Los sistemas integrados amplían la automatización

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1 Los sistemas integrados amplían la automatización El sistema 800xA incorpora numerosas aplicaciones integradas Kai Hansen, Tomas Lindström, Lars Mårtensson, Hans Thilderkvist Los usuarios esperan y exigen que los sistemas de automatización tengan más funciones que nunca. Los componentes de sistema integrados en un sistema de control hacen posible gran parte de la funcionalidad requerida. Soluciones avanzadas de automatización, como el sistema 800xA de automatización ampliada de ABB, precisan de la integración de numerosas tecnologías para ejecutar la gran cantidad de funciones de mejora de la productividad que demandan los clientes de las industrias de procesos de transformación. Dado que hay fábricas que pueden operar bajo control remoto y teniendo en cuenta la necesidad imperiosa de mantener operativa la producción las 24 horas del día durante varios años, sin interrupción alguna, los clientes de las industrias de procesos de transformación necesitan disponer de opciones que les permitan un sencillo mantenimiento y reconfiguración sin interrumpir la producción. Este artículo estudia las tecnologías de sistemas integrados que ayudan al sistema 800xA a satisfacer estas necesidades. 30 Revista ABB 2/2006

2 Los sistemas integrados son sistemas informáticos controlados por microprocesadores que forman parte de un sistema o equipo de mayores dimensiones. Estos sistemas están dedicados a tareas específicas que contribuyen a la funcionalidad global del sistema. Dependiendo de la naturaleza del sistema y de su función, un sistema integrado ha de satisfacer requisitos muy diferentes. Componentes integrados en el sistema 800xA Los componentes integrados que se utilizan con el sistema 800xA permiten ofrecer muchas soluciones distintas para muchos requisitos diferentes, entre ellos los siguientes: Ejecución en tiempo real: A menudo es vital que una tarea determinada, además de ser calculada correctamente, esté concluida en un tiempo determinado. El sistema 800xA satisface requisitos desde tiempo real riguroso, donde es fundamental el tiempo exacto, hasta tiempo real flexible, donde el tiempo de respuesta es menos crítico. Flexibilidad: Los componentes integrados pueden estar dedicados a una única tarea predefinida o a varios trabajos fundamentalmente diferentes. Comparemos, por ejemplo, la diferencia de flexibilidad de un módulo E/S (entrada/salida) con la de un ordenador normal de sobremesa. Disponibilidad: Puesto que los distintos procesos tienen diferentes requisitos de reserva, el nivel de redundancia de un sistema ha de ser flexible. Coste: El coste unitario admisible para un componente suele estar estrechamente relacionado con la cantidad de componentes que se necesita. Es importante considerar si el componente se utilizará miles de veces en una instalación o en un solo caso. Severidad del entorno: En entornos industriales, los componentes han de estar preparados para resistir al calor, a las vibraciones y al polvo. Distribución de inteligencia integrada Como sistema de automatización ampliada, el sistema 800xA distribuye la inteligencia y la potencia de cálculo allí donde es más conveniente 1. La distribución puede adoptar la forma de diferentes tipos de servidores que proporcionan servicios, a los clientes o entre sí. En el lado de control, la lógica se puede distribuir con varios controladores que intercambian cálculos y medidas. El proceso previo abarca desde los módulos E/S que filtran y dan hora a los paquetes de datos, hasta los sensores y actuadores que ejecutan funciones avanzadas de proceso previo y de diagnóstico. Los módulos de comunicación especiales son buses E/S 1 Vista general simplificada de una planta de transformación basada en el sistema 800xA Nivel de cliente/servidor Clientes remotos Puestos de trabajo Servidores del sistema Red de control Nivel de control Automatización de proceso Automatización y seguridad de proceso Seguridad Nivel de dispositivo S800 E/S Accionamientos de velocidad variable Bus de campo de a. v. a dispositivos de enlace (FF HSE/HI, PB DP/PA) S900 /E/S (Ex) MCC Revista ABB 2/

