Claves para elegir autómatas programables y sistemas de control distribuido

El avance en la tecnología de microprocesadores de estos últimos años ha tenido una clara repercusión en dos tecnologías básicas en la automatización industrial, DCS y PLC: Ambas tecnologías están convergiendo. Ello supone que si bien sus posibilidades aumentan, también crecen las dificultades para saber si realmente estamos haciendo la elección correcta. En este artículo revisamos las cuestiones claves que pueden ayudar a seleccionar la mejor tecnología que requiere cada aplicación. Veremos también qué nuevas posibilidades nos dan estas tecnologías. Tradicionalmente, los PLC se han venido utilizando en plantas de proceso para controlar las infraestructuras eléctricas: motores, centros de control de motores, drives, etc. Por el contrario, el DCS se ha usado como control de regulación. Pero el avance de los procesos industriales ha dado lugar a que los PLC y DCS convencionales no satisfagan nuestras necesidades. Sin embargo, las funcionalidades que proporciona la fusión entre sistemas PLC y DCS si que puede ser importante en la automatización de una factoría. Si comparamos la arquitectura de ambos sistemas veremos que en realidad son muy similares, ya que comparten los siguientes componentes: Dispositivos de campo, módulos entrada/salida (I/O), controladores, interfaces máquina-humanos (HMI), ingeniería, control de supervisión. Las diferencias aparecen a nivel de aplicación, por ejemplo, en la arquitectura DCS, la redundancia se emplea a menudo por I/O, controladores, networks, y servidores HMI para asegurar una disponibilidad del 100 %. Una de las aplicaciones más comunes de los PLC es el control de dispositivos de campo discretos como motores. Para hacer esto se requiere que el controlador sea capaz de trabajar a alta velocidad (10-20 mseg), y que el responsable de mantenimiento sea capaz de diagnosticar los problemas en que le sea común (normalmente relay ladder logic). Ya que desde el punto de vista de la arquitectura no hay muchas diferencias, debemos fijarnos en los requerimientos de la aplicación para determinar el sistema adecuado. Para ello, vamos a analizar los grupos de procesos industriales más comunes y en función de sus características determinaremos el sistema de automatización más adecuado.

1. ¿Qué y cómo se fabrica? Las aplicaciones típicas de automatización de factorías, para las cuales se diseñaron originalmente los PLC, implican fabricar y/o ensamblar objetos específicos. Para ello suelen emplearse varias máquinas y los objetos van pasando de una a otra, y generalmente un operador controla visualmente el progreso en la línea de fabricación. Este proceso es muy intensivo en control lógico, y a menudo con requerimientos de alta velocidad. Este tipo de proceso se controla a menudo por un PLC en combinación con HMI (interface máquina-humano). Otras aplicaciones típicas de automatización típicamente consisten en la transformación de una materia prima, mediante reacciones químicas o cambios físicos, para acabar en un producto diferente. Estas aplicaciones pueden estar compuestas por una o más operaciones de unidades de proceso interconectadas entre sí mediante tuberías. Estos procesos se diferencian de los anteriores en que el operador no verá el producto, pues están encerrados en recipientes, en muchas ocasiones a presión, y que por su naturaleza pueden llegar a ser peligrosos. Estos procesos suelen controlarse mediante controles analógicos, que pueden ser simples o complejos (PID o control de bucle), cuyo tiempo de respuesta no suele ser demasiado rápido (100 ms o mayor). En este tipo de procesos suelen estar controlados por un DCS, aunque la capacidad de control analógico de un PLC puede ser más que adecuada. Un factor determinante en estos casos es el tamaño de la aplicación. Las unidades individuales pueden controlarse bien con PLCs, pero si el control es a nivel de planta será preferible un DCS. También influirá en la elección el número de puntos I/O. En muchos procesos puede requerirse un control secuencial, o por lote. Si las aplicaciones son simples podremos usar PLC, pero en aplicaciones más complejas se requerirá un DCS, que proporciona además un buen nivel de flexibilidad.
2. Valor del producto y efectos de las paradas no programadas. El valor del producto y el coste de una parada no programada deberán también tomarse en consideración. Si el coste del producto es pequeño, los fallos no originan daños en el proceso, y el tiempo de una parada no programada es relativamente bajo, la mejor elección son los PLC. Si el valor de un lote es alto, a sea el coste de la materia prima, los problemas originados por paradas no controladas (p.e. el producto se solidifica en las tuberías), la creación de condiciones peligrosas, etc., deberemos utilizar un DCS.
3. ¿Cuál es el corazón del sistema? El corazón del sistema de control de una factoría es el controlador (PLC). Contiene toda la lógica necesaria para mover el producto a lo largo de toda la línea de proceso. El HMI es normalmente un panel junto a una máquina o una estación de control por PC´s. Cada vez se requiere una mayor información de las máquinas, y ello supone que se demanden HMIs más robustos. En procesos en los que las condiciones ambientales pueden ser volátiles o peligrosos, y no puede verse el producto, el HMIs considera el corazón del sistema, y normalmente será una consola en una habitación de control central que proporciona la única forma de ver el proceso de una manera completa.
4. ¿Cuál es el papel del operador en el proceso? En los procesos controlados por PLC el papel del operador es simplemente supervisar el proceso y actuar en caso de detectar anomalías. Por el contrario, en un DCS se requiere que el operador interactúe con el proceso y tome decisiones para mantenerlo en funcionamiento.
5. ¿Qué rendimiento se requiere en el proceso? Otra consideración clave a la hora de diferenciar entre las dos tecnologías es la velocidad de ejecución lógica. El PLC está diseñado para aplicaciones que demandan alta velocidad (10 mseg o menos), incluyendo operaciones como el control del movimiento, enclavamientos a alta velocidad, control de motores, etc. Un DCS no trabaja tan rápido la mayor parte del tiempo (100-500 mseg). En ocasiones puede ser perjudicial que la lógica de control ejecute tan rápido, ya que puede originar un desgaste excesivo en elementos como válvulas. El coste extra de la redundancia puede estar justificado en los sistemas DCS, pero a menudo no en los basados en PLC. Otra consideración a tener en cuenta es que las actuaciones sobre el sistema PLC se hacen con el proceso parado, mientras que en el DCS se hace sin parar el proceso.
6. Estandarización del proyecto: Si el proyecto de automatización va a repetirse en varias ocasiones, las expectativas varían mucho entre DCS y PLC. El PLC fue diseñado para dar soluciones a necesidades únicas de una aplicación. Sin embargo, la mayor prioridad de un DCS es proporcionar fiabilidad y disponibilidad, que a menudo facilita un diseño con una funcionalidad ilimitada para ser repetida. El problema del DCS es su incapacidad para aceptar muchas modificaciones requeridas por el cliente sin crear problemas de compatibilidad.

Bibliografía: PLC´s and DCSs converge. Control Engineering may 2008

Palabras clave: Distributed control system (DCS), Programmable logic controler (PLC), factory automation control