Los componentes (características) principales en la arquitectura de todo DCS son:

 

  • La configuración del sistema
  • Comunicaciones
  • Control
  • Alarmas y Eventos
  • Diagnostico
  • Redundancia
  • Datos Históricos
  • Seguridad
  • Integración

 

 

Configuración del Sistema

Como en una computadora, debemos decirle a todo el equipamiento de un DCS que debe hacer. Programar las instrucciones del sistema de control generalmente es llamado Configuración. Hay muchos aspectos que involucran una configuración, la configuración física y de las estrategias de control. Estas dos actividades generalmente se realizan en paralelo y pensadas en conjunto con la ingeniería del proyecto DCS.

 

La configuración de la base de datos de control habilita a los usuarios para crear y modificar las estrategias de control y descargar estas estrategias en los controladores distribuidos, consolas (paneles) y dispositivos a través la red de control. Típicamente, las estrategias de control se construyen uniendo Functions Blocks o bloques simplemente, Gráficos funcionales de secuencias o Secuential Functional Charts (SFC), y representaciones de unidades de proceso y equipamiento, los cuales realizan funciones dentro del esquema de control leyendo en entradas y actualizando las salidas de otros bloques funcionales o en las mismos puntos I/O.

 

La configuración también permite diseñar, crear o modificar interfaces de operación, la cual son usadas por aplicaciones de visualización para mostrar datos de proceso a los operadores y habilitar a operadores cambiar puntos de seteo para el sistema de control del proceso. Cada controlador y, en algunos casos, dispositivos de campo guardan y ejecutan las aplicaciones de control. Los elementos que intervienen en la configuración básicamente se muestran en la siguiente figura.

 

Entorno de Configuración del DCS IA Series - InFusion de Invensys

 

 

Para aplicaciones de carácter mandatario y altamente criticas, un registro de cambios puede activar para hacer la configuración del sistema de control. Como un “seguimiento auditadle” se almacena todos los cambios y la hora y la fecha en que fueron hechos. En algunos casos también se permite deshacer cambios.

 

Configuración Física:

La configuración física refiere a la configuración de los nodos, tarjetas I/O y dispositivos. En muchos sistemas esta actividad es muy simplificada usando una opción de auto configuración “auto-sense”. La configuración física es parte de la configuración del sistema, como se muestra en la figura abajo.

 

 

Estrategias de Control o Lógica

Un sistema de control distribuido debe tener una nomenclatura definida para representar y referencias información. Idealmente, las referencias pueden ser hechas independientes de los dispositivos físicos que almacenan esta información. Una manera común de dividir la información de los sistemas de control es tomando en cuenta los números de  identificación o simplemente “tags” y los códigos de las áreas o unidades de la planta.

 

Acorde con el estándar S88 define el agrupamiento lógico de las mediciones, cálculos y control como módulos o paquetes. Por ejemplo, consideremos un modulo de un instrumento con tag 200FI102, esto quiere decir que representa a un indicador de flujo Nro 102 en el área 200 de la planta). Dentro de este modulo o estrategia los bloques de cálculo identificados como CALC1 se hacen usando entradas AI1 y AI2 y generando una salida como se muestra en la siguiente figura:

 

 

Siguiendo el tag de la estrategia o modulo y la nombres de los bloques funcionales, la salida del bloque de calculo es identificado como 200FI02/CALC1/OUT. En algunos casos llaman a esto la DIRECCION de la señal. Personalmente y según estándares de las mejores casas de ingenierías del mundo, cada bloque funcional tiene una nomenclatura corta y el código identificador del lazo o estrategia, para nuestro ejemplo CALC1 podría llamarse 200FI02CA.

 

Los sistemas de DCS soportan múltiples lenguajes para realizar estrategias de control. Los lenguajes incluyen diagramas de bloques funcionales, SFC (sequence funtion charts), Texto estructurado y también pueden incluir Diagramas Ladder y listas de instrucciones (como RPN). Algunos sistemas son compatibles con el estándar IEC 61131-3. En la mayoría de sistemas de control también se incluyen interlocks y permisivos. Algunos sistemas también soportan embeber funciones de control avanzado y de seguridad. Las estrategias de control pueden frecuentemente se mezcladas. Las estrategias también pueden referencias señales I/O tanto locales como remotas (de otros controladores).

 

Una importante característica de los sistemas DCS es su habilidad bajo ciertas condiciones realizar upgrades o actualizaciones en línea. En el caso de fallar, estos sistemas tienen la capacidad de mantener las salidas en su último valor, usar un valor por defecto, o cambiar el estado a uno conocido.

 

Una de las características que hace un sistema de control distribuido muy potente es su Librería de Funciones, la cual esta disponible y puede ser usada solo con referencialas. Esta disponibilidad simplifica muchas tareas de un ingeniero de control, si claro esta se esta familiarizado con determinado fabricante.

