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• Luis Lopez

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Sistema de Control

Sistemas para pequeñas instalaciones de control 1. Control directo por PC • La creciente capacidad de las PC's posibilita la decisión de manejar directamente las labores de control y la actuación sobre los elementos finales, mediante las interfases adecuadas. • El soporte físico se constituye por un PC con un software de adquisición de datos y control SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition) y una adecuada interfase para las entradas y salidas (E/S) de las señales de campo, a base de multiplexores y convertidores A/D y D/A. • Los procesos que utilizan esta solución normalmente no incluyen lazos de control continuos sobre los que haya de ejecutarse un algoritmo, pero, en su caso, podría incluso ejecutarse éste, un número limitado, en la propia PC. • Su desventaja radica en la frágil confiabilidad del sistema al depender sólo del procesador de la PC (único y no muy robusto) • Se usa en plantas con funciones de control de responsabilidad baja. • En cualquier otro caso, la opción a considerar debe ser la utilización de PLC's para las labores de control y la PC a las tareas exclusivamente de monitorización, como se describe en los puntos siguientes.

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Sistemas para pequeñas instalaciones de control 2. Controladores independientes multilazo • Este tipo de controladores constituyen la nueva generación del controlador de tablero, descrito como antecedente. • Las posibilidades de la electrónica han logrado que esta generación de controladores electrónicos (digitales, por supuesto) sea capaz de gobernar simultáneamente un número de lazos superior a uno (típicamente 4, 8 Ó 16), • Hoy en día la utilización habitual de estos dispositivos se reduce a pequeñas aplicaciones, no integrales, en las que el número de señales es suficientemente reducido como para no justificar sistemas más complejos. • La visualización de las variables medidas y los parámetros de control se puede realizar mediante una pequeña pantalla o visor localizada sobre el propio controlador, frecuentemente instalado en campo. La mayoría de las plantas químicas o afines exige un número de señales superior a las que justificarían la selección de un sistema de las características mencionadas por lo que su empleo no resulta demasiado frecuente en esos casos, salvo aplicaciones aisladas.

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Sistemas para pequeñas instalaciones de control

INTERFASES DEL OPERADOR

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EL PLC 677#

EL PLC - Definición

Un autómata programable o Controlador Lógico Programable (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para control de procesos secuenciales en tiempo real y en ambiente tipo industrial, aunque ahora también pueden ejercer eficientemente control regulado.

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Sistema de PLC básico 24 VCD

120 VCA

INTERRUPTOR DE LIMITE

VÁLVULA SOLENOIDE

BOTON PULSADOR MODULOS DE ENTRADA

CONTROL DEL RELEVADOR CPU

MODULOS DE SALIDA LUZ DEL PANEL

INTERRUPTOR DE NIVEL

ALIMENTACIÓN DEL SISTEMA

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El PLC

• • •

Para procesos discretos, el PLC no tiene competencia y su uso es universal. Puede manejar fácilmente señales continuas (analógicas) y algoritmos de control. Se programan, mediante una PC o un programador portátil.

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Campos de aplicación Aunque el PLC por excelencia ha sido creado para el control de procesos secuenciales, hoy en día el PLC puede además controlar lazos regulados, además de permitir el manejo de señales digitales como Ethernet, Device Net, ETC.

• • • •

Control de cualquier máquina que implique una o varias secuencias o recetas. Señalización de estados de equipos Controles regulados como PID o arreglos de PID como el control en cascada Supervisión y control básica de señales.

Por lo que el PLC puede tener aplicaciones en las siguientes áreas:

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Ventajas y desventajas del PLC Ventajas • CONFIABILIDAD. Una vez que un programa se ha escrito y se han localizado y corregido errores, éste puede fácilmente transferirse y descargarse a otros PLC • FLEXIBILIDAD. Las modificaciones del programa pueden hacerse fácilmente, inclusive en campo con diferentes niveles de acceso • FUNCIONES AVANZADAS. Amplia variedad de tareas de control, desde una sola acción repetitiva hasta el control complejo de datos. • COMUNICACIONES. Facilidad de envió o recepción de datos y el intercambio de información. • VELOCIDAD. Característica de los sistemas digitales. • DIAGNÓSTICO. Permiten a los usuarios localizar y corregir fácilmente los problemas de software y hardware

Desventajas • Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, • El costo inicial también puede ser alto.

