Fase 2: Módulos de E/S
En este artículo tratamos la selección de los Módulos de Entradas/Salidas (índice de las fases de diseño).
2-Selección del hardware de los módulos de entradas/salidas
La selección del tipo de módulos debe basarse principalmente en los requerimientos técnicos, por un lado, y por otro en el coste económico, pero no sólo del hardware, sino de la solución completa que estamos diseñando.
Mostramos a continuación algunos de los puntos que deben considerarse en el diseño:
a)-Módulos de entradas digitales
Lo habitual es utilizar módulos de 24 VDC y no hay muchos casos que justifiquen utilizar otra tensión en las entradas digitales.
Como ejemplos que justifiquen utilizar una tensión superior podemos citar las siguientes:
- Si hay interferencias electromagnéticas elevadas (por ejemplo, áreas con transformadores de potencia, cabinas de media tensión, equipos electrónicos de potencia, etc.)
- Si no hay una distancia suficiente entre el tendido de los cables de control y de otros cables con tensiones o corrientes elevadas.
- Si en la instalación se utiliza normalmente otro valor de tensión lo aconsejable es utilizar siempre que se pueda el mismo valor (por ahorro en repuestos, etc.)
Algunas de las ventajas de utilizar 24 VDC son las siguientes:
-Es una tensión baja no peligrosa al contacto.
-No produce interferencias y además podemos mezclar las entradas digitales y las entradas analógicas de 4-20 mA en la misma manguera multi cable.
-Normalmente el coste del módulo es inferior y hay disponibilidad de módulos con densidades altas (número de entradas por módulo).
-Es más adecuado para entradas con frecuencia de maniobras alta o zonas con peligro de explosión.
-Podemos conectar sensores con transistor de salida (PNP o NPN) como detectores de proximidad, sensores Namur, etc.
b)-Módulos de salidas digitales
La tensión de salida más utilizada es 24 VDC, pero nos podemos encontrar con requerimientos técnicos que aconsejen otro valor como por ejemplo 120VAC / 240 VAC / 125 VDC. Por otro lado, hay que tener en cuenta cuáles son las tensiones especificadas para los elementos de campo como las solenoides, las lámparas, los CCMs, etc. y si hay relés intermedios o no.
Es habitual que la especificación técnica defina las diferentes tensiones de campo pero que no entre en cuál debe ser el valor de tensión de las salidas digitales del PLC.
El dato fundamental para definir el tipo de módulo es la potencia del elemento final, es decir la tensión de alimentación y el consumo de corriente en amperios. Este dato además nos dirá si debemos o no utilizar relés intermedios.
En aplicaciones con frecuencias de maniobra elevadas (por ejemplo en máquinas herramienta) otro dato fundamental es la máxima frecuencia de salida así como las posibles sobretensiones que pueden generarse al desactivar salidas con cargas inductivas (como contactores, etc.).
¿En qué casos se justifica utilizar tensiones altas en las salidas digitales cuando no hay relés intermedios?
-Si los elementos finales están muy alejados del armario de control lo cual provoca caídas de tensión excesivas.
-Si puede haber ruidos electromagnéticos que así lo aconsejen.
-Si hay consumidores con potencias altas (para reducir la corriente → cables más pequeños y menores caídas de tensión).
-Si estamos en ambientes sucios o con polvos en suspensión que afecten a los contactos eléctricos.
En el siguiente gráfico se muestra la caída de tensión en el cable en función del consumo de la carga de 24 VDC.
Otro aspecto a considerar es el tipo de componente interno del módulo (relé, transistor, triac, etc.)
Debemos tener en cuenta lo siguiente:
- Las salidas digitales por relé tienen una capacidad de maniobras y una vida útil de los contactos limitada. Es el factor más importante a tener en cuenta que puede variar entre 50.000 y 2 millones de maniobras dependiendo del voltaje, de la intensidad y del tipo de carga (resistiva o inductiva).
