implementacion Sistema Control Distribuido

UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO. FACULTAD DE INGENIERÍA DPTO. ING. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

IMPLEMENTACION SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

MAURICIO EDUARDO VERA HERMOSILLA

SEMINARIO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO DE EJECUCION EN ELECTRONICA

CONCEPCION – CHILE 2008

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UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO. FACULTAD DE INGENIERÍA DPTO. ING. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

IMPLEMENTACION SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

AUTOR:

MAURICIO EDUARDO VERA HERMOSILLA

DOCENTE: CRISTHIAN AGUILERA CARRASCO

CONCEPCION – CHILE 2008 2

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Tabla de contenido Capitulo 1 .............................................................................................................................. 9 1.1 Historia del control de procesos. .................................................................................... 11 1.1.1 Control manual ........................................................................................................ 11 1.1.2 Controladores locales .............................................................................................. 11 1.1.3 Control neumático centralizado............................................................................... 12 1.1.4 Controladores electrónicos de lazo simple .............................................................. 13 1.1.5 Control centralizado por computador, DDC ........................................................... 13 1.1.6 Control Supervisor................................................................................................... 14 1.2 Características generales y aspectos históricos del Control Distribuido. ....................... 15 1.2.1 Controlador básico (Regulador digital) ................................................................... 17 1.2.2 Estación de trabajo del operador ............................................................................. 18

Capitulo 2 ............................................................................................................................ 19 2.1 Secciones y Niveles que forman un Control Distribuido .............................................. 20 2.2 Elementos que participan en cada nivel. ........................................................................ 21 2.2.1 Nivel 1 ..................................................................................................................... 21 2.2.2 Nivel 2 ..................................................................................................................... 22 2.2.3 Nivel 3 ..................................................................................................................... 23 2.2.4 Nivel 4 ..................................................................................................................... 23 2.3 Comunicación entre los diferentes niveles ..................................................................... 23

Capitulo 3 ............................................................................................................................ 25 3.1 Redes LAN .................................................................................................................... 26 3.1.1 Extensión de las redes de Área Local...................................................................... 26 3.1.2 Tecnologías de transmisión ..................................................................................... 26 3.2 Topologías y métodos de acceso .................................................................................... 26 3.2.1 Bus:.......................................................................................................................... 27 3.2.2 Anillo:...................................................................................................................... 27

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3.2.3 Estrella:.................................................................................................................... 27 3.3 Redes de Área Local en Aplicaciones Industriales ........................................................ 28 3.3.1 Entradas y salidas en el nivel inferior...................................................................... 28 3.3.2 Buses de Campo. ..................................................................................................... 29 3.4 Tipos de buses. ............................................................................................................... 30 3.4.1 Bus de sensor ........................................................................................................... 30 3.4.2 Bus de dispositivo.................................................................................................... 30 3.4.3 Bus de campo (Fieldbus). ........................................................................................ 31 3.5 Fieldbus Foundation. ...................................................................................................... 31 3.5.1 Ventajas de Fieldbus en el sistema de control......................................................... 32 3.5.2 Más datos disponibles.............................................................................................. 33 3.5.3 Vista más amplia del proceso. ................................................................................. 34 3.5.4 Distribución del control de procesos. ...................................................................... 35 3.5.5 Ahorro en el cableado.............................................................................................. 35 3.6 Tecnología Fieldbus Foundation. ................................................................................... 36 3.6.1 Nivel Físico. ............................................................................................................ 37 3.6.2 Señalización del Fieldbus H1. ................................................................................. 38 3.6.3 Cableado del Fieldbus H1........................................................................................ 39 3.6.4 Aplicación de Usuario. ............................................................................................ 40 3.6.4.1 Bloque fuente.................................................................................................... 40 3.6.4.2 Bloque de función............................................................................................. 40 3.6.4.3 Bloques Transductores. .................................................................................... 41 3.6.5 Asignación de direcciones de dispositivos. ............................................................. 42 3.6.6 Descripciones de los dispositivos. ........................................................................... 42 3.6.7 Configuración del sistema. ...................................................................................... 43 3.6.7.1 Diseño del Sistema. .......................................................................................... 43 3.6.7.2 Configuración de los Dispositivos.................................................................... 44

Capitulo 4 ............................................................................................................................ 46 4.1 Implementación del Sistema DeltaV. ............................................................................. 47 4.2 Arquitectura del sistema ................................................................................................. 47 5

4.3 Descripción de Equipos que Conforman el Sistema ...................................................... 49 4.3.1 Elementos de Campo ............................................................................................... 49 4.3.2 Estaciones del Sistema DeltaV ................................................................................ 50 4.3.3 Software utilizado en las estaciones ........................................................................ 51 4.4 Instalación del Sistema DeltaV....................................................................................... 53 4.4.1 Condiciones Ambientales ........................................................................................ 53 4.4.2 Tierras...................................................................................................................... 54 4.4.3 Controlador AC/DC y Fuentes de Alimentación de I/O. ........................................ 55 4.5 Instalación y Configuración de las estaciones................................................................ 56 4.5.1 Instalación del Sistema Operativo ........................................................................... 57 4.5.2 Propiedades del sistema........................................................................................... 58 4.5.3 Orden de Instalación de Drivers en la estación ....................................................... 59 4.5.4 Identificacion de Tajetas de Red ............................................................................. 59 4.6 Instalación de DeltaV. .................................................................................................... 59

Capitulo 5 ............................................................................................................................ 69 5.1 Aspectos Importantes del sistema de control ................................................................. 70 5.2 Funciones, Campos y Parámetros de seguridad ............................................................. 70 5.3 Bloqueos DeltaV ............................................................................................................ 72 5.4 Bloqueos asignados a los parámetros de bloques de función..................................... 74 5.5 Bloqueos Asignados a las Funciones ......................................................................... 75 5.6 Cuentas de usuarios. ................................................................................................... 78

Comentarios Finales. ............................................................................................................ 86 Bibliografía........................................................................................................................... 87

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Introducción El presente tema de seminario presenta las principales características de la arquitectura de control distribuido DeltaV, y desarrolla su implementación en la creación del sistema detallando su montaje conexiones y configuración de las estaciones, entregando una herramienta de docencia y estudio completamente actualizada y ampliamente utilizada en el sector de la industria nacional, lo que entrega una herramienta muy valiosa al momento de enfrentar el mundo laboral y de mucho aprendizaje, al ser una arquitectura de control amigable, de gran robustez y con muchas potencialidades, destacándose la amplia gama de buses de campo que integra este sistema de control. Este trabajo se organiza en los siguientes capítulos tratando de dar a conocer las principales características de este sistema de control, ampliamente usado en las plantas de nuestro país. El primer capítulo de este trabajo consiste en una introducción a las distintas formas que ha tenido el control de procesos a lo largo de la historia, sus constantes cambios y usos de acuerdo a la tecnología de cada época, llegando a las tecnologías de control digital utilizadas actualmente, observando las ventajas y desventajas de cada arquitectura de control, dando mayor énfasis a la arquitectura de Sistemas de Control Distribuido, detallando sus características principales, comunicación entre niveles y sus ventajas respecto a otras arquitecturas de control. El segundo capítulo aborda el tema del sistema de control distribuido DeltaV, dando a conocer las características generales del sistema, su arquitectura, niveles de seguridad, interfaces de comunicación a buses de campo y señales tradicionales. El tercer capítulo aborda la comunicación entre los diferentes sistemas, tanto la red de control como los buses de campo asociados a los dispositivos de terreno, dando especial énfasis al sistema de comunicación Fieldbus Foundation especificando sus detalles y sus principales características y ventajas. El cuarto capítulo describirá la creación de la red de control, definiendo las características que el medio debe poseer para este tipo de aplicaciones, la arquitectura del

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sistema, el tipo de hardware que debe utilizarse y detallando el estándar y procedimiento de configuración de las estaciones que utilizara esta red de control El quinto capítulo se aboca directamente a las barreras de seguridad en el sistema de control, la forma en que el sistema define los privilegios y la configuración de los diferentes niveles de usuarios del sistema, se generan dos perfiles de usuarios a modo de ejemplo, definiendo las características que cada perfil tiene, tema que es muy importante en las plantas, ya que define los privilegios de los usuarios que ingresaran al sistema, y hasta donde pueden llegar, dando seguridad a las áreas criticas y normando solo un cierto margen de trabajo que corresponde a cada usuario. Se espera con la realización de este trabajo presentar las generalidades, funcionalidades y características de este sistema de control, creando una base actualizada, que permita posteriormente hacer estudios y estrategias de control más avanzados, y potenciar

la

investigación

en

el

área

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del

control

de

procesos.

Capitulo 1 Historia y generalidades del control Distribuido 9

Introducción. El control automático de procesos industriales es hoy una actividad multidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos (electrónica, informática, etc.), cinéticos (investigación de nuevos criterios y materiales, etc.), y económicos (mejora de los márgenes comerciales sin perder calidad y competitividad). Los sistemas de control sofisticados de tipo de los instalados mediante complejos elementos de instrumentación, no se han creado de la noche a la mañana, aunque el auge que viven actualmente así lo pueda parecer, son el resultado de años de trabajo de fabricantes y usuarios. Independiente del tipo de control utilizado, los objetivos del control de procesos pueden resumirse en: • Operar el proceso en forma segura y estable • Diseñar sistemas de control que el operado pueda vigilar, comprender y cuando sea necesario, manipular en forma selectiva. • Evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones de productos durante las perturbaciones. • Permitir que el operador cambie un valor deseado o de referencia, sin perturbar indebidamente otras variables controladas. • Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas que podrían incumplir restricciones de operación, o perturbar unidades integradas o situadas en escalafones inferiores. • Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad de cada producto. Así las desviaciones en la calidad podrían ser mucho más costosas en un producto que en otro. • Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen su utilidad cuando se consideren índices y valores de productos y además, minimicen el consumo de energía.

Estos objetivos se han ido incorporando al control de procesos paulatinamente, conforme la técnica y el conocimiento lo han ido permitiendo. 10

1.1 Historia del control de procesos. El control de procesos ha evolucionado históricamente hacia la obtención de un grado de automatización lo más elevado posible, siendo implementado en cada época de acuerdo a las tecnologías existentes.

1.1.1 Control manual Al principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador. El operador observaba lo que sucedía y hacia ajustes basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimiento que el operador tenia del proceso. Con el control manual, por tanto, solo la adecuada reacción de un operador experimentado mediaba entre una evolución normal del proceso y otra errática. Además, un operador solo podrá observar y ajustar unas pocas variables del proceso, limitando la complejidad del las estrategias de control que puedan ser usadas bajo control manual. A todo lo anterior, habría que añadir el hecho de que la recolección de datos para un proceso controlado manualmente puede requerir una ardua labor, ya que el operador esta, normalmente demasiado ocupado para escribir tiras de números. Por todo ello, los datos recogidos manualmente pueden ser inexactos, incompletos y difíciles de usar.

