¿Cómo Escoger la Red Industrial Apropiada? 

InTech México Automatización,  
Edición Abril  – Junio 2003. 

Artículo tomado de InTech 10.2002, pág. 44, titulado “Building the right network’; por lan Verhappen y Eric Byres.


 En la práctica, son escasas las plantas que utilizan una sola tecnología de bus de campo (fieldbus). Y bien:¿Por qué deberían hacerlo? 


Cuando una importante empresa en el ramo de alimentos comenzó a considerar la utilización de nuevas tecnologías de buses de campo (fieldbus), se percató de que éstas se apartan significativamente de la estrategia estándar de control.  

La empresa desarrolló un modelo económico para determinar la mejor combinación posible de los buses evaluados. Este modelo es único en el aspecto de que considera una diversidad de buses de manera simultánea. Por otra parte, el modelo introduce partidas del costo por la mezcla de entradas/salidas (l/O) en la planta, por la disposición del alambrado y por ingeniería, adicionalmente a las necesidades comunes de materiales. 

El resultado es que el modelo mostró ahorros por la utilización de fieldbus del orden de 30% del costo del proyecto. Además, destacó que la implantación ideal comprende la utilización de dos o más fieldbuses distintos en una planta, en costo, mantenimiento e ingeniería de las diversas soluciones, añadieron mayor peso y urgencia a la necesidad de elegir un fieldbus, independientemente del proveedor. Utilice este modelo para seleccionar el fieldbus adecuado. 

VEHÍCULOS DIGITALES

Existen por lo menos 27 tecnologías diferentes que se han propuesto en la actualidad, como posibles buses industriales para campo o dispositivos. Debido a que esta es una cantidad difícil de manejar para llevar acabo el análisis profundo, elegimos cuatro tecnologías con base en participación actual en el mercado y tomando en cuenta que el bus sea un auténtico  fieldbus, es decir; que constituya un enlace bi-direccional en comunicaciones para dispositivos inteligentes de campo. Los criterios expresados permitieron elegir los siguientes buses para el modelo: AS-i, DeviceNet, Foundation Fieldbus H1, y Profibus-DP. 

El AS-i (AS-interface) es el más sencillo y menos costoso de todos los buses. Permite que los dispositivos individuales, tan pequeños como interruptores de botón o fotoceldas, puedan conectarse a través del bus. La carga de datos es de sólo 4 bits, de manera que no es útil para control analógico.  

Es muy efectivo para dispositivos sencillos. De manera característica, AS-i se utiliza en las industrias de manufactura que emplean dispositivos individuales, o en otras aplicaciones donde el número de dispositivos individuales es elevado. La tecnología de estrato físico es un cable plano especial o el cable estándar de par torcido. Ambos permiten que los dispositivos de campo funcionen por medio del bus.  

La topología es del tipo de troncal y descenso, con distancias limitadas estrictamente a 100 metros. AS-i utiliza un esquema de mapeo de ubicación de memoria, y no tiene un auténtico sistema descriptor del dispositivo. Es un solo bus maestro y no proporciona redundancia. Su mayor fuerza radica en su extrema sencillez.  

DeviceNet se basa en el protocolo de la red de área de control, o CAN, por sus siglas en inglés. Está dirigido a las industrias de manufactura, y la mayor parte de sus productos se utilizan para múltiples entradas/salidas (l/O) individuales, y conjuntos o dispositivos con señal digital, tales como arrancadores para motores, variadores de velocidad, y otros dispositivos apagado/encendido. La tecnología de estrato físico es un cable especial con cinco conductores que permite a los dispositivos de campo alimentarse mediante el bus. La topología es del tipo troncal y descenso, y las distancias están limitadas a una troncal de 100 metros o de 500 metros, dependiendo del cable utilizado.  

Un segmento DeviceNet puede contener un máximo de 64 dispositivos. El control de DeviceNet para acceso a los medios se lleva a cabo mediante acceso múltiple por percepción de portadora y evitando colisión (CSMA/CA por sus siglas en inglés), aun cuando generalmente opera en el modo maestro/esclavo. De esta manera, el bus cuenta con buena sincronización en el tiempo, pero sin posibilidad para redundancia. Los dispositivos se definen para los sistemas anfitrión mediante el empleo de una hoja de cálculo electrónica, un archivo estandarizado ASCII que proporciona una descripción del dispositivo, incluyendo una definición de los datos disponibles para transmisión.  

La familia Profibus comprende tres diferentes buses: Profibus-DP (periferia distribuida), Profibus-PA (automatización de proceso) y Profinet. El Profibus-DP se incluye en este modelo, debido a su participación dominante en el mercado. El Profibus-DP es un dispositivo individual que utiliza la arquitectura maestro/esclavo. En el estrato físico, Profibus-DP emplea EIA-485 y tecnología asíncrona.  

