Automatización Industrial, Robótica e Industria 4.0
El control de procesos continuos de producción ha sufrido un fuerte cambio en cuanto al uso de nuevas tecnologías se refiere. Este cambio se debe fundamentalmente al desarrollo de la electrónica de bajo consumo que permite fabricar dispositivos con mayor capacidad de procesamiento, facilitándonos la utilización dispositivos más pequeños y con mayores funcionalidades. Este hecho ha permitido cambiar la idea de grandes unidades de control a dispositivos compactos, capaces de gestionar secuencias de procesos y protocolos de comunicación por sí solos.
Estas características nos han permitido implantar un nuevo concepto de control distribuido en la innovadora tecnología de la ósmosis inversa para la desalinización del agua de mar.
Actualmente el consumo de agua sanitaria en las zonas costeras está aumentando considerablemente debido a la escasez de la misma y al crecimiento de la población fija y de temporada. Por esta razón el Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino junto con la mancomunidad de los Canales del Taibilla, aprobaron la ampliación de la planta Desalinizadora Alicante I [8] para conseguir un mejor abastecimiento de agua sanitaria en la zona cercana a la ciudad de Alicante.
En este punto aparece el primer planteamiento de solución tecnológica para la ejecución del control del proceso de desalinización de la planta Alicante II mediante un control completamente distribuido.
La alternativa planteada se basó en un sistema de control distribuido mediante dispositivos que coordinaban las distintas partes del proceso de producción, interactuando entre sí mediante un protocolo de intercambio de información, y comunicándose con el sistema de supervisión SCADA[3] mediante un establecido y más que conocido bus de campo como es Modbus TCP/UDP [4]. En cuanto a las envolventes de los equipos de control[6] y de la conexión del cableado de los dispositivos de campo, se utilizaron cuadros con grado de protección IP-67 de un tamaño reducido y acorde a las dimensiones del equipo (51 ancho x 100 alto x 65 fondo).
Maximizar el uso del control distribuido [5] se basa en la idea de sustituir las grandes unidades centrales de proceso o grandes PLC´s por equipos inteligentes y autónomos (PLC´s) que sean capaces de controlar una etapa de proceso, concentrando las señales de campo e informando de su estado al sistema de supervisión y a los equipos de control contiguos. Se transmiten así únicamente los datos imprescindibles para otras etapas del proceso, para la visualización en el puesto del control y para los procesos de control de seguridad-disparos de proceso especificados.
De esta manera la disponibilidad de la planta aumenta al depender de múltiples dispositivos (aprox. 60 PLC´s), ya que podría llegar a funcionar en un modo degradado al producirse algún fallo en la instalación.
Por último, podemos destacar la reducción del tráfico en la red de comunicaciones ya que solo se envía la información necesaria al SCADA y a los equipos adyacentes.
De esta manera surge el concepto de "unidad funcional", el cual identificamos dentro del proceso de producción como una parte independiente y repetitiva que realiza una tarea en concreto, comunicándose con los dispositivos de campo y con otras unidades funcionales. De esta manera se engloba tanto una parte física de dispositivos como una parte lógica de programación del proceso.
Por ejemplo, una unidad funcional corresponde a una de las zonas de bombeo de la planta. Englobando las señales de campo (válvulas, motores, variadores, finales de carrera), las secuencias lógicas de control (secuencias), las variables lógicas de comunicación para conocer el estado de las siguientes unidades funcionales (presión del colector de recepción del agua de mar) y las ordenes de supervisión desde la sala de control (SCADA).
La solución global de la planta se planteó en cuatro niveles :
Nivel 1- Dispositivos de campo: sensores y actuadores con señales discretas de 24V (finales de carrera, niveles, boyas, confirmaciones de marcha...) y señales analógicas diferenciales en lazo de corriente de 4 a 20mA (presostatos, caudalímetros, variadores de frecuencia...) y por último módulos para termo-resistencias (PT-100).
Nivel 2- Controladores (PLC´s): se utilizaron los controladores programables de la marca WAGO Kontakttechnik GmbH (Series 750 y 753) [1]. Estos controladores cuentan con un procesador de 32 bit, velocidad de transmisión 10/100Mbits, programación [7] acorde según IEC-61131-3 (ver figura 1). Reloj de tiempo real, servidor WEB, servidor SMS y posibilidad de comunicar con los siguientes protocolos: MODBUS/TCP (UDP), ETHERNET/IP,
HTTP, BootP, DHCP, DNS, SNTP, FTP, SNMP, SMTP. Además de disponer de una comunicación propietaria basada en Ethernet conocida como "Network Variables". Que nos permite realizar una comunicación sencilla de tipo productor-consumidor, para intercambiar información entre dispositivos.
