Integracion y Conectividad de Sistemas DCS: consideraciones y criterios

15 Octubre 2011

 

Hoy en día podemos conectar en una Laptop o una handheld wireless y uno puede acceder a toda la información, pantallas e inteligencia que existe en cualquier red DCS. Esta capacidad, en combinación con capacidades de auto-sintonización y características de optimización, realizar arranques fáciles y operación mucho más eficiente, entre otras más.
El entrenamiento para operadores para el arranque de una planta o start-up, operación y parada también se puede simplificar gracias a las capacidades de los simuladores de procesos. Si el modelo de simulación integra al proceso en si y su sistema de control, entonces se puede entrenar a operadores sin el riesgo de errores en el proceso de aprendizaje mientras que la planta esta corriendo, en conclusión todos beneficiados.
Pero esto es solo una parte de la historia, en el otro lado de la moneda el hecho de que algunos proveedores de DCS (vendors) venden sus productos sin “cadenas” (software es extra) y esperan que los usuarios hagan ese trabajo por ellos mismos, me refiero a preparar algoritmos de control, faceplates, y entorno de HMI). Ademas, de estos costos escondidos, los problemas incluyen la falta de estandarización debido a la competencia comercial entre vendors y limitaciones de conectividad entre sistemas.
Conectividad e Integración
En el presente, cerca del 80% de toda la producción industrial aun continua siendo controlada por sistemas análogos, pero los sistemas modernos de control instalados en plantas nuevas tienen capacidades de inteligencia y auto diagnóstico de los instrumentos de campo (sensores, válvulas, motores, dispositivos de seguridad) , un numero de buses de red o “data highways”, los cuales sirven para integrar estos dispositivos de campo con los Workstations del DCS (sirviendo para el control / operación, ingeniería, históricos, mantenimiento), además de la red de la planta sirviendo para funciones de planeamiento y negocio, y sin olvidar PC externos para el modelamiento del proceso y funciones de simulación.
Figura
La tendencia parece ser que HART (hoy por hoy) tomaría el estándar como interfaz para sistemas analógicos y Ethernet esta aun manejando la mayoría de soluciones de oficina. Y bueno SCADA sirve para combinar los datos de campo y de control y proveer al operador una visión general de toda la planta.
Un protocolo es un lenguaje que los computadores hablan, si dos cajas negras (equipos) en una refinería no hablan el mismo lenguaje, las consecuencias pueden ser serias. Para evitar esto a pesar de que cada fabricante quiere hacer prevalecer un protocolo propietario, el IEC (International Electrotechnical Commission) ha estandarizado  ocho protocolos que se listan a continuación:
Aunque no hay un protocolo de bus de campo común en los DCS, todos convergen y usan Ethernet en la capa física y TCP/IP como capa de transporte. Generalmente MODBUS TCP es usado como interface entre los diferentes protocolos de DCS.
Organizando el Proyecto
Integracion de la Instrumentación de Campo: en una planta nueva, el primer paso debería ser especificar todos los sensores, transmisores, válvulas de control, actuadores, posicionadores, controladores locales, motores, válvulas solenoides, y cualquier otro equipamiento de campo que necesita comunicar información o recibir comandos desde el sistema DCS sobre las redes.
Cuando el proyecto consiste en una modificación de una planta existente, todas las interfaces entre las instalaciones existentes y nuevas deben ser especificadas (dibujo). Existen tres tipos de interfaces que son el Object Linking Embedding (OLE), gateway serial-to-highway (de baja velocidad a alta velocidad) y puertos serial-to-serial (enlace entre protocolos de baja velocidad). Dado que los transmisores digitales, analizadores inteligentes, actuadores digitales, y arrancadores de motores utilizan una amplia variedad de protocolos de comunicación, los fabricantes proveen tarjetas de interfaz para los protocolos estandarizados. Estos protocolos estandarizados son HART, DeviceNet, Foundation Fieldbus, AS-Interface, ProfiBus, Modbus, o AB’s Data Highway Plus. Esta integración no es tan simple como uno podría pensar, porque no hay una estandarización internacional y algunos dispositivos de campo inteligentes son propietarios.
Integración segura: el segundo paso es especificar los requerimientos de la red en términos de las necesidades de la capa física redundante y también en términos del número y tipo de niveles de red requeridos. Hasta aquí, donde el sistema instrumentado de seguridad (SIS) ya está definido para la planta y donde está decidido si el SIS y el sistema de control están separados, entonces debemos definir el tipo de interfaz de integración a usar. Aunque si el sistema de seguridad y control no están separados, debemos tomar decisiones de priorizar lógica, redundancia, cableado, etc.
