Comunicaciones Industriales. Implementación de un Sistema de Telesupervisión basado en Buses de Campo.

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1 Comunicaciones Industriales. Implementación de un Sistema de Telesupervisión basado en Buses de Campo. Fernando Avallone - Fabian Fillat Repsol YPF. RESUMEN En esta presentación se desarrollan los conceptos básicos que involucra a las tecnologías basadas en buses de campo, en especial Foundation Fieldbus, su origen, su evolución en el tiempo y su proyección futura en el campo de la telesupervisión y control industrial principalmente en el área de Oil & Gas, mostrando un caso real de la aplicación de Foundation Fieldbus en este área. 1. INTRODUCCIÓN Breve descripción de la evolución de los buses de campo a lo largo del tiempo y en especial la aplicación de nuevas tecnologías basadas en buses de campo Concepto de un bus de campo. Evolución en el tiempo de los sistemas de control. Ventajas de utilizar buses de campo. Descripción general de utilización de redes Ethernet. Descripción de un caso real de implementación de dicha tecnología. 2. OBJETIVOS Mostrar los beneficios de utilizar buses de campo en los proyectos de supervisión y control. Identificar de que forma se deben considerar los beneficios de usar buses de campo y que consideraciones en algunos casos erróneas pueden llevar a una incorrecta interpretación de las ventajas provistas por esta tecnología. Exponer el por que de la expansión del uso de Ethernet en los sistemas de control industrial. Consideraciones que se deben prever desde el origen del proyecto para una implementación exitosa de los buses de campo. 3. DESCRIPCIÓN En la presentación se desarrollaran los siguientes temas - 1 -

2 Que es un Bus de Campo? 1. Características básicas. El bus de Campo es un sistema de comunicaciones digital, bi-direccional, multidrop, para instrumentos y otros equipos de automatización de planta. Es un término genérico que engloba numerosos tipos de buses de campo actualmente disponibles en el mercado. Se compone de un cable de dos hilos, que reemplaza la forma convencional de transportar los datos entre los equipos de campo y el sistema de control. Arquitectura de un bus de campo. 1. Arquitectura general. Consta de una red de instrumentos denominado Segmento o H1 cuya velocidad de transmisión es de 31,25 Kbps y en el cual se conectan cada uno de los instrumentos y un dispositivo de enlace (Linking Device) que hace de puente entre una red de instrumentos y la red de HSE. 2. Comparación con la arquitectura convencional. En los sistemas convencionales se utilizan módulos en el cual cada dispositivo debe ser conectado a cada uno de los canales del modulo y la señal trasmitida desde el dispositivo al modulo es analógica. 3. Ventajas de utilizar instrumentos digitales

3 Permite utilizar instrumentos y actuadores inteligentes Permite el acceso a más de un único dato del instrumento de campo. Permite ahorrar en cableado, tableros, gabinetes, barreras, etc., y ahorro en instalación y mantenimiento de los instrumentos y actuadores de campo. Mejora la exactitud Permite diagnostico y alarmas de funcionamiento Permite calibrar y ajustar los instrumentos, de forma remota durante la operación de la planta. Procesamiento de la señal en el instrumento Control en el Campo. Evolución de sistemas de control. Los sistemas de control han ido evolucionando tecnológicamente desde la aparición del control neumático hasta llegar a los buses de campo basados en instrumentos inteligentes. Diferentes buses de campo. En la industria del control de proceso se han ido desarrollando diferentes redes de campo, algunas de ellas no han sido desarrolladas en el principio de buses de campo ( Modbus por ejemplo), por otra parte Profibus y Foundation Fieldbus si han sido creadas en la base de la IEC que da las definiciones de los buses de campo

4 Qué es Foundation Fieldbus? 1. La organización: Es una organización Internacional, sin fines de lucro, que promueve un Bus de Campo, abierto que permitiendo la interoperabilidad de productos y sistemas, eliminando los protocolos propietarios. Está diseñada para satisfacer los requerimientos de información de todos los segmentos de la industria de la Automatización. 2. Características básicas. El Estándar Foundation Fieldbus Define: Capa física para la instalación equipos y Componentes. Un protocolo de comunicaciones digital y determinístico para control de procesos y un lenguaje de programación por bloques de función. Topologías, seguridad intrínseca. 1. Topologías, ventajas y desventajas de cada una de ellas. Derivaciones (Spurs) Guirnalda (Daisy Chain) Estrella (Star) 2. Seguridad Intrínseca. FISCO Foundation Fieldbus ha desarrollado el concepto de FISCO (Fieldbus Intrinsecally Safe Concept) para ser aplicada en aquellos casos en donde la seguridad intrínseca debe ser considerada debido a estar los lazos de control en áreas clasificadas

