SOMI XV CON – 16
INSTRUMENTACIÓN INTELIGENTE EN PLANTAS INDUSTRIALES: MITOS Y REALIDADES F.D. Soria, J.L. Ramírez Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería, División de Ingeniería Eléctrica, Departamento de Ingeniería de Control Circuito exterior s/n Edificio DIME 1º piso, Coyoacán, 04510, México, D.F. Tel. (5) 622-31-09 o 622-31-30. Fax (5) 616-18-55. e-mail:
[email protected]
RESUMEN El desarrollo tecnológico de la instrumentación de campo se ha caracterizado por la introducción de los instrumentos inteligentes (basados en microprocesadores) los cuales han ampliado la posibilidad de una comunicación local, en nodos, mallas y redes con rapidez en el intercambio de información entre sensores, actuadores y el equipo de control en la planta industrial. La comunicación bidireccional entre el cuarto de control y los niveles del proceso se convierten en una realidad y revolucionan la manera en que se ejerce y se planea la ingeniería, su operación, supervisión y mantenimiento de la planta; es decir tareas que eran tradicionalmente perfeccionadas en campo, ahora se pueden realizar desde una o varias consolas de operación, esto último con la ayuda de las computadoras. Este articulo presenta la integración de los dispositivos de campo en la información de la planta y el sistema de control conocido como “Fieldbus”, facilitando la ilustración efectiva de sus capacidades por lo que es necesario considerar la infraestructura de información. ABSTRACT
The technological development in the area of field instrumentation devices is characterised by the introduction of intelligent instruments (mricroprocesor-based) which inmediatly created the posibility of intelligent communication and exchange of information between sensors, actuators and control equipment in industrial plants. Bi-directional communication between the control room enviroment and the process level has become a reality and has revolutionised the way in which plant engineering, operation, supervision and maintenance are approached, task, which were traditionally performed in the field, can now be performed from the engineer’s console. This paper present the integration of the field devices into the plant information and control system, facilitating the effective utilisation of their capabilities, it is necessary to consider the digital information infraestructure at the field level, known as Fieldbus.
1. INTRODUCCION Los sistemas inteligentes, compuestos por sensores, software y computadoras implantadas en máquinas y dispositivos- son herramientas que la fuerza de la tecnología de computación ha traído a nuestras vidas. Juntas estas tecnologías emulan la habilidad humana de percibir, razonar, tomar decisiones y actuar como sistemas inteligentes, para poder anticiparse a los requerimientos y tratar con el medio ambiente que es complejo, desconocido e impredecible en operaciones precisas para la producción. El proceso de medición de las variables en instrumentación siempre ha tenido un papel importante en el campo de la automatización. El proceso de desarrollo evolutivo ha tomado lugar desde los instrumentos de medición mecánicos a través de los neumáticos hasta hoy en día los electrónicos, la mezcla de sistemas analógicos y digitales. La introducción de los instrumentos basados en microprocesadores va teniendo mayores oportunidades en el campo de la medición y el control. Estos desarrollos han tenido un gran incremento en las capacidades del instrumento así como en sus interfaces con el equipo de control a través de la introducción de las redes de comunicacion
CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION
SOMI XV CON – 16 digitales. Otro importante desarrollo ha sido la introducción de dispositivos de medición intrínseca para ser usados en áreas peligrosas.
Directivo
Gerente de Producción
Control de Procesos en red
Campo
Fig. 1 Pirámide de Automatización (Información típica jerárquica) Este desarrollo en la instrumentación permite que el mismo hardware, con sólo algunos cambios en el software, pueda ser usado para diferentes aplicaciones (modos de medición), dar información adicional, tal como el estado del sensor (si el valor medido es valido o no), proporcionar alguna otra información del mismo (temperatura o presión), monitoreando siempre su punto de operación, dar un diagnóstico remoto de fallas, un auto ajuste remoto y una identificación remota. Adicionalmente, puede mejor ar algunas funciones de control t ales como los lazos de control PID en sus diferentes formas y otros controles. En la mayoría de las plantas hoy en día los sensores y actuadores están conectados al equipo de control (PLC, DCS, CNC, PC y otros) mediante la única señal estandarizada, la señal analógica de 4 – 20 mA. Sin embargo el problema es como transmitir toda esta información al controlador del proceso, porque con la señal convencional de 4 – 20 mA se puede transmitir solo la información de un parámetro del proceso a la vez. La introducción de las comunicaciones digitales puras trajo una rápida y decisiva ventaja, comparado con la transmisión analógica, esto es posible usando una línea de datos común, llamada “Fieldbus”.
CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION
SOMI XV CON – 16 El sistema de “Fieldbus”, tiene relativamente tiempos de transporte cortos, pero los tiempos de señales criticas directamente desde la producción hasta los niveles de control, requieren de tiempos más cortos de respuesta. Los estándares de comunicación recientes como el HART y FOUNDATION FIELDBUS tiene dos modos de comunicación entre los dispositivos inteligentes y algún otro dispositivo del sistema- no solo un simple control de señales. Todas estas nuevas tendencias de los instrumentos inteligentes y sistemas de “Fieldbus” se deben considerar por los ingenieros para el diseño de los sistemas de producción.
2. NIVELES EN LA AUTOMATIZACIÓN La figura 1 muestra la comunicación jerárquica y las funciones por niveles. Los sensores/actuadores y el equipo de control se encuentran en el nivel de campo cuyas funciones son medir y controlar localmente, por lo que nos concentraremos en estos.
2.1 Nivel de campo En este nivel existen dispositivos de campo y Fieldbuses, por ejemplo:
2.1.1
Instrumentos de campo: Estos dispositivos cubren una gran cantidad de aplicaciones, ahora sólo cubriremos aspectos generales relacionados con la industria. Las fases de evolución de los dispositivos de campo, también llamado interfaces entre procesos y sus sistemas de control de procesos, han sido: Transductores/actuadores (hasta 1965). • • Sensores/actuadores (1965-1985): actualmente se utilizan para procesos de medición primarios tales como presión, temperatura, flujo y pH. Proporcionan salidas de 4 – 20 mA. • Instrumentos o dispositivos listos (1985-1995): también son usados para procesos de medición. Están controlados completamente por microprocesadores, que proveen dos señales: la estándar de 4 - 20 mA y señales digitales superpuestas. La inteligencia en este tipo de instrumentos consiste en el aspecto técnico de la medición y las opciones de medición. La figura 2 muestra un diagrama de bloques general de dicho instrumento. SE AL DE MEDICIÓN
Dis la A Entrada
D AMPLIFI CADOR
µP
EPROM FUENTE DE VOLTAJE
F I
4...20mA
Fig. 2 Diagrama de Bloque µP basado en mecanismos de campo
CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION
SOMI XV CON – 16
•
2.1.2
Instrumentos inteligentes (desde 1995): son también instrumentos controlados por microprocesadores, los cuales proveen señales de salida digital. De este modo, son usados en infraestructura de comunicación digital en el nivel de campo (Fieldbus). La medición técnica incluye: autorrango, linealización, compensación de temperatura, medición diferencial, autodiagnóstico, control local, estado de error, número de etiqueta, descripción virtual, Algoritmos/paradigmas e interacción en red con decisiones optimizadas.
