Diseñando Sistemas de Control Robustos: Criterios Generales para lograr una Arquitectura Industrial

Ing. Ygor B. Guilarte López
InTech México Automatización,
Edición Octubre – Diciembre 2009.


Debido al significativo aumento en la calidad de los productos y mejoras en los procesos de manufactura, es una tendencia natural asumir que la confiabilidad y robustez de los bienes disponibles en el mercado está garantizada. En el caso particular de los sistemas de control, las nuevas generaciones de ingenieros en ocasiones omiten y desconocen las mejores prácticas producto de la experiencia de la industria en más de 100 años de medición y control de procesos. A continuación, algunos conceptos a tomar en cuenta.


BREVE RESEÑA HISTÓRICA

Los sistemas de control iniciaron en la década de los 60’s con la implementación de computadores de gran escala centralizados (“Mainframe”) en refinerías de petróleo bajo el concepto de Control Digital Directo (DDC). Bajo esta topología, el cálculo tanto de las estrategias de control como las aplicaciones escritas en lenguaje Fortran o Cobol residían en esas unidades centrales de procesamiento, desde donde se indicaba directamente el valor final de la válvula de control, a través de un sistema de control analógico.

Se consideraba una alta confiabilidad del 70% 0180%, utilizando el emblemático sistema IBM/360 en 1964.

Los Sistemas de Control Distribuidos (DCS) fueron la respuesta al aumento de la confiabilidad al distribuir las funciones de control por áreas de planta. Los DCS fueron anunciados en 1975 por Yokogawa (Centum) y Honeywell (TDC2000) casi simultáneamente. Varios fabricantes anunciaron sistemas usando minicomputadores PDP-11 en 1959 de Digital Equipment Corporation (DEC).

Central al modelo DCS fueron los bloques de funciones de control; en el cual se emulaba los componentes analógicos iniciales en “bloques” de código. Se dio paso al control del punto de ajuste (“setpoint”) y programas orientados a objetos como el PID. Este concepto prevalece hasta el día de hoy en protocolos digitales de campo de la Fundación Fieldbus, a cambio de los programas de tablas primitivas de sistemas DDC.

Los DCS originales tenían computadores y sistemas operativos propietarios con redes de control determinísticas bajo directores de tráfico. En los 80’s vino entonces la era centrada en las redes, adaptando inicialmente la norma IEEE802.4. Como los DCS estaban siendo meramente reemplazo de los controles analógicos y paneles mímicos por CRTs sin ninguna mejora, Purdue definió un modelo de referencia, bases de la norma ISA95 actual.

Se creyó que una apertura con mayor cantidad de datos compartidos en toda la planta, podrían lograr mejores beneficios. Los fabricantes adoptaron el sistema operativo predominante: UNIX, al igual que su compañero tecnológico de red: el protocolo TCP/IP desarrollado por la secretaría de defensa en EEUU. Sin embargo, las redes basadas en Ethernet tenían protocolos propietarios, siendo el sistema Foxboro l/A Series ™ de Foxboro el primer DCS en tener base de datos globales orientadas a objetos.

Los 90′ s se conoció como la era centrada en la aplicación. La apertura previa ganó momento con la adopción de componentes comerciales y estándares impulsados por la Tecnología de la Información. Ocurrió entonces el mayor cambio al transitar de UNIX a MS Windows®, aunque las variantes en tiempo real propietarios de UNIX reinan a nivel de los controladores de proceso.

La presencia de Microsoft permitió el desarrollo de OPC como estándar de facto para la conectividad. La era de los 90’s también fue conocido como la “guerra de los buses” para sustituir la señalización 4-20mA analógica por comunicación digital. El mercado se consolidó alrededor de Fundación Fieldbus y Profibus PA. La nueva generación de “Sistemas de Automatización de Procesos (PAS)” integró la funcionalidad original de PLCs y DCS. La próxima evolución será los “Sistemas Colaborativos de Automatización de Procesos”, como el Centum® VP de Yokogawa.

ADAPTANDO EL SISTEMA AL PROCESO

Con el aumento en la capacidad computacional de los microprocesadores, los técnicos tienden a eliminar la mayor cantidad posible de controladores para lograr reducir el costo. Se olvida fácilmente los fundamentos de distribución del control (DCS) para adaptar el proceso al sistema y no al revés.

Considerar la modularidad en planta para lograr mayor flexibilidad operacional es más importante; sobre todo en aquellos procesos donde exista más de un tren de producción que permita disgregar estos de los servicios comunes. Lo ideal es que un controlador se asocia a cada unidad o tren para facilitar las labores de mantenimiento o reducir pérdidas ante la contingencia de un paro no programado.

Profundizando en el mismo criterio, se suelen utilizar indiscriminadamente tarjetas de entrada / salida de alta densidad.

Las buenas prácticas de la industria estadísticamente han documentado usar en aplicaciones críticas sól041azos analógicos máximo por módulo o 2 lazos por cada canal FF Hl disminuye el riesgo. Dado que los controladores actuales pueden ser ubicados en áreas remotas clasificadas (Zona 2/Clase 1 Div. 2) podemos reducir la costosa construcción y cableado multiconductor al distribuir controladores en cuartos satélites (“Remote Instrument Building, RIBs”). En estos casos es recomendable instalar estaciones de operación en esos RIBs, en casos que falle la comunicación con la sala de control central.