Las tasas de datos varían desde 9600 bits por segundo hasta 12 mega bits por segundo; pero las altas velocidades se logran a expensas de cortas distancias (100 metros) y una topología bastante restrictiva del tipo de cadena en margarita (daisy chain). Como resultado, el Profitbus-DP rara vez opera con tasas de datos superiores a 500 kilobits por segundo. Los dispositivos de campo no pueden tomar su energía para funcionamiento del bus, y al agregar nuevos dispositivos, es necesario interrumpir la operación del bus.  

El Profibus-DP emplea un esquema de mapeo de ubicación de memoria, en comparación con un sistema basado en etiquetas (tags), tal como DeviceNet o Foundation fieldbus. Los archivos de la base de datos (GSD/GSE) de los dispositivos, preparada por el proveedor, proporciona al sistema información característica de los dispositivos. El archivo GSD es el archivo con la hoja de datos del dispositivo, en tanto que el archivo GSE es el archivo con la base de datos del dispositivo. El Profibus-DP está dirigido a industrias y dispositivos semejantes al caso de DeviceNet, de manera predominante arrancadores para motores y otros dispositivos de señal individuales.  

El Foundation fieldbus (FF) se presenta en dos versiones, H1 y Ethernet de alta velocidad (HSE); aun cuando en la actualidad existe una cantidad limitada de aplicaciones y dispositivos de la versión HSE. En consecuencia, este modelo se centra en el protocolo Hl.  

El protocolo H1 opera a 31.5 kilobits por segundo, se alimenta por el lazo y respalda segmentos hasta de 1,900 metros de longitud total. Un archivo preparado por el proveedor para la descripción del dispositivo (DD), describe la funcionalidad de un dispositivo de tipo FF. El archivo DD requiere también un archivo asociado común de texto en formato ASCII que un servidor (o sistema anfitrión) utiliza para configurar el sistema fuera de línea.  

Hasta fecha reciente, el FF ha contado con apoyo limitado para aplicaciones individuales, aun cuando ya se encuentran disponibles válvulas de mayor tamaño y estaciones individuales entrada/ salida (l/O) montadas en campo. El FF respalda también la redundancia de ambos protocolos y utiliza comunicaciones cíclicas para publicar y suscribirse a los datos en la red.  

Es posible agregar y retirar dispositivos en la red que se encuentra en operación, porque los dispositivos son “reconocidos” por el servidor (o sistema anfitrión) cuando se introducen o retiran de la red. El FF es el único protocolo de fieldbus que respalda control en el campo. El fieldbus se encuentra en las industrias de proceso continuo, con su mayor fuera en control analógico de elementos en campo, tanto del tipo de una variable, como también multivariable.  

DETALLE DEL RESUMEN DE COSTOS

Este modelo económico compara los costos de instalación para los cuatro tipos de bus, en conjunto con el sistema de alambrado tradicional. Este modelo difiere de la mayoría porque permite que el usuario asigne una mezcla de dispositivos a diversos fieldbuses. Por ejemplo: de una lista de dispositivos, es posible asignar los transmisores analógicos al FF, los controles (variadores) de velocidad al Profibus-OP, y las válvulas individuales al AS-i.  

Este esquema muestra una representación más rea l de la típica instalación del fieldbus, toda vez que son escasas las plantas que utilizan un sólo protocolo. En la médula del modelo se encuentran tres distintos tipos de hojas de cálculo para los datos alimentados y los cálculos: la hoja de constantes administra los costos y tasas asociados con el equipo y la mano de obra. 

La hoja detalles del bus contiene el área principal de cálculo y un resumen detallado de los costos asociados con cada tipo de bus; y la hoja resumen de datos alimentados y resultados consiente en una tabla que compara las diversas combinaciones de instalaciones de buses, así como la influencia de esos cambios en el costo total de la instalación. La hoja de trabajo más importante en el modelo es la que contiene los costos constantes. Constituye la base para todos los cálculos posteriores. La hoja de trabajo en sí se encuentra dividida en cinco tablas: 

El criterio de diseño es el espacio donde se detallan las preferencias tales como tipo de conectores, utilización de tubo conduit o charolas portacables, y listado de longitudes promedio de cable troncal y descensos. 

La tabla de costo y disponibilidad de dispositivos enlista el precio para el dispositivo en cada protocolo de bus. Esta información sirve para calcular la diferencia en costo entre el bus para el dispositivo y el alambrado tradicional. Si no existiera precio en un bus específico para un cierto dispositivo, ello se debería a que aún no existe en el mercado un dispositivo semejante. 