Algunos fabricantes proveen redundancia implementando dos de cada componente de un sistema estándar; otros proveen redundancia solo para algunos componentes como fuentes de alimentación, red, controladores remotos, etc. Y con la redundancia hay diferentes métodos de realizar el swithover (cambio en caso de falla) el cual puede ser automático o manual.
Integración del Mantenimiento y Simulación: el tercer paso es especificar los requerimientos de la interfaz entre los sistemas de control y mantenimiento y decidir las herramientas de optimización, simulación, entrenamiento y comisionamiento que serán usadas y además necesarias para integrarse dentro de todo el paquete de automatización de la planta.
Respecto a la simulación del proceso, existen mucha variedad de paquetes de software de modelación del proceso y estos podrían residir en una PC separada. Importante es que estos software tengan acceso al bus de comunicación de control para acceder a la información sin interrumpir las funciones de control.
Integración de la Red y Bus: el cuarto paso es seleccionar la red a usar. Profibus y Foundation FieldBus es soportado por Siemens, Endress & Hauser, Yokogawa, Rosemount, Invensys, ABB, Emerson, Honeywell (otros más también). La mayoría de fabricantes de DCS aceptan el estándar de buses de campo IEC1158-2 para integrar sus sistemas, además el estándar IEC-61804 especifica los bloques de funciones para interfaces entre tecnologías, mientras que en otros casos puede ser integrados mediante bloques “proxy” los cuales mapean la data desde un sistema a otro (data de control o monitoreo y además diagnósticos, mantenimiento y seguridad). La interfaz MODBUS puede ser utilizada para integrar DCS existentes con los nuevos.
En este cuarto paso el usuario debe evaluar la mejor opción para los requerimientos de los tres pasos anteriores.
Seleccionando el DCS: el quinto y último paso de este proceso de diseño de un sistema de control para una planta es enviar todo el “paquete” para recibir las respectivas propuestas. Solo los fabricantes de DCS que suportan la red seleccionada deberían ser invitados para cotizar. En las especificaciones es importante listar todos los dispositivos de campo inteligentes y sistemas externos que deben ser integrados dentro del sistema de control en general. En esta propuesta se debería requerir al fabricante de DCS incluir todo lo necesario, tanto en términos de hardware y software para integrar dispositivos externos y sistemas dentro de todo el sistema de control. De igual manera, es esencial especificar que paquetes de software (herramientas de control avanzado, mantenimiento, gráficos, simulación, entrenamiento etc.) están incluidos en la propuesta.
En términos de requerimientos gráficos, el paquete de software debería estar acorde con el estándar IEC61131-3. Además de la lista de pantallas (gráficos, detalles, faceplates, resumen de alarmas y eventos, tendencias, sintonización, diagnostico, reportes, etc.) los cuales el proveedor de DCS es responsable de entregar, así como los estándares de construcción de los mismos.
La especificación debe también contener las responsabilidades y obligaciones entre el usuario, la firma de ingeniería, el integrador de sistemas, y el proveedor de DCS para control avanzado, grafico, simulación, entrenamiento y comisionamiento. Con relación de la puesta en marcha, las responsabilidades deben ser bien específicas en relación con la capacitación, compras, pruebas de Instrumentacion y buses de campo, sistema de seguridad, pruebas de control avanzado, puesta en marcha y sintonización de controladores.
Probablemente, si las recomendaciones de arriba son tomadas en cuenta, los costos extras y demoras serán minimizadas. Y con esto reducir demoras en las implementaciones, problemas en la puesta en marcha y seguridad.
EL futuro:
Tomará al menos un par de décadas, eso espero, para que las redes propietarias desaparezcan y solo haya una única red de comunicación industrial estándar. Espero que el tiempo en que todos los dispositivos se puedan conectar a cualquier red y que todo software pueda ser embebido dentro de cualquier sistema DCS este próximo.
La tendencia, como paso con la PC y el internet, es la estandarización global y que cualquier paquete de software puede ser instalado en cualquier computador. Lo que se necesita para lograr esta estandarización global en el campo del control de procesos es una presión comercial por parte de los usuarios. Las sociedades de profesionales y grupos jugaran un papel importante en la aceleración de este proceso.