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ESTRUCTURA DE UN PLC

ESTRUCTURA EXTERNA Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado: •Estructura compacta. •Estructura semimodular ( Estructura Americana) •Estructura modular (Estructura Europea)

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Estructura compacta

Este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc.. Son los autómatas de gama baja o nanoautómatas los que suelen tener una estructura compacta. Su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas muy pequeñas o cuadros de mando.

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Estructura semimodular

Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S . Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructura semimodular (Americana).

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Estructura modular

Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el autómata como puede ser una fuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen. Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución.

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FUENTE DE PODER

CPU

4 RANURAS

FUENTE DE PODER

CPU

8 RANURAS

FUENTE DE CPU PODER

16 RANURAS

MONTAJE MODULAR TIPICO DE LOS PLC´s

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TARJETA DE COMUNICACIONES DEL PLC

MONITOR A COLOR

IMPRESORA TECLADOS CABLE DE COMUNICACIONES

FUENTE DE CPU XX DI PODER

DI DI

DI DO DO DO AI AI

AI AO AO TC TC TC

16 RANURAS

ARREGLO TIPICO DE UN SISTEMA BASADO EN UN PLC

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SEÑALES DE/A CAMPO

RED DE CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES 689#

ESTRUCTURA INTERNA DE UN PLC

MEMORIA

MICROPROCESADOR

- Sistema operativo - Memoria de E/S - Programa de usuario - Memoria de estados internos - Salvaguarda de datos - Variables interna

- Vigila el tiempo de ejecución - Ejecuta el programa usuario - Crea imagen de entradas - Actualiza el edo. de salidas - Chequea el sistema.

REGISTROS Y UNIDADES E/S

ACOPLADORES E/S

- SENSORES - ACTUADORES

E/S SERIE

RELOJ

EXPANSION E/S

- E/S ADICIONALES - E/S ESPECIALES

- RS-485 - RS-232 - MODBUS - UNIDADES DE PROG

FUENTE DE ALIMENTACION

BUS EXPANSION

RED INDUSTRIAL LAN WAN

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SECUENCIA DE OPERACIÓN DE UN PLC IMAGEN DE LAS ENTRADAS

ENTRADAS

EJECUCIÓN DEL PROGRAMA DE USUARIO

IMAGEN DE LAS SALIDAS

SALIDAS

WATCHDOG (PERRO GUARDIÁN)

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Funciones del PLC

Redes de comunicación Entradas/ salidas distribuidas

Buses de campo

Control de Procesos continuos

Funciones Avanzadas Del PLC Sistemas de supervisión

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Programación de lógica de escalera

• Formato típico de lógica de escalera • Instrucciones de lógica de escalera • Diagramas de cableado Entrada/Salida

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Formato típico de la lógica de escalera

Continuous path required Se requiere de una trayectoria for logic continua para continuity la continuidad lógica

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Formato típico de la lógica de escalera

Escalón 0 BOTON PULSADOR BOTON PULSADOR N.A. NORMALMENTE CERRADO ARRANQUE PARO I:1/1 I:1/0

ARRANQUE DEL MOTOR O:3/0

ARRANQUE DEL MOTOR O:3/0

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Diagrama del cableado de entradas SLOT 1 PB1

H

ARRANQUE PB PB2 K1

PARO PB MOTOR AUX.

0

I:1/00

1

I:1/01

2

I:1/02

3

I:1/03

4

I:1/04

5

I:1/05

6

I:1/06

7

I:1/07

N NEUTRo

HOT 120V CA

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Diagrama del cableado de salidas CA SALIDA MODULO SLOT 3

120 VCA H

N

H

O:3/0

0

O:3/1

1

O:3/2

2

O:3/3

3

O:3/4

4

O:3/5

5

O:3/6

6

O:3/7

7 N

ARRANCADOR DE LA BOMBA

K1

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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD)

Sistema de procesamiento de información cuyos resultados son dados en desplegados gráficos, reportes, sumarios, índices, tendencias, balances e involucra el acondicionamiento de señales. De acuerdo al tamaño y complejidad del monitoreo de procesos y sistemas de control existen desde sistemas de control simples y sencillos hasta sistemas de control distribuido grandes (SCD). Su elemento mas importante es la computadora.