 

Lo que distingue a algunos fabricantes de DCS de la mayoría de fabricantes de PLCs (y también entre proveedores de DCS en si), es la cantidad o tamaño y calidad de los algoritmos de las librerías que viene embebidas y están disponibles con los paquetes básicos. Cuando estos paquetes vienen con algunas funciones de control avanzado, esto puede hacer toda la diferencia para determinar el poder de desición entre uno u otro.

 

Algunas de estas librerías importantes pueden ser para entradas analógicas, manejo de tiempo muerto, manejo de la banda muerta de control, filtros de setpoint, PID avanzados, caracterización de setpoint y variables de proceso para procesos no lineales, compensaciones dinámicas, control feedfordward, antireset windup (integral), self-tunning, algoritmos de optimización, estadísticas, fuzzy, redes neuronales, entre muchas otras.

 

La configuración de una estrategia de control usualmente hace uso de estas librerías con lógica pre-hecha. Esta lógica pre hecha y lista para cambiar parámetros puede ser enlazada (instanciarlas) a estrategias finales de control, para que el caso de que se realice algún cambio en la librería estos sean automáticamente propagados en cada ítem que provenga de esta.

 

Particularmente, cuando se define la ingeniería del proyecto se definen los “típicos” de las estrategias de control, de las cuales van a derivas las estregáis de control reales o finales. De manera tal de ahorrar espectacularmente el tiempo de desarrollo de la configuración y además del mantenimiento.

 

En los proximos articulos seguiremos hablando de los componentes faltantes como Alarmas y Eventos, Diagnostico, Redundancia, Datos Históricos, Seguridad, Integración.
 
 
Que te parecio el articulo?

 

 

Una red de alta velocidad o red de control en un DCS, consta de todos los medios necesarios para propagar la información desde/a los procesadores hasta/desde cada una las estaciones y servidores involucrados. Estos medios pueden ser switches administrables, cables ethernet de cobre, cable de fibra óptica tanto multimodo como monomodo, media converters, conectores, fuentes redundantes, divisores de señales (splitters), tarjetas de red de cobre o de fibra óptica, etc. Las redes de control de hoy en día están basadas en el estándares Ethernet IEEE 802.3u (Fast Ethernet) y IEEE 802.3z (gigabit Ethernet)

 

En algunos DCS, la red de control se divide en dos: una red para la comunicación exclusiva entre módulos I/O y procesadores de control a través de medios como fibra óptica, y otra para la comunicación entre procesadores de control y estaciones de operación/servidores. Esto depende de las necesidades del usuario final.

 

A continuación vemos una red de control simple con dos estaciones de operación, dos procesadores de diferente tipo y módulos de entrada/salida (a través de módulos de comunicación) todo esto conectado a la red de control mediante enlaces redundantes ya sea de fibra óptica o cobre. Podemos apreciar que aun cuando un enlace de algún equipo periférico (Workstation, procesador, módulos de comunicación, etc.) se interrumpiera el otro enlace sigue activo permitiendo que el sistema siga operando con normalidad. Cada equipo se conecta a la red de control de forma redundante y cada uno de estos enlaces a diferentes switches.

 

"Mesh Control Network" del DCS Foxboro IA Series - Basica

 

A nivel de la red de control (mira los cuatro switches) la idea aquí es que entre dos equipos periféricos (por ejemplo un procesador y una estación de operación) exista la mayor cantidad de caminos o rutas posibles de manera que si por ejemplo un switch activo (es decir que esta permitiendo la comunicación) entra en falla, automáticamente uno de los caminos o rutas secundarias entre en operación y permita mantener la comunicación. Si este segundo camino o ruta se interrumpiera también (por falla de cables o equipos) un tercer camino se deberá activar, y así sucesivamente tantos caminos o rutas sea posible tener. Dependiendo de la topología que implementemos podremos tener mas caminos entre equipos periféricos, aunque evidentemente esto se tornará mas costoso.

 

Red de Control Simple - DCS DeltaV

 

La administración de estos caminos o rutas, se realizan mediante algún protocolo dentro de los switches que generalmente es el Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), y además previene loops y provee alta velocidad en la respuesta de red entre fallas de caminos.

 

En general la red de control de DCS está provista para amplia escalabilidad, es decir alta flexibilidad para crecer ante las necesidades del usuario final. En cuanto a los switches diversos fabricantes de DCS tienen convenios con las principales marcas de switches del mercado como CISCO, Enterasys, entre otras.