 

Hoy en día podemos conectar en una Laptop o una handheld wireless y uno puede acceder a toda la información, pantallas e inteligencia que existe en cualquier red DCS. Esta capacidad, en combinación con capacidades de auto-sintonización y características de optimización, realizar arranques fáciles y operación mucho más eficiente, entre otras más.

 

El entrenamiento para operadores para el arranque de una planta o start-up, operación y parada también se puede simplificar gracias a las capacidades de los simuladores de procesos. Si el modelo de simulación integra al proceso en si y su sistema de control, entonces se puede entrenar a operadores sin el riesgo de errores en el proceso de aprendizaje mientras que la planta esta corriendo, en conclusión todos beneficiados.

 

En este articulo hablaremos de las consideracion que debemos tener para integrar sistemas DCS en plantas nuevas y/o existentes.

 

Conectividad e Integración

En el presente, cerca del 80% de toda la producción industrial aun continua siendo controlada por sistemas análogos, pero los sistemas modernos de control instalados en plantas nuevas tienen capacidades de inteligencia y auto diagnóstico de los instrumentos de campo (sensores, válvulas, motores, dispositivos de seguridad) , un numero de buses de red o “data highways”, los cuales sirven para integrar estos dispositivos de campo con los Workstations del DCS (sirviendo para el control / operación, ingeniería, históricos, mantenimiento), además de la red de la planta sirviendo para funciones de planeamiento y negocio, y sin olvidar PC externos para el modelamiento del proceso y funciones de simulación.

 

La tendencia parece ser que HART (hoy por hoy) tomaría como estándar de interfaz para sistemas analógicos. Un protocolo es un lenguaje que los computadores hablan, si dos cajas negras (equipos) en una refinería no hablan el mismo lenguaje, las consecuencias pueden ser serias. Para evitar esto a pesar de que cada fabricante quiere hacer prevalecer un protocolo propietario, el IEC (International Electrotechnical Commission) ha estandarizado  ocho protocolos que se listan a continuación:

Aunque no hay un protocolo de bus de campo común en los DCS, todos convergen y usan Ethernet en la capa física y TCP/IP como capa de transporte. Generalmente MODBUS TCP es usado como interface entre los diferentes protocolos de DCS.

 

Organizando un Proyecto

Integracion de la Instrumentación de Campo: en una planta nueva, el primer paso debería ser especificar todos los sensores, transmisores, válvulas de control, actuadores, posicionadores, controladores locales, motores, válvulas solenoides, y cualquier otro equipamiento de campo que necesita comunicar información o recibir comandos desde el sistema DCS sobre las redes.

 

Cuando el proyecto consiste en una modificación de una planta existente, todas las interfaces entre las instalaciones existentes y nuevas deben ser especificadas (dibujo). Existen tres tipos de interfaces que son el Object Linking Embedding (OLE) ó OPC, gateway serial-to-highway (de baja velocidad a alta velocidad) y serial-to-serial (enlace entre protocolos de baja velocidad). Dado que los transmisores digitales, analizadores inteligentes, actuadores digitales, y arrancadores de motores utilizan una amplia variedad de protocolos de comunicación, los fabricantes proveen tarjetas de interfaz para los protocolos estandarizados. Estos protocolos estandarizados son HART, DeviceNet, Foundation Fieldbus, AS-Interface, ProfiBus, Modbus, o AB’s Data Highway Plus. Esta integración no es tan simple como uno podría pensar, porque no hay una estandarización internacional y algunos dispositivos de campo inteligentes son propietarios.

 

Integración segura: el segundo paso es especificar los requerimientos de la red en términos de las necesidades de la capa física redundante y también en términos del número y tipo de niveles de red requeridos. Hasta aquí, donde el sistema instrumentado de seguridad (SIS) ya está definido para la planta y donde está decidido si el SIS y el sistema de control están separados, entonces debemos definir el tipo de interfaz de integración a usar. Aunque si el sistema de seguridad y control no están separados, debemos tomar decisiones de priorizar lógica, redundancia, cableado, etc.