1.1.2 Controladores locales Un controlador local permite a un operador llevar el control de varios lazos del proceso. Un controlador local usa la energía del proceso o el aire comprimido de la planta para ajustar la posición de una válvula de control o cualquier otro elemento final de control. Los controladores locales eran muy utilizados como dispositivos de control robustos, aunque simples. Con los controladores locales haciendo el control rutinario, un solo operador puede manejar varios lazos de control, ya que su función será más supervisora, ya que siempre tendrá una visión más amplia y menos exclusiva que el control manual. Por otro lado, como los controladores locales atacaban directamente al proceso, debían estar repartidos a través de la planta. Esta distribución de los controladores ocasionaba pérdidas de tiempo en ajustes, que se hacían en forma aleatoria y con más frecuencia que la deseada. Además, los

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controladores locales no hacían nada para eliminar la necesidad de captación de datos manualmente y las limitaciones que esto suponía. Concluyendo, los controladores locales permitían el control de un mayor número de variables de proceso, pero no solucionaban los problemas que planteaba el hecho de la presencia física del operador en los lugares y momentos necesarios para hacer muchas operaciones.

1.1.3 Control neumático centralizado El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente, permitieron un notable avance en el control de procesos. Con esta tecnología, las variables de proceso podían ser convertidas a señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Con los controladores neumáticos analógicos, un solo operador puede controlar un grupo de variables desde una sala de control remota. Los puntos de referencia son fácilmente cambiados y un técnico en instrumentación puede ajustar cada controlador para aplique adecuadamente el algoritmo de control. Pero la integración de varios lazos de control realimentados en un sistema de control es difícil. La interfase operador-proceso mejora en el control neumático respecto del método de controladores locales. Así, se introducen pantallas que ofrecen información relevante sobre el proceso. Además este modelo de control ofrece demasiadas dificultades para permitir una respuesta rápida ante un desajuste del proceso o para llevar a cabo frecuentes cambios en la estrategia operativa. Cambios en el control o en el proceso, reajuste manual de los controladores y actualización de los conocimientos del operador. Los errores de juicio y la mala interpretación de las instrucciones son frecuentes. Con variables de proceso convertidas a señales neumáticas se puede automatizar la recolección de datos, sin embargo la recolección de datos en grandes sistemas que proporcionaban información sobre muchas variables se ha de seguir haciendo manualmente.

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1.1.4 Controladores electrónicos de lazo simple En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazando a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eran precisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos. De este modo, la interfase para su manejo y control ofrece mejoras respecto de los controles neumáticos, además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado de estos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto de aquellos.

1.1.5 Control centralizado por computador, DDC Poco después de la introducción de los sistemas de control electrónicos analógicos y como consecuencia de la gran expansión que la electrónica estaba teniendo, fueron apareciendo computadores digitales capaces de llevar a cabo el control de procesos, añadiendo a estos toda la flexibilidad que da una maquina programable. Un sistema basado en este modo de control, estaba estructurado en torno a un computador central que recibe todas las variables del proceso, ejecuta los cálculos apropiados y produce salidas que se dirigen a los actuadores o dispositivos finales de control. Así nació el llamado control digital directo o DDC. El computador puede controlar un elevado número de lazos y variables temporales, además de ejecutar estrategias de control. Un teclado y un monitor acoplados directamente al ordenador proporcionan una interfase del operador con el proceso. La introducción de un computador como elemento que lleva a cabo toda la supervisión, adquisición y análisis de datos, permite a los sistemas de control avanzar más allá del lazo de control del proceso; ahora pueden ejercer funciones de administración, ya que el computador también puede recibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras que optimicen la estrategia de producción, que junto a las referencias propuestas por el consejo de administración, establezcan los sentidos básicos para dirigir la producción en el sentido adecuado. Aunque el modelo DDC ofrece múltiples beneficios y significa un paso adelante muy importante en los sistemas de control, la aglomeración de responsabilidades que se produce al rededor de un solo elemento acarrea desventajas que han de tenerse en cuenta. 13

No existe una estructura jerárquica, sino que se trata de una configuración en estrella, en la cual el computador es el elemento principal y las ramas están constituidas principalmente por elementos de conexión y acondicionadores de señal. El manejo de todas las comunicaciones y de las funciones de control para cada uno de los lazos del proceso, impone estrictas condiciones a la capacidad de procesamiento del computador, así como a su velocidad. Si lo anterior fuera poco, el computador central deberá adquirir otros datos, visualizarlos en pantalla, ejecutar software que permitan optimizar los esquemas y otras tareas más. Como consecuencia de todo ello el control centralizado mediante computador requiere un equipo grande que ofrezca el compromiso entre respuesta en tiempo real y capacidad de almacenamiento. Si el computador central falla, la totalidad del proceso se viene abajo, de ahí que los DDC tengan un computador redundante que opera simultáneamente con el principal. De este modo si el principal falla el secundario toma el control. El costo adicional de este segundo computador hace que el control centralizado sea excesivamente caro y no siempre sea la solución óptima en la automatización de procesos. Finalmente, la ampliación de un sistema de control DDC suele resultar costosa, de ahí que inicialmente se debe instalar un equipo sobre dimensionado, ya que de otro modo pronto habría que adquirir otro computador mayor. Además cada una de las entradas, salidas que se añadan deberán ser cableadas al computador central, o como mínimo hasta un punto próximo a él, a todo ello habría que unir el hecho de que el software deberá reescribirse para incorporar estas modificaciones.

1.1.6 Control Supervisor Para dotar a los sistemas DDC del nivel de seguridad adecuado y evitar que una caída de este paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar muchas veces controladores analógicos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados para la variable que debían controlar. Estos controladores son los que realmente controlan el proceso, dejando al computador central el cambio de puntos de referencia con el que se ha de comparar la variable controlada para mantenerla siempre optimizada. Esta combinación de actuaciones recibe el nombre de control supervisor o control de puntos de referencia. 14

El estado de la variable a controlar llega ahora tanto al computador como al controlador analógico, que además recibe la referencia adecuada en cada instante y será y que será calculada por el computador. Si se presenta cualquier falla, el controlador regula la variable de proceso con respecto al último punto de referencia que recibió del computador central. Toda esta actuación local forma el lazo de control y proporciona cierto grado de autonomía al proceso respecto del control centralizado. Aunque el control supervisor permite que el control básico del proceso continúe a pesar del posible fallo del computador central, sigue necesitando la ampliación del cableado y un software adicional en caso de querer ampliar el número de entradas y/o salidas.

1.2 Características generales y aspectos históricos del Control Distribuido. El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas de control expuestos anteriormente. Así en el control centralizado, ya clásico, su potencia de tratamiento se concentra en un único elemento, mientras que en el control distribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el espacio. Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados para proporcionar las ventajas del control por computador pero con más seguridad y flexibilidad. En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución de problemas del control electrónico de fabricas con gran numero de variables, y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y fuerte inercia de la industria a los cambios por otro, se llego a las siguientes conclusiones generales: • Descartar el empleo de un único computador (control DDC), por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar cierto número de variables, para así distribuir el riesgo del control único. • Cada controlador digital debía ser universal, es decir, disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema.

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• La velocidad de adquisición de los datos, y su salida a los actuadores debía ser en tiempo real, lo que obligada a utilizar la tecnología más avanzada en microprocesadores. • Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo, los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de planta se adopto el empleo de una vía de comunicaciones. • El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituiría por uno o varios monitores CRT, en los cuales el operador, con la ayuda del teclado/puntero deberá examinar las variables de proceso, características de control, alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta y con la opción de cambiar cualquiera de las características de control de las variables de proceso. En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararse a la existente entre una maquina cuya configuración se hace mediante el cambio de cables y otra donde cualquier modificación se hace por software. Asociando todas las ideas anteriormente expresadas, se puede obtener una primera aproximación de lo que sería un esquema básico que vincule los diferentes elementos que forman un control distribuido, tal esquema se muestra en la siguiente figura y la descripción de sus componentes a continuación.

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Figura Nº 1.1: Esquema control distribuido en planta

1.2.1 Controlador básico (Regulador digital) Es un modulo estructurado en torno a un microprocesador que permite realizar controles PID y otros algoritmos de control. Un controlador básico puede controlar varios lazos de forma simultánea y proporcionar control sobre ellas. Estos algoritmos pueden configurarse, y en caso de avería de las unidades de control superiores, el control que ejercerá el regulador digital será el correspondiente al último algoritmo configurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de señal de entrada (lineal, exponencial, etc.), alarmas a generar, etc. Como se puede apreciar en este controlador se establece ya el primer paso en la dotación de autonomía a diferentes elementos de un control distribuido. La red de comunicación externa suministra los datos necesarios que definen el comportamiento del regulador. Estos datos junto a los de proceso se optimizan, obteniéndose los parámetros que se introducen en el algoritmo de regulación y que unidos a la referencia, permitirán al proceso enviar la actualización correspondiente.

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1.2.2 Estación de trabajo del operador Proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información a cada uno de ellos se realiza mediante programas de operación. De este modo: • El operador de procesos ve en la pantalla/s un grafico del proceso que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesante, obtener copias de tendencias, estados de alarmas, etc. • El ingeniero de procesos puede editar los programas de control del proceso, construir las representaciones en pantalla de partes del proceso, etc. Tendrá un acceso al proceso mucho mas critico que el operador y su actuación será más puntual que la de este. • El técnico en mantenimiento se dedicara desde la estación de trabajo, fundamentalmente a diagnosticar y resolver problemas en los elementos de control distribuidos en la planta. Todos los componentes del control distribuido están perfectamente comunicados entre ellos, siendo esta la clave para conseguir una elevada eficiencia global. El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas convencionales. El sistema es redundante y limita las consecuencias de un fallo, manteniendo el control del sistema y mejorando la fiabilidad.

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Capitulo 2 Secciones y niveles de control 19

2.1 Secciones y Niveles que forman un Control Distribuido Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o más niveles de control, los cuales, están vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividad y una elevada optimización en el uso de los recursos.

Figura Nº 2.1: Niveles de un sistema de control

En la figura se muestra la relación existente entre los diferentes niveles de un DCS, sobre los cuales sería interesante hacer la siguiente acotación: en su definición original (clásica) eran los niveles 1, 2 y 3 los que realmente formaban el DCS, estando el restante más vinculado al sistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se habla de control distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de la figura, de ahí que se tienda a utilizar cada vez más el nombre de sistemas de información total. En los niveles inferiores de un control distribuido estarán aquellos elementos que están en contacto con el proceso y, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el proceso suministra y que el DCS debe controlar. En los niveles superiores, los computadores, estaciones de trabajo pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y optimización de unidades del proceso.