 

En el siguiente artículo hablaremos sobre las diversas topologías más comunes usadas hoy en día en los sistemas de control distribuidos, tales como:

 

  • Lineal
  • Anillo
  • Estrella
  • Árbol Invertido
  • Árbol Invertido Modificado

 

 

 

Los sistemas de control distribuido incluyen, entre otros componentes, estaciones de trabajo (de operación e ingeniería), controladores, tarjetas I/O, buses I/O, una red de control de alta velocidad, tecnología de control y software (mucho software).
A continuación veamos los principales componentes de un sistema de control distribuido (en un esquema muy básico):
La instrumentación y/o dispositivos inteligentes se encargan de recolectar el valor de la variable de planta o se enviar las señales de control y tomar acción en el proceso físico. Aparte estos dispositivos pueden recolectar vas amplitud de variable adicionales como Tag, descripción, fallas, diagnósticos, estado del equipo, variables secundarios, etc. además de poder configurarlos remotamente desde una estación de mantenimiento. Esto es posible si tienen la capacidad de comunicarse mediante algún protocolo de campo como HART (mínimo), Profibus, Foundation FieldBus, DeviceNet, etc. Además cuando el diseño lo requiere en el mismo instrumento se puede implementar alguna lógica de control y mediante el bus de comunicación tomar acción sobre elementos de control final.
Para cada tipo de comunicación proveniente de los dispositivos de campo, existe una tarjeta I/O específica. El cableado de las señales (bus o punto a punto) en primera instancia se conectoriza a una tarjeta acondicionadora de señales (Terminal Assemblys) para que luego estas señales ya acondicionadas ingresen a los procesadores de digitalización de las señales comúnmente llamados FBMs (Field Bus Module). En la figura siguiente se muestra un Terminal Assembly y una FBM del DCS I/A Series de Invensys Foxboro.
Los controladores recogen las señales de dispositivos análogos, digitales o mediantes de buses de campo. Generalmente todas las señales I/O (proveniente de buses de campo o punto a punto) convergen en una red Ethernet (por fibra óptica o cobre) o en un bus de alta velocidad (como el HDLC – High Level Data Link Control protocol) para hacer llegar/enviar las señales de campo hasta/desde el controlador. Es allí donde se ejecuta la lógica de control recepcionando y enviando señales de/hacia campo, ejecutando control tipo continuo, batch, secuencial, ladder, etc.
La red de control (de alta velocidad) contiene los datos de los instrumentos y del controlador y hace que estén disponibles para las estaciones o servidores dentro de la red de un DCS como estaciones de operación, estaciones de ingeniería, base de datos de control, historizadores, sistemas de alarmas, generadores de reportes, etc. En estos nodos (estaciones) se ejecutan una variedad de aplicaciones de software que permiten al operador o ingeniero de control realizar las tareas de operación/mantenimiento. El sistema podría también soportar la simulación del proceso para fines de entrenamiento de personal o pruebas de software de control avanzado, y al mismo tiempo continuar actualizando la base de datos de configuración principal.
Generalmente los DCS son vendidos como un solo y único paquete. Los fabricantes no venden porciones del sistema, esto porque en un DCS todas las partes funcionan juntas como un SOLO SISTEMA, estas deben ser completamente integradas y probadas como un sistema. Dado que los componentes

Los sistemas de control distribuido incluyen, entre otros componentes, estaciones de trabajo (de operación e ingeniería), controladores, tarjetas I/O, buses I/O, una red de control de alta velocidad, tecnología de control y software (mucho software).

 

A continuación veamos los principales componentes de un sistema de control distribuido (en un esquema muy básico):

 

 

La instrumentación y/o dispositivos inteligentes se encargan de recolectar el valor de la variable de planta o se enviar las señales de control y tomar acción en el proceso físico. Aparte estos dispositivos pueden recolectar vas amplitud de variable adicionales como Tag, descripción, fallas, diagnósticos, estado del equipo, variables secundarios, etc. además de poder configurarlos remotamente desde una estación de mantenimiento. Esto es posible si tienen la capacidad de comunicarse mediante algún protocolo de campo como HART (mínimo), Profibus, Foundation FieldBus, DeviceNet, etc. Además cuando el diseño lo requiere en el mismo instrumento se puede implementar alguna lógica de control y mediante el bus de comunicación tomar acción sobre elementos de control final.

 

Para cada tipo de comunicación proveniente de los dispositivos de campo, existe una tarjeta I/O específica. El cableado de las señales (bus o punto a punto) en primera instancia se conectoriza a una tarjeta acondicionadora de señales (Terminal Assemblys) para que luego estas señales ya acondicionadas ingresen a los procesadores de digitalización de las señales comúnmente llamados FBMs (Field Bus Module). En la figura siguiente se muestra un Terminal Assembly y una FBM del DCS I/A Series de Invensys Foxboro.

