Características del Estándar IEC TS 62603-1/ 2014: Sistemas de Control de Proceso Industrial

Características del Estándar IEC TS 62603-1/ 2014: Industrial Process Control Systems – Guideline for evaluating Process Control Systems – Part 1: Specifications

M. en C. y CCST Armando Morales Sánchez
Past President ISA México
elamoral@gmail.com

Resumen

Los Sistemas de Control de Procesos (PCS) han sido a través de los años, pieza fundamental para controlar los diferentes tipos de procesos, tanto industriales como de manufactura. Estos han evolucionado de manera rápida, tomando los desarrollos de las diferentes disciplinas involucradas: electrónica digital, comunicaciones, lenguajes de programación, matemáticas avanzadas, técnicas de control automático, instrumentación, seguridad funcional y de redes, etc. Estos cambios han hecho que la especificación de estos sistemas sea cada vez más especializada con el fin de asegurar la mejor selección del PCS, acorde con la aplicación específica.

En este artículo se describe, en forma general, el estándar IEC TS 62603-1 del año 2014, en su parte 1, que cubre las especificaciones mínimas recomendadas para un sistema de control de procesos industriales. En su parte 2, próxima a salir, se incluirán los procedimientos de aceptación en fábrica (FAT).

Las especificaciones mínimas del PCS incluyen las diferentes etapas de la ingeniería básica, desde los requerimientos funcionales del proceso, pasando por los requerimientos del sistema de control y la parte más importante: los puntos mínimos esenciales que se deben incluir en la especificación del sistema de control, como la arquitectura del sistema, el entorno de instalación, dispositivos de E/S, confiabilidad, requisitos de software, interfaz humano-máquina, sistemas de comunicación, desempeño requerido, soporte del ciclo de vida y la especificación FAT. .Además el estándar recomienda una guía de como efectuar la evaluación técnica del sistema para soportar técnicamente la selección del sistema de control.

Palabras clave: Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), Sistema de Control de Procesos (PCS), Controlador Lógico Programable (PLC), Sistema de Control Distribuido (DCS), Prueba de Aceptación en Fábrica (FAT), Prueba de Aceptación en Sitio (SAT), Pruebas de Integración en Sitio (SIT).

INTRODUCCIÓN

Los Sistemas de Control de Procesos (PCS) son piezas fundamentales para la operación de los diferentes procesos industriales. Dentro de la Ingeniería básica de Instrumentación y Control, una de las tareas más importantes del ingeniero especialista es efectuar la especificación técnica de las características necesarias que debe cumplir el sistema de control, de acuerdo a un proyecto específico y que pueden  ser cubierta por al menos tres proveedores. Esta actividad es quizás la de mayor importancia en el desarrollo de la ingeniería básica, ya que una correcta especificación incidirá directamente en un buen sistema de control funcional y de alto desempeño.

El estándar de la International Electrotechnical Comission IEC 62603-1 “Industrial Process Control Systems – Guideline for evaluating Process Control Systems – Part 1: Specifications”, es una especificación técnica que define un procedimiento para verificar si un determinado Sistema de Control de Procesos (Process Control Systems PCS) cumple los requisitos técnicos especificados por el usuario final o por una firma de ingeniería, para una aplicación específica. La parte importante de este estándar es que define lo que se puede probar, lo que se ha especificado.

El IEC 62603 se soporta en los estándares IEC 61069 “Industrial process measurement and control – Evaluation of system properties for the purpose of system assessment”  y IEC 62381 “Automation systems in the process industry – Factory acceptance test (FAT), site acceptance test (SAT), and site integration test (SIT)”, brindando una guía detallada para especificar un PCS y para probar las funciones especificadas.

ALCANCE

El estándar IEC 62603 describe métodos y proporciona orientación a usuarios, firmas de ingeniería o laboratorios de prueba independientes, para la evaluación de los Sistemas de Control de Procesos (PCS) durante la fase de selección  o licitación entre diferentes propuestas.

La especificación y los procedimientos de prueba de la especificación técnica se aplican a diferentes sistemas de automatización, basados en tecnología 4-20mA, como en dispositivos de campo inteligentes (Intelligent Field Devices IFD) y por esta razón, las pruebas especificadas no son necesariamente suficientes específicamente para tareas especiales y el usuario con el fabricante, deben definir pruebas adicionales para evaluar funciones o desempeños específicos.