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A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la interfase del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir significativamente el costo del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso. Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que haya de añadirse se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lugar. Esta modularidad proporciona una significativa mejora de costos durante todas las fases de un plan de automatización.

2.2 Elementos que participan en cada nivel. Si bien hay una cierta ambigüedad en las fronteras que separan los distintos niveles de un DCS, todavía se pueden asignar ciertos elementos o componentes en determinados niveles, pues son característicos de ellos. En todo caso, no se puede cerrar un nivel con los elementos que se van a incluir en cada uno de ellos en los siguientes párrafos, dejando siempre abierta la posibilidad de una nueva incorporación, reflejando de este modo el carácter abierto y flexible que debe rodear a todo DCS.

2.2.1 Nivel 1 Este nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra en contacto con el entorno a controlar, tal como su nombre indica. Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en el NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores e instrumental de campo y en el segundo los actuadores. La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus de campo, bien mediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadores y sensores al resto del DCS se hará directamente al bus de comunicación o a los módulos de E/S, dependiendo de las posibilidades de comunicación que posean.

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2.2.2 Nivel 2 Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la interfase de operaciones de cada uno de los procesos controlados. La interfase de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya que constará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interfase permite al operador observar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente si ello es necesario. Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más elevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de sus funcionalidades características. Por otro lado, los computadores irán equipados con tarjetas a modo de interfase, que permitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos extraen los datos más significativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados y los ponen a disposición de la interfase de operaciones. La interfase de operaciones permite al operador ver datos del proceso en cualquier formato. Los formatos pueden incluir una visión global del estado del proceso, representaciones gráficas de los elementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado de alarmas y cualquier otro tipo de información. El operador usa el teclado/puntero para dirigir los controladores, requerir información del proceso, ejecutar estrategias de control y generar informes de operación. Esta interfase generalmente se ubica físicamente cerca del proceso o procesos controlados. Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control y regulación en planta. Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo (NIVEL 1) son cada vez más sofisticados, arrebatando el campo a los controladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellos además de incluir varios elementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital), posee una interfase lo suficientemente potente como para comunicar directamente con niveles superiores. De hecho, la consola de operaciones del NIVEL 2 puede ser usada para interrogar o dirigir un controlador inteligente del NIVEL 1. Esta combinación de inteligencia, controladores independientes e interfase de operador, proporciona la seguridad, velocidad, potencia y flexibilidad que es la esencia de un DCS.

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2.2.3 Nivel 3 Este nivel es el conocido como de mando de grupos y que hoy en día suele conocerse como interfase para el control de la línea de producción. Esta interfase de un DCS facilita la coordinación de las diferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda un área, permitiendo obtener una visión más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. También proporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta en marcha del sistema. En el NIVEL 3 de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización, entendiendo por ello la concentración masiva de información, gracias a lo cual se pueden planificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivel se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir, la logística de aprovisionamiento.

2.2.4 Nivel 4 Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrategia de la producción en relación con el análisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones de producción a largo plazo. Sobre estas previsiones, se planifica la producción en el NIVEL 3. En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrategias de producción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados, además de establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos. Los computadores en este nivel están especializados en gestión y almacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicación correspondiente a sus respectivas aplicaciones.

2.3 Comunicación entre los diferentes niveles Como se ha podido ver, los sistemas de control distribuido (DCS) dependen de la comunicación entre los diferentes equipos y dispositivos, situados en muchos casos en varios niveles de control. Cualquier nivel debe ser capaz de interrogar y dirigir dispositivos de niveles inferiores y comunicarse eficazmente con dispositivos situados al mismo o superior nivel. Con todo ello, lo que se pretende es dar la sensación de que todos los 23

componentes de un DCS están conectados sobre una única vía de comunicación, aunque en la realidad se haga uso de Gateway que comunican los distintos niveles y elementos. Un sistema de control distribuido no tiene por qué constar siempre de la estructura de cuatro niveles comentada anteriormente, ya que su complejidad dependerá, esencialmente, de los procesos a controlar y de la complejidad de estos. El utilizar una o varias rutas de datos (redes de comunicación industrial) será condicionado por los aspectos comentados anteriormente y cuestiones tan obvias como la antigüedad de los equipos que deben coexistir, ámbito de cobertura del DCS, grado de automatización de la planta, etc. Las ventajas de enlazar todos estos equipos en lo que constituye un DCS (o también denominado a veces CIM, sistema de fabricación integrada) son, esencialmente, las siguientes: • Posibilidad de intercambio de información entre equipos y módulos electrónicos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso. • Facilidad de comunicación hombre-máquina, a base de terminales inteligentes (PC’s) que permiten programar u observar el proceso en términos de lenguaje muy próximo al humano. El sistema admite la observación y la intervención del operador en forma interactiva a través de un terminal con teclado y pantalla. • Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas al control de calidad, gestión, estadística u otros propósitos. • Facilidad de cambios, o lo que es lo mismo, flexibilidad de las células de fabricación para adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos. La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de comunicación potente y robusto, a la vez que flexible, que permita integrar en él productos de cualquier fabricante, siempre que cumpla con alguno de los estándares abiertos. Aparte de los sistemas de comunicación específicamente industriales, las redes de área local tienen mucho que decir en éste sentido.

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Capitulo 3 Comunicación entre Niveles 25

3.1 Redes LAN Las redes de área local son el punto de contacto de los usuarios finales. Su finalidad principal es la de intercambiar información entre grupos de trabajo y compartir recursos. Se caracterizan por tres factores: extensión, su tecnología de transmisión y su topología.

3.1.1 Extensión de las redes de Área Local Su extensión va de unos cuantos metros hasta algunos kilómetros. Esto permite unir nodos que se encuentran en una misma sala, en un edificio, o una empresa mediana y grande ubicada en la misma localidad.

3.1.2 Tecnologías de transmisión Las redes tradicionales operan con medios de transmisión tales como cable de par trenzado (UTP), cables coaxiales (ya casi obsoleto por que presenta muchos problemas), fibra óptica (inmune a la mayoría de interferencias), portadoras de rayo infrarrojo u láser, radio y microondas en frecuencias no comerciales. Las velocidades en las redes de área local van desde 10 Mega bits por segundo (Mbps) hasta 622 Mbps Los estándares más comunes son el IEEE 802.3 llamado Ethernet y el IEEE 802.5 llamado Token Ring. Ethernet opera entre 10 y 100 Mbps En este estándar, todo nodo escucha todos los paquetes de esta red Broadcast (difusión), saca una copia y examina el destinatario. Si el destinatario es el nodo mismo lo procesa, y si no lo desecha para escuchar el siguiente. Para enviar un paquete escucha cuando el medio de transmisión este libre. Token Ring opera entre 4 y 16 Mbps y utiliza una ficha (Token) que permite enviar paquetes al nodo que las posee mientras los otros escuchan. Una vez que un nodo termina de enviar paquetes, pasa la ficha a otro nodo para que transmita.

3.2 Topologías y métodos de acceso La configuración o topología de una red es el esquema básico con el que los componentes de la red se conectan entre sí. Básicamente existen tres topologías de redes locales.

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3.2.1 Bus: Es la más simple y más usada de las topologías. Es una configuración lineal, con todos los componentes conectados por un solo cable. En el bus, las señales son enviadas a todas las computadoras en la red. Para evitar que la señal rebote indefinidamente a lo largo del bus, se usa un terminador en cada extremo. Un solo equipo puede enviar datos cada vez. Así, mientras más equipos haya en el bus la velocidad de transmisión será más lenta.

3.2.2 Anillo: Una red de anillo conecta a los equipos en un círculo lógico. La señal, o token, pasa a través del anillo de un equipo a otro en la dirección de las manecillas del reloj. Un equipo toma el token libre y envía datos a la red. El equipo destino copia los datos y los marca como leídos. Finalmente, los datos continúan dando vuelta hasta el equipo que los origino, el cual remueve los datos del anillo y libera el token libre. Las topologías de bus y anillo son ejemplos de compartición de espacios físicos, esto es, que todos los nodos utilizan el medio común de comunicación y cualquier señal que se genera en un nodo se propaga a todos los demás nodos activos. Sin embargo para que tenga efecto un intercambio de información confiable se debe establecer un enlace lógico entre los nodos involucrados. La red física proporciona el mecanismo para mover la información entre los nodos que han establecido una conexión lógica.

3.2.3 Estrella: La topología estrella tiene conexiones de nodos hacia un controlador centralizado, se instrumenta en esquemas de comunicación punto a punto habilitando a cualquier nodo el intercambiar información con el nodo central. Este nodo central se conoce como HUB. Si el HUB falla, toda la red se cae. El HUB, o concentrador, se usa para centralizar el trafico de la red a un solo punto de conexión. Si un cable de red que use un HUB se rompe esto solo afectara ese segmento y no afectara al resto de la red. Las redes pueden ser expandidas fácilmente usando HUB`s, ya que además permiten el uso de diferentes tipos de cables.

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3.3 Redes de Área Local en Aplicaciones Industriales En cualquier sistema de automatización de la producción es imprescindible un intercambio de datos. En muchos casos, dicha comunicación es preciso realizarla siempre entre componentes de automatización con más o menos años a sus espaldas, y en la mayoría de los casos de diferentes fabricantes. La tendencia actual se encamina hacia una integración de la automatización de forma que, en ningún momento, los equipos que la componen sean considerados como islas de automatización, sino que estén dotados de un poder de comunicación que revierta en la posibilidad de realizar análisis estadísticos de producción, horas de funcionamiento de cada una de las maquinas, realización de mantenimientos preventivos, etc. Si el número de elementos que forman la planta no es muy elevado, probablemente no sea aconsejable recurrir a la estructura de niveles como la correspondiente a un sistema de control distribuido, y con una sola vía de comunicación baste entre ellos para conseguir óptimos resultados. Pero para plantas con mayor control electrónico, la tendencia viene dada por la estructura de niveles en la que los computadores y equipos de producción y dirección están en los niveles superiores y en los niveles inferiores los elementos de campo y los módulos de E/S que realizan funciones más simples. Las LAN (Redes de área local) industriales intentan que la comunicación entre niveles sea completa, es decir, que los puntos más altos puedan saber en todo momento que es lo que se está realizando en los puntos más bajos, y en caso necesario poder dar órdenes hacia ellos.

3.3.1 Entradas y salidas en el nivel inferior La LAN resulta un sistema excesivamente complejo y caro para los elementos de niveles inferiores, cuyas exigencias de comunicaciones se centran, en la mayoría de los casos, en pequeñas tramas o incluso a nivel de bit. Por tanto para este tipo de elementos se requiere una red de nivel inferior, con protocolo ágil, cableado fácil y barato y que permita enlazar periféricos de bajo nivel a un control maestro. Esta red local de nivel inferior se denomina Bus de Campo.