 

 

 

Los controladores recogen las señales de dispositivos análogos, digitales o mediantes de buses de campo. Generalmente todas las señales I/O (proveniente de buses de campo o punto a punto) convergen en una red Ethernet (por fibra óptica o cobre) o en un bus de alta velocidad (como el HDLC – High Level Data Link Control protocol) para hacer llegar/enviar las señales de campo hasta/desde el controlador. Es allí donde se ejecuta la lógica de control recepcionando y enviando señales de/hacia campo, ejecutando control tipo continuo, batch, secuencial, ladder, etc. En la figura siguiente se muestran dos tipos de controladores del DCS IA Series de Invensys Foxboro:

 

 

 

La red de control (de alta velocidad) contiene los datos de los instrumentos y del controlador y hace que estén disponibles para las estaciones o servidores dentro de la red de un DCS como estaciones de operación, estaciones de ingeniería, base de datos de control, historizadores, sistemas de alarmas, generadores de reportes, etc. En estos nodos (estaciones) se ejecutan una variedad de aplicaciones de software que permiten al operador o ingeniero de control realizar las tareas de operación/mantenimiento. El sistema podría también soportar la simulación del proceso para fines de entrenamiento de personal o pruebas de software de control avanzado, y al mismo tiempo continuar actualizando la base de datos de configuración principal.

 

 

Generalmente los DCS son vendidos como un solo y único paquete. Los fabricantes no venden porciones del sistema, esto porque en un DCS todas las partes funcionan juntas como un SOLO SISTEMA, estas deben ser completamente integradas y probadas como un sistema.

 

En el proximo articulo veremos un poco mas a fondo que hay detrás de la red de control, sus especificaciones generales y topologías.

 

Ahora quiero que me dejes tu comentario!!! vamos animate!!!

 

Para que podamos tener claro los conceptos y diferenciar bien que es un Sistema SCADA y sus diferencias con un DCS, vamos a hablar de las características esenciales de un Sistema SCADA y sus principales funciones.
Con un procesador único (generalmente) con tareas de administrar múltiples funciones de control, con comunicación digital entre unidades de procesamiento, son usados para la administración de "sistemas" que tienen amplia naturaleza de expansión sobre regiones geográficas. Estos sistemas son generalmente llamados como SCADA, del acrónimo Supervisory Control and Data Adquisition (Supervisión de Control y Adquisición de Datos).
Un sistema SCADA tipo consiste en múltiples dispositivos como Unidades Terminales Remotas (Remote Terminal Unit o simplemente RTU) enlazados con transmisores de proceso y elementos finales de control, implementando funciones de control básica como Start/Stop de motores y lazos de control PID. Estos dispositivos RTU se comunican digitalmente con una Unidad Terminal Maestra (Master Terminal Unit o MTU) en una ubicación central donde operadores pueden monitorear el procesos y enviar comandos.
En la siguiente fotografía se muestra un rack de un RTU que opera en una subestación eléctrica a kilómetros de la unidad centrar:
Los Controladores Lógicos Programables (PLCs) son candidatos ideales para ser usados como dispositivos RTU. Los PLCs modernos tienen todos los tipos de I/O, dispositivos de red, y algoritmos de control suficientes como para operar como unidades terminales remotas. Generalmente los software de Interface Hombre Maquina ó HMIs (Human-Machine Interfase) permiten a computadoras personales o Workstations recolectar los valores provenientes de las RTUs o PLCs convirtiendo cada computadora en una Unidad Terminal Maestra (MTU), donde los operadores pueden visualizar las variables de proceso, cambiar setpoints, y enviar cualquier otro comando para controlar el proceso.
A continuación se muestra una fotografía de un software HMI usado para monitorear un sistema SCADA para un proceso de compresores de gas natural:
Un concepto muy cercado a SCADA es TELEMETRIA, esta palabra literalmente significa "medición a distancia". El acrónimo SCADA, contiene la palabra "control", que implica "two-way" o dos maneras de comunicación (medición y control) entre la localización maestra y la localización remota. En aplicaciones donde el flujo de información es estrictamente de una vía "one-way" o simple desde la localización remota hacia la localización maestra, podemos que sería una aplicación o sistema de Telemetría.
Los sistemas de Telemetría tienen una amplia aplicación en investigaciones científicas y de medio ambiente. Por ejemplo Sismógrafos, medición de flujo de ríos y canales, estaciones meteorológicas, y otros tipos de instrumentos medición son conectados (usualmente por enlaces de radio) a algún centro de recolección de datos. Cualquier medición industrial realizada a largas distancias podrías ser clasificada como un sistema de telemetría, aunque podrías algunas veces encontrar el término "SCADA" aplicado incluso si la comunicación es simple o una sola vía.

 

Para que podamos tener claro los conceptos y diferenciar bien que es un Sistema SCADA y sus diferencias con un DCS, vamos a hablar de las características esenciales de un Sistema SCADA y sus principales funciones.

 

Con un procesador único (generalmente) con tareas de administrar múltiples funciones de control, con comunicación digital entre unidades de procesamiento, son usados para la administración de "sistemas" que tienen amplia naturaleza de expansión sobre regiones geográficas. Estos sistemas son generalmente llamados como SCADA, del acrónimo Supervisory Control and Data Adquisition (Supervisión de Control y Adquisición de Datos).