3 explorados para datos de entrada y salida. En su gran mayoría, los componentes del sistema se implementan como sistemas integrados, con un diseño optimizado para necesidades específicas: Los módulos E/S con proceso simple de señales se pueden implementar totalmente con componentes de hardware, siendo la lógica ejecutada en parte en una matriz de puertas programable por el usuario (FPGA). Los módulos E/S, sensores y actuadores inteligentes más complejos se basan en microcontroladores integrados que ofrecen más flexibilidad funcional. Muchos de ellos utilizan algún tipo de sistema operativo en tiempo real. Los módulos de comunicación pueden implementar una pila de protocolos, en parte en hardware y en parte en firmware, que se ejecuta en la unidad central de proceso (CPU) integrada. Para dividir el trabajo es posible procesar mensajes acíclicos con la CPU y manejar mensajes cíclicos con una unidad de acceso directo a memoria (DMA), y en ocasiones con un circuito integrado de 2 Puesto de trabajo ampliado 800xA aplicación específica (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) dedicado a la tarea. El módulo procesador del AC 800M usa un sistema operativo comercial en tiempo real y ejecuta una de las aplicaciones integradas más complejas y flexibles. El usuario define por completo casi todas sus funciones 2. Nivel de cliente/servidor En el nivel de cliente/servidor, varios sistemas de software se combinan para incorporar la funcionalidad operacional, por ejemplo presentando a los operadores valores medidos y el estado del proceso. Los sistemas también soportan funciones de ingeniería, puesta en servicio y mantenimiento de todo el sistema. En este nivel, los servidores y los ordenadores estándar se basan en tecnología Windows en lugar de sistemas integrados, pero incluso en este caso se dispone de soluciones especiales, como redundancia de servidores y redes para garantizar una alta disponibilidad del sistema. Nivel de controlador Los sistemas integrados más avanzados se encuentran en este nivel, en el que los componentes han de resistir condiciones duras de vibración y calor. Un controlador debe tener también una alta flexibilidad y soportar funciones simples, que abarcan desde el control binario hasta el control PID (proporcional, integral y diferencial) avanzado. ABB dispone de una serie de unidades controladoras, la más avanzada de las cuales es el módulo procesador del AC 800M 3. Para conseguir la deseada flexibilidad de opciones de comunicación, el módulo procesador del AC 800M dispone de varias interfaces diferentes de comunicación 4 : Dos puertos Ethernet permiten la comunicación con el nivel de cliente/ servidor y otros controladores. El bus ModuleBus admite módulos S800 E/S conectados directamente. El bus de ampliación de comunicación (CEX, Communication EXpansion) permite conectar otros módulos de comunicación. Hay dos puertos RS232 disponibles para protocolos de comunicación en serie. También se dispone de un enlace con una unidad de control de redundancia (RCU, Redundancy Control Unit). La eliminación de partes móviles, como los discos duros y ventiladores, garantiza la fiabilidad de la unidad de control en condiciones ambientales severas. En 4 Controlador AC 800M montado en un armario de bastidor 3 Módulo procesador de AC 800M, la unidad central del controlador Redundancy Control Unit (RCU) Link Connector Power supply card CPU card Plug-in CPU unit Serial RS232 ports Ethernet DIN-rail Back-plane unit Communication Expansion (CEX) bus 32 Revista ABB 2/2006

4 5 Interfaces de comunicación utilizadas con AC 800M Revista ABB 2/2006 CI860 FF HSE DriveBus CI858 INSUM CI857 S100 I/O CI856 MB300 CI855 PROFIBUS DP el módulo procesador del AC 800M, el programa y los datos se almacenan en memoria Flash PROM (memoria programable sólo de lectura) y RAM (memoria de acceso aleatorio) y, gracias a la eficiencia energética de la CPU, la unidad se refrigera únicamente mediante circulación natural de aire. Los problemas de mantenimiento prohíben el uso de ventiladores mecánicos. Si el módulo procesador de un sistema de control se basa en un microcontrolador integrado, se reduce el número de componentes necesarios, así como los costes y el consumo de energía. Para la mayor parte de la lógica interna adicional necesaria se utiliza una matriz de puertas FPGA. Los puertos Ethernet y los puertos serie se implementan en el microcontrolador. Además, varias funciones especiales que podrían haberse implementado en unidades discretas de hardware, por ejemplo la interfaz ModuleBus, el bus CEX y la unidad de control de redundancia, se implementan como módulos o bloques funcionales en la matriz de puertas FPGA. Las capacidades combinadas del procesador y del sistema operativo en tiempo real permiten al software ejecutar diversas tareas para la respuesta en tiempo real de los bucles de control y la comunicación oportuna con el operador de la planta. La tarea principal del módulo procesador, y por tanto una tarea prioritaria, es la ejecución de la lógica de