- Las ventajas principales de las salidas por relé son dos: i) El rango de tensiones de salida que permite el contacto del relé es grande, ii) No hay corrientes de fuga en estado OFF, es decir el aislamiento eléctrico es total.
- Las salidas por transistor son las más utilizadas en DC y con más variedad de tipos de módulos. Permiten velocidades de conmutación elevadas y son las adecuadas para diseños en zonas ATEX. Si la carga es inductiva (bobinas, solenoides, etc.) es recomendable poner un diodo en antiparalelo con la carga para evitar dañar el transistor de salida debido a la sobretensión que genera la carga inductiva al desenergizarla (cada vez es más habitual que el módulo de salidas incorpore el diodo).
- Las salidas por triac son las adecuadas para aplicaciones de muchas maniobras en AC. Uno de los inconvenientes del triac es la corriente de fugas en estado OFF que debe ser siempre menor que la corriente mínima de mantenimiento de la carga. Si la carga es muy inductiva puede ser necesario proteger el triac instalando un circuito R-C en paralelo.
c)-Relés auxiliares intermedios
El uso de relés intermedios es una práctica habitual, en la mayoría de los casos por la necesidad de aislar eléctricamente el armario de control de los equipos de campo o por otras causas puramente técnicas tales como:
–Tensión diferente en campo.
–Consumo elevado de los elementos finales.
-Utilización de una misma salida para el mando de varios elementos de campo.
-Salida con uno o varios contactos libres de tensión.
–Aislamiento eléctrico entre salidas digitales con común.
-Salida con enclavamiento eléctrico.
Hay también que tener en cuenta que el uso de relés intermedios introduce otro componente susceptible de fallar, y por lo tanto afecta a la disponibilidad el sistema. Es importante considerarlo en el diseño de las salidas digitales redundantes.
d)-Rango de las señales analógicas
El rango más utilizado, tanto en las entradas como en las salidas analógicas, es el de 4-20 mA.
Muchas de sus ventajas se derivan de haber subido el punto cero a 4 mA, es decir de tener un cero vivo que permite diagnosticar fallos en el lazo de corriente como por ejemplo la rotura del cable. Permite también trasmitir los datos digitales HART a través de los mismos cables y puede utilizarse para señales de seguridad intrínseca ya que permite el chequeo de la línea.
Además, las señales de corriente son en general más inmunes a los ruidos eléctricos si las comparamos con las señales de tensión (0-10 VDC, 1-5 VDC) y pueden trabajar en distancias largas (más de 1 km. si la alimentación nominal es de 24 VDC). Es poco recomendable trabajar con rangos de tensión en largas distancias y con cajas de interconexión intermedias pues hay caídas de tensión que lo hacen imposible.
Si tenemos que cablear la señal de 4-20 mA a varios dispositivos del cuadro de control lo podemos hacer con una resistencia de precisión de 250 Ω que convierte la señal a 1-5 VDC y que podemos llevar en paralelo a varios puntos del cuadro.
Otros tipos de entradas analógicas son las de temperatura, RTD o Termopares, pero no deben utilizarse si la distancia al PLC es grande por el error que introduce la resistencia de los propios cables. Lo más recomendable es utilizar transmisores de temperatura, es decir, el RTD o Termopar con un convertidor a 4-20 mA.
e)-Resolución de las señales analógicas
Normalmente una resolución de 12 bits es suficiente. Subir 1 o 2 bits la resolución aumenta significativamente el precio del módulo y pocas veces se justifica. No suele ser este un punto conflictivo, pero en cualquier caso hay que cumplir la especificación.
f)-Densidad de los módulos
En las señales digitales las densidades más habituales son de 16 y 32 canales, y en las analógicas oscila entre 4 y 16. La selección de un tipo u otro depende de diversos factores y no hay una regla general:
-Cómo vamos a realizar el agrupamiento y la distribución de señales.
-Cuál es la arquitectura de redundancia y cuántas señales simples y redundantes hay.