Un sistema SCADA tipo consiste en múltiples dispositivos como Unidades Terminales Remotas (Remote Terminal Unit o simplemente RTU) enlazados con transmisores de proceso y elementos finales de control, implementando funciones de control básica como Start/Stop de motores y lazos de control PID. Estos dispositivos RTU se comunican digitalmente con una Unidad Terminal Maestra (Master Terminal Unit o MTU) en una ubicación central donde operadores pueden monitorear el procesos y enviar comandos.

 

En la siguiente fotografía se muestra un rack de un RTU que opera en una subestación eléctrica a kilómetros de la unidad centrar:

 

Los Controladores Lógicos Programables (PLCs) son candidatos ideales para ser usados como dispositivos RTU. Los PLCs modernos tienen todos los tipos de I/O, dispositivos de red, y algoritmos de control suficientes como para operar como unidades terminales remotas. Generalmente los software de Interface Hombre Maquina ó HMIs (Human-Machine Interfase) permiten a computadoras personales o Workstations recolectar los valores provenientes de las RTUs o PLCs convirtiendo cada computadora en una Unidad Terminal Maestra (MTU), donde los operadores pueden visualizar las variables de proceso, cambiar setpoints, y enviar cualquier otro comando para controlar el proceso.

 

A continuación se muestra una fotografía de un software HMI usado para monitorear un sistema SCADA para un proceso de compresores de gas natural:

 

Un concepto muy cercado a SCADA es TELEMETRIA, esta palabra literalmente significa "medición a distancia". El acrónimo SCADA, contiene la palabra "control", que implica "two-way" o dos maneras de comunicación (medición y control) entre la localización maestra y la localización remota. En aplicaciones donde el flujo de información es estrictamente de una vía "one-way" o simple desde la localización remota hacia la localización maestra, podemos que sería una aplicación o sistema de Telemetría.

 

Los sistemas de Telemetría tienen una amplia aplicación en investigaciones científicas y de medio ambiente. Por ejemplo Sismógrafos, medición de flujo de ríos y canales, estaciones meteorológicas, y otros tipos de instrumentos medición son conectados (usualmente por enlaces de radio) a algún centro de recolección de datos. Cualquier medición industrial realizada a largas distancias podrías ser clasificada como un sistema de telemetría, aunque podrías algunas veces encontrar el término "SCADA" aplicado incluso si la comunicación es simple o una sola vía.

 

 

 

La instalación de un sistema DCS es de mucha importancia para el personal de seguridad y la confiabilidad del sistema. Los pasos involucrados en la instalación de un sistema de control distribuido incluyen:
- Energizado y aterramiento (Power and Grounding)
- Armado del Sistema
- Calefaccion, Ventilacion y aire a condicionado (HVAC)
- Cableado de campo y revisión
- Instalacion de Buses o red de datos
Durante la instalación del sistema de control se ejecutan multiples pasos que pueden ser ejecutados en paralelo para reducir el tiempo de instalación requerido. Los grupos de electricidad e instrumentacion deben trabajar de la mano con la forma de ingeniería responsable del diseño del sistema y documentación. Durante el comisionamiento, las hojas de lazos, diagramas P&D, y demás detalles de la documentación tienen que ser revisados minuciosamente. Si hubiera que realizar cambios en las instalaciones debemos verificar su impacto en la configuración del sistema para no tener sorpresas en adelante.
Energizado y puesta a tierra
Si un proceso es crítico para la operación de la planta y se desea minimizar las interrupciones, se deberían incluir fuentes de energía secundarias independientes en el diseño de la planta. Los efectos del ruido eléctrico puede ser minimizados utilizando fuentes de energía AC aisladas, puesta a tierra en puntos concretos, lo que minimizaría la influencia negativa en el cableado de señales ante campos eléctricos, además de la selección de cableado adecuado y sus rutas, incluyendo una adecuada separación. Una puesta a tierra correcta es importante para la seguridad del usuario y la operación eficiente de nuestro sistema de control. Los métodos de instalación para obtener una buena potencia y puesta a tierra son definidas en los estándares definidos en la industria (). A continuación podemos ver un típico sistema de aterramiento:
Durante la instalación, debemos revisar o supervisar la calidad de la energía y la puesta a tierra del sistema de control. Para esto debemos verificar los niveles de voltaje, carga diseñada en el transformador, y niveles de ruido.
Lograr un voltaje CERO referencia con la línea de tierra es esencial para confirmar un adecuado aterramiento. La figura siguiente muestra algunos puntos importantes a tener en cuenta a la hora de realizar la instalación de la puesta a tierra:
A: Colocar cable aislado, de tamaño
B: Cuando se use sistemas de tierra dedicada, y cuando la conexión galvánica con la tierra de la planta sea requerida, esta conexión debe tener una inductancia de > o = 20uH, con baja capacitancia parasita. Por esto se debe usar una adecuada impedancia a alta frecuencias, o un conductor aislado de 6 AWG (16mm2) mínimo, con una longitud de 20m (60ft).
C: Cada fuente de energía del sistema debe retornar a un único punto de tierra. Los siguientes valores de resistencia para puesta a tierra deben ser tomados (recomendados por el estándar IEEE 142):
- Para aplicaciones de plantas de energía, la resistencia debe ser 1 OHM o menos.
- Para plantas industriales, la resistencia de la tierra debe 5 OHM o menos.