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3.3.2 Buses de Campo. Para sustituir cableado entre sensores - actuadores y los correspondientes elementos de control. Este tipo de buses debe ser de bajo costo, tiempo real. Además, deben gestionar mensajes cortos eficientemente, tener capacidad de manejar tráfico de eventos discretos, poseer mecanismos de control de error, transmitir mensajes prioritarios, tener bajo costo de instalación y conexión, poder responder rápidamente a los mensajes recibidos. Según la cantidad de datos a transmitir, se dividen en buses de alto nivel, buses de dispositivos (pocos bytes a transmitir) y buses de sensor, pero en ningún caso llegan a transmitir grandes bloques de información. Las ventajas principales que se obtienen en su utilización son: mejor calidad y cantidad en el flujo de datos, ahorro de costo de cableado e instalación, facilidad en la ampliación o reducción del número de elementos del sistema, reducción de errores en la instalación y numero de terminales y cajas de conexión.

Figura Nº 3.1: Instalación industrial, sin utilización de buses de campo, y con buses de campo

Para las comunicaciones a nivel de campo no existe una norma de comunicaciones que haya alcanzado algún grado de difusión y homogeneidad en los entornos industriales, esto hace que en algunos casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes. Varias normas intentan imponerse, destacándose entre ellas Profibus y Fieldbus Foundation, aunque no se deben descartar ASi, Devicenet, Modbus, Hart, etc. También existe una tendencia a implantar tecnología como ETHERNET, muy probada en redes administrativas, de bajo costo y que comienzan a utilizarse en redes industriales de bajo nivel para sistemas en tiempo real. Otro aspecto importante es la seguridad, ya que al incorporarse sistemas de manera global, es decir, en redes administrativas y de control de procesos, los sistemas de control quedan más expuestos. 29

3.4 Tipos de buses. Como anteriormente se menciona, los buses de campo se agrupan en tres categorías, dependiendo del tipo de dispositivo y de la aplicación para la cual fue diseñado: • Buses de sensor • Buses de dispositivo • Buses de campo (Fieldbus)

Figura Nº 3.2: Clasificación de los tipos de buses de campo.

3.4.1 Bus de sensor Los buses de sensor son enlaces de comunicación de bajo costo para conectar aparatos industriales a una red y eliminar alambrados extensos y costosos, comunes en la industria discreta. Se usan con interruptores de proximidad, pulsadores, partidores de motores y otros dispositivos simples donde se necesita transmitir solo unos cuantos bits de información. Estos buses están diseñados para detección y control sencillos, normalmente detectar un estado, o encender o apagar algo.

3.4.2 Bus de dispositivo. Los buses de dispositivos están orientados a equipos más complejos, pueden manejar más información que los buses de sensor, no solo señales discretas, sino también 30

señales analógicas, se pueden comunicar a altas velocidades en distancias cortas y más bajas para distancias mayores. Generalmente utilizados en la comunicación de variadores de frecuencia PLC, etc.

3.4.3 Bus de campo (Fieldbus). Este es un sistema de comunicación más adecuado para control y diagnósticos en aplicaciones de procesos. Este medio proporciona comunicación en dos sentidos entre equipos inteligentes y sistemas, es capaz de transportar mayor cantidad de información desde terreno al sistema, este sistema de comunicación puede ser un reemplazo a las comunicaciones analógicas de 4 -20 mA, tomando en cuenta como ventaja la gran cantidad de información que se puede obtener del proceso y del mismo instrumento o sistema.

3.5 Fieldbus Foundation. Esta tecnología es la base de la nueva generación de control. Fieldbus Foundation es un sistema de comunicación totalmente digital, serial y direccional, el cual corre a 31,25 Kbps, e interconecta dispositivos de campo como sensores, actuadores y controladores. Esta tecnología de comunicación es una red de área local para los instrumentos utilizados en la automatización, incorporando capacidad para distribuir la aplicación de control a través de la red.

Figura Nº 3.3: Distribución del control entre el sistema y la planta

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El entorno Fieldbus es el grupo de niveles base de las redes digitales en las jerarquías de redes de planta.

Figura Nº 3.4: Jerarquías de redes de planta

Además este sistema de comunicación conserva las características deseables del sistema analógico 4 – 20 mA. • interfase física normalizada por cable. • Dispositivos alimentados por bus sobre un par de cables. Al hacer un uso completo de la inteligencia de campo, la gestión del proceso, ya no es más control de procesos. Ahora es también gestión de activos, recolectar y saber utilizar la gran cantidad de información generada por los activos (transmisores inteligentes, válvulas, analizadores, etc.). Incluye configuración, calibración, monitoreo, diagnósticos y registros de mantenimiento desde cualquier lugar de la planta mientras el proceso está en marcha.

3.5.1 Ventajas de Fieldbus en el sistema de control. A través de la aplicación de la tecnología Fieldbus se pueden conseguir importantes ventajas en el ciclo de vida de un sistema de control.

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Figura Nº 3.5: Ciclo de vida de un sistema de control

• Menor número de tableros y cables de distribución. • Menor número de barreras de seguridad Intrínseca. • Menor número de convertidores de E/S. • Menor número de fuentes de alimentación y gabinetes • Menor tamaño de salas de equipamiento. • Configuración remota de los dispositivos. • Mayor información disponible para operaciones. • Mayor exactitud en las mediciones. • Mayor sofisticación y flexibilidad en la instrumentación. • Mayor tiempo de operación gracias a menos equipamiento, mejores auto diagnósticos y diagnósticos remotos.

3.5.2 Más datos disponibles. Este sistema de comunicación permite recolectar al sistema de control, múltiples variables desde cada dispositivo, con fines de archivo, análisis de tendencias, estudios de optimización del proceso, y generación de reportes. La mayor tecnología de la instrumentación y la comunicación digital, libre de distorsión y ruido, además de la alta resolución, permite datos más exactos y confiables que permiten mejorar la capacidad de control del proceso aumentando la eficiencia y productividad.

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Figura Nº 3.6: Cantidad de información entre el sistema tradicional y Fieldbus

3.5.3 Vista más amplia del proceso. Al tener instrumentación con mayor tecnología integrada y mayor poder de comunicación, se puede tener visualización del proceso incluso dentro del instrumento, ampliando la visión de control y optimizando las mantenciones y revisiones que se le debe dar a la instrumentación, ya que es el instrumento el que se encargara de avisar al operador o al personal de mantención, si

presenta alguna anomalía o requiere algún ajuste o

mantención.

Figura Nº 3.7: Visualización del sistema desde la red control

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3.5.4 Distribución del control de procesos. La tecnología Fieldbus considera bloques de función estándar para implementar estrategias de control (AI, AO, PID, etc.), muchas de estas funciones están incorporadas en el propio dispositivo de campo, incluyendo este dentro de su electrónica estos bloques de control. La utilización de estos bloques dentro de los dispositivos permiten la disminución de hardware de sistema y la uniformidad de los bloques de función permiten una distribución del control en los equipos de campo de distintos fabricantes de una manera integrada, a su vez distribuyendo la estrategia de control al nivel de la instrumentación, pudiendo crear un lazo PID con solo un transmisor y una válvula por ejemplo.

Figura Nº 3.8: distribución del control a instrumentos de campo

3.5.5 Ahorro en el cableado. El sistema Fieldbus permite conectar múltiples dispositivos al mismo par de cables, esto se traduce en menores costos de cableado, menor cantidad de tableros de distribución, menor cantidad de barreras de seguridad intrínseca, en resumen entrega importantes ahorros en los puntos antes señalados y a la vez facilita la mantención y diagnósticos de posibles fallas, ya que los tableros almacenaran menor número de cables ordenando y distribuyendo de mejor manera el espacio para cada cableado.

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Figura Nº 3.9: Comparación de cableado de sistema tradicional y Fieldbus

3.6 Tecnología Fieldbus Foundation. La tecnología Fieldbus Foundation se divide en tres partes o bloques, de acuerdo al modelo OSI (Open Systems InterConnect): • Nivel Físico. • Stack de comunicaciones. • Aplicación de Usuario.

Figura Nº 3.10: Modelo OSI

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El nivel fisco es el nivel 1 de OSI. El nivel de enlace de datos (DLL) es el nivel 2 del OSI. La especificación de mensajes de Fieldbus (FMS) es el nivel 7 del OSI. El Stack de comunicaciones se compone de los niveles 2 y 7 del OSI. El subnivel de acceso al Fieldbus (FAS) mapea la FMS en el DLL. Cada nivel en el sistema es responsable de una porción del mensaje que se transmite en Fieldbus.

3.6.1 Nivel Físico. El Nivel Físico recibe mensajes del stack de comunicaciones y los convierte en señales físicas dentro del medio de transmisión del Fieldbus y viceversa. Las tareas de conversión incluyen agregado y remoción de preámbulos, delimitadores de comienzo y delimitadores de final.

Figura N 3.11: Nivel Físico del modelo Fieldbus

Las señales de Fieldbus son codificadas usando la conocida técnica Manchester Biphase-L. La señal se denomina serial sincrónica ya que la información de reloj se encuentra embebida en la corriente de datos serial. Hay definidos caracteres especiales para preámbulo, delimitador de comienzo y delimitador de final. El preámbulo es utilizado por el receptor para sincronizar su reloj interno con la señal de Fieldbus que ingresa.

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El receptor usa el delimitador de comienzo para encontrar el inicio de un mensaje Fieldbus. Después que encuentra el delimitador de comienzo, el receptor acepta los datos hasta que recibe el delimitador de final.

3.6.2 Señalización del Fieldbus H1. El dispositivo transmisor entrega ±10 mA a 31,25 Kbit/s sobre una carga equivalente de 50 ohm para crear una tensión de 1,0 V pico a pico modulada en la parte superior de la tensión de alimentación de corriente continua (CC). La tensión de alimentación CC puede ser de 9 a 32 V.

Figura Nº 3.12: Formas de onda Fieldbus

Los dispositivos de 31,25 Kbit/s, pueden ser alimentados directamente del Fieldbus y operan sobre el cableado usado anteriormente para los dispositivos de 4-20 mA.

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3.6.3 Cableado del Fieldbus H1. El Fieldbus H1 acepta Spurs (derivaciones). La longitud del Fieldbus está determinada por la velocidad de comunicación, el tipo de cable, el tamaño del cable, la opción de alimentación por bus y la opción de seguridad intrínseca. El tramo principal no puede exceder una longitud total de 1.900 m con un par de cables retorcidos y blindados. La longitud del cable se determina sumando la longitud del cable troncal y todas las longitudes de las derivaciones. Los terminadores se encuentran ubicados en cada extremo del cable troncal principal. La longitud del cable debe obedecer a la siguiente ecuación: Longitud del cable = Longitud del troncal + Longitudes de todos los Spurs

Longitud del cable máx. = 1900 metros.