-El número de señales de cada tipo, así como si hay señales “fail safe”, de seguridad intrínseca, etc.
No siempre es más económico utilizar módulos de alta densidad, por ejemplo, de 32 o 64 E/S pues depende del diseño que estemos realizando (si hay que distribuir las E/S según la localización de los instrumentos y equipos en la planta, si hay E/S redundantes y/o con lógica 2 de 3, si hay razones técnicas en la construcción y cableado del cuadro eléctrico, etc.)
g)-Aislamiento eléctrico
En los módulos de entradas/salidas existen diferentes niveles de aislamiento (canal a canal, entre grupos de canales, entre canal y tierra, etc.). Los módulos estándar no están aislados canal a canal, pero en la mayoría de los casos suele ser suficiente el aislamiento entre grupos de señales. Normalmente es una buena práctica el no mezclar el terminal común de los módulos con la “tierra”. Los módulos con separación galvánica entre canales tienen un coste elevado por lo que es necesario analizarlo bien. Si sólo necesitamos aislar unas pocas señales podemos instalar aisladores fuera del PLC.
Si la especificación técnica es muy exigente en cuanto al aislamiento eléctrico debemos analizar con más detalle de lo habitual cuál es la mejor solución técnica y a qué coste (módulos con separación galvánica, aisladores externos y/o relés intermedios, etc.)
h)-Diagnósticos
El objetivo de los autodiagnósticos en un PLC es detectar cualquier fallo interno, ya sea en la CPU, la memoria, el firmware o en los módulos de E/S. La capacidad y cantidad de estas funciones de autodiagnóstico ha ido aumentando con el paso de los años de forma que actualmente cualquier PLC incorpora de serie algunos diagnósticos.
Los fabricantes ofrecen módulos especiales de E/S con más funciones de diagnóstico que los módulos estándar y que tienen un coste más elevado. Cuando el tiempo de parada de la máquina o proceso es importante entonces merecerá la pena pagar este sobrecoste, y podremos así evitar o reducir mucho el tiempo de parada.
Mediante software y cableado externo pueden implementarse diagnósticos adicionales en las E/S. Los PLCs de seguridad ya incorporan de serie estos diagnósticos pero no los PLCs estándar.
i)-Certificación SIL
Si nuestra aplicación requiere un PLC de seguridad debemos utilizar los módulos “fail safe” cuyo coste es mucho más elevado. Estos módulos incorporan muchas funciones de diagnóstico y tienen una estructura interna redundante con lógica 1oo2D o 2oo3D.
Lo mismo pasa con los relés intermedios de seguridad (“fail safe”) pues son relés especiales y certificados que tienen un coste muy elevado.
Si además tenemos E/S redundantes el coste de la solución se incrementará de forma significativa.
j)-Condiciones extremas
Muchos fabricantes disponen de módulos especiales para trabajar en condiciones extremas, por ejemplo, a alta temperatura. Su coste es mucho más alto y sólo deben utilizarse cuando realmente se requieran.
En muchas ocasiones el cuadro de control está ubicado en una sala de armarios acondicionada. En cualquier caso, la temperatura de operación del sistema de control en su conjunto suele estar definida en la especificación técnica. Es un dato muy importante que nunca debemos olvidar en todo el proceso de diseño.
k)-Area clasificada
En zonas con riesgo de explosión se clasifican las zonas en diferentes categorías. El caso típico lo encontramos en algunas áreas dentro de las refinerías o las plantas de gas. Ello implica tener que diseñar el PLC de seguridad o el DCS cumpliendo una serie de requerimientos técnicos exigentes. Una solución muy habitual, en el caso de las entradas/salidas, es que sean intrínsecamente seguras, ello implica o bien poner barreras intermedias o bien utilizar módulos intrínsecamente seguros disponibles en algunos fabricantes. Estas aplicaciones requieren un nivel de formación del ingeniero de diseño muy superior al de otras.
