxboro. b) DCS de Emerson DeltaV, con un procesador y múltiples I/Os:

Figura 3. DCS Delta V, año 2005. c) DCS Emerson Ovation se muestra a continuación empotrado en un gabinete vertical:

Figura 4. DCS Ovation, de Emerson. Varios DCS modernos como el I/A Series de Invensys Foxboro usan computadores de terceros en vez de sus propias marcas como Estaciones de Operación. Esto aprovecha las tecnologías existentes en computadores de trabajos y las pantallas sin sacrificar la fiabilidad del control (ya que el hardware y software de control siguen siendo de tipo industrial).

Figura 5. Unidad PC, como posible estación de un DCS. 1.1.2. Reconoce ventajas de DCS con respecto a otros sistemas de control. Una rápida aceptación tuvo este tipo de sistemas a partir de mediados de la década del 70 y se basó en la seguridad y simplicidad de operación y mantenimiento asociados a un costo competitivo con las soluciones alternativas existentes, las cuales estaban basadas en control neumático o electrónico analógico. Otras ventajas fueron: Fle Flexibili xibili xibilidad dad y Ca Capaci paci pacidad dad de exp expansió ansió ansión n: Capacidad de elegir (etapa inicial) o aumentar (etapas posteriores) el número variables de entrada, salida y del número de controladores debido a una amplia gama de aplicaciones expansibles y clientes específicos. Ope Operaci raci raciones ones de Mant Mantenimi enimi enimiento ento ento: Las configuraciones de control e interfaces de operador deben ser fáciles de mantener y modificar no solo por ingenieros profesionales. Ape Apertu rtu rtura ra ra: las variables y parámetros de control son leídos y escritos desde otras funciones de control. Ope Operati rati ratividad vidad vidad: Funciones avanzadas de control se deben mostrar en las mismas ventanas de operación y debe ser leída por los operadores sin dar ninguna confusión Por Portab tab tabilid ilid ilidad ad ad: Parte del algoritmo de control no depende del entorno de hardware y debe poder adaptarse a distintas tecnologías informáticas. Ren Rentabi tabi tabilidad lidad lidad: Las ventajas de los algoritmos de control debe quedar claro. No sólo acerca de la controlabilidad, sino también acerca de las inversiones realizadas, antes y después de la implementación del DCS. Rob Robust ust ustez/Re ez/Re ez/Redun dun dundanci danci danciaa: La redundancia en sistemas de control apunta a disponer elementos/componentes adicionales que garantizan la operación de las funciones que cumplen dentro del sistema de control frente a fallas del mismo.

1.1. 1.1.3. 3. Com Compara para DCS ccon on otr otros os SSist ist istemas emas de Contro Control.l. En términos de sistema de control, un DCS tiene cualidades que lo definen y diferencian de otros sistemas lo cual ya se había revisado antes y que se pueden distinguir comparándolo con sistemas de control basados en SCADA, y en PLC, como se define a continuación: SCA SCADA DA Un sistema SCADA (o control de supervisión y adquisición de datos). Consiste en muchas unidades terminales remotas para la recopilación de datos (campo), que se conecta con la estación maestra a través de cualquier sistema de comunicación, con la tarea principal de recopilar datos precisos y controlar el proceso para un funcionamiento sin problemas. DCS Significa Sistema de control distribuido, el control se realiza mediante un sistema integrado (unidad de control basada en microcontrolador o microprocesador para dispositivos o instrumentos de los que se van a recopilar datos. Proporciona una capacidad de control analógico muy inteligente. Es muy sensible para HMI (Interfaz humano máquina) para un control fácil y fluido del proceso. PLC Es sinónimo de controlador lógico programable, que recibe este nombre por el hecho de que reemplaza la lógica del relé en la etapa inicial, luego obtiene la capacidad de canales analógicos también para la visualización, luego tiene la capacidad de control de bucle cerrado y después de un tiempo tiene la capacidad de operación redundante, y también su HMI con la capacidad de Indicación, control, registro de datos, Alarma y respaldo de datos. También se define a continuación: "Un aparato electrónico que funciona digitalmente y que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones específicas, como lógica, secuenciación, temporización, conteo y aritmética, para controlar a través de entradas / salidas digitales o analógicas, varios tipos de máquinas o procesos. " National Electrical Manufacturers Association (NEMA), 1978 Además, lo que actualmente le falta a los PLC es el mismo nivel de integración de hardware y software necesaria para construir sistemas de control distribuido funcionales, es decir como realmente viene de fábrica los DCS hoy en día: listos para usar y con sistemas pre construidos. En otras palabras, si una empresa elige construir su propio DCS usando controladores lógicos programables, ellos deberán estar preparados para HACER y GASTAR bastantes horas de trabajo en programación para tratar de emular el mismo nivel de funcionalidad y potencia de un pre-configurado y pre-desarrollado DCS. Los PLC (Controladores Lógicos Programables) están teniendo más protagonismo en el control PID debido a su alta velocidad, funcionalidad y costo relativamente bajo. Ahora es posible con los PLC modernos en hardware y red construir una "copia" de un sistema de control distribuido como PLC individuales como nodos, y con construir la redundancia con estos nodos y no afectar la operación de controles críticos. Además, estos sistemas se pueden comprar a un costo muy bajo respecto al costo inicial de un DCS.