Figura Nº 3.13: Cableado de segmento Fieldbus

El número posible de dispositivos en el Fieldbus varía en función de distintos factores: el consumo de energía de cada dispositivo, el tipo de cable utilizado, el uso de repetidores, etc.

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3.6.4 Aplicación de Usuario. Fieldbus Foundation ha definido una Aplicación de Usuario estándar basada en “bloques”. Los bloques son representaciones de los distintos tipos de funciones de aplicación. Los tipos de bloques usados en una aplicación de usuario se describen en la Figura.

Figura Nº 3.14: Bloques de aplicación definidos por Fieldbus

3.6.4.1 Bloque fuente. El bloque fuente describe características del dispositivo de Fieldbus tales como nombre del dispositivo, fabricante y número de serie. Hay un solo bloque fuente en un dispositivo.

3.6.4.2 Bloque de función. Los bloques de función (FB) se encargan del comportamiento del sistema de control. Los parámetros de entrada y de salida de los bloques de función pueden ser 40

conectados sobre el Fieldbus. La ejecución de cada bloque de función está precisamente programada. Puede haber muchos bloques de función en una Aplicación de Usuario. Fieldbus Foundation ha definido conjuntos de Bloques de Función estándar. Diez bloques de función para control básico están definidos por la especificación

Figura Nº 3.15: Bloques de función definidos para instrumentos Fieldbus.

Los bloques de función pueden ser incorporados en los dispositivos de Fieldbus según necesidad para alcanzar la funcionalidad deseada del dispositivo. Por ejemplo, un simple transmisor de temperatura puede contener un bloque de función AI. Una válvula de control podría contener un bloque de función PID como así también el esperado bloque de AO.

3.6.4.3 Bloques Transductores. Los bloques transductores desacoplan los bloques de función de las funciones locales de entrada/salida requeridas para leer sensores y comandar hardware de salida. Estos bloques contienen información como fecha de calibración y tipo de sensor. Normalmente hay un bloque transductor para cada bloque de función de entrada o de salida.

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3.6.5 Asignación de direcciones de dispositivos. Cada dispositivo de Fieldbus debe tener una dirección de red única y un TAG de dispositivo físico para que el Fieldbus pueda operar correctamente. Para evitar la necesidad de switches de dirección en los instrumentos, la asignación de direcciones de red puede ser realizada automáticamente por la administración del sistema.

3.6.6 Descripciones de los dispositivos. Una característica crítica que se requiere de los dispositivos de Fieldbus es la interoperabilidad. Para alcanzar la interoperabilidad se usa la tecnología DD (Device Description) junto a definiciones de parámetros y de comportamiento de bloques de función estándar. DD proporciona una descripción ampliada de cada objeto del VFD (Dispositivo virtual de campo), tal como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.16: Definición del Device Descriptor

También ofrece la información necesaria para que un sistema de control o host comprenda el significado de los datos en el VFD, incluyendo la interfase humana para

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funciones como calibración y diagnósticos. De esta manera, la DD puede ser considerada como un "driver” para el dispositivo.

3.6.7 Configuración del sistema. La configuración de un sistema de Fieldbus consiste de dos fases: diseño del sistema y configuración de los dispositivos.

3.6.7.1 Diseño del Sistema. El diseño de los sistemas basados en Fieldbus es muy similar al diseño de los sistemas de control distribuido (DCS). La primera diferencia es en el cableado físico donde el cambio del cableado analógico 4-20 mA punto a punto al cableado de bus digital permite conectar numerosos dispositivos a un solo cable. Cada dispositivo en el Fieldbus debe tener un único TAG de dispositivo físico y una correspondiente dirección de red. La segunda diferencia es la capacidad de distribuir algo del control y de las funciones de los subsistemas de entrada/ salida del sistema de control a los dispositivos de Fieldbus. Lo anterior puede reducir el número de controladores para montaje en rack y el equipamiento de E/S para montaje remoto que se necesita para el diseño del sistema.

Figura Nº 3.17: Diseño de un sistema Fieldbus

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3.6.7.2 Configuración de los Dispositivos. La configuración de los dispositivos se realiza conectando juntas las entradas y salidas de los bloques de función de cada dispositivo, tal como lo requiere la estrategia de control.

Figura Nº 3.18: Esquema de control utilizando bloques de un transmisor y una válvula

Después de haber ingresado todas las conexiones de los bloques de función y otros ítems de configuración tales como nombres de dispositivo, TAG de lazo y velocidad de ejecución del lazo, el dispositivo de configuración genera información para cada dispositivo de Fieldbus. Un lazo autónomo puede ser configurado si existe un dispositivo de campo que sea Link Master. Este permite la operación continuada del lazo sin el dispositivo de configuración ni una consola central. El sistema se torna operacional después que los dispositivos de Fieldbus hayan recibido sus configuraciones.

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Figura

Nº

3,19:

Configuración

45

de

dispositivos

de

campo.

Capitulo 4 Implementación del Sistema DeltaV

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4.1 Implementación del Sistema DeltaV. Este capítulo define la red de control a implementar, especifica la instalación del sistema y sus principales aplicaciones, comenzando por la implementación de la arquitectura del sistema, montaje físico, y software asociado, detallando los pasos seguidos en la construcción del sistema de control.

4.2 Arquitectura del sistema Los sistemas de la automatización con DeltaV son escalables con una amplia gama de tamaños. Un sistema DeltaV puede clasificarse eficientemente para resolver los requisitos de control del proceso.

Un sistema DeltaV incluye, por lo menos: •

Red del control que proporciona comunicación entre estaciones de trabajo (PC) y controladores.

•

Estación Professional PLUS que proporciona una interfaz para utilizar gráficos y funciones de configuración del proceso y del sistema.

•

Un Controlador que realiza control y maneja comunicaciones entre el subsistema de I/O y la red de control.

•

Un subsistema de I/O usa información de los procesos a y desde los dispositivos del campo.

•

Fuente de alimentación del sistema DeltaV

•

Fuente de alimentación (24 VDC de energía de la planta) para los dispositivos de campo conectados con el sistema DeltaV.

•

Riel Din para instalar las bases portadoras que proporcionan las conexiones de energía y de comunicaciones para el controlador y el subsistema de I/O.

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Figura Nº 4.1: Esquema de configuración DeltaV

El sistema más simple de DeltaV que consiste en una estación de trabajo y un controlador pueden utilizar un solo cable para conectarse. La mayoría de los sistemas pequeños de DeltaV son más grandes que el más simple, y utilizan los cables de un solo hub de interconexión. Sistemas más grandes de DeltaV pueden utilizar múltiples hubs y switchs con una variedad de cables para ampliar el sistema. En cuanto a las consolas, esta arquitectura, consta de un PC con licencia Professional Plus Workstation, y otro con licencia Operator Workstation; para el control y 48

supervisión. Las consolas en general poseen la característica de visualizar, controlar y manejar todos los parámetros y datos de proceso de la unidad asociada, todas las estaciones regulan su acceso mediante password De lo anterior, la arquitectura tiene por objetivo realizar una base de datos diseñada para adquisición de datos en tiempo real, almacenamiento de datos históricos, recuperación de datos e integración (administración de la información).

4.3 Descripción de Equipos que Conforman el Sistema 4.3.1 Elementos de Campo Controlador MD: Controlador con procesador Motorola MPC8260, operando a 166 MHz, con capacidad de 14 Mbyte en memoria RAM, capacidad de manejo de 500 puntos I/O y capacitor de respaldo de aproximadamente 30 días como características principales. Este controlador tiene la particularidad de comunicarse vía Ethernet TCP/IP a una velocidad de 100 Mbps, en forma redundante. Este dispositivo es el encargado del control de las variables de proceso, almacenar las estrategias de control (algoritmos PID, Fuzzy Logic, Redes Neurales, etc.…).

Fuentes de Poder: Existen en el sistema básicamente 2 tipos de fuentes, las System Power Supply y las Bulk Power. Las primeras alimentarán la electrónica de los controladores y las tarjetas I/O del sistema DeltaV y las segundas, proporcionarán alimentación en 12 Vdc para las fuentes del sistema y 24 Vdc a la instrumentación de campo, a los segmentos Profibus DP, Devicenet y segmentos Fieldbus.

Tarjeta Comunicación Serial: Se consideró interfaz de comunicación serial. Esta tarjeta tiene la capacidad de manejar dos puertos de comunicación seriales RS232, estos puertos puede comunicarse con dispositivos en topología punto a punto para la comunicación con sistemas externos (PLCs, Drivers, etc.…) que soporten protocolos, tales como Modbus ASCII/RTU, Siemens 3964R, entre otros.

Control Network: Esta red de control trabaja a una velocidad de 100 Mbps (HSE High Speed Ethernet) en topología bus, bajo protocolo TCP/IP (estándar IEEE802.3). Su medio físico de comunicación puede ser cable coaxial, par trenzado (UTP/STP) o fibra 49

óptica. Se considera la red en forma redundante y con cable del tipo par trenzado y dispositivos concentradores de red del tipo switch.

4.3.2 Estaciones del Sistema DeltaV Professional Plus Station: Estación de Configuración y Operación del sistema DeltaV, habilitado como estación de ingeniería, además de servir como una eventual estación de operación. Tiene la particularidad de ser la estación que posee la base de datos de proceso única del sistema. En resumen es un PC, comunicándose a través de una red de área local Ethernet 100Bt redundante y está basada en un PC de alto rendimiento, de última generación tecnológica marca DELL y sistema operativo Windows XP Professional SP1 o Windows 2003 server, con las siguientes características, dependiendo del tamaño del sistema: • Pentium III 450 MHz mínimo, Pentium III 933 MHz recomendado. • Para Sistemas con 2000 DST: Pentium III 667 MHz mínimo, Pentium 4 1,4 GHz recomendado. • Para Sistemas con 30000 DST: Dual XEON 550MHz mínimo, Dual XEON 2.0GHz recomendado. • Memoria del sistema: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado. • Para Sistemas con 2000 DST: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado. • Para Sistemas con 30000 DST: 1GB de RAM mínimo, 2GB de RAM recomendado. • Espacio del Disco Duro: La instalación de DeltaV en Windows XP o Windows 2003 Server, requiere un mínimo de 9,1 GB de disco duro. Un tamaño de 18GB es recomendado, de ese tamaño un mínimo puede ser alojado en el disco C: se recomienda la instalación de un nuevo disco D: especialmente en sistemas de bases de datos tamaño.

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y configuración de gran

• Si la versión de control es instalada en un sistema DeltaV nuevo, se deben sumar 4GB de espacio mínimo sobre las siguientes instalaciones. • Para Sistemas de 10000 DST o menos 9GB de espacio mínimo. • Para Sistemas de 10000 DST a 20000DST 13GB de espacio mínimo. • Para Sistemas de 20000 DST a 30000DST 17GB de espacio mínimo.