El procedimiento para especificar los requisitos técnicos de PCS, evaluar las diferentes ofertas y llevar a cabo las pruebas en el PCS; IEC 62603 lo divide en dos pasos: definición de los requisitos técnicos del PCS (en el alcance de IEC 62603-1) y prueba del PCS elegida.

Figura 1 – Procedimiento para especificar y probar un PCS

En el primer paso se definen los requisitos del proceso, en términos de desempeño para lograr un control especifico del proceso. Normalmente, estos requisitos los define un esfuerzo conjunto de ingenieros, expertos en automatización. A partir de los requisitos del proceso, los ingenieros de automatización enlistan los requisitos técnicos del PCS, para lograr los objetivos requeridos. Con base en estos dos requisitos, los proveedores preparan sus ofertas técnicas e inicia el procedimiento de evaluación. IEC 62603-1 sugiere un posible procedimiento para evaluar la adecuación de un PCS propuesto a las especificaciones, basado en un algoritmo simple que considera el peso (importancia) de cada función requerida.

Después de la selección del fabricante de PCS, inicia la etapa de implementación. Cuando el PCS está listo, antes de enviar el PCS en el sitio y, a veces, incluso durante la etapa de implementación, el usuario/ingeniero puede realizar un conjunto de Pruebas de Aceptación en Fábrica FAT.

La evaluación técnica de las ofertas (IEC 62603-1) se basa principalmente en la evaluación de documentos y hojas de datos, y puede requerir cálculos simples, por ejemplo, para el cálculo del desempeño  Estas verificaciones se basan en datos generales de los sistemas de automatización propuestos, no dedicados a ninguna pieza específica de hardware o software.

Por el contrario, la FAT se basa principalmente en actividades de prueba en laboratorios o fábricas en un PCS específico, incluidos los dispositivos físicos y el software de la aplicación.

La Figura 2 muestra el proceso típico de evaluación de PCS en un proyecto de automatización.

Figura 2 – El proceso de evaluación del PCS

La primera evaluación es necesaria para seleccionar un proveedor, en base a los requisitos técnicos elaborados del PCS, verificando si los sistemas propuestos soportan las funciones y desempeños especificados, con base en los documentos suministrados por el proveedor, como hojas de datos técnicos, manuales, declaraciones de conformidad, etc. Los requisitos técnicos del PCS deben incluir la descripción del procedimiento FAT requerido.

Después de la selección del proveedor, inicia la etapa de ingeniería de detalle, y el usuario emite un documento que describe los requisitos del software en detalle. El proveedor ensambla e implementa la lógica en el PCS. Después de completar estas etapas, se inician las pruebas FAT.

 

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE UN PCS

En el punto 4 se encuentra la parte esencial del estándar, las especificaciones técnicas del PCS. En este punto, el estándar recomienda dividir los requisitos técnicos en grupos homogéneos, con un conjunto de elementos específicos. Un ejemplo de una posible estructura se muestra en la Figura 3. Las especificaciones del software de aplicación no se incluyen en los requisitos técnicos generales de PCS ya que no influyen en la selección del PCS

Figura 3 – Requisitos técnicos del PCS

El usuario final o la firma de ingeniería indican las funciones y el desempeño requeridos del PCS, y comprueba si el sistema propuesto cumple los requisitos. Se recomienda utilizar una tabla, en una hoja de cálculo donde el proveedor puede escribir sus respuestas.

El proceso de evaluación de una propuesta puede ser cuantitativo con pesos para cada característica del PCS y así comparar diferentes propuestas. Los pesos pueden variar de una aplicación a otra. De igual manera, la conveniencia del PCS propuesto para cada requisito, se puede calificar, de tal manera que al final de la evaluación,  se tenga una tabulación cuantitativa técnica y así determinar si:

  • el PCS no cumple la función                                                            voto 0
  • el PCS no cumple la función, pero se puede aplicar o crear           voto 1
  • el PCS cumple con la función                                                          voto 2
  • el PCS cumple con la función y se declara claramente                   voto 3

Los votos de todas las ofertas se resumen en una tabla que muestra cada requisito técnico, su peso por cada característica y el voto (0-1-2-3).