Al propio tiempo, deben tomarse en cuenta todas las previsiones de áreas clasificadas y proteger al máximo la exposición de gabinetes a gases contaminantes, puesta a tierra, aire acondicionado, inmunidad a radiaciones electromagnéticas, etc.

DIMENSIONANDO EL CONTROLADOR

La teoría de control básica indica que la capacidad de procesamiento de todo controlador depende en líneas generales del volumen de datos y señales de proceso a supervisar; la velocidad de respuesta requerida y la complejidad de las estrategias de control a implantar. Utilizar los máximos teóricos indicados en la literatura es un error. Aunque la mayoría de los fabricantes prevén un margen interno para un manejo inesperado de alto tráfico (ejemplo, una falla generando un sin fin de alarmas siempre se debe dejar una reserva total de al menos 20%.

Los sistemas originalmente indicaban una referencia llamada bloque equivalente, para determinar el peso proporcional de ejecutar cada bloque funcional. Por ejemplo, un bloque PID equivalía a 3 veces un Bloque equivalente, mientras que supervisar una variable analógica sólo uno. Al conocer el número y velocidad de bloques equivalentes máximos se estima el desempeño teórico. Si bien el cálculo detallado se realiza durante la ingeniería de detalle, es importante contactar al especialista del proveedor del sistema para cuantificar correctamente su cantidad y reserva.

LA CONFIABILIDAD ANTE TODO

Se sostiene que en una refinería todos los lazos son críticos. Ciertamente, cuando el incendio es una realidad con la que hay que convivir por lo inflamable de todos los derivados que circulan, hay que adoptar esquemas cada vez más robustos.

Por definición, siempre se utilizan esquemas de redundancia, incluyendo arreglos llamados tolerantes a fallas. Actualmente, se puede lograr disponibilidad de hasta siete 9’s (99.99999%).

Para ello, las fuentes, los procesadores, el bus de comunicación y módulos de l/O deben estar bajo configuración redundante, sin punto común de falla. Una mejora al esquema es la tecnología conocida como Par y Repuesto (“Pair & Spare”); cada módulo controlador cuenta con dos CPUs cada uno. TÜV Rheinland lo certificó tan confiable para aplicarla en sistemas instrumentados de seguridad (SIS, SIL3).

IMPLANTANDO FUNDACIÓN FIELDBUS

En la implementación exitosa de un proyecto con bus digital, debemos seguir las siguientes guías:

  • Comprender las diferencias tanto en la ejecución del proyecto y el sistema con el convencional.
  • Establecer procedimientos de ingeniería y entrenamiento temprano a los involucrados.
  • Confirmación de la inter-operatividad de los instrumentos y pre-asignación de rutas y datos.
  • Utilizar ambas tecnologías FDT/DTM y DD.

Aplicar un bus digital siguiendo los criterios de cajas de conexionado analógica, limita los beneficios. Es importante en el diseño de segmentos la atención a la longitud del cable, la fuente de alimentación de energía, el macro ciclo para el tiempo de respuesta.

Como siempre, debemos concentrarnos en la funcionalidad, la aplicación, la velocidad de respuesta y su distribución en planta; evitando fijar cantidades de cada componente (ejemplo, predefinir número de segmentos e instrumentos por canal). Esto sólo bloquea el grado de libertad para la configuración óptima a recomendar por el fabricante.

Es altamente recomendable que el servidor cumpla con las pruebas HIST (“Host Interoperability Support Test”) establecido por la Fundación como mínimo.

DEL CONTROL BÁSICO AL AVANZADO

Aplicar control multivariable o estrategias de control regulatorio avanzadas (ejemplo, “feedforward”); permite la estabilización del proceso que a la postre también resulta en una mayor calidad del producto, aumento del volumen de producción o ambas.

El avance en estas técnicas permite garantizar mucho mayor factor de servicio del pasado. La robustez es mayor al incorporar modelos de perturbación no medida en combinación con el conocimiento a priori del proceso por parte de expertos en la industria. Existe hoy día, simuladores fuera de línea para diseño y modelaje de la unidad fáciles de usar, con algunas bondades para analizar escenarios reales posibles.

Las aplicaciones modernas incorporan una verificación extensiva de los analizadores en línea con validación de datos e integración a sistemas de laboratorio, logrando un manejo robusto de la medición de calidad de referencia ante incertidumbre en el dato o retraso variable. Adicionalmente, los cálculos predictivos y filtros avanzados, técnicas de control estadístico y el manejo de calidades no lineales por redes neurales no lineales, refuerzan el desempeño del control avanzado como nunca antes.

Es nuestra responsabilidad e integridad de ingenieros aplicar las normativas y buenas prácticas de la industria para maximizar la utilización y disponibilidad en planta, bajo el ambiente más seguro posible con el debido cuidado al medio ambiente.

En resumen, la amargura de pobre calidad en la implementación de un diseño sub-dimensionado de control permanecerá más tiempo que la dulzura de un aparente bajo costo inicial.

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