Bus de Campo (Fieldbus):
En la figura 1 se ve claro que el Fielbus forma parte de la infraestructura de comunicación en el nivel de campo. El prerequisito de cualquier sistema de comunicación es el uso de un estándar o protocolo que defina todas las reglas para el intercambio de datos entre equipos haciendo más fácil la comunicación entre equipos e instrumentos de diferentes compañías. Pero desgraciadamente este no es el caso al presentarse los sistemas de comunicación digital. Hay también cuatro fases que caracterizan la evolución de las tecnologías de comunicación de Fieldbuses: ⇒ Neumáticos (hasta 1965). ⇒ Eléctricos (1966-1985): El Fieldbus analógico de 4 – 20 mA es la única señal estándar disponible la cual tiene la principal ventaja de simultáneamente ahorrar energía en los dispositivos y transmitir los valores de las mediciones en los mismos dos alambres de conexión (lazo de energía). Ha sido usado a pesar de sus obvias desventajas: No puede comunicar toda la información adicional en formato digital como los sensores modernos que lo procesan y lo hacen disponible; el alto costo del cableado (cableado paralelo- por cada señal un par de cables); la guía de información es unidireccional (simplex); adición innecesaria de convertidores A/D y D/A; limitaciones de realización (RFI y EMC). ⇒ Eléctricas + digitales (1985-1995): transmite dos tipos de señales: el estándar 4 – 20 mA y la señal digital de comunicación transmitida por superposición en la señal de 4 – 20 mA. Aunque en forma restringida ofrece comunicación digital. ⇒ Digitales (desde 1995): Existen diferentes sistemas de Fieldbus de diferentes compañías y organizaciones que tienen la limitación de no comunicarse entre ellas, así las dificultades en escoger un bus adecuado para su aplicación y para la integración del sistema y la información en todos los niveles de la piramide. Estos son algunos de los fielbuses: ASI, Bitbus, CAN, DIN Instrument Bus, FAIS, INTERBUS S, LON, MIL STD. 1553, MODBUS, P-NET, PROFIBUS (DP, FMS Y PA), Rackbus RS-485 y SERCOS. Dos necesidades más surgen como opciones del Fieldbus: la integración y la migración, por ejemplo la comunicación digital debe integrar la información del dispositivo de campo disponible en el sistema de control de procesos, en segundo lugar un instrumento convencional debe ser capaz de coexistir con los dispositivos de campo digitales enlazando una evolución de transición hacia un sistema completamente digital. La transmisión de datos digitales ofrece las siguientes ventajas: es bidireccional, ofrece información de alto nivel, descripción virtual del dispositivo de campo, compensación en temperatura, el estado de los dispositivos de campo, diagnóstico de error, lazo de energía, alta precisión y resolución (tres veces más precisión que los dispositivos convencionales y diez veces mas resolución en el nivel del sistema); alta flexibilidad (rápida reconfiguración de parámetros de los dispositivos de campo; eliminación del ajuste de campo; chequeo en tiempo real del estado y el diagnóstico; fácil identificación del dispositivo, eliminación de la conversión de señales; por cada proceso elegido se extrae al máximo la información; fácil ingeniería; incremento de seguridad. Además es posible definir algunos requerimientos que satisface el Fieldbus: El Fieldbus permite remotamente en el proceso de control o en el dispositivo, determinar el estado del dispositivo de
CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION
SOMI XV CON – 16 campo, mandar comandos de control hacia el dispositivo, y parametriza; estableciendo un diagnóstico de causa en caso de presentarse una falla, realizar en línea las calibraciones. Además debe cumplir con los requerimientos de: modularidad, seguridad; inmunidad a interferencias; fácil instalación, mantenimiento y programación; cableado simple punto a punto, facilidad de expandir la red. La comunicación de datos entre sensores/actuadores y el equipo de control (en el nivel del bus de campo) tienen las siguientes características: rápida, tiempo de respuesta corto y pequeños paquetes de datos. Esto proporciona una rápida respuesta a eventos críticos durante el proceso y en situaciones de manufactura. Unas ventajas adicionales del Fieldbus (topología bus) sobre las técnicas de alambrado convencional (topología estrella) de los dispositivos de campo son: detección de fallas y mantenimiento a través del automonitoreo, cableado simple, es fácil de expandir, hay una reducción en el número de comunicaciones e interfaces analógicas, reducción en el alambrado y en el costo de tarjetas de entrada/salida en el PLC y el incremento de información útil disponible. Es importante considerar las capacidades del Fieldbus para apoyar a los dispositivos inteligentes a coexistir con los convencionales. A nivel de campo el intercambio de información se caracteriza por un trafico pesado, mensajes cortos y deben ser transmitidos en forma segura y en tiempos cortos (