control del proceso, consistente en un conjunto de cálculos que definen en qué momento se han de abrir y cerrar válvulas, arrancar motores, la velocidad de éstos, etc., además de las demás acciones que controlan directamente el proceso. Puesto que el cálculo se basa en datos de entrada y salida, la lógica del proceso de control depende totalmente de la precisión con que se lean estos datos. El software del sistema integrado ha de manejar la lógica de control del proceso y la lectura E/S de una forma suficientemente flexible, que permita efectuar cambios lógicos sin perder el control del proceso de producción en curso. La alta disponibilidad del AC 800M se garantiza por medio de unidades redundantes de CPU del controlador. La incorporación de redundancia en sistemas integrados es una empresa complicada, ya que requiere un detallado conocimiento de todos los fallos posibles de un sistema y de las soluciones de redundancia apropiadas para gestionar cada tipo de fallo. Algunos procesos son más importantes que otros y por tanto surgen complicaciones adicionales, pero el AC 800M permite detectar los fallos críticos e implementar una CPU completa de reserva en menos de 10 ms. Comunicación El sistema 800xA incluye muchas unidades diferentes que se comunican a través de un bus o una red 5. El sector de automatización de procesos utiliza varios estándares para la comunicación entre controladores de procesos y unidades periféricas, como sistemas E/S, sensores y actuadores inteligentes y otros dispositivos de campo. El controlador AC 800M soporta una amplia gama de estos protocolos, entre ellos buses normalizados internacionalmente como PROFIBUS, Foundation Fieldbus CI854 PROFIBUS DP CI851 RS232 CI853 SM810 PM865 Control Network RS232 y HART, que facilitan la comunicación con diversos componentes del sistema, como son los sistemas E/S y los sensores y actuadores inteligentes. Los protocolos de comunicación en serie, como Modbus y otros, que pueden ser implementados por el usuario en la lógica de control, constituyen otro grupo de protocolos de comunicaciones soportados por el AC 800M. Un tercer grupo de protocolos de comunicaciones soportados por el AC 800M proporciona conectividad para otros productos específicos, como el sistema INSUM de control de motores de ABB, los sistemas avanzados de accionamiento de ABB y los distintos sistemas E/S que usan protocolos de comunicación dedicados. La mayoría de estas opciones se implementan como módulos dedicados de comunicación que se conectan al módulo procesador con el bus CEX. Los módulos de comunicación implementan los protocolos y el intercambio de los datos y del estado del proceso, con el módulo procesador a través de una interfaz de software estandarizada. Los datos se intercambian por medio de memoria de doble acceso (Dual Port) en el módulo de comunicación, al que accede el módulo procesador a través del bus CEX. Los requisitos de ejecución en tiempo real en un módulo de comunicación pueden ser muy complejos, en parte por la gran cantidad de datos que se han de procesar y en parte porque las limitaciones de temporización del protocolo pueden ser muy estrictas. Estos dos problemas justifican el uso de un módulo dedicado de comunicación con una CPU local integrada, en lugar de, simplemente, añadir más componentes de hardware en el módulo procesador. En lugar de utilizar un módulo dedicado adicional en el bus CEX se implementan algunas opciones de comunicación que utilizan el bus ModuleBus. Ciertos accionamientos por motor se pueden conectar directamente con este bus, ya que utilizan el mismo protocolo que el módulo S800 I/O de entrada/salida. La comunicación HART para sensores y actuadores inteligentes se implementa mediante módulos E/S especiales que, además de manejar señales normales de proceso, manejan la señal FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia) digital que se superpone a la señal del proceso. 33