En resumen, se muestra a continuación en la Tabla 2 y la Tabla 3 una comparativa respecto de Scada y PLC: Tabla 2. Diferencias SCADA y DCS

Tabla 3. Diferencias PLC y DCS

1.2. Sintetiza Arquitectura de un Sistema de control Industrial 1.2.1. Establece modos de operación de los DCS de acuerdo a una aplicación establecida. Básicamente DCS tiene 4 modos: a) b) c) d)

MAN (modo manual) AUT (modo automático) CAS (modo en cascada) PRD (modo directo primario)

Entonces, en modo MAN, MV (variable manipulada) se puede cambiar incrementando o disminuyendo las teclas correspondientes. En modo AUT, el valor MV no se puede cambiar. En la placa frontal del controlador PID se muestra el valor del proceso (PV) del campo. El conjunto el valor (SV) debe ser ingresado manualmente por el operador. Durante las operaciones normales, el controlador PID está en modo AUT.

En el modo automático, el sistema calcula automáticamente el valor manipulado (MV). Esta es la salida que va al elemento de control final. Mientras que en el modo CAS / bucle, la salida del controlador primario (digamos MV1) pasa como punto de ajuste del controlador secundario (SV2). La salida del controlador secundario va al elemento de control final. También para un bucle en cascada, el controlador primario puede estar en modo AUT o MAN, pero el controlador secundario debe estar en modo CAS.

Y el PRD (modo directo primario) se considera como caso / modo especial. En modo PRD, la salida del controlador primario (MV1) va directamente al elemento de control primario. El controlador secundario se omite y no se puede operar. El modo PRD se puede configurar desde la ventana de ajuste del controlador secundario. La siguiente imagen da una idea general de todos los modos.

Para facilitar la transición del operador de sistemas basados en paneles a sistemas basados en monitores, la forma en que los Sistemas de Control Distribuido (DCS) de primera generación mostraban información a menudo imitaba la forma en que esta información había aparecido anteriormente en el panel de control. Dado que la interfaz de control proporcionada por el panel de control era familiar y había demostrado ser efectiva, se adoptó una presentación similar en el diseño de la pantalla y los elementos de visualización utilizados por los primeros sistemas de control distribuido. Como se detalla en Control Loop Foundation, la placa frontal de control utilizada en los sistemas de control distribuido se puede rastrear hasta la forma en que se mostraba la información en los controladores analógicos basados en panel. Los detalles de una placa frontal, como mostrar el rango de unidades de ingeniería de bajo a alto de la medición y mostrar el valor como una pequeña barra vertical, replicaron la presentación de los antiguos controladores analógicos.

La implementación del modo en estos primeros sistemas de control distribuido a menudo se basaba en la forma en que el modo se implementaba en los antiguos controladores analógicos. Por lo tanto, algunos fabricantes de DCS implementaron el modo utilizando dos parámetros; uno para cambiar el control de Auto a Man y el otro parámetro para establecer la fuente del punto de ajuste o salida (local, en cascada o remoto). Cuando el modo se implementó como un solo interruptor en el controlador analógico, el fabricante de DCS a menudo implementó el modo como un solo parámetro. En estos primeros sistemas de control distribuido, la funcionalidad asociada con la implementación del modo no era básicamente la que había proporcionado un controlador analógico. Por lo tanto, en la transición del modo manual al automático, era responsabilidad del operador hacer los ajustes necesarios para asegurar una transferencia sin interrupciones. Además, recayó en el operador detectar y responder a una condición anormal, como la pérdida de conexión a un transmisor utilizado en el control. Era necesario que el operador mirara otros parámetros del bloque para determinar si el PID estaba operando en el modo solicitado. Por ejemplo, el operador puede haber solicitado un modo Automático, pero para determinar si era posible el control automático, es necesario examinar otros parámetros para determinar si el seguimiento estaba activo, si el bloque aguas abajo está en el modo incorrecto para permitir que el PID funcione, etc. Para abordar estos problemas, a fines de la década de 1980, el equipo de la norma ISA del bloque de funciones ISA50 dirigido por Dick Lasher, de la empresa Exxon, propuso una implementación más completa del modo. Hoy, esta definición de modo está totalmente implementada en todos los dispositivos Foundation Fieldbus. A medida que los fabricantes presentan su sistema de control distribuido de próxima generación, algunos adoptan esta implementación más completa del modo.

1.2.2. Examina los diferentes DCS. Bajo los siguientes criterios se revisarán: a) b) c) d) e)

Arquitectura de los sistemas de Control Distribuido – Generalidades Software de Control: Lenguaje, Bibliotecas de Bloques, Planillas Preconfiguradas Generación Gráfica - Generalidades. Redundancia - concepto y aplicaciones Recomendaciones Generales.

Arq Arquit uit uitectu ectu ectura ra Básicamente, los Sistemas de Control Distribuido (DCS) es un sistema de control que consiste de: 

Módulos de Control: Para calcular el algoritmo de control, ejecutar las expresiones lógicas



Módulos I/O: Son interfaces para dispositivos de campo, proporciona la conversión de analógico a digital y viceversa.



Workstation: son interfaces HMI, servidores, históricos, o proporcionar utilidades de software para realizar la ingeniería del proyecto.

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