Engineering Workstation: Estación de Configuración y Operación del sistema DeltaV, habilitado como estación de ingeniería, permite ejecutar tareas de ingeniería, diagnósticos, configuración, registros y análisis de eventos y además de servir como una eventual estación de operación. • Pentium III 450 MHz mínimo, Pentium III 933 MHz recomendado. • Memoria del sistema: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado. • Disco Duro: En C:, 2GB con la instalación de DeltaV Operate.

Operator Station: Estación de Operación del sistema DeltaV, habilitado como estación de operación. En resumen es un PC, comunicándose a través de una red de área local Ethernet 100Bt redundante y está basada en un

PC de alto rendimiento, de última

generación tecnológica marca DELL y sistema operativo Windows XP Professional SP1. • Pentium III 450 MHz mínimo, Pentium III 933 MHz recomendado. • Memoria del sistema: 256MB de RAM mínimo, 512MB de RAM recomendado. • Disco Duro: En C:, 2GB con la instalación de DeltaV Operate.

4.3.3 Software utilizado en las estaciones En las siguientes tablas se especifica el software utilizado por cada tipo de estación, esto define la aplicación de cada estación, y permite seleccionar cual tipo de estación es requerido de acuerdo a las necesidades de la planta

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Figura Nº 4.2: Software utilizado en las estaciones DeltaV

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Figura Nº 4.3: Software utilizado en las estaciones DeltaV

4.4 Instalación del Sistema DeltaV 4.4.1 Condiciones Ambientales El sistema DeltaV debe operar bajo condiciones ambientales controladas, ya que la mayoría de los dispositivos que integran los sistemas son diseñados para trabajar bajo ciertos rangos de humedad, temperatura y clasificación ambiental. Polvo y vapores corrosivos pueden causar daños a los componentes electrónicos de los equipos. Los ambientes en los cuales se encuentra el equipo pueden ser clasificados desde G1 hasta Gx, si desea ver la clasificación, descripción y condiciones usted puede 53

consultar la norma ISA-S71.04, Condiciones ambientales para medición de procesos y sistemas de control. Si la temperatura ambiente, de los lugares donde está instalado el equipo, está fuera de los rangos de operación permitidos será necesario el uso de sistemas de aire acondicionado. Las necesidades del uso de estos sistemas son determinadas a través del cálculo de la carga de calor causada por el sistema, el personal, luces y otras fuentes de calor. Cualquier sistema de aire acondicionado o ventilación deberá tener la capacidad para manejar la carga de calor generada en los cuartos de control. La humedad relativa deberá mantenerse dentro de los rangos de operación permitidos. La humedad relativa baja permite la creación de cargas y descargas electrostáticas, lo cual puede dañar el equipo. La humedad relativa alta puede terminar en la condensación de agua en los equipos. Vapores corrosivos en la atmósfera terminarán en condensación y formación de ácidos, la humedad relativa debe ser controlada para prevenir la formación de ácidos, los cuales pueden dañar de forma permanente los equipos.

4.4.2 Tierras La tierra y la red de tierras son una consideración importante para cualquier sistema de control, ya que éste puede eliminar los efectos causados por potenciales deficiencias en el suministro de las fuentes de alimentación. Pobres o deficientes sistemas y redes de tierras son la causa principal de las fallas presentadas en un sistema de control. Una buena tierra conduce corrientes eléctricas, causadas por fallas, a tierra y puede reducir considerablemente el ruido eléctrico, lo cual causa problemas en las señales de control. El mejor sistema de tierras es aquel que utiliza varios electrodos de tierra (mayor número de electrodos mejor sistema), y las razones son las siguientes: Las resistencias de contacto del electrodo a tierra son efectivamente puestas en paralelo, la adición de más electrodos reduce la resistencia del sistema de tierra. Un electrodo provee un elemento de seguridad. El contacto a tierra no depende de un sólo electrodo. -

En caso de utilizar un sistema de tierra de varios electrodos, la distancia entre los mismos deberá ser de dos veces la profundidad a la que están enterrados los electrodos. La siguiente figura muestra un ejemplo de una malla de tierras en una planta. 54

Figura Nº 4.4: Sistema de mallas de Tierra para conexión del DeltaV en Planta

Si la malla existente está accesible, y la resistencia de la malla de tierra hacia la tierra física cumple con los requerimientos, la malla existente puede utilizarse para la tierra del sistema y la instrumentación, en caso de no cumplir será necesaria la implementación de un nuevo sistema de tierras dedicado al sistema de control. Nota: La resistencia máxima permitida para un sistema de tierras conectado al Sistema DeltaV no deberá exceder tres ohm, idealmente Deberá ser menor a un ohm. Es recomendable que el sistema de tierra tenga un ohm o menos entre el sistema de tierras de instrumentación y la tierra real. Una resistencia de un ohm o menor reduce los errores fantasma provocados por caídas de voltaje en los sistemas de tierra. La red de tierras es un sistema organizado de cables de tierras que terminan en un sólo punto dedicado al sistema de tierras. Al tener un solo punto de tierras se tendrá una referencia más limpia para el control de las señales dentro del sistema de automatización, esto incrementa la confianza sobre los sistemas que contienen un pobre diseño de red de tierras.

4.4.3 Controlador AC/DC y Fuentes de Alimentación de I/O. En el esquema se muestra la forma de conexión de tierras para un sistema que utiliza un controlador AC/DC y su fuente de alimentación del I/O.

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Figura Nº 4.5: Esquema de alimentación y aterrizaje para DeltaV

4.5 Instalación y Configuración de las estaciones. Antes de Instalar el Sistema Operativo en las estaciones, se deben definir los siguientes aspectos: Nombre del nodo. Definir el grupo de trabajo o dominio en el que se encontrara el sistema. Especificar conexión de tarjetas de cada una de las redes (Primaria, secundaria, planta) Por razones de seguridad se recomienda no conectar la estación a la red antes de la instalación completa de DeltaV.

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La instalación de DeltaV, incluyendo el sistema operativo de Windows (XP Profesional o 2003 Server, dependiendo del tamaño de la red), requiere un mínimo de 4GB en la partición C y 600MB en la partición D (o 4.5GB si todo está instalado en la partición de C:\ solamente). Los gráficos de la base de datos, archivos históricos, y así sucesivamente requieren espacio de disco adicional. Los nuevos sistemas se proveen de un mínimo de 8GB en la partición de C:\ y de 10GB en la partición de D:\. Se recomienda que las unidades de disco sobre 2 años estén substituidos antes de instalar el software de DeltaV. El software de la Workstation es licenciado dependiendo de la funcionalidad. Hay varios tipos de licencia de Workstation: Base, Operator, Professional, Application y Professional PLUS. Cada tipo permite el empleo de funciones y usos específicos sobre el nodo al cual es asignada. • Professional PLUS: contiene el licenciamiento de todo el sistema. Es la Workstation que contiene la base de datos activa DeltaV del sistema. Se puede utilizar para configurar, operar y diagnosticar el sistema. • Professional: se utiliza para configurar, operar y diagnosticar el sistema. • Operator: se utiliza para monitorear y manipular el proceso. • Application: se utiliza para recolección de información y distribución a redes exteriores. No utilizada para configuración u operación. • Base: permite personalizar su funcionalidad.

4.5.1 Instalación del Sistema Operativo El procedimiento de instalación del sistema operativo, en esta caso Windows XP Professional, se encuentra específicamente definido por Emerson Process, este procedimiento debe ser respetado tanto en las especificaciones como en el orden de instalación de cada componente para permitir un correcto funcionamiento de cada una de las aplicaciones de DeltaV. Se presentan algunas consideraciones importantes en el proceso de instalación del sistema operativo. Se recomienda dos particiones en el disco [C:] y [D:], de tamaños 8 y 10 GB, respectivamente etiquetadas como [DVsys (C:)], y [DVData (D:)], mas unidad de CD [E:], (la configuración se define con dos particiones para este proyecto). 57

• No modificar la configuración de 'Regional and Language Options', continuar la instalación, seleccionando NEXT. • En la opción 'Personalize Your Software', ingresar el nombre y la compañía a la que se registraría el equipo. • En la ventana 'Computer Name and Administrator Password', el procedimiento define el password ‘deltav’ , este es la contraseña de administrador local del equipo. • En la ventana 'Date and Time Settings', definir la configuración de la zona horaria. • En la ventana ‘Will the computer connect to the Internet…’, seleccionar de acuerdo a la configuración de la red, en este caso no se requiere conexión a internet. • En la ventana ‘register with Microsoft?’ seleccionar ‘No, not at this time’. • En la ventana 'Who will use this computer?' escribir EMERSON en el text box 'Your Name'

4.5.2 Propiedades del sistema Una vez concluida la instalación de XP, se definen las propiedades del sistema para lograr la óptima configuración de la estación de trabajo y orientar

En las propiedades del sistema elegir seleccionar el sistema para una mejor performance en los efectos visuales de la aplicación. La configuración de la memoria virtual se recomienda que sea 1,5 veces la memoria física del equipo. En este proyecto se define 0,5 veces para el disco [C:] y 1 para el disco [D:] Deshabilitar las actualizaciones automáticas y la asistencia remota en la estación . Deshabilitar la pantalla de bienvenida en el inicio de sesión. • Presionar

ctrl+alt+sup para abrir el menú de seguridad de Windows y crear

password para la cuenta EMERSON, por definición será deltav

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4.5.3 Orden de Instalación de Drivers en la estación Emerson Process ha definido un orden en la instalación de cada uno de los drivers necesarios de las estaciones, a continuación se enumeran los drivers que generalmente deben ser cargados (Chipset, audio, video, tarjetas de red). Instalación del driver chipset. del sistema. Instalación de los drivers de la tarjeta de video. Instalación de los drivers de la tarjeta de sonido. Instalación de los drivers de la tarjeta de red.

4.5.4 Identificación de Tarjetas de Red En configuraciones donde la red de control es redundante, y se ocupan red de planta o servicios (impresoras, etc.), se debe definir correctamente cada una de las tarjetas y a la vez su dirección en el sistema para mantener la configuración de las redes y no crear conflictos en estas. A continuación de define las direcciones por defecto que deberían tener cada una de las tarjetas en un sistema redundante y con red de Planta. DeltaV Primary

Dirección IP: 10.4.0.1 Mascara de subred: 255.254.0.0

DeltaV Secondary

Dirección IP: 10.8.0.1 Mascara de subred: 255.254.0.0

Plant LAN

Dirección IP: Definida por el administrador de la red. Mascara de subred: 255.255.0.0

4.6 Instalación de DeltaV. A continuación se presentan aspectos importantes a considerar en el proceso de instalación y configuración de DeltaV en la estación PROPLUS. En la imagen 4.4 se muestra el comienzo de la instalación

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Figura Nº 4.6: Pantalla bienvenida a la Instalación

A continuación se solicita especificar el tipo de estación que se instalara, estación de ingeniería, estación de operaciones, etc. según corresponda seleccionar, se instala el software asociado a cada tipo de estación.