5 Ventajas en el Mantenimiento. 1. Herramientas de diagnóstico: Se han previsto una serie de herramientas que nos permiten observar las condiciones en las que se encuentra cada uno de los dispositivos conectados a los segmentos y también poder monitorear el estado en que se encuentra cada uno de los segmentos. 2. Mantenimiento Preventivo, Predictivo: El hecho de contar una mayor cantidad de información desde los instrumentos involucrados nos permite determinar la salud de los mismos y poder establecer con antelación las posibles fallas permitiendo prever los pasos necesarios antes de que la falla ocurra evitando los problemas que se incurre cuando la planta se para por falla de sus elementos de control. Ventajas Económicas. 1. Capex: El uso de buses de campo permite la reducción en los costos por ventajas de FF. FF reduce los tiempos de PEM. Menor Horas/Hombre requeridas. En 4 a 20mA necesita de módulos AI/AO no necesarios en FF. En FF es posible usar instrumentos multivariables lo que disminuye la cantidad de instrumentos a usar. Ahorros en cableado y canalizaciones. Reducción de tamaño y/o número de gabinetes de I/O. 2. Opex: Menor tiempo de PEM hace que la planta este disponible en un tiempo menor. La disponibilidad de diagnostico permite Mantenimiento predictivo. Disminución de costos por paradas no programadas. Rápido restablecimiento luego de una parada

6 Descripción general de Ethernet y High Speed Ethernet (HSE). 1. Conceptos básicos de Ethernet: Ethernet ha sido utilizado satisfactoriamente por muchos años en las redes de oficina y hoy en dia la industria apunta al uso de ella como una opción más de las redes industriales. Ethernet esta basado en el modelo OSI, definiéndose este sobre las capas física y de enlace. Ethernet tiene varias ventajas para los propósitos de la industria como ser que este es el protocolo mas difundido y que permite manejar una gran cantidad de datos con una alta tasa de transferencia y a bajo costo. 2. Foundation Fieldbus HSE: HSE esta basada sobre el estándar de la tecnología Ethernet. HSE corre a 100 Mbits y hasta 1Gbits y permite utilizar tanto par trenzado como FO. La red HSE hace de integradora de las redes H1 de nivel mas bajo. Descripción de Virtual Private Network. 1. Que es VPN? VPN o Red Privada Virtual, permite, generar redes lógicas independientes dentro de una mismas red física: corporativa, intranet o Internet. Esto permite extender una red local (LAN) sobre una red WAN corporativa (controlada) o Internet (No controlada). Estudiaremos en particular el caso de utilizar o generar VPNs dentro de la red corporativa, caso más habitual dentro de los sistemas de telesupervisión. 2. Tipos de VPN. Nos centraremos en la conexión de una VPN: Conexión de Acceso Remoto Una conexión de acceso remoto es realizada por un cliente o un usuario de un computador que se conecta a una red privada, los paquetes enviados a través de la conexión VPN son originados en el cliente de acceso remoto, y este se autentica al servidor de acceso remoto, y el servidor se autentica ante el cliente. Este tipo de conexión aplica más a conexiones comerciales, donde los usuarios pueden no conectarse de sitios fijos. Este no es el caso de sistemas Industriales, por lo que no aplica para la mayorías de las instalaciones. Conexión VPN Router a Router - 6 -