 A continuación, de manera resumida, se desglosan las características generales de cada uno de los incisos de los requisitos técnicos del PCS del punto 4:

4.1. Arquitectura del sistema

Describe las características generales del PCS: la estructura física y el tamaño preliminar de los componentes. El alcance de este punto es identificar las características generales de los PCS deseados, las tecnologías fundamentales, la topología del sistema y su tamaño. Este documento no cubre las tecnologías no programables para el PCS, como la electrónica cableada, la electrónica no programable y los controladores de simple lazo (SLC). El Anexo A del estándar se puede usar como guía

El usuario/ingeniero debe especificar la arquitectura del sistema de acuerdo con las definiciones técnicas de las siguientes subcláusulas marcadas en el estándar:

  • Tecnología y alcance. Tipo de PCS (PLC, DCS, SCADA, otros) y funciones (supervisión, control, seguridad, paro de emergencia, batch, otros)
  • Arquitectura básica. Topología
  • Número de E/S.
  • Número de Tags.
  • Número de lazos de control.
  • Estándares de referencia.

4.2. Entorno de instalación

En esta posición se describen las características generales del ambiente en el que está instalado el PCS y sus componentes. El usuario/ingeniero debe especificar el entorno de instalación. El anexo B del estándar puede usarse como guía.

Las condiciones de funcionamiento de los componentes del PCS se dividen en cuatro categorías principales, de acuerdo con la clasificación de estándares IEC 60654:

  • las condiciones climáticas de la ubicación en la que están instalados los componentes (por ejemplo, temperatura, humedad, etc.);
  • la fuente de alimentación a la que están conectados los componentes: especificación eléctrica de la fuente de alimentación y los requisitos de EMC en términos de inmunidad y emisión;
  • influencias mecánicas a las que están expuestos los componentes durante su funcionamiento (por ejemplo, vibraciones, golpes, etc.);
  • influencias corrosivas y erosivas a las que están expuestos los componentes durante su funcionamiento (por ejemplo, arena, gases, líquidos corrosivos, etc.).

4.3. Características del sistema

Esta posición define las características principales que influyen en la estructura y capacidad del PCS en términos generales, con un enfoque especial en su integración y escalabilidad. El usuario/ingeniero debe especificar las características del sistema. El Anexo C del estándar puede usarse como guía. Dentro de las características, contempla las siguientes:

  • Escalabilidad del sistema.- capacidad de que el sistema y/o una aplicación pueda crecer gradualmente sin un reemplazo total de hardware o software, y sin la necesidad de rediseñar toda la arquitectura del sistema.
  • Capacidad de expansión del sistema.- posibilidad de que el sistema se amplíe sin cambiar la arquitectura y/o el equipo usado.
  • Integración de subsistemas.- en este punto se requiere un procedimiento para combinar módulos de componentes desarrollados por separado para que funcionen juntos como un sistema único.
  • Configuración del sistema.- se refiere a la construcción de un sistema de control seleccionando unidades funcionales o modulares de un conjunto dado y definiendo sus interconexiones y puede ser en hardware y software. En este punto contempla las funcionalidades tanto de software como de hardware. Adicionalmente contempla los siguientes puntos:
    • Configuración en línea
    • Configuración fuera de línea
    • Configuración en modo de simulación
    • Recursos gráficos
  • Documentación automática.- El sistema genera automáticamente la documentación después de la fase de configuración, incluyendo la arquitectura del sistema, los parámetros de configuración, lista de materiales, software de la aplicación, lista de cableado, configuración de cables, otros.
  • Lenguajes de programación para control. La parte de control del sistema debe admitir lenguajes de programación específicos para implementar la lógica de control en controladores programables con herramientas de programación de funciones continuas, secuenciales, batch y personalizadas; software operativo multitarea y opción de control avanzado de procesos.
  • Ubicación del PCS.- es la capacidad del sistema de admitir idiomas locales para diferentes funciones, tales como: programación, documentación, HMI; especificando los idiomas y funciones requeridos.

4.4. Confiabilidad del sistema

La confiabilidad es el término colectivo que describe la disponibilidad de un dispositivo o sistema, y sus factores que influyen: fiabilidad, mantenibilidad y soporte de mantenimiento.

La fiabilidad del sistema es la capacidad del sistema para realizar una función requerida bajo condiciones dadas, en un intervalo de tiempo dado y depende de cada una de las partes del sistema y de la forma en que estas partes cooperan en la realización de las tareas del sistema. El estándar cubre tres puntos importantes de esta:

  • Sistema de autodiagnóstico
  • Tolerancia a fallas de un solo componente
  • Componentes intercambiables en caliente

La disponibilidad del sistema depende de que las partes individuales del sistema estén disponibles y de la forma en que estas partes cooperan en la realización de las tareas del sistema, y puede incluir redundancia funcional, retroceso funcional y su degradación. La capacidad de operar en condiciones degradadas, aumenta la disponibilidad del PCS.