Algunos fabricantes proveen redundancia implementando dos de cada componente de un sistema estándar; otros proveen redundancia solo para algunos componentes como fuentes de alimentación, red, controladores remotos, etc. Y con la redundancia hay diferentes métodos de realizar el swithover (cambio en caso de falla) el cual puede ser automático o manual.

 

Integración del Mantenimiento y Simulación: el tercer paso es especificar los requerimientos de la interfaz entre los sistemas de control y mantenimiento y decidir las herramientas de optimización, simulación, entrenamiento y comisionamiento que serán usadas y además necesarias para integrarse dentro de todo el paquete de automatización de la planta.

 

Respecto a la simulación del proceso, existen mucha variedad de paquetes de software de modelación del proceso y estos podrían residir en una PC separada. Importante es que estos software tengan acceso al bus de comunicación de control para acceder a la información sin interrumpir las funciones de control.

 

 

Integración de la Red y Bus: el cuarto paso es seleccionar la red a usar. Profibus y Foundation FieldBus es soportado por Siemens, Endress & Hauser, Yokogawa, Rosemount, Invensys, ABB, Emerson, Honeywell (otros más también). La mayoría de fabricantes de DCS aceptan el estándar de buses de campo IEC1158-2 para integrar sus sistemas, además el estándar IEC-61804 especifica los bloques de funciones para interfaces entre tecnologías, mientras que en otros casos puede ser integrados mediante bloques “proxy” los cuales mapean la data desde un sistema a otro (data de control o monitoreo y además diagnósticos, mantenimiento y seguridad). La interfaz MODBUS puede ser utilizada para integrar DCS existentes con los nuevos.

 

En este cuarto paso el usuario debe evaluar la mejor opción para los requerimientos de los tres pasos anteriores. Aqui una tabla con características de los principales buses de campo:

 

Seleccionando el fabricante DCS: el quinto y último paso de este proceso de diseño de un sistema de control para una planta es enviar todo el “paquete” para recibir las respectivas propuestas. Solo los fabricantes de DCS que suportan la red seleccionada deberían ser invitados para cotizar. En las especificaciones es importante listar todos los dispositivos de campo inteligentes y sistemas externos que deben ser integrados dentro del sistema de control en general. En esta propuesta se debería requerir al fabricante de DCS incluir todo lo necesario, tanto en términos de hardware y software para integrar dispositivos externos y sistemas dentro de todo el sistema de control. De igual manera, es esencial especificar que paquetes de software (herramientas de control avanzado, mantenimiento, gráficos, simulación, entrenamiento etc.) están incluidos en la propuesta.

 

En términos de requerimientos gráficos, el paquete de software debería estar acorde con el estándar IEC61131-3. Además de la lista de pantallas (gráficos, detalles, faceplates, resumen de alarmas y eventos, tendencias, sintonización, diagnostico, reportes, etc.) los cuales el proveedor de DCS es responsable de entregar, así como los estándares de construcción de los mismos.

 

La especificación debe también contener las responsabilidades y obligaciones entre el usuario, la firma de ingeniería, el integrador de sistemas, y el proveedor de DCS para control avanzado, grafico, simulación, entrenamiento y comisionamiento. Con relación de la puesta en marcha, las responsabilidades deben ser bien específicas en relación con la capacitación, compras, pruebas de Instrumentacion y buses de campo, sistema de seguridad, pruebas de control avanzado, puesta en marcha y sintonización de controladores.

 

Probablemente, si las recomendaciones de arriba son tomadas en cuenta, los costos extras y demoras serán minimizadas. Y con esto reducir demoras en las implementaciones, problemas en la puesta en marcha y seguridad.

 

EL futuro:

Tomará al menos un par de décadas, eso espero, para que las redes propietarias desaparezcan y solo haya una única red de comunicación industrial estándar. Espero que el tiempo en que todos los dispositivos se puedan conectar a cualquier red y que todo software pueda ser embebido dentro de cualquier sistema DCS este próximo.

La tendencia, como paso con la PC y el internet, es la estandarización global y que cualquier paquete de software puede ser instalado en cualquier computador. Lo que se necesita para lograr esta estandarización global en el campo del control de procesos es una presión comercial por parte de los usuarios. Las sociedades de profesionales y grupos jugaran un papel importante en la aceleración de este proceso.

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

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