699#

DAS Convencional

700#

SISTEMA DE CONTROL SEÑALES DEL PROCESO (DE SENSORES, TRANSMISORES O INTERRUPTORES)

SEÑALES HACIA LOS

ASOCIADO

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

(ANALOGICO o DIGITAL)

SEÑALES ANALOGICAS

SEÑALES DIGITALES A/ D

ACONDICIO NADOR DE S EÑA LES

Y MULTIPLEXOR

SISTEMA DE

INFORMACION PROCESADA

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION

DESPLEGADOS GRAFICOS REPORTES SUMARIOS INDICES TENDENCIAS BALANCES, ETC.

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS (SAD)

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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (Características)

- Cuentan con herramientas de software sofisticado y poder computacional. - Los datos se adquieren directamente a través de la computadora (con tarjetas de E/S), o remotamente a partir de un sistema de control distribuido (DCS) o controladores lógicos programables (PLCs). - Su aplicación más común es en pequeños sistemas como plantas piloto y laboratorios. - La modularidad y flexibilidad de los sistemas los hacen fácil para reconfigurar para distintas aplicaciones.

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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (Características)

- Los sistemas basados en PC no son usualmente apropiados para aplicaciones críticas a menos que la redundancia sea construida dentro del sistema. - Actualmente cuentan con herramientas de comunicación entre procesos, como TCP/IP.

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SISTEMAS SCADA SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION

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DEFINICIÓN DE SCADA

“Un sistema SCADA es definido como sistemas usados para control Supervisorio, adquisición de datos, control automático o ambos (ANSI/IEEE)”. Normalmente se refiere a sistemas de control digital cuyos constituyentes se encuentran ampliamente dispersos, utilizando en su sistema estaciones remotas con comunicaciones en redes de área local o de area extendida. Un sistema SCADA consiste de una o más estaciones maestras que recopilan datos transmitidos por los controles de una o más estaciones remotas.

705#

SISTEMA SCADA

Los sistemas SCADA son comúnmente usados por compañías que transportan productos por tubería (gaseoductos, oleoductos, etc.) y energía eléctricas. Otras aplicaciones incluyen compañías de agua, tratamiento de agua, transportación, y otros sistemas industriales que requieren adquisición de datos y control remoto. En todos estos sistemas el SCADA es considerado como un componente critico de la operación, así que, hay que tomar cuidado de asegurar la confiabilidad de las estaciones remotas y maestras.

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MODEM

MODEM

MODEM

RADIO UNIDAD TERMINAL MAESTRA MODEM

INTERFASES RADIO

RADIO MODEM

MODEM UNIDAD TERMINAL REMOTA No. 4

UNIDAD TERMINAL REMOTA No. 1

UNIDAD TERMINAL REMOTA No. 2

UNIDAD TERMINAL REMOTA No. 3

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708#

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

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SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) Es una red de procesadores digitales de información, con sistema operativo distribuido y procesamiento en “tiempo real”, operando bajo los preceptos de la teoría del control automático que reúne toda la funcionalidad requerida para realizar funciones de control y adquisición de datos, incluyendo las interfases gráficas con el operador, alarmas, tendencias, historización, control continuo y discontinuo, sistemas que permiten la configuración, redundancias de hardware, generación de reportes y la capacidad de comunicarse con otros sistemas digitales; presentando una arquitectura que permite la integración del control de procesos con la administración de la empresa.