Figura Nº 4.7: Pantalla selección tipo de estación a instalar.

En la siguiente etapa se solicita especificar el tipo de instalación de las carpetas de datos (tendencias, pantallas, etc.), ambas carpetas en un mismo disco, en discos diferentes, o seleccionado por el usuario. 60

Figura Nº 4.8: Selección tipo de instalación de archivos y carpetas.

Una vez seleccionados estos parámetros la instalación de los archivos comienza en la estación.

Figura Nº 4.9: Avance de la instalación.

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Durante el proceso de instalación se solicita reiniciar la estación en varias partes, una vez concluida la copia de archivos y directorios, comienza la activación y configuración de la estación y los servicios DeltaV

Figura Nº 4.10: Pantalla de comienzo de la configuración de la estación.

De acuerdo a las especificaciones del sistema diseñado se solicita especificar las preferencias y aplicaciones que debe tener el sistema principal, si no se desea configurar en este momento se puede hacer más tarde.

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Figura Nº 4.11: Selección preferencias y aplicaciones de la estación.

Figura Nº 4.12: Selección de aplicaciones de la estación principal.

En el siguiente paso se solicita definir el nombre del sistema, el nombre de la estación principal PROPLUS, la redundancia de la red (Controlador simple o redundante), etc.

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Figura Nº 4.13: Selección tipo de red nombre sistema y PROPLUS.

A continuación se deben configurar las distintas tarjetas de red de la estación, en este caso como el sistema es simple, tendremos solo una tarjeta de red a configurar, pero se debe tener precaución en sistemas redundantes y con red planta a la hora de configurar las redes para evitar problemas de comunicación.

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Figura Nº 4.14: Selección Tarjetas de red.

En el siguiente punto se solicita especificar el tipo de red a implementar, Dominio o Grupo de trabajo, y definir el nombre del grupo en este caso.

Figura Nº 4.15: Selección del tipo de red del sistema.

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A continuación comienza el proceso de configuración de la estación automática, puede solicitar reiniciar la estación según lo indique el proceso.

Figura Nº 4.16: Instalación automática de la configuración en la estación.

Dentro del proceso de configuración automático se solicitara definir un password del servidor DeltaV, es importante mantener el mismo password en todas las instalaciones, ya que de modo contrario no habrá comunicación entre la estación y la PROPLUS.

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Figura Nº 4.17: Ingreso DeltaV server password.

Una vez concluido el proceso de instalación aparecerá el mensaje en pantalla, recordando que se debe descargar la estación una vez concluido el proceso de configuración.

Figura Nº 4.18: Finalización de la configuración de DeltaV

Una vez reiniciada la estación ya esta configurado y operativo DeltaV y todas sus herramientas, la primera aplicación de seguridad es la herramienta Flexlock

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Figura Nº 4.19: Identificación en la estación PROPLUS

Figura Nº 4.20: Barra selector Flexlock.

La aplicación Flexlock permite la primera barrera de seguridad en el sistema, ya que restringe a los usuarios que no tienen privilegios de ingresar a la plataforma Windows (a la configuración de la maquina), restringiendo el acceso solo a personal autorizado.

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Capitulo 5 Operación del sistema de Control 69

5.1 Aspectos Importantes del sistema de control En el capitulo anterior realizo la instalación de la estación PROPLUS del sistema DeltaV , como alcance se considera la red ya implementada, en este capítulo se presentan algunas opciones de configuración de privilegios y cuentas de usuarios, se presentara distintas herramientas de seguridad para los distintos tipos de usuarios,, lo que la hace una estructura completamente abierta, carácter fundamental a la hora de seleccionar un sistema de control dado que existen diferentes niveles para diferentes aplicaciones, lo que hace imprescindible contar con un sistema de control que soporte estas múltiples opciones de control, y a la vez sea capaz de entregar completa robustez en el trabajo .

5.2 Funciones, Campos y Parámetros de seguridad Mediante el uso de claves y bloqueos, el sistema DeltaV ofrece mecanismos de seguridad, tanto en parámetro, nivel de campo y en el nivel de función. El sistema DeltaV permite controlar qué usuarios pueden escribir a determinados parámetros y campos. En el nivel de función, el sistema DeltaV permite controlar qué usuarios pueden realizar ciertas funciones. El DeltaV User Manager proporciona una interfaz de aplicación a los cinco componentes esenciales de la seguridad: • Bloqueos: Prevenir que los usuarios puedan modificar los parámetros y campos de parámetros no asignados, y prevenir a los usuarios de la realización de ciertas funciones. Se utiliza el Explorador para asignar bloqueos a los parámetros, los campos de parámetros y funciones. Es útil pensar en un bloqueo como algo que especifica el nombre de la llave que da acceso. • Claves: Proporcionar permisos a usuarios individuales o grupos enteros de usuarios. Cada clave está asociada con un bloqueo. Concede claves bajo el grupo y propiedades de usuario.. Los usuarios pueden obtener cualquier número de claves o ninguno para todos. • Grupos: Permite clasificar a los usuarios entre sí y otorgar a todas las personas claves en el grupo

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• Usuarios: Son los usuarios del sistema DeltaV y Windows. Se puede asignar usuarios a uno o más grupos. La aplicación DeltaV User Manager también permite crear nuevos usuarios de Windows sin tener que acceder a la aplicación Administrador de usuarios de Windows. Cuando se crea un nuevo usuario, puede especificar si el usuario es un usuario de Windows, un usuario del sistema DeltaV, o ambas cosas. • Áreas: Algunas claves puede concederse a los usuarios DeltaV para áreas específicas. Se utiliza esta función para conceder a los operadores el acceso de escritura para los módulos de control dentro de la responsabilidad de los operadores y rechazar (retiene) el acceso a otros módulos similares fuera de su responsabilidad. Otras claves solo se aplican a todas las áreas y la única opción para la concesión de estas claves es .

Figura N°5.1 Interfaz del User Manager

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5.3 Bloqueos DeltaV En el sistema DeltaV, los bloqueos impiden a los usuarios cambiar los parámetros y campos de parámetro asignados a los bloqueos, e impide a los usuarios realizar ciertas funciones. Los bloqueos de parámetros son asignados a los nombres de parámetro más bien que a los casos específicos de parámetros. En otras palabras, un bloqueo sobre HI_LIM se aplica a todos los casos de parámetros llamados HI_LIM. Para cerrar un caso específico de un parámetro, se debe crear un nombre único para aquel parámetro, como HI_LIM1. Cuando los usuarios hacen solicitudes para escribir un campo de parámetro especifico, el sistema chequea si existe algún bloqueo en el campo. Si no hay bloqueo, el sistema chequea si existe algún bloqueo en el parámetro. Cuando no hay bloqueo en el parámetro, se utiliza el valor por defecto de bloqueo. Los usuarios pueden escribir en el campo del parámetro sólo cuando tenga la clave o privilegio correspondiente al bloqueo. Además la Workstation posee la propiedad de poder restringir parámetros de escritura por áreas. Es decir, solamente puede ser escrito por el usuario que tiene la clave o permiso para trabajar en el área que esta asignada la Workstation.

Figura N°5.2 Propiedades de seguridad de la Workstation

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Los bloqueos también son asignados a los diversos usuarios en las funciones tales como descargas (Download), carga (Uplpoad), cambios en la configuración de la base de datos y así sucesivamente. Las funciones asignadas son por defecto bloqueadas, pero se puede cambiar el bloqueo a esta función.

Figura N°5.3 Vista Configuración parámetros de seguridad desde DeltaV Explorer

La configuración de los parámetros de seguridad se encuentra en el marco del componente de la instalación en el Explorador DeltaV. En esta sección se puede asignar bloqueos a los parámetros y campos de parámetros a través de parámetros de seguridad (Parameter Security), y campos de seguridad (Field Security). Asignar bloqueos a las funciones a través de las propiedades Seguridad de funciones (Function Security) de esta sección. También se puede aplicar un valor de bloqueo por defecto, así cuando no se asigna ningún bloqueo o clave a un parámetro, este toma el bloqueo por defecto. Si se crea un nuevo parámetro de Control Studio con un nombre único, se debe añadir el parámetro a la sección de parámetros de seguridad en el Explorer con el fin de asignar un nivel de seguridad a la misma. En caso contrario, el bloqueo se aplica al valor por defecto.

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5.4 Bloqueos asignados a los parámetros de bloques de función Todo parámetro de los bloques de función que se puede escribir tiene un bloqueo asignado. Es posible modificar el bloqueo asignado por el sistema. Claves para todos los parámetros y bloqueos de campo (excepto diagnostico), pueden ser concedidas a determinadas áreas de la planta. En la tabla se lista los parámetros y bloqueos de campo por defecto y una descripción de cada función de bloqueo. Bloqueo

Asignado a los parámetros que….

Alarms

Se refiere a las alarmas y alarmas sonoras. El bloqueo de alarmas afecta el acceso al parámetro sonoro y los campos HENAB, MACK y NALM.

Control

Un operador necesita escribir con el fin de controlar procesos. Ejemplos de parámetros con bloqueo de Control son MODE, SETPOINT, y OUTPUT.

Restricted Control

Supervisores e Ingenieros escriben con el fin de configurar el proceso. Los operadores no suelen escribir a estos parámetros. Ejemplos de parámetros definidos como Restricted Control con el bloqueo, son CONTROL_OPTS y DISABLE.

Tuning

Técnicos de mantención y los supervisores escriben con el fin de afinar (sintonizar) el rendimiento. Normalmente (aunque no siempre), el operador no escribe a estos parámetros. Ejemplos de parámetros con el bloqueo de Tuning son GAIN, RESET, y HIGH_LIM.

Diagnostic

Afectan a la información de diagnóstico mantenido por el sistema, como los parámetros que resetear ejemplo datos almacenados.

System Records

Afectan a los registros mantenidos por el sistema, como los parámetros que desactivar el registro de eventos

User Locks 1 a 10

Estas cerraduras proporcionar flexibilidad a su plan de seguridad. Cuando Recipe Authorization está activada, el User Lock 06 hasta el User Lock 10 está reservado para la aprobación de recetas.

Tabla N° 5.1 Parámetros y Bloqueos de campo.