El sistema WAGO I/O System - Serie 750/753 [1] (ver figura 2) es completamente modular, permitiendo conectar hasta 250 módulos de entrada y salida (aproximadamente 2048 digitales y 1024 analógicas), combinando indistintamente tarjetas de entrada/salida e incluso distintas tensiones de trabajo como pueden ser 24VDC, 230VAC, 30 VDC, etc.. También cuenta con módulos de comunicación RS-232, RS-485, contadores de pulsos hasta 100kHz, Bluetooth, RF, control de motores paso-paso e incluso módulos especiales para ambientes explosivos Ex y Exi.
Nivel 3- red de comunicaciones: la infraestructura de comunicaciones está basada en Ethernet [2] mediante switches industriales con comunicación redundante en fibra óptica formando un doble anillo (ver figura 3), y una topología en estrella con cable de par trenzado UTP o FTP, hasta cada PLC, pudiendo alcanzar hasta un máximo de 100 metros en el segmento más largo.
Nivel 4- SCADA: el sistema de supervisión de control y adquisición de datos (S.C.A.D.A) utilizado fue I.A.S (Industrial Application Server) del fabricante americano Wonderware (ver figura 4), basado en el sistema operativo Windows XP Profesional. Esta aplicación cuenta para su desarrollo con una filosofía de comunicación "cliente-servidor" y utiliza la programación basada en objetos para reducir el tiempo de desarrollo. También cuenta con herramientas de acceso a bases de datos (SQL), que permite realizar informes, estudios de incidencias, almacenamiento de alarmas, etc.
En cuanto a las comunicaciones cuenta con una conexión directa a la red de Ethernet mediante una tarjeta de comunicación de 100Mbits/s. Sobre la cual se utiliza un driver de comunicación MODBUS TCP/UDP para capturar la información de todos los PLC de la planta (Unidades Funcionales).
Por otro lado, y dada la importancia de la supervisión del proceso, el SCADA cuenta con una segunda tarjeta de comunicación para transmitir la información a una plataforma redundante en caso de fallo de hardware. De esta forma se alcanza mayor disponibilidad en el sistema.
4.1 Intercomunicación entre Unidades Funcionales
En cuanto a la solución de las comunicaciones, uno de los puntos más importantes de la instalación fue la intercomunicación entre unidades funcionales.
Para ello se utilizó un protocolo llamado "Networks Variables", que permitió realizar de manera sencilla una comunicación entre los dispositivos del Nivel2 (PLC´s) utilizando la misma infraestructura de comunicaciones del Nivel 3.
Este protocolo permite realizar un intercambio de información basado en identificadores (COB-ID) de paquetes de información de lectura (consumo por parte de uno o varios dispositivos) o escritura (producción por un solo equipo). De esta manera se crea una comunicación para el paso de información relativa, únicamente, al propio control del proceso.
En determinadas partes del proceso de producción (Auxiliares de Captación, Auxiliares de Bastidores), se transmiten ciertas informaciones de intercambio de vital importancia para el proceso global. Por lo cual, se realizó una duplicidad de los dispositivos generadores de esta información, es decir, una duplicidad de unidades funcionales prioritarias. Se evita así la parada de planta debido a un primer fallo hardware o software de un dispositivo o tarjeta de entrada/salida.
Al duplicar cada centro prioritario, la disponibilidad de la planta aumenta respecto al modelo de automatización tradicional totalmente centralizado, puesto que en ese caso existe un PLC único, redundante, que domina el proceso completo.
Esta comunicación se realizó mediante un driver propietario de Wonderware vía MODBUS TCP/UDP. Utilizando los clásicos códigos de función (FC3, FC4...) para la consulta de registros (accesos a Word) y coils (accesos a bit) de las distintas unidades funcionales.
Los equipos de WAGO basados en Ethernet incorporan este protocolo de comunicación mediante el puerto número 502.