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SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) Consola central de control

TRAYECTORIA DE DATOS Controlador basado en micro -procesador 1

Controlador basado en micro -procesador 2

Controlador basado en micro -procesador N

Unidad de Proceso 1

Unidad de Proceso 2

Unidad de Proceso N

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SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO Características

- Integración de control lógico y continuo - Biblioteca de funciones de control continuo y discreto - Configuración de llenado de blancos - Historización de datos, eventos y alarmas - Autodiagnóstico - Redundancia total - Autoentonamiento - Diferentes tipos de arquitecturas - Niveles de seguridad y acceso a áreas - Arquitectura abierta - Comunicación TCP/IP - Diferentes niveles de integración - Opción de control avanzado - Costo alto 712#

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO Como en cualquier sistema basado en computadoras, existe el hardware y el software. Mucho del hardware del SCD es común a todas las computadoras. El software es el que se explota para desarrollar algoritmos específicos para aplicaciones particulares. Sus elementos básicos de hardware son: •

• • • •

Interfase hombre-máquina – Teclado – Pantalla – Display gráfico – Display de gráfica de la tendencia – Resumen de alarmas Memoria Red de comunicación Controladores basados en microcontrolador Tarjetas de E/S 713#

MODULOS DE CONTROL (SU NUMERO DEPENDE DEL TIPO DE SISTEMA DE CONTROL)

C-1

SEÑALES DEL PROCESO (DE SENSORES, TRANSMISORES O INTERRUPTORES) SEÑALES ANALOGICAS

Y

C-2

C-3

C-4 SEÑALES HACIA LOS

INTERFASES DE ENTRADA CON EL PROCESO

SEÑALES DIGITALES

C-5

C-6

C-7

C-8

SEÑALES MULTIPLEXADAS

SISTEMA DE COMUNICACIONES

A/DE OTROS SISTEMAS

INTERFASES DE SALIDA CON EL PROCESO

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL SEÑALES ANALOGICAS

Y

SEÑALES DIGITALES

SEÑALES MULTIPLEXADAS

DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO MASIVO

INTERFASES MAQUINA-MAQUINA

DESPLEGADOS GRAFICOS REPORTES INTERFASES CON EL OPERADOR

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

SUMARIOS INDICES INFORMACION PROCESADA

TENDENCIAS BALANCES, ETC.

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) ALTERNATIVA No. 1 (DISTRIBUCION FUNCIONAL UNICAMENTE)

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INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA

INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

CANAL DE COMUNICACIONES

CANAL DE COMUNICACIONES

CANAL DE COMUNICACIONES

INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA

CANAL DE COMUNICACIONES

INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

SISTEMA DE ENLACE O O DE COMUNICACIONES

CANAL DE COMUNICACIONES

A/DE OTROS SISTEMAS

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA

CANAL DE COMUNICACIONES

INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA

INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA

DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO MASIVO

INTERFASES MAQUINA-MAQUINA

DESPLEGADOS GRAFICOS INTERFASES CON EL OPERADOR

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

REPORTES SUMARIOS INFORMACION PROCESADA

INDICES TENDENCIAS BALANCES, ETC.

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) ALTERNATIVA No. 2 (DISTRIBUCION FUNCIONAL Y GEOGRAFICA)

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ARQUITECTURA LINEAL TIPO BUS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO Módulo de Cálculo

Módulo de Registro de eventos

Módulo de Historia Módulo de Acceso a computadora

Interfase hombre-Máquina

Módulo de Aplicación

Otros Módulo de Control Laser printer PC

PC

PC

RED DE CONTROL LOCAL

Interfase Serial para PC

Controlador Extendido

Interfase de propósito general

Controlador de Multifunción

Puerto de la pista de datos

Controlador de procesos críticos

Conexiones del proceso

Workstation

PISTA DE DATOS

Controlador Básico

Controlador Avanzado (HPM)

E/S Remotas

Interfase con Unidades del proceso

Conexiones del proceso

Estación de operador

PC

Interfase de red de alta Velocidad

Interfase de baja Velocidad

RED UNIVERSAL DE CONTROL

Interfase de Procesador

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717#

DISPLAY GRÁFICO DE UN SCD

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DISPLAY DE TENDENCIA DE UN SCD

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RESUMEN DE ALARMAS DE UN SCD

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COMPARACIÓN ENTRE UN SCADA Y UN SCD

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