5 Sustitución en directo Para conseguir una alta disponibilidad, los módulos de comunicación se pueden intercambiar estando en funcionamiento el controlador. De este modo, en caso de avería de un módulo de comunicación es posible sustituirlo por otro de reserva sin necesidad de reiniciar el controlador ni, por tanto, de interrumpir el proceso de producción. Esta estrategia también facilita reconfigurar el controlador y, por tanto, modificar las opciones de comunicación sin detener el controlador. La lógica de control y los enlaces de comunicación no modificados siguen funcionando durante la reconfiguración. La única parte de la aplicación de control afectada es la que utiliza datos del módulo de comunicación modificado. Para apoyar esta función, el software del sistema integrado que accede a los módulos de comunicación está capacitado para manejar unidades que sufren fallos repentinos y responder configurando y reiniciando un módulo en buen estado. 6 S800 E/S Comunicación redundante Algunos módulos de comunicación soportan redundancia. La comunicación con unidades por medio de PROFIBUS y Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet), por ejemplo, emplea módulos duales de comunicación para eliminar puntos de fallos individuales entre el controlador y la unidad externa. Dispositivos de E/S e instrumentos El nivel de dispositivos, que incluye las unidades de E/S e instrumentación, se encuentra un escalón más abajo, hacia el proceso. El número de unidades E/S (por ejemplo, unidades de entrada digital) en una planta es mucho mayor que el número de controladores. Por consiguiente, el coste de los componentes es un factor a considerar, además de la razón por la cual en este caso se utilizan procesadores integrados poco avanzados con más frecuencia que en los controladores. También podría ser preferible una simple planificación de tareas, en lugar de un sistema operativo completo en tiempo real. Sin embargo, la respuesta en tiempo real es tan importante en este nivel como en el nivel del controlador. Es posible que algunas partes del sistema E/S tengan que ser intrínsecamente seguras, es decir, adecuadas para entornos peligrosos. Esto se puede conseguir encerrando el equipo en un alojamiento de alto precio o, preferiblemente, utilizando unidades E/S con muy bajo consumo de energía, de modo que no se generen chispas eléctricas potencialmente peligrosas. ABB proporciona una amplia gama de unidades E/S para diferentes necesidades, entre ellas el sistema S800 I/O 6. El sistema S800 I/O consta de un gran número de módulos distintos de soluciones de hardware y software con características específicas propias. Por ejemplo, el hardware de la entrada/salida de seguridad del S880 se basa en un microcontrolador integrado y en un módulo FPGA. Como módulo E/S de seguridad emplea una solución dual, en la que el microcontrolador y la matriz de puertas FPGA ejecutan un protocolo esclavo ModuleBus y la lógica para la entrada y salida de datos y diagnósticos. Los requisitos de tiempo real en esta unidad son muy estrictos. Cuando se recibe un mensaje desde el controlador, la respuesta ha de darse en un plazo de 330 ms. El incumplimiento de este plazo límite lleva al controlador a suponer que la unidad E/S no está funcionando y a pasar a la siguiente unidad. El módulo de E/S también tiene que gestionar los datos de configuración y todos los posibles estados de error. Fuente de alimentación Otro importante aspecto de todos los dispositivos integrados en un sistema de alta disponibilidad es la fuente de alimentación. Las unidades han de disponer de detección de sobretensiones y subtensiones. Las fuentes de alimentación redundantes se han de diseñar cuidadosamente para que no constituyan un punto de fallo individual. Los módulos de sistema integrados ofrecen gran flexibilidad La gran cantidad de sistemas integrados que se encuentran en una planta típica de procesos de transformación ofrece numerosas soluciones de hardware y software. Organizar estos componentes en un único sistema unificado es todo un reto, pero los resultados bien merecen el esfuerzo. Como muestra este análisis, muy simplificado, las diferentes exigencias que han de satisfacer las distintas partes de un sistema crean elementos heterogéneos dentro de un sistema unificado. Con el sistema 800xA, ABB ha reunido componentes óptimos integrados de hardware y software y los ha combinado para proporcionar un sistema fiable con todas las funciones avanzadas que hoy en día necesitan las industrias de procesos de transformación. Los mejores equipos y sistemas de la gama, diseñados conjuntamente con los usuarios finales, continuarán mejorando la automatización de la producción y aumentando la eficiencia. ABB es una de las compañías líderes mundiales en la automatización de procesos y por tanto una buena elección para conseguir dos factores fundamentales para cualquier sector industrial que quiera prosperar: la capacidad y la productividad. Tomas Lindström ABB Automation Technologies AB Västerås, Suecia tomas.lindstrom@se.abb.com Lars Mårtensson Hans Thilderkvist ABB Automation Technologies AB, Malmö, Suecia lars.mårtensson@se.abb.com hans.thilderkvist@se.abb.com Kai Hansen ABB Corporate Research, ABB AS Billingstad, Noruega kai.hansen@no.abb.com 34 Revista ABB 2/2006