Hay otras opciones para diseñar el cuadro eléctrico dentro de una zona clasificada como por ejemplo los armarios presurizados o los “explosión proof”. En cualquier caso, para el caso de armarios de control basados en PLCs es frecuente utilizar la seguridad intrínseca que tiene algunas ventajas como es, por ejemplo, la posibilidad de realizar el mantenimiento del armario de control al estar ubicado en una zona segura sin peligro de explosión.
En instalaciones grandes, como por ejemplo en refinerías, se recurre incluso en ocasiones a la solución de presurizar la sala de control y las salas de armarios. Esto obliga a utilizar cables armados de campo e instrumentos y armarios locales aptos para las zonas con peligro de explosión.
l)-Frecuencia de maniobras
En las aplicaciones de control de motores y de posicionamiento se requieren módulos que puedan funcionar de forma rápida. En las señales digitales los rangos en continua permiten más velocidad de conmutación y son más recomendables para aplicaciones rápidas. Dependiendo del caso podremos utilizar módulos estándar o especiales. Si utilizamos entradas de alta frecuencia (por ejemplo, capaces de leer señales de varios KHz) habrá que tener especial precaución con los ruidos eléctricos de otros cables de potencia que pueden falsear las lecturas.
m)-Entradas / Salidas redundantes
El concepto de redundancia es amplio y debe analizarse despacio. Existen varios tipos de arquitecturas redundantes (TMR, QMR, etc,) cada una con sus ventajas e inconvenientes. Por otro lado, hay que distinguir entre la redundancia para aumentar la seguridad y la redundancia para aumentar la disponibilidad.
La especificación del cliente debe definir el número de señales de entrada/salida de cada tipo, cuáles son redundantes y el tipo de redundancia o lógica (1oo1 para las señales simples sin redundancia, 1oo2/2oo2 para las señales redundantes y 2oo3 para las señales que utilicen la lógica 2 de 3).
Aunque las buenas prácticas de diseño aconsejan utilizar controladores redundantes y fuentes de alimentación redundantes siempre que tengamos E/S redundantes, esto no siempre es posible por un problema de coste. Es decir, podemos encontrarnos con diseños que utilizan E/S redundantes y con lógica 2oo3, pero con una única CPU. En ocasiones esto es debido a las limitaciones de redundancia de CPU que tiene el modelo de PLC utilizado.
Al diseñar un sistema redundante debemos tener en cuenta los valores de “tiempo medio entre fallos” (MTBF) que nos facilita el fabricante. Lo normal es que este tiempo baje a medida que se incrementa la complejidad del módulo, es decir, nos encontraremos con tiempos muy altos en módulos de entradas y salidas y mucho más bajos en las CPUs.
Redundancia de E/S (hardware) y/o redundancia de instrumentos de campo.
Otro de los aspectos que debe analizarse es la redundancia de los instrumentos y elementos de campo, pues la redundancia de E/S no suele coincidir con la redundancia en campo. Es habitual que tengamos instrumentos o electro válvulas no redundantes y se especifiquen E/S redundantes.
En general, la proporción de fallos en los sistemas de instrumentación y control es la siguiente:
- Sensores: 35%
- PLC: 15%
- Actuadores: 50%
n)-Señales remotas
Dependiendo de la distribución de instrumentos y equipos en campo puede ser interesante utilizar racks remotos de E/S próximos a los elementos de campo. En estos casos el objetivo habitual es el de ahorrar cableado. En aplicaciones críticas (nucleares, aeropuertos, etc.) el objetivo puede ser la muy alta disponibilidad al redundar las E/S pero utilizando racks separados físicamente varios cientos de metros.
En instalaciones grandes es una buena opción distribuir los controladores y E/S por zonas, que se comunican entre sí y con los servidores a través de la red de control.
o)-E/S de reserva
El porcentaje de señales de reserva no siempre está definido en la especificación. Una buena práctica es mantener este porcentaje entre el 10 y el 20%.
Enlace a la siguiente fase: Distribución de E/S.