Fase 4: CPU / Arquitectura
En este artículo tratamos la selección de la CPU y la Arquitectura del Sistema de Control (índice de las fases de diseño).
4-Selección de la CPU y diseño de la arquitectura
La selección de la CPU y del modelo de PLC/PAC depende directamente de varios parámetros. Algunos de los principales son los siguientes:
–El número de entradas y salidas, el número de racks y si son E/S locales y/o remotas.
-El tamaño de la memoria, la potencia y la velocidad de ejecución de las instrucciones del programa (tiempo de ciclo o scan).
-Si necesitamos programar algoritmos complejos o de regulación (PIDs por ejemplo).
-Si el módulo CPU debe incorporar algún puerto de comunicaciones y/o alguna característica especial.
-Si tenemos una configuración de CPU redundante y qué tipo de redundancia se especifica.
-Si se trata de un PLC de seguridad (“fail safe”).
Otro aspecto a considerar es si hablamos de un PLC tradicional o de control basado en PC (“embedded PC” o “softPLC”).
Arquitectura
El término arquitectura de un sistema de control es muy amplio y abarca muchos aspectos, desde la propia configuración del PLC (racks locales y remotos, redundancia, etc.) hasta la tipología de la red en sus distintos niveles.
Elegir una arquitectura u otra va a depender en primer lugar de lo requerido en la especificación técnica, y además, de los distintos aspectos del diseño realizados hasta ahora. Veamos a continuación algunos casos:
-PLC/PAC local y sin redundancia.
Este es el caso más sencillo, desde un único chasis con su fuente de alimentación, CPU y módulos de E/S hasta una configuración con varios chasis de expansión locales.
-PLC/PAC local y con redundancia.
La redundancia puede ser de CPU, de fuentes de alimentación y de E/S. Normalmente el término redundancia se asocia al incremento de disponibilidad (lógica 2oo2, 2oo3, 2oo4) del sistema, pero también podemos hablar de redundancia para aumentar la seguridad (lógica 1oo2).
Cuando diseñamos un sistema redundante debemos analizar bien que no haya ningún fallo de modo común (en inglés “common mode failure”), es decir, que ningún fallo individual del tipo que sean afecte a los dos canales redundantes a la vez. Si esto ocurre nuestro sistema deja de ser totalmente redundante. Este es uno de los puntos que requieren más atención y análisis al diseñar un sistema de control redundante. Además, el diseño no es exclusivo del PLC o del armario de control si no de la instalación en su conjunto.
Reducir a cero los fallos de modo común es una tarea casi imposible y en cada caso el diseñador debe centrarse en los más probables de que ocurran.
-Controladores descentralizados – E/S remotas
Puede haber diferentes razones para descentralizar las E/S: i) ahorrar cableado; ii) criterios de redundancia; iii) agrupación y segmentación de E/S; etc.
También es posible utilizar buses de campo para comunicar la CPU directamente con algunos dispositivos (variadores, etc.)
En instalaciones grandes la descentralización de controladores por áreas de producción es una práctica recomendable. Hoy en día las redes de fibra óptica nos dan una calidad de comunicación muy alta en casi cualquier tipología de red de controladores.
-Red industrial básica
En la configuración más sencilla tendremos un PLC con E/S locales y un PC/SCADA o terminal para el operador que se conecta al puerto de comunicaciones de la CPU.
-Red industrial (nivel de control)
Los fabricantes ofrecen diferentes tipologías (en estrella, en anillo, en bus o una combinación).
Típicamente en este nivel de control (“control level”) conectamos los controladores, el SCADA o las estaciones de operación, y la estación de ingeniería. Hoy en día se está imponiendo la Ethernet Industrial en sus distintas versiones de protocolos (Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT, PowerLink, Modbus-TCP, etc.)
Uno de los aspectos a considerar y que en ocasiones define la especificación técnica es el llamado determinismo de la red, es decir, el poder garantizar que la información se trasmite de un nodo otro en un tiempo concreto. Las redes industriales clásicas, como por ejemplo ControlNet o Profibus son deterministas, pero no la Ethernet del mundo IT. Muchos de los protocolos industriales que utilizan Ethernet han sido adaptados para ser deterministas y son aptos para tiempo real pero todavía no hay un estándar para esto. Hay muchas expectativas puestas en Ethernet TSN que puede ser en breve tiempo un estándar para la industria.
-Red industrial (bus de campo)
Se utiliza para conectar bloques de E/S y dispositivos inteligentes (sensores, actuadores, variadores, CCMs, etc.)
Las más utilizadas son las siguientes: Profibus DP, Modbus-RTU, CC-Link, CAN, DeviceNet, etc.
-DCS
En instalaciones grandes es donde se utilizan los Sistemas de Control Distribuido(DCS), compuesto como mínimo por dos controladores con sus E/S, uno o dos servidores, las estaciones de operación y una estación de ingeniería. Tendremos al menos una red de fibra óptica y en ocasiones también uno o varios buses de campo. En este tipo de instalaciones la ubicación de los controladores por zonas suele proporcionar ventajas interesantes.
-Redes Wireless
Hay redes Wireless de planta normalmente destinadas a interconectar dispositivos como videocámaras, tablets, móvilworkers, tracking de activos, etc. y redes Wireless de campo destinadas a interconectar sensores de campo y elementos finales de control para la medición y control de procesos. Las redes de campo Wireless pueden integrarse en las redes de planta vía cable Ethernet o vía radio. Los dos principales estándares Wireless para la industria de proceso son ISA 100.11a y WirelessHart.
Es una solución a tener en cuenta principalmente en modificaciones y ampliaciones de plantas existentes y para la monitorización de señales no críticas.
Enlace a la siguiente fase: SCADA.