La tabla de costo de materiales y mano de obra comprende costo de materiales tales como cables registros, fuentes de energía, interfaz anfitrión, y tarjetas entrada/salida (l/O), así como los costos asociados de mano de obra para la instalación y puesta en servicio del sistema.  

En la tabla de tiempo de ingeniería, anote todas las tareas de ingeniería asociadas con el proyecto, así como el tiempo necesario por dispositivo.  

La lista de entradas/salidas (l/O) por componente contiene un resumen de las l/O necesarias para cada tipo de dispositivo. Esta información ayuda a calcular los requisitos de alambrado tradicional.  

El ingeniero que opere el modelo puede editar todos los valores en la hoja de constantes. Algunas tablas, tales como la de criterio de diseño y la de costo y disponibilidad de dispositivos, son específicas para un proyecto y emplean información de proveedores locales relativa a estimaciones de diseño y precio. 

Otras tablas, tales como la tabla de tiempo de ingeniería, resultan mucho más difíciles para estimarse; de manera que provienen de otros modelos existentes de calculadores económicos. 

En esta tabla se muestra que 350 dispositivos discretos se asignaron a Profibus-Dp, mientras que el grueso de los dispositivos analógicos se asignaron a Fieldbus de la Fundación, y 6 se asignaron a entradas/ salidas tradicionales. Como protección, ningún dispositivo se puede en listar en la tabla para un bus específico si no se tiene la información de costos.

HOJAS DE CÁLCULO CON DETALLES DEL BUS

Las hojas de cálculo con detalles del bus son cinco hojas separadas: una para cada tipo de bus y una más para las entradas/salidas (l/O) tradicionales. La finalidad de esas hojas es proporcionar un área principal de cálculo en donde puedan tomarse en consideración los costos específicos de materiales y las complejidades de diseño de cada bus.  

En particular, la tabla para determinación del hardware es el espacio donde se establecen de manera específica las restricciones tales como el número de dispositivos en una red o espuela; el número de dispositivos por conjunto terminal, registro o fuente de energía; y el número de redes por tarjeta de interfaz anfitrión. En términos generales, el usuario no edita estos valores.  

Las otras opciones en la hoja de trabajo le permiten al usuario modificar, si lo desea, los costos unitarios de material y mano de obra para el sistema de bus específico. El resto de la hoja de trabajo calcula y resume los costos relativos a diseño y puesta en servicio de los sistemas por separado.  

La hoja de trabajo resumen de datos alimentados y resultados funciona como la interfaz principal del usuario, en donde se asigna la cantidad real de dispositivos a cada sistema de fieldbus para así determinar el costo general de instalación más económico. 

En la parte inferior de la hoja de trabajo se encuentra la tabla de resultados, en donde aparecen los costos comparativos y totales para la combinación de dispositivos anotados en la parte superior de la hoja de trabajo. Los subtotales muestran la prima del dispositivo, que consiste en el incremento en el precio del dispositivo del fieldbus versus un dispositivo tradicional analógico o digital; el costo de materiales para conduits, charolas, terminales, gabinetes, y artículos semejantes; los costos por mano de obra de instalación; los costos de diseño, incluyendo los egresos por ingeniería y administración del proyecto; y los costos asociados con la puesta en servicio y arranque de la unidad.  

La finalidad de esta hoja principal es que el usuario ejecute diferentes opciones “qué sucede si’; para determinar la influencia en el costo por la asignación de diferentes dispositivos a distintos buses. De hecho, empleando Microsoft Scenarios o un programa Visual Basic, el sistema puede efectuar la búsqueda de la combinación óptima de buses para un conjunto definido de dispositivos.  

Tomando como base la cantidad de dispositivos, que proporcionaron los ingenieros de control de la empresa para una planta de alimentos típicos, corrimos varios escenarios para distintas combinaciones de buses. Las restricciones en la disponibilidad de dispositivos y los cálculos del costo redujeron rápidamente las posibilidades a combinaciones FF/DeviceNet o FF/Profibus-DP/AS-i. Para fines comparativos, analizamos también un sistema de alambrado tradicional. 

En el análisis final, la elección de buses tiene una influencia relativamente pequeña en el costo global del proyecto. El costo combinado de materiales, mano de obra, y puesta en servicio es muy parecido para los cuatro tipos de buses. La única influencia perceptible puede encontrarse en los costos de ingeniería y mantenimiento, toda vez que es necesaria la capacitación y existencia de repuestos para cada nuevo bus. Sin embargo, el resultado neto cuando se considera el costo total instalado, es que un sistema de fieldbuses mixto proporciona ahorros en el proyecto del orden de 30% en comparación con un sistema de control con alambrado tradicional.  