 

La instalación de un sistema DCS es de mucha importancia para el personal de seguridad y la confiabilidad del sistema. Los pasos involucrados en la instalación de un sistema de control distribuido incluyen:

- Energia y aterramiento (Power and Grounding)

- Armado del Sistema

- Calefaccion, Ventilacion y aire a condicionado (HVAC)

- Cableado de campo y revisión

- Instalacion de Buses o red de datos

Durante la instalación del sistema de control se ejecutan multiples pasos que pueden ser ejecutados en paralelo para reducir el tiempo de instalación requerido. Los grupos de electricidad e instrumentacion deben trabajar de la mano con la forma de ingeniería responsable del diseño del sistema y documentación. Durante el comisionamiento, las hojas de lazos, diagramas P&D, y demás detalles de la documentación tienen que ser revisados minuciosamente. Si hubiera que realizar cambios en las instalaciones debemos verificar su impacto en la configuración del sistema para no tener sorpresas en adelante.

Energia y puesta a tierra


Si un proceso es crítico para la operación de la planta y se desea minimizar las interrupciones, se deberían incluir fuentes de energía secundarias independientes en el diseño de la planta. Los efectos del ruido eléctrico puede ser minimizados utilizando fuentes de energía AC aisladas, puesta a tierra en puntos concretos, lo que minimizaría la influencia negativa en el cableado de señales ante campos eléctricos, además de la selección de cableado adecuado y sus rutas, incluyendo una adecuada separación. Una puesta a tierra correcta es importante para la seguridad del usuario y la operación eficiente de nuestro sistema de control. Los métodos de instalación para obtener una buena potencia y puesta a tierra son definidas en los estándares definidos en la industria (). A continuación podemos ver un típico sistema de aterramiento:

Durante la instalación, debemos revisar o supervisar la calidad de la energía y la puesta a tierra del sistema de control. Para esto debemos verificar los niveles de voltaje, carga diseñada en el transformador, y niveles de ruido.

 

Lograr un voltaje CERO referencia con la línea de tierra es esencial para confirmar un adecuado aterramiento. La figura siguiente muestra algunos puntos importantes a tener en cuenta a la hora de realizar la instalación de la puesta a tierra:

A: Colocar cable aislado, de tamaño

B: Cuando se use sistemas de tierra dedicada, y cuando la conexión galvánica con la tierra de la planta sea requerida, esta conexión debe tener una inductancia de > o = 20uH, con baja capacitancia parasita. Por esto se debe usar una adecuada impedancia a alta frecuencias, o un conductor aislado de 6 AWG (16mm2) mínimo, con una longitud de 20m (60ft).

C: Cada fuente de energía del sistema debe retornar a un único punto de tierra. Los siguientes valores de resistencia para puesta a tierra deben ser tomados (recomendados por el estándar IEEE 142):

- Para aplicaciones de plantas de energía, la resistencia debe ser 1 OHM o menos.

- Para plantas industriales, la resistencia de la tierra debe 5 OHM o menos.

 

 

 

 