7 En una conexión VPN router a router, la red VPN esta definida en los routers que están involucrados en la Red VPN. Donde se definen las identificaciones MAC (identificación única de todo equipo con conexión Ethernet) de cada equipo de la VPN y se configura la conexión entre ellos. Esto posibilita una restricción más de seguridad, donde la VPN es válida solo para los equipos (o direcciones MAC) dados de alta en los routers. Esto aplica a redes WAN corporativas, donde la configuración de los routes es responsabilidad de la empresa, y esta comprendida en las tareas de Administración rutinarias. 3. Por qué VPN? En los proyectos de Telesupervisión, las comunicaciones representan una de las partes más importantes a resolver, técnica y económica del proyecto. La viabilidad del proyecto puede depender de las comunicaciones, pero hoy en día las posibilidades que nos da la tecnología, limitan el problema al plano económico. Por lo tanto, poder utilizar la red corporativa, ya instalada o compartir los costos de una nueva red con los servicios corporativos de red, hace viable proyectos de Telesupervisión, que por si solos no permitirían costear estas comunicaciones. Pero compartir las comunicaciones, va contra uno de los preceptos de los sistemas industriales, en los que define que ellos deberían poseer la exclusividad de su red de comunicaciones, por cuestiones de seguridad y disponibilidad. Las VPN permiten llegar a una solución de compromiso, donde se comparte una red física, pero se separan lógicamente en dos o más redes. El resultado, de generar una red lógica VPN, restringiendo los equipos a conectar, definiendo prioridades de ancho banda y puntos de interconexión con la red corporativa (si se requiriese), nos da como resultad una red que cumple prácticamente con todos los requisitos de una red propia. Para el caso de Fieldbus Foundation HSE, que funcione en una red WAN, sea compartida o no, es fundamental implementar un VPN, que simule una LAN, ya que HSE usa un protocolo multicast LAN, con un puerto estándar, que los routers filtran en la WAN. Consideraciones para la implementación de Foundation Fieldbus. 1. Pre-ingeniería. Definición precisa de la ubicación de lazos de control. Cuando se utiliza Foundation Fieldbus en un proyecto es muy importante la perfecta definición del proyecto desde su inicio ya que a diferencia de la ingeniería convencional, aquí se debe tener una definición precisa de la distribución geografía de los lazos de control para definir la ubicación mas adecuada de los Linking Device y de los instrumentos conectados a cada segmento. 2. Limitación de elementos por segmento. Es importante tener en cuenta diferentes aspectos del proyecto como ser las áreas clasificadas y los tiempos de respuesta que se espera deben responder los lazos ya que estos nos limitaran el numero de dispositivos que se podrán conectar a en cada uno de los segmentos. 3. Redundancia. Es posible configurar sistemas redundantes para aquellos casos donde el grado de criticidad lo requiera, pudiendo ser esta redundancia a nivel de alimentación y/o de comunicación

8 Presentación del uso de dicha tecnología en un caso real. 1. Loma de la Lata. Yacimiento y Plantas de Tratamiento de Gas Natural. Neuquén. Argentina. Se trata de la aplicación de la tecnología de Fieldbus en dos plantas de LTS, planta Aminas, 140 pozos de gas. El proyecto se desarrollo en la implementación de los segmentos H1, el mismo fue realizado en dos fase entre el año 2001 y 2002, en los cuales se llevaron a cabo la implementación de 12 segmentos H1 en planta y 20 segmentos en campo, integrándose en ellos 59 instrumentos y 20 actuadores en planta y, 26 instrumentos y 20 actuadores en campo. 2. Telesupervisión Sur. Yacimiento de Petróleo y Oleoductos. Chubut y Santa Cruz. Argentina. El mismo consta de la Telesupervisión de 9 baterías, 9 plantas deshidratadoras, 9 plantas de rebombéo, 2 ULACT. Se utilizaron 164 instrumentos distribuidos en 22 segmentos HSE y más de 50 segmentos H1. 3. Telesupervisión Oeste. Yacimiento de Petróleo. El Portón Mendoza. Argentina. ( ) Se realizo en este proyecto la telesupervisión de baterías, una planta de tratamiento de crudo, una planta de tratamiento de agua, satélites de reinyección y ULACT. Se utilizaron un total de 107 instrumentos en baterías, 39 en plantas, 14 de satélites y 2 ULACT, distribuidos en 13 segmentos HSE y más de 30 segmentos H1. 4. CONCLUSIONES La utilización de la tecnología basada en buses de campo y en especial Foundation Fieldbus en el área de Oil & Gas es una realidad, grandes empresas la están proponiendo en sus nuevos proyectos debido a los beneficios que trae su utilización en cuanto a ahorros de inversión inicial y de mantenimiento. Cada día se van venciendo los pre-conceptos que naturalmente aparecen cuando se trata de imponer algo diferente a lo que tradicionalmente se ha estado utilizando, aceptando la seguridad que hoy en día ofrecen los sistemas digitales y liberando a los procesadores centrales de todo o parte del control de proceso confiando en que instrumentos inteligentes pueden llevar a cabo tareas de control. Las herramientas de diagnósticos de los dispositivos de campo permiten un trabajo mas eficiente de la planta previendo con bastante antelación posibles fallos y anticiparse a esto con medidas correctivas para evitar paradas de planta de incurren en mayores perdidas. Por ultimo podemos señalar que la incorporación día a día de empresas de instrumentación y control a los estándares de buses de campo nos indica la dirección en la que apunta la telemedición y control industrial