 

Y ESO NO REPRESENTA NI LA MITAD DE LAS POSIBILIDADES…

Es necesario comprender que el modelo descrito proporciona información sobre las variables clave del costo en el inicio del proyecto, mas no informa sobre los costos en el largo plazo, ni los ahorros una vez que el proyecto se ha terminado. La comprensión de los costos del proyecto es necesaria para convencer a un gerente de proyecto consciente de los costos o a un comité de aprobación.  

El modelo todavía no toma en cuenta los beneficios fiscales generados durante la vida del proyecto. Investigamos la información al respecto y entrevistamos a los usuarios de sistemas de bus. El 80% del costo asociado con cualquier adquisición industrial tiene lugar después de que se ha instalado. Si un dispositivo cuenta con una vida útil de 10 años, la reducción en el mantenimiento relativo a ese dispositivo tendrá un valor significativo. 

Las entrevistas con usuarios en 10 distintas empresas industriales mostraron que todas las instalaciones de fieldbus reducían los costos por mantenimiento, porque incorporan cierto nivel de diagnóstico del dispositivo. Hasta el AS-i incluye esta capacidad, aun cuando el nivel de detalle se encuentra limitado.  

La información para mantenimiento del dispositivo y las comunicaciones bi-direccionales permiten que los técnicos de mantenimiento determinen el “problema” con un dispositivo antes de presentarse en el campo y, en algunos casos, hasta pueden anular la necesidad de ir al campo.  

estudio adicional señaló ahorros del 20% en apoyo de mantenimiento y del 40% en inventarios, con la utilización de fieldbuses. Emerson Process Management dio a conocer un estudio que muestra que el 63% de las visitas al campo para revisión de transmisores en una gran empresa química no eran necesarias. Un 20% adicional de las revisiones dieron lugar a cambios en la calibración (amplitud y cero).  

Con las comunicaciones digitales, es posible eliminar hasta el 33% de las visitas al campo, utilizando en el sistema anfitrión para control un software para mantenimiento integrado, basado en computadora. En la mayor parte de las plantas, lo anteriormente descrito puede dar lugar a ahorros del orden de 15% en los costos de mantenimiento de la instrumentación. 

HERRAMIENTA PRESENTE EN EL LARGO PLAZO

Todos los fabricantes importantes de instrumentos y los proveedores de sistemas anfitriones están llevando a cabo la migración de sus productos para respaldar los fieldbuses y el establecimiento de redes digitales. Como resultado, hacia finales de la década, los dispositivos analógicos tradicionales serán un producto en un nicho: los sistemas más costosos en su mantenimiento. Esos sistemas y dispositivos muy probablemente necesitarán de tarjetas electrónicas cortadas a la medida, porque los conjuntos de chip en los cuales se basan ya no estarán disponibles. 

Los sistemas Fieldbus, por otra parte, serán la norma; y desde el momento en que son todo digital; será posible conservarlos al día con la sencilla instalación de la más reciente actualización del software. Esto es, de manera bastante sencilla, el mejor camino para obtener el máximo beneficio al costo más bajo.  

Los sistemas de control tienen una vida útil, por regla general, de diez años. ¿Tiene sentido iniciar hoy un proyecto que entrará en obsolescencia a mitad de su vida útil, si no es que lo hace al terminar la puesta en servicio? En opinión de Duncan Schleiss (Rosemount Corporation), vertida en una conferencia reciente, “el reto para los proveedores de sistemas anfitrión consiste en que el hardware (conjuntos de chips) y los sistemas operativos tienen una vida útil de tres años, en tanto que el respaldo para esos sistemas es de 10 a 15 años’: Las redes digitales protegen la inversión hasta cierto punto. Siempre y cuando la unidad procesadora central (CPU) y la memoria sean suficientes, el software de control puede cambiar mediante transferencia (download) a los dispositivos. 

Probablemente, la mayor oportunidad que se pierde al no utilizar un sistema de control digital radica en la integración de la información en toda la extensión de la empresa. Si concedemos que el conocimiento es poder, los sistemas digitales son el sendero hacia el poder, en tanto que hacen posible que una organización conozca el proceso precisamente hasta el nivel del sensor. 

 ACERCA DEL AUTOR 

lan Verhappen es un asociado en ingeniería en Syncrude Canadá y preside el Foundation Fieldbus End User Advisory Comitee (Comité de asesoría a usuarios del Foundation Fieldbus). Es un miembro Senior de la ISA. Eric Byres pertenece al cuerpo de profesores y es gerente del Internet Engineering Lab (Laboratorio de ingeniería en internet) del British Columbia Institute of Technology (Instituto Tecnológico de Columbia Británica), y también es miembro de la ISA. 

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