Algoritmos de control avanzado basados en modelos
Hoy en día no es ninguna novedad la existencia y aplicación de estrategias de control donde el controlador es cargado con el modelo del proceso y por consiguiente puede comparar la respuesta del proceso real con el proceso del modelo y actuar sobre la diferencia de la misma manera de como un controlador PID actúa sobre el error en la medida.
Por lo que en este curso veremos las diferentes estrategias avanzadas de control que podemos encontrar en los DCS modernos, hoy por hoy.
Smith Predictor:
un proceso con tiempo muerto acelerado, este método de control “Smith Predictor” da una buena respuesta de setpoint sin sobre impulso, dado que esto es ligeramente mejor que un control PID regular respondiendo ente cambios de carga. Su acción se genera comparando a la variable controlada desde un modelo de proceso, el cual no tiene tiempo muerto con la variable  controlada medida desde el proceso real.
Shinskey ha mostrado que un controlador regular PIDtd (el cual es mucho más sencillo de sintonizar que predictor Smith) puede darnos una performance similar bajo las mismas condiciones. En la figura de abajo se muestra la respuesta mejorada de un controlador PIDtd comparado con controladores regulares PI y PID.
Modelo Predictivo de Control (MPC): estos controladores, donde el modelo del controlador es la inversa de la dinámica del modelo de proceso, son llamados de diferente manera, incluyendo Modelos de Controladores Internos (IMC) y lambda, Dahlin, o controladores de cancelación. De todos los proveedores de DCS, solo en algunos podemos ver que existe paquetes pequeños de MPC (ocho entrada y ocho salidas) dentro del mismo software o embebidas, y por tanto para modelos más grandes esto tiene que ser externo. De hecho la mayor cantidad de controladores MPC tienen que ser externos (superpuestos) y integrados dentro del sistema DCS. Si el modelo del proceso es muy preciso (usualmente no lo es) y la dinámica del proceso no cambia (usualmente cambian con los cambios de carga) la performance de un MPC será superior a un PID. En la mayoría de los casos la dinámica de los procesos varian con los cambios de carga, y en esos casos la respuesta de un MPC será lenta a menos que el modelo sea actualizado (adaptado) de forma periódica.
Cuando el modelo MPC es usado en un simulador, es posible ver la respuesta actual del proceso antes de que esta respuesta ocurra. Alguna de las ventajas los controladores MPC es que puede ser usado para el entrenamiento de los operadores (simulación) y la habilitad de ajustar la velocidad de ejecución.
Una de sus limitaciones son el alto costo para desarrollar modelos de procesos precisos que se auto-adapten en los cambios de la dinámica del proceso.
Logica Difusa o Fuzzy: lo que un buen operador hace es muy difícil describirlo en una ecuación matemática. Es por esta razón que para procesos muy complejos (como por ejemplo el aterrizaje  de un helicóptero) que no pueden ser controladores de una manera convencional son frecuentemente dejados para ser controlados de manera manual. Esto es porque el operador agrega una variedad de información y combinadas en estrategias o habilidades, y esto no puede ser integrado en una simple ley de control.
Una razón del porque los controles convencionales no pueden ser usados en algunos procesos que son no lineales. Si la no linealidad es precisamente conocida y esta no cambia con cambios de carga o el tiempo, los controles PID convencionales pueden ser usados después de caracterizar a la medida y setpoint (ver figura abajo), cuando esto no es posible una de las opciones es considerar lógica difusa o fuzzy.
El primer paso para desarrollar un modelo fuzzy es conversar con los ingenieros y operadores de planta para aprender de ellos acerca de las variables de proceso que han influenciado (positiva o negativamente) en la variable controlada y aproximar el tamaño de las influencias en factores de “peso”. Lo que se requiere para una lógica fuzzy es que el proceso sea controlado en modo manual por un operador y que esa información este disponible, es decir donde se muestre como se logra el control manual.
Basado en esa información recolectada, se establecen reglar para determinar la salida del controlador en base a un numero de funciones de entrada, y cada una de estas funciones es escalada para describir su influencia en la salida total.
Redes Neuronales (ANN Control): las redes neuronales artificiales (ANN) son similares a los controladores de lógica difusa en la medida que el modelo matemático que relaciona las entradas y las salidas no necesita ser conocido. La principal diferencia es que una ANN solo pueden ser “entrenadas”, las ganancias de sus funciones no pueden cambiar, estas son fijadas.
Algunas aplicaciones exitosas de ANN incluyen la predicción de valores de pH en tanques agitados y la predicción puntos de ebullición en procesos de destilación. Las ANN han mostrado su habilidad para aprender la dinámica del proceso muy bien si se les provee de datos de entrenamiento necesarios.
Un ejemplo de una red neuronal de tres capas se muestra en la figura siguiente. Aquí la meta es controlar la presión de vapor de Reid de productos base y el punto de ebullicion de 95% sin que sea medido directamente. En cambio, son medidas una variedad de propiedades (nueve nodos de entrada) y, basados en cantidades de data histórica, los valores en tiempo real son detectados para estas dos variables controladas. Entre las capas de entrada y salida de este exemplo existen cuatro nodos adicionales en una capa escondida y el bias.
La principal ventaja de las ANN (redes neuronales) es su abilidad para predecir las variables controladas cuando estas no pueden ser medidas online o los analizadores (online o en el laboratorio) tomas una gran cantidad de tiempo para analizar la muestra. El modelo ANN puede tener mas de tres capas y más de nueve entrada. Pequeñas aplicaciones de ANN pueden ser embebidas en casi todos los DCS, mientras que para aplicaciones grandes usualmente usualmente se utilizan interfaces desde el DCS

 

Hoy en día no es ninguna novedad la existencia y aplicación de estrategias de control donde el controlador es cargado con el modelo del proceso y por consiguiente puede comparar la respuesta del proceso real con el proceso del modelo y actuar sobre la diferencia de la misma manera de como un controlador PID actúa sobre el error en la medida.

Por lo que en este curso veremos las diferentes estrategias avanzadas de control que podemos encontrar en los DCS modernos, hoy por hoy.

Smith Predictor: un proceso con tiempo muerto acelerado, este método de control “Smith Predictor” da una buena respuesta de setpoint sin sobre impulso, dado que esto es ligeramente mejor que un control PID regular respondiendo ente cambios de carga. Su acción se genera comparando a la variable controlada desde un modelo de proceso, el cual no tiene tiempo muerto con la variable  controlada medida desde el proceso real.