De esta manera se consigue unir, mediante la infraestructura del Nivel-3, el Nivel 2 (PLC´s) y el Nivel 4 (SCADA).
4.3 Comunicaciones con la Estación de Ingeniería
Como todo proceso de producción necesita de un puesto de ingeniería para realizar cambios o descargas de programa en los PLC´s. Esta comunicación se realizaba, de nuevo, con la misma infraestructura del Nivel 3, pero con un puerto de comunicación distinto. En este caso, el puerto número 2455 que utiliza el software Codesys - IEC 61131-3 (ver figura 1).
Al realizar una comunicación basada en Ethernet y la posibilidad de utilizar distintos puertos, nos permite realizar las siguientes acciones al mismo tiempo:
1. Visualización de estado del proceso (Pantallas del SCADA)
2. Carga de modificaciones de pantallas y objetos del SCADA
3. Intercambio de información entre unidades funcionales (Network Variables)
4. Carga y supervisión "on-line" de los programas de los PLC´s
5. Posibilidad de mantenimiento remoto (acceso remoto)
De esta manera nos permite realizar un desarrollo simultáneo por parte de los distintos especialistas
desde sus puestos de ingeniería (PC´s de sobremesa o PC´s portátiles).
Por el hecho de utilizar una estructura de aplicación basada en el control distribuido nos permite reducir el riesgo de fallos de la instalación o las paradas puntuales de todo el proceso, dado que los puntos de control están distribuidos por toda la planta. En caso de fallo, éste queda relegado a la zona en cuestión, siendo inmediata su detección gracias al diagnóstico de cada una de las unidades funcionales. La disponibilidad de la planta aumenta considerablemente por este efecto multiplicador.
Con esta filosofía sustituimos las grandes y costosas CPU´s centrales por equipos compactos mucho más económicos. También, al utilizar un dispositivo como PLC y periferia descentralizada al mismo tiempo, reduce considerablemente los costes de cableado, ya que el dispositivo de control está "a pie de máquina" y las mangueras de cobre no tienen grandes longitudes. Se simplifica además el stock de mantenimiento, reduciéndose a una única referencia del dispositivo de control, ya que el PLC está controlando tanto las unidades funcionales más sencillas como las más complejas, únicamente cambia la disposición de los módulos de entrada y salida.
En cuanto al programa de una unidad funcional, nos facilita la depuración del código, ya que la lógica se prueba en una de las unidades funcionales y se reutiliza para el resto de unidades funcionales repetidas. De esta manera, lleva consigo la reutilización de código y la reducción del tiempo de desarrollo total del proyecto, reduciendo los plazos y costes del trabajo de ingeniería. La producción de las unidades funcionales puede realizarse además en fábrica y no en campo, utilizando envolventes IP67 si procede.
La partición en unidades funcionales y la réplica de éstas permite además simplificar y acelerar la puesta en marcha, al poder hacer pruebas locales y simular la integración en el proceso total.
Por último, al considerar una red de comunicaciones basadas en Ethernet nos permite realizar comunicaciones simultáneas entre PLC´s, SCADA, software de programación, puestos de ingeniería e incluso mantenimiento remoto desde un punto fuera de la instalación.
[1] Modular I/O-System. Ethernet TCP/IP 750-871. Technical description, installation and configuration. Version 1.0.0. WAGO Kontakttechnik GmbH & Co KG
Minden.Alemania. 2008. www.wago.com
[2] Perry S. Marshall, John S. rinaldi, "Industrial Ethernet" 2nd Edition, I.S.A Books, 2005
[3] Stuart A. Boyer, "SCADA: Supervisory Control and Data Adquisition" 3rd Edition, I.S.A Books, 2004
[4] Modicon Inc., "Modicon Modbus Protocol Reference Guide", Junio 1996
[5] "Control Digital", Dpto. de Automática y Control. Universidad Politécnica de Valladolid, 2002
[6] Josep Balcells, Jose Luis Romeral, "Autómatas programables", Marcombo, 2000
[7] "User Manual for PLC Programming with CoDesys version 2.3", 3S- Smart Software Solutions GmbH, 29.09.2006
[8] Carlos Vicente Caballero, "Descripción del funcionamiento de la desaladora de agua de mar del Canal de Alicante", Revista DYNA, Enero-Febrero 2005
José María Redondo Martín
Dpto. Ingeniería y Automatización
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