Se debe prever una acción de protección en modo a prueba de fallos de componentes para provocar una respuesta segura de la planta y el proceso y para esto, es necesario definir los dispositivos a prueba de fallas.

La mantenibilidad es la capacidad de un artículo en determinadas condiciones de uso, de ser retenido o restaurado en un estado en el que puede realizar una función requerida, cuando el mantenimiento se realiza en determinadas condiciones, con un impacto definido en la operación de la planta y el proceso, utilizando los procedimientos y recursos establecidos.

El concepto de seguridad funcional y los requisitos asociados relacionados con un PCS se abordan en IEC 61508 y las indicaciones más específicas para las industrias de procesos se dan en IEC 61511. Los requisitos relacionados con la seguridad funcional deben especificarse de acuerdo con estos estándares.

4.5 Especificaciones de entrada/salida

Los tipos considerados de entrada/salida que contempla el estándar son: E/S analógicas convencionales (4-20 mA, 0-10 V, etc.), E/S digital, E/S Hart y bus de campo. Para cada tipo de E/S, el usuario debe especificar la resolución, la precisión y la repetibilidad.

El intercambio en caliente para tarjetas o módulos de E/S debe especificarse por separado, teniendo en cuenta el mayor estrés y la tasa de falla de estos dispositivos. Se deben especificar requisitos específicos para entradas diferentes de las habituales. Si se solicita que el PCS opere en la Zona 0 o Zona 1 (IEC 60079-10), las tarjetas de E/S deben estar certificadas como intrínsecamente seguras (Ex ia, de acuerdo a IEC 60079-11).

4.6 Requisitos de software

En un PCS, la base de datos del sistema en tiempo real, proporciona la información que necesitan varias funciones del sistema para realizar sus tareas.

El usuario/ingeniero debe especificar los requisitos de software de acuerdo con las definiciones técnicas de los siguientes puntos:

  • Diseño físico y compatibilidad de la base de datos.
  • Tipo de software
  • Requisitos de software de seguridad (Ciberseguridad)
  • Simulador de software
  • Funciones de supervisión remota
  • Documentación en línea

4.7 Interfaz humano-máquina (HMI)

En esta guía, el término HMI se refiere a las pantallas, computadoras y software que sirven como interfaz con un PCS. El usuario/ingeniero debe especificar la interfaz humano-máquina.

El conjunto mínimo de información para la definición de hardware de la sala de control incluye:

  • el número requerido de estaciones de operador;
  • el número de estaciones de trabajo y monitores que componen cada estación del operador;
  • el número requerido de monitores;
  • la funcionalidad, características e instalaciones de cada estación de operador;
  • pantallas especiales, por ejemplo, proyectores, pantallas anchas, etc. (si corresponde);

La arquitectura de la sala de control puede especificarse efectivamente mediante un dibujo de diseño.

El estándar contempla en la HMI el desarrollo de los siguientes puntos:

  • Especificaciones de las estaciones de operador
  • Especificaciones de los monitores HMI
  • Sistema de Gestión de alarmas
  • Sistema de Gestión de eventos
  • Historización
  • Gestión de tendencias y estadísticas

4.8 Requisitos de comunicación

La comunicación juega un papel clave en un PCS. En un PCS coexisten diferentes redes de comunicación, cada una con características y requisitos específicos. Los niveles de las redes de comunicación son:

  • Bus de campo
  • Red de controladores
  • Red de sala de control
  • Red corporativa

El usuario/ingeniero debe especificar los requisitos de comunicación de acuerdo con las definiciones técnicas del estándar.

Figura 4 – Red de comunicación del PCS

4.9 Actuaciones requeridas

Este punto especifica los desempeños que el PCS debe garantizar para satisfacer los requisitos del proceso controlado. La atención se centra principalmente en el desempeño  del tiempo que el sistema o una parte del mismo debe cumplir para satisfacer los requisitos.