Shinskey ha mostrado que un controlador regular PIDtd (el cual es mucho más sencillo de sintonizar que predictor Smith) puede darnos una performance similar bajo las mismas condiciones. En la figura de abajo se muestra la respuesta mejorada de un controlador PIDtd comparado con controladores regulares PI y PID.

 

Modelo Predictivo de Control (MPC): estos controladores, donde el modelo del controlador es la inversa de la dinámica del modelo de proceso, son llamados de diferente manera, incluyendo Modelos de Controladores Internos (IMC) y lambda, Dahlin, o controladores de cancelación. De todos los proveedores de DCS, solo en algunos podemos ver que existe paquetes pequeños de MPC (ocho entrada y ocho salidas) dentro del mismo software o embebidas, y por tanto para modelos más grandes esto tiene que ser externo. De hecho la mayor cantidad de controladores MPC tienen que ser externos (superpuestos) y integrados dentro del sistema DCS. Si el modelo del proceso es muy preciso (usualmente no lo es) y la dinámica del proceso no cambia (usualmente cambian con los cambios de carga) la performance de un MPC será superior a un PID. En la mayoría de los casos la dinámica de los procesos varian con los cambios de carga, y en esos casos la respuesta de un MPC será lenta a menos que el modelo sea actualizado (adaptado) de forma periódica.

 

Cuando el modelo MPC es usado en un simulador, es posible ver la respuesta actual del proceso antes de que esta respuesta ocurra. Alguna de las ventajas los controladores MPC es que puede ser usado para el entrenamiento de los operadores (simulación) y la habilitad de ajustar la velocidad de ejecución.

 

Una de sus limitaciones son el alto costo para desarrollar modelos de procesos precisos que se auto-adapten en los cambios de la dinámica del proceso.

 

Logica Difusa o Fuzzy: lo que un buen operador hace es muy difícil describirlo en una ecuación matemática. Es por esta razón que para procesos muy complejos (como por ejemplo el aterrizaje  de un helicóptero) que no pueden ser controladores de una manera convencional son frecuentemente dejados para ser controlados de manera manual. Esto es porque el operador agrega una variedad de información y combinadas en estrategias o habilidades, y esto no puede ser integrado en una simple ley de control.

 

Una razón del porque los controles convencionales no pueden ser usados en algunos procesos que son no lineales. Si la no linealidad es precisamente conocida y esta no cambia con cambios de carga o el tiempo, los controles PID convencionales pueden ser usados después de caracterizar a la medida y setpoint (ver figura abajo), cuando esto no es posible una de las opciones es considerar lógica difusa o fuzzy.

El primer paso para desarrollar un modelo fuzzy es conversar con los ingenieros y operadores de planta para aprender de ellos acerca de las variables de proceso que han influenciado (positiva o negativamente) en la variable controlada y aproximar el tamaño de las influencias en factores de “peso”. Lo que se requiere para una lógica fuzzy es que el proceso sea controlado en modo manual por un operador y que esa información este disponible, es decir donde se muestre como se logra el control manual.

 

Basado en esa información recolectada, se establecen reglar para determinar la salida del controlador en base a un numero de funciones de entrada, y cada una de estas funciones es escalada para describir su influencia en la salida total.

 

Redes Neuronales (ANN Control): las redes neuronales artificiales (ANN) son similares a los controladores de lógica difusa en la medida que el modelo matemático que relaciona las entradas y las salidas no necesita ser conocido. La principal diferencia es que una ANN solo pueden ser “entrenadas”, las ganancias de sus funciones no pueden cambiar, estas son fijadas.

 

Algunas aplicaciones exitosas de ANN incluyen la predicción de valores de pH en tanques agitados y la predicción puntos de ebullición en procesos de destilación. Las ANN han mostrado su habilidad para aprender la dinámica del proceso muy bien si se les provee de datos de entrenamiento necesarios.

 

Un ejemplo de una red neuronal de tres capas se muestra en la figura siguiente. Aquí la meta es controlar la presión de vapor de Reid de productos base y el punto de ebullicion de 95% sin que sea medido directamente. En cambio, son medidas una variedad de propiedades (nueve nodos de entrada) y, basados en cantidades de data histórica, los valores en tiempo real son detectados para estas dos variables controladas. Entre las capas de entrada y salida de este exemplo existen cuatro nodos adicionales en una capa escondida y el bias.

La principal ventaja de las ANN (redes neuronales) es su abilidad para predecir las variables controladas cuando estas no pueden ser medidas online o los analizadores (online o en el laboratorio) tomas una gran cantidad de tiempo para analizar la muestra. El modelo ANN puede tener mas de tres capas y más de nueve entrada. Pequeñas aplicaciones de ANN pueden ser embebidas en casi todos los DCS, mientras que para aplicaciones grandes usualmente usualmente se utilizan interfaces desde el DCS.

 

 

 


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