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5.5 Bloqueos Asignados a las Funciones Los bloqueos están asignados a diversas funciones de usuario, tales como la descarga, la carga, el cambio de la configuración de la base de datos, etc. Las funciones son asignadas a los bloqueos inicialmente por defecto. Utilizando el DeltaV Explorer para cambiar la condición de bloqueo asociada a una función. En la tabla siguiente se muestra una lista de las funciones bloqueadas, el valor de bloqueo por defecto asignado a cada función, así como la descripción de las tareas que los usuarios con una clave del bloqueo (permiso de acción ), puede realizar:

Función

Bloqueo por Operación de la Función Defecto

ACTION_VERIFY

Restricted

Verificar una acción en Control

Control

Studio On line y DeltaV Operate

que

verificador

requiere de

la

un firma

electrónica

cuenta

DeltaV(privilegio de usuario) ADMIN_CONFIG_DB

System

Utilizar el administrador de

Admin

bases de datos para crear, copiar, renombrar y bases de datos.

CHANGE_CONFIG_DB

Can Configure Hacer

cambios

a

la

configuración de base de datos, el acceso de un módulo en el modo de depuración.

CHANGE_DEVICE_DB

Can Calibrate

Utilizar AMS administrador de dispositivos, configuración de dispositivos y calibración de sus funciones.

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CHART_SAVE

Can Configure Guardar la configuración del Process History View.

DIAGNOSTIC_DATA_CLEAR

Diagnostic

Resetear (limpiar), todas las estadísticas

históricas

comunicación,

de

puertos

y

dispositivos. DIAGNOSTIC_SWITCHOVER

Diagnostic

Iniciar

el

Switchover.

Controller Los

usuarios

deben tener el privilegio de Control

para

realizar

el

Switchover. DOWNLOAD_CONFIG

Can

Descargar la configuración y

Download

los datos de configuración del sistema a los nodos.

INSPECT_TUNE

Tuning

Dentro de Inspect: cambiar las banderas de estado habilitado/ Deshabilitado

para

áreas,

módulos y bloques. Cambiar la bandera

alarmante

de

un

en

la

bloque, fijar límites. REPLACE_DEVICE

Can Calibrate

Hacer

cambios

configuración de dispositivos Fieldbus en la base de datos. Esta

función

de

permite al usuario: • Reemplazar dispositivos FF. • Decomisionar dispositivos FF

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bloqueo

• Comisionar dispositivos FF. • Descargar dispositivos FF • Descargar puertos FF • Modificar Bloques de recursos y transductor usando AMSinside. • Modificar propiedades de dispositivos. Esta clave no es necesaria si el usuario ya tiene asignado CHANGE_CONFIG_DB. UPDATE_FIRMWARE

System

Usar

la

Admin

actualización

utilidad

de

(Upgrade)

del

controlador, firmware para los controladores, tarjetas I/O y otros dispositivos. UPLOAD_CONFIG

Can Configure Cargar (Upload) configuración, datos de configuración (Setup Data) De los nodos del sistema.

USER_SECURITY_ATTACH_LOCKS

Can Configure Atribuye funciones de bloqueo en el explorador DeltaV.

USER_SECURITY_USERMANAGER

Can Configure Hacer

cambios

en

User

Manager. VC_ADMINISTRATOR

System

Deshacer la comprobación de

Admin

ítems verificados por otros usuarios.

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VC_CHECKOUT_CHECKIN

Can Configure Comprueba ítems de entrada y salida de la versión de la base de datos de control.

VC_DEVICE_CHECKOUT_CHECKIN

Can Calibrate

Comprueba

el

dispositivo

Fieldbus en y de una base de datos de control VC_DOWNLOAD_CHECKEDOUT

System

Descargar los temas que han

Admin

sido verificados por la versión de base de datos de control.

VC_DOWNLOAD_UNAUTHORIZED

VC_PURGE_RECOVER_ITEMS

System

Descargar recetas que no estén

Admin

autorizados.

System

Utilizar el explorador DeltaV

Admin

para

borra

y

recuperar

elementos de la versión de base de datos de control. VC_ROLLBACK_ITEMS

System

Utilizar el explorador DeltaV

Admin

para revertir a una versión anterior

VC_SET_LABEL

Can Configure Etiqueta temas en la versión de la base de datos de control.

Tabla N° 5.2 Bloqueos y Funciones Asociadas.

5.6 Cuentas de usuarios. Hay dos tipos de cuentas de usuario en el sistema DeltaV: las por defecto y la incorporadas. Es posible crear cuentas personalizadas para permitir el acceso al sistema y sus recursos. Incorporadas las cuentas se crean automáticamente. La cuenta de usuario Administrador, una cuenta incorporada en Windows, es un miembro del grupo Administradores y, por lo tanto, pueden acceder y modificar todos los recursos. La cuenta de Administrador se utiliza para administrar el sistema global y / o de dominio de configuración. 78

El siguiente cuadro muestra el valor por defecto las cuentas de usuario creadas por DeltaV durante la instalación de software. El cuadro muestra también el valor por defecto de los grupos de Windows y grupos DeltaV. La cuenta de administrador de Windows se incluye debido a que sus propiedades se modifican cuando se instala DeltaV. User Name

Grupo Windows

Grupo DeltaV

Administrator

Administrator, DeltaV, DeltaVAdmin

AmsSvcUser

Administrator, DeltaV

Configure

DeltaV

DeltaVAdmin

Administrator, DeltaV, DVBHisAdmin

Maintainer

DeltaV

Maintenance

Operator

DeltaV

Operate

Supervisor

DeltaV

Supervise

Tabla N°5.3 Grupos de Usuarios en Windows y DeltaV

Las siguientes imágenes muestran la configuración en el User Manager para un operador, en este ejemplo Área PLANTA_A

Figura N°5.4 pantalla general creación usuario OPER_01

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Figura N°5.5 Configuración avanzada del usuario.

Figura N°5.6 Definición grupo adherido y áreas con privilegio de operación.

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FiguraN°5.7 Privilegios de la cuenta (aparte de los privilegios del grupo).

Las figuras N° 5.4, 5.5, 5.6 y 5.7, muestran la creación de un nuevo usuario en la base de datos, este usuario es un operado con los privilegios de acceso solo al entorno DeltaV, no tiene privilegios de acceder a Windows, su password fue asignado y es indefinido, tiene privilegios de control y alarmas asignado por el grupo al que fue asignado solo para el área PLANTA_A, no posee ningún privilegio mas aparte de operación. La siguiente configuración corresponde a un modelo de supervisor de instrumentación, la cual obedecería en este ejemplo de configuración

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Figura N°5.8: Privilegios del grupo SUPERVISE en User Manager

Figura N°5.9 pantalla general creación usuario INSTRUMENTISTA

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Figura N°5.10 Configuración del uso del password.

Figura N°5.11 Asignación al grupo DeltaV.

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Figura N°5.12 Asignación de privilegios adicionales a la cuenta.

En las Figuras N°5.8 a la figura N°5.12, se muestra la configuración del usuario INSTRUMENTISTA, este usuario tiene privilegios distintos al operador visto en el ejemplo anterior. Este usuario posee privilegios de acceso remoto como estaciones remotas en el mismo sistema, (laptops conectados a servidores remotos como ejemplo). Este usuario no puede cambiar su password y este será indefinido, no tiene acceso a Windows, ni tampoco es un Administrador DeltaV. Pertenece al grupo de Supervisores del sistema con los privilegios de: ALARMS CONTROL DIAGNOSTIC RESTRICTED CONTROL SYSTEM RECORDS TUNING. Estos privilegios son asignados para toda la planta (SITEWIDE), por ende este usuario puede realizar todas estas acciones en cualquier área de la planta. Se le asigno a

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esta cuenta el privilegio de CAN CALIBRATE, privilegio que le permite Comisionar, decomisionar, descargar, y configurar dispositivos Fieldbus.

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Comentarios Finales. La realización de este trabajo ha presentado una visión de uno de los actuales sistemas de control que operan en las plantas modernas de nuestro país, se presento la forma en que ha avanzado el control de procesos con la evolución tecnológica, partiendo del control netamente manual (abrir o cerrar una llave), con todas las desventajas que se presentaban, a grandes plataformas completamente digitales y automatizadas que permiten una operación mucho mas supervisora y a la vez tener acceso a cada vez mayor cantidad de información del proceso y las variables que están influyendo en el, sin necesidad de acercarse a terreno, lo que a su vez abre una nueva ventana en el manejo y optimización de recursos y materiales en estas. Para los sistema de control distribuido actuales existen requerimientos necesarios en las plantas que los distinguen y los hacen diferenciarse de los sistemas de control centralizados, con el aumento de la tecnología se exige cada vez mayor potencialidades a estos sistemas, que sean flexibles y amigables, aparte de ser capaces de concentrar grandes cantidades de información . La estructura del sistema DeltaV presentada, muestra las principales características del control distribuido, ya que como se pudo observar se puede acceder al sistema de control desde cualquier punto de la planta y la información puede ser distribuida en diferentes partes de esta a la vez, entregando una herramienta de seguridad ante la falla de un equipo o sistema. Otro punto muy importante en que se destaca este sistema de control, es el ser completamente digita, lo que entrega una compatibilidad con los principales buses de campo que se encuentran en el mercado, lo que permite como se nombro anteriormente, adquirir la mayor cantidad de información que la tecnología de la instrumentación puede entregar, dando herramientas que permiten hacer diagnósticos, estadísticas y análisis a los dispositivos de terreno, lo que permite por ejemplo poder identificar futuras fallas o poder realizar un mantenimiento predictivo minimizando los costos de mantención y las pérdidas de productividad en las plantas.

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Bibliografía. • www.uv.es/~rosado/sid/Capitulo3_rev0.pdf

“Sistemas industriales distribuidos”,

Universidad de Valencia. • “Comunicaciones en Entornos Industriales”, Prof. Ing. Mario Distefano • Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo. • “Control de procesos Industriales. Control distribuido”, Departamento de Electrónica, Universidad de Alcalá. • “Sistemas operativos”, William Stallings, Prentice Hall, 1997, capítulos 1, 3, 12. • “PlantWeb”, tutorial. Fieldbus Foundation, Emerson Process Management. • “Como implementar proyectos con Foundation Fieldbus”,

tutorial, Emerson

Process Management. • http://plantweb.emersonprocess.com/university/secured_index.asp. • “Control Engineering, Control System Power and Grounding Better Practice”, David Brown, David Harold, Roger Hope, Elsevier, 2004, capítulos 2 – 5. • Books on line, DeltaV, Emerson Process Management, versiones 7-4, 8-4. • http://easydeltav.com/productdata/pds/index.asp • http://easydeltav.com/pd/WP_Busses.pdf • http://easydeltav.com/pd/PDS_MD_Controller.pdf • http://easydeltav.com/pd/PDS_fieldbus_h1_carrier.pdf • http://easydeltav.com/pd/PDS_Ff_IO.pdf • http://easydeltav.com/pd/PDS_WkstationHdware.pdf

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