El usuario / ingeniero debe especificar el desempeño  requerido del PCS de acuerdo con las definiciones técnicas de los siguientes puntos:

  • Desempeño del tiempo del PCS
  • Especificación del controlador
  • Desempeño HMI
  • Gestión de activos de planta (Plant Asset Management PAM)

4.10 Soporte de ciclo de vida

El soporte técnico y comercial proporcionado por el fabricante es importante para todo el ciclo de vida del PCS. El usuario/ingeniero debe especificar el soporte del ciclo de vida del PCS de acuerdo con las definiciones técnicas de los siguientes puntos:

  • Capacitación del personal.
  • Soporte técnico para la operación.
  • Garantía
  • Actualización de software
  • Referencias del proveedor.

4.11 Especificación FAT

Una definición clara de la cobertura de las pruebas FAT y su profundidad es obligatoria en los requisitos técnicos de PCS, ya que representa un elemento importante que deben tener en cuenta los proveedores. SAT y SIT no están en el alcance de este estándar.

El usuario/ingeniero debe especificar el nivel de FAT y la cobertura de acuerdo con las definiciones técnicas de los siguientes puntos:

  • Pruebas FAT para suministro de hardware, que incluye la verificación del alcance del suministro y del funcionamiento de cada dispositivo
  • Pruebas FAT para software de aplicación, que incluyen el nivel de profundidad de las pruebas desde la HMI, controlador, terminaciones, campo y proceso.

Al final del estándar se presentan los anexos de cada uno de los puntos mencionados que se pueden utilizar como guías para la especificación.

CONCLUSIONES

Como se observa en este artículo, el estándar IEC TS 62603-1/ 2014 Industrial Process Control Systems – Guideline for evaluating Process Control Systems – Part 1: Specifications es extenso y cubre todas las etapas importantes para el desarrollo de la ingeniería básica de un sistema de control de procesos industriales, desde la identificación de las necesidades del proceso, la especificación técnica en base a los diferentes sistemas de los fabricantes, pasando por la evaluación, selección y pruebas de aceptación en fábrica.

La inquietud principal de este artículo es dar a conocer a los ingenieros desarrolladores de la ingeniería básica del área de instrumentación y control, un estándar que soporta de manera ordenada, las características que deben ser incluidas cuando se efectúa la especificación del PCS.

En algunos puntos del estándar se presentan requisitos “obligatorios”, que en nuestro caso específico en México, son recomendables más no obligatorios, por lo que se sugiere que estos puntos son los más importantes a considerar y cumplir cuando se efectúa la especificación del PCS.

Este artículo es muy general y si se está interesado, se debe revisar a fondo cada uno de los puntos descritos. Por último considero que este estándar es altamente recomendable, aplicable y guía para todos los ingenieros que especifican PCS, sea PLC, DCS o SCADA.

REFERENCIAS

[1] IEC TS 62603-1/ 2014 Industrial Process Control Systems – Guideline for evaluating Process Control Systems – Part 1: Specifications

[2] Understanding IEC 62603 and Process Control Systems. Advanced Automation Control Systems. Automation.com October 2019. Volume XX. Micaela Caserza Magro & Paolo Pinceti.

[3] International Society of Automation (ISA), http://www.isa.org/

ACERCA DEL AUTOR

M. en C. y CCST Armando Morales Sánchez. Es Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la ESIME, IPN, Maestro en Ciencias en Ingeniería de Cómputo con Especialidad en Sistemas Digitales del CIC, IPN y es Técnico Certificado en Sistemas de Control CCST por ISA USA. Curso la Especialización de Ingeniería de Proyecto en Instrumentación y Control en el Instituto Mexicano del Petróleo IMP en 1981 Cuenta con más de 39 años de experiencia en Instrumentación y Control de Procesos. Laboro en el IMP por 35 años realizando actividades de ingeniería básica y de detalle, mantenimiento, configuración e instalación de instrumentación y sistemas de control digital (SCADA, PLC y SCD) en más de 25 Plantas Piloto y 4 Plantas Industriales. Durante 19 años fue profesor del Instituto Politécnico Nacional en la Ciudad de México en el área de Electrónica y Sistemas Digitales. Ha asesorado 20 tesis de licenciatura, 3 tesis de maestría y ha publicado 5 artículos internacionales y 14 artículos nacionales. Desde 1985 ha sido instructor de cursos de la ISA México, de 1985 a 1988 fue miembro del Comité Educativo, de 2009 a 2016 fue director de Capacitación de ISA México y en 2017-2018 fue Presidente de ISA México Sección Central.

 

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